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张福生:信控发展趋势几点思考

2020-11-13

来源 : 赛文交通网

作者 : 张福生

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交通信号控制行业产品技术发展进入了一个瓶颈期,新需求、新场景不断涌现,技术、标准、产品面临全面挑战。如何解决这些问题?北方工业大学智能交通控制技术北京市重点实验室研究员张福生提出了几点信控发展趋势思考:信控设备成为道路智能基础设施、硬件设施趋向兼容、场景与服务产生价值。

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以下为张福生演讲实录,经赛文交通网编辑整理,有删减。

2017年,在赛文交通网的信控年会上,我做过一个报告题目是《网络与计算融合的交通控制》,预测未来交通信号控制发展的主要方向将是“计算+网络+控制”的融合。

几年过去了,交通信号控制领域相关产品与技术进入了瓶颈期,行业需求寄希望于下一代产品,但是对下一代产品的形态、功能、技术方向等还没有明确的共识。

随着车路协同、自动驾驶、5G等新技术的诞生,更多的新需求、新场景也不断涌现,传统信控领域的技术、方法、产品、标准面临着全面挑战。

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概括总结这些挑战与困境:

  • 复杂多样的控制需求与控制方法、控制规则单一的矛盾;

  • 多样的交通场景与交通感知缺乏,尤其是对复杂交通场景的感知能力缺乏的矛盾;

  • 大量实时交通数据与实时数据处理算力不足的矛盾,大量数据产生后,需要将数据推送到中心端,过度依赖云端运算造成无法响应交通现场实时需求变化;

  • 多变的交通需求与无法灵活定义的僵化的控制方法之间的矛盾;

  • 不断出现的外围设备、控制需求带来的简单设备堆叠式扩展的混乱;

  • 面向车路协同、自动驾驶的高可靠、高实时控制需求,控制设备不具备多任务处理能力、能源消耗高、控制时间粒度粗糙。

举一个例子,城市路口越来越多的设备接入到信号机,信号机箱内接入了视频检测、GPS授时、地磁检测、电子警察等等各类接口设备,已经不堪重负,这种情况对控制效果、运维管理等方面都带来了很多问题。

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如何解决这些问题?我从几个零散的点做了一点思考,供业内同行共享。

第一,未来交通信号控制设备将不再是单一的信号灯控制设备,而应该是以路口为中心的一体化智能节点,负责完成路口综合交通管控任务。包括交通数据采集、综合感知、网络汇聚、数据存储、具备算力实现路口及周边小区域级别的交通优化控制、车路协同交互、路口能源供给、交通信息发布、交通设施能源管理等等。

实现这些功能,传统解决方案是以设备简单堆叠的方式实现,下一代交通信号控制器要能够提供一体化解决方案,涵盖这些功能,实现一体化智能节点方式取代现有交通信号控制设备的目标。

第二,传统交通信号控制采用的一灯一线、一设备一连接的方式,这种方式会造成工程成本剧增,前端设备管理复杂,运维管理困难。随着前端设备智能化,将会演变成网络总线连接方式,极大地简化系统之间的连接。以控制器为核心,形成微型网络,覆盖路口及周边小区域的交通设施,系统连接将演变成网络总线连接方式。

要实现这一目标,需要引进成熟的工业总线技术、定义交通控制现场总线标准;同时完善提高现有交通控制领域标准体系也至关重要,对网络环境下的冲突检测、控制安全等方面都要进行进一步的深入研究。

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第三,交通信号控制产品采用安全低电压模式将是未来发展趋势。低压交通控制模式可以极大提高交通设施用电安全。同时可以通过整合交通控制相关设施的供电方式,未来交通信号控制器将成为以路口为中心的能源中心、设备管理中心,只有这样才能实现全部交通控制设施的统一运维、统一远程管理。

当然,目前的交通设施简单进行低压处理还存在很多问题,以交通信号灯为例,一组灯功率平均15—20瓦,如果降低电压到40V,电流需要提高5倍,以现有的电缆环境会产生太大的压降,因此基础条件无法满足应用,解决这个问题最基本的方法就是降低前端用电设备能耗。

近几年,在欧洲已经出现大量低能耗交通产品,如西门子推出的节能灯具将信号灯具功耗降到1瓦,常规一个16灯组路口年灯具耗电约2500度,中等以上城市信号灯每年电费可节省200万以上。

第四,系统安全防护应引起足够重视,每一个交通信号控制机作为网络的一个节点,这个网络分布于整个城市。传统的安全管理,通常解决办法是对人的安全管理,比如人员身份认证,通信加密等。但是对于交通信号控制系统来说,最大的安全问题往往来自于设备的身份认证,也就是说这张网络里面的哪些设备是允许接入的,一旦接入之后,设备有没有被替换、被冒用等,这些都需要研究解决。

交通信号控制系统覆盖整个城市运转,一旦控制系统出现问题,不仅关乎生命财产安全,更关乎社会安全和国家安全。人员身份认证、设备身份认证、基础通信协议加密处理、防窃听、防篡改、防盗用以及相关认证技术,区块链技术在这个领域里面都会得到一些深入应用。

第五,系统健康管理与运维,交通控制对运维质量和系统健康保障有很高的要求,一旦交通控制系统出现问题,会影响一条路,甚至是一个区域的交通运行。目前存在的问题是,几乎所有控制系统与运维管理全部共网运行,也就是说健康管理全部依赖于现有的控制网络,若控制网络瘫痪了,运维监测也将陷入瘫痪。

未来的运营系统和交通信号控制系统,一定要具备独立的健康诊断网络。通过将前端所有设备由非智能化变成智能化设备、IP化,利用物联网技术,实现设备运行状态的全天候监控与管理。

第六,关于开源和开放。四年前,我曾经提出过一个愿景,未来的交通信号控制领域的发展可能会走向“硬件免费,软件开源”。几年过去了,这个目标还没有实现,我认为开源的本质不是代码开放,而是知识开放,只有在知识开放的基础上形成行业共识才能真正实现代码共享。

要实现这个目标,首先是行业基本概念、方法高度共识;其二要在硬件上高度集成化、标准化、兼容;其三是通信协议日益完善标准。

第七,关于控制实时性,目前行业内提到信号控制都在谈配时方案优化,这是个误区,控制优化不仅仅是配时方案,优化的粒度不能以方案为单位。未来随着车路协同、自动驾驶等时代到来,很多的信号控制与优化的目标已经不能用周期来衡量,控制时间粒度由“周期”到“秒”,甚至到“百毫秒”级别。

第八,系统结构变化,网络结构将由传统树状结构变成扁平化、网络化、虚拟化结构;相关领域的研究成果后续会另行发表。

第九,控制模式变化,传统的控制模式包括方案协调、感应控制、中心控制等等。协同控制模式是未来的发展趋势,包括共享检测数据、共享分场景、协商优化方案、协同联动控制、交叉状态监控、故障控制接管、控制效果综合评价等都会有一些新的控制方法。相关领域我们实验室做了很多研究,有关成果我们也会陆续发布。

第十,控制对象,传统交通信号控制的核心是时间控制;随着短时潮汐车道等控制方式的出现,控制对象也发生了变化,从时间控制到空间控制,甚至是宏观的时空统一控制将是主要方向。

最后一点是行业标准,标准滞后一直是行业发展的困境,国内交通控制领域太多标准之间存在矛盾,如何统一基本术语、基本概念是个重要课题,参考欧洲美国标准,我们有很多基本交通设计语言、基本评价指标没有达成一致。我个人的思考是要把最基本的概念,最基本的方法、最基本的参数以及最基本的控制模式进行统一。

标准方面,我一直的观点是要站在巨人的肩膀上,引入通信、控制、电气领域成熟的标准和规范,并在此基础上专注于交通控制领域,形成统一的交通控制行业的标准。未来可以有中国交通领域自己的类似MUTCD、STM等等系列标准、手册,我自己也一直在做相关的深入研究,未来会以研究报告的形式发布。

交通在发展,交通控制在发展,未来可期。

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