區域交通信號控制

區域交通信號控制，簡稱面控制，它的控制對象是城市或某個區域中所有交叉口的交通信號。在城市道路網路中，不同路徑的交通流是可能相互影響的，一個區域內的每個交叉口都不是孤立存在的，對某一個交叉口的信號進行控制，其相鄰路口的交通流也會隨之變化，進而影響整個區域的交通流狀況。因此，將區域內多個交叉口及它們之間的道路作為一個整體的交通信號系統，根據交通流運行的規律，對該系統內各個交叉口的信號配時進行協調控制，就能夠取得系統評價指標最優的調節結果，這就是區域交通信號控制。

區域交通信號控制系統是指：把區域內的全部交通信號的監控，作為一個指揮控制中心管理下的一套整體的控制系統，是單點信號、幹線信號系統和網路信號系統的綜合控制系統。

基本介紹

• 中文名：區域交通信號控制
• 外文名：Regional Traffic Signal Control
• 簡稱：面控制
• 領域：交通、控制
• 對象：某個區域中所有交叉口的交通信號
• 控制方法：定時控制方法、自適應控制方法

意義

交叉口是城市道路網路中的關鍵位置，雖然單個交叉口的交通信號控制是被運用最為廣泛的控制方式，但其更適合於孤立的交叉路口。對於整個城市從巨觀的角度來看，實行區域交通信號協調控制對於提高交通運輸效率和減少車輛的平均延誤有著不可替代的作用。區域交通信號協調控制的目的是在充分利用現有交通設旌的基礎上，以先進的控制技術為手段為依託，對區域內多交叉口交通信號進行協調控制，減少目標區域內交通擁堵和交通事故的數量，儘量提高區域內交通運輸效率，緩解區域內交叉口的交通流壓力。本文將採用一些現代智慧型控制技術來最佳化城市交通控制問題，提高交通控制系統的控制效果，使其能夠適應不同的交通環境。制定科學的交通管理辦法和高效可行的信號控制方案能夠降低交通事故的發生、改善交通環境、提高道路的交通運輸效率及降低能源消耗，同時對提高人民的生活質量和城市經濟建設水平也有著重大的推動作用。

結構

大量的研究和實踐表明，整個城市道路交通網路的運行可以通過計算機網路來進行控制，這已經在世界各地的很多城市得到了廣泛的套用，區域交通信號控制系統也是建立在這種體系下的。如圖1就是一個基本的基於計算機控制的交通系統體系結構。

圖1 計算機交通控制系統結構

基於經典控制技術理論，交通控制系統可描述為一個反饋的閉環控制系統。系統的輸入對應於來自人機界面互動的人工需求的輸入，輸出對應於實際交通網路中運行的交通流，反饋信息則是來自實際交通網路中檢測器所獲取的交通信息。對於區域交通信號控制，實際交通網路與控制設備包括面向整個區域的和面向單個交通節點(交叉路口或者路段)的多個層次的處理設施。整個區域交通信號控制系統就是在這種體系結構的基礎上運行的。

顯然，在這樣的自動控制系統中，最核心的就是對監控系統獲得的檢測信息進行實時回響，並通過控制輸入反饋到控制設備上的部分，也就是將輸入信息轉化為輸出信息的控制方法環節(具體表現為計算機控制算法)。

區域交通控制方式分類

城市區域多交叉口交通控制的方式有多種，一般可按控制策略分類、按控制結構分類。

以控制策略分類

（1）區域交通定時式離線控制方法：這種方法以區域內交通流量的歷史統計數據和現狀調查數據作為基礎，用計算機進行離線計算最佳化處理，從而獲得最佳的信號配時方案，配時方案會存入控制計算機中以供信號控制機在不同的交通情況下選擇，這種方法適用於交通流量相對穩定的區域路網。

（2）區域交通適應式線上控制方法：這種方法以設定在區域路網中的車輛檢測器收集到的實時交通流量數據為基礎，進行在線上線上計算最佳化處理，這種方法能夠很好的適應交通流的隨機變化。

以控制結構分類

（2）區域交通集中式計算機控制結構方法：這種方法將區域內所有的信號機都連線成一個網路，用一台中小型計算機或是多台計算機線上聯網的方式對整個系統進行集中控制，屬於主從分散式控制方法，其原理與結構都很簡單。

（2）區域交通分層式計算機控制結構方法：這種方法將整個交通信號控制系統分成上下層兩個子系統，上層子系統接收來自下層子系統的交叉口配時方案，對這些配時方案從整體的角度進行協調分析處理，從而使下層子系統的配時方案得到修正；下層子系統則根據修正後的方案再做必要的調整。上層子系統主要完成整個系統協調最佳化任務，下層子系統主要完成區域內交叉口配時調節的執行任務。

區域交通信號控制方法

根據控制方式的不同，交通信號控制可以分為定時控制方法與自適應控制方法兩類。

定時控制方法

定時控制方法指的是根據給定的過去一段時間區間內的歷史需求選取合適的最佳化算法，並以離線驅動的方式對交通信號進行控制的方法。該方法是最早實現的交通信號控制方式。由於技術條件的限制，早期採用人工調整信號燈變化的單路口交通信號控制就是一種簡單的定時控制方式。隨著道路交通檢測技術的進步，根據歷史交通信息來對交叉路口實行控制的單路口定時控制方法獲得了越來越多的關注，其中最著名的是SIGSET和SIGCAP方法。出於區域交通網路控制的需求，20世紀六、七十年代以來，在單路口定時控制方法的基礎上，已開發國家的研究機構研製出了多種區域交通信號定時控制方法，其中套用最廣泛的就是J．D．C．Little提出的MAXBAND和由D．I．Robertson提出的TRANSYT兩種方法。下面分別介紹這兩種方法。

（1）MAXBAND是一種幹線信號控制方法，它的主要研究對象是一條帶有n組交通信號燈(有n個交叉路口)的雙向主幹道，通過設定合適的相位差，使得以給定的速度運行的車輛的數量達到最優，同時減少這些車輛在交叉路口的等待時間，形成所謂的“綠波帶”。在包括J．D．C．Little在內的各國學者的努力下，基於基本的MAXBAND思想已經衍生出了很多擴展方法，例如考慮車輛的左轉運行、不同支路的頻寬等等，這些方法統稱為MULTIBAND。

（2）TRANSYT是英國道路與交通研究所(TRRL)在1966年推出的一套離線交通信號最佳化配時程式，由於其良好的最佳化效果，還經常被用作研究交通信號控制的對照方法。TRANSYT主要是通過一種疊代的方式來對交通參數進行最佳化：對於給定的信號燈控制參數(也就是系統的控制輸入，包括周期、綠信比和相位差等等)，動態網路模型計算出相應的回響指數，然後採用一種啟發式“hill-climb”最佳化算法對這幾個控制參數值進行最佳化，並導出新的運行模型，不斷進行疊代計算，直到系統性能達到最優。經過幾十年的發展和完善，RANSYT目前的最新版本是ll版，而美國、法國等國家的研究機構也在TRANSYT的基礎上改進研究出了相應的控制系統。

自適應控制方法

與定時控制方法相似，自適應控制方法最早也是從單路口自適應控制方法開始的。但是，由於多個交叉路口之間關聯度的複雜性，區域自適應控制方法遠比單路口自適應控制方法複雜。因此，目前國際上研製出的具有實用性的區域自適應控制方法不多，其中最具代表性的就是SCOOT和SCATS兩套系統。

（1）SCOOT(Split，Cycleand Offset OptimizmionTechnique，綠信比、周期和相位差最佳化技術)是由英國TRRI，的D．I．Robertson團隊在TRANSYT系統的基礎上研發的交通控制系統【261。SCOOT的核心算法與TRANSYT基本相同，二者的差別主要在於對交通狀態的交化是否實時回響。SCOOT是一種基於模型的最佳化控制方法，系統對所控制的交通網路建立模型，並根據車輛檢測器獲取的實時交通信息來最佳化求解出最合適的交通信號控制參數，從而實現對交通網路自適應協調控制的目標。類似的基於模型的交通控制最佳化方法還有OPAC，RHODES，CRONOS等。由於這些方法是以數學模型為基礎，系統穩定性較好，然而隨著交通網路的擴大，模型的複雜度會呈指數級數增長，系統的計算複雜度也會相應的增大，這是此類系統的缺點。

（2）SCATS(Sydney Coordinated AdaptiveTrafficSystem，悉尼協調自適應交通系統)是澳大利亞新南威爾斯州道路交通局(RTA)歷時十年時間研究開發的實時自適應交通信號控制系統。與SCOOT不同，SCATS是一種沒有交通模型的方案生成式自適應交通控制系統。SCATS系統中預先設定了多種交通信號控制方案，在實際運行過程中，系統根據檢測到的實時交通信息來選擇一種合適的控制方案。SCATS將系統結構分為三層，分別是中央控制中心、子區控制中心和路口信號控制機。這種分層控制的方式加上靈活的控制方案選擇方式，大大提高了系統的運行效率，使得SCATS系統可以對整個區域交通網路取得非常好的協調控制效果，也因此成為了套用最廣泛的區域交通信號控制系統。目前我國上海、廣州、香港等城市的交通信號管理就是採用SCATS系統實現的。