城市交通控制研究的新发展

信息时间：2015-11-18 信息来源：

摘要：介绍了发达国家及中国的智能交通的发展现状，重点对智能交通系统重要分支－信号控制系统作了详细的介绍，最后预测了未来信号控制系统的发展方向，以及中国未来的交通控制系统模式。

关键词 城市交通控制 智能交通 交通信号控制 

引言

在本世纪的曙光刚到来之际，欧美等发达国家提出了塑造全新的数字化城市的设想，其概念主要是以数字化信息通信业务为基础建立起新的城市模型用来适应信息时代的发展和要求。城市交通作为城市组成最重要的一部分，建立城市智能交通系统（UITS）是数字化城市发展的必然。随着计算机技术、网络技术、通讯技术的飞速发展，这个世界已经步入信息时代，人们的生活方式也发生了巨大的变化，作为社会的政治、经济、文化中心，城市的节奏越来越快，而原有交通模式下的交通系统已经形成城市发展中木桶理论的“短板效应”，所以城市交通拥挤已日趋全球化，目前美国每年因此导致的损失达2370亿美元[1]，而我国国内百万人以上的大城市每年由交通拥塞造成的直接间接经济损失约计1600亿元，相当于国内生产总值的3.2％[2]，至于交通拥塞给社会带来的其它负面影响更是难以估量。而大城市新建和扩建道路的可能性受空间制约也越来越小，因此从交通控制设备的软硬件入手对交通流进行科学的组织和管理，充分发挥现有交通网络的通行潜力，最大程度上使交通流做到有序流动成为解决交通拥塞的主要方法，城市智能交通系统正是这样的必然。

1. 智能交通系统

八十年代以来，发达国家的运输领域进入了一个崭新的研究阶段，即美国、日本、加拿大、英国、德国等正在全力研究的“智能运输系统”（ITS，Intelligent Transportation Systems）。在1994年以前，发达国家称ITS为“智能车辆道路系统（IVHS，Intelligent Vehicle Highway Systems）”，后因研究内容的发展和扩大，改称为智能运输系统[3]。它是目前国际公认的解决城市以及高速公路交通拥挤和提高行车安全的最佳运输措施，也是全世界交通运输领域研究的前沿问题。一般认为，ITS包括以下几个方面[3]：ATMS，先进交通管理系统，包括交通信号控制系统及汽车公路收费系统等；ATIS，先进旅行信息系统；AVCSS，先进车辆控制和安全系统，包括驾驶员辅助驾驶和汽车的自动驾驶；CVO，商用车辆运用系统，包括物流系统和载货车等商用车的车队控制及其信息系统；APTS，先进公共交通系统；ARTS，先进地域交通系统，专门针对人口稀少地区的ITS系统；AHS，自动化高速公路系统，即汽车自动驾驶公路系统。

自问世以来，ITS极大的改变了各国的交通现状。例如美国交通部智能交通联合计划办公室(U.S.DOT ITS JPO)1994-1999年之间的统计数据表明[4]：采用自适应智能交通信号控制系统，能够大大减少交通事故，保证行车安全，停车时间减少20%以上，路程耗费时间节省8%-20%，交叉路口处撞车事故减少20%-43%，交通流速度加快，大大减少了废气排量，有助于环境保护；采用电子自动记费系统：可以减少大约43%劳动力，道路维修费用减少大约14%，能够减少道路修建费用投资，减缓道路行车压力和负担。因此，全球各国都在积极发展自己的智能交通系统，以期可以改变国内的交通状况，使之更好的为人类服务。

1.1 美国、欧洲及日本等国的智能交通

下面介绍美国、欧洲、日本等在智能交通发展方面具有代表性的国家或地区的智能交通发展状况。

1985年欧洲从电子信息技术在交通领域的应用开始介入的研究ITS，并制定了“最有效最安全的欧洲交通系统发展计划”（PROMETHEUS）[5]。PROMETHEUS计划最早由奔驰汽车公司提出，后联合其他家汽车公司，确定了四个基础研究开发领域和三个应用研究领域。PROMETHEUS计划1994年完成后，从1995年开始新的研究计划(PRCMOTE)[5]，研究对象包括全交通方式。与PROMETHEUS计划同时还制定了以道路基础设施的研究开发为主体的DRIVE计划[3]，安排了72个项目，包括相关交通的很多方面。在1994年取得一定成果之后，进而完成了DRIVEⅡ研究计划。欧洲在1994到1998年又开始了T-TAP的研究，内容涉及到全交通方式。TEN-T是1995年到1999年欧盟委员会推进的以实现多方式信息服务为目的的横贯欧洲交通信息服务网络，这是欧洲ITS持续发展的关键所在。

美国以加利福尼亚的PATH项目为开端，80年代末开始实施全美大规模的ITS项目。1985年以后，美国智能车―路系统（IVHS）从准备阶段向大力发展阶段过渡，先后进行了电子收费（ETC）系统试验，研究制定美国汽车导航标准。1986年开始的名为PATH的综合性研究计划，是美国第一个把汽车导航与交通信息系统集成在一起的公路实际运营试验项目[5]。继PATH之后，1997年，美国在加州实施了一个“自动公路系统（AHS）现场试验和演示项目”，在现有道路骨架基础上，利用先进技术以提高安全性、畅通性和旅行质量。90年代，美国开始对先进的交通信息系统(ATMS)和先进的旅行信息系统(ATIS)进行综合研究，例如洛杉矶的“开拓者”（Pathfinder），芝加哥的“超越”（Advance），不仅向驾驶员提供道路信息，同时也提供旅馆和饭店等信息。美国同时在AVCSS和CVO方面也进行了综合研究。

    日本在1985年开始研究道路汽车通讯系统（RACS），1989年将9个不同的车载导航系统与无线电传输连在一起作试验并在建设省的指导下负责提供日本标准化数字化道路地图[3]。1987年警察厅又与建设省，邮电省共同开展了VICS的研究项目，VICS选择了调频载波（FM）和微波信道以及远程终端的方案，并在警察厅研究的基础上又加上光学信道作为第四种通讯媒介。1991年警察厅着手开发交通管理系统（UTMS），开发了一种新的远红外车辆检测器[3]。2000年，日本的智能交通的重点在于，推进道路通讯设施（VICS）建设，推广自动收费系统（ETC），对汽车行走支援系统（AHS）验证等[6]。

英国智能交通以1974年累斯特市计算机交通信号控制系统，即后来所称的市区交通控制系统(UTC)的投入使用为标志。其后的几年，类似的系统在许多城市推广使用，推动当时的交通部制定颁布了有关UTC系统的技术标准。到1985年UTC已在英国所有城市推广使用。其后，UTC逐渐发展为符合现代理念的市区交通管理控制(UTMC)系统。[7]

除了欧、美、日以外，新兴的工业国家和发展中国家也开始了智能运输系统的全面开发和研究，如韩国由交通部牵头制定了全面的智能运输系统框架结构和发展计划，新加坡已经在全国开始推行不停车电子收费，中东的一些国家也开始讨论本国智能运输系统的研究计划。

1.2 中国智能交通发展情况

我国ITS的发展现状。为推动我国ITS的开发与应用，政府有关部门和科研单位陆续开展过一系列相关研究，并取得了许多阶段性成果。

70年代中期至80年代初，理论研究重点围绕交通流理论、交通工程学、城市路口自动控制数学模型等工作展开，技术开发包括点、线、面控计算机软件、北京前三门交通控制试验系统、天津线控、面控试验系统、信号机、检测器的开发等。[8]

80年代中期至90年代初，公路系统的ITS理论研究主要有高速公路监控系统数据模型、交通堵塞自动判断模型、标志和标线视认性研究，驾驶心理研究等；开发应用包括天津疏港公路交通工程技术研究（通信、监控、安全设施），可变情报板、可变限速标志、通信适配器、通信控制器、紧急电话的研制，广佛高速公路监控系统、交通和气象数据采集设备的研制、电子收费系统和不停车收费的试验，以及交通工程ＣＡＤ等。在此期间，城市交通控制系统如信号控制、电视监控、１２２报警中心、交通信息管理和交通电台等系统开始在部分大中城市建立。[8]

90年代中期至上世纪末，有关部门正在组织我国ITS发展战略研究，主要包括GIS在公路信息系统中的应用研究与开发、运输网络系统关键技术研究等重要科研项目。国内许多地方陆续开始的有关ITS科研项目总计超过100项，内容涉及先进的交通控制和管理、信息系统、通信系统、电子收费、环保和规划、运输管理体制等许多领域，如上海交通枢纽的综合协调规划和智能化发展研究，北京市海淀区与国外合作开展的城市交通卫星定位系统开发项目，北京市公共交通智能化调度系统开发等。[8]

为推动中国ITS的发展，2000年2月29日，科技部会同国家计委、经贸委、公安部、交通部、铁道部、建设部、信息产业部等部委相关性部门的充分协商和酝酿的基础上，建立了发展中国ITS的政府协调领导机构――全国智能运输系统（ITS）协调指导小组及办公室，并成立了ITS专家咨询委员会。ITS小组及办公室将指导中国以后的ITS的发展。目前，我国建立并开始使用的智能交通系统有，对信号的交通控制系统、交通监控系统、基于网络信息的交通管理系统、交通疏导系统、交通安全报警系统、闯红灯检测系统、电子收费系统等。[5]

2. 智能交通信号控制系统

信号控制系统是最早采用计算机控制的实用化ITS分支系统[3]。1868年英国伦敦首次使用燃汽色灯信号来控制单个交通路口[9]，这是人类首次使用非手工的方式来控制道路的交通。之后交通信号机又经历了几十年的发展，到1963年加拿大多伦多市建立了一套使用IBM650型计算机的集中协调感应控制信号系统，实现了1000多个交通路口的联网控制，标志着城市道路交通信号控制系统的发展进入了一个新的阶段。之后，美国、英国、前联邦德国、日本、澳大利亚等国家相继建成数字电子计算机区域交通控制系统，这种系统一般还配备交通监视系统组成交通管制中心。到目前为止，世界上已有300多个大城市采用了先进的区域自适应式交通信号控制系统（TASCS，Traffic Adaptive Signal Control System，俗称交通面控系统），我国也有沈阳、北京、西安、上海、南京、广州、深圳、长春、哈尔滨、大连等十几个城市采用这种先进的交通控制手段。

2.1 发达国家的交通信号控制系统

当前世界各国广泛使用的最具代表性且有实效的城市道路交通信号控制系统有英国TRANSYT[10]与SCOOTS[12]交通控制系统和澳大利亚的SCATS[11]系统。下面就它们做一简单的介绍。

TRANSYT是由英国道路研究所花费近十年时间研制成功的控制系统，经过不断改进，已发展到TRANSYT―8型，被世界400多个城市采用，是最成功的静态系统。其不足是：计算量大；不对周期进行优化；离线优化，需要大量的路网几何、交通流数据。

SCAT（Sydney Coordinated Adaptive Traffic Method）系统是澳大利亚于70年代末开发的。SCAT系统呈分层递阶形式，充分体现了计算机网络技术的突出优点，结构易于更改，控制方案较为容易变换。不足是：实际上是一种方案选择系统，限制了配时参数的优化程度；过分依赖计算机硬件，移植能力差；

SCOOT系统也是由英国道路研究所在TRANSYT系统的基础上采用自适应控制方式，经过八年的研究于1980年提出的动态交通控制系统。SCOOT仍采用了TRANSYT的交通模型，吸收了TRANSYT各方面的优点，并因SCOOT的实时控制，获得了明显优于静态系统的效果，被很多国家采用。其不足是：相位不能自动增减，任何路口只能有固定的相序；独立的控制子区的划分不能自动完成，只能人工完成。

在信号机的发展历程中，自适应理论一直受到各研究机构的欢迎，比如上面所述的SCATS以及SCOOT系统。最近几年，国外仍偏向于引进自适应理论来对交通信号控制系统进行研制，特别是美国有十几个大学或研制机构正在研制自适应交通信号控制系统并且形成了一个组织TRB Workshop on Adaptive Traffic Signal Control System。具有代表性的有美国亚利桑那大学研制的RHODES（Traffic-adaptive control system），由三层控制机构组成[13]。由LADOT(Los Angeles Department of Transportation 洛衫矶交通局)开发的基于PC机的实时 Adaptive Traffic Control System (ATCS) ，除了优化相关的参数外，还有对单个路口、主要干道以及区域的过饱和控制，对公交车的优先控制[14]。OPAC(Optimized Polices for Adaptive Control)实时控制系统，采用了一种虚拟定周期技术（Virtual Fixed Cycle），给定一个周期范围，系统可以实时的根据实际情况自动改变[15]。

2.2 中国交通信号控制系统发展现状

我国的城市交通控制系统发展的比较晚，七十年代北京市采用DJS－130型计算机对干道协调控制进行了研究。八十年代以来，国家一方面进行以改善城市中心交通为核心的UTSM技术研究；另一方面采取引进与开发相结合的方针，建立了一些城市道路交通控制系统。比如北京使用的交通信号控制系统主要是简易单点信号机、MSKE－20型处理器路口信号机（属于TRANSYT系统）和T-200MK2型路口信号机（属于SCOOT系统）。这些信号系统在北京的运行取得了满意的效果，但是我国的人文地理等方面决定了我国的国情具有特殊性，交通状况与国外也有较大的差距。因此需要开发适合我国交通现状的信号控制器。令人高兴的是，国内已经有很多的研究所或大学或公司开发了微机化、模块化的信号控制系统，比如由我们西北工业大学空中交通管理研究所研制与开发的XATM系列智能交通信号机、由深圳市英特利信息技术有限公司开发的ARGUS交通信号控制系统、由杭州美伦电声有限公司开发的ML-TC04交通信号机等，这些信号控制系统都采用了多相位、多时断控制方式，克服了早期信号机简单的两相位、单时段控制带来的不灵活性等缺点，在功能方面也增加了不少，比如XATM系列智能交通信号机，在控制模式、应急方案、硬件事故检测与保护、联网功能、软件人机界面、控制优化算法等方面都比早期的信号机有了较大的提高。

3. 未来的交通信号控制的研究

城市街道网络上的交通容量的不断增加，表明车辆对道路容量的要求仍然很高，短期内还不可能改变。自从开始使用计算机控制系统后，不管在控制硬件里取得什么样的实际进展，交通控制领域的控制逻辑方面始终没能取得重大突破。可以肯定的说，对于减轻交通拥塞及其副作用