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信控专家谢少平|南昌交通信号控制系统升级改造实践与创新

    概述

    本文阐述了城市交通信号控制系统设计现状,分析了城市交通信号控制系统的现实困境,介绍了南昌市交通信号控制系统升级改造项目的设计创新,提出摆脱交通信号控制系统现实困境的出路在于:交通信号控制系统设计应从交通管理实战需求出发,树立从技术设计转为技术设计、控制策略设计并重;从控制功能设计转为控制功能设计、管理功能设计并重的设计理念。

    1前言

    本文阐述了城市交通信号控制系统设计现状,分析了城市交通信号控制系统的现实困境,介绍了南昌市交通信号控制系统升级改造项目的设计创新,提出摆脱交通信号控制系统现实困境的出路在于:交通信号控制系统设计应从交通管理实战需求出发,树立从技术设计转为技术设计、控制策略设计并重;从控制功能设计转为控制功能设计、管理功能设计并重的设计理念。

    我国自上世纪八十年代开始在北京、上海小范围、试验性的建设交通信号控制系统,到目前为止,全国地级以上城市,大部分都建设了交通信号控制系统。

    随着我国道路交通的迅猛发展,特别是早晚高峰时段城市交通拥堵成为常态,一方面是公安部交管局、业界专家学者及广大交通参与者视交通信号控制系统为城市智能交通的核心,寄望发挥更大作用,社会关注度越来越高,媒体报道越来越频繁,然而恰恰相反,事情的另一面却是,作为城市智能交通信号控制系统建设维护和使用管理的各地公安交管部门,则在有意无意之中,将交通信号控制系统边缘化,导致交通信号控制系统在我国虽然发展建设了几十年,但是在整个公安交管指挥系统中,仍是不受待见、不被重视、处境尴尬。

    本文从城市智能交通信号控制系统的建设源头,即从设计环节予以剖析。


    2城市智能交通信号控制系统设计现状

    2015年以前编制(修订)的国标、行标,其规范的对象都是交通信号控制系统的产品生产商或系统承建商,规范的内容都是是系统或产品的技术与功能。因此,我们可以说,2015年以前的城市智能交通信号控制系统由于缺乏设计依据,设计时受交通信号控制系统的产品生产商或系统承建商的影响很大,即使是由具有设计或咨询资质的第三方进行设计,设计内容、设计深度、设计成果差别也很大。从笔者接触一些城市的设计方案看,交通信号控制系统的设计基本上变成了国标功能和产品性能指标的重复抄写与堆砌,其设计方案仅是系统架构和系统软硬件的设计,无深入的交通需求调研分析,无控制策略、配时调优及控制效果评价指标的设计。

    随着201653日公安部交管局下发《关于推进城市道路交通信号灯配时智能化和交通标志标线标准化的通知》(公交管2016230】号)规范性文件以后,国标、行标的编制才逐步关注到信号控制方式的使用以及系统控制效果。

    201610月中国国家标准化管理委员会正在征求意见的《道路交通信号控制系统通用技术要求(征求意见稿)》,从系统架构、功能要求、性能指标、通信要求、安全要求、测试要求、运维管理等七个方面予以规范,尽管《征求意见稿》的某些内容仍有值得商榷探讨的地方,但是,如能顺利发布实施,将对城市智能交通信号控制系统设计具有里程碑意义。


    3造成城市智能交通信号控制系统现实困境的原因

    3.1 城市智能交通信号控制系统的实战本质

   (1)这些年下来随着智慧城市、物联网、车联网、大数据、互联网+”等等一个接一个高大上概念的兴起和炒作,业内似有淡忘信号控制系统初心的端倪。

    城市交通控制(Urban Traffic Control,简称UTC)其实就是一种人工智能,只要多想想人在现场会怎么管?交管部门的领导早晚高峰是怎么指挥调度路口民警的?想想这些问题,技术上怎么去实现就行。因此,智能交通信号控制系统实际是人工智能系统,需要贴近实战、贴近管理。从某种意义上可以理解为:人在现场怎么管,那么人不在现场的话,系统也应该怎么控。总之,城市智能交通信号控制系统是交警在交通指挥基础上的延续。

   (2)建设智能交通信号控制系统的目的是实现对道路交通可视可控的目标,包括日常交通流的可视可控、交通事态(交通拥堵)的可视可控、警卫特勤的可视可控三个方面。

   “可视不是所谓视觉上的视频监控,应该是指对于路面上的交通流、交通拥堵事态你怎么去检测?如何去判定?

   (3)中国特色的基本国情决定,我们的智能交通信号控制系统应该以缓解交通拥堵事态的可视可控为关键抓手,政府领导是因为意识到城市堵了,所以才拍板作出决策,所以才花钱搞智能交通。因此,检测是基础,也很关键。所建交通模型应能客观真实的反映路口实际交通状态。

   (4)路口交通拥堵的原因是多方面的,大致可分五种类型:交通秩序混乱(干扰因素多)导致的拥堵;信号配时不合理导致的拥堵;早晚高峰流量过饱和导致的拥堵;瓶颈溢流(路口间距太近或通行能力不匹配)导致的拥堵;交通事故等突发事件导致的拥堵。


    3.2 造成城市智能交通信号控制系统现实困境的原因

    从前述设计依据的局限性城市智能交通信号控制系统的实战本质分析,笔者认为,造成城市智能交通信号控制系统不受待见、不被重视、处境尴尬的现实困境,其原因有以下几点:

   (1)控制功能不接地气,战略战术理念缺失。

    目前的交通信号控制系统设计,基本上是国标功能和产品性能指标的重复抄写与堆砌,没有分析领悟城市智能交通信号控制系统的实战本质,因此,系统控制功能的设计不接地气,战略战术理念缺失。

    国内路网结构以及交通管理实战需求,决定交通信号控制系统关注的重点应该是点和线,即使有面的关注,也仅是处理少量的线与线交点。那么设计方案中,为什么要去强调区域自适应呢?你给领导灌输的自适应预期越强烈,系统建成以后,又不是那么回事,领导怎么能待见呢?

    国内路网结构、机非混合、车辆违停等原因,形成干道交通流特征非常显著的特点,既然每个路口都有检测支撑,那么绿波控制的设计,为什么仍然采用固定配时的绿波控制呢?绿波信息不对外发布,驾驶员怎么知道你做的是绿波控制呢?

    交通信号控制系统设计方案不是以缓解交通拥堵事态的可视可控为关键抓手,系统自然也就不能根据路口不同的交通拥堵成因,执行相应的控制策略。

   (2)控制信息不发布,领导及市民对交通信号控制系统无感知、不知情。

    目前的交通信号控制系统设计,除南昌外,还没有哪个城市意识到这一问题的重要性。

    交通信号控制系统如果不能把系统控制信息主动告知交通参与者,领导及市民对交通信号控制系统无感知、不知情,那么他们对系统的作用也就难免会有各种各样的主观评议、甚至质疑。这些主观评议和质疑,虽然不客观,但是也确实暴露了现有交通信号控制系统忽视如何给决策者、如何给交通参与者留下直观感受这个问题。

   (3)控制效果评价不接地气,与系统建设割裂。

    UTC平台无控制效果统计分析模块,系统建设、信号调优效果无客观定量的数据对比,遇质疑时,仍是主观对主观。

    201653日公安部交管局下发《关于推进城市道路交通信号灯配时智能化和交通标志标线标准化的通知》(公交管2016230】号)规范性文件,该文件的附件536个大城市示范路交通运行状态相关数据统计表;行标《道路交通信号控制方式 第2部分:通行状态与控制效益评估指标及方法》(GA/T 527.2-2016)的编制;以及201610月中国国家标准化管理委员会正在征求意见的《道路交通信号控制系统通用技术要求(征求意见稿)》,才开始逐步关注交通信号控制系统的控制效果评价问题。

   (4)重建轻管、调优维护跟不上,制约系统效果。

    目前的交通信号控制系统设计,其设计成果仅仅是对系统建设的设计,没有将信号调优纳入设计方案中,没有对系统建成以后的维护管理以及信号调优保持进行设计,因此也就制约了交通信号控制系统效果的发挥。

    各地公安交管部门长期以来重建轻管,以及大范围采用传统地感线圈检测方式,也严重制约了系统效果的发挥。一方面是市政工程多,围挡开挖多;另一方面是雨水多,道路容易破损,导致地感检测线圈的故障率居高不下,后期维护压力巨大,维护工作细碎繁琐。


    4南昌市交通信号控制系统升级改造项目的设计创新

    南昌市交通信号控制系统始建于2010年,属于南昌市智能交通指挥中心系统项目的一个子系统,由系统集成商承建。和全国大多数城市一样,受技术、经验、经费的限制,采用传统地感线圈检测,系统效果不甚理想,交通信号控制系统也一样陷入不受待见、不被重视、处境尴尬的困境。

    经过多年反思,我们认为,摆脱交通信号控制系统现实困境的出路在于:交通信号控制系统设计应从交通管理实战需求出发,树立从技术设计转为技术设计、控制策略设计并重;从控制功能设计转为控制功能设计、管理功能设计并重的设计理念。

    2013年开始,我们紧贴交通管理实战需求,研究交通信号控制系统的实战本质,对控制策略、技术思路及控制模型进行多轮研讨,论证技术实现的可行性,同时对视频检测器用于路口信号控制进行试点。2015年我们将交通信号控制系统升级改造项目申报南昌市重大重点项目进行建设,201511月完成公开招标,20166月系统进入试运行,现在进入到项目验收阶段。对几个创新点进行总结如下:

    4.1 以交通强度模型为核心的信号控制系统技术层面的设计

    我们在设计方案中,明确提出克服以交通流量计算饱和度,不能反映路口真实交通运行状态的缺点。根据流量表征交通需求、占有率表征拥堵状态及干扰情况的特点,改进控制算法,把路口交通流量和时间占用率加权计算交通强度,以交通强度作为核心控制模型,以时间占有率为关键输入与反馈指标,进行周期和绿信比的优化,用于动态绿波控制和单点自适应控制。城市道路交通拥堵是否得到缓解,可从占有率指标是否下降得到验证。

    交通强度值越大交通状态越拥挤,按照交通强度将交通状态划分为:畅通,00.75;缓行0.750.85;拥堵,0.85以上。


    4.2 以调优效果为导向的UTC平台控制效果自动统计模块、调优评价指标的设计

    4.2.1  UTC平台控制效果统计模块设计

    我们在设计方案中,明确提出UTC平台软件需开发控制效果的统计模块,自动统计优化调整前后的控制效果对比信息。有检测数据支撑的路口,系统具备对控制方式优化调整前后,提供路口周期、流量、绿损、拥堵时长、拥堵次数、手动控制时长、手动控制次数等数据的查询统计功能,也可以与昨日同期、上周同期、上年同期作比较,自动给出对比信息。绿波控制路段还可以增加带宽、速度等统计指标的比较。



    4.2.2评价指标的设计

    1)调优路口信号控制效果评价

    我们在设计方案中,明确提出111个调优路口信号控制效果着重从控制策略的合理性、控制方案的合理性、效果评价指标等三方面开展评价。控制策略、控制方案需征求辖区大队、中队的意见,科研所控制科审核。控制方案应根据交通流量规律,科学合理划分高峰、平峰和低峰时段,并设置工作日和周末节假日配时方案。信号控制效果由第三方进行评价。

    评价指标的选取按照以下三个原则:(1)充分考虑道路交通状况的差异;(2)不同的控制策略采取不同的评价指标;(3)评价指标要客观真实、尽量能在UTC系统平台上可查可复核。

    2)绿波控制策略的控制效果评价

    分类评价:结合道路交通环境、交通流量、非机动车干扰等因素,综合考虑道路交通状况的差异,将绿波控制的路段划分为A类路段和B类路段分别进行评价。A类路段包括红谷滩新区以及相对外围的城区道路;B类路段包括核心城区的道路。


    评价指标:绿波控制行驶方向(主要相位)平均遇到绿灯路口的百分比、路口其它行驶方向(次要相位)遇到红灯的平均停车次数。

    评价要求:(1A类路段绿波控制行驶方向,平均遇到绿灯的路口数应大于等于绿波协调控制路口数的80%B类路段绿波控制行驶方向,平均遇到绿灯的路口数应大于等于绿波协调控制路口数的70%。(2A类路段绿波协调控制路口的其它行驶方向,遇到红灯的平均停车次数应小于等于2.0次,B类路段绿波协调控制路口的其它行驶方向,遇到红灯的平均停车次数应小于等于2.5次。

    测评方法:采集周一、周三、周五、周日在绿波协调控制时段内的数据,按照浮动车法测试,分别往返三次,记录从起点至终点遇到的绿灯路口数,并取12次往返测试的算术平均数。计算公式为:

    绿波路段平均遇到绿灯百分比=(遇到绿灯路口的算术平均数÷绿波协调控制总路口数)×100%

    录像取证:为了使测评结果客观公正可信,按照周一、周三、周五、周日四天,每天三次,双向驾车统计,每条路要保存共计1*2*3*4=24段测试时的视频。

    3)单点控制策略的控制效果评价

    实行单点控制策略(单点自适应控制或单点感应控制)的路口,应在保证行人最小安全过街时间的基础上,以提高路口的通行效率和通行能力为目标。

    评价指标:能在UTC系统平台上可查可复核,包括:绿灯损失时间(即保证行人最小安全过街以外的绿灯时间损失)、交通强度、高峰小时流量、拥堵持续时间。

    评价要求:路口信号调优以后的绿灯损失时间,要比调优前相应时段的绿灯损失时间降低50%以上。在提高通行效率的基础上,提高路口的通行能力(即高峰小时的流量),降低交通强度,减少交通拥堵的持续时间。

    对于全天实行单点控制策略的路口,每个路口分别考核评价周一、周日的早高峰、晚高峰、平峰三个时段。

    对于平峰实行绿波控制、高峰实行单点控制策略的路段,抽查路口总数的30%,考核评价周一、周日的早高峰、晚高峰二个时段。

    对于电信光缆没到位,信号机没有接入UTC系统平台的路口,可暂不考核评价。

    4)瓶颈控制策略的控制效果评价:采取现场实地测试法,检测所有实行瓶颈控制策略的路口。将测试车辆停在瓶颈检测器的相应位置,要求能够正常触发瓶颈控制。



    4.3 以交通参与者有感知、能知情、可监督为目标的控制信息实时自动发布模块的设计

    我们在设计方案中,对28个路口设计了31块小型LED文字屏,向交通参与者实时自动发布信号控制信息。屏体规格为1.92×0.768米,可显示2行,每行5个文字。


    系统支持接入LED文字显示屏,同时支持信号机或UTC软件控制显示。UTC能够管理LED文字屏,可以人工干预LED文字屏的显示状态(开启或关闭)以及显示内容。

    在绿波带控制的路段,系统给交通参与者自动发布绿波控制 建议车速××”的提示信息,使交通参与者能够感知信号控制系统的作用。绿波控制信息的发布有利于提高通行效率。

    在流量管控的路口,系统给交通参与者自动发布前方拥堵 请您绕行流量管控 请耐心等候等提示信息。

    路面民警在手动控制信号灯时,系统给交通参与者自动发布路口正在手动控制的提示信息。手动控制信息的发布有利于市民监督,提高促进工作水平。

    其它控制信息的发布,如自适应控制、感应控制、公交优先控制等。公交优先控制信息的发布有利于宣传强化公交优先的理念。


    4.4 南昌市交通信号控制系统升级改造项目的其他特点

   (1)视频检测

    我们从2013年开始在我市的一个路口试点将视频检测器用于信号控制,经过近三年的测试结果表明,视频检测器是完全可以保证信号控制效果的,相对其他检测方式来说,性价比也是适中的。因此,南昌市交通信号控制系统升级改造项目的111个路口中,已有79个路口采用视频检测方式进行交通流量和时间占有率的检测,使南昌市成为全国首个在城市智能交通信号控制系统建设中,大规模采用视频检测的城市。


   (2)公交优先控制

    我们在北京东路的6个路口实行公交优先控制。公交车通过RFID卡射频发送信号至RFID信号接收器,并传输至路口信号控制机。系统采用红灯早断和绿灯延长等两种方式,实现公交优先控制,触发信号灯变色和路口LED文字屏提示公交优先控制信息,向市民宣传强化公交优先的理念。目前暂定早晚高峰以及民警手动控制时不响应公交优先请求信号,每次红灯早断和绿灯延时不超过10秒。UTC平台统计数据显示,6个路口每日平均触发700次,合计4200次上下,优先总时长达8000秒。


    5结语

    201653日公安部交管局下发《关于推进城市道路交通信号灯配时智能化和交通标志标线标准化的通知》(公交管2016230】号),文件指明了今后的发展趋势是:信号调优交给第三方专业公司去干。那么交警作为业主就必然需要通过UTC平台掌握:路口的控制方式是否提升了?控制策略是否贯彻了?控制效果又是如何?因此,城市智能交通信号控制系统的设计,必须扭转把国标功能和产品性能指标的重复抄写与堆砌看作是设计的现象,必须扭转只设计系统架构和系统软硬件的现象。设计时应该从交通管理实战出发,做深入的需求调研分析,将信号调优纳入设计方案中,增加控制策略、效果评价、信息发布、运维管理、调优保持等内容的设计。

    总之,我们应该清醒认识到,摆脱交通信号控制系统现实困境的出路在于:交通信号控制系统设计应从交通管理实战需求出发,树立从技术设计转为技术设计、控制策略设计并重;从控制功能设计转为控制功能设计、管理功能设计并重的设计理念。