区域交通信号控制系统课件.ppt
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1、本章内容:本章内容:l第一节第一节 概念与分类概念与分类l第二节第二节 定时式脱机操作系统定时式脱机操作系统l第三节第三节 自适应式联机操作系统自适应式联机操作系统第十一章第十一章 区域交通信号控制系统区域交通信号控制系统l主要内容:了解区域交通信号控制系统的主要内容:了解区域交通信号控制系统的分类,定时式脱机操作系统和自适应式联分类,定时式脱机操作系统和自适应式联机操作系统的根本原理。机操作系统的根本原理。l重点与难点:重点与难点:TRANSYT、SCOOT、SCATS三种具有代表性的控制系统的控制三种具有代表性的控制系统的控制原理和根本思想。原理和根本思想。第十一章第十一章 区域交通信号控
2、制系统区域交通信号控制系统第一节第一节 概念与分类概念与分类l区域交通信号控制简称面控制系统的对象是区域交通信号控制简称面控制系统的对象是城市或某个区域中所有穿插口的交通信号。城市或某个区域中所有穿插口的交通信号。l区域交通信号控制系统的正确的概念是:把城区区域交通信号控制系统的正确的概念是:把城区内的全部交通信号的监控,作为一个指挥控制中内的全部交通信号的监控,作为一个指挥控制中心管理下的一套整体的控制系统,是单点信号、心管理下的一套整体的控制系统,是单点信号、干线信号系统和网络信号系统的综合控制系统。干线信号系统和网络信号系统的综合控制系统。l建立这种概念的好处:建立这种概念的好处:l 1
3、整体监视和控制整体监视和控制l 2可因地制宜地选用适宜的控制方法可因地制宜地选用适宜的控制方法l 3可有效、经济地使用设备可有效、经济地使用设备区域控制系统的开展区域控制系统的开展l是随着交通控制理论的不断开展,通讯、检测、计算机技是随着交通控制理论的不断开展,通讯、检测、计算机技术在交通控制领域的广泛应用而开展起来的。术在交通控制领域的广泛应用而开展起来的。l早期的区域控制系统着重于对周期、绿信比和时差等交通早期的区域控制系统着重于对周期、绿信比和时差等交通信号参数进展最优控制。信号参数进展最优控制。l现代的交通控制系统是多种技术的综合体,它包括车辆检现代的交通控制系统是多种技术的综合体,它
4、包括车辆检测、数据采集与传输、信息处理与显示、信号控制与最优测、数据采集与传输、信息处理与显示、信号控制与最优化、电视监视、交通管理与决策等多个组成局部。化、电视监视、交通管理与决策等多个组成局部。l区域控制系统可实施城市交通运输的策略,提高现有道路区域控制系统可实施城市交通运输的策略,提高现有道路的交通效率,改善道路交通平安,节省能源消耗,减少环的交通效率,改善道路交通平安,节省能源消耗,减少环境污染,收集交通数据,提供交通情报,为整个社会提供境污染,收集交通数据,提供交通情报,为整个社会提供综合的经济效益。综合的经济效益。l是缓解城市交通问题的重要措施。是缓解城市交通问题的重要措施。二、分
5、类二、分类l1.按控制策略分按控制策略分l1定时式脱机操作控制系统定时式脱机操作控制系统l 利用交通流历史及现状统计数据,进展利用交通流历史及现状统计数据,进展脱机优化处理,得出多时段的最优信号配脱机优化处理,得出多时段的最优信号配时方案,存入控制器或控制计算机内,对时方案,存入控制器或控制计算机内,对整个区域交通实施多时段定时控制。整个区域交通实施多时段定时控制。l 特点:控制简单,可靠,效益投资比高,特点:控制简单,可靠,效益投资比高,但不能适应交通流的随机变化。但不能适应交通流的随机变化。l2适应式联机操作控制系统适应式联机操作控制系统l是一种能够适应交通量变化的是一种能够适应交通量变化
6、的“自适应自适应控制系统,也叫控制系统,也叫“动态响应控制系统动态响应控制系统。在控制区域中设置检测器,实时采。在控制区域中设置检测器,实时采集交通数据并实施联机最优控制。集交通数据并实施联机最优控制。l特点:自适应控制系统构造复杂、投资特点:自适应控制系统构造复杂、投资高、对设备可靠性要求高,但能较好地高、对设备可靠性要求高,但能较好地适应交通流的随机变化,提高了控制的适应交通流的随机变化,提高了控制的效益。效益。1方案选择方式方案选择方式 对应于不同的交通流,事先做好各类交通模型和对应于不同的交通流,事先做好各类交通模型和相应的控制参数并存储在计算机内,按实时采集相应的控制参数并存储在计算
7、机内,按实时采集的实际交通数据,选取最适用的交通模型与控制的实际交通数据,选取最适用的交通模型与控制参数,实施交通控制。参数,实施交通控制。2方案形成方式方案形成方式 根据实时采集的交通流数据,实时算出最正确交根据实时采集的交通流数据,实时算出最正确交通控制参数形成信号配时控制方案,当场按此方通控制参数形成信号配时控制方案,当场按此方案操纵信号控制机运行交通信号灯。案操纵信号控制机运行交通信号灯。2.按控制方式分类:按控制方式分类:3.按控制构造分按控制构造分1集中式计算机控制构造集中式计算机控制构造2分层式计算机控制构造分层式计算机控制构造1集中式计算机控制构造集中式计算机控制构造l将网络内
8、所有信号联结起来,用一台中、小型计算将网络内所有信号联结起来,用一台中、小型计算机或多台微机联网对整个系统进展集中控制。其原机或多台微机联网对整个系统进展集中控制。其原理构造均较简单。理构造均较简单。l优点:优点:l 1全部控制设备只位于一个中心,操作方便;全部控制设备只位于一个中心,操作方便;l 2系统的研制和维护不太复杂;系统的研制和维护不太复杂;l 3所需设备较少,维修容易。所需设备较少,维修容易。l缺点:缺点:l 大量数据的集中处理及整个系统的集中控制,大量数据的集中处理及整个系统的集中控制,需要庞大的通信传输系统和巨大的存储容量,这就需要庞大的通信传输系统和巨大的存储容量,这就极大地
9、影响了控制的实时性,并限制了集中控制的极大地影响了控制的实时性,并限制了集中控制的区域范围。区域范围。2分层式计算机控制构造分层式计算机控制构造l整个控制系统分成上层控制与下层控制。整个控制系统分成上层控制与下层控制。l上层控制主要承受来自下层控制的决策信息,并上层控制主要承受来自下层控制的决策信息,并对这些决策信息进展整体协调分析,从全系统战对这些决策信息进展整体协调分析,从全系统战略目标考虑修改下层控制的决策。下层控制那么略目标考虑修改下层控制的决策。下层控制那么根据修改后的决策方案再做必要的调整。根据修改后的决策方案再做必要的调整。l上层控制主要执行全系统协调优化的战略控制任上层控制主要
10、执行全系统协调优化的战略控制任务务l下层控制主要执行个别穿插口合理配时的战术控下层控制主要执行个别穿插口合理配时的战术控制任务制任务l这种构造可以防止集中构造的缺点,可有降级这种构造可以防止集中构造的缺点,可有降级控制的功能,提高了系统的可靠性;但需增加控制的功能,提高了系统的可靠性;但需增加设备,投资较高。设备,投资较高。l例如一种三级分布式控制构造:例如一种三级分布式控制构造:l 第一级第一级 位于穿插口,由信号控制机控制位于穿插口,由信号控制机控制l 第二级第二级 位于所控制区域的一个比较中心的位于所控制区域的一个比较中心的地点地点l 第三级第三级 位于城市内一个合理的中心位置,位于城市
11、内一个合理的中心位置,起命令控制中心的作用起命令控制中心的作用l多级控制的优点多级控制的优点l1通过数据的预处理和集中传输,能减少传输费通过数据的预处理和集中传输,能减少传输费用用l2由于系统不依赖于一个中心控制或集中的传输由于系统不依赖于一个中心控制或集中的传输机构,系统具有较高的故障保护能力,提高了系统机构,系统具有较高的故障保护能力,提高了系统可靠性。可靠性。l3能处理实时单元的容量较大检测器,穿插口能处理实时单元的容量较大检测器,穿插口信号机等信号机等l4控制方法和执行能力比较灵活控制方法和执行能力比较灵活l多级控制的缺点多级控制的缺点l 1需要的设备多,投资高需要的设备多,投资高l
12、2现场设备的维护比较复杂现场设备的维护比较复杂l 3控制程序比较复杂控制程序比较复杂l 4要提供更多的控制地点要提供更多的控制地点第二节第二节 定时式脱机操作系统定时式脱机操作系统lTRANSYT(Traffic Network Study Tool)“交通网交通网络研究工具。是英国交通与道路研究所络研究工具。是英国交通与道路研究所(TRRL)于于1966年提出的脱机优化网络信号配时的一套程年提出的脱机优化网络信号配时的一套程序。最新版本是序。最新版本是11版。版。l美国:美国:TRANSYT-7Fl法国:将法国:将TRANSYT改为改为THESEE和和THEBES型型lTRANSYT是一种脱
13、机操作的定时控制系统,系统是一种脱机操作的定时控制系统,系统主要由仿真模型及优化两局部组成。主要由仿真模型及优化两局部组成。网络几何尺寸及网络交通流信息网络几何尺寸及网络交通流信息初始信号配时初始信号配时仿真模型仿真模型网络内的延误及停车次数网络内的延误及停车次数新的信号配时新的信号配时优化数据优化数据优化过程优化过程最佳信号配时最佳信号配时性能指标性能指标PI周期流量图周期流量图TRANSYT 基本原理图基本原理图TRANSYT仿真模型的几个主要环节仿真模型的几个主要环节l1交通网络构造图式:节点和连线来抽象网络交通网络构造图式:节点和连线来抽象网络l2周期流量变化图式周期流量变化图式l3车
14、流在连线上运行状况的模拟车流在连线上运行状况的模拟l为描述车流在一条连线上运行的全过程,为描述车流在一条连线上运行的全过程,TRANSYT使用了如下的周期流量图式:使用了如下的周期流量图式:l1到达流量图式到达流量图式“到达图式到达图式l2驶出流量图式驶出流量图式“驶出图式驶出图式l3饱和驶出图式饱和驶出图式“满流图式满流图式l车流运行过程中的车队离散特性:车流运行过程中的车队离散特性:曲线拟合参数)平均行程时间(车队在连线上行驶时的离散平滑系数式中:basTFTtbtaF,8.01把上游连线把上游连线“驶出驶出”图式上的每一纵坐标值乘以图式上的每一纵坐标值乘以F即即可得到下游停车线的可得到下
15、游停车线的“到达到达”图式。图式。综上所述,不难推算出第综上所述,不难推算出第i个时段内被阻于停车线的个时段内被阻于停车线的车辆数车辆数mi。辆)。的车辆数个时段内被阻于停车线在第得;(辆),由饱和图式求个时段内放行的车辆数在第得;(辆),由到达图式求个时段内到达的车辆数在第的车辆数(辆);个时段内被阻于停车线在第式中:(1)0(),max(11imiSiqimSqmmiiiiiiii 于是便可求得第于是便可求得第i个时段内驶离连线的车辆数:个时段内驶离连线的车辆数:ni=mi-1+qi-mi 式中:式中:ni-第第i个时段内驶离连线的车辆数辆个时段内驶离连线的车辆数辆 由由ni便可建立其连线
16、的驶出图式,并由此推算下游便可建立其连线的驶出图式,并由此推算下游连线的连线的“到达、到达、“满流和满流和“驶出图式,依驶出图式,依此类推。此类推。4.车辆延误时间的计算车辆延误时间的计算 TRANSYT计算的车辆延误时间是均匀到达延误、计算的车辆延误时间是均匀到达延误、随机延误与超饱和延误之和。随机延误与超饱和延误之和。5.停车次数的计算停车次数的计算 TRANSYT计算的停车次数,也分成均匀到达停车计算的停车次数,也分成均匀到达停车次数、随机停车次数及超饱和停车次数三局部。次数、随机停车次数及超饱和停车次数三局部。二、优化二、优化lTRANSYT将仿真所得的性能指标将仿真所得的性能指标(P
17、I)送入优化送入优化程序,作为目标函数;程序,作为目标函数;l以网络内的总行车油耗或总延误时间以及停车以网络内的总行车油耗或总延误时间以及停车次数的加权和作性能指标;次数的加权和作性能指标;l用用“爬山法优化,产生较之初始配时更为优越爬山法优化,产生较之初始配时更为优越的新的信号配时;的新的信号配时;l把新的信号配时再送入仿真局部,反复迭代,把新的信号配时再送入仿真局部,反复迭代,最后取得最后取得PI值到达最小标准时的系统最正确配值到达最小标准时的系统最正确配时。时。TRANSYT优化的主要环节优化的主要环节l1.绿时差的优选绿时差的优选l1以适当的步距调整交通网上某一个穿插口的绿时以适当的步
18、距调整交通网上某一个穿插口的绿时差,计算性能指标差,计算性能指标PI。l2假设小于初始方案的假设小于初始方案的PI,说明调整方向正确,继,说明调整方向正确,继续调整,直到获得最小的续调整,直到获得最小的PI为止。为止。l3假设第一次调整后的假设第一次调整后的PI值大于初始方案的值大于初始方案的PI值,值,那么应当朝相反方向调整绿时差,直到取得最小的那么应当朝相反方向调整绿时差,直到取得最小的PI.l4依次对所有其它穿插口做同样的调整。依次对所有其它穿插口做同样的调整。l5对所有穿插口作第二遍调整,反复屡次,直到求对所有穿插口作第二遍调整,反复屡次,直到求得最后的理想方案。得最后的理想方案。2.
19、绿灯时间的选取绿灯时间的选取l不等量地更改不等量地更改一个或几个乃至全体信号相一个或几个乃至全体信号相位的绿灯长度,以期降低整个交通网的性位的绿灯长度,以期降低整个交通网的性能指标能指标PI值。值。l但调整的过程中,绿灯时间但调整的过程中,绿灯时间不能小于不能小于规定规定的的最短绿灯时间最短绿灯时间。3.控制子区的划分控制子区的划分l在信号联网协调控制时,一个范围较大在信号联网协调控制时,一个范围较大的路网要分成假设干个相对独立的局部,的路网要分成假设干个相对独立的局部,每一局部有自己独特的控制对策,执行每一局部有自己独特的控制对策,执行适合本区交通特点的控制方案。适合本区交通特点的控制方案。
20、l以不宜协调的连线作为划分控制子区边以不宜协调的连线作为划分控制子区边界的参考依据,即子区边界点根本上分界的参考依据,即子区边界点根本上分布在这些连线上。布在这些连线上。4.信号周期的选择信号周期的选择lTRANSYT可以自动地为每个子区选择一可以自动地为每个子区选择一个个PI最低的公用信号周期时长,同时还最低的公用信号周期时长,同时还可确定哪几个穿插口应采用双周期。可确定哪几个穿插口应采用双周期。l荷兰的改进:对饱和和超饱和情况的处荷兰的改进:对饱和和超饱和情况的处理,设定车队长度极限理,设定车队长度极限第三节第三节 自适应式联机操作系自适应式联机操作系统统l定时式脱机操作系统具有不能适应交
21、通随机变定时式脱机操作系统具有不能适应交通随机变化的缺点。化的缺点。l英国、美国、澳大利亚和日本等国家作了大量英国、美国、澳大利亚和日本等国家作了大量的研究和实践,用不同的方式建立了各有特色的研究和实践,用不同的方式建立了各有特色的自适应控制系统。的自适应控制系统。l1以方案选择式优选配时方案与单点感应控以方案选择式优选配时方案与单点感应控制作调整相结合的控制系统制作调整相结合的控制系统SCATS为代表为代表l2方案形成式那么以方案形成式那么以SCOOT为代表为代表一、一、SCATSlSCATS(Sydney Co-ordinated Adaptive Traffic System)l是一种实
22、时自适应控制系统,由澳大利亚开发。是一种实时自适应控制系统,由澳大利亚开发。20世纪世纪70年代开场研究,年代开场研究,80年代初投入使用。年代初投入使用。l控制构造为分层式三级控制:控制构造为分层式三级控制:l1中央监控中心中央监控中心l2 地区控制中心地区控制中心l3信号控制机信号控制机lSCATS在实行对假设干子系统的整体协在实行对假设干子系统的整体协调控制的同时,也允许每个穿插口调控制的同时,也允许每个穿插口“各自各自为政地实行车辆感应控制,前者称为为政地实行车辆感应控制,前者称为“战略控制,后者称为战略控制,后者称为“战术控制。战术控制。这样可提高控制效率。这样可提高控制效率。lSC
23、ATS实际上是一种用感应控制对配时实际上是一种用感应控制对配时方案可作局部调整的方案选择系统。方案可作局部调整的方案选择系统。SCATS优选配时方案的各主要环优选配时方案的各主要环节节l1.子系统的划分与合并子系统的划分与合并l 1子系统的划分由交通工程师根据交通流量子系统的划分由交通工程师根据交通流量的历史、现状数据与交通网的环境、几何条件予的历史、现状数据与交通网的环境、几何条件予以判定。所定的子系统以判定。所定的子系统110个穿插口组成作个穿插口组成作为控制系统的根本单位。为控制系统的根本单位。l 2在优选配时参数的过程中,在优选配时参数的过程中,SCATS用用“合合并指数来判断相邻系统
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