UTC信号控制系统技术方案Word文档格式.docx
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多时段定时控制
感应控制
手动控制
黄闪控制
绿冲突保护
全红
所以本系统采用集中协调式信号机。
信号灯控路口设置依据
主要根据GB14886-2006《道路交通信号灯设置与安装规范》确定设置依据。
1.相交道路均为干路
当相交的两条道路均为干路时，应设置信号灯。
干路指在设计速度、机动车车道条数、道路宽度和断面形式等方面符合GB50220-1995第7章规定的快速路、主干路、次干路（大中城市）和干路（小城市），以及双向四车道（含）以上的公路。
2.相交道路含有支路
当相交的两个道路中有一条为支路时，应根据交通流量和交通事故状况等条件，确定信号灯的设置。
主要道路单向仅有一条机动车道时，由主要道路进入路口的双向机动车高峰小时流量达到900辆以上，且由流量较大的次要道路方向进入路口的单向机动车高峰小时流量达到270辆以上，应设置信号灯。
（主要道路指两条相交道路中流量较大的道路，次要道路指两条相交道路中流量较小的道路）。
主要道路单向具有两条或两条以上机动车道时，由主要道路进入路口的双向机动车高峰小时流量达到1050辆以上，且由流量较大的次要道路方向进入路口的单向机动车高峰小时流量达到300辆以上，应设置信号灯。
主要道路单向仅有一条机动车道时，由主要道路进入路口的双向机动车高峰小时流量达到900辆以上，且由流量较大的次要道路方向进入路口的单向机动车高峰小时流量达到300辆以上，应设置信号灯。
主要道路单向具有两条或两条以上机动车道时，由主要道路进入路口的双向机动车高峰小时流量达到1050辆以上，且由次要道路进入路口的单向机动车高峰小时流量达到360辆以上，应设置信号灯。
流量达到上述70%时，宜设置信号灯。
3.根据交通事故状况设置信号灯
对三年内平均每年发生5次以上一般交通事故的路口，应设置信号灯。
对三年内平均每年发生一次以上重大交通事故的路口，应设置信号灯。
4.路口人行横道信号灯设置
在采用信号控制的路口，已施划人行横道标线的，应相应设置人行横道信号灯。
5.路段人行横道信号灯和机动车信号灯设置的流量条件
双向机动车车道数达到或多于3条，双向机动车高峰小时流量超过750PCU及12h流量超过8000PCU的路段上，当通过人行横道的行人高峰小时流量超过500人次时，应设置人行横道信号灯和相应的机动车信号灯。
交通流的特性及交通控制理念
交通流的特性
城市土地利用是产生交通的“源”，所产生或吸引的交通量则是“流”。
交通流是交通需求的实现结果，是交通需求在有限的时间与空间上的聚集现象，有自身的运行机理。
在一段时间内，由于土地利用状况、人口规模、车辆保有量、道路网结构等相对稳定，交通总量以及人们的出行习惯（出行方式、出行结构、出行路径）具有一定的规律性，使得交通流具有一定的规律可循。
例如早晚高峰出现的时间、拥堵路口流量大小存在周期性、相似性，通常不会发生大的突变。
同时，交通流系统是一个典型的非平衡的复杂开放巨系统，存在各种偶然的、随机的、不确定、非线性的因素（人、车、路、环境），从而构成系统随机涨落，如司机的个人行为、不可预知的交通事件的影响等。
交通控制理念
基于以上分析，从时间尺度考虑，形成了HADR实时自适应优化思想——基于多层次、自适应、扰动抑制（multi-Hierarchy,Adaptive-control,Disturbed-Restraint，HADR）的交通信号控制系统。
软件设计基于交通控制、交通工程、交通流、系统优化等理论和实践，可以辅助交通工程师进行单点或线控配时方案的优化设计。
层次结构
（1）多层次
HADR交通信号控制系统分为，TOD（TimeofDay）、战略控制、战术控制、本地控制四个层次。
每个层次适应不同的交通状况，四个层次协调运行，才能反映出交通的全貌，为城市各个交叉口制定最为合适的交通配时参数。
交通控制系统架构见下图：
图11交通控制系统控制理念架构图
TOD层是交通信号控制系统在各周、各天、各个时段内采用事先设定的不同固定配时方案运行的控制方式，其配时的依据是交通量历史数据。
战略控制层是决定信号网络协调控制的最高层次，由上端计算机控制。
利用前端检测器线圈采集交通信息（包括：
交通流量、占有率等）。
战略控制算法以区域为基础，计算周期、绿信比和相位差等配时参数，以适应主流交通状况。
战术控制层是相对战略控制低一级的控制，它处理的时间间隔是“一个周期”。
战术控制是在不违反区域计算机指定的战略控制参数的条件下，满足各个路口一个周期内的交通需求的变化。
本地控制层是在一个周期内判断各个相位绿灯时间是否合适，分析当某相位的绿灯时间需求低于平均需求时，对该相位执行早断或提前等控制。
（2）自适应
系统执行一套配时参数与交通量等级的对照关系。
即针对不同等级的交通量，选择响应最佳配时参数组合，将这套事先拟定的配时参数与交通量对应组合关系储存在中央计算机中。
中央控制计算机则通过设在各个路口的车辆检测器反馈的车流参数，自动选择合适配时参数，并根据所选定配时参数组合对路网交通信号进行实时控制。
（3）扰动抑制
系统战略控制层处理时间间隔为15分钟或以上路口交通状况的变化，其实质是对这段时间内交通需求的平均化。
但在每个控制周期内可能会产生某相位绿灯时间过长或过短的问题，所以系统战术控制层解决这种“扰动”现象，它在“一个周期”时间间隔内，在不违反区域计算机指定的战略控制参数的条件下，满足各个路口一个周期内的交通需求的变化，即达到“抑制”的目的。
各层次功能
1、TOD控制层
TOD（TimeofDay）是交通信号控制系统在各周、各天、各个时段内采用事先设定的不同固定配时方案运行的控制方式，其配时的依据是交通量历史数据。
在TOD层需要完成的主要内容包括：
通过离散数据时间序列分析、聚类分析，时段划分（时段范围最为宽泛，如：
周一早高峰，可能覆盖几个小时），根据交叉口在某时段的交通状态中最经常选择的配时方案（“频次”），决定该时段内的交通配时方案。
TOD层制定的配时方案完全是根据历史数据，统计某个时段内最常见的交通状态，再计算配时参数，所以它每个配时方案管理的时段也最长。
所以在该阶段的配时方案只要基本满足交通需求、且TOD配时方案通过优选改变不大、TOD配时方案满足的时段比较宽泛的要求即可。
根据经验一个路口仅通过若干个配时方案便可基本满足需要，且配时方案可以在几个月内不修正。
TODGroup软件逻辑如下图所示，首先将采集到的交通数据输入到软件中，软件对这些数据进行统计得到流量分布图。
时段划分以时段数少、各时段内交通流状态差距小、各时段间交通流状态差距大为目标自动划分，人工确定。
再对各时段计算效用参数，并判断其交通状态，再通过计算周期值，进入配时方案专家库中查找出最合适的标准相位相序下的配时方案。
在各时段划判断所属交通状态后，可找到该状态所对应的非标准相位相序。
将刚才找到的标准相位相序下的配时方案依照转化关系，得到非标准相位相序下的配时方案。
最后将某时段内的非标准相位相序以及对应的非标准相位相序下的配时方案下发。
图12TODGroup软件的主要算法逻辑
TODGroup软件主要功能如下图所示，包括：
图13TODGroup软件功能模块
（1）基础参数管理
方案库管理
添加路口基于标准相位相序下的配时方案库。
路口标准相序方案参数管理
设置标准相位相序的基本配时参数。
路口非标准相序方案参数管理
设置非标准相位相序的基本配时参数。
效用参数管理
设置每条车道计算效用参数指标的基本参数。
标准相序管理
编辑、修改每个路口唯一的标准相位相序方案。
标准相序转非标准相序参数管理
设置每个路口标准相位相序下的配时方案分别转化为不同非标准相位相序配时方案的计算方法。
交通状态参数管理
设置所有路口的交通状态划分情况。
（2）子区管理
子区编辑
提供对整个信号控制系统所辖路口进行控制子区划分的工具。
（3）方案生成
路口方案
在单点控制方式下，生成该路口配时方案。
子区方案
在干线协调控制方式下，生成该子区所有路口配时方案。
（4）方案展示
展示单个路口的配时方案，提供修改及下载、复制功能。
展示整个子区的配时方案，提供设置相位差，修改、下载、复制配时方案的功能。
2、战略控制层
战略控制是决定信号网络协调控制的最高层次，由上端计算机控制。
战略控制是“准实时”的，它提供一定时间间隔内（15分钟或以上）交叉口的配时参数。
在战略控制层需要完成的功能包括：
交通数据的采集预处理、控制子区划分、交通判态（在不同的交通状态下，计算、选择配时参数的模型和判断依据不同）、配时参数计算和选择等等。
常常可以归纳为：
“先取、后优、确定、再发”，即先获取交通数据后，对通过配时方案优化工具对配时参数进行优化，再通过人工确认或持续性检验，最后发给前端信号机执行。
在战略控制层对交通数据的采集预处理，是由于战略控制准实时的，所以在这短期内采集到的交通数据的扰动性较大，容易受到信号灯控制干扰及其他方面因素的干扰，所以需要对交通数据进行修正处理以及多次平滑处理。
在战略控制层次，是要（动态）划分控制子区的，子区内的重要交叉口主要包括：
关键交叉口以及临界交叉口，关键交叉口是该子区内交通流量最大、可决定整个控制子区周期时长的路口；
临界路口是区别于关键交叉口，虽然整体的交通流量不大，但在子区内最易造成交通拥挤的路口。
正是由于战略控制层对交叉口进行了归类处理以及特殊路口的处理，才使得生成的配时参数，在短期内更加满足交通需求的。
在战略控制层对配时参数的计算以及优选，是先通过交通状态的判别，决定选择相应的算法（在SCATS中选择类饱和度、ACTRA中选择效用参数【V+O】），通过对周期、绿信比、相位差的离散化处理，优选出最合适的配时方案。
3、战术控制层
战术控制的核心思想是“扰动抑制”。
由于战略控制层对应的时间间隔为15分钟或以上交叉口的交通状况，实对这段时间内交通需求的平均化，所以要求对每个周期时间间隔内的配时参数进行调整。
所以在每个控制周期内，可能会产生某相位绿灯时间过长或过短的问题，战术控制正是为了解决这个问题。
战术控制是相对战略控制低一级的控制，它处理的时间间隔是“一个周期”。
通常的处理办法是估计本周期内的交通需求，对战略层制定的配时参数进行一定的修正。
4、本地控制层
本地控制面对的是一个周期内，各个相位绿灯时间是否合适。
其基本任务是根据战术控制层制定的配时参数，分析当某相位的绿灯时间需求低于平均需求时，对该相位实行早断或提前的控制（类似BRT信号优先控制）。
层次间关系
TOD、战略控制、战术控制、本地控制的相互关系见下图：
图14交通信号控制系统四层次关系图
TOD、战略控制、战术控制的对比见下图：
表12TOD、战略控制、战术控制对比
系统建设战略指导思想
交通信号控制系统建设的战略指导思想主要体现在如下方面：
全局优化与局部优化控制相结合
首先，公司的交通信号控制系统着眼于全局，从城市道路主通道和整个城市主干道网络全局出发，对城市交通流分布进行全局优化调节，实现整个城市道路交通系统的整体最优。
在努力实现整体最优的前提下，又能够对局部进行优化控制，实现全局优化与局部优化调节相结合。
系统优化与本地调节相结合
其次，公司的交通信号控制系统是一种系统优化，具有系统优化的各种功能，通过对城市道路交通流量的优化调节，减少交通延误，缩短旅行时间，努力寻求整个城市路网利用效率的最大化；
同时，还具有本地优化控制功能，能够根据本地的道路交通状况，采取灵活多样的控制方式，实现特定道路交通状况下的优化控制功能。
系统优化与本地调节，使公司的交通信号控制系统更加灵活适应，满足城市实际交通管理的需要。
信号控制与交通诱导相结合
公司的交通信号控制系统不仅从信号控制来寻求道路交通资源利用的最大化，而且具有主动干预功能，通过系统的交通流信息采集功能，实时把握城市道路交通系统中交通流实时状况，并通过交通诱导系统及时发布城市道路交通拥堵状况和交通诱导信息，从而实现对交通流进行诱导和积极干预，使交通流向有利于全局和系统优化的方向调整配置，实现控制与诱导紧密结合，这是公司的交通信号控制系统建设的又一个战略指导思想。
单系统功能与多系统集成功能相结合
城市智能交通管理系统包括交通信号控制系统、快速路控制系统、交通信息采集系统、交通视频监控系统、交通事件检测系统、交通流管理系统、交通违法监测系统、布控系统、交通事故现场信息采集系统等子系统，各个技术子系统完成不同范围内的任务，如电子警察系统完成违章抓拍及路口绿灯期间的流量采集；
闭路电视监控系统完成视频图像的传输、显示与存储;
诱导系统完成诱导信息的传输与显示；
城市交通信号系统完成城市道路交通信号控制方案的优化与控制，而快速路交通信号控制系统是通过车道灯和入口匝道信号控制器等实现对快速路交通控制。
各子系统功能各有不同，公司能够将各子系统的各种功能集成到一个高层应用平台上来，在进行城市交通管理工作时，让各个子系统同时协同工作，从而发挥各子系统的整体效能和组合优势，实现单个子系统无法达到的效果，增强交通管理部门对城市交通管理的管控功能和范围，尤其在出现大范围交通拥堵和发生突发事件的情况下，系统集成功能的优势就更加明显。
日常控制功能与预案管理相结合
公司的交通信号控制系统不仅具足快速路日常控制功能如系统优化、本地优化、感应控制、时间表控制、系统远程人工干预控制等功能，而且根据可能出现的各种特殊状况和城市交通管理需求，还设置和存储了不同情况下的预案管理专家库，通过直接调用并在不作修改或稍微修改的情况下迅速形成相应的管理控制方案，以强化交通管理部门对城市交通管理的能力和实时响应性。
UTC控制策略
交通信号控制系统控制策略包括：
路口单点控制、干线协调控制、感应控制，区域控制、特勤警卫控制等。
单点控制
交叉口的控制不与其他交叉口进行任何的协调，由交叉口各进道口实时到达的车流量决定各交叉口的控制方案。
单点控制的配时方法采用以韦伯斯特法为基础，作适当的改进而成的。
韦伯斯特法的考察断面是停车线，其计算参数都是以停车线断面为准。
干线协调（绿波带）
在城市交通中，交通干线承担了大量的交通负荷，干线交通的畅通对改善城市交通状况往往具有很大的作用。
干线信号协调控制实际上就是把干线上一批相邻交叉路口的交通信号进行协调配时，使得进入干线的车队按某一车速行驶时，能不遇或少遇红灯。
而线控的手段最主要的就是对相位差的调整。
我们将针对交通信号控制系统涉及的道路和路口设计多条干线控制线路，以优先保证这些线路干线方向的运行畅通，提高交通信号控制的整体效应。
系统既可以执行经过优化下传的固定配时方案，也可根据道路流量检测执行全感应或半感应控制模式。
感应控制是在路口各方向临近停止线处设置路口车辆检测器，信号机接收由车辆检测器检测的交通流数据，然后针对路口实际交通需求状况，进行单点路口或干道续进绿波带，实现合理、优化的行车管制，达到减少车辆延误时间、降低空气污染及合理的相位控制等目标，信号机处理所有车辆检测器的输入信息，确认红灯期间是否有车辆在等待，或检测绿灯延长时间期间的交通需求。
区域控制
区域控制需要对城市中所有的联网路口进行分类，划定若干个子区域，然后还要对每个子区域指定一系列子区域计划。
子区域计划与子区域中每台路口机内所存储的本地计划有密切的关系。
系统将一条道路延长线上的连续几个信号机在时间上相互联系起来进行信号显示，通过减少车辆停止次数，缩短停车时间达到使交通畅通的目的。
另外，此种控制方式有助于形成适当速度的交通流。
干线协调控制的主要特点是对几个信号机设定共用的周期长（系统周期长）和确定各信号时间上的相对关系即相位差。
特勤控制
不时举行一些重要的会议和展览、旅游等重大活动，也会有一些VIP客人到参加会议或参观游览，因此VIP特勤线路的设置是非常必要的。
中心UTC控制软件的“特勤方案组件”可以编辑特勤路线，强制执行特勤路线，解除特勤路线。
也可以按照设定好的时间执行特勤路线。
UTC系统特色
1、系统运行的高稳定性
UTC交通信号控制系统采用成熟的控制技术和设计理念，系统的管理与控制策略、控制原理与算法，能切合中国的交通环境特点，具有良好的适应性。
系统性能和技术指标达到国内同类系统的先进水平，并充分考虑未来ITS发展的需要，为系统功能和应用范围的扩展、为系统软硬件的升级留有充足的空间。
系统整体及各单项设备性能稳定，运行可靠，平均无故障时间不低于国内同类系统，并且系统具有故障自动检测、报警的能力，并能通过网络实现信号机的远程维护功能。
济南市建设的204个信控路口已联网稳定运行5年多。
2、UTC系统的高性价比
相比国内外区域交通协调控制系统（如SCOOT、SCATS等），建成同等性能的城市交通信号控制系统，采用公司的UTC成本及维护费用要低15%左右。
3、不同设备的高兼容性
自主知识产权的指挥中心集成平台软件可以集成SCATS、SCOOT等国内外常见的信号机，并可通过平台接入接口开放的信号机。
图15集成SCATS信号机界面
4、用户友好的操作界面
智能型系统信号机是公司根据国际标准设计制造的一款全功能信号机。
设备使用方便，全中文化操作，运行稳定可靠。
通讯接口提供RS-232C、RS-485两种端口。
中心交通信号控制系统软件操作简便，界面友好，日常维护和系统升级非常容易，可集成于智能交通综合应用管理系统，和其他业务系统共享交通信息。
图16信号状态动态显示
5、实用的信号控制功能
系统可实现绿波控制、警卫路线、公交优先、匝道（出入口）、实时倒计时牌等城市交通信号控制功能，实用性强。
6、协议开放
公司拥有自主知识产权的智能交通信号控制系统（UTC软件），基于开放协议的智能型多相位信号控制机，实现了信号控制的区域联网控制和管理。
系统向业主开放为实现交通信号控制机各项功能的所有通信协议，系统接口透明，提供二次开发能力，可支持多种系统互联，实现系统的集成与信息资源的共享。
7、完善的售后服务体系
公司拥有一批在智能交通领域有较深造诣的专业人才和专家顾问，具有丰富的长期从事于智能交通工程设计与建设的经验，掌握了具有国内一流水平的城市交通指挥中心系统软件开发与系统集成技术，根据国内城市交通管理发展的实际需求，开发研制了一批有自主知识产权的交通管理应用软硬件系统，为城市公安交通指挥中心建设提供一套完整的技术解决方案。
在交通信号控制方面，可以提供城市交通信号控制系统整体设计、配套道路渠化设计、交通信号控制器的研发与生产、交通信号控制系统软件研发、交通信号控制器工程安装调试、交通信号配时方案优化、交通信号配时效果仿真等专业化服务。
公司建有7大事业部，可以为全国客户提供快速响应，解决用户系统维护、升级、备件供应等后顾之忧。
系统架构
本章从系统工作的逻辑架构、硬件架构和软件体系架构三个方面对公司的智能城市交通信号控制系统（UTC）做出整体介绍。
系统的逻辑架构
系统的逻辑架构指的是公司UTC系统各个控制方式直接的拓扑关系。
本节从交通状态、控制区域和控制时间粒度三个不同的角度对系统的逻辑架构做出描述。
基于交通状态的控制方式
图21基于交通状态的控制方式
信号控制系统的本质是通过对路口信号灯的配时控制，解决路口不同交通状态下对各个方向交通流的路权分配问题。
由于受到道路通行能力的限制，交通流量与占有率之间会呈现出上图所示的对应关系。
一般道路交通状态可以分为4类。
第一类状态处于流量占有率曲线的起始端，它的表现形式是车流量小、车辆分布呈无规则分散。
我们用低峰小流量定义此种交通状态。
对应于此种状态，我们选择小周期固定配时加感应控制的交通信号控制方式。
这种控制方式可以在保证安全的前提下，使单个车辆快速通过路口，有效减少停车等待时间。
第二类状态处于流量占有率曲线的第二阶段，它的表现形式车流量明显增大，且在各个小时段、各个方向上变化不均匀，没有规律。
通过合理调整配时方案，可以有效的利用绿灯时间，增大路口通行能力，减少绿灯时间浪费。
我们用平峰欠饱和来定义此种交通状态。
对应于此种状态，我们选择多层次扰动抑制自适应的交通信号控制方式。
这种控制方式可以在保证安全的前提下，通过对当前交通流状态的分析，确定各个方向交通流对路权的需求，合理调整配时方案，达到对路权的合理分配。
第三类状态处于流量占有率曲线的波峰，它的表现形式各个方向车流量都达到或接近最大。
我们用高峰饱和来定义此种交通状态。
在此状态下，如何减少由于车流启动以及黄灯和全红引起的时间损失，从而在单位时间里放行更多车辆成为最大需求。
对应于此种状态，我们选择大周期固定配时的交通信号控制方式。
增大周期可以有效的降低黄灯、全红以及车辆启动时间在单位时间的比率。
固定绿信比可以有效的对车辆进行疏导与诱导。
第四类状态处于流量占有率曲线的终止端，它的表现形式是由于车辆数超过道路通行能力造成车速下降，从而车流量减小、占有率增加，车辆分布呈拥堵状态。
我们用拥堵过饱和来定义此种交通状态。
对应于此种状态，我们只能通过人工干预的方式，建立起疏导通道，在临时降低或牺牲某些方向的通行能力的情况下，引导车流按指定方向前进，到达缓解交通压力的目的。
基于控制范围的控制方式
图22基于控制范围的控制方式
城市路网各个路口之间存在或强或弱的相关性。
只有整体的对城市路网进行考察，根据不同的交通特点和路况之间的相关性，按照单点、干线、区域合理的划分控制范围，才能利用信号控制系统改善城市交通。
下面给出如何划分控制范围的参考依据以及信号系统的对应的控制方式。
有些路口距离其它路口距离较远，其路口交通状态对其相邻路口没有很明显的影响，或者有些路口流量数据总是很小，不会对相邻路口的交通状态产生明显影响。
对于此种类型的路口我们采用单点控制。
公司的单点控制方式分为两类，即信号机与中心脱机的单点本地控制和与中心联机的单点优化控制。
单点本地控制通
升级会员 