交通信号控制系统方案.docx
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交通信号控制系统方案
交通信号控制系统
一.1项目概述
对当地的简单介绍及交通状况的分析。
一.1.1系统概述
城市交通的管理与控制是智能交通系统的重要组成部分，城市交叉口的通行能力是决定道路通行的关键。
交通信号控制系统对城市交叉口进行系统化协调控制，能缓解拥堵区域的交通压力，使交通流量在整个城市范围内的分配趋于合理，能够降低或消除对道路的瓶颈影响，提高道路的通行能力和服务水平。
交通信号控制系统的发展经历了点控、线控和面控3个阶段：
（1）每个交叉口的交通控制信号只按照该交叉口的交通情况独立运行，不与其邻近交叉口的控制信号有任何联系的，称为单个交叉口交通控制，也称为单点信号控制，俗称“点控制”。
（2）把干道上若干连续交叉口的交通信号通过一定的方式联结起来，同时对各交叉口设计一种相互协调的配时方案，各交叉口的信号灯按此协调方案联合运行，使车辆通过这些交叉口时，不致经常遇上红灯，称为干道信号联动控制，也叫“绿波”信号控制，俗称“线控制”。
（3）以某个区域中所有信号控制交叉口作为协调控制的对象，称为区域交通信号控制系统，俗称“面控制”。
一.1.2设计目标
交通信号控制系统目标如下：
（1）降低交通延误，降低停车次数，提高车速，降低机动车油耗，减少交通污染，改善城市环境；
（2）科学控制交通流，最大限度利用现有道路，提高道路的通行能力；
（3）使交通有序运动，从而改善交通秩序，有利于交通安全；
（4）节省警力，降低交警的劳动强度。
一.1.3设计原则
根据我公司多年来在城市智能交通领域的建设经验，对公安、交通行业业务需求的深入理解，结合我国交通发展的现状，根据信号控制系统设计理论，在设计过程中秉承以下原则：
一.1.3.1标准化原则
交通信号控制系统严格按照公安部颁布的标准GA47-2002《道路交通信号控制机》和GB/T20999-2007《交通信号控制机与上位机间的数据通信协议》规定的技术要求进行设计，所有数据格式与接口均符合国家标准，并在此基础上加以完善，以适应各地的交通状况。
一.1.3.2先进性原则
采用科学的、主流的、符合发展方向的技术、设备和理念，系统集成化、高清化、网络化、模块化，使系统具有“国内领先，国际先进”的总体水平，能够适应交通控制未来发展的要求。
一.1.3.3实用性原则
系统提供清晰、简洁、友好的中文操作界面，操控简便灵活，易学易用，便于管理和维护，系统具有自动恢复功能，整个系统的操作简单、快捷、环节少，以保证不同的操作者都能熟练操作系统，具有高度友好的界面和使用性。
系统设计、选材、选型符合国家及行业的有关标准，与用户及其上级管理部门的有关规定要求相适应，与用户在经济能力方面实际情况相吻合。
一.1.3.4可靠性原则
交通信号控制系统选用集成度和稳定性高的设备，具有系统自诊断和维护管理功能、远程设备监控、数据备份等功能。
室外设备具有耐高温、耐高湿、耐低温，防雷、防尘等特性，保证系统的正常可靠运行。
一.1.3.5安全性原则
交通信号控制系统具有防误操作特性，通过合理的硬件结构设计、有效的外场保护措施以及完善的内部管理机制有效避免系统遭到恶意攻击和数据被非法提取的现象出现，保障系统的信息安全。
同时通过数据加密、备份、补录、恢复等措施，提高系统在传输链路故障时的数据完整性及安全性。
一.1.3.6经济性原则
交通信号控制系统的可靠性得到提升，因此系统的维护成本显著下降。
采用技术先进的设备，通过最优化的系统集成，设备使用寿命长，系统经济性显著提高。
一.1.3.7易维护性原则
交通信号控制系统在设计时充分考虑其易维护性，采用模块化设计，以确保系统在使用过程中出现故障时能在最短时间内恢复运行。
系统具备日志记录、远程升级、维护、管理、故障及时报警等功能，以方便日常维护。
一.1.4设计依据
（1）《中华人民共和国交通安全法》
（2）《中国智能运输系统体系框架》
（3）《交通管理信息系统建设框架》（公安部）
（4）《道路交通信号控制机》（GB25280—2010）
（5）《交通信号控制机与上位机间的数据通信协议》GB/T20999-2007
（6）《道路交通信号灯设置与安装规范》GB14886-2006；
（7）《人行横道信号灯控制设置规范》GA/T851-2009
（8）《公安计算机信息系统“九五”规划》（公安部）
（9）《公安交通指挥系统建设技术规范》（GA/T445-2003）
（10）《城市道路交通规划设计规范》（GB50220）
（11）《城市道路交通信号控制方式适用规范》（GA/T527）
（12）《公安交通控制系统建设规程及要求》（GA/T651）
（13）《道路交通标志和标线》（GB5768）
（14）《道路交通流量调查》（GA299）
（15）《道路交通拥堵度及评价方法》（GA/T115）
（16）《城市道路交通秩序评价方法》（GA/T175）
（17）《公安交通控制系统建设技术规范》（GA/T445）
（18）《道路交通信号控制机安装规范》（GA/T489）
（19）《道路交通标志和标线》（GB5768-2009）
（20）《城市交通信号控制系统术语》（GA/T509）
（21）《公安交通控制系统工程设计制图规范》（GA/T515）
（22）《环形线圈车辆检测器》（JT/T455）
（23）《城市道路设计规范》（CJJ37）
一.2需求分析及措施
一.2.1国外系统在我国的适应问题
问题描述：
国外先进的信号控制系统，在许多欧洲及北美国家有着成功的应用。
并且通过多年的持续改进积累了丰富的经验，但是在其系统引进到国内时却不能做到其本身具备的“先进”功能。
目前国际主流的交通信号系统有：
“SCOOT”（Split，CycleandOffsetOptimizationTechnique，绿信比-信号周期-相位差优化技术）、“ACTRA”（AdvancedControl&TrafficResponsiveAlgorithm，先进的交通控制响应算法）、“SCATS”（SydneyCoordinatedAdaptiveTrafficSystem，交通自适应协调系统）及“ITACA”（IntelligentTrafficAdaptiveControlofAreas，自适应交通信号控制系统）等系统，它们在各自的国家都有不错的表现，也确实解决了本国交通上的实际问题。
而这些系统被我们引进到中国后却往往达不到预期的效果，有的只能实现很少一部分集中控制功能，有的甚至只能用作单点机在路口运行，完全失去了引进先进系统的意义。
综合我国目前的情况分析，国外系统不能达到预期效果的因素主要有：
（1）交通现状的差异，国外的交通现状多为单一交通，即机动车流、人流、非机动车车流各行其道；而在我国多数的城市道路为混合交通，即机动车流、人流、非机动车车流没有明显的隔离。
（2）系统开发针对性，国外系统在开发之初就是针对本国的交通实际情况进行的调研、分析，针对性很强，其交通的核心控制算法大多依据本国的交通状况开发，所以很难做到在我国也有很好的表现。
（3）组织运营模式的差异，在国外很多交通信号控制的优化往往是由专门的机构来在运行中不断的优化，而我国在这方面还需要进一步的提高，目前只有北京、上海等大城市有部分的应用。
（4）建设程度的问题，国外的交通信号控制系统往往需要一个城市具有规模性的部署，从而实现其集中控制的功能。
而我国城市处于高速的发展时期，多数城市并不能做到规模性的部署，所以很难实现其系统集中控制的优势。
（5）交通工具的差别，虽然我国汽车的发展十分迅速，汽车的普及率也在节节攀升，但是在实际的交通中，仍然有很多地方存在着大量的自行车、摩托车等非机动车辆，它们的启动速度及行驶速度有着很大的区别，这样其集中控制的功能就出现了许多的干扰因素，从而阻碍了其优势的发挥。
解决措施：
FIAMM®（非凡®）FTSC-116交通信号控制机正是针对我国的交通特点开发的产品，其核心控制功能的需求分析、交通数据的采集及控制策略的优化都是结合我国道路及行车的实际情况定制，所以更适合我国的国情，从而为达到最佳的交通控制效果提供保证。
针对我国的实际情况，FIAMM®（非凡®）FTSC-116交通信号控制机主要有以下特点：
（1）控制策略针对中国道路交通状况设计，符合国内交通流特点。
（2）既可以实现城市级大规模联网控制，也能区域级小规模自适应控制，更加符合中国的城市建设要求。
（3）针对我国自行车、摩托车依然大量存在的特点，在信号周期和绿信比计算中充分考虑了自行车和摩托车的因素，确保路口配时合理，保证道路畅通。
（4）在项目实施中不断完善信号机控制策略，根据各个城市不同的情况采用合理的交通控制策略，使各个路口的交通信号控制策略在使用的过程中不断升级，持续改进。
（5）软件采用中文界面，操作简单，方便易用，给用户以良好的使用体验。
解决了一些国外交通控制软件操作复杂，描述生涩难懂的问题。
一.2.2信号机的技术可靠性
问题描述：
信号机的可靠性是道路信号控制的关键因素，也关系到千百万车辆的行驶安全，所以信号机的可靠性，直接决定了信号控制系统建设的成败。
从整个行业现状来说，生产企业规模普遍较小，研究开发和创新能力不强，质量水平不高。
近年来，国家对国内生产信号机企业进行了质量监督抽查，产品合格率仅为36.4%，从各地实际使用情况来看，基本反映了国内信号机质量水平。
主要质量问题为信号机故障监测功能缺失、电磁抗扰度性能不达标、基本功能不达标等。
信号机全天候工作在室外，其环境可想而知，因此对信号机的可靠性要求非常高。
由于信号机的故障，对道路交通安全必将产生极大的影响。
在国内某些城市发现过数次红灯熄灭、红绿灯同时亮等严重故障现象。
GA47-2002《道路交通信号控制机》标准明确规定信号机发生绿冲突、某信号组所有红灯均熄灭等严重故障，信号机应立即进入黄闪状态。
但是，一些企业的产品对绿冲突、红灯熄灭等严重故障均无检测功能，会造成十分严重的交通事故。
解决措施：
FIAMM®（非凡®）FTSC-116交通信号控制机以GA47-2002《道路交通信号控制机》标准规定为最低要求设计制造，采用成熟的控制检测技术，保证系统的可靠性。
当信号机通电开始运行时先进行自检，然后按如下时序启动：
⏹信号相位先进入黄闪信号，持续时间至少10s；
⏹黄闪信号结束后各信号相位进入全红信号，持续时间至少5s；
⏹启动时序结束后，信号机按预设置的方式运行。
此外FIAMM®（非凡®）FTSC-116交通信号控制机具有先进的监视模块、报警及应对策略，对绿冲突、CPU处理模块故障均有报警及相应的处理策略，并且系统中心软件能对信号机、中心设备及传输单元的运行状态进行监视，能够实时发现故障信息并报警。
FIAMM®（非凡®）FTSC-116交通信号控制机不仅应具有上述功能，还在出厂时进行严格的测试。
因此对这些功能及整机可靠性进行测试的方法尤为重要。
（1）信号机功能测试：
整机功能测试、外围设备功能测试和通信功能测试。
⏹信号机整机功能测试
信号机基本功能的测试验证。
模拟真实场景，实现不同控制方式、控制模式的功能测试。
利用不同类型的信号发生器，模拟实现多种方式、多种类型的数据采集、存储功能测试。
基于模拟现场用电环境，实现信号机长时间运行测试。
模拟多种故障场景，实现信号机故障检测功能测试。
实现区域协调、单点优化、单点感应、公交优先等控制功能测试。
手动控制功能测试。
⏹外围设备功能测试
手动按钮。
车辆检测器：
环形线圈检测器、视频检测器、微波检测器。
GPS模块测试。
（2）信号机整机性能测试
信号机正常运行过程中，数据信号的衰减、不同模块间的相互影响、外界设备的干扰、用电环境、气候环境、安装环境（变压器的辐射干扰、大吨位货车过路振动、灯具短路）都影响到信号机的可靠性。
严格、有序、完整、有效的信号机整机性能测试是信号机可靠性直接的保证。
信号机整机性能测试包括电气安全性测试、电磁抗扰度测试、气候环境适应性测试及机械环境适应性测试。
（3）整机运行稳定性测试
稳定性测试一般在功能测试结束后，选取3～5台样机，进行测试。
要求：
每台样机运行不同的控制方案；
持续不间断运行不少于10天；
信号机输出要接负载；
计算机捕获信号机运行过程中的所有打印信息；
每天都要对前一天信号机运行记录进行分析。
⏹联网功能的稳定性
稳定的联网功能是实现智能交通控制的必备条件，联网功能的稳定性和适用性也是重要测试项目之一。
联网测试的要点：
长时间联网时，联网功能是否稳定；
信号机、通信服务器、数据库服务器、应用服务器处于不同网段；
不同联网方式：
以太网口（RJ45）、串口（RS232/485）；
通过网络，测试中心软件控制信号机的各种功能。
一.2.3信号机的质量可靠性
问题描述：
信号机质量的可靠性主要表现在：
（1）信号机产品的电磁抗扰度不达标。
企业在产品设计之初未考虑到电磁抗扰度问题，导致信号机在恶劣的电磁环境下，抗电磁干扰能力差，电子元器件经常被烧毁，造成信号机在遇到电磁骚扰时可靠性降低甚至功能失效。
（2）连续工作可靠性较差。
由于大多数信号机是在城市道路上露天安装使用，工作环境严酷，连续工作时间长，因而在实际使用过程中，部分信号机产品连续运行时间短，频繁出现故障。
信号机存在质量问题分析
（一）元器件质量低劣。
部分企业在产品生产研发时，为了降低成本，选用一些低价、无质量保证的元器件，造成信号机实际使用中，频繁发生故障。
（二）技术研发能力不足。
一些企业规模较小，产品研发能力较弱，只能通过采用外购零配件组装的方式来组织生产，因而产品结构粗糙，功能单一，质量无法保证。
（三）产品研发过程中，随意性太大。
一些企业为了迎合市场需求，在研发生产过程中，降低功能要求，使得产品在一些基本控制功能上与标准相差太大，导致产品质量无法保证。
解决措施：
为了从源头上控制信号机的产品质量，保证交通安全；同时尽快与国际发展接轨，我国交通信号机产品实施认证制度。
为了更好的控制信号机产品质量，规范市场，鉴于国内外目前产品的认证模式及流程，我国信号机产品认证体系如下：
（1）、认证模式
型式试验+初始工厂检查+获证后监督
（2）、认证基本流程（见下图）：
图1.21认证流程框图
⏹认证的委托和受理
认证单元划分原则上按产品型号委托认证。
但产品的结构形式以及影响性能的关键件均相同，即设计型号一致，而只是销售型号不同的产品，可作为一个单元委托认证；
在同一境内，同一制造商、同一产品设计型号，由不同生产厂生产的产品不可作为一个认证单元，但型式试验仅对一个工厂生产的样品进行，试验结果可覆盖上述其他认证单元的产品；
信号机分类不同不可划分为一个认证单元；
认证委托人应向指定认证机构提交正式委托认证的申请，并随附产品生产依据的标准、关键元器件（表一）清单、电气原理框图、产品照片等资料。
⏹型式试验
由认证机构指定的测试机构按照信号机标准及相关文件进行试验；
样品要求按单元划分原则进行。
⏹初始工厂检查
工厂检查的内容为工厂质量保证能力检查和产品一致性检查。
初始工厂检查的范围应覆盖委托认证产品的加工场所，产品一致性检查应覆盖委托认证产品的所有型号。
⏹认证结果评价与批准
认证机构负责对型式试验和工厂检查结果进行综合评价。
认证结果符合要求的，由认证机构按照认证单元向委托人颁发认证证书。
认证结果不符合要求的，终止本次认证。
⏹获证后的监督
认证监督检查一般情况下每年至少进行一次监督，监督间隔时间不超过12个月。
获证后的监督方式是：
工厂质量保证能力复查+认证产品一致性检查+产品抽样检测。
（3）、认证产品的变更
获证后的产品，如果其产品中属于关键元器件和材料的规格、型号、生产厂或涉及产品安全设计、电气结构发生变化时，应向认证机构提出申请。
认证机构根据变更的内容和提供的资料进行评价，确定是否可以变更或需送样品进行检测，如需送样检测，检测合格后方能进行变更。
FIAMM®（非凡®）FTSC-116交通信号控制机严格按照国家标准设计制造，经过国家相关检验检测部门的检验，并且在北京、榆林、大连等地平稳运行多年，经得住实践的考验。
一.2.4新旧设备的兼容
问题描述：
由于我国近二十多年来无通信协议标准，各生产厂家之间上位机与信号机之间无法进行通信，因此一旦用户使用了某一家信号系统产品，其它厂家就无法进入了。
例如，某市2002年招标的信号控制系统是由A公司中标的，使用了16台信号机和控制系统，但二年后招标的全市交通信号控制系统是由B公司中标，A、B公司的产品之间无法通信，因此只好将先前的16台信号机全部更换为B公司的产品。
2008年正式出台国家标准GB/T20999-2007《交通信号控制机与上位机间的数据通信协议》，该标准规定了信号机与上位机间的数据通信协议的结构及物理层、数据链路层、网络层和应用层的要求；适用于信号机与上位机间的通信。
解决措施：
FIAMM®（非凡®）FTSC-116交通信号控制机基于GB/T20999-2007《交通信号控制机与上位机间的数据通信协议》设计开发，完全符合国家标准，保证了新旧系统间的兼容性。
一.3控制策略设计
在我国，随着城市化进程的加快，城市的交通压力也在逐渐的增加，城市交通网中的主干道承受着巨大的交通负荷。
因此，主干道交通控制的好坏直接影响着整个城市的交通状况。
本设计以城市中主干道的各交叉口为对象进行协调控制，进而达到优化整个城市路网的控制目的。
交通控制策略设计方案以道路渠化设计为基础，主要包括：
配时方案设计，交通控制策略设计；在此基础上可以对部分主要路段实施绿波带设计等以提高道路交通的通行效率，达到整个交通道路网络的畅通。
一.3.1渠化设计
路口渠化是提高道路通行能力的重要措施，也是提高交通安全水平的重要手段，该指标反映城市挖掘现有道路资源的水平。
路口渠化是指通过设置交通岛、交通标线、标志等方式来疏导、引导道路交通流，并使交通流畅，从而达到提高道路通行能力，确保行车安全、过路行人安全的目的。
一.3.1.1交叉口渠化设计的基本原则
在进行交叉口渠化设计时要遵循如下设计原则：
（1）分离原则：
渠化设计应尽可能减少不同交通流之间的干扰，通过交通标志标线引导交通参与者按照车道分离、机非分离、人车分离的通行方式，促使其各行其道。
（2）疏导原则：
明确不同交通流的行驶轨迹，通过单向交通、变向交通、专用道、禁止左转等措施疏导交通流。
一.3.1.2交叉口渠化设计的一般方法
（1）交叉口断面分布：
相交两条道路交叉口断面的合理分布是渠化设计的先决条件。
由于交叉口的交通流量要远大于路段中交通流量，为保障交叉口进口道与路段通行能力相匹配，应增加进出口车道，对交叉口断面进行合理分布。
增加进出口车道的方法有下列几种：
⏹展宽路口：
展宽路口的宽度增加值一般为5～15m，长度一般为50～100m，根据道路的等级不同、功能定位不同适当增减。
⏹压缩车道宽度：
路段车道宽度为3.75m，进入路口车道宽段为3.5m，在大型车辆不超过10%进口车道可压缩到2.75m，特殊情况下进口车道可压缩到2.5m。
⏹压缩非机动车道宽：
如非机动车交通流量不大，可以压缩非机动车道宽。
⏹削减绿化带：
在二块板或三块板绿化带隔离的道路上，如条件允许，可削减交叉口绿化带的宽度，以实现增加车道的功能。
（2）车道的功能划分：
车道功能的合理划分是交叉口快速分流的重要保障。
渠化设计中要先对交叉口进行交通流量的调查，根据交通流量调查结果，确定车道的功能划分。
一般的解决方法有如下几种：
⏹根据交通需求，确定是否单独设置转弯车道。
当一个信号放行周期内左、右转车辆低于3PCU（PassengerCarUnit标准车当量数），在路幅宽度较窄的情况下，可以考虑不设左、右转专用车道。
⏹由于右转交通流的绿灯时间较其它方向的长，因此在路口渠化中，一般右转车道不做重点研究，但右转的进口道和出口道相邻间应留有一定距离，满足一辆小汽车的长度，一般情况下为6m。
⏹左转交通流在路口的冲突点最多，因此在路口渠化设计中应重点解决左转交通问题。
比如施划左转车辆导流线，设置左弯待转区等方法，加强对左转车辆的引导和控制，以减少左转车辆与其它方向行驶的车流冲突，提高交叉口的通行能力。
⏹设置掉头车道时，可与左转车道合并，使用一个绿灯时段，掉头车辆需在左转车辆放行时间内完成掉头动作，才能最大限度地保证交叉口的通行安全性。
（3）非机动车和行人交通的处理：
非机动车和行人过街交通一直是管理的难点，也是交通渠化中较难处理的环节，在交通渠化设计中，只有把非机动车和行人的通行空间处理好，使之有一个便捷、舒适、安全的通行环境，真正体现出以人为本的理念，才能使行人和非机动车参与者自觉遵守。
在处理非机动车通行的交通渠化中，一般有如下解决方法：
⏹自行车交通应该与机动车交通进行空间和时间分离，如果没有条件分离，也必须给出适当的空间，让自行车与机动车分道行驶。
⏹应尽量使自行车处于危险状态的时间减到最小。
为了简化驾驶人员在交叉口的观察、思考、判断以及采取措施的过程，自行车交通与机动车交通的冲突点应该尽量远离机动车交通之间的冲突点。
⏹当自行车与机动车在交叉口等待绿灯或通过交叉口时，应该保证相互间能看清楚，特别是自行车通过交叉口时，应尽可能使机动车驾驶人员知道自行车行驶的路线与方向。
⏹当自行车在交叉口暂停等待时，应提供一个安全的停车位置。
行人在所有交通参与者中属于弱势群体，发生交通冲突时，最容易受到伤害。
在处理行人通行的交通渠化中，一般有如下解决方法：
⏹人行横道的应设置在车辆驾驶员容易看清楚的位置，尽可能靠近交叉口与行人的自然流向一致，并尽量与车行道垂直，以缩短行人过街的步行距离。
⏹当行人过街横道过长（大于15m）时，为了缩短行人过街时间，确保过街行人安全，应在过街横道中间设置行人安全岛，其宽度应大于1.5m。
⏹人行横道宽度与过街行人数及信号显示时间相关，顺延干路的人行横道宽度不宜小于5m，顺延支路的人行横道宽度不宜小于3m，以1m为单位增减。
⏹人行横道位置应平行于路段人行道的延长线，并适当后退（1m），在右转机动车容易与行人冲突的交叉口，为了减少右转机动车对相邻的两个进口道的行人过街交通的影响，其横道线不应相交，至少留有存放一辆右转车的空间，该后退距离宜取3～4m，当自行车过街与行人过街道平行设置时，该位置还应做相应的顺延。
⏹人行道的转角部分，长度不应小于小车的车身长6.0m，并应设置护栏等隔离设施。
⏹在中央分隔带的进口道，行人过街横道应设置在中央分隔带端部后退1～2m，或中央分隔带应满足于此设计，为行人过街驻足提供安全保障。
⏹Y型路口可结合导向岛设置人行横道和行人驻足区。
图1.31交叉口渠化效果图
一.3.2交通控制策略
一.3.2.1区域的划分
（1）交通控制区域的定义：
一个面积较大的路网，在实行信号联网协调控制（即“区域控制”或“面控”）时，根据路网所辖范围不同区域具有不同交通特性（交通方式构成、交通量、流向等）把控制范围分成不同的控制区域，每个控制区域采用不同的控制策略，各自实行适合本区域交通特点的控制方案。
这些相对独立的控制区域就是交通控制子区。
（2）区域划分的原则：
从交通控制系统来看，交通控制子区所辖的交叉口应尽量少，一方面是为了提高系统运行的效率，另一方面是便于子区实行灵活的控制方案。
一般情况下，一个控制子区只辖1～10个信号交叉口，目的就是使需要实时处理的数据尽量减少，以提高系统运行的速度，同时也便于在较小的交
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