1　绪论

1.1　研究背景与意义

随着我国经济建设的发展和城市化进程的加快，城市道路交通拥挤现象日趋严重，交通事故频发、道路通行能力下降、能源消耗增大、环境污染加重等问题日渐突出。交叉口是城市道路网络中道路通行能力的“咽喉”，是交通阻塞和事故的多发地。交通信号控制是对城市交通流实施控制的主要手段。因此，在有限的空间和经济、环境条件制约下，如何通过控制交通信号缓解交叉口的交通拥挤，以提高道路的使用率是当下迫切需要解决的问题。

交通信号控制是指通过对交叉口交通特性的分析，合理设计控制相位和相序，为信号配时提供理论基础。它是信号控制优化设计的重要组成部分。合理的信号控制策略不仅可以改善信号交叉口的运行秩序，而且可以提高信号交叉口的交通安全保障，减少交叉口通行延误，提高交叉口运行效率。

1868年，英国伦敦的威斯敏特街口安装了一种红绿两色的臂板式燃气信号灯，标志着城市交通信号使用的开始。1918年，纽约的街口安装了一种手动的三色信号灯，首次出现真正意义上的信号灯，这也是交通信号控制的雏形。1926年，英国出现了一种结构简单的机械式交通信号机，它通过小电动机带动齿轮的机械转动，实现单时段定周期的红绿灯切换。虽然，这种机械式的信号机首次实现自动控制，但由于不能随交通状况的改变而改变，效果不如手动控制，但它开启了城市交通信号自动控制的研究。不久，英国研制出了早、中、晚不同时段采用不同信号周期的多时段定周期的交通信号灯控制。20世纪50年代，北美、西欧和日本等国，经过对这类信号机的引进和研究，基本上实现了大城市交通信号的自动控制。

1928年，美国研制出了世界上第一台感应式信号机，首次实现了交通信号能够根据交通流情况自行调整。1964年，加拿大的多伦多市建成了世界上第一个利用计算机进行集中协调感应控制的交通信号控制系统。从此以后，世界各国都相继将计算机技术应用到交通信号控制中，以求有效解决日益紧张的城市交通问题。20世纪80年代初，先后出现了英国的TRANSYT、SCOOT系统，澳大利亚的SCATS系统，加拿大的RTOP系统，美国的UTCS 3GC、ASCOT系统等。

20世纪80年代末，我国引进了TRANSYT和SCOOT系统应用于北京市，引进SCATS系统应用于上海、广州市。目前，天津、宁波、杭州市等正在使用的也是SCATS系统，但效果不尽如人意。这主要由于我国城市交通有自己独特的特点，使得引进的交通控制系统在运行实践中表现出许多本质的不足。于是，我国自主研发了一些信号控制系统，譬如南京的NATS、青岛海信的HiCon、深圳的SMOOTH、上海宝康的MiTCO、天津大学的TICS、中科院自动化所的GreenPass系统等。来自大中型城市交警支队的调查报告显示，我国大中城市大多采用引进的SCATS、SCOOT系统，国产系统则用于中小城市。国产系统的核心技术如交通控制模型、优化算法和性能指标评估方法等主要采用或参照国外一些学者或厂商公开发布的相关研究成果，是一种被动追赶型研发，这使得国产系统还缺乏真正完善的体系架构、成熟稳定的优化和协调控制算法。而且，无论是引进系统还是国产的系统，都还没有充分针对我国城市交通特点对控制策略与算法进行深层次系统的研究。因此，经过综合分析国内外城市道路交通信号控制系统，并结合我国大中城市道路及交通的实际情况，许多专家认为我国交通信号控制系统的未来发展趋势将向着多模式化、智能化、集成化、分布式、通用化和模块化的方向发展。

本书是在充分分析国内外交通控制算法的基础上，结合我国城市交通的特点，提出基于混杂自动机理论的城市交通信号控制模型与策略，研究相应的优化控制算法，并使用混杂系统验证工具CheckMate3.6进行仿真分析，同时在北京市一些典型交叉口上开展试验进行验证，力图建立一个基于混杂自动机模型的、统一的、主动的交通信号管理与控制理论，实现城市交通信号的多目标的建模与优化。