从系统总目标和应用场景目标的视角对交通信号控制系统进行审视

赛文交通网 智能交通 智慧交管 信号控制

编者按：5月，在赛文交通网主办的第十二届（2023）中国智能交通市场年会在上海举办。在交通精细化治理分论坛中，北方工业大学城市道路交通智能控制技术北京重点实验室研究员张福生就交通信号控制技术方面的研究，作了《交通控制场景目标与评价指标思考》的主题报告。

该报告从系统总目标和应用场景目标的视角对交通信号控制系统进行审视，并以公交信号优先控制、城市快速路匝道控制、行人信号控制三个具体场景为例进行深入分析，对不同场景下的交通控制系统目标应如何确立控制目标、如何选取评价指标的建立等问题进行了阐述。

一、交通控制系统总目标和应用特点

宏观上看，交通控制系统的总体目标是保障出行安全、提高交通运行效率、保证交通资源分配公平、增强出行者舒适度、实现绿色环保和可持续发展。

这些目标通常要根据不同的区位环境特点、路网条件、用路人构成、用路人优先级以及结合不同场景下城市交通管控目的而确定。同时，需要有针对性的建立不同的评价指标体系，以此判断目标是否达成。

因此，任何交通控制系统都是为交通管控目的服务的，管控目的可以分解为具体的管控目标，多样化的场景必然需要多样化的评价指标、也必然需要多样化的策略来适应多样场景需求。不同的时空条件下，交通管控目的多样性需要交管部门确立不同的管控目标。

通过对具体的时空环境进行分析，将要实现、要达成的目标进行分解，并对分解后的目标制定评价指标，对具体场景实施的策略和方案进行效能的评价。通过效能评价后，找到最佳的控制策略。最后，将控制策略再分解成行动战术，落实到具体的系统运行中，以达成预期的宏观目标。

图 1 管控目标实现流程图

这个分析过程通常包括8个步骤：

第1步，明确控制系统的运行环境，包括路口所在的区域特征（乡村、郊区、城市）、道路等级、路网特征等等；

第2步，明确用路人构成，不同用路人构成对选择交通信号控制目标具有重要影响，行人、非机动车、小型机动车、重型车辆以及公交、轻轨等交通方式运行特点完全不同，对就爱同控制需求也完全不同。

第3步，确认用路人优先级，控制系统可以为不同的用路人提供差异化的控制服务，这就需要管理者依据用路人优先级规划不同的控制目标。如紧急交通、公共交通、通勤交通、行人与慢行交通、货运交通等都可能在不同的区位时空条件下具有优先权。

第4步，选择信号控制目标，结合优先级及区位交通特点明确控制目标。

第5步，建立评价方法和评价指标，评价与指标永远是为目标服务的。需要注意的是很多软件系统输出的评价指标都是理论性的，并不能完全反应交通管理者的目标，而且也很难反应用路人的切身感受。

第6步，设计控制策略。

第7步，部署实施并进行观测。

第8步，持续不断地进行运行监视与迭代维护。

由上面这些步骤可以发现，确立合理的控制目标并未目标建立恰当评价指标是非常重要环节，以下将以3个具体场景距离分析。

二、公交信号优先控制

公交信号优先几乎是交通信号系统建设项目中的必选项，在很多项目招标中都有相关功能要求，但在最后真正落地运行并达到预期目标的基本没有。关键问题是没有明确公交信号优先的目标：是为了实现公交车辆一路绿灯快速行驶？还是要保障公交车辆按计划准点运行，也就是提高公交系统运行的可靠性？

传统的公交信号优先依靠交叉口的交通检测器，检测到公交车辆到达，结合当前信号状态，分析判断公交车辆的到达时机。

主要采取四种方法，早起、晚断、重入和放弃（如图2），这种公交优先的核心目标就是保证公交车辆到达交叉口时能够绿灯通过，我将这种优先方法称为路口应激响应型公交优先。

这种优先方法最大的问题在于完全没有考虑优先的必要性，带来的问题是在没有优先需求的情况下，频繁的优先响应严重扰乱了路口正常控制运行，对常规交通带来巨大影响。

图 2 应激响应式公交优先的决策方法（有轨电车为例）

如果我们换个思路，从全运营线路系统层的角度，以保障公交系统可靠性为优先目标（我将其称为系统可靠型公交优先）。会发现只有当公交运行不满足准点需求时才需要进行信号优先控制，并不需要在所有路口所有条件下都对公交到达进行响应，一方面保障了公交系统运营的可靠性需求，另一方面还可以降低由于公交优先带来的控制扰动，对比两种优先模式（如图3），会发现目标变了策略方法会发生巨大的变化。

图 3 两种公交优先的比较

三、城市快速路匝道控制

随着城市规模的扩大，越来越多的城市大规模建设城市快速路。快速路与城市道路通过匝道进行连接，由此带来匝道出入口处的问题愈发突出，往往需要进行出入口控制或者匝道控制。

图4为一个典型的场景，上方为高架快速路，快速路下方为平面路网的交叉路口。常规的控制方法是在快速路和匝道设置检测器，分析快速路的服务水平和匝道的排队长度，检测相关道路上下游的服务水平等，将所有信息进行关联从而构成匝道入口控制系统。

图 4 城市快速路匝道控制案例图

以往进行匝道控制通常只是以保证主路（快速路）通畅为目标，这个目标太过单一，也无法满足不同时空条件下的交通管理目标。通过梳理，我们发现城市快速路匝道（或出入口）控制可能有5种不同的控制目标。

第一，效率目标，通过匝道控制实现主力通行能力最大化、主路延误时间最小化、分流汇流干扰最小化。

第二，安全目标，通过匝道控制保障出入口交织段、施工作业区的安全和对紧急事件做出快速响应。

第三，公平目标，综合考虑所有用路人的交通需求，通过匝道控制均衡公平分配快速路交通资源，避免部分匝道（入口）交通流耗尽全部资源。

第四，协同目标，通过匝道控制实现主路上下游出入口以及与平交路网的协调运行目标。

第五，优先目标，通过匝道控制为特殊勤务和城市应急交通提供快速通道保障。

图 5 快速路匝道控制的目的与目标

传统进行匝道控制或者出入口控制方式通常仅以单点感知数据为基础，依据主路的服务水平或匝道的排队长度等因素来判断匝道应该采用开放、警示，还是受控、禁止的汇流方式。

图 6不同状态下匝道控制方式

图 7 四种匝道控制方式

结合前面提到的5种控制目标，我们发现匝道控制不能仅依赖于安装在主路和匝道检测数据的简单组合进行控制。而要从更宏观的角度明确控制目标，从系统层上决定快速路的综合优化策略，其中很重要的就是要明确服务对象及其优先级。

一般而言，服务对象为以下八类，即长途过境交通需求、短途通过交通需求、通勤就学交通需求、商务出行交通需求、旅游出行交通需求、应急救援交通需求、重大活动交通保障和特殊车队交通保障。

在确定了服务对象后，需要准备相应的方案以满足不同的需求，那么如何确定不同服务对象确立评价指标并选择优化控制策略？基于此，我们提出了七项评价指标和六种评价策略。

七项指标即对通行能力、环境影响、公平性、可靠性、可达性、安全性以及舆情进行效能评价。包括，服务能力评价：结合实时数据，评价最大通行能力；服务水平评价：结合控制目标，辨识当前服务水平；公平性评价：结合出入口OD数据，分析资源分配公平性；控制目标达成评价：分析服务对象与资源利用契合度；资源均衡分配评价：综合响应多匝道交通需求，分配道路资源；历史规律与预测：综合历史数据的预测分析、预测控制。

图 8 评价指标

四、行人信号控制

步行是人类出行最基本的交通方式，但也是最容易被忽视的交通方式。行人在交通当中是最弱势、也是最容易受到伤害的群体。尤其值得重视的是，行人步行是所有出行方式中耐受力非常最低（尤其在在恶劣天气下），抵抗力是最弱的交通方式。

传统交通信号设计中常以机动车为主要服务对象，非机动、行人信号大多伴随机动车出现，非机动化交通的控制安全、延误、舒适度以及控制效率等问题，一直没有得到充分的重视，用于评价行人交通信号的指标也一直不健全。

按照交通控制优先级的理念，行人应该是最优先的，其次是非机动车。行人信号通常由禁止通行、允许通行、人行横道清空三钟控制状态构成，远比机动车交通信号复杂。

图 9 行人信号

现实中，普遍存在行人信号基本认识的错误，行人信号安全清空时间保障严重不足。大家通常认为行人信号和机动车信号是同步的，但实际情况并非如此。比如，某些情况下，行人信号灯应先于机动车信号变绿，这样行人可以早一点进入人行横道，更早到达可能发生的冲突点，以便机动车在更好的视距范围内发现行人（如图10）。

图10 行人信号与机动车信号-开始

图11展示了几种行人信号结束不同的方式。不同的结束点意味着行人将获得怎样的通行权，在设计行人信号时要结合行人交通行为特点和路口空间特征，充分利用交通信号转换时间，梳理行人优先的基本理念，牢记行人安全的底线。

图11 行人信号与机动车信号-结束

分析和建立行人信号的评价指标需要进行实地调查，研究行人的到达分布，对行人延误、信号灯服从率、交叉口冲突率以及事故率等数据进行分析，并做出评价（图12）。

行人交通信号的核心目标是为了保障行人交通的安全、舒适，提供一致、可靠、符合预期、适应人类身心特质的交通信号系统是关键。目前很多与行人相关的控制设施，如智慧斑马线、行人违法抓拍、个性化行人信号等是否真正提高了道路系统对行人的服务质量？这点值得我们深思。

图 12 行人信号的评价指标

五、更多场景

交通控制应用的最大特点就是需求复杂、场景多样，如何针对不同场景需求设定控制目标、选择评价指标是对交通控制从业者的最大考验。如图13所示的另外六种场景。

1、潮汐车道信号控制，首先要确定两个方向的交通流向比是多少时才适用设计潮汐车道？在设置潮汐车道后切换清空时间是多长？切换后需要持续多长时间？评价潮汐车道运行效果的指标是什么？这些需要详细的调查，通过数据分析建立评价指标体系。

2、绿波协调信号控制，首先分析绿波要达成什么目的？单向还是双向？绿波会降低协调流向延误，但可能会导致其他方向的延误增加，甚至可能降低系统通行能力，此消彼长后的综合效益如何评价？

3、可变车道信号控制，车道的频繁切换是否会导致路口的通行能力不增反降？可变车道对安全的影响该怎样评价？是否可以通过空间优化（渠化）达到同样甚至更好的效果？

4、借道左转信号控制，借道左转已经成为某些城市路口设计的标配，由此丧失的相序灵活性对效率的影响该如何评价？安全隐患是否有评价标准？其发生的安全事故是否有统计和分析？是否可以通过优化空间组织取得同样的效果？

5、溢出控制，什么场景应该进行溢出控制？达到什么程度需要进行溢出控制？应该被动响应还是主动预防？是单路口响应还是区域协同响应？

6、环岛信号控制，环岛信号控制解决的主要矛盾是什么？不同情况下在环岛设置信号控制的准入条件是什么？如何确立评价指标（用流量占有率评价可行吗）？

图13 六种场景

六、总结

交通是多场景的碎片化应用，任何一个场景都要结合时空要素，明确控制目的，将其分解成多个控制目标，建立评价方法和指标体系，不断迭代优化，以达成最终的控制目的，让交通控制系统变得更加优秀。