智能交通信号控制系统的研究与开发

智能交通信号控制系统的研究与开发

姓名：汪然申请学位级别：硕士专业：光学工程指导教师：李志敏;王宗富

20060401

重庆大学工程硕士学位论文 中文摘要

摘 要

随着我国经济的迅速发展，加快了城市化、汽车化的进程，道路资源增长却严重滞后。这种交通供给和交通需求发展的不平衡性，不可避免的导致行车难、乘车难、停车难的矛盾，这一系列问题在一定程度上制约了城市经济的发展。道路平面交叉口因其存在复杂多样的交通冲突而成为交通通行能力和交通安全的瓶颈。因此，运用先进的交叉口控制理论及高科技手段，设计制造出有效的智能交通系统，对道路交叉口实行高效控制，对于缓解乃至彻底解决交通拥堵，保障交通安全有深远的意义。

本文主要研究有以下几方面的内容：

（1）分析平面交叉口的交通流特性，研究了交通流在平面交叉口的冲突和信号控制下平面交叉口通行能力和服务水平。

（2）结合交通信号控制设计，进行了交叉口信号控制的规划分析和运行分析。 （3）引入一种在每个信号阶段可进行多参数逻辑运算的信号控制模型。 （4）运用单片机及相关的控制技术，设计智能交通信号控制机。

（5）建立平面交叉口交通评价指标体系，根据重庆市某路口应用实例，对几种不同信号控制方式的比较研究后得出结论。

关键词：交叉口，交通信号控制，智能交通信号控制系统

I

重庆大学工程硕士学位论文 英文摘要

ABSTRACT

The sharp national economic development has propelled the course of urbanization and motorization, in addition the construction of roads cannot catch up with the abrupt increase of vehicle amounts. The imbalance of the supply and the demand in the traffic bring out the conflict inevitably, such as the difficulty of driving, taking and stopping auto, which could restrict the development of economy to a certain extent. The crossroad is the bottleneck of the traffic flow and the traffic safety, because of it is of complex and changeful. Therefore, Intelligence Traffic Sign Control System designed and produced with the advanced theory of crossroad control and high-tech means could carry out traffic control efficiently, which is of far-reaching significance to lighten or resolve the traffic jam thoroughly and safeguard the traffic safety. The research mainly includes five parts below:

(1) Firstly, it analysed the characteristic of traffic flow in the crossroad, and researched the conflict of the traffic flow in the crossroad, the capability of traffic and the level of service in the control of traffic signal.

(2) Secondly, it has taken the analysis of the layout and the running in the control of traffic signal, associating with the design of the control of traffic signal.

(3) Thirdly, it has put forward a model which could realize the control of traffic signal in the condition of multi-parameter operation.

(4) Fourthly, it designed and produced Intelligence Traffic Sign Control System using the technology of the singlechip.

(5) Lastly, it established a system which could estimate the target of the control of traffic signal, and made a conclusion with comparing several different mode of the control of traffic signal, after linking to the application in a crossroad in Chongqing.

Keywords: Crossroad, Control of Traffic Signal,

Intelligence Traffic Sign Control System

II

重庆大学工程硕士学位论文 1 绪 论

1 绪 论

1.1 引言

交通拥挤以及由之导致的时间损失、能源消耗、交通事故和环境问题所造成的巨大损失已成为世界各国和人民所面临和必须解决的问题。近年来，理论和实际证明采用先进的信息技术、通信技术和控制技术等高科技技术开发的智能交通系统可以大幅度提高交通网络的运行效率，是解决交通拥挤问题的最经济、最有效的方法。根据统计，智能交通运输系统（ITS）技术的应用可以减少10%的废气排量，20%的交通延时，30%的停车次数。美国Los Angles地区和Texas州在ITS技术方面投资的效益成本比率分别是16：1和22：1，收益非常显著。而这一切，都是在基本上没有进行道路建设和引入新的高速车道的情况下取得的。这充分说明了为什么近年来发达国家都投资ITS技术的研发和应用[1]。

目前国内已有的一些自主开发的城市交通控制与管理系统，仍然在整体性能上比国外同类系统存在较大差距，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控制系统大部分是进口的SCOOT和SCATS系统。由于我国交通流是混合交通流，和国外的交通流大小不同，国外的交通控制系统在国内的使用效果不尽人意。尤其是交通系统是属于国家战略基础设施，过分依赖国外系统对特别是非常时期的是非常不利的。所以，迫切需要开发适合我国国情的、具有我国自主知识产权的、并能达到国际先进水平的智能交通系统。交通系统是一个非线性随机性强的开放的复杂系统，系统维数太高，加上人的参与，对其进行有效的控制是一个非常复杂的问题，这也是现有基于方案生成的SCOOT系统很难取得很好效果的原因。所以，必须采用先进的智能控制理论来解决复杂的交通系统的控制问题。另外，目前已有的系统大多是功能单一的系统，如诱导系统、普通道路控制系统、高速干道控制系统等，各系立运行，各自为政，有时不仅不会减轻交通拥挤，反而会恶化系统行为。所以，必须考虑各个子系统之间的综合协调，采用共享数据库和多目标优化的办法加以解决[2]。

1.2 国内外交通控制系统现状

随着现代社会对交通运输的日趋依赖,交通系统的控制越来越受到普遍的重视。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，用计算机进行集中控制。尤其是伴随着信息技术的发展，交通控制的

1

重庆大学工程硕士学位论文 1 绪 论

概念已从交通管理者的行为改变为交通管理者和道路使用者共同行为，从而使得交通分配的局部最优向着全局最优发展。在这一发展过程中，除了各种新设备的应用以外，数据收集、传输、处理、存储与发送技术的发展和应用起到了关键作用。新型的监测器，包括使用录像机和进行图像处理，为人们提供了大量的时变的数据；新型的通讯技术，包括光纤通讯技术，使人们能迅速的传递这些数据；而新型的计算机，则使人们能以20年前仅能梦想的速度进行数据处理与存储。这些现代化技术和控制理论与现代化科学管理方法相结合，使交通控制系统得以实现并日益完善。

与国外相比，我国的交通控制相当落后。目前，中国城市交通的问题出现两类典型现象：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。由此带来的后果日益严重。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[3]。

1.3 问题的来源和背景

当前，交通控制主要是通过以下两种途径实现的： (1) 交通灯控制

在现有交通控制系统中，控制行为通常通过“红”，“黄”，“绿”，灯及“左/右”拐弯箭头等信息得以实施，我们称之为“相”。相位指在路口车流的运行方向，在每个相位中，由于绿灯的交替改变，交通灯还存在着人行绿闪，黄闪及红灯等过渡变化，这样每个相位中又设置多种步伐，每一步伐对应不同交通灯的状态。路口的交通灯总是在进行着一系列的相变以控制车辆的运动，一系列的相就组成一个周期。交通灯优化控制问题，就是通过改变这些相的持续时间以及相邻路口交通灯的相的周期差，使目标准则达到最优。

目前，确定相的持续有两种方法：一种是非实时方法，另一种是实时方法。 非实时方法将平均道路交通量，拐弯机率等控制参数输入模拟模型或优化模型中，计算出最佳的相持续时间。在一天内的不同时间或一周内的不同天，可输入不同的参数。例如高峰的道路交通量与普通期间不同，周末的道路交通量与工作日不同，从而计算出不同的相持续时间。这种算法最大的问题在于它不是动态的，未考虑当时特定的交通状态，仅考虑平均状态。因此，这样得出的相持续时间在每个时刻未必是最合理的，尤其是在发生交通拥挤时更是如此。

实时方法则将交通状态看作一个持续变化的量，并根据当前的交通状态计算相持续的时间。图1.1为控制系统框图，其中x(t)表示实际交通网络的状态。监测器可以测出该网络中车辆状态的测量值y(t),通常是交通量，拐弯率，车速，等直接测量值。将y(t)输入估计模型,估算出当前网络的估计状态x’(t),通常用交通量,车

2

重庆大学工程硕士学位论文 1 绪 论

速，拐弯几率以及其导出量(如运行时间、延迟时间等)加以描述。当地控制机与控制台相连接，运用优化及模拟控制模型，迅速计算出适合当前状态的相持续时间，并作为控制量u(t)对实际网络实施控制[4]。

图1.1 控制系统框图 Figure 1.1 Control System

(2) 路径控制

路径控制是另一种重要的控制方法。交通控制系统根据交通状况对一些道路实行高峰时的单向通行控制。此外，交通控制系统将监测器获得的信息及时反馈给驾驶员，这一反馈是通过交通导航系统实现的。驾驶员可以随时通过安装在车中的屏幕（或通过车中的收音设备）看到（或听到）道路拥挤状况以及最优路径建议，及时做出最佳的选择。

随着经济的发展与城市的进一步开发，我国各大城市的机动车社会保有量越来越大，道路资源增长严重滞后。以重庆市为例，据统计，从1990年以来，重庆市道路长度年增长率仅为1.3%，而机动车保有量年增长率却高达12.10%。这种交通供给和交通需求发展的不平衡性，不可避免的导致行车难、乘车难、停车难的矛盾日益突出，这一系列问题在一定程度上制约了城市经济的发展。

与道路相比，平面交叉路口的交通行为更为复杂，更易遭受到交通环境、人流、车流的影响；并因为其交通安全性差、通行能力低，而成为影响城市道路通行能力的“瓶颈”。据统计，机动车在城市市区中的旅行时间约有1/3花在了平面交叉口，60%以上的交通事故发生在平面交叉口及其周围。并且，随着城市机动车社会保有量和年增长幅度的逐步提高，作为在城市道路网中起着转换交通流向作用的平面交叉口面临的交通矛盾日益突出，平面交叉路口的交通治理在城市交通管理中就显得越来越重要。交通信号控制技术作为一种投资省、见效快的措施在平面交叉路口的交通治理中的作用就日渐突出[5]。

3

重庆大学工程硕士学位论文 1 绪 论

1.4 开发及研究的意义

平面交叉路口之所以成为交通通行能力和交通安全的瓶颈，究其根本原因还是因为平面交叉路口存在复杂而多样的交通冲突。一般来说，要根除平面交叉路口的交通冲突，最直接的方法就是建立体交通，但修建立体交通是否就一劳永逸、万事无忧了呢？且看以下可能存在的弊端。

（1）城市道路网交叉路口间距小，交叉路口处可以利用的土地资源十分有限，大多数平面交叉路口可能根本就不具备修建立体交叉的条件。

（2）破坏城市的人文景观，城市功能的形成非一日之功，几十甚至数百年形成的历史景观很可能被修建立体交通所破坏。

（3）立体交通造价昂贵。城市交通是网络交通，少数几个只能解决局部问题，大量修建又因其造价昂贵不易实施。

（4）交通矛盾转移而并没有消除。立体交叉路口通行能力大，但相邻平交路口通行不足，对整个城市而言，交通矛盾只发生转移而没有根本消除。

（5）导致城市功能退化。立体交叉考虑更多的是机动车的问题，在一定程度上影响了公共交通和行人交通并导致城市功能退化。

（6）即使修建部份立体交通，平面交叉口的交通总量依然存在。

在空间上消除路口交通冲突遇到障碍后，自然而然人们就把解决路口交通冲突的目光投向了时间这个要素上来，交通信号控制技术从时间上分离了通过平面交叉路口的车流，是减少甚至消除平面交叉路口交通冲突最有效的措施之一。因此，它的应用就成为了现代城市交通管理的必然。

随着现代科技的进步和发展，也只有树立科学化的交通管理观念，在现有道路交通设施的基础上，充分利用现代高科技手段，进行城市交通的科学化、规范化管理，才是舒畅城市交通、提高交通管理的快速反应和控制能力，缓解乃至彻底解决交通拥堵、保障交通安全等问题的根本出路[6]。

1.5 本文的主要研究内容和方法

本文运用了交通工程学基本理论和现代数字技术原理，通过对平面交叉口信号控制方式的广泛调研和分析比较，阐明了传统的几种方式在现实交通信号控制运用中的优势和存在的不足，并在此基础上运用计算机技术，提出一种效率更高的平面交叉口信号控制模式。最后，建立一套较为实用的交叉口交通评价指标体系，按照统计学原理，以重庆市某一平面交叉口为实例，进行了几种不同信号控制方式的研究。通过比较、分析，采用适合于实际道路应用的信号控制系统。其主要内容包括：

(1) 分析平面交叉口的交通流特性，研究了交通流在平面交叉路口的冲突和信

4

重庆大学工程硕士学位论文 1 绪 论

号控制下平面交叉路口通行能力和服务水平。

(2) 结合交通信号控制设计，进行了交叉路口信号控制的规划分析和运行分析。

(3) 引入一种在每个信号阶段可进行多参数逻辑运算的信号控制模型。 (4) 运用单片机及相关的控制技术，设计智能交通信号控制机。

(5) 建立平面交叉路口交通评价指标体系，针对重庆市某一路口应用实例对几种不同信号控制方式的比较、研究后得出结论[7]。

5

重庆大学工程硕士学位论文 2 平面交叉口的交通分析

2 平面交叉路口的交通分析

2.1 平面交叉路口的冲突点分析

在城市道路交通网中，平面交叉路口是通行能力和交通安全的卡口或咽喉。在交叉路口处，各条道路汇集的车辆、行人流量集中，并要在路口进行转向，所以容易造成交通阻塞和交通事故。

当车辆和行人进出平面交叉路口时，由于行驶方向和交汇方式的不同，形成了很多的交通冲突点，根据其类型的不同，可以把这些交通冲突点分为二大类：即冲突点和交织点。冲突点是指：车辆或行人行进方向相互交叉时可能产生的碰撞地点，当相交角度等于或大于90ｏ时，就容易产生接触碰撞。冲突点产生的原因主要是由于直行车和左转车辆相交时所致，它不但是引起各种车辆之间、车辆与行人之间肇事最主要、最直接的因素，也是最直接影响平面交叉口通行能力的因素。交织点，有分流与合流两种，合流交织点是指车流从不同方向驶向同一方向以锐角相遇时可能相互挤撞的地点，分流交织点是指车流从同一方向驶向不同方向时可能相撞的地点。在我国大部份路段上，由于两侧隔离设施差，行人和自行车横穿道路时容易产生横向干扰，造成前车突然减速与后车相撞即追尾事故，这种情况在平面交叉口没有人行横道时尤为突出。一些典型平面交叉口的冲突点分布如下图2.1：

图2.1 T型路口和十型路口冲突分布图

Figure 2.1 Conflict Distributing of T Crossing and Crossroad

上图两种路口的交通冲突点均是在无信号控制下的情况。

对于三向交叉路口的平面交叉口，车对车的交通冲突点为3个（如包括合流

6

重庆大学工程硕士学位论文 2 平面交叉口的交通分析

交织冲突点共6个，再考虑分流冲突点共9个），车对人的交叉冲突点共12个。

对于四向交叉的平面交叉路口，车对车的交叉冲突点16个（包括合流交织冲突点8个共24个，若把分流交织冲突点都考虑在内，再加上8个共32个），车对人的交叉冲突点共24个。

上图只画出了三向和四向交叉路口的平面交叉口冲突点分布图，采用同样的方法可得到更多向交叉的平面交叉路口的冲突点分布图，并引导出平面交叉路口交叉冲突点的计算公式：

N=n

2

(n−1)(n−2)×16

式中N——交叉冲突点总数；

n ——相交道路数。

目前，在交通信号控制中，日本只考虑交叉冲突和合流冲突，而欧美各国都考虑分流冲突，而在我国的交通信号控制实际中，由于路口车速较慢，一般只考虑交叉冲突，部份路口可根据情况来考虑合流冲突，对于分流冲突一般都通过路口渠化解决。在对交叉冲突的考虑中，也可以根据冲突双方的相对速度、发生事故的可能性和危险性大小，在实际的信号控制中可分为三种情况来分别考虑：①机动车与机动车的交叉冲突；②机动车与非机动车的交叉冲突；③机动车与行人的交叉冲突。

由上式可以看出，无信号控制平面交叉路口的冲突点随着相交道路数量的增加而急剧增加，严重的影响了平面交叉路口交通的顺畅和安全。因此，除采用立交交通渠化、物理隔离等措施减少交通冲突外，在平面交叉路口设置交通信号控制，在时间上分离通过交叉路口的车流，可以减少甚至消除交通冲突点，从而提高交叉口的通行能力和交通安全性[8]。

2.2 信号控制下平面交叉路口的交通流特性

在平面交叉路口，由于交通信号控制设施的存在，导致了交通流周期性的中断，我们称这种交通流为间断交通流[9]。

2.2.1 饱和流率和损失时间

在有交通信号控制的平面交叉路口，所有车道上的车辆都要间歇地行驶，它根据交通信号的不同变化来获得或失去通行权。当交叉路口绿灯启亮时，车队离开停车线开始起动。但是，并非所有的车辆都在同一速度运行，由于不同驾驶员和车辆的起动反应和加速效应的不同，车辆间的车头时距略有不同。根据观测，平面交叉路口车辆的车头时距在平均车头时距附近随机波动，设波动幅度为σ，即车头时距：

ti∈(t−σ,t+σ)

7

重庆大学工程硕士学位论文 2 平面交叉口的交通分析

则：ti=t−σ−2σ×Ri

； σ——车头时距波动幅度（秒）

R——随机数（0≤R≤1）。

式中： t——为一定流量下的平均车头时距（秒）；

在理想的情况下，由于增加了用于加速的长度，后一辆车通常比前一辆车的车头时距要短（即σi>σi+1），在若干辆车后，其起动反应和加速效应已经消失，后续车辆将形成一组匀速行驶的车队，这些车辆的车头时距基本趋近于一个常数h（饱和车头时距）。如下图所示（图2.2）。

图2.2 车辆通过信号交叉口车头时距图

Figure 2.2 Period of Time When Vehicle Crossing Crossroad

很显然，当车辆是稳定的运行车队，通过有信号控制的平面交叉路口时，则车头时距波动幅度σ趋近于0，车头时距ti趋近于t同时趋近于h，即ti=t＝h

那么，在这种情况下，通过一处有信号控制交叉路口时每个车道的交通流率即饱和流率S为

S=3600h

式中：S——饱和流率（辆/小时绿灯）；

h——饱和车头时距（秒/辆）（饱和状态下平均每辆车的车头时距）；

3600——每小时的秒数。

上式的建立是基于该方向车道总是绿灯信号，车辆通过交叉路口无需停车，而实际上信号交叉路口的交通流是周期性停止的，当信号变为绿灯时，车队前若干辆的车头时距总是大于h的，多出一个σi。因此，对前几辆车，在饱和车头时

8

重庆大学工程硕士学位论文 2 平面交叉口的交通分析

距h的基础上，应增加其车头时距，从而得到一个增量值，称为起动损失时间（起始延误）用l1表示，则

l1=∑ti

式中：l1—总起动损失时间；

ti—第i辆车的起动损失时间。

另一个损失时间就是清尾损失时间（结束延误）l2，它是指从一个方向最后一辆车进入交叉路口的时刻与另一方向变为绿灯的时刻之间的时间差。

因而，对于车道的饱和流率而言，它的有效绿灯时间是在一个信号周期的基础上，不但扣除了红灯时间，而且扣除了起动和清尾损失时间（起始延误和结束延误）。被每辆车以h秒的车头时距利用着[10]。

2.2.2 通行能力和饱和度

信号控制下的平面交叉路口的通行能力是以饱和流率的概念为基础的，饱和流率是指在一定的道路交通条件下，指定的车道组（或引道）能通过交叉路口的最大通行量。指定的车道组（或引道）的通行能力可表示为：

ci=si×(δC)i

式中： ci ——车道组（或引道）i的通行能力（辆/小时）

si—— 车道组（或引道）i的饱和流率（辆/小时绿灯） (δC)i—— 车道组（或引道）i的绿信比

在交通信号控制中，整个交叉路口的通行能力概念并不非常重要，有重要意义的是各单个流向车流以一定的效率通过交叉路口的能力，在实际的多相位交通信号控制设计中，在同一绿灯时间内不同车道组（或引道）均有车流运行，总有一个车道组（或引道）比其他车道组（或引道）需要更多的绿灯时间，这便是确定该相位所需绿灯时间的关键车道（或引道）。

在交通信号控制中，这种要求不可避免引入了饱和度的概念。车道组（或引道）实际流量与通行能力的比值，就称为该车道组（或引道）的饱和度。

指定车道组（或引道）的饱和度可表示为：

Yi=(v/c)i=vi/[si×(δ/C)i]=viC/siδi=(v/s)i/(δ/C)i

式中： Yi——车道组（或引道）i的饱和度；

vi——车道组（或引道）i的实际流量； ci——车道组（或引道）i的通行能力； vi/si——车道组（或引道）i的流量比率； (δ/C)i——车道组（或引道）i的绿信比。

饱和度衡量了实际流量和通行能力的关系，评价了信号控制交叉路口的服务

9

重庆大学工程硕士学位论文 2 平面交叉口的交通分析

水平[11]。

2.3 信号控制平面交叉路口的规划分析和运行分析

2.3.1 规划分析

平面交叉路口的规划分析时，暂不考虑交通信号控制设置细节，只是概略性地评价交叉路口通行能力，并提出一个基本的估计。

规划分析只关心平面交叉路口的交通流量（辆/小时）以及交叉路口的车道数和车道的使用类型。由于规划分析鉴定的是单个车道，因此，在分析过程中，交通流量必须是按车道分配的：

① 如具有专用转弯车道，则把所有转弯车辆分配给各自的转弯车道。 ② 对共用车道，流量在可用车道中均等地分配。

③当在共用车道中包括许可的左转弯时，把车辆按小客车当量换算后，均等的分配给直行车道和共用车道，对右转弯车和直行车的小客车当量换算值为1，而左转弯的小客车当量换算值与对向直行和右转交通量有关。

在通过考虑运行冲突以鉴别平面交叉路口的关键车道交通流量的组合后，可以得到交叉口关键交通流量，利用这一数据可以大体的评价平面交叉路口设计在总体上是否合理[12]。

2.3.2 运行分析

运行分析确定每个车道组（或引道）的通行能力和服务水平以及整个交叉路口的服务水平，平面交叉路口的运行分析是建立交叉路口交通评价指标体系的基础。由于信号控制平面交叉路口运行分析的复杂性，目前流行的做法是用五种不同的分析模型来共同进行。如图2.3，该图说明了所用模型和分析步骤[13]。

平面交叉路口的交通问题，实质是各种交通流在平面交叉路口互相冲突，阻滞的结果，对其进行分析的模型和方法多种多样。传统上，使用以停车线为准的分析方法，即假定车辆过停车线后，即算通过路口，特别是以英国经典的威伯斯

，用各种系数将大、特方法为代表，以整个进口计算流量（Q）和饱和流量（QS）

小车折算为小车，将左右转弯车折算为直行车，将直行车折算为机动车，并计入

行人对饱和流量的影响，再按折减换算的Q和QS，计算出饱和度Y，再以各进口最大Y求∑Y据以计算信号配时。其优点是简化了路口的交通模式，便于定量计算；其缺点也正是因为模式的简单而缺乏对交叉口交通情况的深入分析。

将整个进口作为一个整体进行分析，显然不适合车道较多、转弯车较多、行人或自行车将多的情况，更主要的是这类方法掩盖了交叉口冲突的实质。并且，不能用数学形式准确地表达出交叉口车流需求和交叉口道路能力的关系。这类分析方法在交通信号控制中的应用，就导致了简单两相位控制方法在交叉口的大量

10

重庆大学工程硕士学位论文 2 平面交叉口的交通分析

运用，以现代交通信号控制的眼光和实际运用效果来看，这是一种落后的方法。

1、输入模型 ● 几何条件 ● 交通条件 ● 信号条件 2、流量校对模型 ● 高峰小时系数 ● 建立车道组 3、饱和流率模型 ● 理想饱和流率 ● 校正 ● 分配车道组流量 4、通行能力分析模型 ● 计算车道组通行能力 ● 计算车道组V/C值 ● 叠加结果 5、服务水平模型 ● 计算车道组延误 ● 累计延误 ● 确定服务水平

图2.3 平面交叉口的运行分析 Figure 2.3 Run Analysis of Crossroad

随着交通流（movement）这一四维时空概念的出现，标志着平面交叉口的交通分析已细化到一根或若干根车道，或者是一车道上不同方向的车流。实际上就把平面交叉口的交通分析从停车线转移到冲突点，这类方法以阿塞力克法为代表。其优点是：①按交通流（movement）计算Q和QS，而不是整个进口。②用各相位中最大Y的交通流（movement）来控制周期时间，这种方法在路口较宽，或有专门转弯车道的路口应用非常有效，但如果有直、左混合车流时，该法仍然要将转弯车换算成直行车，再计算∑Y。其间造成与实际情况误差较大。并且，这类方法仍然使用停车线位置的交通参数使计算结果不够准确。同时，有可能在同一相位中各交通流（movement）饱和度相差较大。

11

重庆大学工程硕士学位论文 2 平面交叉口的交通分析

“冲突点法”是真正把着眼点移到路口内，从而可以更精确地描述平面交叉口交通的冲突。但是，该法在实际的交通信号控制设计中，与上述二法相比较显得较为烦琐。

在交通实践中，由于平面交叉口交通流量的随机性和统计的时效性，结合路口交通渠化，反而是前二种简明的方法用得较多，用其理论计算值作为一个控制方案所有参数的概数，再根据实际交通情况作一定的调校、修正，以适合当前的交通状况，获得最优的控制效果[14]。

12重庆大学工程硕士学位论文 3 平面交叉口信号控制设计

3 平面交叉口信号控制设计

通常，确定进行一个平面交叉口有效的信号控制方案需要以下的程序。

交叉口交通量调查 交叉口几何特征调查 交叉口渠化 计算相位方案 计算饱和流量 计算必要显示率 计算交叉口饱和度 0.9<λ1.0 交叉口的饱和度研究 λ≥1 计算各相位的黄灯时间 计算各相位的全红灯时间 计算周期长 计算绿信比 车辆行人最短 绿信号的确保 绿信比研究 综合研究 确定信号显示方案

在进行平面交叉口信号控制设计以前，为了方便本文后面的研究比较，先引入几个概念和确定一个路口[15]。

13

重庆大学工程硕士学位论文 3 平面交叉口信号控制设计

3.1 几个概念

相位：在不同的标准中对相位这一概念有不同的描述。在这里，将相位定义为在一个周期中向一股或多股交通流显示的某一种交通信号序列，即每一组信号灯对应的车流，就被称为一个相位。在相位的时间这一概念上，仅分配有绿灯时间、黄灯时间。

阶段：在信号周期的某一段时间内，使一股或多股交通流获得通行权的交通信号状态。它包括了两个方面的含义，一是阶段是一个或多个相位的组合；二是这一个或多个相位拥有通行权的时间。

周期：在信号控制中，连续运行的阶段构成的一个最小循环单位的时间。 最大绿灯时间：一个周期中，某个相位或阶段被赋予通行权的最大时间。 最小绿灯时间：一个周期中，某个相位或阶段被赋予通行权的最小时间。 绿信比：相位或阶段实际获得绿灯时间与当前周期长度的比值，由于在不同的阶段可能出现同一相位的运行，所以绿信比的定义中应包括相位和阶段这两个概念[16]。

3.2 引入一个路口

在本文进行的实验中，选取了一个比较标准的T型路口（科园一路交叉路口），路口的流量在经过小客车当量换算如表3.1和图3.1～3.4示。

表3.1 科园一路交叉口流量－时间表

Table 3.1 Vehicle Flux-Time of Keyuan No.1 Crossroad 流 量 大坪 方向 时 间 直 左 直 右 右 左 8 9 102 257 843 145 381 347 65 905 323 957 201 377 310 3073 934 332 901 199 335 383 3084 11843 301 875 134 379 410 2942 12820 217 783 213 3 298 2695 13655 195 694 248 301 269 2362 14

14783 265 5 265 312 338 2858 15727 243 812 179 3 365 2715 16815 305 834 278 341 279 2852 17 18 19 20956 287 953 267 379 339 3181 913 258 915 241 3 374 3065 765 243 734 137 320 331 2530 692 225 659 108 257 263 2204 石桥铺方向 科一路方向 交叉口总量 28重庆大学工程硕士学位论文 3 平面交叉口信号控制设计

图3.1 大坪方向进入交叉口的流量

Figure 3.1 Vehicle Flux of Entering Daping Crossroad

120010008006004002000123456710111213大坪 直方向 左

图3.2 石桥铺方向进入交叉口的流量

Figure 3.2 Vehicle Flux of Entering Shiqiaopu Crossroad

12001000800600400200012345石桥铺方向 直石桥铺方向 右6710111213

5004003002001000123456710111213科一路方向 右科一路方向 左图3.3 科园一路方向进入交叉口的流量

Figure 3.3 Vehicle Flux of Entering Keyuan No.1 Crossroad

15

重庆大学工程硕士学位论文 3 平面交叉口信号控制设计

图3.4 科园一路交叉口的流量分布

Figure 3.4 Vehicle Flux Distributing of Keyuan No.1 Crossroad

40003000200010000123456交叉口总量71011121314

由图可见，各方向进入路口在各时段变化趋势基本一致。并且，在该路口两个左转车流都比较大，而左转车流是最易和其他流向产生冲突的。为了减少冲突点的数目，就必须对平面交叉口的冲突进行空间和时间上的分离，即进行路口渠化和信号控制。

3.2.1 交叉口渠化设计

(1) 由于左转车流量较大，如果与直行或右转混合行驶，将由于冲突的不可避免而导致交通延误和交通事故的增加。此时，为保证平面交叉口的通行能力和交通安全，应把左转车流从其他车流中分离出来，设置左转车道。

TCDCBAGEF图3.5 交叉口渠化图 Figure 3.5 Trench of Crossroad

16

重庆大学工程硕士学位论文 3 平面交叉口信号控制设计

(2) 对石桥铺方向进入路口的流量，直行车远大于右转车，所以考虑将两条车道分别设置为专直和直右混合车道。

(3) 平面交叉口的行人应尽可能与机动车分离。科园一路方向人流不可能采取其他措施从路口分离，应设立信号控制人行横道，减轻路口交通冲突[17]。

其于以上原则，平面交叉口的渠化如图3.5。

3.2.2 交叉口信号设计

1、阶段设计

（1）由于道路的渠化、车流的细分，多相位的使用，所以，除行人灯外均应使用箭头灯。

（2）平面交叉口的信号设计实质是路口冲突在时间上的分离，因此，在确定一个信号阶段时，应尽量避免同一阶段中存在着相互冲突的相位，交叉冲突尤其应避免，合流冲突在一定程度上是可以容忍的。

（3）每个相位时间应包括三部份而不是二部份，即反应起动时间、通过首尾冲突点间路程的时间，以及该相位车队通过末冲突点所需时间。所以，在阶段的安排时应尽量避免这些冲突的影响。

（4）每一个阶段的运行都意味着该阶段内各相位车流的释放，在阶段的安排上还应该尽量利用这种释放对路口带来的好处，即后一阶段的开始应尽量利用前一阶段结束后给路口带来的好处。

（5）在阶段的安排上，还应考虑前后两阶段中，冲突相位车流在停车线离冲突点的距离[18]。

本例中，由于存在B相位和C相位的直左冲突，如图3.6示：

S2S1BC 图3.6 冲突示意图 Figure 3.6 Conflict of Crossroad

17

重庆大学工程硕士学位论文 3 平面交叉口信号控制设计

对于这种接近正交的路口，显然S1遵从以上原则，进行了如图3.7的信号控制阶段设计： ADCDBGAF123EF4BDAD图3.7 信号控制阶段设计

Figure 3.7 Design of Signal Control Phase

2、配时设计

利用已知的流量数据，根据经典的韦伯斯特法（停车线法）或阿塞力克法（交通流movement）可以很容易地求出周期长和各阶段时间。在信号设计中，阶段1的关键交通流是相位C，阶段3的关键交通流是相位B，阶段4的关键交通流是相位E，阶段2实际上是在阶段3中插入一个人行相位，从属于阶段3。如果没有人行相位，该阶段完全可以去掉，其之所以插在1、3阶段之间，完全是遵从上述阶段设计原则的结果。该阶段的时间由行人最小绿灯时间决定，可按下式估算：

Gp=7.0+(W/1.2)−I 式中：

Gp－行人最小绿灯时间（秒）

W－从路沿到最远车道中心的距离（米）

I－间隔时间（黄灯时间＋全红时间）（秒）

当然，如果把行人相位G当作该阶段的关键交通流也是可行的，阶段的时间仍由上式估算，只是在计算阶段3的时间时，应扣除阶段2的部份时间。

具体的计算可采用如下的经验公式[19]：

18

重庆大学工程硕士学位论文 3 平面交叉口信号控制设计

① 饱和交通流量的计算，在该设计方案下，不存在对向车流干扰，应按不考虑对向车流影响时的饱和流量公式计算：

S(r,f,δn,G,wi)=[2080−140δn−42δGG+100(wi−3.25)]/[1+1.5f/r] 式中：S(r,f,δn,G,wi)—某车道饱和流量（辆/小时）；

r—转弯半径；

f—该车道中转弯车辆比例；

δn—靠边车道δn＝1，非靠边车道δn＝0； δG—上坡δG＝1，下坡δG＝0；

G—坡度； wI—车道宽度。

② 必要的显示率计算

λij=qij/sij

式中：λij—阶段i的j相位的饱和度；

qij—阶段i的j相位的设计交通量（辆/小时）； sij—阶段i的j相位的饱和交通量（辆/绿灯时间）； λi=max(λia1,...,λij,...,λin)；

其实，λi在本例中就是阶段i的关键交通流的相位饱和度。 ③ 交叉口的饱和度计算

λ=一般λ≤0.9

∑

i

λi

④ 各阶段（相位）的黄灯时间和全红时间设计

进退两难状态：指驾驶员既不能以通常的减速度停止，也不能保持原来的速度不变而通过的状态。

选择通过状态：指既可以以通常的减速度安全停车又可以保持原来的速度不变通过的状态。

容易冲突状态：指黄信号时间内可能越过停车线进入交叉口，但不可能在全红信号结束前通过交叉口的状态。

冒险通过状态：指在黄信号开始之后进入了交叉口内并且能在全红结束之前穿过交叉口的状态。

最佳黄灯信号时间是不产生进退两难状态和选择通行状态。根据实践经验来看，在以V≤40km/h的设计车速通过，黄灯时间取3秒。

最佳全红时间与停车线之间的距离和车辆驶进交叉口进的速度有关，对于该路口，为了提高效率，在考虑了阶段安排和起动延误的情况下，取消全红时间。实践看来是可行的。

19

重庆大学工程硕士学位论文 3 平面交叉口信号控制设计

⑤ 损失时间的计算

L≈

∑(Y

j=n

n

j

+ARj)−n

式中：L—周期里损失总时间（S）；

Yj—阶段j的黄灯时间（S）；

ARj—阶段j的全红时间（S）；

n —黄信号时间4S以上，或黄＋全红时间5S以上的阶段的变化

次数。

⑥ 周期长计算

Copt=(1.5L+5)/(1−λ)

式中：Copt—最佳周期长（S）。

⑦ 绿信比的计算

Gi=(Copt−L)(λi/λ)

式中：Gi—i阶段的有效绿灯时间（S）；

λ—交叉口的饱和度；

λi—i阶段的饱和度；

L—损失时间（S）。

平面交叉口信号控制理论上的配时计算是容易的，但由于利用数据（交叉口流量统计）与实际交通情况的差别以及路口交通和流向变化性和随机性，再加上路口周围的交通环境不同，在实际的交通信号控制中，其计算结果也只能作为一个具有较高参考价值的数据。实际上，不论是信号周期或各阶段时间，实际应用和理论计算都有程度不同的差别。

3、相位、阶段与相位周期的关系

一般来说，在一个周期中增加阶段数，可以减少甚至消除阶段内不同相位交通流的冲突，从而提高平面交叉口交通流通行的顺畅性和安全性，但是其副作用是降低了平面交叉口的通行能力。这是因为阶段数的增加不但会减少分配给各阶段、相位的时间。而且，由于阶段的增多使周期内阶段转换次数增加，从而导致黄、全红等交叉口清空时间增加。由于阶段的增加也引起了周期内损失时间的增加。因此，从这一角度看又希望周期内阶段数能减少，这三者在交通信号控制实践中应很好的协调。

此外，周期的长短也是一个值得注意的问题。过长的周期除了增大延误以外，从驾驶员、行人等待信号的心里效果来考虑也不好。一般在实际的交通信号控制中最大周期也就在120秒左右，个别特殊路口可以再延长一点，但最好不要超过

160秒。同样，过短的周期也不好，由于每个阶段损失时间是一样的，实际上过短的周期导致了绿信比的下降和通行能力的降低。在没有其他措施保证的情况下，

20

重庆大学工程硕士学位论文 3 平面交叉口信号控制设计

过短的周期导致了周期内各阶段的频繁替换，而车辆的频繁的起停也是导致安全事故的隐患[20]。

3.2.3 两种信号控制方式和它们的缺陷

在本文的实验中，对该路口先后进行了两种不同的交通信号控制。

1、多时段定周期方式

根据该路口的流量调查，可将该路口的交通信号控制分为二个时段配时，即高峰时段（7:30-11:00,16:00-19:00）和平峰时段（除高峰时段外的其他时段）经过计算和实际调整具体的配时如图3.8示：

图3.8 交叉口阶段配时图 Figure 3.8 Admeasure Time of Phase

每个阶段的信号序列如下：

阶段时间（S）＝绿灯时间（S）＋绿闪时间（3S）＋黄灯时间（3S） 实验证明，该方案在交通流稳定，各相饱和度较高的情况下，具有较高的通行能力和较少的延误，控制效果比较理想。但是，在实验中也发现：

① 虽然小时交通流量符合统计规律，但在不同的信号周期中交通流的变化又具有较大的随机性，造成各周期中各阶段（相位）延误不同，交叉口通行能力得不到最有效的发挥。

② 对交通流量的变化没有适应能力，按统计规律划分的时段和实时情况差距较大。

③ 在交通流量较小而变化不规律时，又会出现绿灯无车空放而红灯有车等候的现象。

④ 行人过街等待时间较长，特别在车流量较小时更让人难以忍受，这时容易出现行人不按信号指示过街。

⑤ 控制方案易老化，随城市整体交通变化趋势和交通组织的不同需经常调整方案。根据重庆的经验，一般3－5个月就得作一次方案调整[21]。

21

重庆大学工程硕士学位论文 3 平面交叉口信号控制设计

2、感应控制方式

为克服多时段定周期的诸多缺陷，又进行了感应控制方式的实验，在交叉口埋设了车辆检测线圈。如图3.9所示。

图3.9 感应控制方式线圈位置图

Figure 3.9 Location of Loop Using Induce Control Mode

感应控制方式阶段的设计依然采用了多时段定周期的阶段设计，其控制流程图如图3.10。

在本例实验中，各阶段的最大绿灯时间采用了路口高峰时段的配时，最小绿灯时间全部设为5秒。从最小绿灯时间到最大绿灯时间的延长是根据检测器在限定时间内对是否存在车辆的检测以单位绿灯延长时间进行的，考虑到车头时距的因素，选取的单位绿灯延长时间为3秒。

实验证明：在感应控制方式下，信号控制比多时段定周期方式更有效率，在交叉口流量较大且符合各相位流量统计规律时，感应控制方式基本上退化为多时段定周期控制方式。当交通流量减小或交通流量变化大而与流量统计规律不符时，感应控制方式比定周期控制方式具有更大的灵活性，具有更大的通行能力和较小的路口延误。但是，在实验中同样发现感应控制方式在应用于实际交通控制中，依然存在一定的问题。

① 虽然在实际交通信号控制中要尽量避免控制阶段的跳跃，所以感应控制方式每阶段的运行都设置了最小绿灯时间，并且出于安全的考虑，最小绿灯时间不能少于5秒。但是，在某些情况下，却希望控制阶段能够跳跃，如路口某相位无

22

重庆大学工程硕士学位论文 3 平面交叉口信号控制设计

交通需求或由于该相位车流因上游原因无法到达路口时。感应控制方式必须运行了该无交通需求阶段的最小绿灯时间后才能进入下一阶段，而这个最小绿灯时间对于其他有交通需求的阶段或相位来说就是一个不必要的浪费。

图3.10 感应控制流程图 Figure 3.10 Flow of Induce Control

② 由于感应控制方式检测检测信息的非锁定性，感应控制方式人行相位在阶段流程中无法取消，即在某周期内无行人过街需求时该阶段仍然存在，这对其他阶段来说也是一个浪费。

③ 或者在某一阶段运行中，由于该阶段某一相位出口堵塞原因，这时该阶段的运行是没有意义的，需要取消该阶段运行，进入其他阶段或全红清空路口再选

23

重庆大学工程硕士学位论文 3 平面交叉口信号控制设计

择阶段执行。但对于感应控制方式来讲，由于检测器检测始终有车，该阶段不但执行，而且还要运行到最大绿灯时间，这在实际交通信号控制中是很难容忍的。

④ 感应控制方式容易失效，在本例中，如图3.11所示：

ABCD

图3.11 行车示意图 Figure 3.11 Road Map

在运行放行左转车流的阶段时，我们希望在放行完左转车A、B后，该阶段即结束，而进入下一阶段的运行。但是，由于对左转车流检测的检测器埋设于左转车道停车线后，当A、B左转通过后，直行车C、D也可能借道通过，如借道车过多，检测器检测始终有车，该阶段就不会如我们希望在放行完A、B后迅速结束而进入下一阶段。相反，在进入下一阶段前会一直运行，直到该阶段的最大绿灯时间[22]。

对造成上述情况的原因进行综合分析，得到造成如此结果最主要的原因：是检测器对交叉口检测信息少和对信息利用方式的简单、单调，检测信息少，从而不能够清楚地判别交叉口实际的交通情况。利用的单调、简单就不可避免的导致了对检测信息的错误使用。交叉路口的交通特征是由不同信息综合形成的，要有效解决平面交叉口的交通信号控制问题，提高交叉口交通信号控制效率，使交叉口具有最高的通行能力和最小的延误，必须综合利用不同检测信息。

24

重庆大学工程硕士学位论文 4 多参数逻辑运算控制模式

4 多参数逻辑运算控制模式

在平面交叉路口的信号控制中，感应控制方式比多时段定周期控制方式具有更高的控制效率，其根本原因就在于感应控制方式中引入了平面交叉路口的一些实时交通参数，对控制方案进行实时的修正、优化。较之多时段定周期控制方式，显然这种方式可更好的适应平面交叉路口交通状况的变化。

控制方案的实施，总是希望使交叉路口各个方向的车流累计总延误最小，各个方向车流通过量最大，各相位绿灯时间得到最有效的利用等等。总之，就是要使控制方案根据交叉路口的具体交通情况达到最高的控制效率，最大限度的实现交通工程师设定的控制目标和要求。但是在传统的感应控制方式下，检测器一般都利用埋设于路面的环形线圈，控制机利用这些环形线圈测得类别单一的如有无车、流量、速度等交通信息，进行提炼预测，生成具有交通含义的参数来对控制方案进行优化。而这类参数在表达平面交叉口的交通特征时都显得非常的抽象，与现实世界的交通表征存在着较大的差别，在加上其优化算法的简单和交叉路口不同驾车者不同驾驶行为的影响，造成对交叉路口交通情况的错误判断不足为奇的。显然，由于经常的错误判断，在传统的感应控制方式下要进一步提高平面交叉口的控制效率是不可能的。

这种问题，就是在当今世界交通界公认的两大效率、高水准的道路交通控制系统（SCATS和SCOOT）信号机用于平面交叉路口感应控制时都依然存在。在

SCATS系统的感应模式中，最重要的一个交通参数就是饱和度（Degree of ，其定义为绿灯时间的有效利用率，它通过埋设于停车线后的检测线圈，saturation）

找到有效利用的绿灯时间来对控制方案进行优化。姑且不论所测指标由交叉口几何线型、驾车者行为差异和算法本身带的误差和误断，而由其感应控制的负反馈方式（即信号控制参数的改变未用于当前周期，而是下一周期）来看，就存在对平面交叉路口的实时优化控制不强的问题。SCOOT系统在用于感应控制模式时所采用的优化方式比较复杂，它包括了检测模型、预测模型、优化模型等多种算法，通常感应控制需考虑X、Y、Z或X、Z检测才能比较准确地响应Demand和

Extension。 Demand和Extension可以配置成锁定或非锁定。行人Demand通过按钮按锁定方式响应。信号阶段顺序可以跳跃和变化，如Ripple Change (ST800

General Handbook C38)。但是，从其预测模型的原理和检测线圈埋设的位置来看，它对平面交叉路口的优化也会受一些因素的影响，如交叉路口前面路段存在支路和缺口，有车出时产生流量变化或路段异常堵塞等以及车队的离散系数的变化，延误时间的预测精度等。另外，在SCOOT系统的ST800/ST700控制器中，可以将

25

重庆大学工程硕士学位论文 4 多参数逻辑运算控制模式

LOOP设置在路口内，用于CALL/CANCEL、RED Extension、Exit Block等特殊条件下的时序和逻辑响应和控制。在美国的NEMA标准中，基于单LOOP感应控制，最小绿灯时间可以设置成随机可变的，并伴随一些特殊的参数术语定义。当然，上述的比较在某种意义上说显得并不公平。但是，有一点是值得注意的：即使是目前最先进的控制设备，在最大限度的提高平面交叉路口信号控制的效率上，都或多或少的存在着一定的问题。

基于上述原因，为了进一步提高平面交叉口信号控制的效率，必须把着眼点放在交叉路口及其周围，运用一些与日常交通管理者直观印象相吻合的交通参数来对路口控制方案进行实时的优化。为此，本文提出了多参数逻辑运算控制模式[23]。

4.1 概念的引入

平面交叉路口的交通特征是由众多交通信息构成的。在交通信号控制中，选取一些能够代表交叉路口交通特征的关键信息进行分析处理，再利用其结果来指导交通信号控制，对控制方案时行实时的优化。显然，这种方式是最切合交通信号控制实际的。要实现这样的控制目的，利用单一类别的检测参数是很困难的，流量参数可以表达交叉路口的流量，速度参数可以表达车辆通过交叉路口的速度，阻塞参数可以表达交叉口的阻塞情况，排队参数可以表达交叉路口的排队长度等等，不一而足。但是单一的参数只表达了交叉路口的部分交通特征，不能表达交叉路口的全部甚至关键交通特征。而对平面交叉路口进行有效的实时优化控制，却需要将众多表达不同交通特征的参数综合起来运用。如何将这些参数加以简单、有效的利用，就是本章的目的。用这些参数的逻辑表达式可以较准确的表达交叉路口的特征，并基于多参数的逻辑运算，建立了多参数逻辑运算控制模式[24]。如图4.1。

在该模式中，由于在每一阶段采用了多个交通信息参数的逻辑运算，可以准确地以逻辑语言来描述交叉口的实际交通情况。这样，在该模式中，完全可以取消最小绿灯时间的概念，即最小绿灯时间为0。

在各阶段多参数逻辑表达式都成立的情况下，保留了最大绿灯时间的概念，这一时间和平面交叉口的最大通行能力有关，既可以按路口饱和交通流计算得出，也可以由交通工程师根据情况自行任意设定。

由于每一阶段运行的条件是基于多个交通参数逻辑表达式的成立，所以在控制方案的确定时可以有更多的阶段存在。因而就不会因阶段的增加而引起周期损失时间的增加，使其具有更大的控制灵活性。

26

重庆大学工程硕士学位论文 4 多参数逻辑运算控制模式

图4.1 多参数逻辑运算控制模式流程图

Figure 4.1 Flow of Logic Operation Control with Multi-Parameter

在各阶段（相位）都没有交通需求时，交通控制停留在上一需求阶段上。一旦某一阶段（相位）产生需求时，信号控制直接跳到该需求阶段上来[25]。

4.2 检测器输出参数的定义

多参数逻辑运算信号控制模式之所以能对平面交叉口进行实时、有效、灵活的控制，是因为该模式的运行是基于对交叉口关键交通信息的处理。它能真实、及时地收集道路交通情况；而多参数逻辑运算控制模式的控制软件算法和数据处理方式在很大程度上决定于检测器输出的性质。由于检测器的类型以及检测功能

27

重庆大学工程硕士学位论文 4 多参数逻辑运算控制模式

与检测逻辑各有不同，所以，该模式在对检测器输出信号进行预处理是必须的，并由此带来了模式更大的控制灵活性。在该模式中定义了两种类型的检测器输出。

1）连续模式：当检测器连续输出一定时间后即该检测输出为逻辑真。如图4.2示。

图4.2 连续模式 Figure 4.2 Series Mode

在该模式中，当检测时间1内检测器有信号1连续输出，则该检测值为逻辑

真；当检测时间2内检测器虽有信号2、3输出，但不连续，则该检测值为逻辑假。

2）断续模式：在规定的检测时间内，检测器只要有检测输出即为逻辑真。如图4.3示。

图4.3 断续模式 Figure 4.3 Discrete Mode

在该模式中，当检测时间1内检测器有信号1输出，则该检测值为逻辑真；当检测时间2内检测器无信号输出，则该检测值为逻辑假。

为了保证控制灵活性，所有检测器的检测模式都可以任意定义为连续模式和断续模式中任一种，检测时间也可按需要任意可调[26]。

28

重庆大学工程硕士学位论文 5 智能交通信号控制系统设计

5 智能交通信号控制系统设计

5.1 控制系统硬件结构设计

控制器总体结构框图如图5.1所示。现将各部分介绍如下：

图5.1 控制机总体框图 Figure 5.1 Structure of ITS

5.1.1 主控板电路

该部分是信号机的核心控制单元，包括8051单片机、看门狗电路、时钟电路和存储器[27]。

(1) 微控制器的选用

为了降低它的成本和保证它的可靠性，我们选用了常用的8051单片机作为信号机的核心控制部分. 其结构特点如下：8位CPU；片内震荡器及时钟电路；32根I/O线；外部存储器ROM和RAM寻址范围各KB；2个16位的定时器/记数器；5个中断源，2个中断优先级；全双工串行口；布尔处理器。

(2) 看门狗电路 看门狗电路特点如下：

29

重庆大学工程硕士学位论文 5 智能交通信号控制系统设计

① 在系统上电、掉电或欠压时，准确地输出一个复位信号。 ② 输入/输出与TTL/CMOS电平兼容，+5伏电源供电。 ③ 门限电压4. 65V，可手动复位。

④ 当PFI引脚电压低于1. 25V时，PFO引脚立即变成低电平作为报警信号或触发中断。

⑤ 如果在1.6秒内看门狗的输入WDI没有发生翻转，其输出WDO变为低电平，并输出复位信号。

(3) 时钟电路

，振荡电路、充电电路和锂电池等一起封装在芯片DS12C887芯片将晶体振荡器、

的上方，组成一个加厚的集成电路模块。因此，DS 12C887时钟芯片无需MC146818的电源检测端，电路通电时其充电电路便自动对可充电电池充电，充足一次电可供芯片的时钟运行半年之久。正常工作时，可保证时钟数据十年内不会丢失[28]。

5.1.2 控制器的人机接口电路

图5.2 人机接口电路框图

Figure 5.2 Interface Circuit of Man-Machine

该部分主要功能是信号机运行状态、运行方案的显示以及参数的输入。给用户提供良好的人机接交互方式，使信号机的操作方便、显示直观。该部分框图如

30

重庆大学工程硕士学位论文 5 智能交通信号控制系统设计

图5.2所示。显示部分的主要电路是8279，8279是键盘、显示接口芯片，操作面板上共有13个键通过8279与CPU接口。8279采用中断工作方式，双键互锁。

5.1.3 控制器的通讯接口电路

为了满足区域控制的需要，信号机必需具有远程通信能力。信号机离控制中心距离较远，直接用串行口RxD, TxD或加线驱动器是无法实现的，所以我们扩充

MC3486、MC3487作为RS422通讯口，扩充MAX202CPE作为RS232通讯口，所有通讯口均采用光电隔离[29]。

5.2 控制系统软件设计

5.2.1 系统功能说明

为了满足现代智能交通的要求和实现信号机通常采用的控制方式，以及国内的实际情况，现在的智能交通控制系统，具备了单点控制、定周期控制、多时段控制、交通感应控制、手动控制、线控功能、黄闪控制，并为区域控制作好准备。现分别对它们进行说明.

(1) 定周期控制

在定周期控制方式下，信号机循环执行唯一的定周期控制方案，信号灯按照唯一特定的规律循环变化。

(2) 多时段控制

在多时段控制方式下，用户可以将每天24小时分为最多10个时段，并为每个时段设置一个方案，信号机在不同的时间段内执行不同的方案。用户应该为多时段控制方式设置一个或多个时段及其对应的方案，否则多时段控制无效。若在某个时刻之后，用户没有设定方案，则信号机执行该时刻之前的设定方案。

(3) 交通感应控制

每个交叉路口无固定的配时方案，信号机完全由车辆检测系统(电磁感应装置、微波检测装置或超声波检测装置等)检测到瞬时交通流量数据来灵活地确定各相位放行车流的起讫时间及放行量。信号机可以根据上位机的设定来实现半感应控制或全感应控制。

(4) 手动控制

手动控制用于需要人工干预的特殊情碗。信号机通过手动按钮开关实现自动与手动切换，在这种控制方式下，步进的切换通过手动步进按钮来实现。

(5) 闪光控制

交叉路口的黄灯或红灯以规定的频率交替闪烁，信号机在以下三种情况下进入闪光控制：

① 软件定时：用户可以为信号设置各种日期类型下的闪光起始时间和终止时

31

重庆大学工程硕士学位论文 5 智能交通信号控制系统设计

间。在多时段控制和感应控制方式下，信号机在设定时间自动进入或退出闪光状态，这种控制方式适用于夜间车流量较小的场合。

② 绿冲突：信号机具有绿冲突检侧功能。可以对多路绿灯输出信号进行检测，并进行绿冲突逻辑分析。当多路信号灯发生绿冲突现象时，信号机自动绿切，并进入闪光控制状态。

(6) 调光控制

用户可以为信号机设置各种日期类型的调光控制方案的起始时间和终止时间，信号机在设定的时刻进入或退出调光控制。进入调光控制后，原来的控制方式和控制方案不变，但信号灯的亮度下降为原来的50%。这种控制方式适用于夜间控制，以避免光线过强，而使司机“眩目”，防止发生交通事故。

(7) 线控功能

在实现方式上，线控功能有两种:

① 无电缆线控在需要进行相位差协调的各个路口之间没有电缆连接，也就是各交通信号机之间不知道彼此的运行状态。在这种系统中，没有主控机，而是靠各信号机设置相同的运行时钟，依此来保证各路口信号机放行时间的交替错开。这种方式有明显的弊病，当信号机的时钟不准确时，很容易使各路口的信号机进入无序状态。

② 有电缆线控在这种系统中需要设置主控信号机，需要线控的信号机之间靠电缆连接，当进入线控状态时，子信号机受主信号机的影响，将调整自己的周期长度，使之与主信号机保持一致。为了保障信号机能正常运行，在本智能信号控制系统中采用了第二种方式。

(8) 区域控制功能

作为区域控制系统，信号控制系统组网的方式有点对点方式，也有一点对多点的方式。在XATM信号机中，我们将同时采用了这两种方式。点对点方式中，我们采用调制解调器MODEM，经过电话线进行数据通信；一点对多点方式中，我们将使用CAN总线来实现。

本系统采用流行的多时段定周期控制方式。这种方式容易实现，并且成本较低，技术已经比较成熟，对通行效率有较大的提高[30]。

5.2.2 单片机软件定时方式

单片机软件定时方式有两种：一种是用延时程序达到定时的效果，另一种是利用单片机的定时器进行定时。

延时程序的定时，是利用空循环程序，这种方法是凭经验得出的循环次数，误差教大，只适合短时间定时。

单片机定时器定时，采用了内部晶振定时，非常的精确，适合我们设计的要

32

重庆大学工程硕士学位论文 5 智能交通信号控制系统设计

求。所以，选择单片机定时器定时。

定时器的工作方式介绍：

(1) 工作方式0

定时器/计数器的工作方式0称之为13位定时/计数方式。它由TL（1/0）的低5位和TH（0/1）的8位构成13位的计数器，此时TL（1/0）的高3位未用

(2) 工作方式1

工作方式1是16位的定时/计数方式，将M1M0设为01即可，其它特性与工作方式0相同

(3) 工作方式2

通常这种式作方式用于波特率发生器，用于这种用途时，定时器就是为了提供一个时间基准。计数溢出后重新装入预置数，再开始计数，而且中间不要任何延迟。

(4) 工作方式3

这种式作方式之下，定时/计数器0被拆成2个的定时/计数器来用。其中，TL0可以构成8位的定时器或计数器的工作方式，而TH0则只能作为定时器来用。我们知道作定时、计数器来用，需要控制，计满后溢出需要有溢出标记，T0被分成两个来用。一般情况处，只有在T1以工作方式2运行（当作波特率发生器使用）时，才让T0工作于方式3的。

本系统实际使用中，采用了工作方式1，对信号灯进行定时。

5.2.3 语言的选择

单片机的编程语言有汇编和C语言两种，本系统选择了C语言。使用汇编的麻烦在于它的可读性和可维护性特别差，当程序没有很好的标注的时候代码的可重用性也比较低。如果使用C 的话可以很好的解决这些问题。用C 编写的程序，因其C 语言具有很好的结构性和模块化，更便于阅读和容易维护。而且由于各模块用C 语言编写的程序有很好的可移植性，功能化的代码能够很方便的从一个工程移植到另一个工程，从而减少了开发时间。用C 编写程序比汇编编写程序更符合人们的思考习惯，开发者可以更专心的考虑算法，而不是考虑一些细节问题。这样，就减少了开发和调试的时间。使用像C 这样的语言，使程序员不必十分熟悉处理器的运算过程，这就意味着对新的处理器也能很快上手，而不必知道处理器的具体内部结构。这样就使得用C 编写的程序比汇编程序有更好的可移植性，并且很多处理器都支持C 编译器。

5.2.4 程序设计

考虑到本系统有键盘输入数据调试功能。所以，把程序分为一个主程序和一个中断服务程序。中断服务程序为键盘中断。

33

重庆大学工程硕士学位论文 5 智能交通信号控制系统设计

(1) 主程序设计

主程序流程图5.3所示：

图5.3 主程序流程图 Figure 5.3 Flow of Programme

主程序采用了多时段定周期控制，节假日和平时时段不同；在每天的高峰期和低峰期不同。主程序完成对时段、方案、灯色等计算和处理。

(2) 中断服务程序设计

由于城市交通的建设，各个路口的车辆通行量随着道路的建设，会有一定的

变化，所以及时的调整周期数据是必要的[31]。因此，通过键盘调试功能就可以把新的路口数据输入单片机，从而及时改变该路口信号灯的周期时间、绿灯时间、

34

重庆大学工程硕士学位论文 5 智能交通信号控制系统设计

相位等，以符合该路口新的交通通行状况。

键盘中断服务程序流程图如下：

压栈 是否有键按下否退出 是

图5.4 键盘中断服务程序流程图 Figure 5.4 Flow of Keyboard Interrupt Control

取键值，置按键标志 键盘中断服务程序采用了查询方式，检测是否有键按下，有则记录下键值标志。

(3) 主要控制程序

信号灯布局示意图如图5.5所示。

图5.5 信号灯布局示意图 Figure 5.5 Control of Signal Lamp

35

重庆大学工程硕士学位论文 5 智能交通信号控制系统设计

① 高峰时段控制表 1---22秒 22—25秒 25—32秒 32—35秒 35—92秒 92—95秒 95—127秒 127—130秒

信号灯1 黄 黄 黄 黄 信号灯2 黄 红 红 红 黄 黄 信号灯3 黄 黄 黄 黄 信号灯4 红 黄 绿 黄 红 红 红 红 ② 平峰时段控制表 1---12秒 12—15秒 15—22秒 22—25秒 25—77秒 77—80秒 80—102秒 102—105秒

信号灯1 黄 黄 黄 黄 信号灯2 黄 红 红 红 黄 黄 信号灯3 黄 黄 黄 黄 信号灯4 红 黄 绿 黄 红 红 红 红 ③ 主要程序

该程序采用8255控制信号灯。程序可以通用，只需改变初值即可。

#include #include #define uchar unsigned char

#define COM8255 XBYTE[0x007f] /*8255命令口地址*/ #define PA8255 XBYTE[0x007c] /*定义A口*/ #define PB8255 XBYTE[0x007d] /*定义B口*/

36

重庆大学工程硕士学位论文 5 智能交通信号控制系统设计

#define PC8255 XBYTE[0x007e] /*定义C口*/ void main(void){ int count1; int count2;

TMOD=0x01; /*定时器0方式1*/ TR0=1; /*启动T0*/ For(;;){

TH0=COUNT1 /*TL0=COUNT2

Do {}while(!TF0) TF0=0}} /*

装载初值，初值由前面公式算出*/ /*查询等待TF0*/ 软件清TF0*/

37

重庆大学工程硕士学位论文 6 平面交叉口信号控制评价

6 平面交叉口信号控制评价

6.1 评价指标

交通信号控制的作用，就是利用交通信号为相互冲突的车流、人流分配通行权，确保交通安全和通畅。纵观国内、国外在平面交叉口设置交通信号控制的依据，主要的都是看平面交叉口交通的繁忙程度、混乱程度和事故多少，因此，对平面交叉口信号控制评价也基于这几方面的因素，根据其主要影响因素，可以选取了下列指标，建立了信号控制评价体系结构。如图6.1。

图6.1 信号控制评价指标体系结构

Figure 6.1 Structure of Estimate Target with Signal Control

由图可以看出，交通信号控制评价由能力评价和安全评价共同组成。能力评价和安全评价由各种不同指标构成，各指标标定如下所述[33]。

① 最大通行量：最大通行量是在实际的道路条件、交通条件和控制条件下，在一定时间内通过进口道停车线的最大车辆数，通常是在交叉口过饱和条件下（即交叉口各向均有排除时）测得。

② 平均排队长度（平均排队车辆数）

排队长度是指滞留于交叉口停车线后的车队长度。单个相位的排队长度出现于绿灯启亮的瞬间，交叉口的平均排队长度是指在评价指定时间T内，各相位平均排队长度之和，即

38

重庆大学工程硕士学位论文 6 平面交叉口信号控制评价

L=∑Ii=∑Ni×l

i=1

i=1

nn

式中：L－i相位平均排队长度

Ni－i相位平均排队车辆数

l－车辆平均占用长度

③ 平均延误

延误是指由于道路与环境条件，交通干扰以及交通管理与控制设施等驾驶员无法控制的因素而引起的行程时间损失，以秒/辆表示，是反映了驾驶员不舒适、受阻、油料消耗和行驶时间损失的指标，以评价期内所有车的平均延误来表达。可以现场测定，也可以由一些方法估算。

④ 事故总量指标

事故总量指标由事故次数、死亡人数、受伤人数、直接经济损失四项指标构成，在我国的交通安全管理中沿用至今。这一绝对量指标能很好的反应平面交叉口交通事故的总体规模和危害程度，在信号控制评价指标体系中，控制前后的绝对量比值，可以较好的衡量交叉口的安全改善程度。

⑤交通冲突数

由于事故的稀有性和随机性，用事故总量指标导致评价周期过长或导致评价结果不可靠。并且，事故统计管理也对安全评价存在一定程度影响，为了弥补事故总量指标的不足，在评价体系中引入了交通冲突数这个指标。

交通冲突技术（Traffic Conflict Technique）：它是国际交通安全领域新开发的非事故统计评价方法。利用交通冲突所具备的大样本、短周期、小区域、高信度的统计学优势，用定量测定准事故（事故苗头）的方法代替传统事故统计方法，实现小区域地点的快速评价[34]。

6.2 评价方法

平面交叉口信号控制评价体系是一个多目标、多层次的结构，在作一些简单、粗略的评价时，可以采用关心的单项指标来进行以减少工作量，在评价其总体运行质量时，可以采用加权的方式来建立广义价值评价函数。

通过对上述评价指标的分析可以知道，除交通事故总量指标外，其余指标的绝对量价值标定是有意义的，而交通事故总量指标的绝对量对单个交叉口的评价来讲，并不是具备多大意义，并且无法用价值准确标定，而它的相对变化量可以比较准确的反映交通事故的长期变化程度，而且也可以用价值较为准确标定。所以，在对交叉口信号控制运行评价时，我们采用了多重的广义价值评价函数。即交叉口基本运行质量评价和交叉口对比运行质量评价。

39

重庆大学工程硕士学位论文 6 平面交叉口信号控制评价

交叉口基本运行质量评价的广义价值函数为：

V=∑pisi

式中：V－表示交叉口基本运行质量的总价值，V值越大，运行质量越优；

pi－交叉口单项评价指标的权重 ∑pi=1；

Si－单项评价指标对应的价值。

权重pi根据两方面的因素确定，一是单项指标对交叉口总体运行质量的影响程度，二是对单项指标的关心程度。单项评价指标的价值Si可以参考国内外相关指标评价标准等级确定。

在交叉口基本运行质量评价中，选取了除事故总量指标以外的所有指标，即最大通行量、平均排队长度、平均延误和交通冲突数，其中，最大通行量用效率系数表示。

效率系数E＝实际最大通行量/理想最大通行量。

这几项指标可以较为准确的反映交叉口基本运行质量，其指标对应的价值见表6.1[35]。

表6.1 单项指标评价标准及对应价值

Table 6.1 Estimate Standard and Value of Single Target

A B C D E 效率系数 >0.85 0.85～0.7 0.7～0.55 0.55～0.4 >0.4 平均排队长度（米） <30 平均延误（秒/辆） 交通冲突数（次）

30～60 60～80 80～100 >100 ≤30 30～40 40～50 50～60 >60 ≤1637 1637～1975

1975～2513

2513～2943 >2943 ≤60

对应价值 100～90 90～80 80～70 70～60

上表指标的对应价值是根据目前常用的等级划分来确定的，实际上，指标的价值不可能恰好与某个等级的标准值相吻合，而可能介于两个或多个等级之间，这时，指标对应的价值就需依靠交通工程师的经验来确定了。

交叉口基本运行价值评价可以较准确的评价交叉口的运行状态，要较为准确的评价交叉口运行质量改善程度，我们又建立了交叉口对比运行价值评价的函数。 D=∆V+∑mini

式中：D－交叉口运行质量改善价值；

∆V－交叉口基本运行改善价值； ∑mini－事故总量指标改善价值；

40

重庆大学工程硕士学位论文 6 平面交叉口信号控制评价

mi－四项指标改善相对的权重； ni－四项指标改善相对值对应的价值。

交叉口的对比运行质量价值函数由两部份组成，∆V越大，表示交叉口改善程度越优，∑mini越大，表示交叉口改善后的事故越少。

上述评价方法在对信号控制交叉口进行评价时，方法简单、可信度高，具有较强的实用性[36]。

41

重庆大学工程硕士学位论文 7 三种信号控制方式的对比分析

7 三种信号控制方式的对比分析

7.1 多参数逻辑运算控制方式的确定

利用多参数逻辑运算控制模式，我们对同一路口进行了实验。

(1) 检测器

在实验中，交通信息的检测依然利用了环形线圈。环形线圈检测器的位置埋设如图7.1所示。

图7.1 检测器埋设示意图 Figure 7.1 Location of Detector

对比感应控制方式，增加了检测器L2、L5、L8、L9和人行过街按钮L3和L6。

(2) 阶段设计

仍然沿用多时段定周期控制和感应控制方式的设计顺序，只是在阶段流程中增加了一个全红阶段，如图7.2示：

DCAGF123DBBADD全红E4F5图7.2 阶段设计图 Figure 7.2 Design of Phase

42

重庆大学工程硕士学位论文 7 三种信号控制方式的对比分析

(3) 检测器类型的定义和表达的交通含意

L1：连续型。连续时间设为3秒，完成左转需求检测，即有车左转车道停车

线后停止3秒即被视作有左转需求。

L2：连续型。连续时间设为4秒，完成堵塞检测，即该出口任一车道有车停

止4秒以上即视为该出口堵塞。

L3：人行按钮。经专门设计，在有人按人行按钮即保持输出，利用人行信号灯信号转换复位。

L4：同L1

L5：同L2 L6：同L3

L7：断续型。在检测期内有车通过该需求时，即被视为有效需求。 L8：同L2

L9：断续型。检测左转车流是否存在，在检测期内有车通过该需求时，即被视为有效需求。

L10：同L9

(4) 各阶段的多参数逻辑运算表达式

阶段1：逻辑运算表达式为(L1+L9)×L5

表达的交通含义为：相位C有左转需求（左转车在停车线后停车3秒以上，L1），左转出口无堵塞（L5），并连续有左转车流通过（L9），该阶段有效，保持运行，不满足上述任一项，该阶段跳过进入下一阶段。 阶段2：逻辑运算表达式为L3+L6

表达的交通含义为：道路有行人需求（L3，L6），则阶段有效，保持运行；若没有，该阶段跳过进入下一阶段。 阶段3：逻辑运算表达式为L2×L7

表达的交通含义为：相位B有需求且连续有车通过（L7），出口无堵塞（L2），则该阶段有效，保持运行；若不满足，该阶段跳过进入下一阶段。 阶段4：逻辑运算为(L4+L10)×L8

表达的交通含义同阶段1。

阶段5：逻辑运算式为L8×L2×L5

表达的交通含义为：若3个方向出口均堵塞，则该阶段运行，若任一出口不堵塞，该阶段跳回阶段1。

如此往复，形成一闭环控制。

所有阶段的最大绿灯时间都沿用定周期控制方式下高峰时段的绿灯时间配时

[37]

。

43

重庆大学工程硕士学位论文 7 三种信号控制方式的对比分析

7.2 几种实验数据比较

在实验中，对三种不同信号控制方式（多时段周期控制、感应控制、多参数逻辑运算模式）进行了比较，三种控制方式阶段流程设计完全相同。比较结果如下：

(1) 周期

周期多参数逻辑运算模式感应控制方式多时段定周期方式TmaxTavTmin1011121314151617181920时间Tmin:各阶段最小绿灯时间构成的周期 Tmax:高峰时段周期 TAV：平峰时段周期

图7.3 三种控制方式的周期变化示意图

Figure 7.3 Periodic Transformation of Three Control Mode

交通需求时间周期响应图7.4 交通需求与周期关系图

Figure 7.4 Relation of Traffic Demand and Period Response

由图7.3可以看出，在多时段定周期的周期在全部控制时间内就处于两种状态，即高峰时段周期和平峰时段周期。感应控制方式下周期在高峰时段周期和由

44

重庆大学工程硕士学位论文 7 三种信号控制方式的对比分析

各阶段最小绿灯时间构成的周期区间之内随机变化，而多参数逻辑运算控制模式由于每阶段没有最小绿灯时间，所以周期时间可以是0（即保持一种灯色不变），它的变化和通过交叉口的交通量成正相关关系。由于设有最大绿灯时间，在交叉口过饱和情况下，它的周期就变为了定周期控制方式下的高峰时段周期。如图7.4。

(2) 行人过街最长等待时间

同样，行人过街最长等待时间也符合周期时间的规律。

(3) 几种关键指标的比较

在交叉口交通处于非饱和的平峰时段下，得到了如下数据：

大坪→科园一路（左

转）

定周期

平均延误 （秒/辆） 最大排队数（辆） 平均排队数（辆） 最大延误(秒)

感应

多参数

定周期

科园一路→石桥铺（左

转） 感应

多参数

定周期

感应

多参数

石桥铺→大坪

45 40 31 41 35 22 35 30 11 15 14 10 17 13 8 9 7 5 9.8 7.2 3.1 11.5 8.3 4.2 8.1 5.3 2.5 90 81 65 80 75 57 40 37 29

由表中四项指标的比较中可以看出：感应控制方式优于多时段定周期控制，而多参数逻辑运算控制模式比感应控制方式更优越，这种效果在交叉口流量较小的情况下表现得更突出。基于多参数逻辑表达式的运算，控制机能够更好的判别路口实际交通状况，是一种智能化程度更高的控制模式。

多参数逻辑运算模式的核心是多参数逻辑运算表达式，它从检测器得到交叉口各种交通行为的数据。这些检测器位于交叉口设计需要的位置，实时向控制机发回所检测的数据，控制机在对检测的数据进行了有效的定义和预处理后，通过逻辑表达式的运算去进行交通信号控制参数的优化（阶段时间、周期）。由于检测器的检测总是根据交叉口实际的交通条件，不断地更新各种交通数据，所以该模式总能保证最优化的信号配时，由于在检测数据中定义了意外事件，所以，即使在有意外事件发生而干扰正常行车时，信号配时仍能保持最优值，能将交叉口的

45

重庆大学工程硕士学位论文 7 三种信号控制方式的对比分析

利用率达到最大、延误和停车减到最小。

在多参数逻辑运算模式投入运行中，阶段的初始配时（最大绿灯时间）其实是件非常简单的事，既可以按路口最大通行能力作理论计算，也可用实际统计流量进行估算，甚至可以按交叉口的类型和用途，由交通工程师简单人为确定。无需对路口交通流量作大规模统计调查，因为多参数逻辑运算控制模式可以按路口实际交通进行配时实时自动优化，这是该模式和传统的交叉口信号控制（多时段定周期控制、感应控制）方式的最大区别，传统的交叉口信号控制是通过调用预置的最佳方案以适应当前的交通状况，一旦交通条件、交通状况等发生变化，原先的方案就可能老化过时，从而需要重新设置新的方案。为此，需要重新投资，进行频繁的、周期性的交通状况调查，不断地更新方案。由于多参数逻辑运算模式能够准确反应交叉口的交通特性，因而无需这种周期性的调整，即使需要增减表达交叉口交通特征的交通检测参数或修改逻辑表达式。这种增减和修改都是简单的[38]。

46

重庆大学工程硕士学位论文 8 结论与成果

8 结论与成果

城市交通的科学化、现代化管理是综合解决城市道路交通问题的关键，而交通管理的科学化是使现有交通基础设施得到最有效利用的基本前提，交通信号控制技术作为一种强有力的技术手段，随着现在经济的高速发展，交通需求的迅速增长与交通基础设施缓慢变化的供需不平衡的矛盾日趋尖锐，在我国越来越受到广泛的关注和重视。虽然我国在这项技术的开展上起步较晚，但经过我国科技工作者的呕心沥血的研究，现在也取得了长足的进步。作为干线协制区域进行实时优化控制的基础，平面交叉路口的信号控制技术的改进和开发，总能不断引起交通工程师的兴趣，并已经成为交通信号控制技术中的一个重要课题。

8.1 主要结论

本文结合作者多年从事交通信号控制机研制的实际，也对交通信号控制进行了更为深入地研究。主要结论如下：

其解决的关(1) 平面交叉路口的交通问题其实就是交叉路口交通冲突的问题，

键也是如何减少和消除这种交通冲突，信号控制技术作为一种时分冲突的解决办法，有其应用的必然性和合理性。

在实际中应根(2) 平面交叉路口的交通冲突点分析是信号控制的基础和前提，据冲突双方的相对速度、发生事故的可能性和危险性大小来分别考虑。

阐明了传统的停车线法是一种落(3) 通过对信号控制路口交通流特性的分析，

后的研究方法，但同时该法的研究结果对实际交通信号控制又具有较强的指导意义。

阶段设计有自身固有的(4) 相位阶段设计的好坏直接影响到控制方案的效果，原则。

多时段定周期控制方案由于控制方案的设计基础(5) 在实际交通信号控制中，

是对交叉路口交通流的统计结果，所以应用显得单调、呆板，不适应交叉路口交通流的变化；感应控制方式比定周期方式具有更高效率，但由于其检测参数的单一和自身优化算法的，阻碍了控制效率的进一步提高。

要实现平面交叉路口高(6) 平面交叉路口的交通特征是由众多交通信息构成，

效的实时优化控制，必须综合利用能够代表交叉路口交通特征是关键交通信息。这些代表交叉路口交通特征的关键信息参数的逻辑运算式可以准确的表达交叉路口的实际交通情况，用它来指导平面交叉路口的实时优化控制，是一条简单、有效的途径。

47

重庆大学工程硕士学位论文 8 结论与成果

8.2 主要成果

(1) 本文通过对信号控制路口的分析，提出了一种更接近于交通管理实际的信号控制方式，即多参数逻辑运算控制模式，并对该模式进行了详细的阐述，给出了相关的模型和控制算法，并证明了优化模型结构清晰、过程合理，优化算法简明、有效，具有较高的实用价值。

(2) 基于多参数逻辑运算控制模式的研究，完成了控制软件的编制，并设计制造出控制机产品，经实验使用证明，达到了设计要求，并开始了实用化的运用。

8.3 课题的延伸

(1) 本文的研究体现了理论和实际的结合，其研究结果也得到了实践的证明。但是，在三种控制方式的比较实验中，由于实验环境因实验时间的不同而不完全一致，其结果的比较也只是定性的评价三种方式的优劣，要定量评价，还需要通过计算机的仿真设计使它们工作于完全一样的交通环境。

(2) 在实际应用中，多参数逻辑运算控制模式的运行完全依赖于检测器的输出，检测器的故障将使模式错误运行不可避免。在下一步的研究中，应使控制机可以根据自身的统计而生成检测参数缺省值，降低模式运行对检测输入的完全依赖性，使控制机在检测器有故障时也可保证较高的正常工作率。

(3) 由于条件的，在实验中检测器仅使用了环形线圈，还应更多的进行使用不同传感器的实验，扩大控制机的应用领域，如公交优先、紧急车辆控制等。

(4) 相邻路口的多参数逻辑运算控制模式的相关性还有待于进一步的研究。 当然，由于作者水平有限，文中肯定有不少的疏漏和不足之处，敬请各位专家、同行指正。

48

重庆大学工程硕士学位论文 致 谢

致 谢

本文的研究工作是在我的导师李志敏副教授的精心指导和悉心关怀下完成的，我的论文撰写没有导师的指导和关心是不可能得以顺利完成。在这四年多的学业和论文的研究工作中无不倾注着老师的心血和辛勤的汗水，老师的严谨的治学态度、渊博的知识、无私的奉献精神使我深受启迪。从尊敬的老师身上，我不仅学到了扎实、宽广的专业知识，也学到了做人的道理。在此，向我的导师致以最衷心的感谢和深深的敬意。

在系统研制、开发及论文撰写的过程中，我得到了重庆市易博数字技术有限公司同仁薛平同志的大力支持和帮助，在此深表谢意！

在这四年多的学习和研究工作中，也得到了光电工程学院的许多老师及同学和师兄弟们的关心和热心帮助，在此向他们表示由衷的感谢！

最后，衷心感谢在百忙中评阅论文和参加答辩的各位专家、教授和同学!

汪 然

二OO六年四月

49

重庆大学工程硕士学位论文 参考文献

参 考 文 献

[1] 陆化普 编著，城市交通现代化管理，人民交通出版社，1999年

[2] Bretherton.R.D, G.I.Rai, The use of Scoot in low Flow conditions, Traffic Engineering And

Control, Vol.23,No.12 1982

[3] 李江, 傅晓光, 李作敏 著. 现代道路交通管理，人民交通出版社，2000年

[4] Develop Technology of Traffic Controller(3rd year) and Detector Development Report, Road &

Transportation Safety Association. 1993年

[5] Development of Traffic Signal Control System Research Service 2nd year Final Report in Seoul

Road & Transportation Safety Association. 1992

[6] 徐吉谦 主编，交通工程总论，人民交通出版社，1998年 [7] 冯挚 编著，城市交通管理学，群众出版社，1990年

[8] [瑞典]克利斯特·海顿 著，张苏 译，交通冲突技术，西南交通大学出版社，1994年 [9] 美国交通委员会 编，任福田 译，道路通行能力手册，中国建筑工业出版社

[10] [美]威廉·瑞莱, 唐纳德·开普里 著，中国公路学会交通工程学会 编译，道路与交叉口的通

行能力，中国公路学会交通工程学会. 1987年

[11] Brian Wolshon, William C.Taylor, Analysis of intersection delay under real-time adaptive signal

control, Transportation Research Part C 33/1999

[12] Paolo Ferrari, A model of urban transport management, Transportation Research, Part B 33/

1999

[13] Klein, Lawrence, Vehicle Detector Technologies for Traffic Management [14] 陈汝尤，无交叉口冲突点交通流系统研究，公路交通科技，1996/3 [15] 全永燊编著，城市交通控制，人民交通出版社，19年 [16] 杨佩昆, 张树升编，交通管理与控制，人民交通出版社，1995年 [17] 陈洪仁, 主编，道路交叉设计，人民交通出版社，1991年 [18] 荆便顺编著，道路交通控制工程，人民交通出版社，1995年

[19] [苏]B·Ф·巴布可夫主编，祁振庆 译，道路条件与交通组织，中国建筑工业出版社，1983

年

[20] 刘小明, 段海林. 平面交叉口交通冲突概率分布模型及安全评价标准研究，交通工程，

1997/1

[21] 曾静康，交通信号控制规划与设计，城市交通管理，1985/5

[22] Awadallah, Faisal, Theoretical Approach for Minimizing Expressway Peak Period Delays at

Urban locations, Urban Transport and the ⅡComputational Mechanics Publications, UK,

50

重庆大学工程硕士学位论文 参考文献

1996

[23] SIEMENS UTC handbook, Operator handbook for an STCL UTC system, SCOOT user Guide

1999

[24] [美] W·S·Homburger、J·H·Kell著，任福田, 全永燊等译，交通工程基础，中国建筑工业出

版社，1990年

[25] 李正宜, 张维全, 曾静康 编著，道路交通工程，重庆大学出版社，1992年 [26] 段里仁 主编，道路交通自动控制，中国人民大学出版社，1990年 [27] 朱永明 主编，简明交通工程学，人民交通出版社，1996年 [28] 阎石 编，数字电子技术基础，高等教育出版社，1995年 [29] 童诗白 编，模拟电子技术基础，高等教育出版社，1995年

[30] Fullerton.I.J and J.H.Kell Traffic control Devices Handbook, JHK & Associates [31] Carlos.F,Dagazo,Logistics Systems analysis New York: Springer Verlag,1996 [32] 张春平、景天然，城市道路交叉口安全评价研究，同济大学学报，1994/1

[33] H.M.Zhang, Analyses of the stability and wave properties of a new continuum traffic theory,

Transportation Research Part B 33 /1999

[34] Chul－hung Do, Analysis of intersection Capacity According to Through & left signal

sequence and signal Timing Research, Journal of Korea Transportation Research society Vol.3, No.3 1983

[35] Fujii, S.; Iida, Y., Uchida, T. Dynamic traffic simulation to evaluate vealuate vehicle navigation

systems, Vehicle Navigation and Information Systems Conference, Page(s):239 – 244, 31 Aug.-2 Sept. 1994

[36] Traffic Surveillance and Detection Technology Development, Sensor Development Find Report,

JPL Publication 97-10 FHWA, Washington D.C. 1997

[37] Jyh-Ching Juang,Yi-Hsien Chiang. Predictive control of a hyteretic model-with applications

to intelligent transportation system, Intelligent Transportation Systems, Volume 1. Page(s):814 -818 vol.1 2003

[38] Aoyama, K.-I. , Universal traffic management system (UTMS) in Japan, Vehicle Navigation and

Information Systems Conference, Page(s):619 – 622,31 Aug.-2 Sept. 1994

51

智能交通信号控制系统的研究与开发

作者：

学位授予单位：

汪然重庆大学

1. 徐俊斌 城市智能交通信号控制的研究[学位论文]20052. 肖业伟 城市智能交通信号控制系统的研究[学位论文]20043. 徐森金 城市智能交通信号控制平台设计与实现[学位论文]20074. 石宇航 智能交通信号控制机[学位论文]2008

5. 道路交通信号控制机[期刊论文]-技术与市场（上半月）2008(8)

引用本文格式：汪然 智能交通信号控制系统的研究与开发[学位论文]硕士 2006