从不同品牌信号机接入统一平台调控管理、信号控制策略管理、交通信号控制全流程闭环管理三方面进行研究

导  语  

深圳市作为人口超2000万的大城市，路网资源趋于饱和，但汽车保有量逐年增加，面对城市日益严峻的交通压力，迫切需要实施城市交通精细化管控。结合公安部交通管理局在《关于进一步加强城市道路交通信号控制应用工作的指导意见》(以下简称《指导意见》)提出的“逐步实现城市道路交通信号的统一管理、精细应用、专业服务目标”等要求，深圳市着力提升城市道路交通信号控制应用精细化智能化水平，完善交通信号控制应用管理工作机制，构建交通信号统一集成管控平台。本文从不同品牌信号机接入统一平台调控管理、信号控制策略管理、交通信号控制全流程闭环管理三个方面对深圳市交通信号统一集成管控平台进行了分析研究，供思考和借鉴。

截至2022年底，深圳机动车保有量超400万辆，现有信号路口约3000个，据有关资料统计，车辆在城市中的行程时间约有1/3耗费在交叉口，深圳市道路交通拥堵问题日益严重。深圳交警从2003年开始使用系统化联网信号控制机，并在2015年后引进多套系统，但不同系统之间存在系统不兼容、数据不共享、操作不便捷、创新功能弱、跨区域统筹优化无法实现等问题。这也是国内各城市信号控制普遍存在的技术难点，已成为智慧交通系统协同发展、交通大数据挖掘应用的短板和制约因素之一。

因此，在全面把握和详细解剖深圳市交通现状的基础上，结合《指导意见》和城市道路交通的发展趋势和特点，制定符合深圳特点的道路交通信号控制发展战略。基于“统一协议、算法赋能、闭环管控”构建城市交通信号智能统一管控平台，打造全市交通信号“一张网”管控，采用智能的集中式信号调控手段，消除不同信号配时系统信息孤岛问题，实现对全市多品牌信号机的联网联控，构建基于评估推演的全局交通运行诊断分析能力，更精准支撑配时方案优化和自适应信号配时，提升城市交通精细化管控水平。

深圳市交通信号控制现况分析

当前，深圳灯控路口联网率虽已达到93%以上，但在用信号机品牌已达5个，后续随着“大湾区、先行示范区”双区建设定位还有可能增加信号机品牌，将会面临不同品牌信号控制机联控难，线、面协调控制覆盖范围有限的问题，无法满足城市路网管控时空关联强、运行状态多变的需求，无法有效缓解重点路口拥堵常态化现状。深圳市交通信号机各品牌布点分散、协议壁垒等因素制约了信号机联网联控，无法进一步提升区域路网整体运行效率。不同品牌信号控制机相互独立、互不兼容，配时方案、控制方法和理念协同问题是全行业所面临的技术难题。

1、多系统运营成本高、制约调控效率

不同品牌的信号机可能采用不同的操作系统、软件平台和通讯协议，可能导致信号机之间不能相互通讯和协作，导致交通信号灯的控制出现问题。而不同的配时软件平台相位设计理念导致了配时人员的学习成本与管理成本增加，跨平台的操作也制约了配时精细化管理。不同品牌的信号机之间存在协议壁垒，并分属不同的信号管控平台管理，采集的交通检测数据格式和内容不同，交通检测数据难以统一采集和分析，灵活的信控策略难以部署实施。需要在数据采集和处理方面做出额外的工作。

信号机品牌繁多的情况下，系统运维人员需要掌握多种型号的信号机的操作和维护技术，当信号灯路段出现问题时，如果各个品牌的信号控制机使用不同的控制系统，那么故障排查的难度也会增加，需要更多的时间和精力来排查处置问题，这也会影响城市交通的运行效率和安全性，会增加维护人员的培训和管理难度，同时也增加了运维成本。要从根本上实现统一，需要从基础标准、基础方法、基本理念上进行统一与规范。

2、各品牌信号机功能不统一、无法适应管控需求

深圳车辆密度居全国第一，面对日益严峻的交通压力，需要实施“绣花式”精细化管控，充分挖掘路网通行潜力，因此，深圳针对每个路口无论是渠化、交通组织，还是信号灯灯组都因地制宜设计，这就要求信号机在功能上能满足各类路口的管控策略。目前，不同厂商信号控制机对于路口不同控制策略的执行规范不尽相同，特别对于搭接控制、多功能信号灯控制等这类精细化控制。此外，一个路口交通信号的调整可能会影响相邻路口的交通流，而相邻路口交通信号的改变也会影响本路口的交通状况，定时控制方式不能满足交通流量短期波动变化，不同品牌信号机同类功能的执行标准不统一，让配时也难以充分发挥交通信号控制系统的作用。

因此，需要对信号控制系统进行统一的标准化和规范化，以便不同品牌的信号机之间能够有效地协同工作，并且需要采用更加智能化的配时算法和集中的信号调控手段，以适应交通流量的瞬时波动变化，基于全局交通通行规律进行诊断分析，给出科学的优化配时方案和自适应信号配时、组织优化建议，提升全市交通通行效率。同时，还需要加强对信号控制系统的运维管理和安全防范措施，以确保路口通行的安全和秩序。

探索建立基于统一通信协议的集成管控平台

深圳交警顺应需求开展新一代交通信号集成管控平台的探索，多次组织技术专家开展研讨，就智能交通信号灯统一管控系统的技术方案、信号灯控制协议等内容进行了深入交流和研讨，最终确定基于《GBT 20999-2017 交通信号控制机与上位机间的数据通信协议应用指引（V1.0）》扩展补充协议，开发标准协议，打通多厂家信号机之间的协议壁垒，实现各品牌信号机统一接入和管理，标准协议符合国标及行业标准，兼容NTCIP协议。可进行统一配时管理以及信号机方案上载与下发功能，支持阶段和环图两种类型，统一信号机设备接入协议，实现信号机及设备采集端数据标准化接入，统一运维。

1、搭建高度开放、实时交互、自主生长的深圳市交通信号统一集成管控平台

以交通畅通治理需求为驱动，基于“统一协议、算法赋能、闭环管控”的建设思路，率先建立全市跨协议、跨品牌、跨系统的信号联网联控能力和信控动态优化精准支撑能力，实现交通监测主动预警、拥堵问题精准诊断、优化策略评估推演、管控效果多维评价的业务全流程升级，形成面向未来智慧城市交通管控的开放式综合服务云平台。平台架构分为接入层、数据层、应用层，具体如下：

图1：总体架构图

· 接入层：主要包括两部分数据接入。一是针对不同品牌的信号机及前端检测设备数据，通过信息通信协议转换模块，基于标准化的平台接口协议的进行统一注册接入，对接信号管控平台；二是交警业务系统数据，包括视频监控、车牌识别卡口、电子警察数据，通过交警自有业务平台的接口服务，汇聚数据到数据仓库。 

· 数据层：构建数据仓库，对归集的数据进行统一的存储及分析，服务上层业务系统。

· 应用层：提供信号机的联网联控和系统管理模块，包括路口管理、信号机管理、配时管理、方案管理、系统管理等，支撑城市路口交通信控运营管控。

通过网络建立后端控制系统与前端信号控制设备之间的连接，经数据预处理将不同协议格式的设备进行统一数据转换，实现交通信号控制模式协议基本模块搭建、交通信号控制协议的本地应用场景拓展等功能。

融合流量检测、电警卡口、手机信令、浮动车等多源数据，进行数据接入、数据仓库建设、数据资源管理、数据共享交换等功能需求模块。为交通信号控制服务提供统一的数据支撑。构建“状态识别-目标确定-策略制定-方案控制-效果评价”的闭环业务流，确保车流和人流安全、有序、高效运行。根据交通状态，考虑重点区域、主要道路、平假日、交通流量等因素，指导控制策略制定，实现全局最优，可将控制策略分为几大类场景：

· 针对区域拥堵，采用动态调整控制边界、量入为出、控密补疏的策略，平衡区域交通需求和供给，达到充分利用时空资源的目标；

· 针对关联度高的干线，采取弹性绿波控制，结合交织路网感应控制，提升走廊通行效率；

· 针对游离失衡点，根据交通状态的不同自动匹配控制目标，达到平峰通行效率最高，高峰无溢出、排队均衡的目的；

· 针对行人通行体验提升，通过行人专用相位和路口行人绿波，解决人流密集区行人通过效率，通过行人步态步速识别，动态调整行人净空时间，通过夜晚全红即绿控制，全面提升行人过街的安全性和效率。

2、实现“阶段结构”“环结构”两大主流控制架构互联互通

一是通过标准协议栈实现信号方案配置、跨品牌协调控制、信号机运行状态实时监视、设备故障监视、运行日志查看等统一集成管控功能。同时，数据驱动的配时服务全流程辅助设计和决策支持，可基于实时在线交通仿真系统进行城市交通信号管控策略在线推演、管控效果实时监督、管控问题自主诊断，形成基于算法仓的宏观/中观/微观管控策略，可解决不同状态下交通运行问题，逐步实现由“人工决策-辅助决策-自动控制”的转换，同时基于在线仿真系统可对大型活动、突发道路警情进行实时在线推演，快速生成有效方案及时处置。对上实现了与智慧交通大脑及其它系统之间的数据、指令交互，对下实现了主流品牌信号机的接入管理和全功能控制。实现全市跨协议、跨品牌、跨系统的信号统一集成管控。

二是通过交警应用平台统一地图服务数据作为整个信号控制综合平台的基础地图，作为平台其他业务应用模块的基础支撑。实现灯控路口分布地图、显示区域性的灯控路口数量、在线情况信息及管理机构、设备厂商的详细信息、并能在地图上展示路口当前信号运行状态、设备运行情况等信息，各项信息的状态显示清晰，使系统可读性增强。

三是构建高度开放、实时交互的可视化监测模块，建立多指标多类型监测体系和多成因诊断体系，实现配时问题的快速识别与定位构建自学习信号控制评价体系，突破以效率为主的单一信号评价维度，构建安全、秩序、效率、失衡状态等评价指标体系，从多个评价角度对单点、干线、区域交通信号配时优化方案的控制效果进行统一度量、评价，实现控制策略的约束下评估控制效果、配时问题的快速识别与响应，支撑系统向闭环迭代优化方向演进。

四是协同化联控，实现信号机一网统管及联网联控，缓解城市道路交通拥堵。实现全市交通信号“一张网”管控，已经成为未来智慧交通发展的必然趋势。制定统一的通信协议，搭建开放的管控平台，推进主流品牌信号机的接入管理和全功能控制，输出系统性的解决方案，可有效缓解城市交通拥堵。

试点区域应用

为了解决当前交通信号管控中的孤岛现象、信号优化数据融合弱和评估及反馈机制缺失等问题，目前平台已在福田中心区对构建信号联网联控进行了关键技术探索，初步实现多厂商信号机统一接入联网联控，验证交通信号统一管控平台建设技术方案可行。同时，基于雷达数据进行了感应控制试点，成功降低运行周期和排队次数、消除不合理空放情况。另外，通过与光明区和宝安区的信号机试点验证，打通“阶段结构”“环结构”两大主流控制架构多品牌信号机全功能控制，试点应用稳定运行，多轮方案优化效果良好。

1、多品牌信号机互联互通

通过在福田中心区接入44台信号机（3个品牌信号机），并接入了10多个路口配置的检测器，试点验证平台联网联控功能。平台能够实现路口可注册、阶段结构方案可配置可下发、状态可监视、日志可查看等多品牌信号机全功能控制。同时实现多时段定周期方案的配置、信号机运行实时监视、故障上报、同品牌/跨品牌协调控制、感应控制、公交优先控制等控制功能，提升中心区通行效率。按照交通需求特征设置了不同的方案、控制时段以及控制模式。在金田路北、金田路南、益田路试点区分别验证了2个不同品牌信号机在多路口协调控制的运行能力。在海田路北、民田路南试点区，验证了3个不同品牌信号机跨品牌协调控制的运行能力。基于雷达数据，在中心四福华一路进行了感应控制试点。路口感应控制模式下运行周期最大降幅约18%，各进口平均排队次数下降约10%，基本消除不合理空放情况。

通过光明区与宝安区信号机B试点验证“环结构”信号机平台联网联控功能，分别接入了光明区同仁/先能、同仁/融汇及宝安区松裕/区间路口。日常观测阶段持续监控平假日转换及配时方案执行情况，针对子区协调、中心手动控制（特殊控制、阶段锁定、临时方案）功能也进行了跟踪验证，试点路口长期稳定运行。验证环结构功能也具备上线推广应用条件，能够实现路口可注册、环结构方案可配置可下发、状态可监视、日志可查看等多品牌信号机全功能控制。

2、实时在线仿真信号优化

通过汇聚道路交通多源数据，基于实时在线动态交通仿真技术实现路网全要素还原及未来两小时的路网状态精准预测。构建交通信号控制算法库、动态优化引擎，实时识别不同交通需求，为实时信号管控提供重要的OD、路径等数据支撑，打造整体管控策略库、自适应控制算法、全网交通预测推演模块，实现城市交通精细化管控。

在试点区域基于雷达数据，通过在线仿真进行了多轮方案优化，优化后的全部路口各优化时段内总体延误降低了4.3%，协调方向的延误降低了11.2%。验证基于实时在线仿真技术构建分级分类，支持点、段、区域三大类“控制策略+交通改善”整体管控策略库，支持不同信号控制模式，指导基础方案的合理设计，解决信号交叉口交通运行问题。

总  结 

集成管控平台的探索过程中克服了不少难点问题，包括与信号机品牌企业和技术专家等多方组织研讨，共同制定技术协议和标准，解决不同信号控制系统的兼容性问题，确保数据的准确性和实时性，考虑安全机制的设计和防护措施的落地，保障平台的安全运行，适应不断扩大的信号灯规模和不同交通场景的需求，为全市灯控路口“一张网”管控奠定了平台基础，对其他城市智能交通系统建设也具有一定的借鉴意义：

一是协议先行，在平台开发前先召集主流信号机厂商开发标准协议，打通多厂家信号机之间的协议壁垒，统一接入协议，为后续平台开发铺平道路；二是积极创新、谨慎应用。信号控制系统直接控制交通运行，应用需要充分地安全防范机制设计和功能验证。功能层面，先开发基本的单点和协调方案设计、下发等功能，满足基本控制需要，再逐步完善智能控制模式算法和功能；应用层面，先在实验室内进行功能测试，再由点及线及面开展测试，在测试中不断升级完善功能和用户体验。

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*文章转自交通言究社，作者深圳市公安局交通警察支队 陈延鸿，如有侵权，请联系删除。