摘要：近日，在西安智慧交管論壇上，清華大學(xué)土木水利學(xué)院交通工程與地球空間信息研究所所長李瑞敏教授以《城市交通信號控制未來發(fā)展思考》為主題做了精彩報告。

李瑞敏教授在簡要回顧了城市交通信號控制系統(tǒng)的發(fā)展歷程之后，結(jié)合最近在城市交通信號控制方面的研究和實踐，重點介紹了未來關(guān)于行人及非機動車用戶信號優(yōu)先、特種車輛信號優(yōu)先、信號優(yōu)化的在線評估、人工智能在信控中的應(yīng)用等方面的內(nèi)容。

1、發(fā)展回顧

對于城市交通信號控制系統(tǒng)而言，從上個世紀60年代開始，計算機開始在交通管理領(lǐng)域獲得了應(yīng)用，而交通信號控制系統(tǒng)是計算機在交通管理領(lǐng)域較早的應(yīng)用之一。例如1963年多倫多建成了基于數(shù)字計算機的中心式的交通信號控制系統(tǒng)，此后多個國家都開始探索如何利用計算機技術(shù)來實現(xiàn)交通信號控制的自動化。陸續(xù)出現(xiàn)了兩個比較有代表性的系統(tǒng)，一個是英國為主發(fā)展的SCOOT系統(tǒng)，一個是澳大利亞為主發(fā)展的SCATS系統(tǒng)，這兩個系統(tǒng)在國內(nèi)也有多個城市在使用。

隨著各國對于智能交通信號控制系統(tǒng)的重視，眾多的發(fā)達國家和發(fā)展中國家都在研究開發(fā)自己的城市交通信號控制系統(tǒng)。從90年代開始，逐步形成了多個相對成熟、并且已經(jīng)開始在一定范圍內(nèi)進行使用的信號控制系統(tǒng)。

進入21世紀以來，尤其是近10年以來，隨著計算機技術(shù)的快速發(fā)展，以及數(shù)據(jù)采集技術(shù)的發(fā)展，在交通信號控制系統(tǒng)領(lǐng)域，有了更為充分的數(shù)據(jù)支撐，也有了更為智能化的管理技術(shù)和控制技術(shù)。由此，近年來開始在研究一些新的基于大數(shù)據(jù)的城市智能交通信號控制系統(tǒng)。

從目前我國的城市交通信號控制系統(tǒng)的發(fā)展來看，從四個方面進行簡單地梳理。

首先在規(guī)模方面，目前全國信號控制路口的數(shù)量大概在30萬到40萬之間，每年的信號機的銷量也超過了4萬臺，更多的城市建設(shè)了規(guī)模越來越大的信號控制系統(tǒng)。

在系統(tǒng)建設(shè)方面，一方面在引進國外先進的信號控制系統(tǒng)，另一方面自主研發(fā)各類適用于我國城市交通狀況的交通信號控制系統(tǒng)。在軟件開發(fā)包括智能信號控制算法研究以及聯(lián)網(wǎng)聯(lián)控都取得了良好的發(fā)展。

第三方面是數(shù)據(jù)，傳統(tǒng)城市交通信號控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)主要來源于路基，包括通過傳統(tǒng)的線圈，以及目前的視頻、雷達等檢測器獲取車輛的數(shù)據(jù)，支撐城市交通信號控制優(yōu)化。

近年來基于車級的數(shù)據(jù)也開始獲得了研究和應(yīng)用。例如基于浮動車的數(shù)據(jù)，目前在國內(nèi)外的城市交通信號控制中都開始逐步獲得了某些方面的應(yīng)用。未來隨著個人穿戴設(shè)備或者說個人便攜智能設(shè)備的進一步的發(fā)展，可以獲取更為精細的人的出行數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)也可能在將來會對城市交通信號控制帶來相應(yīng)的影響。

在應(yīng)用方面，除了不斷建設(shè)覆蓋面越來越廣、聯(lián)網(wǎng)比例越來越大的城市交通信號控制系統(tǒng)以外，為了更好地發(fā)揮城市信號控制在緩解城市交通壓力方面的作用，各城市也在探索相應(yīng)的其他一些工作，包括建設(shè)配時優(yōu)化中心或者隊伍，將信號控制和智能交通管理的其他領(lǐng)域進行結(jié)合，進行城市交通信號控制的綜合應(yīng)用等等，而且在相應(yīng)的工作中也都發(fā)揮了良好的作用。

2、未來發(fā)展

結(jié)合當前的發(fā)展情況，對于未來各個城市在交通信號控制中做好基本的信號優(yōu)化工作的基礎(chǔ)上，還需要關(guān)注哪些方面呢？

簡單梳理了一下美國最新的ITS體系框架內(nèi)，關(guān)于交通信號控制相關(guān)的內(nèi)容，主要包括了6個方面，核心還是傳統(tǒng)的交通信號控制。除了這個領(lǐng)域之外，隨著不同領(lǐng)域的智能交通系統(tǒng)發(fā)展，又分別延伸了5個目前正在研究和應(yīng)用的方向。

第一個就是生態(tài)型的信號配時，這個有點類似于自適應(yīng)信號控制，但是目標更聚焦在環(huán)境方面，也就是說在傳統(tǒng)自適應(yīng)控制系統(tǒng)的控制目標上更為聚焦，能夠支撐可持續(xù)發(fā)展的控制目標，來進行相應(yīng)的信號配時和優(yōu)化。

第二個是車聯(lián)網(wǎng)的交通信號系統(tǒng)，主要是結(jié)合目前車聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，應(yīng)用車聯(lián)網(wǎng)的相關(guān)信息，以及結(jié)合原有的基礎(chǔ)檢測信息，提供一定的信號控制功能，比方說車隊的協(xié)調(diào)控制、特種車輛的優(yōu)先控制等等，這個是對未來逐漸成熟的車聯(lián)網(wǎng)信息的充分應(yīng)用。

第三個是應(yīng)急車輛的強制優(yōu)先，這個信號優(yōu)先的內(nèi)容是一個傳統(tǒng)的內(nèi)容，但是在技術(shù)上除了考慮傳統(tǒng)的應(yīng)急優(yōu)先技術(shù)以外，還充分結(jié)合車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為各類公共安全車輛提供強制的信號優(yōu)先。

第四個延伸的方向是貨車信號優(yōu)先，主要是跟商用車輛的運營相結(jié)合，為貨運車輛提供相應(yīng)的信號優(yōu)先。例如在交通的平峰期，由于貨運配送的比例越來越高，在城市的交通流里，貨運車輛的比例也在增加，為了提高貨運的效率，在城市交通壓力不大的情況下，可以考慮為貨運車輛提供相應(yīng)的優(yōu)先，與美國的快遞特點有關(guān)。

第五類是公交信號優(yōu)先，這個是非常傳統(tǒng)的一個方向，也是一直在做而且不斷在提升的一個方向，同時更為先進的技術(shù)也為傳統(tǒng)的公交優(yōu)先提供了更好的支持。

第二個大的方面也是今天報告的主要內(nèi)容，是想談?wù)勗谖覈磥淼男盘柨刂祁I(lǐng)域中，除了傳統(tǒng)的機動車交通信號優(yōu)化以外，可能還需要重視和關(guān)注的一些點。

主要想談5個方面，第一是對于非機動化的對象，應(yīng)該如何在信號控制中去進行考慮，比方說像行人、騎行者以及其他一些出行群體。

第二是對于特種車輛的一些關(guān)注，公交車輛、特種車輛、貨車運行等。

第三是在線評價，這是從不同的角度去談交通信號控制，除了要繼續(xù)關(guān)注控制策略的優(yōu)化、控制算法的優(yōu)化以外，還需要形成良好的在線評價，實現(xiàn)對于信號控制的閉環(huán)管理。

第四是技術(shù)方面，也要不斷的去探索人工智能技術(shù)等等在信號控制中的應(yīng)用。

最后是在數(shù)據(jù)應(yīng)用方面，要將大數(shù)據(jù)的內(nèi)容整合到交通信號控制的應(yīng)用和系統(tǒng)研發(fā)中去。

下面結(jié)合國內(nèi)外的一些發(fā)展案例和我們的一些研究去談?wù)勥@5方面的內(nèi)容。

非機動化對象

對非機動化對象進行信號控制的時候，行人是要優(yōu)先考慮的對象。傳統(tǒng)的信號配置，無論是在信號配時，還是相位的設(shè)置上，基本都是以機動車為主來考慮，然后行人的相位更多是隨著機動車的相位而改變。

但是實際上在一些行人交通量比較大或者有特殊行人出行需求的交叉口，就需要去考慮如何給行人提供優(yōu)先信號控制。在個別有條件的交叉口可以實行一些全向的行人燈。

還有一個是行人和機動車同時放行，在轉(zhuǎn)彎的時候機動車和行人會形成比較大的沖突，在這種情況下，是否在不明顯地影響機動車通行的情況下，給行人一些提前放行的考慮。當然這個對于信號配置會提出更高的要求，但是對于減少行人與機動車的沖突都是非常有意義的。

紐約近年來一直在探索這方面的工作，在今年3月份參考紐約市的相關(guān)數(shù)據(jù)來看，在紐約的13543個信號控制路口里邊，大約有2237個有行人提前放行，當然這個數(shù)據(jù)還是截止到2017年的數(shù)據(jù)，還缺少一些更新，但可以看出這個比例其實還是比較高的。

其中有232個路口應(yīng)用了全向的行人燈，這個數(shù)量還是比較大的，當然跟它的密路網(wǎng)小路口有一定的關(guān)系，然后在1040個路口，對視覺障礙者的信號燈進行了特殊的考慮，例如行人過街的聲音提示以及其他一些特殊方式的提示等，都體現(xiàn)了對于行人信號的優(yōu)先考慮，在新加坡也有相應(yīng)的考慮。

這三個照片分別顯示了三類行人過街信號燈的硬件設(shè)置，最左側(cè)是最常用的，沒有任何的按鈕，沒有任何的檢測設(shè)備，就是常規(guī)定時的行人過街控制，中間有了行人按鈕，右側(cè)這個除了行人按鈕以外，在箭頭上方還有一個可以刷卡的設(shè)置，這個主要是給過街速度比較慢的群體，主要是考慮老年人可以刷老年卡。

刷卡啟動行人過街信號燈

通過刷老年卡，行人相位上的綠燈清空時間，可以延伸一些時間。主要是因為新加坡的行人過街的清空時間計算的是比較嚴格的，基本上是按照正常的行人過街的速度來計算完成人行橫道清空所需要的時間。

對于年紀比較大的行人來講，想要在綠閃的時段完成過街的行為比較難，如果老年人刷卡，會提供更長的時間，這也是一個非常人性化的考慮。

在其他的城市也有類似的考慮，例如西門子和倫敦市在2018年簽署了關(guān)于下一代交通管理系統(tǒng)的合同，目前正在一起開發(fā)新的城市交通信號控制系統(tǒng)，是希望用來取代SCOOT系統(tǒng)。

這個系統(tǒng)有兩個主要的特點，一個是希望能夠整合各類的交通檢測信息，包括車聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)、未來的自動駕駛車輛的數(shù)據(jù)，以及行人的檢測數(shù)據(jù)和自行車的檢測數(shù)據(jù)等等，主要是為了改善傳統(tǒng)的SCOOT只能主要利用線圈所提供的機動車數(shù)據(jù)的缺陷。

另外一個特征就是要綜合的考慮道路上的全部的交通出行的方式。應(yīng)該說SCOOT最早是利用了機動車的檢測數(shù)據(jù)來開發(fā)，也就是線圈所檢測到的汽車數(shù)據(jù)。后來為了考慮公交優(yōu)先，也整合了公交的數(shù)據(jù)，但是對于其他的特種車輛以及行人和自行車的考慮就相對不足，所以在新一代的系統(tǒng)里面，希望給自行車提供更好的出行的環(huán)境。

例如說其中一個就是給自行車提供協(xié)調(diào)控制，讓騎自行車的人能夠連續(xù)騎行通過多個路口，而不需要在每個路口都去等待。

如果能夠通過信號配時，把信號的綠燈時間和騎行的速度結(jié)合起來，讓騎行者有一個非常舒適的連續(xù)騎行的環(huán)境，對于吸引大家去更多的騎行是一個非常好的因素，同時也能減小騎行的速度和小汽車速度之間的差異。

特種車輛優(yōu)先

未來發(fā)展另一個需要考慮的點就是特種車輛優(yōu)先，除了應(yīng)急車輛等特種車輛強制優(yōu)先以外，更多的應(yīng)該去考慮公交優(yōu)先的措施。

總體來講，希望未來能夠?qū)崿F(xiàn)可持續(xù)的城市交通系統(tǒng)，希望大家能夠更多地選擇可持續(xù)的出行方式，而公交是希望出行者去選擇的一種主要的交通出行方式。

在這種情況下，要提高公交的總運營量或分擔率，增加公交的吸引力是很重要的方面，公交吸引力的一個體現(xiàn)就是運行速度的增加，而提高公交出行速度的一個重要措施就是公交優(yōu)先。

很多城市實踐表明，在交通組織中實施公交優(yōu)先應(yīng)該是一個綜合的措施，雖然信號優(yōu)先是一個很重要的方面，但是僅靠信號優(yōu)先效果有限。所以結(jié)合新加坡的案例來談?wù)劸C合的三個措施，在道路運行方面來提高公交運行的速度。

第一是公交專用道，在有條件的路上充分地設(shè)置公交專用道，可以考慮設(shè)置全天的公交專用道，國內(nèi)目前也有嘗試，包括像北京的一些公交專用道，也設(shè)為早上到晚上全天的公交專用道。在沒有條件的路上，也可以設(shè)置高峰期的公交專用道，來提高高峰期的公交車的運行速度。

第二是在運行過程中的讓行控制。公交車的一個運行特點是必然要靠站，然后要停車，要上下乘客，然后要出站，而出站就要進入到普通的交通流，這就存在著一個其他機動車是否讓行的問題。有時候會發(fā)現(xiàn)由于小汽車的連續(xù)通行和不主動讓行，公交車從公交車站出來是很困難的事情。所以第二個提高公交運行速度的點就是讓行，讓公交車能夠快速的離開公交車站，進入運行的狀態(tài)。

第三就是信號優(yōu)先，在有公交專用道的地方，為公交車提供信號優(yōu)先，或者說即使沒有公交專用道，也可以在臨近交叉口的地方為公交車離開公交站點提供一個獨有的空間。用禁止停車的標識，讓公交車在紅燈期間出站不會被排隊的小汽車所阻擋，進入到空檔區(qū)，然后綠燈啟亮后，雖然不是排隊中的第一輛車，但是前面的小汽車很少，也能夠提高公交車的運行的速度。

這三個措施的綜合實施，根據(jù)新加坡的統(tǒng)計，其公交車的運行速度通過這樣綜合的措施有了明顯的提高。

所以在未來在我們國家的信號控制方面，也需要考慮將越來越多的重心和關(guān)注點放到公交信號優(yōu)先以及其他特種車輛信號優(yōu)先的方面，去實現(xiàn)更可持續(xù)的交通系統(tǒng)的發(fā)展。

在線評價

第三個方面就是形成良好的在線評價，傳統(tǒng)的交通信號控制更為關(guān)注的是如何去優(yōu)化控制策略，如何去優(yōu)化配時方案，如何去開發(fā)更為智能化的信號控制系統(tǒng)，但是實際上做完優(yōu)化之后，效果是不是真的得到了優(yōu)化？

原來更多的是靠人工的方式去進行評價，未來希望基于海量的、多元的數(shù)據(jù)去實現(xiàn)在線的評價，而評價實際上也是優(yōu)化的前提。

當然在評價方面的挑戰(zhàn)也很多，需求是很多樣的，比方說涉及到不同的評價的對象，我們希望對行人和公交車進行優(yōu)先，而對行人和公交進行優(yōu)先的同時，可能不可避免的會對小汽車的出行帶來一定的負面影響，很難做到既給行人、公交優(yōu)先，同時又給小汽車優(yōu)化。所以不同的評價對象之間可能會有沖突，怎么去評價或者評價過程中怎么去衡量不同的評價對象是需要考慮的。

第二個就是不同的評價的目標也是需要去考慮的，包括效率、環(huán)境和特殊車輛的優(yōu)先等。

第三個就是不同視角的評價，交通管理者往往要從綜合的角度去考慮信號優(yōu)化的目標，但是交通參與者往往會從自己的角度出發(fā)，這個也會帶來評價的不同的結(jié)論。

當然評價的指標也是多樣的，可以有不同的評價維度，不同的評價維度之下，就會有眾多的評價指標，例如效率如何、協(xié)調(diào)感應(yīng)水平怎么樣、安全怎么樣、公平性等等，這些都是需要去考慮的。

舉幾個國內(nèi)外集成平臺的案例，Iteris推出的一個基于云端的自動交通信號控制性能評價指標系統(tǒng)，這是為交通工程師所設(shè)計，可以實現(xiàn)交叉口層面分流向相位的詳盡的評價，同時有助于去理解交叉口擁堵和延誤的一些成因，然后為信號控制提供一些實時的反饋等。

另一方面，美國的FHWA資助了幾個州在做自動的交通信號性能評價的系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用了非常精準的數(shù)據(jù)，可以做出很多的評價指標，而且通過圖形化的方式有助于用戶去理解。

當然也有一些企業(yè)擁有了一些海量的浮動車數(shù)據(jù)，基于海量浮動車數(shù)據(jù)在做信號控制交叉口的評價。比方說INRIX把美國20多萬個路口的信號控制效果進行了相應(yīng)的分析和評價。我們現(xiàn)在城市里也有很多的數(shù)據(jù)，未來也是希望能夠利用這些數(shù)據(jù)做好對于信號控制的評價工作。

人工智能

總結(jié)來看，目前人工智能技術(shù)在城市交通信號控制中應(yīng)用主要體現(xiàn)在兩個方面。

一是檢測方面，主要是基于視頻數(shù)據(jù)，利用人工智能技術(shù)可以檢測到更為精細、更為多樣的數(shù)據(jù)。比方說大曼徹斯特區(qū)的測試的路口，進行了軌跡的檢測，并應(yīng)用到了信號控制中，而在萊姆戈，結(jié)合著視頻和雷達基于深度強化學(xué)習(xí)，把行人、自行車、公交車和所有的車輛類型都進行了相應(yīng)的檢測。

在算法方面也有在探索，比方說像加拿大Miovision在底特律測試了一條路，整合了多個檢測器，基于聯(lián)網(wǎng)的信號控制，實現(xiàn)了一個基于人工智能的軟硬件整合的信號控制優(yōu)化系統(tǒng)。而匹茲堡的實驗已經(jīng)進行了多年，目前也取得了良好的效果。當然也在探討人工智能的應(yīng)用，但是目前講應(yīng)該還處于一個研究的階段。

總體來講，雖然現(xiàn)在有眾多的學(xué)者和企業(yè)都在進行人工智能在信號控制中的應(yīng)用研究，但所取得的實際應(yīng)用成果還非常有限，也是未來可以關(guān)注的一個方面。

最后一點就是對數(shù)據(jù)在城市交通信號控制中的應(yīng)用的考慮。交通檢測技術(shù)也經(jīng)過了幾代的發(fā)展，從最初的斷面使用線圈數(shù)車，到目前已經(jīng)有很多城市能夠獲取基于多目標雷達或者車聯(lián)網(wǎng)的檢測數(shù)據(jù)，有了單車識別的能力，有了面狀精準檢測的能力，當滲透率和覆蓋率也在越來越高的情況下，有條件利用更為精細化的數(shù)據(jù)，進行更為精細的相關(guān)控制。

這些數(shù)據(jù)根據(jù)我們的研究來看，可以提供多個方面的工作的優(yōu)化支持。

首先在支撐交通信號控制的基本參數(shù)估計方面，可以實時地幫助去估計一些影響交通信號控制的關(guān)鍵參數(shù)，例如飽和流率的數(shù)值，每個路口的數(shù)據(jù)都可以對每個路口每條車道去實時地估計飽和流率，來更好的進行信號優(yōu)化的計算。

在問題診斷方面有了精細化的數(shù)據(jù)，可以從車道級的問題診斷一直到轉(zhuǎn)向升級、到路口級、到路段級、再到網(wǎng)絡(luò)級，都可以更好地去進行和實現(xiàn)問題的診斷。

在模型算法方面，有了精細的數(shù)據(jù)支持，可以實現(xiàn)在線的閉環(huán)的優(yōu)化。通過評價來對優(yōu)化目標值和實際采集的目標數(shù)據(jù)之間的差異進行實時的比對，并且能夠返回去形成對優(yōu)化模型的再優(yōu)化，形成閉環(huán)反饋的信號控制，從而實現(xiàn)最優(yōu)的信號控制。

最后希望在未來我們的城市交通信號控制，能夠通過三個層面的整合來實現(xiàn)進一步的優(yōu)化和提升，更好的支撐城市交通信號控制和城市交通系統(tǒng)的運行。

首先是數(shù)據(jù)的整合，希望未來能夠綜合利用各類已有的數(shù)據(jù)，無論是交管部門自有的數(shù)據(jù)，還是一些社會企業(yè)采集的數(shù)據(jù)，或者是其他部門的數(shù)據(jù)等等，綜合各種數(shù)據(jù)來進行優(yōu)化，去計算和估計多種的指標，支撐信號優(yōu)化工作。

第二個就是人機的整合，雖然我們希望計算機能夠取代人類去實現(xiàn)完全自適應(yīng)的控制，但是目前來看，計算機的能力仍然有限，在優(yōu)化策略方面，在一些應(yīng)對復(fù)雜的交通狀況方面，還難以取代人類，所以未來希望一個在線的自適應(yīng)控制和專家分析能夠交互整合。

最終希望實現(xiàn)應(yīng)用的整合，我們不僅僅要關(guān)注優(yōu)化策略、優(yōu)化算法，還要實現(xiàn)良好的評價，實現(xiàn)對問題的診斷，無論是計算機的自動診斷還是專家診斷，并且通過整合這些內(nèi)容來推向?qū)嵱谩?/p>