城市道路交通控制技術

　　1.1傳統的城市道路 交通控制 技術

　　城市道路交通控制領域的研究可以分為兩大類:一類是交通控制理論的研究，另一類是交通工程 實踐的研究。前者從系統工程理論、大系統理論及最優控制的角度出發，對城市道路交通這一典型的大系統進行研究;后者交通工程師的實踐，是許多實際交通控制系統產生的重要基礎。

　　1.1.1城市交通 控制理論

　　國外從二十世紀六十年代初期就己經開始對城市道路交通控制領的研究，發展到二十世紀七十年代，隨著大系統理論和系統工程理論的現，城市區域交通控制有了一些大的發展。其中，W比ster(1958)Mllier(1963)分別針對固定周期的信號控制 建立了以車輛平均延誤最小目標的信號配時模型及其計算方法，前者的方法仍然是今天定時信號控的基礎。對于固定周期的信號優化，最著名的研究工作出自GazisPo(st1963)，他們最先對單向交通、無轉向車流的交又路口的信號控制題進行了研究，建立了交通流的連續時間模型，并導出了最優化條件。后，Gazsi(1964)對由兩個這樣的交叉口構成的簡單交通網絡進行了優化究。后來許多學者的研究工作都是基于Gazis理論，并且將其擴展到由多交叉路口組成的交通網絡。

　　由于交通檢測技術的制約，在早期的交通模型中，因為缺乏實時的通流信息，所采用的控制策略不能完全適應交通流的動態變化。為了能適應交通流的動態變化特性，近幾十年來，許多學者提出了不同的優化制方法，但這些方法大多都存在復雜的計算要求，并且缺乏路口之間交流的禍合模型。在這些研究中，snigh的工作較為突出，他首先運用大系統的觀點和方法，將大系統遞階控制的目標協調法和Tam盯a的改形式應用于城市交通網絡控制，建立了飽和交通流狀態下的網絡模型及兩級分解控制算法。Singh建立的模型和兩級控制算法原理簡單、物理義清楚，然而存在兩個主要問題:其一是優化變量僅為綠信比，沒有對期和相位差進行優化;其二，模型中的約束方程為強不等式，優化處理需要梯度運算，計算量很大，難于用于實時控制。

　　沿著Sinhg的思路，一些學者做了改進性工作。Baras和Lveni。等運用隨機過程理論進行了深入細致的研究，得到了一些新的研究成果，189]。B盯as和Levine構造的系統模型考慮因素全面、準確性較高，同時將網優化問題轉化為典型的隨機控制問題，為利用現有技術打下了基礎。Bar模型的缺陷是:問題求解時依然面臨計算量大和維數災難的問題，同時為成熟的隨機控制問題往往是建立在分離理論的基礎之上，而由于交通題的特殊性，分離定理此時并不成立I’“〕。除以上兩大類較有代表性的工作外，不少學者從其他方面做了探索性研究，取得了一定的階段性成果。

　　國內學者對城市交通信號 優化控制技術也進行了大量的研究。其中，李立源等人(l993)研究了交叉路口的最優控制問題，建立了交通流的最優預測模型，提出了一種交叉路口的在線最優控制方法。黃輝先等人(2001)研究了單交叉口四相位控制方式下的信號控制問題，在當前周期的基礎上實現了對下一周期交通流的預測和優化控制。上述兩種方法僅僅考慮了單個周期的信號優化問題，而沒有考慮整個控制周期內信號周期間的交通流藕合關系，因此嚴格地講是一種靜態的優化控制方法。萬緒軍等人(2001)研究了城市交通干線的信號優化問題，建立了以車輛延誤最小為目標的相位差優化控制模型，但作者并未對模型的求解算法及控制效果做進一步的研究分析，而且對信號周期和綠信比未做任何優化。此外，國內學者劉智勇、史忠科、王煒、陳森發等人也從不同的角度對城市交通信號優化技術進行了研究。

　　以上這些研究成果各有千秋，雖然大多僅僅在理論上進行，且均有一定的局限性，但它們為交通控制實踐提供了許多有益的新思想和新方法，推動著城市交通信號控制的不斷發展。應該看到，盡管人們對城市交通信號優化與控制技術進行了長時間的研究和探索，并取得了一些積極的研究成果，但是，由于交通系統的復雜性，交通信號優化控制技術的發展遠未完善，對于交通信號動態優化控制策略及其工程實現的研究仍然是當前交通控制工程領域研究的重要內容之一。

　　1.1.2城市交通控制系統

　　城市道路交通控制的另外一個發展方向，是出現了一些相對實用的交通控制系統，比較有代表性并且在交通實踐中取得較好應用效果的有TRANSYT、SCOOT和SCATS等。

　　1)TRANSYT一交通網絡研究工具TRANsYT(TrameNetworkstudyToolS)[2.6]是由英國道路研究所(TRRL)花費近十年時間研制而成的。自從1968年第一版問世以來，經歷不斷改進，己經發展成為先進的TRANSYT/9型。系統采用靜態模式，綠信比與相位差為控制參數，優化方法為爬山法。TRANSYT是最成功靜態系統，己被世界上400多個城市所采用，產生了顯著的社會經濟效該系統的不足之處是:計算量很大，很難獲得整體最優的配時方案，需大量的路網幾何尺寸和交通流數據的支撐。

　　2)scooT一綠信比、周期和相位差優化技術SCooT(SplitCyeleandosffetoptimizationTeehnique)[2’l是TRRLTRANSYT的基礎上發展起來的一種交通網絡實時協調控制的自適應控系統，于1979年投入使用。SCOOT仍采用了TRANSYT的交通模型，揚長避短，獲得了明顯優于靜態系統的效果，是現今主流的城市交通控系統之一。SCOOT系統采用聯機實時控制的動態模式，對周期、綠信與相位差進行控制，采用小步長漸進尋優方法。但SCOOT相位不能自增減，相序不能自動改變，現場安裝調試時相當繁瑣等不足是有待改進

　　3)SCATs一悉尼協調自適應交通系統

　　SCATS(sydneyeoordinatedAdaptiveTrarfi。system)[281是由澳大利Sims等人在二十世紀七十年代末期進行開發并于八十年代初投入使用城市交通控制系統。SCATS采用了分層遞階的控制結構，其控制中心備一臺監控計算機和一臺管理計算機，二者通過串行數據通訊線路相連。區級的計算機自動把各種數據送到管理計算機。監控計算機連續地監視有路口的信號運行和檢測器的工作狀況。地區主控制器用于分析路口控器送來的車流數據，確定控制策略，并對本區域各路口進行實時控制，時把收集到的所有數據送到控制中心作為運行記錄并用于脫機分析。路控制器主要是采集分析檢測器提供的交通數據，并傳送到地區主控制器，同時接受地區主控制器的指令，控制本路口信號。SCATS采用地區級聯控制、中央級聯機與脫機同時進行的控制模式，以類飽和度綜合流量最為系統目標，無實時交通模型，控制參數為綠信比、相位差和周期。SCAT作為一種先進的交通控制系統，在世界上許多城市的交通控制中起著重的作用，但同時存在以下缺點:沒有實時交通模型，而是根據類飽和度綜合流量從既定方案中選擇信號控制參數，限制了控制參數的優化程度;選擇相位差方案時，無車流實時信息反饋，可靠性低;無法檢測到排隊長度，難以消除擁擠等。

　　需要說明的是，雖然以上幾種系統已經在實際中得到應用，并取得了一定的期望效果，但是這些系統所采用的方法或者是離線優化方式(TRANsYT)，不能適應交通流的動態變化，或者雖然是在線優化方式(SCATS)，但因無實時的交通流模型而導致優化程度較低。SCOOT雖然不存在這方面的問題，但是對于交通量接近飽和或者己經飽和的交通狀態，控制效果并不理想。因此，有必要研究更加先進的交通控制系統以進一步適應城市交通對于信號控制的要求，而先進的信號優化控制理論是實現這一目的的前提條件。