交通控制

交通控制，也叫交通信号控制，或城市交通控制，就是依靠交通警或采用交通信号控制设施，随交通变化特性来指挥车辆和行人的通行。

简介

交通控制通过由电子计算机管理的交通控制设施对交通流进行限制、调节、诱导、分流以达到降低交通总量，疏导交通，保障交通安全与畅通的目的。

起源与发展

城市交通控制的研究起源较早。

1868年英国伦敦燃汽信号灯的问世，标志着城市交通信号使用的开始。

1913年，在美国俄亥俄州的Cleveland市出现了世界上最早的交通信号控制。

1917年，美国盐湖城开始使用联动式信号系统，将六个路口作为一个系统，用人工手动法控制。

1918年初，纽约街头出现了新的人工手动红黄绿三色信号灯，同现在的信号机甚为相似。

1922年，美国休斯顿在大街上使用第一台自动交通信号机，是城市交通自动控制信号机的开始。

1926年美国的Chicago市采用了交通灯控制方案，每个交叉口设有唯一的交通灯。此后，交通控制技术和相关控制算法得到迅速发展和改善，提高了交通控制的安全性、有效性并减少了对环境的影响。

20世纪30年代，美国、英国产生了气动橡皮管式的车辆感应信号控制器，用以检测交通流量，调整绿灯时间长短。

20世纪70年代中期，北京制成了感应式交通信号控制器。

20世纪80年代，北京、上海等大城市先后研制成功微机化的信号控制机和干线协调控制系统。

现代信息技术、电子技术、自动控制技术及计算机技术的发展使以信号灯为主体的交通控制手段迅速发展，交通信号机由手动到自动，交通信号由固定周期到可变周期，系统控制方式由点控、线控到面控，进而发展为智能交通控制系统。

1963年加拿大多伦多市建立了一套使用IBM650型计算机的集中协调感应控制信号系统。之后，美国、英国、前联邦德国、日本、澳大利亚等国家相继建成计算机区域交通控制系统，这种系统一般还配备交通监视系统组成交通管理中心。

直到20世纪80年代初，全世界建有交通管制中心的城市有300多个。各国广泛使用最具代表性城市道路交通控制系统有英国道路研究所的TRANSYT、SCOOT系统和澳大利亚开发的SCATS系统。

近年来，英国、澳大利亚、欧洲和美国均在某些城市建立了交通控制系统。在这些系统中，大部分都在各路口附近安装有磁性环路检测器，并由各路口的控制装置或工作人员将交通控制参数通过电话线、电缆、闭路电视线等通讯网络输入微处理器，用小型计算机进行集中控制。

目前国内已有一些自主开发的城市交通控制与管理系统，但在整体性能比国外同类系统仍有较大差距，只在一些中小城市得到一些应用。国内城市尤其是大城市引进的交通系统大部分为进口的SCOOT和SCATS系统。由于我国交通流是混合交通流，和国外的交通流大不相同，国外的交通控制系统在国内的使用效果不尽人意。与国外相比，我国目前交通状况还比较落后，主要表现在：

（1）城市道路结构不合理，大多数城市道路空间结构属平面交通状态，形成“人车混行，快慢车混驶”的特点。主、次干道和支线比例失调，衔接关系紊乱，使干线道路难以发挥其功能。就道路面积来说，国内的城市道路面积率低于世界上同等规模大城市。

（2）交通出行结构失衡。国内的城市交通主要由各种机动车、非机动车和行人构成，形成特殊的三元混合交通结构。

（3）交通管理技术水平低，交通事故频繁。目前中国城市交通的问题呈现两类典型现象：管理不力、秩序混乱；没有科学、合理、有效的城市交通监控系统。由此带来的后果日趋严重。表现为路网通行能力明显低于设计要求并且波动性大、出行时间难以预测、高发交通事故、交通环境恶化、出行者容易疲劳等。

交通控制的作用

交通控制对于组织、指挥和控制交通流的流向、流量、流速、维护交通秩序等均有重要的作用，从时间上将相互冲突的交通流予以分离，使其在不同时间通过，以保证行车安全，同时迫使车流有序的通过路口，提高了路口通过效率和通过能力，并且减小了噪声，降低了汽车尾气对环境的污染。

交通控制方式选择

（1）不同类型立体交叉规划时的占用土地和通行能力估算；

（2）按交通量和事故情况选择；

（3）不同管理方式、不同等级相交道路，不同形式的平交路口通行能力不同；

（4）按相交道路性质、类型选择；

（5）其他因素。

交通控制的内容

（1）交叉路口的交通控制

无论是优先规则控制，还是信号控制，交叉口的车辆延误均随着交叉口交通流量的增大而增加。当交叉口车流量较小时，宜采用优先规则控制，因为此时优先规则控制下的车辆延误小于信号控制下的车辆延误；当交叉口车流量较大时，宜采用信号控制，因为此时信号控制下的车辆延误小于停车让路控制下的车辆延误。

（2）道路网络交通控制

（3）路段交通控制

（4）高速道路交通控制

交通控制类型

按照类别划分

（1）以交通限制为主的控制

（2）以交通信号为主的控制

（3）以传递情报信息为主的控制

按照控制范围划分

（1）单点控制

（2）干线控制

（3）区域控制

按照控制方式划分

（1）单点定时控制

（2）单点感应控制

感应控制的原理是根据车辆检测器测量的交通流数据调整相应的绿灯时间的长短和时间顺序，以适应交通流的随机变化。

（3）干线无电缆协调控制

（4）干线有电缆协调控制

（5）区域定时协调控制

（6）区域自适应协调控制

自适应控制是根据检测到的有关道路交通信息，并基于预测模型预测到的未来交通需求，从系统信号配时方案库中选择相应的优化方案，或实时计算产生相应的优化控制方案实现交通自动控制。

按信号配时生成的技术划分

（1）人工优化技术

（2）脱机优化技术

（3）联机优化技术

交通信号控制系统的控制参数

交通信号控制系统是利用道路交叉口设立的交通灯信号对冲突交通流从时间上进行优化分配的装置。基本参数如下：

1) 交通信号灯：机动车与非机动车信号灯通常有三种颜色，即红、绿、黄。红色表示不可通行，绿色表示可以通行，黄色表示越过停车线的车辆可以继续通行，其它不可通行。行人过街信号灯通常有两种颜色，即红、绿。红色表示不可通行，绿色表示可以通行。

2) 绿灯时间G：一个相位绿灯信号保持不变的时间。

3) 相位P：是对于一个路口多方向交通流而言，一组互不冲突的交通流即可构成为一个相位。

4) 周期C：信号灯的各种灯色轮流显示一次所需要的时间。

5) 绿灯间隔：在一个周期内，一个相位有效绿灯转换为下一个有效绿灯之间的时间间隔。

6) 全红时间：在交通信号进行转换期间，为交通安全而设立的所有交通信号为红灯的过渡时间。

7) 绿信比λ：一个相位信号有效绿灯时长与周期时长之比。

8) 相位差offest：相邻路口同一相位绿灯(或红灯)起始时间之差。

9) 饱和率s：在稳定交通流情况下，一个交叉口每车道可通过的最大流量率。

10) 通行能力ca：在现行信号控制下，单位时间内每车道可通过的最大车辆数。

11) 饱和度ρ：交通流率ν与通行能力的比，即流量-容量比。

城市交通信号控制方式

单个交叉口独立控制方式

单个交叉口独立控制方式是一种最基本的控制方式。又分为离线点控制和在线点控制。

离线点控制采用定时信号配时技术，它的基本原理是将绿灯时间分成有限的具有固定顺序的时间段(相位)，不同的交通流将根据固定绿灯时间和顺序依次获得各自的通行权。离线点控制特别适合于交通量小的交叉口，其信号配时方案是根据典型状况的历史交通数据制订的，它又分为定周期控制方案与变周期控制方案。在定周期控制方案中，只有一种配时方案，信号灯一天24小时内都执行同一种方案。而变周期控制方案则将一天24小时分成不同的时间段，根据不同时间段内交通流量的统计数据，为交通信号机设置相应的信号配时方案。由于在不同的时段信号配时不同，特别对于象上下班高峰期，其配时方案与其相对应，因此可有效疏散交通流，尽可能地避免或减少交通拥挤。比定周期控制方案具有更大的灵活和适用性，实际应用也较多。

在线点控制方案是指交通响应控制(或车辆感应控制)。它是根据交叉口各个入口交通流的实际分布情况，合理分配绿灯时间到各个相位，从而满足交通需求。

主干道交通信号控制

主干道交叉口的交通控制是一种线控方式。在城市道路网中，交叉口相距很近，两个相邻的交叉口之间的距离通常不足以使一队车流完全疏散。当交叉口分别设置单点信号控制时，车辆经常遇到红灯，时停时开，行车不畅，油耗增加，环境污染严重。为了减少车辆在各个交叉口的停车次数，特别是希望干道上的车辆比较畅通，人们研究了干道相邻交叉口协调控制策略。最初协调信号计时的方法是基于绿波概念，即相邻交叉口执行相同的信号周期，主干道上各交叉口同一相位的绿灯开启错开一定时间，交叉口的次干道在一定程度上服从主干道的交通。当一列车队在具有许多交叉口的一条主干道上行驶时，协调控制使得车辆在通过干道交叉口时总是能在绿灯相位内到达，因而无须停车通过交叉口。这样能提高车辆行车速度和道路通行能力，确保道路畅通，减少车辆在行驶过程中的延误时间。

然而在复杂的城市交通网络中，通常不能将所有道路设置成绿波。1969年研制的TRANSTY软件包优化分配每一个交叉口各相位的绿灯时间，每一个交叉口周期的起始时间和周期时间。由于TRANSTY通过一列车队疏散模型考虑了相邻交叉口的疏散程度，因此考虑了协调的需要。

区域交通信号控制

在交通密度大的情况下，绿波会导致拥挤以及交叉口的阻塞，同时主干道交通信号控制方法实际上牺牲了次干道上的交通流的利益。区域交通信号控制的控制对象是城市或某个区域中所有交叉口的交通信号。计算机、自动控制和车辆检测技术的发展使这种技术成为可能。因为它需要将交通流数据收集并经通信网传到区域控制中心的上位机，上位机根据网上交通量的实时变化情况，以区域内所有车辆通过这些交叉口时所产生的总损失(包括延误、停车次数、油耗等)最小为目标，按一定时间步距不断调整正在执行的配时方案。这种方式实现了区域内交叉口之间的统一协调管理，提高了路网运行效率。

目前，国外的典型城市控制系统有英国的TRANSYT和SCOOT、澳大利亚的SCATS、德国的Siemens等，国内有深圳的STC、南京的交通控制系统以及天津的交通控制系统。

城市ITS中的交通控制方法

现有的城市交通控制系统中，无论是单点控制、干线控制还是区域控制，也不论是静态控制还是动态自适应控制，控制算法采用模糊数学还是神经网络，都只考虑交通控制系统自身，而忽略了交通控制对交通流的影响，更不考虑交通诱导系统的影响。本质上都是一种解决现有交通流通过交叉口的方法。

在智能交通系统中，交通控制与交通诱导综合考虑，即在交通需求已知情况下，交通流受到交通控制与交通诱导的双重影响，其随机性变小、确定性增加。但在城市交通系统中，各交叉口的控制情况和控制方法并不相同。按控制情况可分为无控制交叉口、独立控制交叉口、干线控制交叉口、区域控制交叉口；按控制方法可分为静态定周期控制、静态变周期控制、单交叉口独立自适应控制、主干道线性控制和区域控制。因此，城市智能交通系统中的交通控制问题更为复杂。

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