1　引言
改革開放以來(lái)，我國(guó)的國(guó)民經(jīng)濟(jì)取得了很大的發(fā)展，城市建設(shè)日新月異，城市道路交通條件不斷改善。與此同時(shí)機(jī)動(dòng)車的保有量不斷增加，有的城市機(jī)動(dòng)車的數(shù)量甚至增加了十幾倍，城市道路的建設(shè)遠(yuǎn)遠(yuǎn)跟不上城市機(jī)動(dòng)車的增加，城市交通問(wèn)題顯得越來(lái)越嚴(yán)重，給社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境帶來(lái)了一系列不良影響，如時(shí)間和能源的浪費(fèi)，空氣和噪聲的污染，交通事故的增加等，因此解決城市交通問(wèn)題已經(jīng)到了刻不容緩的時(shí)候。
　　　現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展為解決城市交通問(wèn)題提供了新的方法。實(shí)踐證明，在現(xiàn)有的城市道路條件下，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和控制技術(shù)結(jié)合現(xiàn)代城市交通管理技術(shù)建立城市交通信號(hào)控制系統(tǒng)是一種投資省、見效快的解決城市交通問(wèn)題的方法。
　　　NATS城市交通信號(hào)控制系統(tǒng)是我國(guó)自行研制開發(fā)的第一個(gè)實(shí)時(shí)自適應(yīng)城市交通信號(hào)控制系統(tǒng)，是“七?五”、“八?五”期間國(guó)家重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目，獲國(guó)家重大科技攻關(guān)成果獎(jiǎng)，1996年獲公安部科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)，1999年獲國(guó)家科技進(jìn)步三等獎(jiǎng)，已經(jīng)應(yīng)用在南京、株洲、臺(tái)州、南通、泰州、常熟、張家港、富陽(yáng)等二十幾個(gè)城市。
2　NATS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
為滿足城市未來(lái)控制范圍的需求，提高系統(tǒng)的擴(kuò)展能力，強(qiáng)化系統(tǒng)的交通數(shù)據(jù)與信息的處理、統(tǒng)計(jì)、分析、服務(wù)能力，NATS系統(tǒng)采用三級(jí)分布式遞階控制結(jié)構(gòu)：中心控制級(jí)，區(qū)域控制級(jí)，路口控制級(jí)。
3　NATS系統(tǒng)功能
NATS城市交通信號(hào)控制系統(tǒng)主要功能如下：
3.1　交通信號(hào)控制功能
3.1.1　系統(tǒng)控制功能
　系統(tǒng)控制是指與區(qū)域控制計(jì)算機(jī)相連的道路交通信號(hào)控制機(jī)都在其控制之下，系統(tǒng)具有下列控制功能：
? 實(shí)時(shí)自適應(yīng)優(yōu)化控制
　　　控制區(qū)內(nèi)道路交通信號(hào)控制機(jī)與區(qū)域控制計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行，信號(hào)配時(shí)方案由系統(tǒng)優(yōu)化算法軟件根據(jù)實(shí)際交通狀況實(shí)時(shí)生成，下載給道路交通信號(hào)控制機(jī)執(zhí)行。
? 固定配時(shí)控制
　　　控制區(qū)內(nèi)與區(qū)域控制計(jì)算機(jī)相聯(lián)的道路交通信號(hào)控制機(jī)都在區(qū)域控制計(jì)算機(jī)控制之下，信號(hào)配時(shí)方案使用的是近期實(shí)時(shí)自適應(yīng)優(yōu)化結(jié)果，并確有較好交通效益的配時(shí)方案。
? 聯(lián)機(jī)線控
　　　實(shí)施線控的路口的道路交通信號(hào)機(jī)都在區(qū)域控制計(jì)算機(jī)的控制之下，信號(hào)配時(shí)方案由線控算法軟件實(shí)時(shí)生成。
? 公交信號(hào)優(yōu)先
檢測(cè)公交車輛，根據(jù)公交車到達(dá)路口情況以及乘客數(shù)量決定優(yōu)先放行權(quán)。
3.1.2　單點(diǎn)控制功能
　　　路口信號(hào)燈配時(shí)由路口的道路交通信號(hào)控制機(jī)獨(dú)立控制，道路交通信號(hào)控制機(jī)應(yīng)具有下列單點(diǎn)控制方式：
? 單點(diǎn)優(yōu)化
　　　根據(jù)檢測(cè)器檢測(cè)到的車流量，由道路交通信號(hào)控制機(jī)自帶的優(yōu)化軟件自動(dòng)生成信號(hào)燈配時(shí)方案。
? 無(wú)電纜線控
　　　道路交通信號(hào)控制機(jī)按照統(tǒng)一的時(shí)間基準(zhǔn)執(zhí)行相互協(xié)調(diào)的配時(shí)方案。
? 感應(yīng)
　　　根據(jù)車輛檢測(cè)器檢測(cè)的車流信息，對(duì)交通信號(hào)燈進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。等等。
3.1.3　特殊控制
　　　系統(tǒng)可以根據(jù)實(shí)際交通情況，由控制中心發(fā)出命令，進(jìn)行特殊交通控制，系統(tǒng)應(yīng)具有下列特殊控制方式：
? 定相控制
　　　根據(jù)路口交通需求，由任一級(jí)控制計(jì)算機(jī)發(fā)出命令，直接強(qiáng)行控制路口交通信號(hào)相位的執(zhí)行時(shí)間。
? 模擬手動(dòng)
　　　根據(jù)路口交通需求，由任一級(jí)控制計(jì)算機(jī)發(fā)出命令模擬路口交通信號(hào)機(jī)的手動(dòng)控制方式。
? 綠波控制
　　　在執(zhí)行警衛(wèi)、消防、救護(hù)、搶險(xiǎn)等任務(wù)的時(shí)候，其行車路線上的各交通信號(hào)燈按車輛到達(dá)路口的時(shí)間開啟綠燈，保證車輛暢通無(wú)阻。
? 手控
　　　由路口交警將路口的道路交通信號(hào)控制機(jī)手動(dòng)開關(guān)置于“手動(dòng)”位置，每按一次手動(dòng)按鈕，燈色變換一次。
3.2　交通信息采集功能
　　　對(duì)交通流量、車速、車型、占有率、排隊(duì)長(zhǎng)度、飽和度等交通信息進(jìn)行自動(dòng)采集、計(jì)算、存儲(chǔ)；并可以顯示、打印各種報(bào)表。
3.3　系統(tǒng)監(jiān)測(cè)功能
　為提高系統(tǒng)的可靠性，系統(tǒng)各控制級(jí)設(shè)置完備的自檢和監(jiān)測(cè)功能，對(duì)系統(tǒng)設(shè)備、軟件運(yùn)行狀況和故障進(jìn)行全面監(jiān)測(cè)與管理。發(fā)現(xiàn)故障立即上報(bào)系統(tǒng)綜合平臺(tái)。
3.4　遙設(shè)信號(hào)機(jī)參數(shù)
　在中央計(jì)算機(jī)、區(qū)域計(jì)算機(jī)與信號(hào)機(jī)通信正常的情況下，可調(diào)看和修改道路交通信號(hào)控制機(jī)的各種配時(shí)控制參數(shù)。
3.5　系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控與維護(hù)功能
　可通過(guò)PSTN、DDN、ISDN等遠(yuǎn)程聯(lián)網(wǎng)方式注冊(cè)進(jìn)入用戶系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)遠(yuǎn)程故障診斷、監(jiān)控與維護(hù)。
3.6　系統(tǒng)互連功能
　　　支持基于TGIS的多種系統(tǒng)集成，實(shí)現(xiàn)多系統(tǒng)互聯(lián)互控和協(xié)調(diào)動(dòng)作。
3.7　交通狀態(tài)判別功能
系統(tǒng)能自動(dòng)識(shí)別交通擁堵等級(jí)，判別準(zhǔn)確度優(yōu)于80%。
3.8　交通疏導(dǎo)
　利用室外交通誘導(dǎo)屏，可以實(shí)現(xiàn)交通流的自動(dòng)或人工干預(yù)疏導(dǎo)

4　NATS系統(tǒng)信號(hào)優(yōu)化
4.1　系統(tǒng)控制原理
　系統(tǒng)優(yōu)化軟件通過(guò)車輛檢測(cè)器實(shí)時(shí)檢測(cè)機(jī)動(dòng)車和自行車的信息，通過(guò)交通模型預(yù)測(cè)停車線車輛到達(dá)和排隊(duì)情況，通過(guò)計(jì)算和調(diào)整飽和度，以減少行車延誤、停車次數(shù)為主要目標(biāo)函數(shù)，結(jié)合道路交通特點(diǎn)、按小步距逐步尋優(yōu)的原則，對(duì)周期、綠信比、相位差等控制參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，構(gòu)成全局優(yōu)化的實(shí)時(shí)自適應(yīng)優(yōu)化軟件。
4.2　交通控制模型
4.2.1　控制子區(qū)的劃分
在一般情況下，一個(gè)控制區(qū)域由幾十個(gè)交叉路口組成，各個(gè)局部地區(qū)的交通狀況可能會(huì)有明顯的差別，各個(gè)交叉路口實(shí)際所需的周期長(zhǎng)不可能都一樣，若在整個(gè)區(qū)域采用同樣的周期長(zhǎng)度，那么大部分路口的周期長(zhǎng)度將不是其所需的最佳長(zhǎng)度，這樣一來(lái)勢(shì)必會(huì)降低整個(gè)系統(tǒng)的交通效益。因此，把整個(gè)區(qū)域劃分成若干子區(qū)，使子區(qū)中的路口所需的周期長(zhǎng)度比較相近。劃分子區(qū)是提高系統(tǒng)交通效益的最為重要的戰(zhàn)略措施之一，其實(shí)質(zhì)就是把交通屬性緊密相關(guān)的，即距離相近，所需周期長(zhǎng)度相近的路口劃入同一子區(qū)，用不同的控制參數(shù)來(lái)適應(yīng)各局部地區(qū)的交通狀況，簡(jiǎn)化優(yōu)化算法，縮短優(yōu)化時(shí)間，提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。
4.2.2　檢測(cè)器位置
根據(jù)我們已經(jīng)完成的系統(tǒng)的情況，綜合各種指標(biāo)，把檢測(cè)器位置定在距停車線30～50米處，其優(yōu)點(diǎn)如下：
? 避免了干擾，保證了算法和模型的準(zhǔn)確性；
? 省去了車流散布的計(jì)算和車輛到達(dá)停車線的預(yù)測(cè)，簡(jiǎn)化了算法；
? 為綠信比優(yōu)化的局部調(diào)整提供了條件；
? 在系統(tǒng)降級(jí)時(shí)，該檢測(cè)器可用作感應(yīng)檢測(cè)器；
? 縮短了其饋線長(zhǎng)度，降低了系統(tǒng)建設(shè)費(fèi)用；
? 便于優(yōu)化軟件的調(diào)試，并可自動(dòng)計(jì)算、調(diào)整各進(jìn)口車道的飽和流率，減少交通調(diào)查所花費(fèi)的人力物力，自動(dòng)適應(yīng)變化的路口交通情況。
4.2.3　車輛到達(dá)和排隊(duì)計(jì)算
由于檢測(cè)器距停車線很近，車輛到達(dá)計(jì)算很簡(jiǎn)單，只需對(duì)車輛到達(dá)檢測(cè)器上面的情況進(jìn)行一下修正即可。而車輛排隊(duì)計(jì)算比較復(fù)雜，應(yīng)根據(jù)本周期的車輛通過(guò)情況推算上周期的車輛排隊(duì)情況，這就是車輛排隊(duì)計(jì)算滯后了半個(gè)周期的原因。
4.3　優(yōu)化算法
4.3.1　周期長(zhǎng)度的優(yōu)化
周期優(yōu)化是整個(gè)優(yōu)化算法的基礎(chǔ)，因?yàn)樗母淖儠?huì)引起相位長(zhǎng)度和相位差的變化。周期優(yōu)化以子區(qū)為單位進(jìn)行，在每個(gè)周期，對(duì)子區(qū)中的每個(gè)路口，根據(jù)一定的飽和度原則，分別計(jì)算各自的周期長(zhǎng)度，然后根據(jù)整個(gè)子區(qū)的情況，綜合權(quán)衡，確定出子區(qū)周期長(zhǎng)度，其長(zhǎng)度應(yīng)滿足一定的約束條件：即應(yīng)在其最小周期和最大周期之間。但是為了使相位差有一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的值，以便使路口能執(zhí)行優(yōu)化相位差，這種每個(gè)周期計(jì)算出的周期長(zhǎng)度并不一定作為路口控制參數(shù)使用，而是每隔10—15分鐘選擇最佳的周期長(zhǎng)度作為路口控制參數(shù)使用，且該周期長(zhǎng)度應(yīng)滿足小步距逐步尋優(yōu)的原則，其目的是為了保證路口配時(shí)具有一定的穩(wěn)定性和連續(xù)性，不至于對(duì)交通流產(chǎn)生沖擊。
4.3.2　綠信比優(yōu)化
為了適合中國(guó)城市道路交通特點(diǎn)，綠信比的優(yōu)化處理分二個(gè)層次進(jìn)行，全局優(yōu)化與局部調(diào)整：
全局優(yōu)化就是根據(jù)等飽和度原則，對(duì)周期長(zhǎng)度進(jìn)行分割，每個(gè)周期計(jì)算一次；
局部調(diào)整是在每個(gè)相位結(jié)束前幾秒鐘，根據(jù)檢測(cè)器提供的實(shí)時(shí)信息，調(diào)整當(dāng)前相位的長(zhǎng)度，這種調(diào)整每個(gè)相位進(jìn)行一次。
4.3.3　相位差優(yōu)化
相位差優(yōu)化根據(jù)不同的道路交通情況，采用不同的優(yōu)化算法。對(duì)于單向交通，使用最大綠波帶算法計(jì)算相位差，這是單向交通相位差的最好結(jié)果。否則將根據(jù)實(shí)測(cè)的周期流量圖式，沿某一優(yōu)化路徑逐個(gè)路口進(jìn)行，對(duì)所有路口的相鄰路口，比較其在相位差不變、提前或后移時(shí)的交通性能指標(biāo)，然后決出最佳相位差方案。該方法的實(shí)時(shí)性和適應(yīng)性都較好，理論上可以使相位差接近最優(yōu)。
4.3.4　優(yōu)化后處理
由于周期、綠信比、相位差這三個(gè)控制參數(shù)是相互影響、制約的。所以，應(yīng)對(duì)它們進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，才能將它們發(fā)送給交通信號(hào)機(jī)。
4.4　公交信號(hào)優(yōu)先
優(yōu)先發(fā)展公共交通，是一種先進(jìn)的理念，在一些發(fā)達(dá)國(guó)家，市民出行選擇公共交通的比例，已成為衡量城市現(xiàn)代化程度的重要指標(biāo)。這個(gè)比例在倫敦、巴黎、紐約均在70%左右，東京更是高達(dá)87%，而在我國(guó)的城市中，這個(gè)比例大多在20%左右。
在交通信號(hào)控制范疇，公交信號(hào)優(yōu)先（TSP）是現(xiàn)階段城市交通信號(hào)控制系統(tǒng)的一個(gè)發(fā)展重點(diǎn)。公交信號(hào)優(yōu)先目的是減少公交車輛在信號(hào)交叉路口的延誤，這種考慮的原因在于城市公交車具有客運(yùn)量大、相對(duì)投資小、占有資源少、效率高、人均占有道路少等優(yōu)點(diǎn)，如果交叉口的延誤用經(jīng)過(guò)交叉路口的全部出行者的總延誤來(lái)表示的話，那么一輛滿載乘客的公交車在交叉路口的延誤與一輛小轎車在交叉路口的延誤是不等價(jià)的，因此讓公交車在交叉路口獲得優(yōu)先權(quán)，將會(huì)極大地減小交叉路口的總?cè)司诱`。
實(shí)現(xiàn)公交信號(hào)優(yōu)先主要有兩種方式：
? 采用設(shè)置專用車道、安裝專用車輛檢測(cè)器，通過(guò)交通信號(hào)控制機(jī)或?qū)Ｓ脵z測(cè)設(shè)備向交通信號(hào)控制系統(tǒng)提供公交車行進(jìn)信息，系統(tǒng)根據(jù)這些信息結(jié)合交叉路口的放行相位、周期配時(shí)等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化處理，控制交通信號(hào)機(jī)調(diào)整交叉路口的相位及配時(shí)，在保障交叉路口交通順暢且相鄰路口不失協(xié)調(diào)的前提下，優(yōu)先放行到達(dá)交叉路口的公交車，達(dá)到公交信號(hào)優(yōu)先的效果；
? 在公交車上安裝定位設(shè)備，通過(guò)GPRS/CDMA無(wú)線網(wǎng)絡(luò)向交通信號(hào)控制系統(tǒng)提供公交車行進(jìn)信息，系統(tǒng)根據(jù)這些信息結(jié)合交叉路口的放行相位、周期配時(shí)等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化處理，控制交通信號(hào)機(jī)調(diào)整放行相位及放行時(shí)間，在保障交叉口交通順暢且相鄰路口不失協(xié)調(diào)的前提下，優(yōu)先放行到達(dá)交叉路口的公交車，達(dá)到公交信號(hào)優(yōu)先的效果。
5　NATS系統(tǒng)人機(jī)界面
NATS系統(tǒng)軟件采用中文操作界面，人機(jī)界面友好，操作方便，可以顯示路口配時(shí)參數(shù)表、信號(hào)機(jī)狀態(tài)故障表、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖、路網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖、路口結(jié)構(gòu)圖、綠波控制子區(qū)時(shí)距圖、車道周期流量圖、車道流量占有圖等畫面。（參見圖3—圖4）

圖3：路口結(jié)構(gòu)圖

這些畫面既可以單獨(dú)顯示，也可以同時(shí)顯示，可以改變其大小和位置。同時(shí)顯示多個(gè)畫面時(shí)，利用“窗口”菜單中的“重疊排列窗口”和“緊密排列窗口”命令，可安排這些畫面的顯示；也可利用“窗口”菜單中的“分隔窗口”命令對(duì)某個(gè)畫面進(jìn)行分隔顯示，以比較畫面中的不同部分。

6　結(jié)束語(yǔ)
　　　城市交通信號(hào)控制系統(tǒng)是現(xiàn)代城市交通管理的重要環(huán)節(jié)，也是智能交通系統(tǒng)的重要組成部分，其建設(shè)的目的在于通過(guò)運(yùn)用高科技手段優(yōu)化交通控制，緩解交通擁擠，縮短旅行時(shí)間，減少交通事故。
　　　本文介紹了國(guó)內(nèi)自行研發(fā)的NATS城市交通信號(hào)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能、主要設(shè)備以及信號(hào)優(yōu)化原理，可為相關(guān)技術(shù)人員提供參考。

（轉(zhuǎn)載）