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交通信号控制的试金石 | 张福生:正确认识感应控制

2022-03-03

来源 : 赛文交通网

作者 : 张福生

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过去几年,信号控制可算是智能交通行业中“风口浪尖”的领域了,无论深耕行业多年的“传统”企业,还是刚刚进入行业的“新兴”企业,都试图在信号控制上寻求突破,几年下来,新名词、新方法、新模式层出不穷。但是,几年下来从实际应用效果上看似乎进入了一个疲劳期,下一步应该怎么做,技术如何演进,产品如何升级,用户需求如何进一步响应,似乎都进入了一个瓶颈与迷茫期。

我以为,与其不断“创新”不如从传统的经典的方法中找找灵感,传统的经典的方法中有一些 “祖传秘方”,这其中感应控制也许算一个。

在各种交通信号控制模式中,感应控制是一种十分“古老”方法,也是被误解最多的控制方式,包括对这种控制模式中的基本概念、基本方法、衍生应用、产品实现、工程应用等等都存在很多误解。因此在实际应用中很容易陷入 “一看就会、一做就错”的怪圈。

在对感应控制的认知中,有几种常见的误解:

一种观点认为感应控制很简单,不过是根据交通检测请求启动相位,再根据车辆到达情况增加时间而已;

另一种观点认为感应控制太脆弱、太复杂,过分依赖检测器数据,无法保障运行持续可靠;

还有更可笑的,很多商业宣传中把感应控制方法进行各种话术包装,甚至打上了“自适应”、“人工智能”的标签,神话成了无所不能的创新;而一些单一功能的简单场景应用,如流行一时的“溢出控制”、“死锁控制”等等不过是感应控制下的应用场景而已,也被当成了“独门绝技”,甚至堂而皇之赋予“有几十种控制模式”的噱头。

之所以要写写感应控制,一方面就是要从感应控制基本原理方法上厘清这些问题,另一方面也有必要从经典方法中找找灵感和营养,为我们这个行业来一次正本清源,一起来认真补一次课。

先从几个简单认知开始:

1、 感应控制与自适应控制

在讨论感应控制之前,有必要区分一下它与自适应控制的区别,曾经有一次和李克平老师讨论怎么区别感应控制(actuated)与自适应控制(adaptive),李老师给了一个很简洁的解释,大意是:感应控制是基于明确规则和逻辑的控制模式,通过检测到交通状态数据驱动规则运行的一种模式,可以表现为更即时、直观可感受的信号状态变化;自适应控制是基于模型(model based)的控制模式,通过设定优化目标,输入检测数据调节控制输出,通过不断指标寻优的过程实现控制,标线上更像是个黑盒。我觉得李老师用简单语言概要说清了两种控制方式的不同。

(更进一步,自适应系统又分为实时自适应和方案自适应两种,这又是另一个话题了。)

以我多年从事交通信号产品开发和工程应用的经验,目前为止在国内应用的系统中,真正意义上得到工程应用验证的实时自适应系统还只有SCOOT系统,当然SCOOT系统也存在很多应用限制。其他更多的系统都还是方案生成、方案选择式的系统,只能算是不完备的自适应功能。(个人观点,欢迎PK) 

2、 感应控制的必要性

信控领域一直被病诟的一件事情是行业宣传与用路人感受间的差异,用路人最基本的交通需求得不到满足,包括信号空等、信号空放、静稳交通控制、交通事件信号响应、特殊路口、特殊人群信号安全保障、应急交通信号控制等等问题普遍存在。其实这些需求都可以通过有效感知与合理逻辑运算,结合完善的感应控制机制做出完美的控制响应,是感应控制最擅长的应用场景。

一段时间以来,提到交通信号控制似乎只有协调绿波这唯一的方法,很难适应复杂多变的交通场景。即使是协调控制,也可以通过与感应控制的有效结合变得更加高效、灵活。

3、 感应控制的可行性

在和很多同行讨论感应控制时,遇到的最多问题是:感应控制太依赖检测器,建设成本高、运维压力大。对这种观点我一直不认同,的确,检测器能力与工程覆盖不足是制约信号控制的关键问题,但是,即使是有限的感知能力,如果能够得到有效应用也可以实现比定时控制优秀的效果,即使全部感知失效也不过是降级到现在的定时控制水平,所以简单把问题归咎于感知与检测上不过是掩盖产品、技术、设计能力不足的敷衍与推卸而已。

近年来,随着各种新感知手段的诞生,这个制约正在被突破,我们看到越来越多的项目建设中大量采购了先进的感知设施。随着这些设施投入运行,已经为开启感应控制应用创造了良好的数据环境。同时,感应控制也是检验验证这些检测感知设施的有效手段;一种交通感知手段,无论宣称多么智能,多么全息,如果最后只是输出交通量统计、表演几张漂亮的动感图表,而不能满足感应控制对数据时空精度的要求,那也就是个摆设了,可以退出市场了。 

4、 正确认识感应控制

感应控制不仅仅是若干种控制模式中的一种,更重要的,它是各种控制模式的基石,只有在深刻理解领悟交通流特性、路口物理特性的基础上才能真正掌握感应控制的奥妙,要理解感应控制需要了解交通流特点(机动车、行人、非机电动车、公交、有轨电车、货运卡车)、检测器特性、路口几何特点、交通控制目标。

这些问题,在定周期控制下都默认由交通工程师“解决”了,经验性地变成了周期绿信比相位差参数,信号机变成了一个分时段的定时器执行预定的方案;即使某些号称具备“自适应”能力的系统,也不过是定时生成方案,交给“定时器”运行。从交通信号产品的研发者到交通信号工程师都是在这种观念下开展工作。这一个过程更多的是依靠统计数据和对交通信号的依赖直观朴素理解进行的,结果就是产品僵化,控制死板。

感应控制是远比定周期控制更复杂的控制模式,某种意义上,感应控制几乎是所有控制模式的基础。

我一直认为感应控制是试金石,不能满足感应控制需求的检测设备不是合格的检测设备;没有深入理解感应控制原理,从定周期方案开始开发信控产品的工程师,不是合格的信号产品工程师;不具备完善感应控制功能的信号控制设备不是合格的信号控制系统;不会设计、使用感应控制方法的交通工程师不是合格的交通工程师;一个城市的交通信号控制系统无论宣传多么智能,如果连最基本的感应控制都没有用好,那就是一个智能交通系统不及格的城市。

其实无论哪一种控制模式,本质上都要面对以下几个问题:相位控制哪些交通流、相位恰当的启动时机、相位启动条件、相位如何扩展、相位如何结束、相位启动的顺序、多路口间如何实现协调联动、检测器如何设置(输出什么数据、检测哪个位置、检测多大区域)、受控交通流的特性怎样、如果出现故障如何响应、怎样保障控制安全等。

这些问题正是感应控制模式要解决的问题,其中每一个方面都有很多技术细节,只有对这些细节有了清晰的认知,才能真正掌握信号控制核心奥妙,才能在产品研发、实践应用中发挥感应控制的巨大优势。 

感应控制是一个庞大的话题,要完整成体系说清楚恐怕要几百页的一本书。所以,犹豫了很久才开始这个话题,我尽量尝试用不那么枯燥的、科普的方式完成这个系列话题,后面要说的内容概括起来,包括:

  • 感应控制的基本参数,以及这些参数背后的交通现象

说说感应控制模式中一些最常见参数的含义,获得参数简单方法,以及这些参数所对应交通流规律,表征的交通现象。

  • 什么是感应控制友好型交通检测?

说说感应控制到底需要什么样的交通数据,什么样的检测器能够提供这些数据?工程场景下如何布置这些交通检测器?

  • 感应控制有哪些扩展的应用场景?

说说如何利用感应控制方法满足不同控制场景需求,包括交通事件驱动、协调感应、感应优先级控制等等。

  • 如何用感应控制提升交通安全?

说说如何利用感应控制方法保障路口交通信号控制安全,包括黄灯困境、高速车辆控制、行人交通安全等。

  • 标准中的感应控制

说说中国的GBT20999协议、美国的NTCIP1202协议、NEMA TS2标准、英国的TR2500这些标准中那些与感应控制相关的内容。

  • 评价信号控制、交通检测产品能力和水平

尝试从感应控制细分的功能细节,对信号控制及先关产品进行细分功能、指标定义,提供一个评价信控产品能力的方法。 

也不知道最终我能不能完成,先给自己立个Flag,尽力吧。(未完待续)

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