完整认真的设计是保障系统建设目标、建设质量的前提

交通信号系统建设中，设计环节一直没有得到足够的重视，完整认真的设计是保障系统建设目标、建设质量的前提。

现实中，经常发生信号控制项目招标需求模糊，建设过程中目标不断变化，用户与建设方在不断启发、不断博弈中进行项目实施，最终导致项目无限延期，迟迟无法结束的现象。其根本原因在于设计阶段过于粗糙，缺乏认真的需求分析，缺乏深入细致的设计环节。

在中国交通信号控制年会上，北方工业大学交通控制北京市重点实验室研究员张福生从设计的角度分析了交通信号领域存在的问题。

以下内容为张福生演讲全文：

为什么选择这个题目

2020年上半年开始，由于疫情的原因，我有了大把的时间，当时给自己定了一个选题，尝试做一下中国、欧洲、美国交通控制领域的标准、规范、法规的对比，初衷是想通过对这些标准的学习，对交通信号控制相关的标准规范以及工程应用有一个全面成体系的梳理。原计划用半年时间可以有初步的结x果，结果发现我低估了这个工作量，大量的资料面前，往往一个问题深挖下去就又要面对几个甚至十几个更深的问题，每一份报告每一个标准规范背后都需要更多的系统化的知识支撑。

这些资料既包括美国的MUTCD（Manual on Uniform Trafficc Control Device）、STM(Signal Timing Manual)、(TSDM)Traffic Signal Design Manual，也包括欧洲的EN50556 (Road traffic signal system)、EN 12675(Traffic signal controllers)等标准，以及中国相关标准规范。

在这个过程当中看到同济大学李克平老师的一份报告的PPT，其中提到“我国缺乏信号控制设计方面的国家或行业规范”，非常有同感，觉得有必要从设计的角度重新审视一下交通信号领域中的问题。

于是，再次从设计角度把几年来汇编整理的各类资料进行了一次回顾，其中既包括标准、规范、研究报告，也包括能收集到的国内外最近几年来若干项目的招标书、设计报告、图纸。

通过对这些资料的整理，把我对交通信号设计方面的一些初步理解，向大家做个简单的分享。

需要声明的是：常规意义上交通信号包括交通信号灯、交通标志、标线以及交通警察指挥，我这里说的交通信号仅指交通信号灯及其相关的检测、控制设备与系统。

交通信号设计目的

交通信号系统建设中，设计环节一直没有得到足够的重视，完整认真的设计是保障系统建设目标、建设质量的前提。设计的首要目的在于梳理系统建设的本质需求，通过分析交通控制中存在的主要问题，明确项目可行性，分解并细化项目需求。在需求分析的基础上确立项目建设目标，结合所在城市、区域的交通特点，确定切实可行的项目建设目标，并以此为前提明确项目总量，精确项目预算。进而细化产品技术的详细指标参数、选择可用、适用的技术路径，并建立科学有效的评价标准。

现实中，经常发生信号控制项目招标需求模糊，建设过程中目标不断变化，用户与建设方在不断启发、不断博弈中进行项目实施，最终导致项目无限延期，迟迟无法结束的现象。其根本原因在于设计阶段过于粗糙，缺乏认真的需求分析，缺乏深入细致的设计环节。

交通信号设计内容

交通信号设计是一个庞大的体系，涉及交通信号相关的各个环节，概括起来包括信号语言设计、信号相位设计、交通检测设计、信号安全设计、控制设备与功能设计、控制模式与时间规划设计、特殊控制需求设计、控制系统设计等多个方面，考虑到信号控制系统持续可靠运行与迭代优化的需求，设计内容还应该包括评价指标与评价方法设计、运维与保障流程设计；考虑到工程实施需要，设计内容还与道路几何设计、略设施设计、道路渠化设计、隐蔽工程与电气工程设计等多个方面相关。

这些设计内容可以细分为很多个子项，具体如下：

信号输出与信号灯设计

信号灯是输出交通控制指令的显示终端，直接影响交通行为决策。因此，信号灯的语义、空间布局、信号灯色变化序列都对控制效率、交通安全产生重大影响。

《道路交通安全法》第二十五规定：“全国实行统一的道路交通信号”。原则上，一个城市、一个地区、乃至一个国家应该采用统一的灯具布局原则，使用同一灯色变化序列，但是不幸的是在我国交通信号控制领域里，至今不同城市间仍然有不同的灯序。

图中是国家标准GB14886-2016规定的灯色转换序列，但在具体执行中各处城市都有自己的理解，标准化水平堪忧。实际执行中，出现了大量非标灯序的设计，比如机动车信号中常见的：“红-绿-绿闪-黄-红”、“红-红闪-绿-绿闪-黄-红”，行人信号中常见的“红-红闪-绿-红”，各种非标的信号灯序，加上信号倒计时、左转-直行待转区等辅助信息指示牌，路口信号输出非常复杂，甚至在同一城市有多种不同的灯序，亟需通过设计进行统一与规范。

另一方面，在灯具形态与灯具布局设计方面也存在着大量的设计问题，机动车灯、方向指示信号灯乱用的情况比比皆是，很多路口信号灯视距、视域设计存在严重问题，当出现车辆排队、恶劣天气等情况时，信号灯可视性受到严重干扰和影响，直接导致交通安全问题。

于是出现了各种创新的做法，包括发光灯杆、公交信号灯、车载信号灯、地面信号灯等等打补丁的处理方式，这些方法本质上要解决的无外乎是交通信号的可视性问题，这些问题的根本解决之道应该通过科学规范的设计进行有效保障。采取远近结合、高低结合的方式进行路口信号设施布局，充分考虑不同交通参与者的人因特点、驾驶任务因素，进行设计。

在特种灯具方面，许多设计更多值得关注，以公交优先信号灯为例，随着大容量公交、有轨电车等新形态的交通运输工具在城市中出现，信号优先需求越来越多，但是关于公交信号输出的标准一直没有明确定义，各个城市在设计上也是百花齐放，一直没有统一的标准。

这里参考李克平老师的《为什么公交优先信号控制需要专用的公交信号灯？》一文中介绍的公交专用信号灯设计，建议尽快完善我国公交专用信号灯设计标准。

另一方面，随着潮汐控制、可变车道控制、右转信号控制的需求日益增加，很多新形态的信号输出设计也存在大量问题。

目前标准14886中规定的车道灯标准是：

这一标准灯序控制可变车道，主要问题在于没有车道清空与转换信号过渡信号，在车道通行方向转换时存在安全隐患，甚至引发恶性交通事故。建议是增加侧向黄闪箭头，用于指示车道清空。

信号相位设计

相位设计是信号控制的核心问题，相位设计的关键内容首先是相位组合与相位顺序以及相位切换保护问题，其次是左右转相位的设计问题，在一个路口信号设计中相位与相位顺序设计对安全与效率有着至关重要的作用。

以标准的十字路口为例，目前在国内存在两种不同的设计方法，一种是源自欧洲的阶段-相位的设计法，另一种是从美国借鉴来的相位环设计方法，但不管哪一种方法，最终都要面对的都是这些问题。

设计中需要重视的是：在感应控制与自适应控制模式下会依据交通流动态调整相位顺序，某些情况下会引发交通安全问题，如特殊渠化（左转待转区）带来的相序约束问题，特殊控制方法（借道左转）带来相序约束，以及设置了2次行人过街的路口如何保证行人过街连续性等带来的相序约束问题。

这些问题在国内信号设计中一直没有引起足够的重视，包括相关产品的安全标准中也没有相关的要求。同样，在不同的控制模式下应该有不同的安全约束。

左转右转相位设计的问题也是行业内比较关注的问题之一，路口到底什么情况下设置左转专用相位？路口只是高峰时段，或者某个特殊时段左转需求较大，其他时段转向车流较少，怎么处理？右转机动车与行人过街车冲突如何处理？

这里初步梳理了一下关于设置左转专用相位的一些筛选条件与原则，包括：安全原则、交通需求原则、路口可视性原则、路口空间原则。

控制模式设计

在信号控制领域，尤其是信号优化领域似乎有一种误解，似乎“交通控制优化”约等于“交通信号优化”约等于“交通配时优化”约等于“配时方案优化”，最后控制优化只剩下了一个方法就是“绿波”，我认为这是对交通信号控制的严重误解。

交通信号控制设计中针对不同的路口形态、交通流特性应该选择不同的控制模式，包括协调控制、感应控制、协调感应控制、自适应控制、手动控制等等。

这些不同控制模式的灵活组合对于提升交通控制效率以及改善交通安全至关重要。这里简单说说感应控制与控制模式转换处理，这两种控制模式一直没有得到足够的重视。

首先是控制模式转换处理：不同的控制模式切换过程处理一直没有得到足够的重视，处理不好不仅仅影响交通效率更可能会带来交通安全问题。一个例子是：信号启动处理模式，由关机到开机、由信号关灯到开灯，信号灯应该按照什么样的灯序来启动，非常值得关注。

在关灯状态下路口交通处于无序运行状态，开灯过程就是确保交通流由无序到有序的过程，应该怎么处理？肯定没有固定的模式，应该根据路口形态进行个性化设计，按照国标GB25280的定义，开机后黄闪10秒然后进入正常控制，这种简单粗暴的设计是肯定不行的。

下图是一个简单的开机处理流程：

再来看感应控制，感应控制可以说是交通信号控制皇冠上的明珠，个人的观点是：只有精通感应控制的人才算是真正领会了交通信号控制的真谛，其他所有控制模式都是以感应控制为内核的。

通常意义上我们认为感应控制就是根据需求选择相位，再根据连续车流的需求扩展时间，但问题来了：

关于需求：需求怎么产生?需求有没有优先级？那些需求只要产生就必须响应？哪些需求可以忽略？在什么时段内可以响应？需求只能来自检测器吗？检测器故障了怎么办？

关于控制：没有需求时怎么办？感应控制可以有固定周期吗？感应控制下怎么保障与上下游路口的协调？

关于控制参数：感应控制下如何约束相序？感应控制的最大绿灯时间到底是什么含义？感应控制相位扩展时间设置依据是什么？感应控制相位中止GapOut时间设计依据是什么？不同的方式使用与什么情况？

信号控制设备功能设计

其实作为最终的使用者，貌似很难参与到信号控制器的设计当中，毕竟这是设备厂商的产品研发者的事情。但是，近些年来很多用户也问我一个问题:到底哪一家的信号机好？从宣传角度看大家都差不多，无外乎多少相位、多少方案、多少检测器，能做哪些控制模式，最多再增加一些什么通信协议之类的参数等。

作为用户真的是希望了解产品的核心能力，但是也确实云里雾里无法了解。去年我在苏州交通论坛上有一个关于交通信号控制发展趋势的报告，对未来交通信号控制器的发展趋势做一点预测，为设计中选择产品提供一定的参考。（张福生：信控发展趋势几点思考）

这里只做简单回顾，概括起来包括：

· 基本能力提升：包括控制方法（模式）、控制能力（驱动与参数配置）

· 安全能力：交通安全与电气安全，未来独立的安全检测、

· 运维能力：外围设备故障检测、监测、控制响应能力

· 边缘计算：灵活的可编程能力+强大的算力,为用户提供灵活的控制能力

· 接入能力：网络化接入是趋势

· 工程形态的灵活性 

交通检测设计

检测设计是个难题，过去交通信号控制系统中可用的交通流检测手段很少，基本上就是线圈，后来出现了红外、视频、超声波、微波，最近又出现了广域雷达、基于人工智能的视频检测、激光雷达等全新的检测方式，检测范围也由单点、断面检测扩展到区域、全息检测。未来，随着车路协同到来会有更多的交通检测出方式与交通数据出现，这些检测手段到底怎么使用、如何设计，是一个问题。

现实中我常常被问到的问题是：我应该选择什么检测器？检测器装在哪儿？用什么数据？能干什么用？

各厂家也都介绍自家产品能检测多少种数据、准确率到如何、覆盖范围多大等等。

但是冷静下来发现现有的交通信号控制系统能力、以及交通控制现场需求是什么？我们能接入什么样的数据？能处理什么样的数据？数据的实时性到底如何？

在很早以前，我们曾经针对不同检测方式的特点进行过认真的对比测试。（张福生：检测区域特性对交通控制的影响）

我这里需要说的是在检测器设计中，要核心考虑的内容是检测位置、检测域、检测数据实时性与交通控制模式的配合，以感应控制为例。这里概括总结为以下几条：

需要提醒设计者注意的是，大量检测器精度的定义都是针对统计数据而言，一段时间统计的流量、占有率等等指标，但统计的精度不代表实时数据的精度，更不代表控制需求的检测精度。我经常问的一个问题是：检测精度95%貌似很高，但控制精度95%能够忍受吗？

另一方面检测器本身的故障检测也十分必要，尤其是一些新型检测技术，由于大量采用人工智能与深度学习的方法，检测精度、置信度、自诊断故障等问题要在设计中充分考虑。

信号控制系统设计

关于信号控制系统的设计问题是最模糊的问题，如何评价控制系统能力？一直以来没有清晰的认识更没有行业共识。

这里我尝试对交通信号控制系统做个简单的分级，希望能对系统选择与设计提供一些参考。

结语

交通信号控制设计是由许多细节组成的课题，即涉及到标准规范、也包含大量的经验方法，还涉及对产品系统的了解。上面只是对其中很小一部分做了一点讨论，未来还有大量的工作要做。

前一段时间，我将初步学习的成果整理成了一份《交通信号控制系统建设于管理水平100问》，在微信群中分享给了业内同行；很快李克平老师也发了一个内容更加详实的《城市道路交叉口交通信号控制问题100问》，相信通过这两组问题，能够为交通信号设计提供一些思考。

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