杨晓光：复杂环境下城市道路信号交叉口交通优化控制技术及其应用

　　由中国智能交通协会主办，公安部交通管理科学研究所、国家道路交通管理工程技术研究中心、国家智能交通产业技术创新战略联盟、道路交通安全公安部重点实验室、无锡市滨湖区人民政府承办的“2015’第十届中国智能交通年会”于11月4日在无锡召开。

　　本届年会主题为“新技术背景下的智能交通创新与提升”，同济大学杨晓光教授在“智能交通创新发展论坛”上发表题为《复杂环境下城市道路信号交叉口交通优化控制技术及其应用》的演讲，本文为其演讲速记，未经演讲者本人审定。特此感谢中国智能交通协会提供演讲速记。

　　杨晓光：非常高兴今天有机会跟各位分享一下我们团队研究的成果。记得96年的时候，我当时做过一个调查，问一百个人，最后只有一个人知道智能交通这个概念。

　　我想简单的说一下，交叉口交通优化控制研究的背景也很简单，这些图大家都很熟知的，面对交通拥堵，交通人究竟做了些什么。我们长期以来在需求上面做了很多的文章，限牌限号等。但是我们能不能从供给以及供需关系这一端提升设施的利用效率来应对交通拥堵。中国交通有什么特点？那就是中国交通是混合交通，但我可以告诉大家，全世界的交通都是混合的，只有中国的交通可能是混乱，是混乱不是混合。

　　中国的路面交通太复杂了，我想世界上最先进的信号控制系统到这样的路口（图）也是没有办法的。这些路口到底怎么回事？是管理的问题吗？还有别的方方面面的问题。我想说的，可能有很多没搞清楚的问题，我们的研究是天大的小事。何为天大的小事？交通控制对智能交通来讲，是最核心的问题，昨天到现在，包括以后十年二十年，永远绕不过这个问题。交叉口对整个交通网络的控制，以前我们不是太重视，现在也是天大的小事。还有科学技术的应用也很重要。我们的问题是由这样一环环扣起来的。如果这些问题不解决，我们就没有办法去应对现在交通的拥堵。

　　一切大数据皆是小数据。还有一个问题，在事故的能耗上面，交叉口带来的一些灾难都是非常巨大的。因此我们能不能换一个思路，来改善交通。面向已经流入道路网络的交通流。无瓶颈化控制是改善道路交通之关键，既然流的进来，就要流的出去，为什么流的进来却流不出去呢？看上去是有交叉口，但就是因为一个交叉口堵了整个路段都堵了。所以说交通拥堵形成于交叉口，交叉口的问题是影响全局的核心核心问题。另外一个世界上有不同的统计（图），这些数据都是非常触目惊心的。如果疏忽了这个事情，这个问题不解决的话，我们永远没有大数据。一个小小的交叉口，首先是多模式，在一个交叉口可以有很多种交通流的存在；其次是所涉及到的要素，一个交叉口涉及到的结点、路径还有路线等诸多要素；再次是多目标，现在讲来讲去的控制，以为是解决了一个阻塞就行了。我们在北京做过一个研究计划，在崇文门区域有较多的交叉口拥堵，原因呢？我们进一步按照路径去分析，发现不同的路径导致这个节点的堵塞，所以要对一个交叉口拥堵进行改善的话，要怎样做呢？应该从这个一个节点，然后一步一步看到这个里面的深层次的问题，然后进行控制。所以这个所谓的线控、网控就大有不同了。复杂条件的交叉口优化控制的这些问题，实际上意义重大。在中国我们看到到处都是拥堵，我们就说交叉口的设施要复杂，形式多样，各种各样的设施都在这里聚集起来。这就是它的一方面。另外一方面交通流的构成复杂，在有限的空间里面要保证各种各样的交通流通过。但现在处理的不是很理想，没有很好的把这些因素考虑到。

　　现在交通控制的方式也很复杂。交通控制的对象原来仅仅是一般的汽车流，现在还有行人等等。我们不断采取了很多的测试，但是交通流之间的关系从来没有很好的弄清楚。还有一个是优化目标的多样性。当然我们进一步来看一看，实际上在中国，现在确实出现一个非常可悲的现象。刚才我非常高兴的，宝康的管博士讲很多城市用了很多不同的信号控制系统，统一的信号数据都拿不出来，我并不想去做过多的解读。只是八国联军曾经要做的事情没做到，现在都做到了，在信号控制里绝对做到了。现在每一年还有这么多的城市在不断的引进国外的信号控制系统，其在中国的使用效果极其不理想，没有达到应有的效果，反而造成更大的交通拥堵。问题是什么呢，交叉口信号控制问题，没有得到很好的解决，是控制系统常常失效和不成功的根本原因。在这个问题上面，我想说一点，我提出一个交叉口+的概念，几乎在交叉口这个问题上，从它跟交通的系统关系，交通的问题，交通的技术，交通的科学，交通的执法，几乎都有关系。然后把这里面的很多问题弄弄清楚。

　　另外一个问题：要想进行交通信号控制的话，控制的依据是什么？控制的基础是什么？核心的技术是什么？控制的系统是不是能够有相应的软件来真正支撑？在交叉口这个空间里面，实际上它们两两组合，就是我们经常遇到的那些，非常深不可测的问题，什么需求均衡，超饱和等等。最早的时候从1986年开始，在南京做了第一套控制系统我们跟踪到现在，也有将近30年了，在这个过程当中，我们不断的得到一些国家交通科技计划的支撑，也得到一些应用技术项目的支撑，我们围绕交通信号控制的依据问题，交通控制的基础问题，还有交通控制的一些核心技术以及软件，在一个大的板块上，进行全面的研究。作为控制的基础里面，针对不同的交叉口形式，以及交通流的不同构成，如何去解决这个交通优化控制的环境问题。还有一个就是对沟通控制的基础问题进行充分的分析。作为一个核心控制技术来讲，包括多方式的集成控制，常规的控制，非常规的一些控制，还有一些主动溢流、预防，还有变结构的特殊交叉口等等。我们主要有这样一些成果：一个就是搞清楚了交通交叉口问题的成因辨识，也就是说解决了一些难点和创新点。第一个是拥堵从何而来，如何演化，第二是交通为什么会混乱，第三交通量大是不是一定就等于拥堵。所以交通拥堵的演化路径我们搞清楚了，在任何一个地方的拥堵的话，首先要看看这个堵是从哪里来的，然后才来进行主动控制和交互控制等，如果没有这些分析，一切都要从头开始。

　　混合交通流的特征。实际上，我们以前更多的以为交警去管理交通就可以了，因此现在很多城市警力不够，警力不够的原因是什么呢？以这张图为例，静态的物理特性，动态的行驶特征等等，在交叉口信号灯刚起的时候，三种交通流，大家注意到这个行人自行车的反应时间基本为负的，按理说等于正，大家可想而知是什么原因。针对这个问题，我们分析清楚行人、自行车跟行驶环境的关系，并制定措施如何应对这种特点。

　　交叉口资源效能分析。交通口的资源效能分析，包括集合特征、运行方式和交通流量特征这几点，都是非常关键的。在中国，交叉口是不可控的，最根本的原因可能是人的问题，但是环境改造人，所以我们将传统的信号控制研究阶段向上延伸，提出了基于控制进行交叉口进行条件优化技术。这样就解决了一些问题。

　　交叉口无瓶颈化的设计问题。我们对一些错位交叉口，管连线，管车道，一揽子建立和信号控制的关系，彻底解决进的来，流的出。另外我们创新一点，首次提出了完整交叉口的概念，美国人早先提出一个完整道路的概念，我们对交叉口同样也是这样。因此在明晰交叉口范围内所有交通方式和所有流向的通行权进行优化，会更为完整。降低机动车和自行车之间的相互干扰影响，这里面有很多的具体的技术。

　　交叉口精细化设计技术，在这个有限的空间里面，可以说寸土必争，两秒必争。一个交叉口的话，有的时候堵的就那么一点点，但一根稻草压死人，实际上交通堵的时候，就是那一点点堵，然后就彻底崩溃掉了。所交叉口的模式、视距、进出口车道数、宽度，要统统的进行优化设计。这里面的难点是一些城市在非机动化时代建设的一些道路，如何把这些道路不断的优化改善。另外我们对这个问题，形成一些静态的设施和动态的控制进行很好的耦合，从集成控制和主动控制反过来提出一些解决办法。交叉口的拥堵，不是在一个交叉口上了，周边的交叉口，任何一个关联性很强的交叉口堵塞，另外一个交叉口一定会感冒的。

　　从网络层面可以解决一些什么问题呢，就是将空间的安排和实时的控制进行互为关联。特别是以路径为背景来设计和进行信号控制。具体来说，我们对这个交叉口针对机动车辆和公交集成在一起，进行信号的优化配置。再一个问题是变结构控制，我们注意到现在在国内某些城市已经出现了两根停车线，还有动车道功能，我们以前是车道功能给它动了，但是其他的交通流的关系并没有解释清楚。

　　交叉口非常规控制。也就是说我们针对这个交叉口里这么复杂的一些现象，对自行车进行早启动，机动车的停车线前移后移等等这些一些特殊交叉口的控制。

　　另外一个问题就是把时空粘合在一起，形成一个控制软件，实现一个很好的关于交通行为的微观参数的研究和标定的平台。

　　最后我们实施的效果应该是非常可喜的，我们在全国50多个城市进行了资源整合和综合的优化控制的实验。其中几个在国内乃至国外都有很好的反响，我们彻底改变了环型交叉口一堵就拆的问题。这些成果已经写上了住建部即将要推出来的城市交通设计导则，以及上海的地方标准。另外这是第一本中国人写的专著次被洋人主动翻译成英文的。

　　（图）这是我们在全国各地应用的一些情况，我非常高兴也得到包括马老师在内的几位专家的推荐和认可。

　　以上是我的汇报，时间到了，谢谢大家。

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