杨永耀：城市智能交通信号控制策略研究及应用
2013-08-01 10:34:51   来源：www.its114.com 作者:its114   作者:    评论：0

　　2013年7月25日，由国家道路交通管理工程技术研究中心及武汉理工大学智能交通系统研究中心的支持举办、南京市智能交通产业协会和智能交通管理杂志社联合主办的首届中国城市智能交通管理暨科技创新论坛在南京成功召开。本次论坛以"提升科技应用水平，助力交通安全管理"为主题，来自管理部门、科研院所、企事业单位的近30位代表进行了精彩的演讲。

　　浙江浙大中控信息技术有限公司首席专家杨永耀进行了名为《城市智能交通信号控制策略研究及应用》的主题发言，以下是发言实录。

　　杨永耀：各位专家，各位领导，女士们、先生们上午好!非常高兴今天有机会汇报一下我们中控在智能交通信号方面一些研究以及应用。我的汇报有以下五个内容，首先是公司介绍，二是这个研究背景与意义，第三个系统结构，四是信号控制策略，五是示范应用情况。我们公司全称是浙江浙大中控信息技术有限公司，1999正式成立，是当时中控集团一个重要的组成部分，公司注册资本1亿，公司当时的主要的业务范围是智能化衣、食、住、行、游为基础，比较接近智慧城市这个领域。去年整个合同总额是超过了13亿，这个图上显示了一些我们公司主要业务的领域，可以看到，交通相关方面的业务，是公司的一个重头，基本上占三分之二，包括地铁轨道交通，这是我们的口头，就是用物联感知生活，用信息改变未来。智能交通业务发展流程，就不说了，我们这个里面开展了一些工作，98年开始首先在高速公路上，进行了工作；03年开始涉及城市交通，有些自己的产品，有比较完善的解决方案，也得到了一些荣誉，由于时间关系不展开了。

　　第二个背景意义。简单讲强调一下交通问题，尤其是中国，越来越头疼的问题，这上面有几张截图，可以想象一下，我们作为一个驾驶员，或者乘客，在这样的环境体系里面是什么样的感受，现在已经影响到我们的出行，我们有很多时候，都非常恐惧怎么样去，怎么样出行，我想智能交通要做的事情，是把这样严重的交通拥堵，交通无序做一个改进，交通排放，污染，会影响到空气，整个社会可持续发展一个很重要的原因，中国已经进入到汽车社会，很多城市里面每三个人有一辆车了。主要想说的一个问题，交通里面很多问题，经过一系列研究发现，这个瓶颈往往在路口，信号控制是现在解决路口交通一个非常有效的一个手段之一。

　　那么研究的核心在哪里？我们认为这个路口主要分为无序的交叉口车流和车流冲突，这个问题在中国尤其严重，因为我在国外待的时间比较长，中国因为交通的情况比较新型，很多驾驶员都没有这个经历，突然一夜之间开车了，而且大家抢先的，交通秩序上面，像比赛一样，比谁跑得快，这个影响我们的交通非常厉害，包括中国交通，在国际上也是一个比较规模比较大的。首先我们的交通事故是完全可以避免，恶性的事故都可以，这个核心问题感知，很多有很多领导讲到，一个城市的视频监测可以有成千上万资源，感知已经非常普遍，怎么样充分把这些已有的感知信号综合起来，用于智能信号交通路口的控制，这里面我们做的比较早的技术，一个是干线的内部控制，最后一个调控，稍微超过一点信号的范围，我们研究的时候，必须想象得到，信号控制仅仅是整个交通系统里面一个小部分，而且是比较基层，整个交通状态的彻底改善，一定要从上层的协调、调度跟下层的控制联合起来。那么现在的信号控制，已经不像最早的控制，路口装一个定时器，给你多长时间红灯、多长时间绿灯，现在已经从整个感知，动态性，实时性很重要。一个交通控制系统没有实时的变化没有对环境的感知，今天可能花很多钱设计，明天一变化就不知道了。这个图讲到交通控制系统，应该以路段信息采集为基础，这个信息的采集的数据，充分地来判断、预测、预报，那么路口对路口相互之间是非常关联性，需要一个中心层面来总体协调，从系统的角度进行优化。那么我们公司也做了对信号机控制，我们能够在信号机的控制，因为信号机实现交通策略一个必须的手段，这个我们有一个优势，自己有控制信号机的东西，能够在信号机本身底层部分，想到怎么样进行通讯，怎么样来做信号机协调，我们有一些基本的信号控制器，对道路状态检测的，主要是一个感应和视频方面的。在这样的检测、感应网络基础上，有这样一个智能分布式集散控制方式。我们现在专心致志做交通方面控制，我们希望把国外很多先进的系统，在中国也可以做成这样的系统。

　　我想主要介绍一下控制策略方面的事情，当然我们做的事情，实际上远远不局限于这一方面，我们从01年开始，公司投资1500万，我们感觉到，长期的控制，交通控制实现，实际上现在的瓶颈，最最严重的问题，不是控制方法，不是控制车辆，大学里面做现在的想法很容易的，这个最大局限，在交通状态的感知方面，你去看一个城市整个交通状况，往往有很多系统，设计以后，不久系统运行就有一个机动的模式，问题是他对交通的感知几乎瘫痪，尤其最早期的以地感线圈为模式的交通流检测，基本上就没有用。

　　在城市交通控制，从93年开始一直在做，我们浙江大学也研究了好多年，我们公司里面，自己每年都有十来个人团队，不断地从理论上，从学术，国内有关机关，包括一些先进策略上，根据自己应用里一些体验做一些控制，那么我现在从一个系列的控制算法开始，到干线协调、到区域协调，到后来我们发现这个区域控制，要稍微拓宽一些路口的已有的机构，到一些可变车道的控制，到整个城区一个卡口，怎么样流量分配均匀，到公交信号的控制，我们有一套完整一系列算法，就是单点自适应控制策略，根据交通流的情况，整个信号机的红灯绿的持续是随时随地都在改变。说说这个自适应，尤其是学校里面搞研究，一个自适应可以说是非常低级的，我感觉到你车来，我就给你开红灯，我给你一个最大时间，到了这个时间，即使有车也没办法，可以引进非常复杂一些算法，引入一些比较切合实际的信任指标，来整体目标，基于模型的，以性能指标最优一个算法，那个复杂度，跟下面可以说千差万别。另外，更高层次，可以先对自身，进行总体分区，可以有不同的控制模式，先把模式定下来，对某一种是采取自适应控制策略，这个不讲了。

　　这里就说一下自适应控制，基础必须是感知，没有感知就不可能有自适应，你不知道别人的情况，我们对流量的算法，一个简单的流量监测，也有千变万化，比如我现在这条路上流量有30辆一个小时，或者10分钟，这个流量是多还是少，是因为没有车，就只有这么多车，还是因为拥堵起来了，同样的30辆，后面的控制策略完全不一样，所以这种控制策略算法研究，要长期不断的积累，才能知道，透过这个数字背后，用什么样的方法处理，这个是相当困难的，整个模式联起来的，这个流量曲线可以从低峰流量，到高峰流量，可以对周期，根据饱和度做一些不断的变化，做周期的处理。干线协调控制策略，最容易理解，说白了，就是我希望我开过去，如果这么多红绿灯，要停就停一次，红灯停，其他的地方就不停，但就是这个算法，现在应用得最普遍的，真正做好的，也是相当困难的，但这里面有两个问题，一个问题如果是单向绿波，我只考虑这边到那边走，这个相对而言，理论上比较简单，实施起来也不简单，如果是双向的滤波，这个是不科学的，我们做了很多想法，包括红灯等可以错开时间，后面的背景，还是允许最多车辆能够达到，这个里面的和核心问题是什么问题，算法都简单，要控制这个绿灯到那个绿灯之间的时差，通过距离除以速度，这是它的理论时间，但是可以想象，如果这个理论时间跟实际时间不对的话，这个效果会大打折扣，这里面核心问题预测，不是现在，还是开完以后这个车的速度会怎么样变化，应该根据这个速度来调节双向的一系列的优化问题。那么仿真，这个相对也比较简单，一般可以做得比较漂亮，真正实际应用的话，需要做很多数据的绿波，数据算法可靠性验证。

　　那么在控制里面，我们讲到这么多控制算法，每一个算法，要知道这种算法在什么情况下比较有用，因为一个城市要做控制，不会告诉你，你这要给我做什么，要根据整个交通情况确定，整个城市这样的控制，我在什么地方应该采用什么样的控制方法。区域协调里面，就是在干线，刚才讲的绿灯的一个扩展，扩展到什么概念，我不仅仅是干线是希望是一个绿灯，其他线上也要有绿灯，只要让我开就给我绿灯，这个比较困难，最后仅仅是一个折中，整体是要道路更流畅。

　　可变车道的控制也是一样，有些时候，尤其城区功能布局不均匀的时候，上班会有一个上班流，下班有一个下班流，可能某段时间左转车辆特别多，这种情况下，一般信号控制策略，因为信号控制策略本身解决一个时间的问题，不解决空间的问题，可变车道在空间上来改变动态情况下，不合理手段的道路结构，比如这里做了一个检测，红的是一个直行的，绿的是一个左转的，我们发现东侧直行，在某一个期间，九点白天区间流量非常高，如果这个是你发现了，下面就想到可变车道的概念，下面怎么实施很简单，就这段时间，我把原来作为左转的车道可以借一部分给直行用，所以这个非常简单，概念上理解了以后，实施起来相当方便。

　　我们卡口控制策略，主要对不同的路口控制，这里面控制的思想，不是说以最大的流量，而且控制在核心，中心区域，不至于造成瘫痪，用什么方法，用调节的方法。尽管原来外围的车可以很多放进去，但是我不给你放，如果放进去，现在你看快了，再过两分钟就会堵满，这个实施起来，外围用控制的方法，中心尽快排出的方法。那么这是我们对萧山区做了一个车辆智能交通信号控制的图，萧山区现在发展很快，有的城区上下班流量很高，有的城区没什么流量，老的区域由于空间、资金的限制，交通状态比较差，对整个萧山区经过仿真、模拟，调查以后，提出了不同区域采取不同的手段。比如开发区，平峰时段用主干道的协调控制，干道设计比较好，高峰时候采用卡口控制，新区要进行协调性控制，老城区里面对外围高峰时段流量控制，不让进，进得比较少。老城区区域协调控制，外围边界早晚高峰进行流量控制。那么说到区域控制，如果一个小的城区，可以是一个完整整体，往往现在这个，要进行一些子区控制，以某一个地方为子区，一个子区控制，这里面讲到萧山中心城区子区划分，每个子区里面有一个核心的关键路口，一般的说，是这个子区里面流量最大，一个瓶颈，第一部分要子区怎么样划分，这个是一个自动的算法。某一个子区，决定好以后，关键路口对关键路段进行一些干线协调的算法，关键路段算法确定以后，向其他子区协调拓宽，这个是我们对萧山区卡口控制方案，把整个区域从外到里分成很多块，每个阶段用不同的控制方法，调节整个空间，保证我们的核心区域不至于出现交通严重堵塞的情况。

　　我们公司因为不是太大，人数不是很多，控制的核心在中等城市以下，很少在北京、广州等大城市。我们对中等城市控制有比较好的经验。这里面是我们做了一些比较成功的案例。总体来讲，系统的效率也非常好。比如说萧山1期、2期、现在做到3期了，现在做的效果不错，跟他们整个情况吻合比较好，比如平均车速，从早高峰的时候，从调整以前14.8提高到15.6公里每小时，平峰跟晚高峰都有一个相当好的提升，这个车干线协调方面，停车次数得到很好的降低，车辆我们通过一些模型，以及整个道路饱和度都得到了很好的提高。那么基本上，这系统实施以前和以后要注意的是，道路结构没有改变，仅仅是控制算法，控制策略，加上一些模型，基本上道路服务水平上，都普遍地能力提高一个等级，总D到C，从B到A。这是一个汇总性统计，就是平均车速提高17%，平均停车次数降低三分之一，延误减少了四分之一，饱和度降低了11%，是一期工程。

     二期工程范围，比较外围区域一点，也是相应得到了一个性能上提高。那么做的江南大道，就是在我们公司边上一个绿波带交通控制，用的就是那种根据路口的关联度，长度做了一些工作，那么这个当时做的效果非常好，但是如果我们仔细看一看的话，这个车牌写的是经过江南大道绿波控制区，请保持安全车速70公里。在那个时候，因为那条道路整体比较好，这是一个合适的方法，因为我不用加检测，我只是挂了这个牌子，一个开70，不要快，不要低，因为那个道路限速70，滨江区那个道路也不忙，所以人家开下来以后，当时浙江报登了一个很大报，江南大道现在去开，一路绿灯，而且确实是一路绿灯，因为条件比较好，原来人家要开得很快，反而中间要停车，是这样的情况，然后到了第二个路口，这个地方，大家说这个地方，我们的绿波带结束了，你在这开吧，反正你注意安全，那么这是当时这个水平，到现在为止，我知道我不能说叫你开70，你就能就70，开不了怎么办，那如果你的速度，设置70，你开绿色，那这个有很多，有些情况下，反而不设置绿波带还更差的情况，那么这个时间的改变，形势的改变，条件的改变，整个算法是要改变，当时我们检测总共10公里路，13个路口。改造以前，如果没有那个绿波算法以前，一般是需要13分钟，有了绿波算法以后，就降低到9分钟，看起来只降低了4分钟，但这个4分钟是相当，因为这个比例问题，13分钟里面将近10分钟，给人的感觉是非常好的感觉。这里就不做一个重点介绍了，公交信号优先，这个可能专家各也提了很多遍，一样，任何一个算法，任何一个名字都可以做一个很简单，很简单方法，公交优先，也可以做到一个很好，很复杂，考虑得很多的，也是公交出行，最简单的公交优先，我就跟一个发送器，快到这个信号口我就发送一下，我车来了，信号灯一看这里有公交车来了，就给你过，那么当然有一个安全的考虑，但是我们发现，这样信号优先实际上不好，对整个道路系统，对整个交通状态是一种惩罚型的，刚才看深圳大运会专用道，实际上现在控制里面不应该提倡这样的方式做，公交专用道你要保证它的路充分利用，一个大运专用通道放在那边空的，几乎没有什么用，其他的车道排着队慢慢开，我们现在的技术不能够做得更好一点，尤其往后走，做大数据，做车联网，完全可以车对车，这个时候没有车，通知驾驶员，后面预计半个小时以后，有一个车辆来了全部清楚，为什么做不到，肯定能做到，只要我们努力去做，所以我们这个公交路线是这样，不是简单的公交优先，这个公交优先会把调度中心，公交调度，交通管理，跟信号机联起来，我们会判断你这个公交车，这个状态下，根据你的调度，根据整个路的公交运行情况，需不需要给你优先，如果不需要，为什么要你快走，你前面已经有一辆车，两个车间隔已经是因为堵车靠得很近了，你还要把两辆车放过去，这完全是一个不合理的做法，所以这个里面，很多一个理念，一个设计问题，如果需要优先就给优先，如果不需要优先，就把这个好处让给广大的公众交通参与者，这是我们在绍兴做的公交优先控制的情况。

     最后想说一句，我希望在座各位专家，各位领导，有机会到我们公司指导，谢谢大家!