分布式四级结构交通信号控制系统

　　863项目：新一代智能化交通控制系统技术（2006AA11Z229）

　　专利技术：分布式四级结构交通信号控制系统（200510040620.9）

　　摘要

　　传统的交通信号控制系统采用二级或三级控制结构，控制功能和任务相对集中。本文提出了一种可扩展式四级控制结构，引入了关键路口控制级，实现控制功能和任务的均衡分布，控制规模和适用性得到进一步提升。针对紧挨路口群的协调控制，建立了虚拟路口控制机概念。

　　一、传统的交通信号控制结构

　　目前，国内外道路交通信号控制系统普遍采用集中式二级结构或分布式三级结构的交通信号控制系统。

　　（一）集中式二级结构交通信号控制系统

　　集中式控制系统采用如图1所示的控制结构，如英国的SC00T系统。系统分成二级控制：中央控制级和路口控制级。中央控制级的主要设备是中央控制机，路口控制级的主要设备是路口控制机，中心控制机可直接对路口控制机进行操作，承担交通流实时信息处理、交通控制方案优化计算、通信控制、数据存储管理和操作设置工作，工作任务集中而繁重。

　　（二）分布式三级结构交通信号控制系统

　　三级结构控制系统采用如图2所示的控制结构，如澳大利亚的SCATS系统，国内的HT-UTC、MiTCO、DW-UTC、HiCon等。系统分成三级控制：中央控制级、区域控制级和路口控制级。中央控制级是最高级控制级，路口控制级是最低级控制级。中央控制级的主要设备是中央控制机，区域控制级的主要设备是区域控制机，路口控制级的主要设备是路口控制机。中央控制机和区域控制机可设在同一个中心或分中心，也可以分设在不同的分中心，在地理上存在一定的分布性。

　　中心控制机不直接对路口控制机进行操作，而是通过区域控制机完成，承担中心通信控制、数据存储管理和操作控制工作；区域控制机承担交通流实时信息处理、交通控制方案的优化计算和区域通信控制工作；由于中心控制机和区域控制机的分工协作，系统的工作任务相对分散而均衡。

　　二、分布式四级结构交通信号控制系统

　　分布式四级结构交通信号控制系统采用如图3所示的控制结构，如正在开发的新一代智能化交通控制系统。系统可在三级控制的基础上扩展成四级控制：中央控制级、区域控制级、关键路口控制级和路口级，增加一级关键路口控制级。中央控制级是最高级控制，主要设备是中央控制机。区域控制级是第二级控制，关键路口控制级是第三级控制，这二级控制视实际情况可独立存在，或合并为同一级控制，主要设备是区域控制机和关键路口控制机；路口控制级是第四级控制，也是最低级控制，主要设备是路口控制机（"虚拟路口控制机"仅在软件功能上存在，在物理上是不存在的）。中央控制机和区域控制机可设在同一个中心或分中心，也可分设在不同的分中心，关键路口控制机与路口控制机则设在路口，在地理上更具分布性。

　　中心控制机不直接对路口控制机进行操作，而是通过区域控制机或关键路口控制机完成，承担中心通信控制、数据存储管理和操作控制工作；区域控制机承担交通流实时信息处理、交通控制方案优化和区域通信控制工作，当使用关键路口控制机时，区域控制机的工作任务可全部或部分转移给关键路口控制机，系统的工作任务更具分布性。

　　（一）三级控制

　　当区域控制级和关键路口控制级合并为同一级时，系统控制便收缩成三级控制。存在两种情形：一是在控制区域的通信条件较好，各个路口都容易直接与中心或分中心进行通信的情况下，可不设关键路口控制级，此时，四级控制就回归成传统的三级控制；二是在控制区域的通信条件不能满足一些次要路口直接与中心或分中心进行通信的情况下，可设置关键路口控制级代替区域路口控制级，原先区域控制机执行的任务就全部转移给关键路口控制机执行，此时四级控制就变成一种新型的三级控制。与传统的三级控制相比，系统的主要控制任务包括交通流实时信息处理、交通控制方案优化等工作不再在中心或分中心执行，而是下放到关键路口控制机执行，由各个关键路口控制机负责协调控制周边的一些次要路口控制机，次要路口控制机只与关键路口控制机进行通信，关键路口控制机才与中心或分中心通信，这样对通信的要求就可得到进一步降低。

　　（二）四级控制

　　当同时设置区域控制级和关键路口控制级时，系统控制上升为四级控制，适用于控制规模较大，通信条件又不好的控制场合。此时区域控制级负责对关键路口级的协调控制，而关键路口级负责对路口级的协调控制，系统的主要控制任务包括交通流实时信息处理、交通控制方案优化、区域通信控制、关键路口通信控制等工作由区域控制机和关键路口控制机分担。由各个关键路口控制机负责协调控制周边的一些次要路口控制机，区域控制机负责协调控制各个关键路口控制机，这样通信的要求可得到进一步降低，控制的容量也可得到进一步扩展。

　　（三）虚拟路口控制机

　　对于紧挨的路口群（路口间距不大于150米），传统的控制要么把它们视作一个"大型路口"加以控制，此时由一台控制机负责同步控制多个路口的信号灯，控制成本虽较低，但路口间不能进行动态协调控制；要么把它们视作"一群路口"加以控制，一个控制机负责控制一个路口，控制成本较高，但路口间可进行动态协调控制。针对上述情况，通过设立"虚拟路口控制机"，既可以降低控制成本，又可实现路口间的动态协调控制。原理是只在其中的一个关键路口设立一台控制机，这样在物理上仍表现为一台控制机负责控制多个路口的信号灯，但却在关键路口控制机的软件系统中为其它路口建立一一对应的"虚拟路口控制机"模块，这种物理上并不真实存在的"虚拟路口控制机"负责对各自的路口进行控制，而关键路口控制机则负责对这些"虚拟路口控制机"的协调控制，即一台控制机实现了对"一群路口"的协调控制。

　　（四）控制容量

　　四级结构控制系统通过增加一级控制，可大幅提升控制容量，新一代智能化交通控制系统最多可控制48个区域控制机，每个区域控制机最多可控制48个关键路口控制机，每个关键路口控制机最多可控制12个路口控制机或虚拟路口控制机，系统的控制容量可达到27648。



作者简介
袁建华：公安部交通管理科学研究所