區(qū)域交通控制系統(tǒng)

區(qū)域交通控制系統(tǒng)基本形式主要設(shè)備及功能工作原理交通信息采集與處理控制策略的生成與實施一、基本形式區(qū)域交通控制系統(tǒng)（Areatrafficcontrolsystem-ATCS）的控制對象是城市或某個區(qū)域中的若干交叉口的交通信號。實現(xiàn)這種控制的系統(tǒng)組成形式多種多樣，但這些系統(tǒng)都可以歸納為如下兩種基本形式：1、集中式交通控制系統(tǒng)所謂集中式交通控制系統(tǒng)，是指將控制區(qū)域內(nèi)的所有信號機(jī)與主控中心聯(lián)結(jié)起來，用一臺計算機(jī)進(jìn)行控制的系統(tǒng)。這種系統(tǒng)通常由控制中心和交叉口信號機(jī)兩級組成?？刂葡到y(tǒng)的配時方案生成、檢測信息的加工處理及控制策略形成和調(diào)整等都是由主控計算機(jī)來完成的。集中式交通控制系統(tǒng)的最大優(yōu)點是：1）有一個控制中心；2）系統(tǒng)設(shè)備少，成本低；3）設(shè)備維修和系統(tǒng)維護(hù)方便。集中式交通控制系統(tǒng)的缺點是：1）系統(tǒng)主控計算機(jī)所承擔(dān)的數(shù)據(jù)存儲、處理、傳輸及控制任務(wù)繁重；2）系統(tǒng)所需的通信線路較多，費用較高；3）系統(tǒng)的控制區(qū)域有局限性，相對較小；4）系統(tǒng)的實時性和可靠性相對較差。2、非集中（分層）式交通控制系統(tǒng)非集中式交通控制系統(tǒng)，即所謂的分層式交通控制系統(tǒng)，是把整個系統(tǒng)分成交叉口信號機(jī)控制層、分區(qū)控制層及中央監(jiān)控層三個層次。交叉口信號機(jī)控制層只負(fù)責(zé)本交叉口的信號控制；分區(qū)控制層負(fù)責(zé)一個較小區(qū)域內(nèi)的各信號機(jī)的最優(yōu)協(xié)調(diào)控制；中央監(jiān)控層負(fù)責(zé)各分區(qū)控制層之間的協(xié)調(diào)，即全系統(tǒng)的協(xié)調(diào)優(yōu)化。下層控制既獨立運行，又受上層控制的干預(yù)與指揮。對于分區(qū)控制層，其主控計算機(jī)一方面執(zhí)行本區(qū)域的信號協(xié)調(diào)控制，負(fù)責(zé)收集和處理檢測器的檢測信息，在必要的時候向中央監(jiān)控中心的主控計算機(jī)傳送有關(guān)的交通信息；另一方面該主控計算機(jī)又隨時接受中央監(jiān)控計算機(jī)下達(dá)的干預(yù)和指揮指令，對本區(qū)的控制策略作出相應(yīng)的調(diào)整。這種控制結(jié)構(gòu)是大城市交通控制系統(tǒng)常采用的結(jié)構(gòu)形式。分層式交通控制系統(tǒng)的主要優(yōu)點是：1）系統(tǒng)可靠性高；2）信息的傳輸效率高，傳輸費用低；3）系統(tǒng)的實時性強；4）控制方式和執(zhí)行能力靈活；5）控制區(qū)域基本不受限制。分層式交通控制系統(tǒng)的主要缺點是：1）需要有多個分控中心；2）系統(tǒng)的設(shè)備多，成本高；3）系統(tǒng)控制軟件復(fù)雜；4）設(shè)備的維修和系統(tǒng)維護(hù)復(fù)雜。二、主要設(shè)備及功能1、中心控制器中心控制器，主要是指中心主控計算機(jī)及其外設(shè)。它負(fù)責(zé)系統(tǒng)的運行，交通信息的存儲與處理，控制方案的優(yōu)化，控制效果的分析等，是整個控制系統(tǒng)的核心部分。2、交叉口信號機(jī)交叉口信號機(jī)是交通控制系統(tǒng)中最基本的和最主要的設(shè)備之一。其主要功能是：1）按設(shè)定的控制方式執(zhí)行所在交叉口交通信號燈的控制任務(wù)；2）執(zhí)行主控計算機(jī)下達(dá)的控制任務(wù)；3）收集匯總檢測器檢測到的交通信息，并實時地傳送給控制中心的主控計算機(jī)。3、交通檢測器交通檢測器是交通控制系統(tǒng)中獲取交通信息的主要設(shè)備，對于實時控制系統(tǒng)，交通檢測器的作用尤為重要。其主要功能是：檢測控制系統(tǒng)所需的各種交通參數(shù)，如交通流量、車速、占有率、延誤、停車和排隊等。交通檢測器的種類很多，目前在用的交通控制系統(tǒng)中，主要以環(huán)行線圈檢測器為主。近年來，隨著視頻檢測技術(shù)的發(fā)展，視頻檢測器作為一種新型的檢測器設(shè)備已得到人們的認(rèn)可，并正在得到不同程度的應(yīng)用。4、通信系統(tǒng)交通控制系統(tǒng)中的通信系統(tǒng)是聯(lián)系控制中心與下端各控制設(shè)備（如分區(qū)控制中心、交叉口信號機(jī)等）的橋梁，是控制系統(tǒng)的重要組成部分。通信系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成。通信系統(tǒng)的硬件主要由通信裝置、通信接口、調(diào)制/解調(diào)器及通信線路（信道）等部分組成，軟件主要是負(fù)責(zé)通信工作的通信控制程序、通信協(xié)議程序等各種計算機(jī)程序。5、顯示系統(tǒng)在交通控制系統(tǒng)中，為了能實時地反映控制系統(tǒng)的工作狀況和受控對象的運行情況，需要運用必要的顯示設(shè)備對有關(guān)的信息進(jìn)行顯示。在現(xiàn)代交通控制系統(tǒng)中，最常用的顯示設(shè)備有大屏幕顯示屏、計算機(jī)顯示終端等。1）大屏幕顯示屏大屏幕顯示屏已經(jīng)成為現(xiàn)代交通控制系統(tǒng)中最基本的顯示設(shè)備。它通常是由多塊顯示屏采用無縫鏈接技術(shù)拼接而成，如4×4，8×8等。在系統(tǒng)運行時，這些顯示裝置，可根據(jù)系統(tǒng)的實際運行情況顯示出地圖、視頻等各種所需的信息，以便讓系統(tǒng)操作人員及時掌握系統(tǒng)的實際情況，在必要時作出相應(yīng)的控制對策。山東高速公路信息管理中心2）計算機(jī)顯示終端計算機(jī)顯示終端越來越多地在控制系統(tǒng)發(fā)揮著專業(yè)顯示設(shè)備的作用。三、工作原理交通網(wǎng)絡(luò)在控制裝置的控制及外界干擾下會不斷發(fā)生新的變化；這種變化通過路網(wǎng)的傳感器（交通信息檢測器）及時掌握，再通過監(jiān)控環(huán)節(jié)和控制策略生成環(huán)節(jié)自動地（或控制人員的直接干預(yù)下）對控制效果作出分析判斷，并制定出下一步的控制對策，傳送給控制裝置進(jìn)行新的控制，如此循環(huán)往復(fù)，使整個控制系統(tǒng)的運行不斷朝著預(yù)期的目標(biāo)前進(jìn)——這是一個典型的閉環(huán)控制系統(tǒng)。盡管不同類型的區(qū)域交通控制系統(tǒng)的抽象原理大致相同，但當(dāng)一個區(qū)域交通控制系統(tǒng)采用不同的交通信息采集、處理和應(yīng)用方法，以及不同的控制策略生成、執(zhí)行技術(shù)時，其工作原理會有較大不同。四、交通信息采集與處理交通信息是反映交通運行狀態(tài)的基本參數(shù)，也是制定交通控制策略，評估交通運行狀況的主要依據(jù)。1、交通信息采集，是指借助檢測器等傳感手段來獲取交通控制所必需的交通參數(shù)總稱。交通控制中常用的交通參數(shù)包括：車輛存在、流率（流量）、占有率、密度、速度、車頭時距、排隊長度等。1）車輛存在的檢測方法車輛存在是反映道路上某一點在時刻t有無車輛存在的一個交通參數(shù)，如果用變量P表示，則：P（t）=/1，表示車輛存在

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0，表示車輛不存在2）流率的檢測方法道路上某一點在時段T通過的車輛數(shù)，如果用變量Q表示，則：Q——Veh/h；N——在時段T內(nèi)檢測器檢測到的車輛數(shù)，Veh；T——檢測時段，h。3）占有率的檢測方法在一個時間段內(nèi)，車輛占用道路上某一點的時間百分比，如果用變量O表示，則：O——占有率，%；N——在時段T內(nèi)檢測器檢測到的車輛數(shù)，Veh；T——檢測時段，s；ti——車輛i通過檢測器的脈沖存在時間（檢測時間），s。4）速度的檢測方法速度是單位時間內(nèi)車輛行駛的距離，速度的檢測有單檢測器和雙檢測器兩種方法。如果用變量V表示速度，則：V——速度，km/h。對于單檢測器，d——車輛平均長度（軸距）+檢測器的有效長度，m；t0——車頭進(jìn)入檢測器的時間，s；t1——車尾離開檢測器的時間，s。對于雙檢測器，d——檢測器之間的距離，m；t0——車頭進(jìn)入第一個檢測器的時間，s；t1——車頭進(jìn)入第二個檢測器的時間，s。5）密度的檢測方法密度是單一車道每公里路段上的車輛數(shù)，如果用變量K表示，則：K——密度，Veh/km；N——在時段T內(nèi)檢測器檢測到的車輛數(shù)，Veh；T——檢測時段，s；Vi——車輛i通過檢測器的速度，m/s。6）車頭時距的檢測方法單一車道里，先后兩輛車車頭之間的時間間隔，如果用變量h表示，則：hij=tj-tihij——后車j與前車i的車頭時間間隔，s；ti——前車i進(jìn)入檢測器的時間，s；tj——后車j進(jìn)入檢測器的時間，s。2、采樣頻率與采樣誤差在交通信息采集中，采樣頻率，是指每秒從檢測器獲取信息的次數(shù)，簡稱采樣率。一般來說，采樣頻率越高，所獲得的信息與檢測器的真實檢測狀態(tài)越一致。但由于計算機(jī)等硬件處理速度的緣故，采樣頻率總有局限。這樣，在檢測器的檢測信息的首尾變化端，很容易出現(xiàn)采樣信息與檢測信息不一致，這樣就會導(dǎo)致采樣誤差。一般而言，隨著采樣數(shù)據(jù)的增多，其平均誤差也會相對減小。3、交通信息處理是對原始的采集數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑和濾波，消除和降低檢測誤差和外界隨機(jī)干擾，使交通信息能真正反映交通流的客觀變化趨勢。為控制策略的制定提供可靠的信息支持。在一個相對不很長的時段內(nèi)，交通需求相對穩(wěn)定，實際交通需求會圍繞一個固定值上下波動。這個固定值就是確定性成分，反映了交通需求的一種變化趨勢；而波動成分就是隨機(jī)性成分，反映的是受外界擾動產(chǎn)生的臨時變化。作為交通控制系統(tǒng)，控制的目標(biāo)是要朝著交通需求的變化趨勢方向發(fā)展。要實現(xiàn)控制目的，就必須對實際檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波和平滑處理，消除和降低檢測誤差和外界隨機(jī)干擾，使交通檢測信息能真正反映交通流的客觀變化趨勢。常用的數(shù)據(jù)濾波和平滑技術(shù)是一階平滑方程，其表達(dá)式如下：Y（m）=Y（m-1）+K[X（m）-Y（m-1）]Y（m）——采樣數(shù)據(jù)經(jīng)第m次平滑處理后的濾波輸出；X（m）——濾波方程的輸入，為第m步采樣數(shù)據(jù)；K——濾波（平滑）系數(shù)，介于（0，1）之間。五、控制策略的生成與實施在交通控制系統(tǒng)中，控制策略是指其可以實施的控制模式，如手動控制、自動控制、緊急狀態(tài)下的優(yōu)先控制等。通常我們用配時方案生成與執(zhí)行的方法來區(qū)別不同的交通控制系統(tǒng)。1、定時式控制對于定時式交通控制系統(tǒng)，其配時方案的生成是在對交通流調(diào)查的基礎(chǔ)上，采用離線的計算機(jī)配時優(yōu)化軟件，經(jīng)反復(fù)計算得到的。配時方案生成后，要將它們和對應(yīng)的執(zhí)行時段一起，裝入控制中心的主控計算機(jī)或現(xiàn)場交叉口信號控制機(jī)中。之所以稱為定時控制，是因為配時一旦確定，控制過程將會持續(xù)一個較長的時間不變，直到有新的調(diào)查數(shù)據(jù)，進(jìn)行新的配時方案優(yōu)化，進(jìn)而取代了原有的配時方案為止。例如早期的TRANSYT系統(tǒng)就屬于定時控制方式。TRANSYT系統(tǒng)實現(xiàn)配時方案優(yōu)化時，需要建立路網(wǎng)中交通流運動的模型、與交通流運行相關(guān)的性能指