交通控制系统分析与设计/简介

1. 交通信号控制系统的意义

“1953年，我在洛杉矶郊区的一所公立学校的拉文德夫人的幼儿园上课时，有一天来了一位当地警官。这位警官带来了一套交通信号灯，安装在短杆上。信号灯的显示屏可以让两排学生看到，就像我们一样，车辆在十字路口等待通行。我们被指示排成两列，并按照指示行事：绿灯亮时行走，红灯亮时停止。”我们从小就学习交通控制的课程，这是有充分理由的。如今，美国有近30万套交通信号灯。每套交通信号灯都执行着相同的任务，即调节谁该通行，谁必须等待。一些被称为固定时间系统的信号系统，为每组用户提供相同的时间段，并以相同的顺序进行。其他系统则会根据十字路口出现的车辆和行人数量做出反应，并提供不同的时间段来为这些用户提供服务。一些信号灯独立运行，仅根据该十字路口的交通需求做出反应，而另一些信号灯则协同运行，构成一个系统，以便尽可能少地停车或延误地移动交通。

从安全和效率的角度来看，交通信号系统可能是当今运行的最重要的交通设施。美国每年行驶的总里程中有三分之二是在交通信号灯控制的道路上行驶的。在一些城市地区，繁忙十字路口的信号灯每天控制着超过10万名用户的流动。信号系统也对能源和环境产生重大影响。车辆停车次数越多，排放的污染物就越多。而且，汽车在城市干道上行驶时所消耗的燃油中有20%是在信号灯控制的十字路口等待红灯时消耗的。根据美国国家公路交通安全管理局2007年的一份报告，美国每年发生的机动车交通事故死亡事故中，有20%发生在十字路口。在1997年至2004年期间，这一数字代表着76162条生命的损失。此外，每年还有数以万计的驾驶员、骑自行车者和行人在十字路口的交通事故中受伤。

交通信号系统最核心的任务有两个：尽可能多地将用户送过十字路口，并尽可能少地发生用户之间的冲突。第一个任务与效率和容量有关，而第二个任务与安全有关。这两个任务都是通过首先明确定义在给定时间哪些用户组拥有优先通行权，然后确定该用户组拥有优先通行权的时间长度来完成的。尽管交通信号系统十分重要，但最近的一份全国性报告对该国的交通信号系统给予了较低的评分。[添加来自 Tarnoff 报告的信息]虽然造成这种评价较低的的原因有很多，但我们认为有三个主要因素。首先，缺乏高质量的、全面的参考文件，定义良好的实践。虽然许多州和地方管辖区确实有标准来指导其信号时间设计实践，但这些标准通常不是基于良好的科学或合理的理论，无法将这些标准转移到新的情况或条件下。其次，大学教科书没有以全面而现实的方式涵盖交通信号系统。在很多情况下，系统被假设为固定时间系统（在实际应用中很少出现这种情况），而交通控制器本身则完全没有涵盖。第三，交通工程师通常没有直接接触交通控制器的经验，因为他们在大学里的经验通常局限于使用模型，而这些模型往往不能很好地模拟交通控制器的运行。这导致了一个有问题的二分法。信号工程师设计信号系统和时间计划，但时间计划的实施（以及重要的时间细节）则留给了技术人员。前者了解系统应该如何工作，而后者了解交通控制器实际如何工作，但没有工程师带来的那种对问题的广阔视角。

那么，我们如何克服这些问题，并提供学习系统，培养了解交通控制系统工作原理并能够设计这些系统组件的交通工程师呢？令人欣慰的是，有迹象表明情况正在朝着正确的方向发展。联邦公路管理局已经编写了一份新的交通信号时间手册，其中汇集了大量的信息，交通工程师可以利用这些信息来设计交通信号系统。FHWA 还发布了一份关于十字路口（含信号灯控制和非信号灯控制）的新指南，其中提供了关于十字路口设计和运营的基本指导。我们提供这本教科书来填补另一个空白：提供一个环境，让学生和专业人士都能遵循一个逻辑过程来学习交通信号系统的运行原理，以及如何设计这些系统的组件。

2. 我们的方法

我们编写这本书的目的是提供一个学习环境和必要的材料，用于设计和操作交通信号控制系统中一个重要部分的大学研究生课程：孤立的十字路口。未来的一本书将涵盖协调交通控制系统。本书中的一些材料也可能适用于交通工程高级本科课程的部分内容。

我们在为本书准备材料时确立了两个目标，它们将指导我们如何展示材料，使用这些材料的过程，以及你如何学习这些材料。首先，了解交通控制系统及其组件、它们如何协同工作以及每个组件如何独立运行非常重要。其次，能够设计系统的组件以适应定义的环境非常重要。

为了实现这些目标，我们做出了六个假设，这些假设指导了本书材料的准备工作。以下几页将介绍这些假设：• 必须了解交通控制系统及其组件。• 了解交通控制器至关重要。• 必须知道如何解决混乱而复杂的问题。• 需要了解设计过程，并在应用这个过程的过程中积累经验。• 学习环境• 我们认为有三个基本的指导原则应该指导信号时间设计

了解交通信号控制系统

我们认为交通控制系统包括四个相互关联的子系统或组件：用户、探测器、控制器和显示器。每个组件都直接影响另一个组件：例如，探测器对用户做出反应，而控制器对探测器做出反应。此外，我们将为你提供一套可视化工具，让你能够看到这些关系，并更透彻地理解它们。本章第 3 节将更详细地描述和说明系统及其组件。

了解交通控制器

我们的经验是，你（工程专业的学生）近年来在各种系统的模拟模型方面积累了相当多的经验，包括交通系统。模拟可以让工程师在各种条件下测试和观察系统的性能，而不会干扰实际系统的运行。然而，与此同时，你对作为许多交通系统运行基础的基本设备和设备的经验却越来越少。交通控制器就是这种情况，它是当今城市交通系统中最普遍和最基本的设备。我们认为，为了让工程师能够设计和运行交通系统，了解交通控制器的运行原理，以及它的各种设置如何影响十字路口的交通流量，是至关重要的。工程师的任务，而不是技术人员，是制定城市街道和农村公路的运行政策和指南，而这些街道和公路的控制必须基于工程师对控制器本身的了解，它如何运行，以及它的各种设置如何导致十字路口出现不同的性能水平。

复杂而混乱的问题

我们也注意到，许多交通工程课程都基于简单且清晰的问题，这些问题只有一个解题路径和一个“正确”答案。简单的问题往往会让你对实践产生偏差和不准确的看法，并且往往无法提供大多数工程学生所追求的复杂性和挑战。然而，在实践中，问题是混乱且复杂的，通常有多种解决方案。这些问题包括激发你的挑战，让你更好地了解工程师在实践中所做的事情，以及这种工作所包含的所有不确定性。我们相信，本书通过提供交通控制器的运行细节以及一组应用，为交通信号控制参数的开发和设计提供了更现实的背景，从而解决了这两个重要问题。虽然我们认为使用软件工具是交通系统设计和分析不可或缺的一部分，但学习使用这些工具不是本书的职能。相反，我们提供了一套广泛的输入和输出数据集（由常用的分析和模拟模型生成），你可以利用这些数据集在开发设计和进行权衡时，确定合适的信号定时参数。你的讲师可能会决定在课程中使用软件工具，在这种情况下，输入数据集可以用于此目的。更重要的是，你要学会明智地使用软件工具生成的数据，而不是学习使用软件本身。

然而，我们广泛地使用电子表格作为计算、绘图和编程的基础。这里提供的示例电子表格是使用 Microsoft Excel 生成的，它是目前最常用的电子表格应用程序。在适当的情况下，我们将提供与专业实践的示例链接，展示机构[执行某项操作或应用某项操作]的示例。

设计流程

在准备信号定时设计时，应该遵循一个逻辑的设计流程。本书分为两部分。第一部分讨论了孤立交叉口交通控制系统的基本概念。第二部分提供了一组现场问题，你将应用在本书第一部分学到的概念。这些现场问题为你提供了应用第一部分介绍并在第二部分进一步发展这些概念的背景和动机。本书第二部分的每一章都基于两个教学或学习组成部分：绩效和评估。我们认为，如果概念的呈现（如第 1 部分）与应用你所学概念的机会（第 2 部分的主题）之间取得平衡，以及对你的正确操作和需要改进的部分进行反馈，学习就能以最佳方式发生。提供一个让学生可以设计系统组件，然后使用逼真的模拟环境测试设计的环境。如果你学习演奏大提琴，你会学习音乐理论。但你大部分时间都花在演奏大提琴上：练习或演出。而且，你的大提琴老师会定期（有时是持续！）评估你的表现：正确握住弓子，将手放在指板上，以及听你产生的音调的质量。当你在本书的第 2 部分完成现场问题时，我们试图提供相同的框架。你将获得一组设计要求，并被要求设计出满足这些要求的设计。你将被提供一种评估设计质量的方法，并与你的讲师一起工作。从这次评估中获得的反馈是提高工作质量以及确保你掌握我们所教授的原理的有力手段。

学习环境

[文字]

三个指导原则

在设计交通信号控制计划时，我们将使用三个首要原则。首先，我们不希望用户在交叉口停车。其次，如果他们必须停车，我们希望使停车时间尽可能短。第三，将根据为控制交叉口交通而建立的一组优先级来为用户提供服务。由于我们在这里只关注孤立交叉口，因此我们无法直接影响车辆到达交叉口时是否会停车。为什么？由于任何上游交叉口的定时都独立于我们的目标交叉口，因此我们无法控制这些车辆的到达时间。然而，在协调系统中，当一组交叉口的定时参数相互依赖时，从一个交叉口行驶的排队车辆可以定时到达下一个下游交叉口，恰好在信号指示灯变为绿色时，从而最大限度地减少或消除所有车辆停车。但是，虽然我们无法控制车辆何时到达孤立交叉口（因此无法控制它们是否会停车），但我们可以确保车辆的停车时间尽可能短。