第一章 道路交通控制概述(2017-9)

道路交通控制徐曉慧唐洪主編中國人民公安大學(xué)出版社第一章道路交通控制概述第一節(jié)概述第二節(jié)交通信號控制的分類第三節(jié)交通控制理論第一節(jié)概述指在沒有人工干預(yù)的情況下，采用控制裝置使被控制對象自動按照所設(shè)定的規(guī)律運行，使被控制對象的一個或數(shù)個控制參數(shù)，如電壓、電流、速度、位置、流量、濃度等，能夠在一定的精度范圍內(nèi)按照給定的規(guī)律變化。

自動控制的被控制對象既可以是某一具體的運行設(shè)備，又可以是某一生產(chǎn)或運行的系統(tǒng)。（自動控制是相對人工控制概念而言的。）

（一）自動控制一、概念自動控制技術(shù)的作用：（1）用于生產(chǎn)：提高生產(chǎn)效率，改進產(chǎn)品質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本，改善勞動條件和加強企業(yè)管理；（2）國防領(lǐng)域：提高部隊?wèi)?zhàn)斗力，促進國防現(xiàn)代化；（3）道路交通系統(tǒng)：提高路網(wǎng)運行效能，減少交通事故和污染，減輕交通管理者的勞動強度，提高道路和道路網(wǎng)的通行能力以及交通管理的效率。汽車生產(chǎn)過程的自動控制道路交通控制：是交通工程學(xué)的主要研究對象之一，是指依據(jù)道路交通法規(guī)，采用交通信號，對道路上的行車、停車、行人和道路使用進行控制，使之暢通有序的運行。從宏觀上來說，交通控制實際上屬于交通管理的范疇，交通控制是交通管理的某一表現(xiàn)形式。

本課程：著重于探討對現(xiàn)有道路交通設(shè)施，如何科學(xué)地采取交通管理與控制的各種治理措施來提高其交通效益與交通安全。（二）交通控制與交通管理

道路交通自動控制，指不依靠交通警察的人工指揮，主要采用交通信號或其他自動化設(shè)備，隨交通變化特性來指揮車輛和行人的通行。

交通信號包括四類：交通信號燈，交通標(biāo)志，交通標(biāo)線，交通警察的指揮。交通警察的指揮（三）交通管理和交通控制的概念交通管理：是對道路上的行車、停車、行人和道路使用，執(zhí)行交通法規(guī)的執(zhí)法管理，并用交通工程技術(shù)措施對交通運行狀況進行改善的交通治理的一個統(tǒng)稱。交通控制：是依靠交通警或采用交通信號控制設(shè)施，隨交通變化特性來指揮車輛和行人的通行。根據(jù)其是否具有法律意義，交通管理和控制措施在性質(zhì)上可分為：具有法律意義且必須強制執(zhí)行的管理措施；用來改善交通狀況的工程技術(shù)措施，可稱為交通治理。道路交通管理有廣義和狹義之分。廣義：指公安機關(guān)交通管理部門對道路交通系統(tǒng)的構(gòu)成要素及其相互關(guān)系的所有調(diào)控活動。狹義：指公安機關(guān)交通管理部門對道路交通所進行的一系列行政調(diào)控活動。靜態(tài)管理：指狹義的交通管理；動態(tài)管理：指交通控制。

城市交通現(xiàn)狀：機動車擁有量和道路交通量急劇增加，城市交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)速度遠遠跟不上迅速增長的交通需求，城市交通供需不平衡的毛病十分尖銳。

交通擁擠危害：交通延誤增大、行車速度降低、事件損失；低速形式增加油耗；增加汽車尾氣排放量，環(huán)境惡化；事故增多，又使交通阻塞加劇，形成惡性循環(huán)；運輸效率下降。

城市交通是城市經(jīng)濟和社會發(fā)展的動脈，是城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的重要組成部分，一個城市的交通服務(wù)水平反映了一個城市的現(xiàn)代化水平。二、道路交通控制的地位和作用（一）交通控制的地位改善城市交通狀況：（p3）1、進行交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)；2、交通宣傳和教育；3、制訂科學(xué)合理的管理方案；4、交通控制系統(tǒng)；交通控制系統(tǒng)：

與交通警察指揮交通有所不同，交通控制系統(tǒng)能對交通立刻響應(yīng)并實施控制和監(jiān)視。能依據(jù)科學(xué)的方法進行較為準確的定量控制，控制范圍不僅僅限于一個交叉路口，可以對一條干線或一條高速公路或一個城區(qū)，甚至包括幾千個交叉路口的大都市的交通進行集中控制、監(jiān)視，是任何一個經(jīng)驗豐富的交通警察都無能為力的。

具有人工干預(yù)功能，系統(tǒng)本身可以把交通警察的管理經(jīng)驗存儲在中心計算機中，可以人工調(diào)用這些“經(jīng)驗信息”用于現(xiàn)實的交通管理中。

交通控制系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)采集和處理功能，通過設(shè)在路上的車輛檢測器自動測量交通流數(shù)據(jù)，并通過數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)將這些數(shù)據(jù)傳到中心計算機中去存儲和處理，然后依據(jù)這些信息制訂交通管理方案、交通控制方案以及進行城市規(guī)劃設(shè)計。交通控制的目的在發(fā)生變化：

保障交通安全

疏導(dǎo)交通、保障交通通暢

尋求解決交通問題的新思路新方法……交通控制的目的：1、減少交通事故，保障交通安全；2、緩和交通擁擠，提高交通效益；3、實施交通需求管理，達到高效有序；4、節(jié)省能源消耗，降低污染程度，保護交通環(huán)境。

概括的說，就是要通過控制手段，達到使道路交通安全、有效、經(jīng)濟、舒適和低公害的目的。二.交通控制的目的/作用1868年，英國倫敦威斯明斯特街口，工程師J.P.Knight（納伊特），安裝了最早的交通信號燈。這是一種紅綠兩色的臂板式信號，在夜間為了讓司機和行人能看清信號顏色，點燃里面的煤氣燈。1869年1月2日，僅僅誕生23天的第一盞交通信號燈便突然爆炸損毀了，并將當(dāng)時負責(zé)進行紅綠顏色切換的警員炸死。三、道路交通控制的歷史與發(fā)展（一）交通信號燈的誕生1914年，在美國克利夫蘭，紐約和芝加哥街頭才出現(xiàn)新的交通信號燈，一座手動操控的三色信號燈（紅、黃、綠），采用電力發(fā)光。1925年，這類三色信號燈也被用于倫敦的皮克的里街口。1926年，英國人在伍爾弗漢普頓安設(shè)了第一座自動交通信號燈——城市交通自動控制的起點。1、“固定配時”信號控制器：早期的交通信號控制器都是按照某種固定不變的周期長度和紅綠燈時間比例來控制信號燈運行的，即以“固定配時”方式實現(xiàn)自動控制。缺點：無法適應(yīng)一日當(dāng)中交通量隨時間波動的客觀情況，降低綠燈時間的有效利用，增加車輛在交叉口的延誤，導(dǎo)致路網(wǎng)商車輛的總行程時間和燃料消耗的嚴重浪費。（二）定時控制向協(xié)調(diào)控制發(fā)展2、“多時段多方案”信號控制器：一種多時段多方案的信號控制器取代了固定配時的信號控制器。它能存儲幾套不同的信號配時方案，以應(yīng)付每日不同的時間區(qū)段的交通要求。能按照交通流的變化規(guī)律依規(guī)定的運行時間表，在不同時段轉(zhuǎn)換執(zhí)行不同的配時方案。缺點：在交通流變化規(guī)律比較明顯的時候，控制效果使很好的。但是畢竟還是一種初級形式的“單點定周期”控制器，不能根據(jù)交叉口的交通量隨機變化情況實行靈活的隨機控制和與相鄰交叉口協(xié)調(diào)運行。3、“子母控制器”信號系統(tǒng)：沿一條行駛路線，設(shè)置一臺主信號控制機和若干與之串聯(lián)的從屬信號機（子控制器），主信號機支配和協(xié)調(diào)各個從屬信號機的運行，使沿線交通型號的變換協(xié)調(diào)成“綠波”。

這種方式稱為“線控制”，一種初級協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，是當(dāng)今協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的早期形式。缺點：沿線行駛的車輛獲得“綠波”信號，受阻程度降到最小，但是，沿其他路線（尤其是與線控路線相交的各條路線）行駛的車輛并沒有受益，甚至受阻程度大大增加。（三）車輛檢測器與感應(yīng)式信號控制器的誕生20世紀30年代初期，美國第一次嘗試在交叉口設(shè)置車輛自動檢測裝置，用以檢測車輛到達交叉口的情況，并將檢測信息傳輸給信號機。這是世界上最早的“感應(yīng)式”信號機。車輛自動檢測裝置的發(fā)展：聲控檢測裝置

氣動傳感裝置

電感檢測器、地磁感應(yīng)檢測器、超聲波檢測器、微波檢測器等……

優(yōu)點：“感應(yīng)式”信號控制系統(tǒng)通行效率比“單點定周期”控制系統(tǒng)明顯提高，車輛停車次數(shù)減少6%~30%，車輛感應(yīng)式控制器能根據(jù)檢測器測量的交通流量來調(diào)整綠燈時間的長短，使綠燈時間更有效的被利用，減少了車輛在交叉路口的時間延誤，比定時控制方式有更大的靈活性。缺點：雖然具有很大的靈活性，但是在實際應(yīng)用上也有局限性。當(dāng)交叉口各個進口方向交通負荷均接近飽和程度時，感應(yīng)式控制方式便失去了其靈活性了。此時信號機只能按某種固定比例來分配各個方向的綠燈時間，相當(dāng)于“單點定周期”控制方式?，F(xiàn)代交通信號控制系統(tǒng)：是集計算機、通信和控制技術(shù)于一體的區(qū)域交通信號實時聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)。20世紀60年代以來，世界各國對信號聯(lián)動協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的研究：硬件支持：1946年世界上第一臺電子計算機在美國問世；1963年加拿大多倫多市建立了一套由IBM650型計算機控制的區(qū)域交通信號協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)（UTC），標(biāo)志著交通控制發(fā)展歷史的新紀元;（四）區(qū)域交通信號控制系統(tǒng)軟件支持：1969年，英國設(shè)計的區(qū)域控制系統(tǒng)優(yōu)化程序TRANSYT（TrafficNeyworkStudyTool），把交通控制技術(shù)推向更高的發(fā)展階段；20世紀70年代初，英國先后在西倫敦和格拉斯哥市建立了實驗性區(qū)域交通控制系統(tǒng)；為了克服“定時控制方式”的局限性，從20世紀70年代開始，許多國家開始了自適應(yīng)交通控制系統(tǒng)的研究。例如，英國開發(fā)的SCOOT系統(tǒng)，可根據(jù)路網(wǎng)上的實時交通狀況在線調(diào)整區(qū)域信號配時方案的基本參數(shù)。四、智能交通系統(tǒng)概述（一）智能交通系統(tǒng)概念智能交通系統(tǒng)（IntelligentTransportSystem，ITS），是將先進的信息技術(shù)、數(shù)據(jù)通信技術(shù)，電子傳感技術(shù)、控制技術(shù)以及計算機技術(shù)等郵箱的集成運用于整個交通管理系統(tǒng)而建立的一種在大范圍內(nèi)、全方位發(fā)揮作用的，實時、準確、高效的綜合交通運輸管理系統(tǒng)，是現(xiàn)代地面交通體系的發(fā)展方向，是交通運輸進入信息時代的重要標(biāo)志，智能交通系統(tǒng)已成為當(dāng)前國際公認解決交通問題的最佳途徑。智能交通系統(tǒng)的早期構(gòu)想是由美國在20世紀60年代提出的，目前，世界上已經(jīng)形成了，美國、歐盟和日本三大ITS研究開發(fā)基地。除此之外，韓國、新加坡、香港特區(qū)ITS水平也較高。1、美國的智能交通系統(tǒng)發(fā)展；2、歐洲智能交通系統(tǒng)發(fā)展；3、日本智能交通系統(tǒng)發(fā)展；4、我國的智能交通系統(tǒng)研究。（二）國外智能交通系統(tǒng)發(fā)展概述以美國智能交通為例，智能交通系統(tǒng)一般包含七個方面： 1、先進的交通管理系統(tǒng)（ATMS）； 2、先進的出行者信息系統(tǒng)（ATIS）； 3、先進的車輛控制系統(tǒng)（AVCS）； 4、商用車輛運營（CVO）； 5、先進的公共交通系統(tǒng)（APTS）； 6、電子支付系統(tǒng)（EPS）； 7、緊急救援系統(tǒng)（EMS）。（三）智能交通的系統(tǒng)組成

智慧交通，是融合了先進的信息技術(shù)、通信技術(shù)、控制技術(shù)、傳感技術(shù)、計算機技術(shù)和系統(tǒng)綜合技術(shù)，通過將人、車、路、環(huán)境等有機結(jié)合起來，使在較大區(qū)域內(nèi)達到有序的高效運輸、能源充分利用、環(huán)境改善和交通安全性提高的目的。

云計算，基于計算機技術(shù)而發(fā)展起來的一種新的計算形態(tài)，體現(xiàn)了一種全新概念的信息服務(wù)模式?；谠朴嬎惴?wù)的智能交通系統(tǒng)稱為“智能交通云”。（四）智慧交通與云計算按控制區(qū)域劃分：可分為單個交叉路口的控制（點控制）、交通干線的協(xié)調(diào)控制（線控制）、區(qū)域交叉路口的網(wǎng)絡(luò)控制（面控制）。（一）單個交叉路口的控制（點控制）當(dāng)某個交叉路口與其相鄰的交叉路口相距較遠時，可以利用一臺信號控制器控制器信號的變化，稱為單點信號控制，又稱為孤立交叉口信號控制。

點控制還被應(yīng)用于高速公路的單一入口或出口匝道的控制。特點:相鄰的交叉口之間在信號配時上沒有相互關(guān)聯(lián)，各自獨立調(diào)整和運行。點控制可以使用人工控制、定時控制和感應(yīng)式控制。第二節(jié)交通信號控制的分類一、按區(qū)域控制的特點分（二）交通干線的協(xié)調(diào)控制（線控制）

將城市某條道路或路網(wǎng)某個范圍內(nèi)的主要信號交叉口視為一個整體，從系統(tǒng)論的觀點出發(fā)，使各交叉口的信號在配時上遵循一定的規(guī)律，相互關(guān)聯(lián)和制約，使整體處于最佳運行狀態(tài)。這種控制方式稱為信號的協(xié)調(diào)控制，也叫綠波交通。（三）區(qū)域交叉路口的網(wǎng)絡(luò)控制（面控制）區(qū)域控制系統(tǒng)是對整個城市范圍內(nèi)或者城市的一個區(qū)域內(nèi)的交通信號控制做統(tǒng)一控制及操作的（網(wǎng)絡(luò)）控制系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)控制的三個參數(shù)：周期、綠信比、相位差。（干線協(xié)調(diào)控制只是網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)控制的一種特例。）可分為：多段定時控制、感應(yīng)控制、脫機優(yōu)化控制和自適應(yīng)控制四種類型。（一）多段定時控制（人工優(yōu)化技術(shù)控制）

以歷史交通流的統(tǒng)計為依據(jù)，找出每個日/周和時/日不同交通流變化規(guī)律，用人工方法和計算機仿真方法，在時空圖上反復(fù)做圖解分析，尋求不同時段的最佳信號配時方案，采用程序存儲方式將這些方案存儲在信號控制器或中心計算機中。在實施信號控制時可以用不同的方式調(diào)用這些配時方案，通?？捎萌諝v鐘在規(guī)定的時間表的控制下選用對應(yīng)的方案，也可以按車輛檢測器測量的實際交通要求選用合適的方案。二、按控制原理劃分（二）感應(yīng)控制

根據(jù)車輛檢測器測量的交通流數(shù)據(jù)調(diào)整信號機內(nèi)相應(yīng)方向的綠燈時間的長短和時間順序，以適應(yīng)交通的隨機變化。

這種方式比定時控制有更大的靈活性，可以達到減少路口停車延誤、提高交叉口通行能力的目的。（三）脫機優(yōu)化控制

采用脫機優(yōu)化技術(shù)的信號協(xié)調(diào)控制多適用于交通流相對穩(wěn)定的道路網(wǎng)。

在對交通流歷史統(tǒng)計數(shù)據(jù)進行分析與計算中，采用計算機技術(shù)，適用于復(fù)雜道路網(wǎng)的信號配時優(yōu)化。建立優(yōu)化模型時，通常以車輛延誤等作為運行指標(biāo)（目標(biāo)函數(shù)），在約束條件下進行計算機優(yōu)化求解，即尋求使道路網(wǎng)運行指標(biāo)達到極值下的最佳信號配時方案。在脫機優(yōu)化過程中，計算機承擔(dān)大量歷史數(shù)據(jù)分析與計算以及優(yōu)化求解，故脫機優(yōu)化技術(shù)又稱離線優(yōu)化技術(shù)。當(dāng)?shù)缆肪W(wǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)和交通流數(shù)據(jù)變動較大時，需要重新進行優(yōu)化求解，以尋求在新情況下的最佳配時方案。（四）自適應(yīng)控制（聯(lián)機優(yōu)化控制）

定義：

在一條干線或者一個區(qū)域，根據(jù)交通流的動態(tài)的隨機的變化而自動的調(diào)整信號控制參數(shù)，使控制系統(tǒng)自動的適應(yīng)交通流的隨即變化。

在聯(lián)機優(yōu)化過程中，計算機實時地生成最佳配時方案，并實時地參與信號協(xié)調(diào)控制，故聯(lián)機優(yōu)化技術(shù)又稱為在線優(yōu)化技術(shù)。采用此種優(yōu)化技術(shù)的信號協(xié)調(diào)多適用于交通流波動大的道路網(wǎng)。三、按控制思想劃分可分為：被動式控制和主動式控制兩種。（一）被動式控制——交通信號控制系統(tǒng)

交通信號控制系統(tǒng)是通過路邊裝置或設(shè)備，如交通信號燈、固定或可變信息標(biāo)志板向駕駛?cè)嘶蛐腥孙@示控制信息，來達到對交通流進行時間分離和控制的目的。

交通信號控制，其控制的思想都是以已經(jīng)運行到道路上的交通（車輛或行人）為主體，通過事先人工調(diào)查或?qū)崟r自動檢測的方法，了解其變化規(guī)律和實時狀態(tài)，在此基礎(chǔ)上選取適當(dāng)?shù)目刂品桨福ɑ蚩刂茀?shù)）或聯(lián)機實時生成控制方案（或控制參數(shù)）控制信號變化，再去應(yīng)對或適應(yīng)交通的需求，也就是說交通信號是被動式的控制交通流的變化。（二）主動式控制——交通自動化路徑誘導(dǎo)系統(tǒng)

傳統(tǒng)信號控制方法的不足：在于控制系統(tǒng)與道路使用者之間交換的信息量的局限性限制了系統(tǒng)功能的發(fā)揮——信息不對稱。

控制系統(tǒng)給予駕駛?cè)说男畔⑼ǔＪ且越煌ㄐ盘柣蚩勺兘煌?biāo)志顯示出來的；而道路使用者給予控制系統(tǒng)的信息則是通過檢測器得出車輛通行路徑和行駛速度。

信息是控制和決策的依據(jù)，控制系統(tǒng)和被控制的對象之間信息交換十分有限，才導(dǎo)致了系統(tǒng)的局限性