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"2004 海峡两岸智能运输系统学术会议城市交通信号控制方法研究综述裴玉龙 1，刘广萍 2(1.哈尔滨工业大学 交通科学与工程学院，哈尔滨 150090；2.哈尔滨工业大学 电气工程及自动化学院，哈尔滨 150001）摘 要：本文对城市交通信号控制方法进行了分类，并对每类方法的研究状况进行了综述，在此基础上归纳出了研究动态；并基于 ITS 背景，指出研究交通信号控制方法应考虑的问题。关键词：交通；控制；信号城市交通控制主要研究内容是对城市交通信号控制的研究[1] [2]。研究怎样根据历史的或检测到" |
"的交通数据确定出最佳的信号控制参数，是交通信号控制重要的研究内容。对此问题的研究成果主" |
"要体现在交通信号控制方法上。本文首先对交通信号控制方进行分类，然后对每类方法的研究状况" |
"进行阐述，最后，指出 ITS 背景下的信号控制方法研究应考虑的问题。1 交通信号控制方法研究概况通过对国内外相关文献的分析综合，就会发现，对交通信号控制的研究是非常广泛的。本文根" |
"据信号控制方法的特点，将其分为三种方法类型：定时控制、感应控制和自适应控制；若从交叉口" |
"处各股车流或车流组的通行权组合方式的角度看，本文将其归纳为基于信号相位的控制方法和基于" |
"信号组的控制方法；从控制方法适应的交通状态的角度，本文将其归纳为适应于非拥挤交通状态的" |
"信号控制方法和针对拥挤交通状态研究的控制方法；若从采用的理论上看，还有基于智能控制理论" |
"的信号控制方法等。下面就从以上方面对交通信号控制方法进行综述。" |
"1.1 定时控制交通信号定时控制方法是根据历史数据，对一天中的某一给定时间对每一车流用恰当的优化算法离线计算信号控制参数，然后将计算出的信号控制参数设置到信号机中，对交通流进行调控。单点定时控制需要确定的信号控制参数主要是信号周期时长与绿信比。确定配时参数的方法" |
"大部分是在英国 TRRL（Transport and Road Research laboratory）方法的基础上加以改进而形成的" |
"[3] [4]。TRRL 方法是将延误作为交通效益指标，是以 Webster 的定时信号交叉口车辆总延误公式" |
"为目标函数，确定信号周期，使目标函数的值最小，这样得到的信号周期称为最佳周期。推导出" |
"的最佳周期公式是c0=5L" |
"5.1" |
"1" |
"−+" |
"Y（1）式中0c ——最佳信号周期时长，单位：s；L ——周期损失时间，单位：s；Y ——交叉口流量比。" |
"信号周期内绿灯时间的分配大致与相位的交通流量成比例。" |
"定时控制 ARRB 方法是在 TRRL 公式的基础上加以改进提出的。由于 Webster 的延误公式，在" |
"交叉口饱和度接近 1 时，计算的延误值不准，饱和度越接近于 1，计算的误差越大，更无法计算过" |
"饱和交通条件下的延误。澳大利亚学者 R.阿克塞立科考虑了过饱和交通情况，修改了 Webster 的延" |
"误公式，同时考虑了停车因素，又把优化周期时间的指标改为油耗，而把油耗作成延误与停车的函" |
"数。得出的最佳周期时间为：1692004 海峡两岸智能运输系统学术会议+6（2）4.1(c 0=+" |
"-1Lk" |
")" |
"Y其中 k 可按不同优化要求，取不同的值。如要求油耗最小时，取 0.4；消费（包括延误、时间损失等）最小时，取 0.2；延误最小时，取 0。有名的单点信号定时控制方法是 SIGSET 和 SIGCAP，是由 Allsop（1971，1976）提出的，是在" |
"给定相位的情况下，以 1958 年 Webster 的非饱和交通条件下的非线性总延误公式做为目标函数，利" |
"用线性规划方法，求出最优的绿信比和周期时间，使交叉口的总延误最小或使交叉口通行能力达到" |
"最大[1] [5] [6] [ 3]。有名的“线控”定时方法是 MAXBAND 和 PASSER II(Progression Analysis and Signal System" |
"Evaluation Roution Model II)。它们能提供优化后的相位差、绿信比、周期长和左转相序。MAXBAND" |
"的第一个版本是 Little 在 1966 年开发的，随后由 Cartner 等人对 MAXBAND 进行了进一步的发展和" |
"完善。MAXBAND 所用的优化算法的依据是 Little 建立的混合整数规划模型。Cartner 在 1991 年提出了 MULTIBAND 方法。MULTIBAND 能计算沿干道的各信号交叉口间不" |
"同的绿波带。各绿波带的宽度与相应路段上的交通量相适应。Stamatiadis and Cartner 在 1996 年提出" |
"了多带宽的 MULTIBAND 的交通网络版本。并在 2000 年提出了用优化树的方法来解决网络版本计" |
"算量大的问题 [7] [6]。有名的“面控”定时控制方法是 TRANSYT，它是区域控制系统信号控制方法的" |
"一套计算程序。TRANSYT 是由英国的 Dennis Roberson 在 1967 年首先开发出来的。TRANSYT 问世" |
"以来，随着交通工程的实践，得到了不断地改进和完善，到 1980 年已经修改了 8 次，英国的型号为" |
"TRANSYT 8。美国在英国的 TRANSYT7 的基础上改进为 TRANSYT-7F。TRANSYT-7F 的第一个版" |
"本是由佛罗里达大学交通运输研究中心 TRC（Transportation Research Center）在 1981 年开发的，目" |
"前 TRANSYT-7F 最新版本是 8.1[8]。TRANSYT 主要有两个模型组成：交通仿真模型和信号优化模型。在交通仿真模型中，TRANSYT" |
"对交通网络中的车流运行状况进行仿真，并且车流在信号交叉口之间的连线上的运行考虑了车队的" |
"离散特性。以网络内的总行车油耗或总延误时间及停车次数的线性加权组合作为网络的性能指标 PI" |
"（Performance Index）。信号优化模型以 PI 为优化目标，通过调整信号配时参数，采用优化变量小步" |
"距变化，即“爬山法”优化算法，产生较初始配时参数更为优越的新的配时参数；把新的配时参数再" |
"送入交通仿真模型，反复迭代，直到 PI 达到最小。输出此时的配时参数，即为系统的最佳配时参数" |
"[8] [9] [6]。定时控制的主要优点是系统实施和维护费用低。但由于定时控制方法确定的信号配时参数" |
"是根据历史交通数据得到的，因此，当道路网、交通需求等发生变化后，原来的最佳配时方案也就“老" |
"化”了。由于交通需求总是在不断变化，而需求的变化导致配时参数的老化，最终导致控制效果的下" |
"降。定时控制方法没有实时考虑交通流变化的影响，属于开环控制。" |
"1.2 感应控制交通信号感应控制方法是利用设置于交叉口进口道上游检测器提供的实时交通数据来决策红绿" |
"信号的持续时间。感应控制的基本思想是基于寻找车辆到达的间隙来决定当前的绿时是延长还是终" |
"止[1]。以两相位的信号交叉口感应控制为例说明其控制原理如下：当某一信号相位开始启亮绿灯，" |
"则感应信号控制器内预设一个“初始绿灯时间（ isG ，秒）。当初始绿灯时间结束时，再增加一个预置" |
"的时间间隔（一般为一个“单位绿灯时间”），在此时间间隔内，若没有后续车辆到达，则立即更换相" |
"位；若检测器检测到有后续车辆到达，则每检测到一辆车，就从检测到车辆的时刻起，相位绿灯延" |
"长一个“单位绿灯时间（ ioG ，秒）” ，绿灯一直可以延长到一个预置的“最大绿灯时间（ max" |
"iG ，秒）”。当相位绿灯时间延长到最大值时，即使检测器仍然检测到有来车，也要中断这个相位的通行权，转" |
"iG ，秒）为“初始绿灯时间”与“单位绿灯延长时间” 之和，换信号相位。若定义最小绿灯时间（ min则在感应控制下，各相位的绿灯时间大于或等于最小绿灯时间，而小于或等于最大绿灯时间。由上可知，感应控制所需确定的信号控制参数有：各相位的最小绿灯时间（ miniG ）、最大绿灯1702004 海峡两岸智能运输系统学术会议时间（ maxiG ）、单位绿灯延长时间（ ioG ）等。感应控制中的最小绿灯时间（ miniG ）的确定要考虑检测器的设置位置以及车辆行人通过交叉口的时间；最大绿灯时间（ maxiG ）的确定一般是按定时控制方法中的最佳周期公式以及按各进口道的流量分配绿信比的方法来确定；而单位延长时" |
"间（ ioG ）的确定则要考虑到进口道处的车辆行驶速度、检测器的设置位置等因素。感应控制在一定程度上适应了交通需求的变化，比定时控制有一定的优越性，尤其在交通流量" |
"随机波动较大的交叉口，感应控制会有很好的控制效果。由于感应控制算法中没有优化过程，因为" |
"当一个相位延长绿灯的同时必然延长了冲突相位的红灯时间。一味延长某一相位的绿灯时间是否合" |
"算，感应控制没有考虑，而且当交通量达到一定程度时就变成了定时控制[10]。因此，对感应控制方" |
"法进行了进一步的研究，出现了交通信号的自适应控制方法。" |
"1.3 自适应控制广义上说，自适应方法是指能根据交通需求的变化而调整信号控制参数的信号控制方法，如此，" |
"感应控制也可归为自适应控制。但本文没有将感应控制归为自适应控制。自适应控制与感应控制的" |
"本质区别在于它用一个“目标”来估计相应于这一目标的控制性能。也就是说自适应具有优化过程，" |
"而且自适应控制能根据交通需求的变化来实时调整信号配时参数。自适应控制属于闭环控制。著名的自适应控制方法象 TOL（Traffic Optimization logic）、OPAC(Optimized Policies for Adaptive" |
"Control)、MOVA(Modernised Optimized Vehicle Actuation)、SAST(Stepwise Adjustment of Signal" |
"Timing), SCOOT (Hunt,et al.,1982)，SCATS (Lowrie,1982),RHODES(Head et al,2001)等等都在实际中得" |
"到了应用，并取得了较好的控制效果。从决策信号控制参数过程的角度看，这些方法又可分成两类，一类是采用二进制选择过程来决策信号参数；另一类是采用信号序列过程决策信号参数[12]。" |
"1.3.1 二进制选择方法(Binary Choice Approach)在这种方法中，时间被分成了连续的小的时间间隔。在每一个间隔内，做出是延长还是终止当" |
"前绿时的决定。信号控制参数的调整部分或全部的根据延长一个间隔所得效益与所失效益的权衡。" |
"除了 OPAC、RHODES、SPPORT，上面提到的其它方法都是基于这种思调整信号控制参数的。瑞典的 Báng 在 1976 年提出的 TOL 是二步选择方法的典型例子[10][13]。它用一个控制函数来估" |
"计延长当前绿时 h 秒与立即终止本相位绿时所得的净效益。在 TOL 中，只考虑了调整当前绿时的两" |
"个选择，一个是立即终止本相位绿时，另一个是继续延长本相位绿时。基于二进制选择方法、应用最为广泛的单点自适应控制方法当属 MOVA。MOVA 是英国 TRRL" |
"在 1982—1988 年开发的单点自适应控制方法。MOVA 方法是数学优化算法与启发式算法的有机结" |
"合。MOVA 在每个车道用了两个检测器。在绿灯开始后，给每个车道足够的绿灯来消散停车线和上" |
"游检测器之间的排队车辆。然后，检测通过检测器的车头时距来判断饱和流量是否降低。最后，用" |
"一个优化过程来决定是否延长当前绿时。优化过程基 Miller 算法。在 Miller 算法中，考虑了多种选" |
"择，将立即终止本相位绿时的效益与推迟本相位绿时 2、4、6、8、10 秒的效益做比较，也用了一个" |
"数学控制函数来估计推迟绿时和立即中断绿时的净效益。若净效益大于零，当前绿时就延长 2 秒，" |
"然后再用控制函数对下一个 2 秒进行同样的过程；否则，立即中断当前绿时。在建立控制函数时，" |
"假设了下一个红灯时间与前一个相位的红灯时间相同，这显然有点不合理。" |
"1.3.2 序列方法(Sequencing Approach)此种方法的代表是 OPAC。OPAC 是 Cartner 在 1983 年开发的实时自适应信号控制方法，至今一" |
"直处于不断发展完善中[14]：从做为信号控制研究分析用的离线程序，改进到适用于单点实时控制方" |
"法，再到适用于交通信号的协调控制方法。OPAC 采用的序列方法，试图确定未来相对长时间（如" |
"50-100 秒）内的信号最优配时序列，其优化过程是通过确定该时间段内交通信号的最优切换顺序来" |
"实现。信号切换顺序的评价基于性能指标进行。国外，曾经对定时控制、感应控制及自适应控制三" |
"类控制方法的控制效果进行了对比研究，研究结果如图 2 示意[12]：1712004 海峡两岸智能运输系统学术会议延" |
"误0定 时 控 制感 应 控 制自 适 应 控 制图 1 三类控制方法的比较交 通 量由图 1 可以看出不同类型方法的控制效果。感应控制方法在交通量比较小的情况下，控制效果最好；从整体上看，自适应控制方法的控制效果是最佳的。" |
"1.4 基于信号组的交通信号控制方法若信号相位数及其相序是事先确定好的，在控制过程中是固定不变的，这属于基于信号相位的" |
"交通信号控制方法。由于交通需求是随机变化的，而基于信号组的交通信号控制思想是应根据交通" |
"需求情况来调整相序，或者当有特殊交通需求时，能跳过一相，直接变化到另一个相位。交通信号组的概念在瑞典交通信号控制中广泛使用[11]。若把信号交叉口某一进口道上的具有" |
"相同行驶方向的车流称为一股车流，那么，该进口道一股或几股车流可做为一个或几个信号组。" |
"在基于信号相位的控制方法中，每个信号组属于至少一个相位，而相位事先依据某一原则排成一" |
"个固定的顺序，每一个相位都有一个最小绿时；而在基于信号组的控制中，没有定义相位，只有" |
"初始的相位图，控制可以从初始相位图生成任意的派生相位图来适应交通需求的变化，每一个信" |
"号组都有一个最小绿时。瑞典的 LHOVRA 是典型的基于信号组的单点交通信号控制方法，目前它是瑞典单点交通信号控" |
"制技术的标准[15]。瑞典国家道路管理局在 1979 年开始了旨在改进交叉口处的交通安全、减少延误的" |