NATS城市交通信号控制系统

1　引言
改革开放以来，我国的国民经济取得了很大的发展，城市建设日新月异，城市道路交通条件不断改善。与此同时机动车的保有量不断增加，有的城市机动车的数量甚至增加了十几倍，城市道路的建设远远跟不上城市机动车的增加，城市交通问题显得越来越严重，给社会、经济、环境带来了一系列不良影响，如时间和能源的浪费，空气和噪声的污染，交通事故的增加等，因此解决城市交通问题已经到了刻不容缓的时候。
　　　现代科学技术的发展为解决城市交通问题提供了新的方法。实践证明，在现有的城市道路条件下，利用计算机技术、通信技术和控制技术结合现代城市交通管理技术建立城市交通信号控制系统是一种投资省、见效快的解决城市交通问题的方法。
　　　NATS城市交通信号控制系统是我国自行研制开发的第一个实时自适应城市交通信号控制系统，是“七•五”、“八•五”期间国家重点科技攻关项目，获国家重大科技攻关成果奖，1996年获公安部科技进步一等奖，1999年获国家科技进步三等奖，已经应用在南京、株洲、台州、南通、泰州、常熟、张家港、富阳等二十几个城市。
2　NATS系统结构
为满足城市未来控制范围的需求，提高系统的扩展能力，强化系统的交通数据与信息的处理、统计、分析、服务能力，NATS系统采用三级分布式递阶控制结构：中心控制级，区域控制级，路口控制级。
3　NATS系统功能
NATS城市交通信号控制系统主要功能如下：
3.1　交通信号控制功能
3.1.1　系统控制功能
　系统控制是指与区域控制计算机相连的道路交通信号控制机都在其控制之下，系统具有下列控制功能：
 实时自适应优化控制
　　　控制区内道路交通信号控制机与区域控制计算机联网运行，信号配时方案由系统优化算法软件根据实际交通状况实时生成，下载给道路交通信号控制机执行。
 固定配时控制
　　　控制区内与区域控制计算机相联的道路交通信号控制机都在区域控制计算机控制之下，信号配时方案使用的是近期实时自适应优化结果，并确有较好交通效益的配时方案。
 联机线控
　　　实施线控的路口的道路交通信号机都在区域控制计算机的控制之下，信号配时方案由线控算法软件实时生成。
 公交信号优先
检测公交车辆，根据公交车到达路口情况以及乘客数量决定优先放行权。
3.1.2　单点控制功能
　　　路口信号灯配时由路口的道路交通信号控制机独立控制，道路交通信号控制机应具有下列单点控制方式：
 单点优化
　　　根据检测器检测到的车流量，由道路交通信号控制机自带的优化软件自动生成信号灯配时方案。
 无电缆线控
　　　道路交通信号控制机按照统一的时间基准执行相互协调的配时方案。
 感应
　　　根据车辆检测器检测的车流信息，对交通信号灯进行实时控制。等等。
3.1.3　特殊控制
　　　系统可以根据实际交通情况，由控制中心发出命令，进行特殊交通控制，系统应具有下列特殊控制方式：
 定相控制
　　　根据路口交通需求，由任一级控制计算机发出命令，直接强行控制路口交通信号相位的执行时间。
 模拟手动
　　　根据路口交通需求，由任一级控制计算机发出命令模拟路口交通信号机的手动控制方式。
 绿波控制
　　　在执行警卫、消防、救护、抢险等任务的时候，其行车路线上的各交通信号灯按车辆到达路口的时间开启绿灯，保证车辆畅通无阻。
 手控
　　　由路口交警将路口的道路交通信号控制机手动开关置于“手动”位置，每按一次手动按钮，灯色变换一次。
3.2　交通信息采集功能
　　　对交通流量、车速、车型、占有率、排队长度、饱和度等交通信息进行自动采集、计算、存储；并可以显示、打印各种报表。
3.3　系统监测功能
　为提高系统的可靠性，系统各控制级设置完备的自检和监测功能，对系统设备、软件运行状况和故障进行全面监测与管理。发现故障立即上报系统综合平台。
3.4　遥设信号机参数
　在中央计算机、区域计算机与信号机通信正常的情况下，可调看和修改道路交通信号控制机的各种配时控制参数。
3.5　系统远程监控与维护功能
　可通过PSTN、DDN、ISDN等远程联网方式注册进入用户系统，实现系统远程故障诊断、监控与维护。
3.6　系统互连功能
　　　支持基于TGIS的多种系统集成，实现多系统互联互控和协调动作。
3.7　交通状态判别功能
系统能自动识别交通拥堵等级，判别准确度优于80%。
3.8　交通疏导
　利用室外交通诱导屏，可以实现交通流的自动或人工干预疏导

4　NATS系统信号优化
4.1　系统控制原理
　系统优化软件通过车辆检测器实时检测机动车和自行车的信息，通过交通模型预测停车线车辆到达和排队情况，通过计算和调整饱和度，以减少行车延误、停车次数为主要目标函数，结合道路交通特点、按小步距逐步寻优的原则，对周期、绿信比、相位差等控制参数进行优化，构成全局优化的实时自适应优化软件。
4.2　交通控制模型
4.2.1　控制子区的划分
在一般情况下，一个控制区域由几十个交叉路口组成，各个局部地区的交通状况可能会有明显的差别，各个交叉路口实际所需的周期长不可能都一样，若在整个区域采用同样的周期长度，那么大部分路口的周期长度将不是其所需的最佳长度，这样一来势必会降低整个系统的交通效益。因此，把整个区域划分成若干子区，使子区中的路口所需的周期长度比较相近。划分子区是提高系统交通效益的最为重要的战略措施之一，其实质就是把交通属性紧密相关的，即距离相近，所需周期长度相近的路口划入同一子区，用不同的控制参数来适应各局部地区的交通状况，简化优化算法，缩短优化时间，提高系统的实时性。
4.2.2　检测器位置
根据我们已经完成的系统的情况，综合各种指标，把检测器位置定在距停车线30～50米处，其优点如下：
 避免了干扰，保证了算法和模型的准确性；
 省去了车流散布的计算和车辆到达停车线的预测，简化了算法；
 为绿信比优化的局部调整提供了条件；
 在系统降级时，该检测器可用作感应检测器；
 缩短了其馈线长度，降低了系统建设费用；
 便于优化软件的调试，并可自动计算、调整各进口车道的饱和流率，减少交通调查所花费的人力物力，自动适应变化的路口交通情况。
4.2.3　车辆到达和排队计算
由于检测器距停车线很近，车辆到达计算很简单，只需对车辆到达检测器上面的情况进行一下修正即可。而车辆排队计算比较复杂，应根据本周期的车辆通过情况推算上周期的车辆排队情况，这就是车辆排队计算滞后了半个周期的原因。
4.3　优化算法
4.3.1　周期长度的优化
周期优化是整个优化算法的基础，因为它的改变会引起相位长度和相位差的变化。周期优化以子区为单位进行，在每个周期，对子区中的每个路口，根据一定的饱和度原则，分别计算各自的周期长度，然后根据整个子区的情况，综合权衡，确定出子区周期长度，其长度应满足一定的约束条件：即应在其最小周期和最大周期之间。但是为了使相位差有一个相对稳定的值，以便使路口能执行优化相位差，这种每个周期计算出的周期长度并不一定作为路口控制参数使用，而是每隔10—15分钟选择最佳的周期长度作为路口控制参数使用，且该周期长度应满足小步距逐步寻优的原则，其目的是为了保证路口配时具有一定的稳定性和连续性，不至于对交通流产生冲击。
4.3.2　绿信比优化
为了适合中国城市道路交通特点，绿信比的优化处理分二个层次进行，全局优化与局部调整：
全局优化就是根据等饱和度原则，对周期长度进行分割，每个周期计算一次；
局部调整是在每个相位结束前几秒钟，根据检测器提供的实时信息，调整当前相位的长度，这种调整每个相位进行一次。
4.3.3　相位差优化
相位差优化根据不同的道路交通情况，采用不同的优化算法。对于单向交通，使用最大绿波带算法计算相位差，这是单向交通相位差的最好结果。否则将根据实测的周期流量图式，沿某一优化路径逐个路口进行，对所有路口的相邻路口，比较其在相位差不变、提前或后移时的交通性能指标，然后决出最佳相位差方案。该方法的实时性和适应性都较好，理论上可以使相位差接近最优。
4.3.4　优化后处理
由于周期、绿信比、相位差这三个控制参数是相互影响、制约的。所以，应对它们进行适当的调整，才能将它们发送给交通信号机。
4.4　公交信号优先
优先发展公共交通，是一种先进的理念，在一些发达国家，市民出行选择公共交通的比例，已成为衡量城市现代化程度的重要指标。这个比例在伦敦、巴黎、纽约均在70%左右，东京更是高达87%，而在我国的城市中，这个比例大多在20%左右。
在交通信号控制范畴，公交信号优先（TSP）是现阶段城市交通信号控制系统的一个发展重点。公交信号优先目的是减少公交车辆在信号交叉路口的延误，这种考虑的原因在于城市公交车具有客运量大、相对投资小、占有资源少、效率高、人均占有道路少等优点，如果交叉口的延误用经过交叉路口的全部出行者的总延误来表示的话，那么一辆满载乘客的公交车在交叉路口的延误与一辆小轿车在交叉路口的延误是不等价的，因此让公交车在交叉路口获得优先权，将会极大地减小交叉路口的总人均延误。
实现公交信号优先主要有两种方式：
 采用设置专用车道、安装专用车辆检测器，通过交通信号控制机或专用检测设备向交通信号控制系统提供公交车行进信息，系统根据这些信息结合交叉路口的放行相位、周期配时等参数进行优化处理，控制交通信号机调整交叉路口的相位及配时，在保障交叉路口交通顺畅且相邻路口不失协调的前提下，优先放行到达交叉路口的公交车，达到公交信号优先的