第三十四章交通信号控制模型 1.引言 11概述 本章中,我们介绍交通信号控制的模型,交通信号控制模型的建立十分繁 琐,需要考虑很多复杂的因素。为了让一个具有足够信息的单个交通信号控制 点独立,我们建立了许多的选择模型,有一些选择模型是过度简化的,因为如 果不简化会使这一章更长,更复杂,有效信息量更少 本章旨在增加目前交通信号控制模型和交通规划模型之间的联系,为此本 章首先给出一个实际例子,用来说明交通信号控制也许能用来实现公共运输繁 效益 我们指出最简单的交通信号控制模型,即单个节点定时控制的连续信号控 制模型,这是韦伯斯特在1958年第一个提出的,但该模型只能在以参照标准延 迟最小化目标和交通量基本不随控制条件变化而变化的情况下,才能“优化” 定时信号配时。接下来我们概述了大纲米勒(1965)基于单个车辆的离散模型 并介绍了源自这个模型的米勒单结点控制策略。但是同样,米勒只考虑标准延 迟最小化目标,并假设交通流本质上是不受任何控制而变化。随后,开始考虑 使用网络节点信号控制,并阐述了 TRANSYT、 SCOOT、 SCATS的基本方法 这三个系统体现了对延迟最小化目标和对交通流不随任何控制发生变化方面的 程序优化 最后,本章描述了一种信号控制模型方法,该方法能通过交通控制信号的 调整,使所有运输目的或目标得到解决,并且为交通使用者的对模型的反应留 有合理的容许值。使用这个模型,可以通过交通信号控制来实现交通规划目 12交通信号控制和交通管理 在现实生活中有很多与交通信号控制相关的模型著作,大部分的著作都在 阐述交通信号控制方面的“技术难关”(包括硬件规格,例如,标准的通信协 议),但它也扩展到“软”政策问题(例如如何得到行人横过马路所需的最佳时 间) 从交通信号控制的著作来看,交通信号控制已经从广泛且全面的交通运输 管理中分离出来。随着交通管理走向最前沿的政治和社会辩论,这种分离变得 越来越清晰:通过比较交通规划者和信号控制工程师所使用的信号控制模型也 可以清楚地看到这种分离。交通规划模型通常覆盖一个大的地理区域,并且总 是对未来的交通流进行假设,这种交通流总体上随着不同的规划方案的假设而
第三十四章 交通信号控制模型 1. 引言 1.1 概述 本章中，我们介绍交通信号控制的模型，交通信号控制模型的建立十分繁 琐，需要考虑很多复杂的因素。为了让一个具有足够信息的单个交通信号控制 点独立，我们建立了许多的选择模型，有一些选择模型是过度简化的，因为如 果不简化会使这一章更长，更复杂，有效信息量更少。 本章旨在增加目前交通信号控制模型和交通规划模型之间的联系，为此本 章首先给出一个实际例子，用来说明交通信号控制也许能用来实现公共运输繁 效益。 我们指出最简单的交通信号控制模型，即单个节点定时控制的连续信号控 制模型，这是韦伯斯特在 1958 年第一个提出的，但该模型只能在以参照标准延 迟最小化目标和交通量基本不随控制条件变化而变化的情况下，才能“优化” 定时信号配时。接下来我们概述了大纲米勒(1965)基于单个车辆的离散模型， 并介绍了源自这个模型的米勒单结点控制策略。但是同样，米勒只考虑标准延 迟最小化目标，并假设交通流本质上是不受任何控制而变化。随后，开始考虑 使用网络节点信号控制，并阐述了 TRANSYT、SCOOT、SCATS 的基本方法。 这三个系统体现了对延迟最小化目标和对交通流不随任何控制发生变化方面的 程序优化。 最后，本章描述了一种信号控制模型方法，该方法能通过交通控制信号的 调整，使所有运输目的或目标得到解决，并且为交通使用者的对模型的反应留 有合理的容许值。使用这个模型，可以通过交通信号控制来实现交通规划目 标。 1.2 交通信号控制和交通管理 在现实生活中有很多与交通信号控制相关的模型著作，大部分的著作都在 阐述交通信号控制方面的“技术难关” (包括硬件规格，例如，标准的通信协 议)，但它也扩展到“软”政策问题(例如如何得到行人横过马路所需的最佳时 间)。 从交通信号控制的著作来看，交通信号控制已经从广泛且全面的交通运输 管理中分离出来。随着交通管理走向最前沿的政治和社会辩论，这种分离变得 越来越清晰；通过比较交通规划者和信号控制工程师所使用的信号控制模型也 可以清楚地看到这种分离。交通规划模型通常覆盖一个大的地理区域，并且总 是对未来的交通流进行假设，这种交通流总体上随着不同的规划方案的假设而
发生变化。另一方面,交通信号控制模型通常覆盖一个小的地理区域,这个区 域的交通流假定保持不变。 这种分离将在这一系列交通模型中得到阐述,在包含交通管理的章节中, 信号控制鲜有提及。促进这种分离的有以下三个主要原因:(1)短期和长期控制 之间存在着冲突;(2)短期控制更为直接如果有工程师使用短期控制设施的话会 更使得短期控制更为迫切:(3)目前采取何种方法适当考虑长期控制的目标实现 在理论上有难度。这里我们讨论这些问题是重叠的。 短期日标与长期目标间的于盾 如果控制的目标是为了寻求和鼓励未来使用的不同的路线或模式,以便减 少未来的交通堵塞,那么几乎肯定的是,这种控制将立即增加现在被使用的这些 路线和模式的交通情况堵塞。这种冲突似乎是不可避免的长期需求管理的工作 过程种明显证据的缺乏,也强有力的证明了这一冲突。作为 MUSIC项目的结 果,一些有效的证据表明,信号控制可以实现长期的管理目标;例如, Clegg et al.(200提出,“ MUSIC”代表“使用流量管理交通运输流量控制和其他的措 施”。 MUSIC项目的最后报告在web( Clegg,2001)上是有效的。 短期目标时间紧迫 信号控制工程师生活在第一线,所以他们用最好的、为那些时间尺度设计 的技术,来不断寻求可以控制不可预知时间下的情况。即时的关注成为主导 这使得他们几乎没有时间和空间来考虑更广泛的交通规划或管理问题,这些交 通规划和管理侧重于数周,数月,甚至数年的交通政策的影响。 长期所雳的理论工具还不存在 使用交通控制来实现长期目标的是很困难的,即使忽略目前所有的实际问 题,用来满足长期需求控制的设计信号控制策略问题也还尚未得到解决。 然而,信号控制和长期规划也并非完全分离了,例如,交通信号在许多公 交优先方案中发挥了很大的作用这种方案的设计常常是以长期规划为中心的。 这样的公交优先信号的使用与普遍的信号控制所追求的情况有所不同,这样的 控制是例外。 13使用交通信号控制的公共交通优先 目前公共交通优先使用交通信号控制的形式主要有两个:车队搬迁和选择 性的车辆检测。在公交优先上这两个技术可以合并使用 车队搬迁 这里车队搬迁是指利用交通信号使上游车队的公交车搬迁,这样使公交车 能够在公交专用线上行驶。还有许多根据地方工程的判断实现的特殊的方法, 这些方法是为了使特定道堵塞降低,以及使那些非公交行驶的道路交通量降
发生变化。另一方面，交通信号控制模型通常覆盖一个小的地理区域，这个区 域的交通流假定保持不变。 这种分离将在这一系列交通模型中得到阐述，在包含交通管理的章节中， 信号控制鲜有提及。促进这种分离的有以下三个主要原因：(1)短期和长期控制 之间存在着冲突；(2)短期控制更为直接,如果有工程师使用短期控制设施的话会 更使得短期控制更为迫切；(3)目前采取何种方法适当考虑长期控制的目标实现 在理论上有难度。 这里我们讨论这些问题是重叠的。 短期目标与长期目标间的矛盾 如果控制的目标是为了寻求和鼓励未来使用的不同的路线或模式，以便减 少未来的交通堵塞,那么几乎肯定的是，这种控制将立即增加现在被使用的这些 路线和模式的交通情况堵塞。这种冲突似乎是不可避免的,长期需求管理的工作 过程种明显证据的缺乏，也强有力的证明了这一冲突。作为 MUSIC 项目的结 果，一些有效的证据表明，信号控制可以实现长期的管理目标；例如，Clegg et al. (2000)提出，“MUSIC”代表“使用流量管理交通运输,流量控制和其他的措 施”。MUSIC 项目的最后报告在 Web(Clegg，2001)上是有效的。 短期目标时间紧迫 信号控制工程师生活在第一线，所以他们用最好的、为那些时间尺度设计 的技术，来不断寻求可以控制不可预知时间下的情况。即时的关注成为主导， 这使得他们几乎没有时间和空间来考虑更广泛的交通规划或管理问题，这些交 通规划和管理侧重于数周，数月，甚至数年的交通政策的影响。 长期所需的理论工具还不存在 使用交通控制来实现长期目标的是很困难的，即使忽略目前所有的实际问 题，用来满足长期需求控制的设计信号控制策略问题也还尚未得到解决。 然而，信号控制和长期规划也并非完全分离了，例如，交通信号在许多公 交优先方案中发挥了很大的作用,这种方案的设计常常是以长期规划为中心的。 这样的公交优先信号的使用与普遍的信号控制所追求的情况有所不同，这样的 控制是例外。 1.3 使用交通信号控制的公共交通优先 目前公共交通优先使用交通信号控制的形式主要有两个：车队搬迁和选择 性的车辆检测。在公交优先上这两个技术可以合并使用。 车队搬迁 这里车队搬迁是指利用交通信号使上游车队的公交车搬迁，这样使公交车 能够在公交专用线上行驶。还有许多根据地方工程的判断实现的特殊的方法， 这些方法是为了使特定道堵塞降低，以及使那些非公交行驶的道路交通量降
低;有英国南安普敦的 Bitterne方案是这种方法中最知名的和持续时间最长 的,数十年来车流不能在专用公交线路上行驶,以降低公交线路的拥挤。 图1展示了这种队列搬迁方案基本的想法;约克市采用了这种特殊的方法, 用以减少公交车辆沿重要射线道路进入城市的延迟。在射线道路宽的地方,采 用了新的信号(位于拥堵节点的上游的辅助信号,被称为“提前信号”)和一条 公共汽车专用车道。 Presignals, upstream of an existing traffic queue, are installed so as to relocate downstream queues to here Any queue downstream must Signal timings cause a delay buses as there is no width queue here at presignal for a bus lane instead of downstream Buses bypass the queue using a bus lane: here there is room for the bus lane 图1英国约克市的一个车队的搬迁方案 交通流从右到左,此乃 MUSIC项目的一部分内容 55EeE38g 0 08:00 08:30 09:00 09:30 10:00 Time of da 图2下游信号控制节点的车辆排队数量
低；有英国南安普敦的 Bitterne 方案是这种方法中最知名的和持续时间最长 的，数十年来车流不能在专用公交线路上行驶，以降低公交线路的拥挤。 图 1 展示了这种队列搬迁方案基本的想法;约克市采用了这种特殊的方法， 用以减少公交车辆沿重要射线道路进入城市的延迟。 在射线道路宽的地方，采 用了新的信号(位于拥堵节点的上游的辅助信号，被称为“提前信号”)和一条 公共汽车专用车道。 图 1 英国约克市的一个车队的搬迁方案 交通流从右到左，此乃 MUSIC 项目的一部分内容。 图 2 下游信号控制节点的车辆排队数量
在下游结点和提前信号的位置的信号时长都经过精心调整,使得几乎所有 排队发生在提前信号控制位置之前,在下游结点位置几乎没有排队,这样就很 少或没有排队出现 图2显示了以道路排队的情况来衡量实施车队搬迁方案前后的效果,衡量 的标准采用的是在提前信号之后的信控交叉口下游的排队车辆数。在下游排队 的车辆会增加公交的延误,但搬迁车队后,公交在公交专用道上行驶,则不会 受到延误。因此,实施车队搬迁“之前”和“之后”的交叉口下游排队车辆数 是衡量公交车延误是否减少的一个标准 选择性车辆检测 不管有没有如上所述的车队搬迁在现在的交通控制系统下,都能检测到公 交车,交通信号就能根据现在的公交优先来设置。这里如果信号已经成功地优 化一般交通,那么就需要注意这样一种情况:先给公交车辆快速优先通行权,然 后回到一般优化方案的做法可能会导致常规交通产生高延误。此外,这些较高 的延迟以后可能会极大地干扰巴士交通所追求的利益!为了规避这些问题,在 设计系统时花费了许多精力。 14交通管理模型中的交通信号控制 从以上所述的这种特殊的使用交通信号灯管理小汽车/公交车交互的方法可 知,使用交通信号控制能够更均匀地实现多式联运管理目标。为了做到这一点, 交通信号控制必须成为交通管理和交通规划模型的一部分,这将带来新的机遇 和问题。 方面,数量庞大的新(信号控制变量应该满足规划和管理目标的要求, 这是之前没有得到满足的,另外,还应该使更多数值的辨别比迄今为止都更为 精准。另一方面,大量的新(信号控制变量加大了优化变量的难度,并且要考 虑的合理“选项”的数量也十分庞大。 15新目标 在英国,因为引进了新目标,使研究交通管理和规划模型和交通控制模型 的联系变得更加迫切。例如,一个由环保、运输和各区域部门在1998提出的新 运输协议指出运输应提供 (1)更清洁的空气 (2)减少城市中心的交瓶颈通 (3)更多的高质量的居住地 (4)更便捷和更安全的步行和骑自行车 如何用提供信号控制来实现以上要求,在这一章中,我们将概述标准的方法 信号控制,然后我们将概述一个新的方法以满足符合上面列出的提议条款新目
在下游结点和提前信号的位置的信号时长都经过精心调整，使得几乎所有 排队发生在提前信号控制位置之前，在下游结点位置几乎没有排队，这样就很 少或没有排队出现。 图 2 显示了以道路排队的情况来衡量实施车队搬迁方案前后的效果，衡量 的标准采用的是在提前信号之后的信控交叉口下游的排队车辆数。在下游排队 的车辆会增加公交的延误，但搬迁车队后，公交在公交专用道上行驶，则不会 受到延误。 因此，实施车队搬迁“之前”和“之后”的交叉口下游排队车辆数 是衡量公交车延误是否减少的一个标准。 选择性车辆检测 不管有没有如上所述的车队搬迁,在现在的交通控制系统下，都能检测到公 交车，交通信号就能根据现在的公交优先来设置。这里如果信号已经成功地优 化一般交通，那么就需要注意这样一种情况：先给公交车辆快速优先通行权,然 后回到一般优化方案的做法可能会导致常规交通产生高延误。此外，这些较高 的延迟以后可能会极大地干扰巴士交通所追求的利益！为了规避这些问题，在 设计系统时花费了许多精力。 1.4 交通管理模型中的交通信号控制 从以上所述的这种特殊的使用交通信号灯管理小汽车/公交车交互的方法可 知，使用交通信号控制能够更均匀地实现多式联运管理目标。为了做到这一点, 交通信号控制必须成为交通管理和交通规划模型的一部分，这将带来新的机遇 和问题。 一方面，数量庞大的新(信号)控制变量应该满足规划和管理目标的要求， 这是之前没有得到满足的，另外，还应该使更多数值的辨别比迄今为止都更为 精准。 另一方面，大量的新(信号)控制变量加大了优化变量的难度，并且要考 虑的合理“选项”的数量也十分庞大。 1.5 新目标 在英国，因为引进了新目标，使研究交通管理和规划模型和交通控制模型 的联系变得更加迫切。例如，一个由环保、运输和各区域部门在 1998 提出的新 运输协议指出运输应提供： (1) 更清洁的空气； (2) 减少城市中心的交瓶颈通； (3) 更多的高质量的居住地； (4) 更便捷和更安全的步行和骑自行车。 如何用提供信号控制来实现以上要求，在这一章中,我们将概述标准的方法 信号控制，然后我们将概述一个新的方法以满足符合上面列出的提议条款新目
现代交通信号控制的背景 l868年,在英国 Westmister修道院外使用了交通信号(像现在用动臂控制 列车信号一样)。一个警察进行操作,目标是分离冲突的交通流避免碰撞,从 此以后防撞一直是交通信号控制的主要目的。19世纪20年代,在底特律第 个自动交通信号诞生了,1928年在 BaitImore安装了第一个控制汽车的交通信 号设施。(我感谢安德伍德(1996)中提供了这些信息) 2.1标准的交通信号控制策略 观察当地交通模式并假设这种模式不会改变的情况下,现有的、标准的交 通信号控制策略通常设法做到最好(即为车辆或旅行者最小化总出行时间和停止 次数)。如果只用接下来的几秒或几分钟来解决问题,这是很自然的。然而,交 通模式是固定的(从短时间规模来看,这是非常合理的)这种假设意味着现有的 策略并不普遍,例如,由于假定交通模式不会发生改变,那么就要用今天的防止交 通拥堵的交通控制模式来试着控制明天的交通,排除交通信号控制方案选择对 解决目前问题的结果影响,假定明天的交通情况都会和今天一样坏,这种假设 显然是不合理的 这一规则的一个重要的例外是在实施公共交通优先方面,这里的意图是以 增加乘客或减少乘客量的下降的目的,使公共交通更快捷。这是一个长远的考 虑,但这中考虑与交通信号控制的其他目的格格不入 wood(1993)包含了广泛范围的目前的交通信号系统内容 3.单点固定配时连续控制 目前,单个交叉口的信号配时方法有很多,其中最简单的是固定配时的方 法。在此方法中对车道的分组称为“相位”。相位是同一时刻一组车道车流同 时给予绿信号进入交叉口进口道。在最简单的情况下的相位,是一组车流按照 不发生冲突的行车路径沿各自车道进入交叉口,在同一相位被给予绿信号的车 流行驶就会安全。 如果一个交叉口有K个相位,绿信号的显示依次从1相位,2相位到第3相 位…到第K相位再到第1相位,依此类推。“固定配时”方法是指,所有信号周 期的显示形式都以相位k为基准来循环,不发生改变(其中t是参考时间,以秒 为单位): tk to tr +rYk, r+ tk tort tk +rYk 2r+ tk to 2r+ tk +rYk
标。 2. 现代交通信号控制的背景 1868 年，在英国 Westmister 修道院外使用了交通信号(像现在用动臂控制 列车信号一样)。 一个警察进行操作，目标是分离冲突的交通流,避免碰撞，从 此以后防撞一直是交通信号控制的主要目的。19 世纪 20 年代，在底特律第一 个自动交通信号诞生了，1928 年在 Baitlmore 安装了第一个控制汽车的交通信 号设施。 (我感谢安德伍德(1996)中提供了这些信息) 2.1 标准的交通信号控制策略 观察当地交通模式并假设这种模式不会改变的情况下，现有的、标准的交 通信号控制策略通常设法做到最好(即为车辆或旅行者最小化总出行时间和停止 次数)。如果只用接下来的几秒或几分钟来解决问题，这是很自然的。 然而,交 通模式是固定的(从短时间规模来看，这是非常合理的) 这种假设意味着现有的 策略并不普遍,例如,由于假定交通模式不会发生改变，那么就要用今天的防止交 通拥堵的交通控制模式来试着控制明天的交通，排除交通信号控制方案选择对 解决目前问题的结果影响，假定明天的交通情况都会和今天一样坏，这种假设 显然是不合理的。 这一规则的一个重要的例外是在实施公共交通优先方面，这里的意图是以 增加乘客或减少乘客量的下降的目的，使公共交通更快捷。 这是一个长远的考 虑，但这中考虑与交通信号控制的其他目的格格不入。 Wood（1993）包含了广泛范围的目前的交通信号系统内容。 3. 单点固定配时连续控制 目前，单个交叉口的信号配时方法有很多，其中最简单的是固定配时的方 法。在此方法中对车道的分组称为“相位” 。相位是同一时刻一组车道车流同 时给予绿信号进入交叉口进口道。在最简单的情况下的相位，是一组车流按照 不发生冲突的行车路径沿各自车道进入交叉口，在同一相位被给予绿信号的车 流行驶就会安全。 如果一个交叉口有K个相位，绿信号的显示依次从1相位，2相位到第3相 位…到第K相位再到第1相位，依此类推。“固定配时”方法是指，所有信号周 期的显示形式都以相位k为基准来循环，不发生改变（其中𝑡𝑘是参考时间，以秒 为单位） ： 𝑡𝑘 to 𝑡𝑘 + г𝑌𝐾 , г + 𝑡𝑘 to г+ 𝑡𝑘 +г𝑌𝐾 , 2г + 𝑡𝑘 to 2г+ 𝑡𝑘 +г𝑌𝐾