城市道路交通信号控制实践与发展

1.关于城市道路交通管理

城市交通规划是城市交通循环发展的龙头，管理和控制特别是信号控制在城市交通管理中处于交通循环发展链的末端，既是规划设计和建设的结果，也应该对规划设计产生反馈作用。交通管理还与交通参与者的行为密切相关。

2.关于城市交通拥堵

城市道路交通拥堵有很多方面的原因，主要包括城市人口密度、功能区块分布及小汽车使用；路网结构、容量和级配以及停车设施、公交系统、枢纽转换运行的服务水平等原因。主要节点的规划设计离不开交通运行和管理、交通政策和法规、交通经济（价格因素）、现代交通意识的全民教育等因素。

城市道路交通信号管理是城市道路交通管理中最重要的内容（本文“交通信号”特指道路交叉口的灯光信号），城市道路交通信号对城市道路交通流产生直接的作用，是智能交通、智慧城市领域的核心内容。与信号控制密切相关的道路设施平面设计、标志标线、隔离、灯光、绿化、视距等因素也会影响驾驶员的操作行为。

3.我国信控领域的问题

国内城市道路交通的信号控制是从上世纪80年代开始，各方面都做了较大努力，虽然取得了较多进步但总体上还存在很多问题。

首先是对信号控制的基本理论和适用性关注不够，理论研究与实践严重脱节，二三十年来没有本质上的突破，教科书内容严重滞后；法规、规范和技术标准缺失、粗糙、不严密、缺乏对实际工作的指导性。

下图中可以看到国内关于信号控制方面发表的学术论文，包括单点定时信号、单点感应控制、单点自适应控制、干线协调和区域交通控制等。其中，关于单点定时信号的论文数量非常少，而区域交通控制方面的论文非常多。而在实践方面，城市道路交通信号控制大部分还是定时信号控制，并没有实现智能化。

从数据中可以发现，在实际工作中需要的一些知识经验和认知，在研究领域中却并不十分关注，而研究领域关注的内容却是实际工作领域中并不怎么需要的。

还有一个问题是，我国的信号机和控制系统的研发过于分散（企业各自为阵、各主一方），国内生产信号机的企业有一百多家，各个企业都疲于奔命，难以从企业的角度来增加研究研发力度。高校和研究机构对实际问题的研究方向上有些错位，具体的工程设计中缺乏时空一体化设计的基本理念。

道路交通信号灯控制的是绿灯、红灯、黄灯的时间，但时间上的控制实际上是以对交通设施空间上的合理设计为基础的，没有空间设计的基础，只靠信号调节作用是非常有限的。

另外交通流检测的可靠性、正确性、实时性一直是个软肋，虽然现在有了很多新的检测手段：视频、雷达、GPS等，但其可靠性、准确性和实时性仍不能得到保证，最后还是环形线圈最可靠、最准确、实时性最好。目前为止仍没有任何一种检测方式能够完全取代传统环形线圈检测方法。

各企业都有一些仅能够与本企业系统连接的应用软件，但是缺乏标准通用、功能强大的软件工具，如包函交叉口流量流向数据处理及冲突分析、信号灯布设、配时计算和优化、与仿真测试分析协调的软件。

近些年来，国内在信号控制领域，从学者、工程技术人员到企业管理者都存在若干误区或盲区。

第一是过分夸大计算机、信息、通讯等现代技术对交通控制的作用，有人认为有了现代计算机大数据和GPS定位等现代化工具，信号控制领域就能上一个台阶，除了一些数据在大屏上的统计展示外，实际上不仅没有上台阶，在原地上的进步也非常有限。

第二是过分高看“区域自适应”控制，轻视单点问题。所谓的“区域自适应”控制是上世纪八十年代从英国引进的估值系统实现的区域自适应信号控制，大部分人认为这样的“区域自适应”控制可以给城市交通信号的管理带来飞跃性发展，但是几十年的实践结果证明，“区域自适应”控制的实际效果并不显著，实际运行效果好的“区域自适应”控制系统非常少。

特别是，在系统建设时安装的检测器过后都难以保证正常运行，所谓的“区域自适应”控制最终只是流于形式。而国内一些研究机构和应用部门，特别是一些城市管理者都比较热衷于“自适应”。

一个优秀的单点控制的难度其实是超过“区域自适应”控制的，但人们恰恰轻视了这一点。没有单点的基础，不可能实现一个运行良好的“区域自适应”系统。因此，国内在不必要的方面浪费了很多精力，而在需要的地方又没有投入足够的重视，导致目前行业尴尬的局面。

第三是公交优先基本上停留在理念上，至多实现了最基本的、有限的优先，或者说仅在某些地方实现了不顾其他交通流利益的所谓的“暴力优先”，那往往是对整体交通系统来看弊大于利的。公交优先的信号控制必须以精细化的交叉口时空一体化系统设计和精细化的信号控制技术与优秀的软硬件设备为前提条件。

4.关于我国在城市道路交通信号控制领域存在的问题

目前我国城市道路交通信号控制领域缺乏正确的宏观理念，如以人为本、公交优先、安全第一、保护弱者、注重环境，缺乏轻重缓急、优先排序等，这些理念似乎不太受到关注。

在具体工作中，人们认为现在交通拥堵是一个经常性问题，过多纠结具体细节问题，而缺乏以综合交通规划为指导的系统性分析。还有就是技术规范标准滞后、甚至缺失，科学性、系统性不足，有些发布的规范标准甚至引起诸多争议，因此对实际工作的指导性大打折扣。

对信号控制系统全生命周期的应用也缺乏客观有效、易于使用的评价标准。在实际工作中，重设备、轻维护，具体表现为希望购买最好的设备，但没有足够的经费，或是对后期维护不够重视，导致系统效益受到影响；重数据、轻分析，具体表现为希望获得尽量多的数据，但是拿这些数据做什么、能通过这些数据分析出什么、分析结果对优化有什么作用效果等收益不明显；重新意、轻基础，具体表现为对一些新的东西趋之若鹜，但是对基础的东西却视而不见；重展示、轻效果，具体表现为拿很多东西来做展示，但究竟有什么客观效果却无人过问。

5.关于城市道路交通信号控制的几点认识

信号控制应区分宏观目标与微观目标。宏观目标须服从于城市交通管理的大目标，应从交叉口所处路网或干道的功能定位出发，或疏或堵，或保或抑（或取或舍），或公交优先或关注行人非机动车，或绿波或感应，或局部协调。总之，一个交叉口的信号控制，不一定总是追求最大通行能力，最小排队。

微观目标应该是在宏观目标的指导下，充分调度和分配交叉口的时空资源，实现交叉口信号控制的综合效益最大。

交叉口的信号控制须结合其平面空间设计和优化，即进行时空一体化设计。仅仅对信号配时进行设计，往往会事倍功半，有时甚至是徒劳的。交通流有随机性、时变性等特征，因此信号的控制策略和算法也不是一成不变的，有些算法在一定的场景下是好的算法，但没有一个普遍适用的、一成不变的好算法。

应引入交通仿真的方法对信号控制设计方案进行事先的评价和优化，这一点非常重要，因为交通流有时变性，在做平面设计时交通流运动状态下的各种矛盾、冲突是难以完整想象的。交通仿真方法可以把整个交通流的时空因素体现出来，便于工程师在规划设计阶段发现问题和解决问题，最后取得比较优秀的设计方案结果。

需对信号控制系统进行全生命周期的管理和维护，即进行监测、评价、修正。应对道路交叉口作为一个交通基础设施的整体，建立包含用地面积、建设投资、运行维护成本、各类交通通行量、服务水平等因素的多层评价体系。

需建立对信号控制方案的科学、客观、全面、公平、细致的评价理论和方法，目前还缺乏从理论到实践、从某一方面到另一方面的全面客观评价，导致很难评判一个方案真正的优劣。考察信号控制方案的优劣，至少要包含对公交、行人和非机动车信号等方面，因为这些是非常重要的部分。

1.道路交叉口交通冲突

想了解一个交叉口有多少个冲突点，首先要观察通过交叉口的交通流如何通过交叉口，它们之间会产生什么样的冲突。因此，一个交叉口的完整冲突分析是设计交叉口平面和信号控制必不可少的基本功。

以下两张图中可以看到，左图为假设通过交叉口只有行人和机动车，则交通冲突相对比较简单；但若加上非机动车流的话，中图中显示冲突会增加很多倍，而如果一个为加良好渠化设计的交叉口（右图）的交通冲突就更为杂乱复杂。

因此，一个有序运行的交叉口产生的冲突点会大大减少，有规律可循，并通过信号加以控制。一个杂乱无章的交叉口，产生的冲突点不计其数，甚至整个交叉口空间就是一个冲突区域。

下图中的路口，平面设计十分规整，经过规整的设计使得一个交叉口的冲突由杂乱无章变得比较有序，实现了比较好的控制效果。采用三角安全岛和道路中央人行过街安全岛布置行人过街，减小行人一次过街距离，非机动车跟随行人过街，使交通流有序。这样才能减少冲突点数量和冲突的严重程度，使得交叉口可控。

2.道路交叉口信号控制设计软件应用

国内信号设计缺乏优秀的软件设计工具。德国现在通用的一款设计软件能够把交叉口的交通流进行数据量分析、冲突分析，在分析的基础上计算出各个信号线位切换过程中的绿灯间隔时间，形成一个绿灯间隔时间表，根据交通流的流量等来设计出基本的定时信号控制方案，包括相位切换的基本结构。

通过这样基本的数据基础设计，可以编制出比较合理、具有一定智能化的感应控制方案，通过仿真工具对控制逻辑进行事先测试，最终使信号得到优化。

1.德国城市道路交叉口信号控制特点

每个国家和地区的信号控制特点各不相同，和国内或者其他国家相比，精细化、标准化、实用化是德国信号控制的基本核心。

从精细化角度来看一个细节，国内的绿灯是黑底的绿箭头，但德国的黄灯和红灯并非是黄色的箭头和红色的箭头，而是黄底的黑箭头和红底的黑箭头，这是经过科学论证的，全世界只有德国是这样的标准。

全德国采用绿灯是绿箭头、红灯是红底黑箭头、黄灯是黄底黑箭头的标准。德国信号灯的布置、灯的形式、灯的样式、灯的颜色和交叉口的划线非常清晰有序，可见德国的信号控制研究精细化程度非常高。德国所有的灯杆都是标准化的，人行道的信号灯设置在人行道中间，而不是在某一路边，为了信号醒目且让过街行人抬头就可以看到信号灯。

德国的信号控制有一系列的标准和规范，其中比较重要的是2005年翻译出版的交通信号控制指南，此书在国内不具备规范的法律地位，因此只能是一个信号控制的指南。该规范中，最核心的问题是关于绿灯间隔时间的计算。按照德国的规范标准要求，绿灯间隔时间是相互冲突的一股交通流的绿灯结束时刻和下一股交通流的绿灯开始时刻之间的时间间隔，计算公式为过渡时间+清空时间-驶入时间。

绿灯间隔时间计算和美国计算原则稍有不同，从而带来很大差异。德国的计算原则允许车辆擦肩而过，而美国的信号控制标准是上一个相位的车辆要通过整个交叉口出口道，下一个相位的车辆才能离开停止线。也就是美国的设计标准中有一定的安全余量和空间，但也因此在其他方面会带来一定的模糊性。

下图是德国一个非常小型的十字交叉口，要实现这个交叉口的信号控制就要计算所有信号灯跟其他任何一个信号灯之间的绿灯间隔时间，形成一个绿灯间隔时间表，从而对路口进行安全、有效的信号控制。

以下案例是达姆斯塔特市中心的一个交叉口，右图可以看到它运行时候的检测手段还是环形线圈检测器。这个复杂的交叉口承载了有轨电车、机动车、非机动车和行人，做了非常精细的设计后具有公交优先控制功能，在上一个相位左转结束后优先启动有轨电车，当有轨电车过了交叉口后其他同行的机动车才获得绿灯信号，实现了机动车与有轨电车共用出口道行驶空间，但是还能够保证交通安全的节约型运行方案。

2.德国城市道路交叉口的规划设计建设与信号控制特点

下图是德国柏林的交通控制中心，是德国最大城市交通管理与控制中心，但它并非用于信号控制，而是整个城市的交通管理中心。国内常见形式的交管信号控制中心在德国几乎是没有的，在德国除了上述城市交通管理中心外，还有高速公路管理中心。

近年来，车辆轨迹数据在城市交通态势分析和评估中得到了广泛的应用。通过提取轨迹数据对信号控制进行分析评价，从而提出优化的信号控制方案已成为可能，这也是未来在信号控制领域可能有所突破的方面。希望未来更多成果能够应用到实际的信号控制系统中。