1.3　国内外交通信号控制研究

第一台交通信号机出现于1868年，安装于英国伦敦威斯脱敏特（Westminster）地区，不同于现在的三色交通灯，它只有红绿两种颜色。当时，信号灯仅仅是为了使各种冲突车流分时地使用交叉路口和减少交通事故而设置的。但是，不久人们发现，早期使用的自动信号机是按照某种规定不变的周期长度和红绿灯比例来控制信号运行的，这一方法的缺点是无法适应一日当中交通流量变化的情况。只有适当地调整信号灯各相位的长短及比例，才能高效率地利用交叉路口，由此开始了优化信号配时的历史，即信号灯最优控制的历史。1918年，第一个具有此功能的所谓滤波系统在美国的盐湖城建立，这是一种无计算机、定周期的各路口信号灯协调最优控制系统。

20世纪60年代，世界各国开始研究一种范围较大的信号联动协调控制系统。这一研究不仅包括电子计算机作为控制系统中枢的应用（硬件和软件的技术开发），也包括大规模数据传输系统和各类终端设备的研究。由于微处理技术的进展和各种新型微处理机的问世，不仅出现了以微处理机作为主控机的区域交通控制系统，而且各种终端控制设备（信号机、检测器和交通状况自动记录仪、系统故障监视装置、可变交通标志等）也可广泛运用微处理技术，从而使控制系统的功能日臻完善，控制技术也发生飞跃性的变革。与此同时，在软件技术开发上也出现了可喜的进展。英国学者设计的区域控制系统优化程序——TRANSYT（Traffic Network Study Tool）被世界各国广泛采用。1959年，加拿大多伦多市开展了对计算机控制信号灯的研究，1964年，多伦多成了世界上第一个具有区域交通计算机控制系统的城市。20世纪70年代初，英国也在西伦敦和格拉斯哥市建成试验性区域交通控制系统。据不完全统计，到20世纪80年代初，世界上已有250个城市建立了区域交通控制系统。

1973年，英国运输和道路研究所（Transport and Road Research Laboratory, TRRL）开始研制第二代区域控制系统，它是一种数据反馈自控系统，能够根据路网上当时实际交通情况，利用在线计算机不断调整配时方案的基本参数，以求最佳的效果，该系统叫SCOOT（Split Cycle Offset Optimization Technique）系统；另外，澳大利亚的SCATS（Sydney Coordinated Adaptive Traffic System）也推广到了许多城市。

自从计算机应用于交通系统以来，控制系统的控制规模逐渐从单个交叉路口的点控、单条干道的线控发展到整个网络的面控。由此可见，从信号灯的出现到今天，控制系统的功能从低级到高级，从简单到复杂，不断发展前进，并且随着城市交通问题的日益严峻而不断发展。

我国的计算机控制信号灯的研究起步较晚，到20世纪70年代才开始。1973在北京应用TRANSYT方法进行了线控实验，由于通信系统的硬件设备经常出问题而没有取得很好的效果。到了20世纪80年代后，对于部分大城市来说，城市的交通拥堵问题已成为十分严峻的问题。这时国内对计算机的研究已经比较成熟。所以重新开始了计算机控制和管理的研究。北京、上海、深圳等大城市开始陆续引进国外先进的区域控制系统，同时开始结合我国城市交通的特点，研发实时控制自适应系统，对机动车、自行车参数的检测，模型的建立，配时参数的优化等问题进行了研究。目前，国内绝大多数城市都安装了城市交通信号控制系统，运用信号控制解决城市交通问题已成为交通管理决策者考虑的首要因素。

交通信号控制技术的演变经历了从初级到高级的过程，如图1-2所示。交通信号控制范围的初级为单点控制，所用设备比较简单，只要在每个需要控制的交叉口设置一台信号机就行了，无须设置主控制机或计算机控制中心；投资节省，设备运行管理及维修费用也较少。然而这种控制效率差，缺乏考虑其他交叉口的车辆运行，各个交叉口之间没有联动关系，车辆行驶过程中停车次数增多，延误增加的弊端，演变出控制多个交叉口的线控及面控，二者的基础是单点控制。交通信号控制方法的最初形式为定时控制，表现为“双相位、单时段、定时控制”。随着车辆数量的不断增多且随机特性，交叉口车流的组织形式出现了双相位、多时段定时控制。不论哪种固定配时控制系统，它们都有一个或一系列事先脱机运算确定的配时方案，绿灯时间的长短、信号周期以及每个方向上绿灯的起讫时间都是相对固定的，即在某一确定的时间区段中，上述这些配时参数保持不变。感应控制及自适应控制能够将检测到的车辆到达信息传输给信号控制机或区域控制计算机，根据这种实时交通信息对信号实行随机控制（包括每种灯色显示时间的长短和各进口方向灯色转换时序），是对定时控制的改进控制方法。在饱和程度较低的交叉口，或者几个进口方向车流量相差悬殊的交叉口，感应式控制的效率是很高的。然而，当交叉口总的饱和度很高，即各方向的车流量均接近实际允许通过能力时，绿灯时间在各方向车流之间的分配便无多大调整余地了，因而实际运行起来，这种系统无异于固定配时控制系统。过去这种感应式控制系统多用于单个交叉口的独立控制，所以车辆全程行驶的连续性还是不能得到保证。为了克服感应式和固定配时两种控制系统各自的缺点，扬其之长，第二代区域控制系统即自适应控制系统应运而生。

自从计算机应用于交通系统以来，交通信号控制系统的控制规模逐渐从单个交叉口的点控、单条干道的线控发展到整个路网的面控，控制方式也从离线的固定配时控制发展到在线实时自适应控制，并且在线实时控制方式的适应交通流变化能力不断增强，控制效果不断提高。

目前，国外有5种典型的交通信号控制系统。

1．交通网络研究工具（TRANSYT）

TRANSYT是最成功的固定配时协调控制系统。该系统要求提前对路网结构和路口通行能力进行调查并输入计算机存储，然后对交通流进行调查，把调查结果输入计算机进行脱机优化，得到不同时段不同路口的信号配时方案。将优化好的不同时段的信号配时方案输入到路口信号控制器中，各个路口的信号控制器按上端主控机指令及统一时钟控制进行运转，以达到信号协调优化的目的。

该系统由仿真模型和优化部分组成，其原理框图如图1-3所示。

该系统已被世界上400多个城市所采用，实践证明其产生的社会经济效益很显著。但也存在着许多不足：①计算量很大，在大城市中这一问题尤为突出；②周期时长不进行优化，事实上很难获得整体最优的配时方案；③因其离线优化，需大量的路网几何尺寸和交通流数据，在城市发展较快时，为保证可信度往往不得不花费大量时间、人力、财力重新采集数据再优化，制定新方案。

2．悉尼自适应交通控制系统（SCATS）

SCATS是一种实时配时（参数）方案选择的自适应控制系统。SCATS通过少量的在线计算，从预先确定的参数集里选择周期、绿信比和相位差的组合。系统被设定为在搜集到的数据基础上自动校准，尽可能减少手动校准和调节。

SCATS的控制结构为分层式三级控制，由中央监控中心、地区控制中心和信号控制机构成。该系统通过中央计算机、区域性计算机和本地控制器来执行大规模的网络控制。区域性计算机不需要中央计算机的任何帮助就可以执行自适应控制，而中央计算机只监控系统运作情况和设备状态。

SCATS系统充分体现了计算机网络技术的突出优点，结构易于更改，控制方案容易变换。在需要的情况下，SCATS能合并相邻地区联合控制，也可允许各路口自主实行车辆感应控制。经悉尼市的对比实验表明，SCATS与TRANSYT相比，在总旅行时间相同的情况下停车次数明显减少。然而SCATS系统有几个明显不足：①SCATS是一种方案选择系统，限制了配时参数的优化程度；②选择相位差方案时，无车流实时信息反馈，可靠性低。

3．SCOOT系统

SCOOT是一种对实时交通状况进行模拟的自适应控制系统。其硬件组成包括3个主要部分：中心计算机及外围设备、数据传输网络和外设装置（包括交通信号控制机、车辆检测器或摄像装置及信号等）。软件大体由5部分组成：①车辆检测数据的采集和分析；②交通模型（用于计算延误时间和排队长度等）；③配时方案参数优化调整；④信号控制方案的执行；⑤系统检测。以上5个子系统相互配合、协调工作，共同完成交通控制任务。

SCOOT系统有一个灵活、准确的实时交通模型，不仅用于制定配时方案，还可以提供各种交通信息；SCOOT采用对下一周期的交通进行预测的方法，提高了结果的可靠性和有效性；SCOOT调整参数时采用频繁的小增量变化，既避免了信号参数突变给路网上车辆带来的损失，又可通过频繁地累加变化来适应交通条件的变化；SCOOT的车辆检测器埋设在上游路口的出口处，为下游交叉口信号配时预留了充足的时间，且可有足够时间做出反应以预防车队阻塞到上游交叉口。同时，检测器故障时，它亦能做出相应调整，减少影响。SCOOT的不足是：①相位不能自动增减，相序不能自动改变；②独立的控制子区的划分不能自行解决，需人工确定；③饱和流率的校核未自动化，使现场安装调试时相当烦琐。

4．OPAC（Optimization Policies for Adaptive Control）系统

OPAC系统是1983年由美国提出的，并已在20世纪90年代初开始试运行。该控制系统采用了动态规划原理来优化控制策略及在反传动态编程算法中提出离散时间周期性滚动优化的方法；同时，采用分散式控制结构以减少网络通信量，将危险分散。

5．RHODES（Real-time Hierarchical Optimized Distributed and Effective System）

RHODES由美国亚利桑那州立大学的Mirchandani等开发成功，并陆续在美国亚利桑那州的图森市和腾比市进行了现场测试，结果表明该系统对半拥堵的交通网络比较有效。相位可控制化（Controlled Optimization of Phases, COP）、REALBAND（有效绿波带）和预测算法是RHODES的核心技术。

（1）RHODES的原型。RHODES最新版本的原型如图1-4所示。它由5部分组成：网络流优化模块；交叉口优化模块；路段车流预测模块；车队预测模块；参数及状态估计模块。交叉口优化模块和路段车流预测模块一起构成交叉口控制器，网络流优化模块和车队预测模块一起构成网络流控制器。

（2）预测模型。对于提前响应交通信号控制，为了按有效的目标优化相位配时方案，在线实时预测车辆的到达、转向率和车队的运动是非常重要的，因此RHODES在预测方法上进行了深入研究，提出了一种更有效的分级在线实时预测模型。这种预测模型由3级组成：①路口流量估计／预测器，预测若干秒内路口各方向的车流量；②网络流估计／预测器，预测若干分钟内网络内车队的运动状况；③网络负荷估计／预测器，预测若干分钟、小时或一天内的现有通行能力、旅行时间、路网阻塞情况等。

（3）控制方法。提出了两种控制方法：一种是相位可控优化概念COP，另一种是“有效绿波带”（REALBAND）的算法。相位可控优化概念COP：根据到达车辆的预测值，用动态规划方法找出最优相序和相位长度，使给定的性能指标达到最优。优化前要给定相序（可以由上一层的网络流控制给出），以便每个阶段对应一个相位，且阶段数一般大于相位数，即可能有相同的相位对应不同的阶段。若交通工程师没有限制，允许通过把某一相位长度置为0而跳相，RHODES正是通过这样的跳相方式来达到优化相序的目的。COP先前向递推评价每一阶段每一项可能的决策，再后向递推决定系统性能指标最小的相序和相位长度，并把第一阶段的决策付诸实施。接着在当前相位即将结束前，从当前相位开始，根据最近的检测数据和预测数据，进行下一次优化。COP采用了不同的性能指标（包括延误、排队长度和停车次数），从而使控制算法更灵活。

“有效绿波带”算法的基本原理：根据当前的车队预测值，综合考虑网络各个方向车队可能发生的冲突，用决策树对网络交通信号进行协调优化并生成行进绿波带，其宽度和速度值能使网络目标函数达到最优，即延误和停车次数最少。

“有效绿波带”算法的优点：利用实时交通流数据，准确识别出车队并预测其在网络中的运动，并调整交通信号以适应识别出的车队；不必预先给出相序，其输出为下一层控制（交叉口控制）为进一步优化提供初始的相位划分和协调约束条件。