1.1傳統(tǒng)的城市道路 交通控制 技術(shù)

　　城市道路交通控制領(lǐng)域的研究可以分為兩大類(lèi):一類(lèi)是交通控制理論的研究，另一類(lèi)是交通工程 實(shí)踐的研究。前者從系統(tǒng)工程理論、大系統(tǒng)理論及最優(yōu)控制的角度出發(fā)，對(duì)城市道路交通這一典型的大系統(tǒng)進(jìn)行研究;后者交通工程師的實(shí)踐，是許多實(shí)際交通控制系統(tǒng)產(chǎn)生的重要基礎(chǔ)。

　　1.1.1城市交通 控制理論

　　國(guó)外從二十世紀(jì)六十年代初期就己經(jīng)開(kāi)始對(duì)城市道路交通控制領(lǐng)的研究，發(fā)展到二十世紀(jì)七十年代，隨著大系統(tǒng)理論和系統(tǒng)工程理論的現(xiàn)，城市區(qū)域交通控制有了一些大的發(fā)展。其中，W比ster(1958)Mllier(1963)分別針對(duì)固定周期的信號(hào)控制 建立了以車(chē)輛平均延誤最小目標(biāo)的信號(hào)配時(shí)模型及其計(jì)算方法，前者的方法仍然是今天定時(shí)信號(hào)控的基礎(chǔ)。對(duì)于固定周期的信號(hào)優(yōu)化，最著名的研究工作出自GazisPo(st1963)，他們最先對(duì)單向交通、無(wú)轉(zhuǎn)向車(chē)流的交又路口的信號(hào)控制題進(jìn)行了研究，建立了交通流的連續(xù)時(shí)間模型，并導(dǎo)出了最優(yōu)化條件。后，Gazsi(1964)對(duì)由兩個(gè)這樣的交叉口構(gòu)成的簡(jiǎn)單交通網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了優(yōu)化究。后來(lái)許多學(xué)者的研究工作都是基于Gazis理論，并且將其擴(kuò)展到由多交叉路口組成的交通網(wǎng)絡(luò)。

　　由于交通檢測(cè)技術(shù)的制約，在早期的交通模型中，因?yàn)槿狈?shí)時(shí)的通流信息，所采用的控制策略不能完全適應(yīng)交通流的動(dòng)態(tài)變化。為了能適應(yīng)交通流的動(dòng)態(tài)變化特性，近幾十年來(lái)，許多學(xué)者提出了不同的優(yōu)化制方法，但這些方法大多都存在復(fù)雜的計(jì)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(yùn)用大系統(tǒng)的觀點(diǎn)和方法，將大系統(tǒng)遞階控制的目標(biāo)協(xié)調(diào)法和Tam盯a的改形式應(yīng)用于城市交通網(wǎng)絡(luò)控制，建立了飽和交通流狀態(tài)下的網(wǎng)絡(luò)模型及兩級(jí)分解控制算法。Singh建立的模型和兩級(jí)控制算法原理簡(jiǎn)單、物理義清楚，然而存在兩個(gè)主要問(wèn)題:其一是優(yōu)化變量?jī)H為綠信比，沒(méi)有對(duì)期和相位差進(jìn)行優(yōu)化;其二，模型中的約束方程為強(qiáng)不等式，優(yōu)化處理需要梯度運(yùn)算，計(jì)算量很大，難于用于實(shí)時(shí)控制。

　　沿著Sinhg的思路，一些學(xué)者做了改進(jìn)性工作。Baras和Lveni。等運(yùn)用隨機(jī)過(guò)程理論進(jìn)行了深入細(xì)致的研究，得到了一些新的研究成果，189]。B盯as和Levine構(gòu)造的系統(tǒng)模型考慮因素全面、準(zhǔn)確性較高，同時(shí)將網(wǎng)優(yōu)化問(wèn)題轉(zhuǎn)化為典型的隨機(jī)控制問(wèn)題，為利用現(xiàn)有技術(shù)打下了基礎(chǔ)。Bar模型的缺陷是:問(wèn)題求解時(shí)依然面臨計(jì)算量大和維數(shù)災(zāi)難的問(wèn)題，同時(shí)為成熟的隨機(jī)控制問(wèn)題往往是建立在分離理論的基礎(chǔ)之上，而由于交通題的特殊性，分離定理此時(shí)并不成立I’“〕。除以上兩大類(lèi)較有代表性的工作外，不少學(xué)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(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)城市交通信號(hào) 優(yōu)化控制技術(shù)也進(jìn)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(yōu)控制問(wèn)題，建立了交通流的最優(yōu)預(yù)測(cè)模型，提出了一種交叉路口的在線最優(yōu)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(hào)控制問(wèn)題，在當(dāng)前周期的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了對(duì)下一周期交通流的預(yù)測(cè)和優(yōu)化控制。上述兩種方法僅僅考慮了單個(gè)周期的信號(hào)優(yōu)化問(wèn)題，而沒(méi)有考慮整個(gè)控制周期內(nèi)信號(hào)周期間的交通流藕合關(guān)系，因此嚴(yán)格地講是一種靜態(tài)的優(yōu)化控制方法。萬(wàn)緒軍等人(2001)研究了城市交通干線的信號(hào)優(yōu)化問(wèn)題，建立了以車(chē)輛延誤最小為目標(biāo)的相位差優(yōu)化控制模型，但作者并未對(duì)模型的求解算法及控制效果做進(jìn)一步的研究分析，而且對(duì)信號(hào)周期和綠信比未做任何優(yōu)化。此外，國(guó)內(nèi)學(xué)者劉智勇、史忠科、王煒、陳森發(fā)等人也從不同的角度對(duì)城市交通信號(hào)優(yōu)化技術(shù)進(jìn)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(jìn)行，且均有一定的局限性，但它們?yōu)榻煌刂茖?shí)踐提供了許多有益的新思想和新方法，推動(dòng)著城市交通信號(hào)控制的不斷發(fā)展。應(yīng)該看到，盡管人們對(duì)城市交通信號(hào)優(yōu)化與控制技術(shù)進(jìn)行了長(zhǎng)時(shí)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(tǒng)的復(fù)雜性，交通信號(hào)優(yōu)化控制技術(shù)的發(fā)展遠(yuǎn)未完善，對(duì)于交通信號(hào)動(dòng)態(tài)優(yōu)化控制策略及其工程實(shí)現(xiàn)的研究仍然是當(dāng)前交通控制工程領(lǐng)域研究的重要內(nèi)容之一。

　　1.1.2城市交通控制系統(tǒng)

　　城市道路交通控制的另外一個(gè)發(fā)展方向，是出現(xiàn)了一些相對(duì)實(shí)用的交通控制系統(tǒng)，比較有代表性并且在交通實(shí)踐中取得較好應(yīng)用效果的有TRANSYT、SCOOT和SCATS等。

　　1)TRANSYT一交通網(wǎng)絡(luò)研究工具TRANsYT(TrameNetworkstudyToolS)[2.6]是由英國(guó)道路研究所(TRRL)花費(fèi)近十年時(shí)間研制而成的。自從1968年第一版問(wèn)世以來(lái)，經(jīng)歷不斷改進(jìn)，己經(jīng)發(fā)展成為先進(jìn)的TRANSYT/9型。系統(tǒng)采用靜態(tài)模式，綠信比與相位差為控制參數(shù)，優(yōu)化方法為爬山法。TRANSYT是最成功靜態(tài)系統(tǒng)，己被世界上400多個(gè)城市所采用，產(chǎn)生了顯著的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效該系統(tǒng)的不足之處是:計(jì)算量很大，很難獲得整體最優(yōu)的配時(shí)方案，需大量的路網(wǎng)幾何尺寸和交通流數(shù)據(jù)的支撐。

　　2)scooT一綠信比、周期和相位差優(yōu)化技術(shù)SCooT(SplitCyeleandosffetoptimizationTeehnique)[2’l是TRRLTRANSYT的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種交通網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)協(xié)調(diào)控制的自適應(yīng)控系統(tǒng)，于1979年投入使用。SCOOT仍采用了TRANSYT的交通模型，揚(yáng)長(zhǎng)避短，獲得了明顯優(yōu)于靜態(tài)系統(tǒng)的效果，是現(xiàn)今主流的城市交通控系統(tǒng)之一。SCOOT系統(tǒng)采用聯(lián)機(jī)實(shí)時(shí)控制的動(dòng)態(tài)模式，對(duì)周期、綠信與相位差進(jìn)行控制，采用小步長(zhǎng)漸進(jìn)尋優(yōu)方法。但SCOOT相位不能自增減，相序不能自動(dòng)改變，現(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)試時(shí)相當(dāng)繁瑣等不足是有待改進(jìn)

　　3)SCATs一悉尼協(xié)調(diào)自適應(yīng)交通系統(tǒng)

　　SCATS(sydneyeoordinatedAdaptiveTrarfi。system)[281是由澳大利Sims等人在二十世紀(jì)七十年代末期進(jìn)行開(kāi)發(fā)并于八十年代初投入使用城市交通控制系統(tǒng)。SCATS采用了分層遞階的控制結(jié)構(gòu)，其控制中心備一臺(tái)監(jiān)控計(jì)算機(jī)和一臺(tái)管理計(jì)算機(jī)，二者通過(guò)串行數(shù)據(jù)通訊線路相連。區(qū)級(jí)的計(jì)算機(jī)自動(dòng)把各種數(shù)據(jù)送到管理計(jì)算機(jī)。監(jiān)控計(jì)算機(jī)連續(xù)地監(jiān)視有路口的信號(hào)運(yùn)行和檢測(cè)器的工作狀況。地區(qū)主控制器用于分析路口控器送來(lái)的車(chē)流數(shù)據(jù)，確定控制策略，并對(duì)本區(qū)域各路口進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，時(shí)把收集到的所有數(shù)據(jù)送到控制中心作為運(yùn)行記錄并用于脫機(jī)分析。路控制器主要是采集分析檢測(cè)器提供的交通數(shù)據(jù)，并傳送到地區(qū)主控制器，同時(shí)接受地區(qū)主控制器的指令，控制本路口信號(hào)。SCATS采用地區(qū)級(jí)聯(lián)控制、中央級(jí)聯(lián)機(jī)與脫機(jī)同時(shí)進(jìn)行的控制模式，以類(lèi)飽和度綜合流量最為系統(tǒng)目標(biāo)，無(wú)實(shí)時(shí)交通模型，控制參數(shù)為綠信比、相位差和周期。SCAT作為一種先進(jìn)的交通控制系統(tǒng)，在世界上許多城市的交通控制中起著重的作用，但同時(shí)存在以下缺點(diǎn):沒(méi)有實(shí)時(shí)交通模型，而是根據(jù)類(lèi)飽和度綜合流量從既定方案中選擇信號(hào)控制參數(shù)，限制了控制參數(shù)的優(yōu)化程度;選擇相位差方案時(shí)，無(wú)車(chē)流實(shí)時(shí)信息反饋，可靠性低;無(wú)法檢測(cè)到排隊(duì)長(zhǎng)度，難以消除擁擠等。

　　需要說(shuō)明的是，雖然以上幾種系統(tǒng)已經(jīng)在實(shí)際中得到應(yīng)用，并取得了一定的期望效果，但是這些系統(tǒng)所采用的方法或者是離線優(yōu)化方式(TRANsYT)，不能適應(yīng)交通流的動(dòng)態(tài)變化，或者雖然是在線優(yōu)化方式(SCATS)，但因無(wú)實(shí)時(shí)的交通流模型而導(dǎo)致優(yōu)化程度較低。SCOOT雖然不存在這方面的問(wèn)題，但是對(duì)于交通量接近飽和或者己經(jīng)飽和的交通狀態(tài)，控制效果并不理想。因此，有必要研究更加先進(jìn)的交通控制系統(tǒng)以進(jìn)一步適應(yīng)城市交通對(duì)于信號(hào)控制的要求，而先進(jìn)的信號(hào)優(yōu)化控制理論是實(shí)現(xiàn)這一目的的前提條件。