第二章交通信号控制的基本理论

2交通信号控制的基本理论

本章首先给出了交通信号控制的基本概念，包括：信号相位，周期时长，绿信比，相位差，绿灯间隔时间，有效绿灯时间等，然后介绍了常用的交叉口性能指标以及计算方法，最后给出了常用交叉口的信号配时方法。这些研究为后面的信号配时模型及优化方法的研究奠定了理论基础。

2.1交通控制的基本概念

交叉路口信号配时参数优化，首先必须准确把握和理解交通控制中的一些基本概念。下面对信号配时设计中部分参数作一介绍。

(l)信号相位：在一个信号周期内，具有相同的信号灯色显示的一股或几股交通流的信号状态序列称作一个信号相位。信号相位是按车流获得信号显示的时序来划分的，有多少种不同的时序排列，就有多少个信号相位。每一个控制状态，对应显示一组不同的灯色组合，称为一个相位。简而言之，一个相位也被称作一个控制状态。以四相位为例如图所示：

相位1 相位2 相位3 相位4

图1 四相位信号相序控制示意图

(2)周期时长：信号灯发生变化，信号运行一个循环所需的时间，等于绿、黄、红灯时间之和；也等于全部相位所需的绿灯时间和黄灯时间(一般是固定的) 的总和。周期过长时，等待的人容易产生急躁情绪，因此通常以180秒为最高界限。

图1 第一、三配时表

(3)绿信比：是指在一个周期内(对一指定相位) ，有效绿灯时间与信号周期长度之比。

(4)相位差(又叫绿时差或绿灯起步时距) ：相位差是针对两个信号交叉口而言，是指两个相邻交叉口它们同一相位绿灯(或红灯) 开始时间之差。

它分为绝对相位差和相对相位差。相对相位差是指在各路口的周期时间均相同的联动信号系统中，相邻两个交叉路口协调相位的绿灯起始时间之差。绝对相位差是指在联动信号系统中选定一标准路口，规定该路口的相位差为零，其他路口相对于标准路口的相位差叫绝对相位差。

(5)绿灯间隔时间：是指从失去通行权的相位的绿灯结束，到下一个得到通行权的相位绿灯开始所用的时间。绿灯间隔时间的长短主要取决于交叉口的几何尺寸，因此，要确定该时间的长度就必须首先考虑停止线和潜在冲突点之间的相关距离，以及车行驶这段距离所需的时间。

(6)有效绿灯时间：是指被有效利用的实际车辆通行时间。它等于绿灯时间与黄灯时间之和减去损失时间。损失时间包括两部分，一是绿灯信号开启时，车辆启动时的时间；还有绿灯关闭、黄灯开启时，只有越过停止线的车辆才能继续通行，所以也有一部分损失时间，即为绿灯时间减去启动时间加上结束滞后时间。结束滞后时间是黄灯时间中有效利用的那部分。每一相位的损失时间为启动延迟时间和结束滞后时间之差。

在实际工作中，损失时间的精确计算是非常困难的，也没有必要。通常取绿灯时间代替有效绿灯时间

2.2交通信号控制类型简述

2.2.1定时控制

(l)定义

依据交通量历史数据进行配时，交通信号按照配时方案运行，一天只按一个配时方案的配时方法。定时控制是单个交叉路口最基本的控制方法。

(2)适用条件及优点

定时控制适用于交通流量变化模式基本固定，并可以预测的情况，其因信号启动时间可取得一致而有利于同相交通信号协调。它的优点在于便于执行，对控制系统的硬件要求较为简单。由于路网上各个交叉路口的信号配时参数都是预先确定的，因此不必在执行中根据实时交通状况作任何调整，也不需要采集实时交通数据和反馈，使得各种费用使用较低。

(3)缺点

首先，定时控制中的配时方案都是根据历史性交通资料，事先经过脱机计算建立起来的。然而，路网上交通状况如车流量的分布，流量大小及流向，不可能长期维持某一固定的模式。一旦变化，则原分配方案就不再适合变化了的交通状况。因此，固定配时系统的应用受到一定程度的局限，它只适用于交通状况变化不十分急剧的城镇。其次，控制对策的灵活性较差，固定配时方案一经建立并付诸执行，就不会自动调整和更改。因此，路网可能发生的一些意外事件，往往会导致严重的交通阻塞，甚至于瘫痪。再次，缺少实时交通信息反馈，除非设置专门用于采集交通数据的检测器，固定配时控制系统没有任何关于网路上实时交通状况信息的反馈，这就限制了它的灵活性。

2.2.2潮汐控制

潮汐控制方法和定时控制方法相类似。区别在于若一天只用一个配时方案的称为定时控制；而一天按多个时段采用不同配时方案的称为潮汐控制。

潮汐控制比定时控制方法有一定的优越性，但是对于交通流量变化大的地区，控制效果仍不理想。

2.2.3模糊控制

城市交通系统是一种非线性的、时变的大系统。传统的控制方法都要首先建立交通流的数学模型，在此基础上推导出某种控制算法。由于城市交通系统的复杂性和随机性，建立的数学模型一般难以准确地描述城市交通的实际状况，而且算法复杂，在线估算量大，控制实时性差，控制精度也不高。因此近年来，国内外专家学者致力于开发新的交通信号灯的控制方法，模糊控制是新的研究方向之一。

2.3相位、相序设计与信号配时

2.3.1相位、相序设计与信号配时的关系

无论采用哪种控制方法，都需要先了解交叉路口的几何状况，交通流状况，然后制定相应的相位，相序方案以及配时方案，只有选择合适的相位和配时方案，才能使交叉口的运行效果达到最优。交叉口相位方案和配时设计是信号控制方案设计的两个方面，属于定性和定量的关系。

相位方案设计是信号设计的第一步，它直接影响交叉口交通流的安全性，以及交叉口的延误、通行能力等各项运行效益。美国道路通行能力手册HCM 早己提出：“信号设计中最为关键的问题是选择一个适当的信号相位方案”。

配时设计是在相位方案设计的基础上进行的，根据进口车道配置，交通流情况来求解最优配时方案，最终达到提高交叉口实际通行能力、减少车辆通过交叉口的延误的目的。只有在充分研究和采用最佳相位方案的前提下，利用配时参数优化模型，才能得到真正的最优控制方案，即最优解。否则，选用不适当的相位方案，再先进的配时模型也只能得到伪最优解。

2.3.2相位设计

相位方案是相位的组合方式，有必要从多个组合中选出最佳的相位方案。一般来说，交叉口形状越复杂，相位方案也越复杂。

相位选择可分为相位初选和相位调整两步。相位初选时，只能运用经验判断，通过画出交通流线，合并部分交通流来缩小可选范围，初步确定相位相序，并作为信号配时的基础。当信号配时完成后，将会对各参数进行试算评价，对相位进行必要的修正和调整，并重新评估，直至满足设计要求，形成最终方案。

确定信号相位时需要考虑以下几点:

(l)交通安全

交叉路口交通流之间的冲突是造成交通事故的一个重要原因，一般来说增加相位数，减少同一相位中冲突方向交通流的数量，可以提高安全性。

(2)交通效率

交叉口相位设计要提高交叉口的时间和空间资源的利用率。过多的相位数会导致相位交替次数增加，也即损失时间的增加，从而降低交叉口通行能力和交通效率。反之，太少的相位也会使交叉口因混乱而降低效率。

(3)交通状况

交通状况包括机动车交通量、左右转率、车道饱和率、大型车混入率、非机动车流量流向、横过行人数等。

(4)交叉口几何条件

交叉口的限制条件包括：交叉口的类型、进口道车道数、交叉口扩展车道的展宽长度、行人和自行车过街的组织形式。这些因素影响机动车左转专用相位的设置、车辆排队长度等。

(5)协调控制的要求

为了保证协调控制效果，相同子区内的信号要具有一致性，各交叉口的相位相序需相互匹配，否则不利于驾驶员适应。

2.3.3相序安排

信号相位设计不但要考虑相位组合，还要考虑相位的衔接问题。通常需要考虑以下几点：

(l)对同一个交通流设置两个以上信号阶段时，在时间上应尽可能保证连续性，对于行人信号可不局限于此原则。

(2)对同一进口道车流中不同流向交通流在不同信号相位放行时，尽可能保证它们所在信号相位的连续显示。

(3)一向含直行车流的相位与另一向含直行车流的相位不宜连接。

(4)一向含左转车流的相位与另一向含左转车流的相位不宜连接。

(5)两向相位相序设计应尽量对称，便于驾驶员理解。

(6)于直行与左转机动车，应考虑左转车道可停放的车辆数。若到达的左转车辆超出该车道可停放的左转车辆数时，需先放行左转车。反之，则先放行直行车。在一般路口和有左转待候区的路口多是先放直行车，后放左转车。

(7)有特殊方案相位，其前后应尽可能衔接与特殊方案相容的基本方案。 本文主要研究信号配时参数的优化设计，所以不对相位，相序的设计方法进行深入的研究。

2.4交叉路口常用性能指标及计算方法

一般来说，信号交叉口的控制效果是由延误、停车次数、通行能力和饱和度等四个基本参数来衡量的。这些参数不仅反映车辆通过交叉口时的动态特性，同时它们也作为交叉口信号配时参数优化的依据，用于建立优化模型和目标函数。也就是说，信号配时参数优化的目标就是在一定的道路条件下，对配时参数选择合适的值，让通行能力稍高于交通需求，并且使得通过交叉口的全部车辆总延误

时间最短或停车次数最少。

当然，除了上述四项基本评价指标以外，还有一些其它评价指标，例如：车辆运营费用(包括燃油消耗、轮胎和机械磨损) 、废气排放量、噪声污染、运营成本(计入乘客旅程时间折合的经济价值等) 以及安全舒适程度的差异等等。但这些都是由上述四项基本评价指标派生出来的次级参数，即以延误时间和停车次数为自变量的函数，常称作“辅助参数”。

下面具体介绍车辆延误、停车率、通行能力、饱和度、平均排队长度和通行权转移度。

2.4.1车辆延误

延误是由于交通干扰、交通管理和控制设施等因素引起的车辆运行时间损失。由于延误能反映了司机不舒适、受阻的程度以及油耗和行驶时间损失，所以是最常用的评价信号交叉口运行状况的指标。

车辆平均延误是评价交叉口服务水平的最重要的指标，因此，本文选择它作为比较各种信号灯控制方法优劣的依据。车辆的排队长度是延误时间增加的主要诱导因素，车辆滞留时间又是延误时间的构成元素。某车道的车辆排队长度如果过长，易引起车辆堵塞和平均延误时间增加；而某车道的车辆滞留时间如果过长，不仅增加了平均延误时间，而且易引起通行权资源分配失衡。大多数情况下，排队长度与滞留时间是正相关的，反之亦反。但也有例外，例如，当出现很短时间内连续到来多辆车和很长时间没有车辆到来这两种情况时，排队长度与滞留时间就不具备正相关关系，排队最长的车道，平均滞留时间不一定也最长，反之亦反。可见，两者是相互关联，互为补充，不可相互替代的，它们是影响交叉口通行能力的两个关键因素。

2.4.2停车率

停车率：指每个周期停驶的车辆数占整个周期所到达车辆数的比例，它是一项信号交叉口评价的综合指标之一，停车率的大小不仅反映了交叉口的服务水平，同时从车辆耗油、环境及出行费用等几方面反映了信号控制的合理性。

2.4.3通行能力

信号交叉路口的通行能力是针对每一引道规定的，它是在现行的交通、车道和信号设计条件下，交叉口某一引道所能通过的最大流量。单位：辆/小时。整个交叉口的通行能力并不重要。

饱和流量：在通常的道路、交通条件下，在整个小时都是绿灯的条件下，连续通过交叉口指定引道的最大流量。

所以，可见影响信号交叉口的通行能力的主要因素有三个：

(l)车行道条件，即交叉口的几何条件。包括：车道类型，车道数，交叉口几何形状。

(2)信号设计条件。即信号灯配时的各个参数及相序、相位设计。

(3)交通流条件。每条引道的交通量，流向，流向内车型的分布。

美国HCM 给出的饱和流量(率) 计算公式为：

S=S 0⨯N ⨯f w ⨯f H V ⨯f g ⨯f p ⨯f bb ⨯f a ⨯f RT ⨯f LT (2.1)

其中，S 为在通常条件下，车道组的饱和流量，S 0为每车道理想条件下的饱和流量，一般取1800/绿灯小时，N 为每车道组的车道数。f w 为车道宽度校正系

数，f HV 为交通流中重型车辆校正系数，f g 为引道坡度校正系数，f p 为临近车道停车情况及该车道停车次数校正系数，f bb 为公共汽车停在交叉口范围内阻塞影响作用校正系数，f a 为地区类型校正系数，f RT 为车道组中右转车校正系数，f LT 为车道组中左转车校正系数。

通行能力是以饱和流量为基础进行分析的。交叉口的总通行能力是通过各进口车道组(引道) 的通行能力之和。每一车道组的通行能力根据其车道功能不同按下式(2.2)计算：

C i =S i ⨯λi (2.2)

λi = ⎛g

⎝T 0⎫⎪⎪ ⎭i

其中，C i 为车道组的通行能力，S i 为车道组i 的饱和流量(辆/绿灯小时) ，λi 为绿信比。

2.4.4饱和度

饱和度是针对每一车道(车道组) 而言的。计算公式(2.3)如下：

X i =(V )i =V i S i (g T C )i ]=(V i S i i (2.3)

其中，X i 为第i 个车道组的饱和度，V i 为第i 个车道组的交通流量。

相位饱和度是指该相位上各个车道组的饱和度之和。交叉口的饱和度是饱和程度最高的相位所达到的饱和度值，而并非各相位饱和度之和，用X 表示。从理论上说，交叉口饱和度只要小于1就应该满足各方向车流的通行要求。然而，实践表明，当交叉口的饱和度接近于1时，交叉口的实际通行条件将迅速恶化，更不必说等于或大于1了。因此，我们必须规定一个可以接受的最大饱和度限制，即饱和度的“实用限值”。研究结果表明，反映车辆通过一个交叉口时的一些特性参数，如车辆平均延误时间、平均停车次数以及排队长度等等，均与饱和度实用限值的大小有关。实践证明，饱和度实用限值定在0.8——0.9之间，交叉口可以获得较好的运行条件。在特定条件下，例如交通量很大，而交叉口周围的环境条件较差，为减少交叉口的投资，可以采用更高的实用限值——饱和度实用限值为0.95。

关键进口道到达交通量与通行能力之比，而交叉口饱和度是相位饱和度中的最大值。在设计时，交叉口各个相位的饱和度小于1。

2.4.5平均排队长度

信号一个周期内各条车道排队的最长长度的平均值。各条车道最长排队长度一般是指该车道的绿灯相位起始时长度。

2.4.6通行权转移度

通行权转移度反应了不同方向的车流对绿灯需求的迫切程度。它依赖于各入口的交通情况，而车流在红灯信号和绿灯信号相位下，有不同的状态。在绿灯相

位下，车辆可以自由通过停车线，在停车线检测器上可以检测出驶过停车线车辆的数量，上游检测器可以检测车辆的到达数，这些车辆经过若干秒后可能会到达停车线或通过停车线或排队等待：在红灯相位下，检测器可以检测车辆的到来情况和排队长度。因此红灯相位和绿灯相位的通行权转移度就有不同的输入和推导规则。

2.5车辆检测器

一个完整的交通控制系统需要有一个准确、可靠的信息采集和监控系统，它将来自底层的实时数据收集起来，准确、迅速地通过高速信息传输网送交后台进行分析和处理。交通控制系统的交通信息采集是由车辆检测器来实现的。

车辆检测器有多种，感应式检测器，红外线检测器等。本文的车辆采集采用图像式车辆检测器。图像式车辆检测器由闭路电视摄影机、终端控制器和图像处理器等设备组成。技术原理以图形处理器分析由闭路电视摄像机所拍摄的数字化图像，用算法对图像初步处理，去掉多余信息。接着对图像进行分区。按一定算法对各分区图像处理，提取特征信息。根据特征信息进行车辆计数、分类。根据相邻图片计算车速，最后在拍摄区域内跟踪所辨识出的车辆。它的优点是功能强大图像直观，易于增添检测项目；多道检测、安装及维修不会阻碍交通。