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交通信号控制的前世今生和未来展望

      随着现代科学与汽车技术的发展，汽车数量增长，路口冲突矛盾激化，人们为了安全、迅速地通过路口，不得不将最新的科技成果用于解决路口的交通阻塞问题，从而推动了自动控制技术在交通领域的迅速发展。世界各国交通管理的经验表明，道路交叉口交通管理的最有效的方法之一就是交通信号控制。因此，信号灯控制也是道路交叉口最普遍的交通管理形式。实践证明，任何交通信号控制系统只有与当地、当时的实际交通状况结合起来，不断优化信号配时，并运用新技术，不断创新信号控制模式，才能发挥系统的控制效率，达到预定的控制目标。

　　（一）交通信号控制的产生与发展

　　1886年，伦敦的威斯敏特教堂安装了一台红绿两色煤气照明灯，用以指挥路口马车的通行，运行一段时间后不幸发生意外爆炸，招致人们反对而夭折。

　　1917年，美国盐湖城开始使用联动式信号系统，将6个路口作为一个系统，用人工手动方式加以控制。

　　1918年初，美国纽约街头出现了新的人工手动红黄绿三色信号灯，同现在的信号机甚为相似。

　　1922年，美国休斯敦建立了一个同步控制系统，以一个岗亭为中心控制几个路口。

　　1926年，英国伦敦建成了第一台自动交通信号机并在大街上使用，可以说是城市交通自动控制信号机的开始。

　　1928年，人们在上述各种信号机的基础上，制成“灵活步进式”适时系统，由于其构造简单、可靠、价廉，很快得到推广普及，以后经不断改进、更新、完善，发展成现在的交通协调控制系统。

　　在计算机应用方面的发展也很快，先是模拟式电子计算机，于1952年美国丹佛市首先安装，经过改进称为“PR”系统（Program Register），美国至1962年已安装了100多个“PR”系统。之后数字计算机也进入了交通控制领域。1963年，多伦多市第一个完成了以数字计算机为核心的城市交通控制系统（UTC系统），接着西欧、日本很快也建立了改进式的UTC系统。

　　在软件开发方面，1967年，英国运输与道路研究实验室（TRRL）的专家们研制了“TRAN-SYT”（Traffic Network Study Tool）。它是一个脱机仿真优化的配时程序，应用很广，效果很好，经不断完善、改进，现在已发行了17版。

　　但由于TRANSYT配时方案系以历史资料为依据，不能及时有效地随交通流量变化而改变，1980年英国TRRL又提出了SCOOT（Split Cycle Offset Optimization Technique）实时自适应交通控制系统，接收进口道上游安装的车辆检测器所采集到的车辆到达信息，通过联机处理形成控制方案，并可适时调整绿信比、周期长度及时差等参数，使之与变化的交通流相适应。其所产生的社会经济效益要比用TRANSYT（第8版）固定配时系统高出10％左右。在SCOOT面世的同时，澳大利亚新南威尔士干线道路局的西姆斯（A.G.Sims）也开发了一个SCATS（Sydney-Coordinated Adaptive Traffic System）控制系统，并在悉尼市开始应用。它是一个能自选方案的实时自适应控制系统。

　　上述三个系统是当今普遍采用较为著名的交通控制系统，其他各地开发或使用的控制软件还有不少，但未能在较大的范围内应用。

　　（二）我国城市交通信号控制的起步

　　我国城市交通控制研究工作起步较晚，从几个城市使用单点定周期式交通信号控制器控制交通信号灯开始，1973年北京启动了我国第一个城市交通自动控制工程项目——首都自动化交通控制工程（又名北京前三门大街交通信号自动控制工程或7386工程），在前三门大街进行交通干道的协调控制系统的试验研究。1978年广州、北京、上海等城市开始了单点定周期交通信号控制器研发和使用；1985年全国城市交通管理工作会议在广州召开，推广广州市应用自动交通信号控制机模式，即以固定配时方式实现交通信号自动控制；1986年全国公安计算机应用展览会上，广州研发的电脑交通信号机同北京、沈阳研发的电脑交通信号机一起获得全国公安计算机应用三等奖。电脑交通信号机可以按照路口的各个方向车辆检测器检测的车流量，进行感应式的交通信号控制。

　　我国的交通控制系统研发始于上个世纪80年代开始，国家“七五”重点科技攻关研发的“城市交通实时自适应控制系统”（“2443”工程）是我国自行研制开发的第一个实时自适应城市交通控制系统，总体上达到当时国际先进水平，在南京市中区的24个路口进行了区域交通协调控制示范应用。国家“八五”重点科技攻关研发的“城市交通控制系统应用技术”，重点解决了交通控制系统的工程化技术问题，提供了较为成熟的技术和设备，系统软件也从AT&T UNIX移植到Microsoft Windows NT平台，选择在广州市天河区示范应用。国家“九五”科技攻关项目“缓解城市道路交通堵塞关键技术的研究及示范工程”，研发了交通信号控制系统和交通动态信息系统。之后随着科技进步，多所大学、多个企业或基于国家和省部级的各类研究计划，或自发地研发了交通信号控制系统等不少系统，在一些城市得到了局部应用。20世纪80年代，随着我国一些大城市引进SCOOT、SCATS等国际上先进的交通信号控制系统，我国道路交通进入了点、线、面协调控制的交通信号控制系统阶段。这一期间主要集中于大城市，通过引进应用国外先进系统，消化吸收交通控制技术，为我国自主研发积累相关经验。

　　自上个世纪80年代至今，我国研发和建立了适合中国混合交通流特性的控制系统，较有代表性的系统为HT-UTCS和Hicon系统。HT-UTCS系统是由交通运输部、公安部与南京市合作自主研发的实时自适应系统，采用三级分布式控制（区域协调、线协调和单点控制），为方案形成＋专家系统式自适应控制系统。

　　（三）我国城市智能交通信号控制系统的应用

　　从上个世纪80年代开始，我国大多数城市陆续建立了交通信号控制系统。根据2020年的调查，从调查130座样本城市中心区交通信号机的灯控路口数量共有71800多个。其中1000个以上的灯控路口有20座城市，500-1000个灯控路口的城市有22座，500个以下灯控路口有88座城市。调研显示，样本城市信号机联网率参差不齐，其中仅有17座城市实现全部联网，另有25%的城市信号机联网率不足60%。

　　从我国当前情况来看，城市交通信号控制系统在协调和控制城市区域内应用中，发挥了均衡路网内交通流的分布，减少停车次数、延误时间及环境污染等系统的控制作用。实践证明，任何交通信号控制系统只有与当地、当时的实际交通状况结合起来，不断优化信号配时，并运用新技术，不断创新信号控制模式，才能发挥系统的控制效率，达到预定的控制目标。

　　1、配时参数优化，发挥控制效率

　　交通信号控制系统的控制策略无论是系统定时控制还是自适应控制，其传统信号配时，要么依靠从业经验丰富的交通管理部门业务人员来确定配时时长，要么依靠路面线圈、地磁、视频等方式的车辆检测器采集动态数据，由交通信号控制系统通过其模型算法或设置来自动调整信号配时时长。而我国现阶段城市发展较为迅速，各地尤其是大中型城市道路改造频繁，检测设备完好率低、控制效果差等问题，而系统又有一定规模，由于公安交通管理部门编制内人员受限，专业性技术人才缺乏，难以使交通信号控制系统发挥效率。自公安部交管局发布的《推进城市道路交通标志标线标准化工作方案》和《推进城市道路交通信号灯配时智能化工作方案》(简称“两化”文件)发布以后，信号控制配时优化的社会化服务也逐渐开始爆发，以往主要集中在广东、江浙等发达地区，现在一些中小城市也开始将交通信号配时参数优化工作逐步向“社会化”采购服务发展。

　　通过交通信号配时参数优化社会化服务，专业社会化服务企业在日常工作中落实信号灯台账系统、信号控制评估系统，并运用调控制计算、单点路口配时计算平台优化配时参数，优化过程既考虑了路网交通的均衡疏导，也精细挖潜和提升了路口/干线通行效率。广州、深圳、济南等城市的交通信号配时优化交予社会化服务后，实现交通信号控制优化的精细化管理，提高了区域内交叉口和干道通行能力，从而达到了缓解交通拥堵、保障交通安全、实现有序通行的控制效果。

　　2、感知技术升级，提升控制效益

　　前端交通感知设备是交通信号控制的源泉和数据基础。通过交通流量采集设备，来实时、精准、全天候、全面地感知道路交通流动及交通行为，是交通感知系统的重要目标。目前主要的交通采集设备包括：视频、线圈、地磁、雷达、RFID、雷视一体机。

　　调研显示，51座城市安装了视频采集设备，是采用最多的采集方式，占比86%。20座城市安装了地磁采集设备，19座城市安装了雷达采集设备，在样本城市中安装比例分别为34%和32%。

　　感知技术升级可以更准确的提取对应检测车道的车流量、车型大小、速度、占有率及排队长度以及车轨迹等信息，按照路口交通流量和车辆运行轨迹，来预先设置交通信号控制方案，达到系统控制效率最佳状态。例如广东省清远市交通信号控制系统通过断面/区域检测与轨迹检测相结合，分析了城市道路的承载力，掌握路网交通流变化趋势特征，从交通需求和道路资源供给的角度通过交通信号控制的方式实现交通合理分流，并利用交通仿真先评估方法与交通匹配度、旅行时间以及交通延误等后评价相结合的方式，全面规划改造了智能信号控制系统，通过优化信号配时，致使道路通行效率最大化。

　　（四）我国城市智能交通信号控制系统的智慧化展望

　　近年来，随着大数据、云计算、人工智能、物联网、5G车联网、移动互联、数字孪生、全息路口等新一代ICT技术应用拓展，腾讯、阿里、华为、百度、滴滴等城市交通大脑和“互联网+信号灯”出现，交通信号控制也迎来了基于端、边、云一体化智慧发展的新阶段。

　　在端侧，传统的智能交通信号控制系统主要是基于路面车辆检测设备对车流量、占有率等数据的采集，控制效果直接受制于检测设备的完好度。而随着技术升级，路面终端感知数据可以通过视频AI、RFID、激光雷达、雷视一体机、车联网等多种新技术加持与融合，不再受限于原有系统自采检测设备的完好度，而是基于随时随地都可低成本获取的多源多维大数据进行融合分析，从而可以更为精准的描绘出路口交通流量，排队、放行等通行状态特征，更好的实现与交通信号控制系统物联，真正做到交通全时空的“看得见、看得清”。

　　在边缘侧，通过边缘计算、机器学习、神经网络、AR等新技术移植，系统可不再依赖那些现代控制理论中公式变量繁多、边界条件苛刻的复杂数据模型，可由大数据直接驱动交通信号的智能决策控制与迭代学习，真正做到信号配时“想得透、想得好”。

　　在云侧，通过全息感知、数据孪生、高精地图、网约车、互联网等新技术和新应用，可实现交通信号决策控制在线并行仿真和即时效能评估，真正做到区域级的交通控制实时自适应优化迭代。通过物联网、车联网、移动互联等新技术应用，交通信号控制逐步从交通后置响应到交通需求前置引导、交通信息主动服务转变，真正实现人、车、路、控制等交通要素全时空高效配置、协同疏导。

　　随着5G车联网时代的到来，交通信号控制系统也将逐步从交通控制到交通信息服务转变，推动信息服务内容更加的精准有效，采取多样的手段，将交通信号控制信息推送给所有的出行者，只有这样才能把被动交通信号控制转变为主动交通信号控制。新一代交通信号控制系统将有可能为实现自动驾驶发挥作用，从而推进车路协同大规模的应用。