城市道路交通控制技术

　　1.1传统的城市道路 交通控制 技术

　　城市道路交通控制领域的研究可以分为两大类:一类是交通控制理论的研究，另一类是交通工程 实践的研究。前者从系统工程理论、大系统理论及最优控制的角度出发，对城市道路交通这一典型的大系统进行研究;后者交通工程师的实践，是许多实际交通控制系统产生的重要基础。

　　1.1.1城市交通 控制理论

　　国外从二十世纪六十年代初期就己经开始对城市道路交通控制领的研究，发展到二十世纪七十年代，随着大系统理论和系统工程理论的现，城市区域交通控制有了一些大的发展。其中，W比ster(1958)Mllier(1963)分别针对固定周期的信号控制 建立了以车辆平均延误最小目标的信号配时模型及其计算方法，前者的方法仍然是今天定时信号控的基础。对于固定周期的信号优化，最著名的研究工作出自GazisPo(st1963)，他们最先对单向交通、无转向车流的交又路口的信号控制题进行了研究，建立了交通流的连续时间模型，并导出了最优化条件。后，Gazsi(1964)对由两个这样的交叉口构成的简单交通网络进行了优化究。后来许多学者的研究工作都是基于Gazis理论，并且将其扩展到由多交叉路口组成的交通网络。

　　由于交通检测技术的制约，在早期的交通模型中，因为缺乏实时的通流信息，所采用的控制策略不能完全适应交通流的动态变化。为了能适应交通流的动态变化特性，近几十年来，许多学者提出了不同的优化制方法，但这些方法大多都存在复杂的计算要求，并且缺乏路口之间交流的祸合模型。在这些研究中，snigh的工作较为突出，他首先运用大系统的观点和方法，将大系统递阶控制的目标协调法和Tam盯a的改形式应用于城市交通网络控制，建立了饱和交通流状态下的网络模型及两级分解控制算法。Singh建立的模型和两级控制算法原理简单、物理义清楚，然而存在两个主要问题:其一是优化变量仅为绿信比，没有对期和相位差进行优化;其二，模型中的约束方程为强不等式，优化处理需要梯度运算，计算量很大，难于用于实时控制。

　　沿着Sinhg的思路，一些学者做了改进性工作。Baras和Lveni。等运用随机过程理论进行了深入细致的研究，得到了一些新的研究成果，189]。B盯as和Levine构造的系统模型考虑因素全面、准确性较高，同时将网优化问题转化为典型的随机控制问题，为利用现有技术打下了基础。Bar模型的缺陷是:问题求解时依然面临计算量大和维数灾难的问题，同时为成熟的随机控制问题往往是建立在分离理论的基础之上，而由于交通题的特殊性，分离定理此时并不成立I’“〕。除以上两大类较有代表性的工作外，不少学者从其他方面做了探索性研究，取得了一定的阶段性成果。

　　国内学者对城市交通信号 优化控制技术也进行了大量的研究。其中，李立源等人(l993)研究了交叉路口的最优控制问题，建立了交通流的最优预测模型，提出了一种交叉路口的在线最优控制方法。黄辉先等人(2001)研究了单交叉口四相位控制方式下的信号控制问题，在当前周期的基础上实现了对下一周期交通流的预测和优化控制。上述两种方法仅仅考虑了单个周期的信号优化问题，而没有考虑整个控制周期内信号周期间的交通流藕合关系，因此严格地讲是一种静态的优化控制方法。万绪军等人(2001)研究了城市交通干线的信号优化问题，建立了以车辆延误最小为目标的相位差优化控制模型，但作者并未对模型的求解算法及控制效果做进一步的研究分析，而且对信号周期和绿信比未做任何优化。此外，国内学者刘智勇、史忠科、王炜、陈森发等人也从不同的角度对城市交通信号优化技术进行了研究。

　　以上这些研究成果各有千秋，虽然大多仅仅在理论上进行，且均有一定的局限性，但它们为交通控制实践提供了许多有益的新思想和新方法，推动着城市交通信号控制的不断发展。应该看到，尽管人们对城市交通信号优化与控制技术进行了长时间的研究和探索，并取得了一些积极的研究成果，但是，由于交通系统的复杂性，交通信号优化控制技术的发展远未完善，对于交通信号动态优化控制策略及其工程实现的研究仍然是当前交通控制工程领域研究的重要内容之一。

　　1.1.2城市交通控制系统

　　城市道路交通控制的另外一个发展方向，是出现了一些相对实用的交通控制系统，比较有代表性并且在交通实践中取得较好应用效果的有TRANSYT、SCOOT和SCATS等。

　　1)TRANSYT一交通网络研究工具TRANsYT(TrameNetworkstudyToolS)[2.6]是由英国道路研究所(TRRL)花费近十年时间研制而成的。自从1968年第一版问世以来，经历不断改进，己经发展成为先进的TRANSYT/9型。系统采用静态模式，绿信比与相位差为控制参数，优化方法为爬山法。TRANSYT是最成功静态系统，己被世界上400多个城市所采用，产生了显著的社会经济效该系统的不足之处是:计算量很大，很难获得整体最优的配时方案，需大量的路网几何尺寸和交通流数据的支撑。

　　2)scooT一绿信比、周期和相位差优化技术SCooT(SplitCyeleandosffetoptimizationTeehnique)[2’l是TRRLTRANSYT的基础上发展起来的一种交通网络实时协调控制的自适应控系统，于1979年投入使用。SCOOT仍采用了TRANSYT的交通模型，扬长避短，获得了明显优于静态系统的效果，是现今主流的城市交通控系统之一。SCOOT系统采用联机实时控制的动态模式，对周期、绿信与相位差进行控制，采用小步长渐进寻优方法。但SCOOT相位不能自增减，相序不能自动改变，现场安装调试时相当繁琐等不足是有待改进

　　3)SCATs一悉尼协调自适应交通系统

　　SCATS(sydneyeoordinatedAdaptiveTrarfi。system)[281是由澳大利Sims等人在二十世纪七十年代末期进行开发并于八十年代初投入使用城市交通控制系统。SCATS采用了分层递阶的控制结构，其控制中心备一台监控计算机和一台管理计算机，二者通过串行数据通讯线路相连。区级的计算机自动把各种数据送到管理计算机。监控计算机连续地监视有路口的信号运行和检测器的工作状况。地区主控制器用于分析路口控器送来的车流数据，确定控制策略，并对本区域各路口进行实时控制，时把收集到的所有数据送到控制中心作为运行记录并用于脱机分析。路控制器主要是采集分析检测器提供的交通数据，并传送到地区主控制器，同时接受地区主控制器的指令，控制本路口信号。SCATS采用地区级联控制、中央级联机与脱机同时进行的控制模式，以类饱和度综合流量最为系统目标，无实时交通模型，控制参数为绿信比、相位差和周期。SCAT作为一种先进的交通控制系统，在世界上许多城市的交通控制中起着重的作用，但同时存在以下缺点:没有实时交通模型，而是根据类饱和度综合流量从既定方案中选择信号控制参数，限制了控制参数的优化程度;选择相位差方案时，无车流实时信息反馈，可靠性低;无法检测到排队长度，难以消除拥挤等。

　　需要说明的是，虽然以上几种系统已经在实际中得到应用，并取得了一定的期望效果，但是这些系统所采用的方法或者是离线优化方式(TRANsYT)，不能适应交通流的动态变化，或者虽然是在线优化方式(SCATS)，但因无实时的交通流模型而导致优化程度较低。SCOOT虽然不存在这方面的问题，但是对于交通量接近饱和或者己经饱和的交通状态，控制效果并不理想。因此，有必要研究更加先进的交通控制系统以进一步适应城市交通对于信号控制的要求，而先进的信号优化控制理论是实现这一目的的前提条件。