一、城市交通控制系统百年

    发展历程

    随着城市化进程的逐步加快，城市交通问题已经成为中国各大城市共同面对的难题。越来越多的现象表明，城市交通拥挤往往突出表现在城市道路交叉口处，很多平面交叉口的通行能力不足相关路段的平均通行能力的50%。因此，道路资源充分利用与否的关键是交叉口资源的利用。作为ITS的一个子系统的城市交通控制系统（Urban Traffic Control System, UTCS）的研究，也就成为是否能够最大限度地发挥交叉口的通行能力、缓解城市交通拥挤问题的重要的、有效的和经济的解决途径，引起了国内外众多研究机构的关注。

    UTCS是为方便各种冲突车流分时使用交叉路口和避免发生交通事故而发生和发展起来的。从1868年至今，UTCS的研究经历了百余年的发展历程：
1868年，英国在伦敦WestMinster地区安装了世界上第一台交通信号灯，揭开了城市交通信号灯控制的序幕，人类的交通从此结束了无序的历史。当时的信号灯采用红绿两色的煤气照明灯，仅限于夜间使用。

    1918年，美国在盐湖城建成了第一个使主干线上各个信号灯基于“绿波思想”同步运作的互联信号系统。与此同时，信号灯也改进为白天晚上皆可运行的电气照明三色信号灯。

    1926年，英国在沃尔佛汉普顿第一次安装和使用自动化的控制器来控制交通信号，标志着城市交通自动控制的开始。鉴于当时的信号灯主要采用机电设备连锁的定周期控制方式，因此，数据处理功能有限，信号灯之间的协作也较少。

    1952年，美国科罗拉多州丹佛市首次利用模拟计算机和交通检测器实现了交通信号灯的实用化，并成为世界上第一个具有电子数字计算机城市交通控制系统的城市。伴随着计算机的发展和推广使用，城市交通信号控制系统得到了迅速的发展。人们认识到，要更好地提高城市交通管理水平，不仅仅依靠硬件设备的更新和改进，还必须同时在控制逻辑和方法上有所突破。

    因此，随之而来的英国运输与道路实验室（TRRL）基于TRANSYT（TRAffic Network StudY Tool）方法开发的SCOOT（Split, Cycle, Offset Optimization Technique）和澳大利亚设计的基于配时方案实时选择方法来实现路网协调控制的SCATS（Sydney Coordinated Adaptive Traffic System）成为世界上两个最优秀的城市交通信号控制系统。

    除了在技术和功能上得到增强和完善，而且直至今日仍在不断升级的SCOOT和SCATS系统以外，许多新一代城市交通控制系统也相继推出并投入应用。

    二、新一代城市交通控制系统

    随着现代科技的进步，人工智能技术、现代控制理论、计算机技术等广泛应用于新一代城市交通控制系统的设计与开发中。

    1、RT-TRACS

    美国的RT-TRACS（Real-Time-TRaffic Adaptive Control System）系统，是N.H.Gartner等依据美国联邦公路局UTCS项目研究开发过程中交通信号控制策略的更新和演变以及各种策略的性能特征而提出的，具有多层结构交通控制系统，支持系统基于路网和交通特征来选取具有最大效益以及最大化系统性能的控制策略，并提供各种程度的响应级别。需要指出的是，该多层体系结构中，每层都具有自己的特征，且上层策略可以嵌入方式吸收其下层策略协作进行，从而方便系统进行正式开发和灵活响应、选取不同的控制策略；其最高层采用人工智能技术中的专家系统针对具体局部路况条件（包括信号状态、路网特征和实时交通流模式）选取适当的最优控制策略。当前，RT-TRACS已经开始成为美国各大城市交通信号控制系统的主流，并在全美推广实施。

    2、STREAM

    日本的STREAM（Strategic REAl time control for Megalopolis-traffic）系统，是根据城市交通系统的规模复杂性特征和传统模型局限性造成的不同的控制方式或策略各有所长的特点，采取综合运用多种策略并依据“适时适地适当方式”原则，实现交通信号系统内部集成的办法来寻求最优控制。

    3、MOTION

    德国的MOTION（Method for the Optimization of Traffic signals In On-line controlLED Network）系统，则是基于递阶分层控制和模块化结构的控制系统，其战略层通过对公共交通赋予相对私人交通较高的权值来体现公交优先的思想，并可根据实施绝对优先、相对优先和拒绝优先等三种不同的优先管理方式，另外还引入了路口和路网两级事件识别机制。

    4、HT-UTCS

    HT-UTCS系统是我国自行研制开发的第一个实时自适应城市交通控制系统，是“七五”和“八五”国家重点攻关项目成果，获得国家科技进步三等奖。在投入使用的10年内，系统应用软件、设备作了五次重大改进。现该系统的软件和设备均已定型，并推广使用。

    系统通常采用两级控制结构：区域控制级和路口控制级。如需进行区域扩充，为对区域级进行协调控制可增设中央控制级，从而构成三级分布递阶控制结构。系统设计容量：一个区为一个基本单元，控制64个信号交叉口；系统控制区域数16个。系统设置了实时自适应、固定配时和单点三种工作方式，还具有警卫、消防、救护等优先绿波带和人工指定功能，工作方式灵活，功能完备。

    三、城市交通控制系统的

    发展趋势

    1、城市交通主动智能控制集成系统的提出

    国家重点基础研究规划（973）项目“信息技术与高性能软件”中设立的二级课题“城市交通监控系统”，结合我国城市交通发展的特点，确定了建立实时自适应的城市道路智能交通信号控制系统的智能化管理的发展方向。

    按照控制思想来划分，城市交通控制系统，可分为被动式控制和主动式控制两种。目前既有的城市交通控制系统基本上都属于被动式控制，即无论是从集合特性分的点、线、面的控制还是按照控制原理划分的定时、感应和自适应控制，其控制思想是以在道路上的交通（车辆或人）为主体，通过事先人工调查或实时自动检测的方法，了解其变化规律和实时状态，在此基础上选取适当的控制方案（或控制参数）或联机实时生成控制方案（或控制参数）控制信号变化，使之适应交通的需求。从表面上看，交通是受信号指挥的，而实质上交通信号是根据交通需求的变化而变化的，也就是说交通信号是被动式地控制交通流的变化。

    从系统设计的根本出发点来看，适应式城市交通控制系统更多的是从如何去适应交通流的方向来考虑，体现的更多的是被动控制的思想；而主动智能控制体现的却是从系统的主动性思维，希望采取积极的主动控制策略来控制或减少不希望的事件或现象的发生。

    从图中可看到，该系统是以城市交通控制为核心，将与其紧密相关的诱导系统与预警系统进行集成，从而更好地实现城市交通智能化管理的目标。该系统主要实现的功能，包括及早发现交通事件或者由于其它客观原因将要发生拥堵的路段，并同时与诱导系统与控制系统相结合，从而可以提高交通疏导的效率，降低由于交通不畅带来的各种损失。

    2、开放式交通信号控制系统的产生

    在传统的城市交通控制领域，交通信号控制机通信协议的封闭性阻碍了开放式交通控制系统的实施，也使得城市交通管理部门通过竞争机制购置交通信号控制机变得束手无策。由于城市交通控制系统对通信带宽的要求相对较低，从理论上来说通信系统的费用应在整个系统中所占比例也较低，但在实际落实中这一比例仍然很高，大量投资用在电缆敷设和通信线路租用费上。针对传统交通控制系统中存在的问题，加拿大DELCAN公司推出了全新的城市交通工程设计理念——“开放式交通信号控制系统（CTCS）”，该系统为在交通信号控制机的通信接口实行标准化前，通过低成本的通信设备来连接系统中不同制造商生产的各种设备，包括中国制造的交通信号控制机。

    在系统的开发过程中，为使CTCS支持多种通信协议和接口，开发的重点是如何充分利用现场控制机。按照传统的集成方法，中央控制系统或现场主控制机通过同步脉冲、强制停机、让道、停止配时及信号优先等指令直接控制当地的路口控制器。而CTCS的设计则允许当地控制器控制路口的排序和配时。各路口通过“按时间协调”的方法（信号灯以时间同步的串联方法）进行协调，每个控制机的内部时钟都按照CTCS的要求与主机时钟同步。每个控制机都有几个配时计划，其格式和数量因控制机型号而异。当CTCS按交通感应模式进行管理时，系统是以每日的时间段和实际的交通状况为基础选择配时计划。如果某组路口CTCS没有按交通感应模式进行管理，那么控制机则按时间协调方式，以内部的每日时间段为基础运行。在设计过程中，CTCS只考虑了如何更新时间计划和安排，它不能调整最小量或其它与安全相关的参数。路口的安全运行是由含标准设置和软件的标准控制机的可靠运行决定的。为了使CTCS按交通感应模式运行，各控制器需要指定地点的综合交通数据，这些实时的交通数据将由连接到控制机上的车辆检测器提供，控制机将数据汇总并转发给CTCS。CTCS运用这些数据选择交通计划并产生新的最佳交通计划。

    目前，CTCS已成功地应用在加拿大安大略省多伦多市北部的约克区。在该区，CTCS结合租用的通信线路和扩频无线设备，与三家交通控制机制造商生产的七个型号的交通现场控制机通信。这表明，即使通信接口没有标准化，在一套含低成本通信设备的系统中，各种不同制造商生产的交通信号控制器也能相互联系。如果系统设计合理，扩频无线设备甚至可在未经许可的波段上使用。

    3、城市高架与平面交通控制系统的一体化

    城市高架道路已经成为解决城市内部交通的一个重要手段与途径，其对改善城市交通状况的作用已得到普遍认同。目前我国高架道路信号控制上主要工作是车流状况检测和诱导，作为高速干道，没有周期性转换交通信号的必要；平面交通将交通信号作为主要手段，使某一区域的交通控制做到自相适应，协调控制。从表面上看来，平面与高架分别自成系统，相互独立，在信号控制上没有任何直接联系，但实际上，高架道路往往位于交通繁忙路段上，交通流相互间的制约性很强，特别是对匝道的影响，直接关系到该路段交通的畅通。特别是下匝道对最临近路口的影响，需要辅助信号控制系统，根据各个方向的具体交通流量，进行分流与控制。

    4、基于轨道交通优先的城市交通控制系统

    轨道交通以其无污染、低噪音、低功耗、运营准时等优点，成为城市公共交通的重要发展方向。目前的轨道交通多是以高架或者地下为主，较少考虑平面交叉。随着轨道交通的普及，平面交叉的轨道交通因其在环保等多方面，特别是在对既有城市景观的影响上表现出来的优势而倍受青睐。加拿大的多伦多、英国的曼彻斯特、瑞士的日内瓦和苏黎士等城市都有发达的平面交叉轨道交通系统，主要集中在城市的中心区，负担较高的客运量，提供便捷的换乘服务。

    基于轨道交通优先的交通信号控制系统的设计原则，是为了改善道路通行秩序，提高轨道交通的行驶速度，减少区间停车次数，提高旅客舒适度。即保证平面交叉的轨道交通的运行效率不低于采用高架或地下的完全处于封闭式的轨道交通的运行效率，因此需要采用基于轨道交通优先的城市交通控制策略，实现优先控制方案，需要合理设计影响轻轨运行的各种参数，包括信号灯绿灯开放时间、路口渠化、车辆折返点和车站设置、站点停车时间、车输间隔时间设定等。同时对于高峰期，需要实施特殊“绿波”，并结合路口渠化和车站设计，可以进一步缩短轨道交通的运行时间，提高轨道交通的运行速度。

    目前该控制模式已经在大连市得到实施。大连市轻型轨道优先交通信号控制系统投入使用后，使轻轨的平均停车次数减少，运行的正点率提高，服务水平也因此而得到广大市民的普遍认同，客流量大幅度提高。与此同时，由于轻轨试验线路运行环境的美化和平面轨道交通的独特性，吸引了大量的外地游客乘坐轻轨前往大连西部的旅游胜地，取得了明显的经济效益和社会效益。

    四、结束语

    城市交通控制系统，是一个专业性较强的综合性应用系统，解决的是我们日常生活中最直接的基本问题，其实施的好与坏直接接受广大交通参与者的检验，因此可以说城市交通控制系统是智能交通领域的一个重要应用窗口。相信随着现代科技的飞速发展，以及人们对交通控制领域的认识的逐步深入与不断完善，城市交通控制系统必将会趋于智能化与现代化方向发展。