我國道路交通信號控制的發(fā)展與變遷

交通信號控制是狹義的交通控制，即路口和路段的交通紅綠燈控制。區(qū)域化協(xié)調(diào)的道路交通信號控制系統(tǒng)是智能交通系統(tǒng)的重要組成，同時也是智慧交通管理的主要支持系統(tǒng)。我國道路交通信號控制始于20世紀70年代，經(jīng)歷了近50年的發(fā)展歷程，至今大致經(jīng)歷了四個階段，即單點交通信號控制、區(qū)域協(xié)調(diào)交通信號控制、智能化交通信號控制、大數(shù)據(jù)驅(qū)動的交通信號協(xié)同控制。

一、單點交通信號控制

圖1 撥盤式交通信號控制機

20世紀70年代，我國的交通信號處于手動控制階段，交通信號控制機是一種機械式裝置，交通信號燈由崗?fù)さ拿窬瘬軇涌刂茩C上的開關(guān)來控制紅綠燈的切換。1973年，當(dāng)時的行業(yè)主管部門第四電子機械工業(yè)部提出“要將現(xiàn)代通信技術(shù)應(yīng)用到交通管制和車輛調(diào)度上去”，自此我國開始了交通信號自動控制的自主技術(shù)研究與應(yīng)用。1974年，啟動了我國第一個城市交通自動控制工程項目——首都自動化交通控制工程（又名北京前三門大街交通信號自動控制工程或7386工程）。1978年，北京地鐵沿線8個路口使用國產(chǎn)計算機DJS-130控制，實現(xiàn)了國內(nèi)第一條交通信號離線協(xié)調(diào)線控。1980年前后，北京、上海、廣州、沈陽等大城市開始了單點定周期交通信號控制機的生產(chǎn)和應(yīng)用，交通信號控制機成為一種電子自動控制裝置。

圖2 南京交通信號控制系統(tǒng)

二、區(qū)域協(xié)調(diào)交通信號控制

20世紀80年代，隨著我國一些大城市引進SCOOT、SCATS等國際上先進的交通信號控制系統(tǒng)，我國道路交通進入了點、線、面協(xié)調(diào)控制的交通信號控制系統(tǒng)階段。這一期間主要集中于大城市，通過引進應(yīng)用國外先進系統(tǒng)，消化吸收交通控制技術(shù)，為我國自主研發(fā)積累相關(guān)經(jīng)驗。國家“七五”重點科技攻關(guān)研發(fā)的“城市交通實時自適應(yīng)控制系統(tǒng)”（“2443”工程）是我國自行研制開發(fā)的第一個實時自適應(yīng)城市交通控制系統(tǒng)，總體上達到當(dāng)時國際先進水平，在南京市中區(qū)的24個路口進行了區(qū)域交通協(xié)調(diào)控制示范應(yīng)用。國家“八五”重點科技攻關(guān)研發(fā)的“城市交通控制系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)”，重點解決了交通控制系統(tǒng)的工程化技術(shù)問題，提供了較為成熟的技術(shù)和設(shè)備，系統(tǒng)軟件也從AT&T UNIX移植到Microsoft Windows NT平臺，選擇在廣州市天河區(qū)示范應(yīng)用。20世紀80年代及90年代初，我國的道路交通信號控制仍處于試點應(yīng)用階段，全國信號燈路口總數(shù)8000多個，還達不到當(dāng)時日本東京一個城市的安裝規(guī)模。

三、智能化交通信號控制

1997年，公安部交通管理局下發(fā)《關(guān)于印發(fā)〈公安交通指揮中心建設(shè)與發(fā)展的若干意見〉》（公交管〔1997〕231號）指導(dǎo)意見，2000年2月，國務(wù)院辦公廳轉(zhuǎn)發(fā)了公安部、建設(shè)部《關(guān)于實施全國城市道路交通管理“暢通工程”的意見》，有力促進了城市交通管理科學(xué)化、智能化的發(fā)展，我國開始進入智能交通管理系統(tǒng)建設(shè)與發(fā)展的階段。

國家“十五”重點科技攻關(guān)和“863計劃”持續(xù)支持新一代智能化交通控制系統(tǒng)的研發(fā)應(yīng)用，緊跟國際趨勢，著重解決體現(xiàn)交通控制的多模式化、智能化、集成化等問題，逐步形成具有分布協(xié)同功能的集成化交通信號控制系統(tǒng)。

我國形成了一批有代表性的交通信號控制系統(tǒng)，如HT-UTCS、NATS、HiCon等，具備對于不同城市、不同區(qū)域、不同時段交通流特性的適應(yīng)性和實時性，在交通通行效率、安全、秩序等多控制目標方面實現(xiàn)了協(xié)同優(yōu)化。在交叉口群協(xié)調(diào)、公交優(yōu)先控制、飽和交通控制、快速路出入匝道控制、有軌電車等特種車輛優(yōu)先控制、大型活動交通安?？刂频榷鄳?yīng)用場景方面實現(xiàn)了優(yōu)先權(quán)導(dǎo)向控制。引入現(xiàn)代自動控制思想和技術(shù)，移植人工智能技術(shù)如遺傳算法、專家系統(tǒng)等，形成具有自學(xué)習(xí)功能的在線決策調(diào)優(yōu)能力，從而提高交通信號控制智能化水平。為了實現(xiàn)不同控制系統(tǒng)的信息共享、不同控制硬件的互聯(lián)、跨系統(tǒng)的一體化集成控制，逐步制定交通信號控制機、交通信號控制系統(tǒng)、系統(tǒng)與設(shè)備通信等國家或行業(yè)技術(shù)標準，基本構(gòu)建起統(tǒng)一的標準體系。

20世紀末及21世紀初，我國各地相繼建設(shè)了城市交通指揮中心，交通信號控制系統(tǒng)的建設(shè)與應(yīng)用得到快速全面發(fā)展。到2017年，我國大多數(shù)大中城市都建設(shè)了交通信號控制系統(tǒng)，國產(chǎn)的交通信號控制機和控制系統(tǒng)已基本取代了國外的同類產(chǎn)品。據(jù)調(diào)查，全國82座樣本城市中心區(qū)交通信號機的燈控路口數(shù)量共有5.6萬多個。在此階段，由于智能化交通信號控制系統(tǒng)仍嚴重依賴自建的路面車輛檢測設(shè)備對車流量、占有率等數(shù)據(jù)的采集，維護成本高且難以更新，時間一長，交通感知就“半瞎半盲”甚至完全致盲失效，系統(tǒng)雖然擁有了一個“高知大腦”，但“身體已經(jīng)跟不上靈魂的發(fā)展”，強大的功能往往嚴重浪費，即系統(tǒng)控制降級成固定配時等使用，全國在用的信號控制系統(tǒng)普遍存在著聯(lián)而不控、效能發(fā)揮不夠的問題。

圖3 新一代智能化交通信號控制系統(tǒng)

四、大數(shù)據(jù)驅(qū)動的交通信號協(xié)同控制

近年來，隨著物聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)、大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能、數(shù)據(jù)孿生等新一代ICT技術(shù)應(yīng)用拓展，阿里、百度、華為等城市交通大腦和“互聯(lián)網(wǎng)+信號燈”出現(xiàn)，交通信號控制迎來了智慧化發(fā)展新時代。

首先，通過視頻AI、RFID、網(wǎng)約車、互聯(lián)網(wǎng)等多種新技術(shù)加持，不再受限于系統(tǒng)自采，基于隨時隨地都可低成本獲取的多源多維大數(shù)據(jù)的融合分析，可實現(xiàn)交通感知的快、精、準，真正做到交通全時空的“看得見、看得清”。第二，通過云計算、邊緣計算、機器學(xué)習(xí)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等新技術(shù)移植，系統(tǒng)可不再依賴那些現(xiàn)代控制理論中公式變量繁多、邊界條件苛刻的復(fù)雜數(shù)據(jù)模型，可由大數(shù)據(jù)直接驅(qū)動交通信號的智能決策控制與迭代學(xué)習(xí)，真正做到信號配時“想得透、想得好”。第三，通過AR、VR、數(shù)據(jù)孿生等新技術(shù)應(yīng)用，可實現(xiàn)交通信號決策控制在線并行仿真和即時效能評估，真正做到交通控制的實時自適應(yīng)優(yōu)化迭代。第四，通過物聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)等新技術(shù)應(yīng)用，交通信號控制逐步從交通后置響應(yīng)到交通需求前置引導(dǎo)、交通信息主動服務(wù)轉(zhuǎn)變，真正實現(xiàn)人、車、路、控制等交通要素全時空高效配置、協(xié)同疏導(dǎo)。

據(jù)北京、杭州、上海等地報道，通過大數(shù)據(jù)在交通信號控制系統(tǒng)的應(yīng)用，路口交通通行效率可進一步提高10%以上。同時，交通信號控制機、控制系統(tǒng)通用技術(shù)要求以及相關(guān)通信協(xié)議、信息服務(wù)等標準規(guī)范為適應(yīng)技術(shù)發(fā)展和實際應(yīng)用需求完成了制修訂工作，交通信號控制標準體系得到健全完善。

近期出臺的《公安交通管理科技發(fā)展規(guī)劃（2021-2023年）》《關(guān)于進一步加強城市道路交通信號控制應(yīng)用工作的指導(dǎo)意見》，對交通信號控制提出了具體的要求，《國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和2035年遠景目標綱要》中也將“交通信號聯(lián)動”“公交優(yōu)先通行控制”作為典型的智能交通數(shù)字化應(yīng)用場景。近幾年，一些大中城市開展了交通信號統(tǒng)一管控平臺的建設(shè)，實現(xiàn)了城市全域交通聯(lián)網(wǎng)聯(lián)控，深化了多源交通數(shù)據(jù)與智能學(xué)習(xí)決策技術(shù)的融合應(yīng)用，提高了平臺系統(tǒng)互聯(lián)與服務(wù)能力，有力提升了交通信號控制的精細化、智能化管控水平。

圖4 大數(shù)據(jù)時代的交通信號控制系統(tǒng)

我國城市交通擁堵這一“城市病”仍將長期存在，道路交通迎來智慧的路、聰明的車時代，這為交通信號控制的演變發(fā)展提供了嚴峻的挑戰(zhàn)和難得的機遇，交通信號控制是人民群眾追求暢通出行的重要手段，必須緊跟新時代、新技術(shù)要求，實現(xiàn)更全面、更智能、更綠色的發(fā)展之路。