作者：王殿海等
出版社：电子工业出版社
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城市交通控制理论与方法试读：
前言
人们司空见惯的交通信号灯是城市交通控制的具体表现，看似简单的红绿灯背后蕴含着城市交通管理者的交通管理理念和策略。简单地理解，交通控制意味着出行者在交叉口的安全、秩序、效率和公平，如果深入探讨，交通控制还能实现大范围的交通流科学组织、合理利用交通设施、节约出行者时间等目标。诚言，当交通供需矛盾到达一定程度后，再优秀的交通控制也不可能从根本上解决交通拥堵问题，但不合理的交通控制却会加剧交通拥堵，因此，在城市交通供需矛盾愈加激化的今天，交通控制系统的研究显得尤为重要。也正因如此，国家“863”计划主题项目立项研究“大城市区域交通协同联动控制关键技术”，“区域交通动态协同优化控制技术”作为该项目的课题之一，重点研究城市交通控制相关问题，本书正是结合该课题研究成果整理而成的。
本书共9章。第1章论述了区域交通动态协同优化控制策略；第2章论述了城市交通信号控制中的关键参数与基础理论，为构建区域交通动态协同优化控制的理论与方法奠定基础；第3章论述了面向交通控制的交通数据获取的基本手段、交通检测器的优化布设方法、交通数据的筛选、恢复与预测方法以及交通数据的预处理流程；第4章论述了基于固定检测器信息的单点、单路段的交通状态判别方法以及基于二流理论提出的路网宏观层面的状态判别与划分方法；第5章阐述了交通控制子区划分策略、动态划分指标——关联度的量化方法以及划分方案动态调整方法；第6章给出了未饱和状态下的城市交通流特性和构建相应的交通信号控制理论与方法；第7章以过饱和状态为研究对象，分述集群过饱和及孤立过饱和两种情况下的信号控制技术；第8章介绍了公交优先信号控制策略以及常见的单点公交优先信号控制方法和干线公交优先信号控制方法；第9章阐述了快速路匝道控制策略和控制方法。王殿海负责全书内容框架设计，约占总工作量的10％，金盛、马东方、别一鸣、祁宏生负责整理完成具体内容，分别完成总工作量的30％、25％、20％和15％。
课题研究是在项目首席科学家关积珍领导下进行的，成果的取得与他的总体协调和各方面的帮助是分不开的，在此提出特别的感谢。课题在进行过程中，浙江大学的王慧教授、王福建副教授、梅振宇副教授、孙轶琳博士，东南大学陈峻教授及其团队，清华大学李志恒教授及其团队，中山大学余志教授及其团队等付出了大量心血，在此向他们表示感谢。饮水思源，在这里要特别感谢吉林大学交通学院交通控制团队的曲昭伟教授、陈永恒副教授、李智慧副教授、宋现敏副教授、胡宏宇副教授、陶鹏飞博士以及该团队毕业的博士、硕士研究生，本书的五位作者六年前曾与他们并肩作战，成果包含了他们的基础工作和相关成果。在此，还要感谢海信网络科技股份有限公司的同事们，是他们提供了课题相关研究成果的应用环境，使得一些理论成果转化成实用技术。
由于时间仓促和作者水平有限，错误之处在所难免，敬请读者批评指正。王殿海2016年于浙江大学紫金港校区第1章 绪论
我国正处于城镇化和机动化双重发展的高潮期，城市交通问题已经成为制约城市发展的瓶颈。缓解城市交通拥堵，创造一个健康有序可持续发展的城市环境是摆在政府面前的一道难题。国内外的实践证明，单纯依靠道路建设不可能有效地解决交通拥堵问题，采用先进的智能化交通管理手段已成为缓解交通拥堵的必然趋势，而城市交通控制是智能化交通管理的核心之一。交通控制策略是进行交通控制算法设计、交通信号系统开发的前提与基础。1.1 交通控制基本理念1.1.1 交通控制定义
交通控制，也可以称为交通信号控制，是针对在空间上无法实现分离的地方（主要是在平面交叉口）采用在时间上给交通流分配通行权的一种交通指挥措施。其主要依靠交通警察或采用交通信号控制设施，随交通变化特性来指挥车辆或行人通行。随着信息采集技术、计算机技术、通信技术与网络技术的飞速发展，交通控制已经逐步由传统的定时方案控制转向依据检测设备得到的交通流运行特性实时进行优化的智能控制，以期达到保障安全、提升效率、优化路权的目的。
交通控制系统是保障交通秩序的主要设施，它集成了交通管理者的管理理念和意图，不仅仅通过交通信号为竞争的交通流分配时空资源，而且要最大限度地提高交通系统运行效率。从微观层面上讲，一个好的交通控制系统应能使交通流以最小的延误通过交叉口；从中观层面上来讲，一个好的交通控制系统应能使交通流主体顺畅地通过一个交叉口群，实现干线或区域协调控制；从宏观层面上来讲，一个好的交通控制系统应能对交通流起到调节作用，使得交通流在路网上有一个合理的分布，即实现网络交通流的动态平衡。1.1.2 交通控制基本原则
交通控制是在给定控制策略下，以安全、效率、公平为目标，通过信号配时参数优化对交叉口时空资源在竞争交通流之间进行优化配置，从而维持交通秩序、提高交通效率，是现代交通管理的核心技术之一。从本质上来说，交通控制是一种通行权的分配，是通过信号手段在时间上分配不同交通流的通行权。因此，在进行交通控制策略制定、算法研究时，需要考虑如下四个基本原则。
1）安全保障
安全保障是整个交通信号控制中最基础也是最重要的原则，在进行交通信号控制时必须确保所有交通参与者（社会车辆、公交车、非机动车、行人）的安全，特别是在通行权更迭时，必须保证多股冲突交通流之间的安全间隔时间。交通信号控制的相关算法设计（感应控制、黄灯设计等）与设施设置（倒计时、可变导向车道等）必须以安全为前提。
2）权利均衡
权利均衡是指所有交通参与者在交通控制中应当平等地享有通行权，在交通控制的通行权分配中，针对不同类型的交通参与者应当坚持公平原则，避免单纯以机动车为主导的交通信号控制。
3）效率优先
效率优先是指交通控制系统对不同交通方式、不同冲突交通流进行通行权时间分配时，应以控制区域整体运行效率为目标。
4）弱势保护
弱势保护是指在交通信号控制中需要对支路车流、非机动车、行人等在优化中考虑较少的弱势群体给予一定的通行时间保护，在确保安全与一定效率的提前下满足这部分交通流的通行需求。1.1.3 交通控制目标
早期交通信号控制的主要目标是分离冲突、确保安全、平衡路权。随着交通需求的快速增加，交通拥堵的加剧，交通信号控制作为一种交通管控手段也起到了减少延误、提升路网运行效率的作用。城市交通控制的四项原则可以归纳为两大目标，一是安全，二是效率。要实现这两个目标，交通秩序是前提，在一定的道路条件下，交通秩序由道路交通法规和交通控制系统来保障。前者为交通参与者确定了行为规范，后者则为竞争的交通流分配时空资源，从而使交通参与者在确定的行为规范下合理、高效地利用有限的时空资源，避免不必要的交通冲突，实现交通流的安全、高效运行。
一般来讲，任何一个城市的交通需求按其时空分布均可分为低峰、平峰和高峰时段，且不同时段下的交通状态演化过程具有一定的规律性。一个优秀的交通控制系统应能根据交通状态的变化规律自动地选择相应的控制策略，以实现管理者的管理理念。具体地讲，在低峰期系统应能根据传感器的上传数据自动生成或选择控制方案，以使出行者尽快通过交叉口，避免时空资源浪费；在平峰期系统应能对相关联的信号交叉口进行协同优化，使得关联交叉口所形成区域交通流有一个最佳交通状态；而在高峰期城市部分交通子区或交叉口经常会出现瓶颈现象，此时的控制系统应能自动预测和识别交通瓶颈，并能通过信号配时改变部分出行者出行路径，避免交通瓶颈的发生或消除已发生的交通瓶颈。因此，在不同的交通状态下，交通信号控制的优化目标是不同的。
在低饱和状态下，交通控制的目标是最小停车次数，即通过减少车辆停车次数，使得车辆在单个交叉口的延误及停车最少；在中饱和状态下，交通控制的目标是最小车辆延误，即通过降低车辆延误，使得车辆能够快速连续通过多个交叉口，有效发挥干线绿波效益；在高饱和状态下，交通控制的目标是最大通行能力，即通过提升交叉口的通行能力，使得交叉口能够通过更多的车辆。在过饱和状态下，交通控制的目标是防止排队溢出，即通过限制进入过饱和区域的车辆，有效缓解过饱和区域的交通拥堵状况，防止车辆排队过长导致排队上溯，进而导致多米诺效应。因此，针对不同的控制优化目标，需要制定不同的交通控制策略，研发不同的交通控制算法。1.2 交通控制策略1．交通控制策略概念
交通控制策略是为实现城市交通控制理念和目标而采取的方案集合。具体地讲，一个深思熟虑的交通控制策略，应包括管理者交通治理理念、期望达到的目标以及实现目标的技术方案。交通控制系统的使用者和开发者由于站位和思考问题的角度不同，对交通控制策略的理解有着明显的区别。2．使用者策略
使用者策略实际上就是使用者的系统选择策略。就一个具体的城市而言，其交通控制策略应该是针对该城市具体情况的整体控制方案。策略的制定过程既是对控制理念、控制目标的梳理过程，也是城市交通控制系统使用者（城市交通管理者）对控制系统的选择过程。这两个过程都需要决策者仔细考虑城市的路网特性、交通流规律、投资能力、城市所处的发展阶段等因素，确定数据采集与处理方式、通信方式、控制方式等，从而在已有的交通控制系统中选择合适的产品。3．开发者策略
开发者策略也可以说是交通控制系统的产品策略。产品开发者要考虑各种城市的交通控制需求，要对不同城市的控制理念、控制目标、路网特性、交通流规律、投资能力、城市所处的发展阶段等进行归纳和分类，从而有针对性地进行产品开发，适应市场需求。此外，作为产品开发者，更该注意新技术的使用，解决城市交通出现的新问题，给出引导城市交通管理技术进步的新策略。
不论是使用者策略还是开发者策略，都存在一些共性的因素需要在控制系统的选择或开发中认真考虑。1.3 城市交通特性
城市交通特性可分为静态的城市路网特性与动态的交通流运行特性。对城市交通特性进行深入的分析，剖析其内在规律是进行交通控制系统设计与研发、交通控制策略制定的前提和基础。1.3.1 城市路网特性
我国城市道路类型分为快速路、主干路、次干路和支路，不同的道路等级其交通流特性和所处区域交通的地位不尽相同。根据道路分级情况，将路网交叉口按其重要程度划分为快速路匝道进出口、战略交叉口、战术交叉口和一般交叉口进行控制。（1）快速路匝道是快速路与城市路网连接的通道，主要承担着快速路车流的汇集和疏散功能。通过匝道控制可以有效改善快速路的交通状况，提高城市大区域交通转移的效率，进而带动整个城市交通的改善。（2）战略交叉口指交通强度大且能反映区域交通特点的主要交叉口，一般为主干路和主干路相交的节点以及部分复杂交叉口。战略交叉口能够代表城市交通的特点，对交通控制效果起着关键性的作用。（3）战术交叉口指交通强度较大且在协调控制中起重要作用的交叉口，一般为主干路和次干路相交的节点以及部分复杂交叉口。战术交叉口的地位比较重要，对交通控制效果有着明显的影响。（4）一般交叉口指支路和主干路或次干路相交，应采用信号控制的交叉口，一般地位不重要，处于从属地位。
对路网进出口分级后，可以根据不同的控制层次采用不同的信息采集手段和控制策略。1.3.2 交通流特性
混合交通是我国城市交通的显著特征之一。机动车、非机动车、行人相互干扰严重，在交叉口尤其突出，这是交叉口运行秩序混乱的主要原因。混合交通使交叉口饱和流量和通行能力显著降低，而对城市交通流特性的深入分析能够有利于制定更加合理完善的交通控制策略。尽管城市交通流特性异常复杂，但交通流仍然具有明显的规律性，具体表现在时间性、系统性及相关性三个方面。（1）时间性：交通流一天内的变化具有很强的时间分布规律，有高峰、平峰和低峰3个阶段，且呈周期性变化。一周内的交通流变化也存在明显的时间分布规律，工作日与工作日之间、非工作日与非工作日之间都存在相似性。（2）系统性：交通流的生成具有很强的聚集特征，其聚集过程为从街巷到支路再到干道，表现出显著的系统性，城市中所有的交通流是一个统一体。（3）相关性：交通流的相关性主要表现在时间相关性、空间相关性和事件相关性三个方面。时间相关性指所有交叉口的交通状态随时间的变化规律具有相似性；空间相关性指某些不同位置（甚至相距很远）交叉口的交通状态变化具有很强的一致性，变化过程极其类似；事件相关性指交通流的某些异常变化会通过点、线、面的运动而传播。1.4 交通控制方式与方法1.4.1 交通控制方式划分
交通信号控制方式可以根据控制范围和控制原理的不同分别进行划分，具体划分如图1-1所示。图1-1 交通控制方式划分
从控制范围上，交通信号控制方式可以划分为单点控制与协调控制。单点控制又称为“点控”，用于距离上下游交叉口较远、车流到达不受上下游交叉口信号影响的孤立交叉口或快速路出入口匝道的信号控制。协调控制根据协调交叉口的数量及结构可以分为干线协调控制与区域协调控制。
交通信号干线协调控制，也称“绿波控制”，是把干道上若干距离较近的连续交叉口的交通信号连接起来，对各个交叉口进行统一的信号方案设计与配时参数优化，使得各个交叉口的信号方案协同运行，有效减少干道车辆的停车次数与延误。干线协调控制是区域协调控制系统中的一个组成部分，是区域协调控制的一种简化形式。
交通信号区域协调控制，也称为“面控”或“网络控制”，是把某一区域内所有信号交叉口全部纳入统一的交通管控中心进行统一配时优化的控制方法，它是以整个区域的综合效率提升为优化目标进行配时参数优化，可以因地制宜选择合适的控制方法。区域协调控制系统，从控制策略上可分为定时式脱机操作控制系统和感应式联机操作控制系统；从控制方式上可分为方案选择式和方案生成式；从控制结构上可分为集中式计算机控制结构和分布式计算机控制结构。
从控制原理上，交通信号控制方式可以划分为预设时间控制和交通响应控制。预设时间控制方式是指根据一天中不同时段的历史平均交通流到达规律，划分一个或多个控制时段，根据每个时间段的交通流数据特性离线计算得到信号配时参数并预先存储在交通信号控制机中。信号机根据系统的当前时间自动选择并切换相应的信号方案。交通响应控制根据响应方式的不同可以划分为感应控制与自适应控制两类。
感应控制是指通过交通数据检测设备实时获取个体车辆的到达信息，针对具体的控制目标建立相应的逻辑规则，在较小的时间颗粒度下进行在线控制参数调整，以更好地适应交通流的变化。感应控制的主要形式有以下两种：①半感应信号控制。在部分进口道上（一般为次要路口）设置车辆感应检测器，平时主干道维持长绿信号，只有当支路上有车辆到达交叉口并触发检测设备时，才给予通行权。这种控制一般适用于主干道交通流量大，而支路交通流量较小的交叉口；②全感应信号控制。所有进口道上都安装车辆感应检测器，两条相交道路分别根据车辆到达情况自动延长或者截止绿灯信号。当两条相交道路的交通量都比较小时，两个方向的信号均维持最小绿灯时间，此时它相当于定时周期控制；当交通量较大时，可自动延长绿灯时间。全感应信号控制适用于相交道路的交通流量都比较大、且交通需求波动较大的情况。
自适应控制是把交通网络看作一个不确定系统，系统能够通过连续测量该不确定性系统的状态（如车流量、停车次数、延误时间、排队长度等特征），跟踪并预测交通状态的变化趋势，针对一定的控制目标进行交通信号配时参数的优化，使得控制效果达到最优或次最优。目前，由于自适应控制的灵活性、可用性和最优性，自适应控制已经成为交通控制方式发展的主要趋势。自适应控制方法通常包括两类：一是在线生成式，即通过车辆检测器，实时采集交通量数据，在线求解最佳信号配时方案，然后进行信号控制。该方法能够及时响应交通流的随机变化，控制效果好，但实现复杂而且计算量比较大。二是方案选择式，根据不同的交通流，事先配置各种配时方案，储存在中心计算机内，系统运行时按实时采集的交通量数据，选取最适用的配时方案，实施信号控制。随着技术的发展，自适应控制不仅能够根据交通流变化规律生成最优信号配时方案，而且能够根据恶劣天气或特殊突发事件下的应急需求，生成特殊的交通控制策略。1.4.2 交通控制方法体系
针对不同的控制对象、控制策略与控制目标，需要制定不同的交通控制方法。图1-2是区域交通动态协同优化控制方法的体系结构图，根据不同的交通状态划分，建立了交通控制方法体系。该体系包括交通状态判别与评价、交通控制子区划分、交通控制方法三大部分。
交通状态判别与评价是进行交通控制的前提与基础。交通状态的判别为交通控制策略的制定、交通控制目标的确立与交通控制方法的选择提供了基础。交通状态的评价是对交通控制效果的评估与反馈。
交通控制子区划分是进行区域交通控制的基础，通过动态子区划分实现不同类型控制子区范围的界定，包括匝道协同控制子区、平衡控制子区和协调控制子区等。
交通控制方法包括动静态协调控制、匝道控制、平衡控制、增容控制、协调控制、通行控制、慢行交通控制、公交优先控制等方面。
交通控制方法从控制的空间维度来说，可以分为宏观、中观、微观三个层面；从控制的优先级来说，可以分为五级。图1-2完整清晰地表现了区域交通动态协同优化控制各算法之间的逻辑关系及相互转化过程。图1-2 区域交通动态协同优化控制体系结构1.5 交通控制系统的构成
典型的交通控制系统由交通模型与算法、交通信息采集设备、交通信号控制机、通信传输系统和交通管控中心这五部分构成，如图1-3所示。其中，交通模型与算法是整个交通控制系统的核心与灵魂，是生成交通信号方案与配时参数的关键；交通信息采集设备主要是获取外界道路交通信息，包括交通流信息以及环境信息等；交通信号控制机是交通控制策略与方法的执行机构，能够根据自动生成或中心下发的信号配时方案驱动信号灯显示相应的灯色；通信传输系统是交通管控中心与路口信号机进行通信的重要保障，负责将信号机获取的交通流数据传输给交通管控中心，并将交通管控中心优化生成的信号配时参数下发给相应的路口信号机；交通管控中心是整个交通信号控制系统的决策机构，负责对所有路口的信号机进行统一的监视与管控，综合各信号机上传的数据统一进行研判分析、制定交通管控策略、生成交通信号配时方案并下发至信号机。图1-3 交通控制系统的基本构成
从另外一方面看，交通控制系统由软件和硬件两大部分组成。其中，交通数据的采集与处理、信号控制策略制定、信号配时参数优化及其相关的系统程序、控制程序等属于软件部分；而交通检测器、交通信号控制机、通信设备、交通管控中心的中央计算机等设备属于硬件部分。1.5.1 交通模型与算法
交通模型与算法是支撑整个交通信号控制系统的核心，不同的交通模型与算法决定了交通信号控制系统的信息采集方式、交通控制策略与控制效果。面向交通信号控制的模型与算法主要包括：交通检测器的优化布设方法、交通数据的处理理论与方法、间断流与连续流的相关理论、排队论与延误理论、单点交通信号配时参数优化方法、干线协调优化控制理论与方法（绿波带优化方法）、区域交通信号协调控制理论与方法、匝道与可变限速控制的理论与方法等。1.5.2 交通信息采集系统
交通信息采集是交通控制系统的初始环节，为其他系统提供基础数据。交通信息采集系统主要通过线圈、微波、超声波、视频、车载GPS、电子标签等多种检测手段采集交通信息，信息主要包括交通流量、饱和流率、时间占有率、速度、行程时间等。系统通过采集到的信息获得实时的交通流数据，将其存入信息中心数据库中，为交通信号控制系统参数优化等提供数据支撑。
在交通信息采集中，采集质量的高低直接影响到整个交通控制系统的运行效果。为了确保交通控制系统的正常、高效运行，针对信息采集过程中出现的问题，在交通信息采集的过程中必须遵守下面两个基本原则：①信息采集的全面性，即在进行信息采集时，尽量采集监控区域内所有或绝大部分的交通信息，从而保证充足的样本量，减少采集信息与实际状况之间的误差；②信息采集的有效性，即保障能够及时发现由于系统发生故障或受环境变化导致的检测结果失真，从而剔除错误数据，以免影响后续的信息处理。
交通信息采集系统主要包括外置检测设备和中心数据处理两部分，其中外置检测设备分为固定式车辆检测器和移动式车辆检测器两种；中心数据处理就是交通信息中心的交通流分析处理子模块。固定式车辆检测器包括线圈、微波、超声波、视频、地磁等检测手段；移动式车辆检测器包括车载GPS、电子标签、蓝牙、车路协同设备等检测手段。1.5.3 交通信号控制机
交通信号控制机是交通信号配时方案的本地执行设备，需要具备本地交通信息采集处理、交通信号方案执行、与控制中心通信等基本功能。为了满足现代智能交通的要求，信号机需具备以下几种功能：（1）联机控制：在联机控制方式下，交叉路口的信号机受上位控制计算机的控制，信号机将自身的运行状态、控制方式、路口车辆检测器的信息通过通信网络传至上位机，并且接收上位机的控制信息，执行相应的控制方案。（2）车辆感应控制：在感应控制方式下，交叉路口的信号机不受上位计算机的控制，而是根据该路口各个方向检测的车流量，选择某一控制策略，使得通行能力最大、或排队长度最短、或堵塞最小，实现对路口车流量的优化控制。（3）多时段控制：在多时段控制方式下，用户将一天划分为多个时段，并为每个时段设置一个方案，信号机按时间顺序在不同的时段内执行相应的方案。多时段控制方式至少需要设置一个时段和与之对应的方案，否则多时段控制无效。而对于平时和特殊日（法定假期、节日等）的时段划分和方案设置可以有所不同，并通过对信号机进行特殊日设定，使得信号机能在特殊日运行相应的时段方案设置。（4）定周期控制：在定周期控制方式下，信号机将循环执行指定的周期方案，使信号灯灯色按固定周期循环变化。（5）手动控制：手动控制用于需要人工干预的特殊情况。可以通过信号机控制面板上的手动按钮开关实现自动与手动切换，其步伐的切换通过手动步进按钮实现。手动控制方式结束后，按原定周期，多时段，感应控制和联机控制的顺序各执行一个周期以测试信号机，最终执行最高级的可执行控制方式。（6）闪光控制：交叉路口的黄灯或红灯以规定的频率进行闪光控制。信号机在下述4种情况下进入闪光控制：①软件设定：用户可以通过控制面板来设置各种日期类型的闪光起始时间和终止时间。在多时段控制方式下，在到达设定时间时信号机自动进入或退出闪光状态。②维修手动：在信号机需要维修时，用户可以把面板上的闪光开关拨到“闪光”状态，信号机立即进入闪光控制，直到闪光开关被拨到另一状态。③绿冲突故障：信号机可以对绿灯信号进行检测，通过冲突逻辑分析，实现绿冲突检测功能。当产生绿冲突现象时，信号机将自动进入闪光状态。④自动降级：自动降级功能是指信号机发生故障时，信号机按照联机控制、感应控制、多时段控制、定周期控制和闪光控制的顺序实现控制方式的降级，以保证对路口交通的有效控制。（7）调光控制：调光控制是指信号控制机对信号灯亮度的调节，用户可以通过人机接口部分，为信号机设置调光控制的起始时间和终止时间，信号机在到达设定时间时进入或退出调光控制。在进入调光控制后，信号机原来的控制方式和控制方案不变，但信号灯的亮度有所下降。该控制方式主要适用于夜间控制，避免因为光线过强而使司机“眩目”。（8）灭灯控制：同闪光控制方式一样，用户可以通过人机接口部分设置信号机灭灯的起始时间和终止时间。到达设定的起始时间时信号机的信号灯将全部熄灭，到达设定的灭灯终止时间时信号灯将启亮，执行其他相应的控制方式。灭灯控制一般用于夜间车流量较小的场合。1.5.4 通信传输系统
交通控制系统中的通信传输系统是信号传输的介质和设备的总称。无论是获取信息还是发布指令，都离不开通信传输系统，交通控制系统的发展很大程度上受通信传输技术发展的影响，通信传输系统的效率和质量也决定了交通控制系统能否正常运行。交通控制系统需要在信息中心和交通信息采集设备、信号控制机以及诱导设备之间上传和下载各种数据信息。
交通信息采集设备和交通信号控制机发送上传的数据信息主要包含有：①检测数据，包括检测器检测到的交通量、速度、占有率和视频图像等；②设备故障信息，包括设备的工作状态与故障；③信号灯灯色信息，包括当前控制点信号灯的灯色状态；④交通信号控制器配时参数，包括信号周期、绿信比、相位、相位差等；⑤工作模式信息，包括交通信号控制机等设备的当前控制模式等。
交通信息采集设备和交通信号控制机接收下载的数据信息主要包含有：①时间信息，用于校正交通信号控制机的时间；②状态查询信息，用于及时、准确地查询交通信息采集设备和信号控制机的当前工作状态（包括车辆检测器的状态、信号机的工作状态、信号灯的状态）及故障情况；③交通信号控制器配时方案信息，用于更新交通信号控制器的信号周期、绿信比、相位差等主要工作信息；④工作方式，用于设定、改变交通信号控制机的工作方式；⑤其他人工指定命令，用于在某些特殊的交通条件下，对某些道路实现强行控制，同时要求交通控制设备能够及时、准确地接收并执行信息中心发出的指令。
按传输介质的不同，通信传输方式主要有有线通信和无线通信两种，其中有线通信包括光纤通信和电缆通信，无线通信包括GPRS、CDMA两种主流通信方式。下面对目前几种常用的通信传输方式进行比较，如表1-1所示。表1-1 各种通信方式的比较通信方式优点缺点·通信容量大，传输距离长·需要光电变换部分·抗电磁干扰，不受强电、·分路、耦合不方便电气和雷电干扰，抗电磁·需要高级的切断接续技术脉冲能力强光纤通信·光纤抗拉强度低·信号串扰小，保密性能好·弯曲半径不能太小·信号衰减小，传输损失小·施工难度大·适应性强，寿命长·初期投入费用较高·方向性强·传输速率较低·技术比较成熟·受宽带技术发展的影响，电缆通信·线路覆盖的基础范围比较面临被其他通信方式取代广的趋势·容易受外界环境干扰，尤·网络建设主动、灵活，可其是电离层的电磁干扰严以利用现有无线网络运营重商的成熟网络·传输速率较低无线通信·初期投入较小·网络稳定性难保证，容易·方便与现有网络融合出现较长的时延·通信范围广·安全性较差·需要长期的运营投入
通过分析和比较，可以看出各种通信方式均有不同的优缺点。在交通控制系统中，应根据不同的数据传输需求，选择不同的通信方式。如信号控制、可变情报板与中心间的通信由于实时性、安全性要求较高，适合选用光纤通信；交通流信息采集设备与中心间通信的特点是，带宽需求较小、光纤线路难以到达路口以及对数据量要求不高，因此适合采用无线通信。车辆子系统与路边子系统之间的信息通信简称为“车—路通信”，是运行中的车辆与固定的道路上通信设施间的通信，即动体与定体间的通信，不能用有线通信而使用无线通信，但车辆与路边通信设施间的距离较近，因此可用专用短程无线通信（DSRC）。车辆与车辆之间的通信，简称“车—车通信”，是运行中车辆动体与动体间的通信，必须用无线通信；车辆与交通信息中心之间的通信，则可由路边子系统转送到中心系统。1.5.5 交通控制中心
交通控制中心采用现代检测技术、计算机技术和网络通信技术等最新技术，实现现代交通更多更复杂的交通信号控制功能。控制中心能根据区域内的综合交通信息制定相应的信号控制策略，促使交通流在整个区域路网内更加顺畅地运行，提高整个路网的运行效率。交通信号控制系统的结构如图1-4所示。图1-4 交通信号控制系统结构
区域控制服务器是控制系统的中间层，是自适应交通控制功能实现的主体，主要功能包括：数据管理、控制子区划分、饱和流量计算、交通强度计算、周期时长优选、绿信比计算、相位差计算和人工干预方案下载等部分。
中央控制服务器是控制系统的最高层，主要负责数据管理、交通状况分析、交通状况预测、脱机开发和人工干预方案下载等功能。交通状况分析分三个层次进行：宏观分析、中观分析、微观分析，是交通管理的重要组成部分。交通状况预测包括宏观交通状态预测、中观交通状态预测、微观交通状态预测，其中微观交通状态预测是交通控制方案优化的直接依据，宏观预测和中观预测是交通管理的内容。
交通控制中心的主要功能如下：
1）远程管理
中心客户端和区域客户端都能够设置信号机的控制参数，同时也可实时调看和修改路口信号机的配时参数。系统维护中心可通过远程接入方式，进行故障诊断和软件维护。
2）交通状态监视
运行状态监视：系统运行状态、路口设备状态、相位、优先、协调状态等。
交通参数监视：可监视信号控制系统检测到的流量、占有率、平均速度、车头时距等交通流参数以及子区各控制点的饱和度、平均延误等评价指标。
子区时距图：可以实时查看历史时距图，根据实际需要修改参数手动绘制时距图。
3）数据统计分析
路段流量统计：按日进行每小时平均流量统计，按周、月进行每日平均流量统计。
路口流量统计：路口日、周、月流量统计，路口指定时间间隔流量统计，路口服务水平统计。
路口指定方向流量统计：任意指定统计方向，统计时间可选。
路口流量、服务水平比较：比较两个及以上路口的流量或服务水平，可以指定比较的时间间隔，可以按车道或入口方向比较。
路口各车道流量、占有率统计：可以指定统计的时间间隔、统计流量或占有率，按车道或入口方向统计。
4）路网管理功能
系统需具备路网管理功能，可图形化增删查改区域、子区和路口的操作，方便相关人员操作。
5）控制方式选择
交叉口信号机将检测器检测到的路口交通流量实时传送到区域控制中心，控制中心依据交通流量和选择的控制方式，对信号机的配时方案进行优化，然后将优化参数由控制中心传送给路口机。控制方式有干道协调控制，动态方案选择控制，行人控制，紧急车辆优先控制，公交优先控制，快速路出入口控制，强制控制等。
6）故障管理
系统具备实时故障检测与故障管理功能，能够检测信号机自身故障及与信号机连接的其他设备故障，并进行故障的报警、分类、统计、维护、日志管理等功能。能够实时监控信号机所连接的机动车及行人信号灯的状态，对信号灯的短路、断路、黑灯、黄闪等故障进行自动报警，并在控制系统界面进行显示。能够实时根据采集到的检测器脉冲信号进行统计分析，当长时间没有脉冲信号时进行检测器故障排查与报警，及时发现检测器故障并有效进行维护，提高系统运行效率。系统能够对信号机相关设备，如主控板、检测板、相位板等进行实时的故障检测，当发生故障时，可以进行报警维护，并根据实际情况进行降级控制，有效减少故障带来的安全隐患。系统能够及时发现网络通讯故障并进行报警，同时能够进行降级控制，分析网络故障的原因，为及时消除故障提供有效依据。
7）日志管理
日志管理是指对系统事件进行记录和存储，包括系统故障信息记录，报警记录，故障处理情况记录，系统开机记录，方案调用记录，人工干预记录，系统登录和退出记录，操作员修改系统数据和键入命令的记录等。管理人员可以查询这些记录，进行分类统计和打印报表等。第2章 交通控制基础理论
城市交通控制涉及连续流与间断流理论、排队论、延误理论等一系列的理论与方法，这些方法是支撑城市交通信号控制的关键。本章将重点论述城市交通信号控制中的关键参数与基础理论，为构建区域交通动态协同优化控制的理论与方法奠定基础。2.1 信号控制关键参数2.1.1 基本参数定义
在交通信号控制中，经常涉及一些相关参数，这里统一对主要参数做一些扼要说明。
信号周期（cycle）：某一进口道的信号灯色轮流显示一次的时间/某主要相位的绿灯启亮开始到下次该绿灯再次启亮的时间；
显示绿灯时间（green time）：某一相位绿灯信号显示时间；
有效绿灯时间（effective green time）：能够被车辆利用的等效绿灯时间；
红灯时间（red time）：某一相位红灯信号显示时间；
黄灯时间（yellow time）：某一相位黄灯信号显示时间；
绿信比（split）：在一个信号周期内，相位绿灯显示时间与周期时间之比；
路口相位差（offset）：信号协调控制中，某交叉口与指定的参照交叉口周期的起始时刻或结束时刻之差；
协调相位的相位差（offset）：信号协调控制中，某交叉口协调相位与指定的参照交叉口协调相位的起始时刻或结束时刻之差；
损失时间（lost time）：信号周期内，不能够被车流所利用的时间，即任何车流都不能获得通行权的时间；
绿灯间隔时间（inter-green time）：上一相位绿灯结束与下一冲突相位绿灯启亮时刻之差；
饱和流率（saturation flow rate）：某一车道或车道组绿灯期间能够通过的最大流量；
通行能力（capacity）：某一车道或车道组每个信号周期内能够通过的最大流量（等于饱和流量乘以绿信比）；
流量比：某一车道或车道组实际交通需求除以饱和流率；
饱和度（degree of saturation）：某一车道或车道组实际交通需求除以通行能力。2.1.2 信号相位与信号阶段
信号相位（signal phase）是指在一个信号周期内分配给一股或多股独立交通流的一组绿、黄、红灯变化的信号时序，如果多股交通流显示某一种相同的交通信号时序，则它们属于同一信号相位。信号相位是针对某一股或者多股交通流而言的，根据交通流获得信号显示的时序来划分，有多少种不同的时序安排，就有多少个信号相位。
信号阶段（signal stage）是指在一个信号周期内，同时获得通行权的一个或多个交通流的信号显示状态。所有交通流通行权的一种组合形式称为一个信号阶段。信号阶段是针对交叉口所有交通流而言的，根据交叉口所有交通流通行权组合在一个周期内的更迭次数划分，一个信号周期内“通行权组合”更迭多少次，就有多少个信号阶段。
图2-1为典型的四阶段信号车流放行顺序示意图。在阶段1，放行东西直行和东西右转；在阶段2，放行东西左转和南北右转；在阶段3，放行南北直行和南北右转；在阶段4，放行南北左转和东西右转。由于东西右转和南北右转分别跨越了两个信号阶段，因此分别为两个独立的信号相位。图2-1 典型的四阶段信号车流放行顺序示意图
图2-2更加直观地描述了信号相位与信号阶段的区别。对信号相位而言，不同信号相位在一个周期内其灯色变化必然不相同。对信号阶段而言，在一个信号阶段内，分配给所有交通流的灯色必然相同。图2-2 信号相位与信号阶段示意图2.1.3 车流运行模式与损失时间
当一个交叉口的相位安排确定之后，车流通过交叉口时的基本运动特性如图2-3所示。这一基本模式是由克莱顿（Clayton）于1940—1941年提出的，后来沃德洛尔、韦伯斯特和柯布（Cobbe）等学者沿用并发展了克莱顿的模式，使之成为今天看到的图示。这一模式一直作为研究信号交叉口车流运动特性的主要依据。
图2-3所示的车流运动图示表明，当信号灯转为绿灯显示时，原先等候在停车线后面的车流便开始向前运动，车辆鱼贯地越过停车线，其流率由零很快增至一个稳定的数值，即饱和流量S（或称饱和流率）。此后，越过停车线的后续车流将保持与饱和流量S相等，直到停车线后面积存的车辆全部放行完毕，或者虽未放行完毕但绿灯时间已经截止。我们从图2-3可以看到，在绿灯启亮的最初几秒，流率变化很快，车辆从原来的静止状态开始加速，速度逐步由零变为正常行驶速度。在此期间，车辆通过交叉口（停车线）的车流量要比饱和流量低些。同样的道理，在绿灯结束后的黄灯时间（许多国家的交通法规允许车辆在黄灯时间越过停车线）或者在绿灯开始闪烁后，由于部分车辆采取制动措施而已经停止前进了，部分车辆虽未停止但也已经开始减速，因此通过交叉口（停车线）的流量便由原来保持的饱和流量水平逐渐地降下来。图2-3 交叉口某相位车流释放示意图
必须注意的是，只有当绿灯期间停车线后始终保持有连续的车队时，车流通过停车线的流率才能稳定在饱和流量的水平上。图2-3所示的正是一个完全饱和的实例，即在绿灯结束之前，始终都有车辆连续不断地通过停车线。
为便于研究，我们用虚折线取代图2-3中实曲线所代表的实际流量过程线。虚线与横坐标轴所包围的矩形面积与实曲线所包围的面积相等。这样矩形的高就代表饱和流量S的值，而矩形的宽则代表有效绿灯时间g。换句话说，矩形的面积Sg恰好等于一个平均周期内实际通过交叉口的车辆数。
从图2-3可以看出，绿灯信号的实际显示时段与有效绿灯时段是错开的。有效绿灯时间的起点滞后于绿灯实际起点。将这一段滞后的时间差称为“绿灯前损失”。同样，有效绿灯时间的终止点也滞后于绿灯实际结束点（这当然指黄灯期间允许车辆继续通行的情况），将这一段滞后时间差称作“绿灯的后补偿”。由此可得到有效绿灯时间的下述计算公式：
式中，
G——实际绿灯显示时间；
ff'——绿灯后补偿时间，等于黄灯时间减去后损失时间；
ee'——绿灯前损失时间。
有效绿灯的起始迟滞时间a等于该相位与上一相位的绿灯间隔时间同绿灯的前损失时间之和，有效绿灯的终止迟滞时间b恰好等于绿灯的后补偿时间，用公式表示如下：
式中，I——绿灯间隔时间。
根据起始迟滞和终止迟滞的概念，可以定义相位损失时间。相位损失时间就是起始迟滞与终止迟滞之差，即
由式（2-2）得：
如果假定绿灯的前损失时间恰好等于后补偿时间，那么相位损失时间便等于绿灯间隔时间I。正是由于绿灯间隔时间包含于损失时间之内，信号交叉口的通行能力和配时问题就只与车流的运动特性有关了。
根据绿灯损失时间的定义，可以得出实际绿灯显示时间G与相位有效绿灯时间g之间的关系如下：
信号周期时长c可以用有效绿灯时间和相位损失时间来表示：
此式右边并不是对全部相位的有效绿灯时间和损失时间求和，而只是对“关键相位”求和。所谓关键相位，是指那些能够对整个交叉口的通行能力和信号配时起决定性作用的相位。一个交叉口可能有多个相位，但是对于整个交叉口的通行能力和信号配时而言，并不是所有相位都起决定性作用，只是其中的几个相位能起到这种作用，它们即被称作“关键相位”。在信号配时过程中，只要给予关键相位足够的绿灯时间，满足其在通行能力上的要求，那么所有其他相位的通行能力要求自然就都能满足了。
信号交叉口的信号显示是周期性运行的，在一个信号周期内所有相位都要显示一次。由于每个相位都有确定的损失时间，那么对于整个交叉口而言，每一信号周期中都包含一个总的损失时间L。也就是说，在信号周期的这部分时间里，所有相位均为非绿灯显示，这一部分时间被“浪费”掉了。这里的“浪费”并非是真正的浪费，因为周期损失时间并非真正无用，它对于信号显示的安全更迭、确保绿灯阶段通过停车线的尾车真正通过交叉口（潜在冲突点）是必不可少的。信号周期的总损失时间为各关键相位的损失时间之和：2.1.4 饱和流率
饱和流率描述了交叉口绿灯期间车队流释放特性，是进行信号配时参数优化与交叉口通行能力计算的关键参数。在HCM2010中，车道组的饱和流率计算公式如下：
式中，
S——车道组实际饱和流率；
S0——每条车道基本饱和流率；
N——车道数；
fi——饱和流率调整系数。
饱和流率调整系数取值总结如表2-1所示。表2-1 饱和流率调整系数表2.1.5 黄灯时间的计算
黄灯时间是交叉口信号配时的重要参数之一。黄灯时间是交通信号由绿灯转换为红灯的过渡阶段，其主要目的就是保证在绿灯末期车辆能够有序安全地通过交叉口。黄灯时间设置的核心是避免出现困境区（Dilemma zone，或称进退两难区）。下面将详细描述黄灯时间的计算过程。
如图2-4所示，驾驶员在t*时刻发现信号由绿灯转变为黄灯，这时他通过决策决定减速停车。这时需要满足的条件为：
式中，x（t*）——在进行制动决策时车辆距停车线的位移；
xs——驾驶员制动停车所需的距离（制动距离）；
xb——驾驶员开始刹车到完全制动停车的距离；
xre——驾驶员从观察到信号转变到开始刹车所通过的距离；
tre——驾驶员从观察到信号转变到开始刹车的反应时间；
tb——驾驶员从开始制动到完全停车的时间；
v——车辆在交叉口的运行速度；
b——车辆制动的平均减速度。图2-4 驾驶员在黄灯期间制动停车的决策过程示意图
式（2-9）表明，当车辆处于距离交叉口停车线较远时［满足式（2-9）］，车辆满足安全停车的标准。这时驾驶员在黄灯期间如果进行决策停车，则可以保证车辆在停车线前安全停车。
如图2-5所示，驾驶员在t*时刻发现信号由绿灯转变为黄灯，这时他通过决策决定保持正常速度并在红灯启亮之前安全通过交叉口。这时需要满足的条件为：
式中，
x（t*）——在进行通过交叉口的决策时车辆距停车线的位移；
xf——驾驶员从观察到信号转变到通过停车线所行驶的距离（通过距离）；
A——黄灯时间。图2-5 驾驶员在黄灯期间通过交叉口的决策过程示意图
式（2-10）表明，当车辆处于距离交叉口停车线较近时［满足式（2-10）］，车辆满足安全通过交叉口的标准。这时驾驶员在黄灯期间如果进行决策并通过交叉口，则可以保证车辆在黄灯时间结束之前安全驶离停车线。
图2-6描述了制动距离xf之间的关系：（1）当时，即制动距离大于通过距离，如图2-6（a）所示。这时，如果车辆距停车线的距离大于制动距离，则应该减速停车；如果车辆距停车线的距离小于通过距离，则应该保持正常速度驶离交叉口；如果车辆距停车线的距离既大于制动距离也小于通过距离，则驾驶员既可以选择减速停车也可以选择正常通过交叉口。（2）当时，即制动距离小于通过距离，如图2-6（b）所示。这种情况下就会出现车辆距停车线的距离小于制动距离而大于通过距离的情况，如图2-6中所示的困境区。如果驾驶员看见交通信号转变的时刻正好处于这个区域时，驾驶员就会处于既不能减速停车也不能正常驶离交叉口的情况。这种情况就会造成极大的交通安全隐患。因此，在设置黄灯时间时，必须避免出现困境区。图2-6 交叉口困境区示意图
通过上述分析可知，当满足时，即得到满足困境区域消失的最小黄灯时间。因此，最小黄灯时间计算公式为：
从式（2-11）可以看出，黄灯时间的设置仅与驾驶员反应时间、交叉口车辆速度以及车辆的制动加速度有关。一般情况下，驾驶员反应时间、车辆制动加速度都可以通过调查获取，而车辆速度一般可以取交叉口的限速。图2-7给出了不同参数取值情况下交叉口黄灯时间设置的要求。图2-7 不同参数下的最小黄灯时间
综上所述，黄灯时间是针对当前相位的交通流而言，主要目的是为了消除困境区域，而与其他冲突相位交通流、交叉口物理尺寸等因素无关。驾驶员特性（性别、年龄、性格等）会影响驾驶员的反应时间，进而影响黄灯时间的设置。车辆特性（车辆类型、载重等）以及道路特性（坡度、摩擦系数等）会影响车辆的制动加速度，进而影响黄灯时间的设置。在满足最小黄灯时间要求的前提下，交叉口黄灯时间取值应尽量一致，使得驾驶员能够更好地适应。同时，黄灯时间设置也不宜过大，以免造成车辆既可以停车也可以通过的混乱情况以及周期时间的损失。2.1.6 绿灯间隔时间的计算
绿灯间隔时间（inter-green time，clearance interval），是指一个相位绿灯结束到下一冲突相位绿灯开始的间隔时间。绿灯间隔时间要确保本相位绿尾的最后一辆机动车与下一冲突相位绿初时驶出的第一辆机动车在其冲突点处能够安全交叉通过。绿灯间隔时间是分离交通冲突、确保交叉口交通流运行安全的关键参数。
如图2-8所示，交叉口方块区域为交通流A和B的冲突区域。绿灯间隔时间最小值需要满足当绿灯末期交通流A的最后一辆车驶离冲突区域时，冲突方向交通流B的第一辆车刚好到达冲突区域。图2-8 两股冲突交通流通过交叉口示意图
通过图2-9可以分析得到绿灯间隔时间的计算公式。假设交通流A的尾车在绿灯结束之后te时间到达冲突区域边界。根据图中简单的逻
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