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智能交通 城市交通信号控制系统


1 单路口两相位的模糊控制
1977年,Pappis等人 设计了一种单路口两 相位模糊逻辑控制器,计算机仿真结果证实 了该方法的有效性。 这是最早将模糊逻辑用于交通控制的例子。 下面从延误模型、模糊算法和模糊控制几方 面进行介绍。
1、延误模型
考虑两相位控制的十字路口,东西向为一个相位,南 北向为一个相位。 假定各方向到达的车辆是随机的,且到达的车辆数服 从均匀分布。两个方向的饱和流量均为3600veh/h , 无转向车流。设 如果在第n(s)内有一辆车到达 否则 则红灯相位开始后第n(s)内的车辆排队长度为
式中, pG 表示前一个绿灯期间未清完的车辆数。则红 灯期间排队车辆总的等待时间为
令s为饱和流量,则绿灯相位开始后第n(s)内,未清完 的车辆排队长度为 式中 p R 为前一个红灯期间等候的车辆数。 上式括号里的数为正时,z取1,否则z为0。 则绿灯期间车辆总的等待时间为 因此,一个周期内,一个方向上的车辆总延误为
4)次干道最大绿时 对半感应控制而言,在极端情况下,次干道绿灯信号能够 不停地延伸下去,这样就会使主干道车流受阻。 为此,必须对次干道绿灯时间的累计长度进行限制,这就 是次干道最大绿时。 最大绿时通常取30-60s,具体要根据路口交通条件确定。 也可通过定时控制计算最佳周期长度的方法估算,即先算 出一个参考周期长,然后再计算分配给次干道感应信号相 的绿灯时间,最后将这一时间乘以1.25-1.5 的系数,所得 时间即为次干道最大绿时。
1、信号控制下的车辆运动过程及车 辆延误
观察信号控制下的交叉口的车辆运动过程可以发现: 车辆到达交叉口的数量和到达的时间间隔是随机变 化的。 因此,在每个信号周期内,总有一部分车辆遇到红 灯信号,需要减速并停车等待。当红灯信号结束并 转为绿灯信号时,等待的车辆要起动、加速并通过 交叉口。 一般来讲,车辆通过交叉口的延误时间主要受车辆 到达率和交叉口的通行能力的影响。 在交叉口通行能力不变的情况下,延误时间主要取 决于车辆到达率。
在不饱和交通流的情况下,排队长度为红灯期间 所到达的车辆数为 g ⋅ t r ;而绿灯时净驶出率为s- q,显然,队长消散所需时间g0。由下式计算:
q g0 = tr s−q
为了保证每个周期时间内排队车辆能消散,必须 有 g0 ≤ tg 即 q tg 式中,λ为该通行相位的绿信比。在满足上式的情 况下,每周期内车辆的总延误td等于上图中阴影部 分三角形的面积,即 每辆车的平均延误为
定时控制:根据以往观测到的交通需求,按预先设定的配时 方案进行控制,因此它对交通需求的随机变化是无法响应的。 感应控制方法缺陷:感应控制只能检测是否有车辆到达而不 关心有多少辆车到达,因此,它无法真正响应各相位的交通 需求,也就不能使车辆的总延误最小。 例如:设某相位最短绿时为10s,最大绿时为40s,单位绿 延时为5s,则在5s绿延时结束前,如果只有一辆车到达,仍 须给出5s的单位绿延时,极端情况下重复上述过程直到最大 绿时,共放行了11辆车,而在此期间,下一相位车道却有15 辆车等待绿灯,很显然总的车辆延误没有达到最小。
总损失时间为
L = n ⋅ (l + t R ) = 2 × (4 + 2) = 12 s
最佳周期为
净绿灯时间为: 各相绿灯时间为 取 取 故定时控制配时方案为: 周期长: 第1相:绿灯20s,黄灯3s,全红2s; 第2相:绿灯25s,黄灯3s,全红2s。
周期长度及各相位的绿时是与交叉口的交 通量密切相关的, 然而,交叉口各方向的交通量不是一成不 变的,一天中往往呈现几个明显的“高峰” 交通流,如上下班期间。 通过交通调查可以确定每日交通量按时间 段的分布情况,从而可以进行多时段信号 控制(把每天分为几个时段,每个时段内 的交通量基本不变)。 因此可计算出每个时段的周期长度及各相 位绿时,于是,其配时方案就确定下来, 交通信号机根据实时时钟自动进行方案的 切换。
Y
i
0
例:十字路口东南西北入口道的总车流量分别为600、 900、900和1200veh,各入口道均有两个车道。设饱 和流量s=1800veh/h,采用两相信号控制,每相信号 损失时间为l=4s,黄灯时间取为tY=3s,全红时间为 tR=2s。试设计该路口的定时控制配时方案。 解:设东西通行为第1相,南北通行为第2相,各相临 界车流量为 ,则各相临界车道流量比 为
非感应信号相通常要设置最小绿时,以免绿时太短发生 交通事故。 当次干道检测到有车辆到达时,必须等到主干道的最小 绿时结束,才能把绿灯信号转移到次干道。 因此,次干道要获得绿灯信号必须具备两个条件: 1)检测器检测到车辆到达;2)主干道最小绿时已经 结束。
感应信号相要设置初始绿时、单位绿延时和最大 绿时。 当次干道获得通行权时,信号机首先给该信号相 一个初始绿时,使已经到达的车辆通过交叉口。 如果此后再无车辆到达,初始绿时一结束,通行 权又转移到主干道; 如果在初始绿时内检测到车辆到达,则次干道绿 灯将延长一个单位绿延时;如果在此时间内又有 车辆到达,就再延长一个单位绿延时,直到累计 时间达到最大绿时。此后,即使次干道检测到车 辆到达,其绿时也必须结束,通行权转移给主干 道
假设车辆的到达率为q(PCU/h);同时设绿灯期间车辆的驶 出率为s(PCU/h);周期时间,可分为绿灯时间tg和 红灯时间tr。显然有:C=tg+tr。 在红灯期间,车辆 的驶出率为0,车辆 排队等待; 当信号转换为绿色 时,排队车辆以 s (PCU/h)驶出率 离开交叉口。 绿灯开启后g0 (s) 内 ,队长此时到达 车辆以到达率 q(PCU/h)离开交叉 口,直到信号变红为止。
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3)次干道单位绿延时 单位绿延时与车辆检测器到停车线间的距离有关。对于车 辆检测器与停车线间距离较大的交叉口,单位绿延时就是 车辆从检测器行驶到停车线所需的时间。这可以通过两者 距离除以平均车速求出。这可以保证检测到的车辆有一段 时间安全驶过交叉口。 如果检测器与停车线间距离很小时,单位绿延时是绿灯信 号期间驶近交叉口车队相邻车辆的最大空间时距。 单位绿延时不宜太短,否则已经越过车辆检测器的车辆 可能无法穿过停车线,因而不得不紧急刹车,易出交通事 故。通常情况下,绿延时的选取应不小于3s。
主干道最小绿时、次干道的初始绿时、单 位绿延时和最大绿时等参数的确定原则: 1)主干道最小绿时。 该时间由交叉口的交通需求来决定。通常 的做法是: 如果次干道上只是偶有车辆通过,且主干 道又不是特别重要的城市道路,则可取较 短的最小绿灯时间,如25-40s。 如果主干道上交通量较大或者次干道交通 量比较大,则应选取较大的最小绿灯时间, 如40-75s。
3、感应控制
定时控制方法(包括多时段控制)是目前使用最广的一种 控制方式,其配时方案是根据交通调查所得到的历史数据 制定的,而且一经确定,则维持不变,直到下次重新进行 交通调查。 很显然,这种方式不能适应交通流的随机变化。 注意观察进行定时控制的交叉口,有时会发现这样的现象: 亮绿灯的车道没有车辆通行,而亮红灯的车道却有车辆排 队。这是开环控制带来的结果。 为了克服这种现象,就必须采用闭环控制,即首先检测某 车道是否有车辆到达,然后再决定是否给该车道开绿灯。 这就是感应控制的基本原理。
感应控制从实施方式来看可以分为两种: 一种是半感应控制,即在交叉口处将检测器 安装在次干道上,根据次干道的交通需求进 行信号控制; 另一种是全感应控制,即在交叉口的所有入 口道上均安装检测器,根据所有入口道的交 通需求进行信号控制。
1)半感应控制
某些交叉口往往是由主干道和次干道交汇而成。主干道的 交通量明显大于次干道交通量,且次干道交通量波动较大, 此时实施半感应控制能获得比较好的效果。 该控制方式是在交叉口的次干道的两个入口道上安装车辆 检测器,并使用两相位信号进行控制。如下图 所示。 注意到主干道上没有安装车辆检测器,因此,主干道通行 的信号相称为非感应相,而次干道通行的信号相称为感应 相。 半感应控制在工作时,主干道信号灯总维持绿灯信号,次 干道总是红灯,只有次干道能检测到车辆到来时,其灯色 才可能转换为绿色。
20世纪30 年代,美国研制出世界上最早的感应式交 通信号控制机。 当时采用的是“声控”方式,即车辆到达交叉口的某 一指定位置时必须鸣喇叭,信号机内的声音传感器能 够接收喇叭发出的声音,从而控制红绿灯的状态。 显然,这种方法可靠性差,又会使交叉口的噪声污染 加剧,因而遭到公众反对。 20世纪60年代以来,电磁感应检测器、微波检测器以 及视频检测器等逐步取代了气动传感器,并广泛应用 于信号控制系统。 长期的实践证明,感应控制的通行效率比定时控制系 统高,车辆停车次数减少6%-30%。
设一个周期有n个相位,第i个相位的损失时间为 全红时间为 t ri ,则总的损失时间L为 交叉口交通流量比按下式计算:
Байду номын сангаас
li

为第i相信号临界车道的交通流量比。 临界车道:每一信号相位上,交通量最大的那条车道。 q i -第i相信号临界车道的交通量。 s i -第i相信号临界车道的饱和流量。 在实际应用中,即使按上述公式算出 C ,也还需要 到现场进行实验调整。韦波斯特实验研究表明:当周 期在0.75到1.5的范围内变动时,延误没有明显的增 加。
2)次干道初始绿时 次干道初始绿时与车辆检测器到停车线的距离有 关,一般可以把初始绿时看作该距离的函数。 下表是美国《交通信号设计手册》所推荐的初始 绿时与车辆检测器到停车线间距离的关系(1ft= 0.3048m)
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