试着从感应控制的应用和发展历史中去寻找答案。

近来，交通信号的感应控制成为信号控制行业的一个热门话题。感应控制作为一个有着长期应用和发展历史的信号控制模式，缘何在拥抱大数据及人工智能等新一代信息技术的智能化时代的今天，再次成为行业关注的焦点？

这里面或许有着些许面对新技术融合应用困境的无奈，但更多的还是对信号控制智能化发展的殷殷期待。感应控制模式是交通信号控制迈向自动化并逐步走向智能化的开端，时至今日仍然有许多内容是值得我们深度研究和思考的。

本文笔者将从回顾和分析感应控制为切入点，从实践应用的角度谈一些理解和体会，以期进一步探寻交通信号控制智能化发展的方向，为信号控制行业研究、应用和发展提供一些参考。

如何理解感应控制呢？感应控制都在做些什么呢？尽管许多专家学者都已经多次对感应控制进行过各种深度解读，但是关于感应控制的具体含义和原理却仍存在一些争论，每个人或许都有着自己不同的理解。这里让我们暂且搁置繁琐复杂的理论探讨，试着从感应控制的应用和发展历史中去寻找答案。

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从请求即响应到感知即响应

查阅相关资料，我们可以知道：“世界上第一个感应式信号控制由小查尔斯·阿德勒（Charles Adler Jr.）在1928年发明。同年2月22日，美国巴尔的摩市首次在福尔斯路和贝尔维迪尔大道的交叉口安装了第一个感应控制的信号灯。这是一个声控红绿灯，司机需要按喇叭以使绿灯亮起。1929年2月4日，阿德勒在巴尔的摩查尔斯街和冷泉巷的十字交叉口安装了第一个行人按钮，这是第一个行人驱动的信号灯”。

从以上内容我们可以看到，最初的感应式信号控制实质上是一个请求式驱动的控制方式。它通过车辆驾驶人按喇叭、过街行人按按钮的形式来表达通行需求，从而触发绿灯信号的启动。值得注意的是，通行请求是由交通参与者直接发出的，并不是由信号灯控制装置主动感知的。这也是可以理解的，因为那个时候的信号控制装置比较简单，还没有出现可以很好识别和处理这些需求信号的信号机。因此，我们可以把早期的感应式信号控制更形象地称作请求即响应的控制模式。

到了1930年，使用压力检测器等的感应式本地控制机开始出现，向主动式交通感应控制迈出了第一步。后来，随着技术的进步和发展，以车辆驾驶人鸣喇叭的声控式信号灯以及压力检测器等很快被以基于环形线圈为代表的控制方式替代。随后逐步出现地磁车检器、视频检测器、雷达检测器等多种交通检测设备，直至当今出现的雷视一体机等新型融合式检测器。这里面有一个很重要的转变，通行请求的表达从交通参与者被动触发转变为了信号控制系统的主动感知，也就是感知即响应的控制模式。

后续出现的各类检测设备不仅仅改变了通行请求的表达和触发方式，其检测的内容也从单一简单的开关信号逐步发展为对多种复杂的交通流参数的检测。这极大地丰富了交通信号控制系统的输入信息，使得交通信号控制机能够更准确地判断和更充分地理解交通需求，从而形成更加准确和完善的响应机制。

但令人遗憾的是，这些检测技术和设备的发展目前主要还是针对机动车交通的检测，较少涉及非机动车和行人交通检测。

时至今日，行人按钮这种应用了近百年的被动请求式触发模式仍然是行人通行请求的主要表达形式，信号控制系统并不能有效地主动感知行人交通需求。

行人按钮在使用过程中也存在着诸多问题。一些并不熟悉按钮使用的人根本不使用而因无法忍受无尽的等待直接闯红灯；另一部分人因为按钮后没有马上转换绿灯信号，认为按钮没用而怒砸按钮设施；一些非机动车特别是电动自行车驾驶人在过街时也存在使用按钮的不便甚至困难。

这些现象无不折射出针对行人和非机动车过街需求的被动请求模式存在的局限和困境。这一方面我们需要设计和应用更加人性化和智能化的按钮设备；但另一方面研究和推广应用针对行人和非机动车交通出行群体的更加主动化、无感化的感知设备已成为一个愈发迫切的现实需要。

02

预设相位的启动机制

前文我们说到感应控制是一种请求即响应、感知即响应的控制模式。当信号控制机接收或者感知到某个方向的通行请求，获知该方向“有请求”时，它需要做出响应。

这个响应是什么呢？就是考虑触发该方向的绿灯信号，也即该流向对应的预设相位的启动。当然是否立即启动、何时启动在实际控制中仍可设置一些条件。

如果没有收到该方向的通行请求呢？说明这个方向目前没有通行需求，出于绿灯合理分配和控制效率考虑，便不启动该方向对应的绿灯，也即不启动对应的相位。

因此，我们说感应控制的首要功能就是根据请求来触发和控制一个预设相位是否启动。

这点从后来感应控制在路口的最初推广应用中可以找到些端倪。感应控制在路口的应用是从半感应控制开始逐步推广到全感应控制的，而半感应控制一开始是用在解决主路与次支路之间的穿插困难和安全问题的。

主次路之间的穿插冲突主要有两种：一种是由次路直行横穿或左转汇入主路，另一种是由主路左转穿插进入次路。

在主路车流较小的情况下，以上两种穿插流在交叉口通行时比较自由，通过寻找主路冲突流中安全的可穿插空挡通行；随着主路车流的增大，主次路之间的穿插冲突风险加大，需要设定左转避让直行、次路让主路的通行规则来适当加以规制；直至主路车流增加到临界空挡，次路随机到达的车辆很难找到安全的可穿插空挡，矛盾冲突不可调和。

这个时候便需要设置感应控制信号灯，在次路或主路左转无车辆到达时，保持主路常绿；感知到有车辆达到时，则按需切换启动对应的相位绿灯，保证路口安全和控制效率。而这个过程我们需要次要车流满足一个特点：交通量较小且随机稀疏达到。

试想如果一个交叉口的四个进口方向车流都满足上述次要车流的特点，我们是否可以在路口的四个方向都采用这种灵活的控制机制呢？由此全感应控制在交叉路口的应用便应运而生。

当然，过去那些聪明的交通工程师还发明了很多形式的感应控制应用场景，比如主路半感应控制、全红即绿等等。直到今天，源于感应控制的预设相位的插入和跳过这样灵活的功能仍在控制系统中发挥着重要的作用。

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相位绿灯的运行机制

感应控制下接收到某相位的请求（Demand），做出响应触发启动了对应相位绿灯后，必然要维持绿灯运行一段时间以保证相应的通行需求得以满足。在这段绿灯运行的时间内，我们需要谈到最小绿、保持绿、延展绿三个绿灯时间阶段概念。这与经常被提到的传统经典的感应控制参数（最小绿、最大绿及扩展绿）有些差别，因为笔者这里主要是在全感应控制模式的场景下来讨论的。

1、最小绿（Minimum Green）

最小绿灯时间是感应控制的第一个基础参数，它的设置是为了响应检测器感知到的第一个请求信号，因此其设置值需要保证触发请求的第一批次交通实体能够在绿灯时间内进入交叉口。

这个第一批次交通实体于车辆而言应指停止线后检测器前的第一批车辆；于行人而言应指在绿灯启亮前已在人行横道等待线外等待过街的行人。而不应包含后续的车辆和行人，它们的通行需求应当通过后续的绿灯时间予以解决。为了更加精细的控制，机动车、非机动车和行人信号的最小绿常常需要分别设置。

2、保持绿（Rest）

在最小绿灯时间内，检测器仍需要对所有进口后续的交通请求情况进行检测，特别是要对当前运行相位和其他相位的后续请求进行对比判断：如果检测到其他相位当前没有后续请求，无论本相位是否有请求，则本相位绿灯均进入保持绿阶段（Rest），直至检测到其他相位的请求才结束该阶段；如果检测到其他相位有后续请求，则本相位直接进入下一阶段即延展绿阶段（Extention）。

注意这里并不是直接结束当前相位绿灯，我们在前一章中已经说到过，针对下一相位的启动，并不一定马上启动，启动的时间可以设置一些条件，这里的条件就是要考量当前相位后续的交通需求情况。

3、延展绿（Extention）

进入延展绿灯阶段后，说明下一相位必然要启动且不可逆转，只是启动的时机还有待明确。因此，这个阶段检测器无需再检测其他相位的请求情况，只需专注于当前运行相位所对应的交通流需求情况的检测，直至触发相位绿灯的结束机制。

04

相位绿灯的结束机制

一件事情开始很容易，往往结束很困难。同样，相位绿灯的结束机制则是感应控制中最关键也是最核心的技术环节。

当相位进入延展绿阶段后，检测器在检测什么？还是检测后续交通需求的有无吗？对于传统经典的感应控制模式而言，这个回答是肯定的。因为它的扩展绿运行机制是根据一个预设时间间隔内检测有无后续车辆到达，来判断是否延长单位绿灯或者结束相位的，是一种根据车辆到达情况小步幅延长绿灯的动态配时调整机制。

但是今天在这里要给出否定的答案。因为下面我们将探讨一种更加精细和先进的绿灯调控机制，它以绿灯的利用效率为控制目标。它需要检测器检测的不只是交通需求的有无，而是在绿灯下后续交通流车队运行的稀疏情况。

要说清楚这个机制，我们需要谈到空挡计时器、浪费计时器、最大绿计时器这三大计时器的原理，还需要提到标准车头时距这个概念。这是SCATS系统的一个巧妙设计，下面我们简要回顾下。

1、标准车头时距（Headway）

微观描述车流运行的稀疏情况应该来说用车头间距似乎更直观，但是断面检测器无法进行空间立体的元素检测，所以采用了车头时距也即前后两车车头进入检测区域的时间差来间接表达。

那什么又是标准车头时距呢?实质上它是一种饱和车头时距，即在绿灯期间车辆以饱和流率连续通过交叉口停止线时，连续两车之间的车头时距。车辆以饱和流率（饱和车头时距）通过停止线，是一种理想的、对绿灯时间最大化利用的交通流状态，也是我们信号控制所期望和追求的绿灯期间车流的运行状态。

因此我们把这个绿灯利用效率最佳状态下对应的理想车头时距作为一个参照标准，用来对比衡量绿灯期间的实际交通流运行状态。而在感应控制实践中，我们并不会也不应将这个参数选择设置为一个理论的、固定的饱和车头时距值，这并不符合实际。而是要结合不同的城市、不同的驾驶习惯和路口道路交通条件等进行差异化动态取值。

2、空挡（Gap）、浪费(Waste)及最大绿(Maximum)计时器

空挡计时器设置了一个较大的车头时距的间隔标准，当延展绿期间的车流出现任意两车车头时距达到或超过这个标准值，即结束相位绿灯。

浪费计时器则设置了一个累计性的阈值，只有当累计的浪费值达到阈值才结束相位绿灯；当延展绿期间的车流出现两车车头时距超过标准车头时距时，则将超过部分的时间作为浪费时间累加到浪费计时器，直至累加的浪费时间总和达到计时器阈值。

最大绿计时器就是最大绿参数，大家比较熟悉了，此处就不再赘述了。

这里需要注意三大计时器在相位结束机制里是并行且同时起作用的，达到其中任意一个条件均会结束相位绿灯。

上述看似复杂的逻辑，其实只要把车流类比为水流就很好理解了。当车流中出现较大的空挡时，就好比水流的断流，将会出现一小长段时间的绿灯空挡期没有被车辆用于通行，这是我们信号控制效率要求所不能容忍的。因此要结束当前相位绿灯，让车流适当的停下来整流，使车流再次连续起来等待下一次绿灯的放行。

而当车流中虽然没有一次性出现较大空挡，但出现了稀疏的间隔情况，就像水流部分变稀变小，绿灯时间的利用出现了些许的小浪费。这种偶尔的小浪费是勉强可以忍受的，但忍受也是有限度的（阈值）。小浪费频繁出现而积累达到一定程度，我们就认为这样的绿灯放行效率是较低的，没有必要再持续下去，需要及时止损。此时也要结束当前相位绿灯，让车流适当的停下来整流，使车流再次紧凑起来。

这里需要说明的是，在信控实践中还需要考虑多车道、多流向的情况，实际相位结束的判断机制要更复杂一些。篇幅所限，此处不作展开。

05

结语

前面用了较长的篇幅回顾了感应控制的应用发展，分析了感应控制的基本工作原理和机制。文章的结尾我们来回答两个问题：

第一个问题，如何理解感应控制？从前面的分析中，我们可以看出，感应控制表面上看似乎是一种能根据交通流需求变化灵活调整绿灯运行时间的控制模式，这也是我们的通常理解，但实质上它还建立了一套完整的关于相位启动以及相位配时运行和结束的控制机制。

感应控制确实具有一定程度的动态调整绿灯时间的智能性，但这种智能性是有较大局限的，主要体现在以下两点：

一、其动态调整配时所依据的交通流需求变化是仅局限于对当前相位下的交通流运行状态的检测，而不是基于对一定历史时期或多个周期时间内交通流运行的规律性和趋势性检测分析及预测；

二、其控制相位启动、灵活调整绿灯时间的功能仅是局限在预设相位的启动调用、对已分配相位绿灯时间的具体运行长短进行调控的范围内，而不是基于一定的计算模型分析实时产生新的相位和精准的分配配时。

因此，可以说感应控制是一种相位层次的，针对已分配（最大绿约束）的相位绿灯时间进行实时灵活调整的智能化控制模式。

这个时候我们再来查看对比下《信号配时手册》（STM）、《交通工程手册》（TEM）等多种经典书籍，对于感应控制定义的相关描述：“感应信号控制是一种基于检测的相位配时”、“全感应控制意味如下一种信号运行方式，其中每个进口道都有检测器来控制每个相位的启动和持续时间”。也能从中读出感应控制的相位层次性、控制相位启动及相位配时运行的重要特点，与我们前文的分析是一致的。

第二个问题，智能化时代感应控制已经过时，应该摒弃不用吗？这是当前很有必要搞清楚的问题。虽然感应控制的智能存在一定的局限性，但不能忽视的是由感应控制建立起来的关于相位启动及相位配时运行的智能化调控机制。这种机制其实已经超越了控制模式的限制，不应仅仅局限于应用在感应控制中，而应成为调控相位及其配时运行的基础性机制。

因为在当前交通信号控制理论和应用技术框架下，相位作为最基础的微观控制单元，其承载着控制方案的具体化和执行，任何控制策略、控制方案、配时方案等均需要具体化为相位及其配时组合的形式来执行。无论我们采用的是何种控制模式，运用的是传统方法还是先进的人工智能技术，形成的控制方案或是配时方案，最终都要以相位及其配时付诸实施。

而在已下发的具体方案以相位形式执行的过程中，由于交通流状态的瞬息万变，不可避免的会出现断流、浪费等各种情况，就需要信号控制机具有感知即响应的随机应变的本能（类反射弧），实时调控方案预设的相位和配时，以适应交通流的实时变化。

放弃这种对实施方案执行中的战术性灵活调节的本能，就是在忽视适应交通流的实时性，其结果就只能是与信号控制智能化的方向背道而驰。这也是近些年各种新技术在信号控制智能化应用道路上失败的重要原因之一。当然，我们也不应否认感应控制建立的这种关于相位运行的基础性机制在新技术条件下仍有许多内容需要与时俱进的改善。

最后，关于感应控制本文笔者尝试用尽量简化易懂的方式阐述，然而本文仅从纵向分析感应控制自身就已长篇大论，不作横向比较似乎还有很多内容没法说清楚。鉴于篇幅原因，暂且作为一个开始，未完待续吧,不当之处还请读者们批评指正。

作者简介：海口市公安局交警支队 韩华