我国道路交通信号控制的发展与变迁

2022-03-25袁建华,赵永进

道路交通管理 2022年3期

交通信号控制是狭义的交通控制，即路口和路段的交通红绿灯控制。区域化协调的道路交通信号控制系统是智能交通系统的重要组成，同时也是智慧交通管理的主要支持系统。我国道路交通信号控制始于20世纪70年代，经历了近50年的发展历程，至今大致经历了四个阶段，即单点交通信号控制、区域协调交通信号控制、智能化交通信号控制、大数据驱动的交通信号协同控制。

一、单点交通信号控制

图1 拨盘式交通信号控制机

20世纪70年代，我国的交通信号处于手动控制阶段，交通信号控制机是一种机械式装置，交通信号灯由岗亭的民警拨动控制机上的开关来控制红绿灯的切换。1973年，当时的行业主管部门第四电子机械工业部提出“要将现代通信技术应用到交通管制和车辆调度上去”，自此我国开始了交通信号自动控制的自主技术研究与应用。1974年，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）。1978年，北京地铁沿线8个路口使用国产计算机DJS-130控制，实现了国内第一条交通信号离线协调线控。1980年前后，北京、上海、广州、沈阳等大城市开始了单点定周期交通信号控制机的生产和应用，交通信号控制机成为一种电子自动控制装置。

图2 南京交通信号控制系统

二、区域协调交通信号控制

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。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。20世纪80年代及90年代初，我国的道路交通信号控制仍处于试点应用阶段，全国信号灯路口总数8000多个，还达不到当时日本东京一个城市的安装规模。

三、智能化交通信号控制

1997年，公安部交通管理局下发《关于印发〈公安交通指挥中心建设与发展的若干意见〉》（公交管〔1997〕231号）指导意见，2000年2月，国务院办公厅转发了公安部、建设部《关于实施全国城市道路交通管理“畅通工程”的意见》，有力促进了城市交通管理科学化、智能化的发展，我国开始进入智能交通管理系统建设与发展的阶段。

国家“十五”重点科技攻关和“863计划”持续支持新一代智能化交通控制系统的研发应用，紧跟国际趋势，着重解决体现交通控制的多模式化、智能化、集成化等问题，逐步形成具有分布协同功能的集成化交通信号控制系统。

我国形成了一批有代表性的交通信号控制系统，如HT-UTCS、NATS、HiCon等，具备对于不同城市、不同区域、不同时段交通流特性的适应性和实时性，在交通通行效率、安全、秩序等多控制目标方面实现了协同优化。在交叉口群协调、公交优先控制、饱和交通控制、快速路出入匝道控制、有轨电车等特种车辆优先控制、大型活动交通安保控制等多应用场景方面实现了优先权导向控制。引入现代自动控制思想和技术，移植人工智能技术如遗传算法、专家系统等，形成具有自学习功能的在线决策调优能力，从而提高交通信号控制智能化水平。为了实现不同控制系统的信息共享、不同控制硬件的互联、跨系统的一体化集成控制，逐步制定交通信号控制机、交通信号控制系统、系统与设备通信等国家或行业技术标准，基本构建起统一的标准体系。

20世纪末及21世纪初，我国各地相继建设了城市交通指挥中心，交通信号控制系统的建设与应用得到快速全面发展。到2017年，我国大多数大中城市都建设了交通信号控制系统，国产的交通信号控制机和控制系统已基本取代了国外的同类产品。据调查，全国82座样本城市中心区交通信号机的灯控路口数量共有5.6万多个。在此阶段，由于智能化交通信号控制系统仍严重依赖自建的路面车辆检测设备对车流量、占有率等数据的采集，维护成本高且难以更新，时间一长，交通感知就“半瞎半盲”甚至完全致盲失效，系统虽然拥有了一个“高知大脑”，但“身体已经跟不上灵魂的发展”，强大的功能往往严重浪费，即系统控制降级成固定配时等使用，全国在用的信号控制系统普遍存在着联而不控、效能发挥不够的问题。

图3 新一代智能化交通信号控制系统

四、大数据驱动的交通信号协同控制

近年来，随着物联网、车联网、移动互联、大数据、云计算、人工智能、数据孪生等新一代ICT技术应用拓展，阿里、百度、华为等城市交通大脑和“互联网+信号灯”出现，交通信号控制迎来了智慧化发展新时代。

首先，通过视频AI、RFID、网约车、互联网等多种新技术加持，不再受限于系统自采，基于随时随地都可低成本获取的多源多维大数据的融合分析，可实现交通感知的快、精、准，真正做到交通全时空的“看得见、看得清”。第二，通过云计算、边缘计算、机器学习、神经网络等新技术移植，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”。第三，通过AR、VR、数据孪生等新技术应用，可实现交通信号决策控制在线并行仿真和即时效能评估，真正做到交通控制的实时自适应优化迭代。第四，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。

据北京、杭州、上海等地报道，通过大数据在交通信号控制系统的应用，路口交通通行效率可进一步提高10%以上。同时，交通信号控制机、控制系统通用技术要求以及相关通信协议、信息服务等标准规范为适应技术发展和实际应用需求完成了制修订工作，交通信号控制标准体系得到健全完善。

近期出台的《公安交通管理科技发展规划（2021-2023年）》《关于进一步加强城市道路交通信号控制应用工作的指导意见》，对交通信号控制提出了具体的要求，《国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》中也将“交通信号联动”“公交优先通行控制”作为典型的智能交通数字化应用场景。近几年，一些大中城市开展了交通信号统一管控平台的建设，实现了城市全域交通联网联控，深化了多源交通数据与智能学习决策技术的融合应用，提高了平台系统互联与服务能力，有力提升了交通信号控制的精细化、智能化管控水平。