交通控制系統分析與設計/簡介

1. 交通訊號控制系統的意義

“1953年，我在洛杉磯郊區的一所公立學校的拉文德夫人的幼兒園上課時，有一天來了一位當地警官。這位警官帶來了一套交通訊號燈，安裝在短杆上。訊號燈的顯示屏可以讓兩排學生看到，就像我們一樣，車輛在十字路口等待通行。我們被指示排成兩列，並按照指示行事：綠燈亮時行走，紅燈亮時停止。”我們從小就學習交通控制的課程，這是有充分理由的。如今，美國有近30萬套交通訊號燈。每套交通訊號燈都執行著相同的任務，即調節誰該通行，誰必須等待。一些被稱為固定時間系統的訊號系統，為每組使用者提供相同的時間段，並以相同的順序進行。其他系統則會根據十字路口出現的車輛和行人數量做出反應，並提供不同的時間段來為這些使用者提供服務。一些訊號燈獨立執行，僅根據該十字路口的交通需求做出反應，而另一些訊號燈則協同執行，構成一個系統，以便儘可能少地停車或延誤地移動交通。

從安全和效率的角度來看，交通訊號系統可能是當今執行的最重要的交通設施。美國每年行駛的總里程中有三分之二是在交通訊號燈控制的道路上行駛的。在一些城市地區，繁忙十字路口的訊號燈每天控制著超過10萬名使用者的流動。訊號系統也對能源和環境產生重大影響。車輛停車次數越多，排放的汙染物就越多。而且，汽車在城市幹道上行駛時所消耗的燃油中有20%是在訊號燈控制的十字路口等待紅燈時消耗的。根據美國國家公路交通安全管理局2007年的一份報告，美國每年發生的機動車交通事故死亡事故中，有20%發生在十字路口。在1997年至2004年期間，這一數字代表著76162條生命的損失。此外，每年還有數以萬計的駕駛員、騎腳踏車者和行人在十字路口的交通事故中受傷。

交通訊號系統最核心的任務有兩個：儘可能多地將使用者送過十字路口，並儘可能少地發生使用者之間的衝突。第一個任務與效率和容量有關，而第二個任務與安全有關。這兩個任務都是透過首先明確定義在給定時間哪些使用者組擁有優先通行權，然後確定該使用者組擁有優先通行權的時間長度來完成的。儘管交通訊號系統十分重要，但最近的一份全國性報告對該國的交通訊號系統給予了較低的評分。[新增來自 Tarnoff 報告的資訊]雖然造成這種評價較低的的原因有很多，但我們認為有三個主要因素。首先，缺乏高質量的、全面的參考檔案，定義良好的實踐。雖然許多州和地方管轄區確實有標準來指導其訊號時間設計實踐，但這些標準通常不是基於良好的科學或合理的理論，無法將這些標準轉移到新的情況或條件下。其次，大學教科書沒有以全面而現實的方式涵蓋交通訊號系統。在很多情況下，系統被假設為固定時間系統（在實際應用中很少出現這種情況），而交通控制器本身則完全沒有涵蓋。第三，交通工程師通常沒有直接接觸交通控制器的經驗，因為他們在大學裡的經驗通常侷限於使用模型，而這些模型往往不能很好地模擬交通控制器的執行。這導致了一個有問題的二分法。訊號工程師設計訊號系統和時間計劃，但時間計劃的實施（以及重要的時間細節）則留給了技術人員。前者瞭解系統應該如何工作，而後者瞭解交通控制器實際如何工作，但沒有工程師帶來的那種對問題的廣闊視角。

那麼，我們如何克服這些問題，並提供學習系統，培養了解交通控制系統工作原理並能夠設計這些系統元件的交通工程師呢？令人欣慰的是，有跡象表明情況正在朝著正確的方向發展。聯邦公路管理局已經編寫了一份新的交通訊號時間手冊，其中彙集了大量的資訊，交通工程師可以利用這些資訊來設計交通訊號系統。FHWA 還發布了一份關於十字路口（含訊號燈控制和非訊號燈控制）的新指南，其中提供了關於十字路口設計和運營的基本指導。我們提供這本教科書來填補另一個空白：提供一個環境，讓學生和專業人士都能遵循一個邏輯過程來學習交通訊號系統的執行原理，以及如何設計這些系統的元件。

2. 我們的方法

我們編寫這本書的目的是提供一個學習環境和必要的材料，用於設計和操作交通訊號控制系統中一個重要部分的大學研究生課程：孤立的十字路口。未來的一本書將涵蓋協調交通控制系統。本書中的一些材料也可能適用於交通工程高階本科課程的部分內容。

我們在為本書準備材料時確立了兩個目標，它們將指導我們如何展示材料，使用這些材料的過程，以及你如何學習這些材料。首先，瞭解交通控制系統及其元件、它們如何協同工作以及每個元件如何獨立執行非常重要。其次，能夠設計系統的元件以適應定義的環境非常重要。

為了實現這些目標，我們做出了六個假設，這些假設指導了本書材料的準備工作。以下幾頁將介紹這些假設：• 必須瞭解交通控制系統及其元件。• 瞭解交通控制器至關重要。• 必須知道如何解決混亂而複雜的問題。• 需要了解設計過程，並在應用這個過程的過程中積累經驗。• 學習環境• 我們認為有三個基本的指導原則應該指導訊號時間設計

瞭解交通訊號控制系統

我們認為交通控制系統包括四個相互關聯的子系統或元件：使用者、探測器、控制器和顯示器。每個元件都直接影響另一個元件：例如，探測器對使用者做出反應，而控制器對探測器做出反應。此外，我們將為你提供一套視覺化工具，讓你能夠看到這些關係，並更透徹地理解它們。本章第 3 節將更詳細地描述和說明系統及其元件。

瞭解交通控制器

我們的經驗是，你（工程專業的學生）近年來在各種系統的模擬模型方面積累了相當多的經驗，包括交通系統。模擬可以讓工程師在各種條件下測試和觀察系統的效能，而不會干擾實際系統的執行。然而，與此同時，你對作為許多交通系統執行基礎的基本裝置和裝置的經驗卻越來越少。交通控制器就是這種情況，它是當今城市交通系統中最普遍和最基本的裝置。我們認為，為了讓工程師能夠設計和執行交通系統，瞭解交通控制器的執行原理，以及它的各種設定如何影響十字路口的交通流量，是至關重要的。工程師的任務，而不是技術人員，是制定城市街道和農村公路的執行政策和指南，而這些街道和公路的控制必須基於工程師對控制器本身的瞭解，它如何執行，以及它的各種設定如何導致十字路口出現不同的效能水平。

複雜而混亂的問題

我們也注意到，許多交通工程課程都基於簡單且清晰的問題，這些問題只有一個解題路徑和一個“正確”答案。簡單的問題往往會讓你對實踐產生偏差和不準確的看法，並且往往無法提供大多數工程學生所追求的複雜性和挑戰。然而，在實踐中，問題是混亂且複雜的，通常有多種解決方案。這些問題包括激發你的挑戰，讓你更好地瞭解工程師在實踐中所做的事情，以及這種工作所包含的所有不確定性。我們相信，本書透過提供交通控制器的執行細節以及一組應用，為交通訊號控制引數的開發和設計提供了更現實的背景，從而解決了這兩個重要問題。雖然我們認為使用軟體工具是交通系統設計和分析不可或缺的一部分，但學習使用這些工具不是本書的職能。相反，我們提供了一套廣泛的輸入和輸出資料集（由常用的分析和模擬模型生成），你可以利用這些資料集在開發設計和進行權衡時，確定合適的訊號定時引數。你的講師可能會決定在課程中使用軟體工具，在這種情況下，輸入資料集可以用於此目的。更重要的是，你要學會明智地使用軟體工具生成的資料，而不是學習使用軟體本身。

然而，我們廣泛地使用電子表格作為計算、繪圖和程式設計的基礎。這裡提供的示例電子表格是使用 Microsoft Excel 生成的，它是目前最常用的電子表格應用程式。在適當的情況下，我們將提供與專業實踐的示例連結，展示機構[執行某項操作或應用某項操作]的示例。

設計流程

在準備訊號定時設計時，應該遵循一個邏輯的設計流程。本書分為兩部分。第一部分討論了孤立交叉口交通控制系統的基本概念。第二部分提供了一組現場問題，你將應用在本書第一部分學到的概念。這些現場問題為你提供了應用第一部分介紹並在第二部分進一步發展這些概念的背景和動機。本書第二部分的每一章都基於兩個教學或學習組成部分：績效和評估。我們認為，如果概念的呈現（如第 1 部分）與應用你所學概念的機會（第 2 部分的主題）之間取得平衡，以及對你的正確操作和需要改進的部分進行反饋，學習就能以最佳方式發生。提供一個讓學生可以設計系統元件，然後使用逼真的模擬環境測試設計的環境。如果你學習演奏大提琴，你會學習音樂理論。但你大部分時間都花在演奏大提琴上：練習或演出。而且，你的大提琴老師會定期（有時是持續！）評估你的表現：正確握住弓子，將手放在指板上，以及聽你產生的音調的質量。當你在本書的第 2 部分完成現場問題時，我們試圖提供相同的框架。你將獲得一組設計要求，並被要求設計出滿足這些要求的設計。你將被提供一種評估設計質量的方法，並與你的講師一起工作。從這次評估中獲得的反饋是提高工作質量以及確保你掌握我們所教授的原理的有力手段。

學習環境

[文字]

三個指導原則

在設計交通訊號控制計劃時，我們將使用三個首要原則。首先，我們不希望使用者在交叉口停車。其次，如果他們必須停車，我們希望使停車時間儘可能短。第三，將根據為控制交叉口交通而建立的一組優先順序來為使用者提供服務。由於我們在這裡只關注孤立交叉口，因此我們無法直接影響車輛到達交叉口時是否會停車。為什麼？由於任何上游交叉口的定時都獨立於我們的目標交叉口，因此我們無法控制這些車輛的到達時間。然而，在協調系統中，當一組交叉口的定時引數相互依賴時，從一個交叉口行駛的排隊車輛可以定時到達下一個下游交叉口，恰好在訊號指示燈變為綠色時，從而最大限度地減少或消除所有車輛停車。但是，雖然我們無法控制車輛何時到達孤立交叉口（因此無法控制它們是否會停車），但我們可以確保車輛的停車時間儘可能短。