智能交通在城市信号交叉口应用研究综述

张德凯 秦洪彬

关键词 智能交通;信号交叉口;交通违章监控系统;交通控制管理系统

中图分类号 U495 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2022）04-0017-03

0 引言

城市道路平面交叉口是城市道路的相交处，不同来向、去向的车辆在道路交叉口处反复分流、合流，车流交织的过程中极易发生冲突，从而导致交通事故。平面交叉口也是整个城市道路网通行能力的瓶颈处，车辆在平面交叉口处为避免严重的冲突，存在通行时间上的先后顺序，这就导致了车辆的延误和交通拥堵，使得交叉口处车辆的通行能力明显小于路段的通行能力。城市道路平面交叉口需要解决的两个重要问题就是：减少交叉口处的事故（安全）和缓解交通拥堵（快速通过）。解决以上两个问题的传统方法，一是在交叉口处对路面进行渠化，对道路的空间资源进行分配，使车辆各行其道，避免空间上的相互干扰。二是设置交通信号灯，通过安排车辆在交叉口通行的先后顺序，在时间上将冲突分离开来，通过合理的配时使车辆在交叉口处的延误保持在能够接受的水平。

然而，当面临现实中日益增长的交通出行需求和更为复杂的交通状况，智能交通给出了改善以上问题的新的技术手段。智能交通系统是将先进的科学技术有效地综合运用于交通运输系统，加强车辆、道路、使用者三者之间的联系，从而形成一种保障安全、提高效率、改善环境、节约能源的综合运输系统。在减少交叉口事故方面，交通违章监控系统通过对交通违法行为进行威慑，能够降低交通违法和交通事故的发生，且在没有安装电子警察的交叉口发现其交通违法率也在降低。在缓解交通拥堵方面，交通控制管理系统通过获取道路网中的实时数据动态调整信号控制，以缓解交通拥堵的问题。

该文从交通违章监控系统和交通控制管理系统两个方面对智能交通在城市道路平面交叉口处的应用展开论述。

1 交通违章监控系统

交通违章监控系统俗称“电子警察”。车辆在交叉口处的违章行为多见于闯红灯、超速等情况，容易导致严重的交通事故。“电子警察”通常由检测模块、抓拍相机和闪光灯等构成，通过对违法行驶的车辆进行识别和处理，确保车流安全有序行进。

1.1 应用效用

根据美国公路保险协会2000年的统计数据，在交通违章监控系统没有普及的1992年至1998年间，每年有大约6 000人在车辆闯红灯的交通事故中死亡，此外还有约140万人在该类交通事故中受伤。车辆闯红灯的违法行为一直被认为是导致交叉口处发生车辆严重相撞事故的原因。澳大利亚3个州在1994年至1998年间有15%～21%的交通事故与闯红灯有关。

有国外研究发现，车辆在到达信号交叉口之前以较高速度行驶容易导致在黄灯期间甚至是红灯时通过交叉口。信号交叉口黄灯两难区的存在导致了以上情况的发生，部分驾驶员选择在黄灯启亮后放弃减速停驶而选择继续保持快速通过从而对交叉口的安全产生负面影响。

“电子警察”能减少由于车辆闯红灯而导致的相撞事故（尤其是直角碰撞）。经过驾驶员的学习和了解后，“电子执法”能减少信号交叉口处40%～50%的车辆违法行为;在一些没有“电子警察”的交叉口，车辆的交通违法行为也在减少。然而，在布设交通违章监控系统后，车辆追尾事故却有所增加。“电子警察”的使用使得信号交叉口事故数量降低25%～30%。由于电子执法对驾驶员的威慑作用，安装“电子警察”对绿灯末期以及绿灯初期车辆的闯红灯违法行为都有显著的影响：“电子警察”使绿灯末期、绿灯初期车辆闯红灯违法率分别降低约15%和30%。

尽管电子执法能够有效减少交通事故发生的数量，但一旦发生交通事故，其严重程度往往更加剧烈。此外，电子执法实施后，车辆刮撞行人的交通事故发生更为频繁（事故率增加约17%），这与驾驶员因在绿灯末期、绿灯初期抢红灯加速通过交叉口而不注意行人过街或发现行人后来不及刹车有关[1]。

1.2 应用研究

针对驾驶员注意力集中在道路状况及交通信号上，而无法每次都能注意到“电子警察”存在的情况，研究表明设置提示标志是十分必要的。交通提示标志能够提升电子执法的威慑力，从而降低电子执法环境下车辆的交通违法率。

与发达国家相比，我国电子执法在减少交通事故率方面更有成效。此外，与发达国家安装电子执法设施后“车辆追尾事故增加，但总的交通事故死伤人数下降”的情况不同，我国刮撞行人的交通事故数量明显增加，且事故导致死伤人数的比例也大幅上升。

2 交通控制管理系統

2.1 城市交通信号灯

城市道路交叉口的信号灯是最基本的交通管理控制设施。通过在平面交叉口处设置信号灯，能够在时间上分离车流之间冲突，减少交通事故的发生。由于交通信号灯的存在，产生了车辆的延误，造成了交叉口各进口道的通行能力明显小于对应路段的通行能力。

为了解决这一问题，一方面通过设立待行区等渠化手段增加绿灯期间的车辆通过数量，一定程度上缓解交通拥堵;另一方面，通过设立信号倒计时器提醒驾驶员在红灯末期早做准备以便在绿灯时尽快通过，也可以给予绿灯末期在路段上行驶的驾驶员以时间上的参考，避免绿灯末期闯红灯的行为。然而，也有驾驶员想要在等待期间提前通过交叉口，导致了车辆在绿灯初期闯红灯行为的发生。

研究发现，安装交通信号倒计时器之初，车辆闯红灯的数量相对减少了72%;但是当大部分的驾驶员适应了交通信号倒计时后，闯红灯的违法率又恢复到了之前的水平。

研究发现，在绿灯末期，有交通信号倒计时的交叉口与没有信号倒计时的交叉口相比，其闯红灯的违法率仅增加了2.4%，交通信号倒计时对绿灯末期车辆的闯红灯违法行为没有显著影响;在绿灯初期，这一比例为151.2%，安装信号倒计时会对交叉口绿灯初期车辆的闯红灯违法行为有显著影响，导致绿灯初期车辆的闯红灯行为大大增加。

2.2 信号控制方式

信号控制的方法大致分为点控、线控和面控。点控适用于相邻信号交叉口间距较远的，线控效果差的或者交通需求变动较大，其交叉口周期长度和绿信比的单独控制比线控效果更好的情况;线控是把一条道路上几个连续的信号机在时间上连接起来进行信号控制，通过减少车辆的停驶次数进而降低延误。面控是在大面积的道路网上将多台信号机采用集中控制的方式，对于每一个子区给出最佳的控制周期。

2.2.1 点控

Chen等[2]提出了“基于车路通信环境的单交叉口自适应控制方法”，建立了单个信号交叉口的控制模型。针对单个交叉口的情况，提出运用车路通信的方式获取车辆行进数据，并运用运筹学的方法对交叉口信号控制参数进行调整优化是一种可行的方法。

为解决车路协同环境下单个交叉口自适应控制优化策略，周建山等[3]提出了动态OD矩阵估计模型，并基于交通流模式识别得到了一种控制优化方法。

张存保等[4]给出了单个车辆的延误和停车次数的计算方法，并以整个交叉口范围内车辆的延误和停车次数最小为优化目标，建立了参数优化模型。张存保等[5]通过引入基于时间窗的滚动预测方法，提出了一套信号控制优化流程。

2.2.2 线控

对于一定范围内的交叉口，若交叉口间的距离较近且交叉口处的机动车流量较为稳定，那么可以采用线控的方式通过把相邻几个交叉口的信号控制机设置为相同的周期时长，在确定各交叉口信号控制方案的相位差的前提下实现对车辆通行的绿波带控制。

2.2.3 面控

单个信号交叉口的最优化并不能代表整个城市的最优化，为实现整个城市交通运行的最优化，需要对城市的所有交叉口都进行优化。目前运用最为广泛的是澳大利亚的SCATS系统（悉尼协调自适应交通系统）和英国的SCOOT系统（实时自适应交通信号控制系统）。

彭信林等[6]针对必须通过专用软件才能提取SCATS系统中交通数据的问题，开发了一种SCATS数据采集软件系统，该系统通过SCATS提供的ITS接口采集交通数据并存储于SQL Sever 2000数据库中。

针对国内外车流组成不同的情况（国外为较为纯净的机动车流，国内为混合车流），戎承恕[7]提出要在混合交通流条件下发挥SCATS应有的作用，要做到以下4点：

（1）将优化信号控制与做好交叉口处的交通组织相结合;

（2）提高技术人员对于SCATS系统的应用水平;

（3）提高操作人员的信号调控水平;

（4）通过上下联动实现信号优化配时。

郑楷柱等[8]通过研究SCATS与BRT的结合问题，提出主动信号技术是比较适合设有中央公交专用道形式的BRT。

陈智等[9]根据国内交通状况，基于SCOOT系统对两相邻路口的协调控制提出了四种控制方法，即“两个Junction对应1个Node”“单周期控制”“双周期控制”和“大小周期控制”，可以协调交叉口信号控制，从而提高城市交通系统的运行效率。在系统精度方面，将基于蓝牙的车辆检测技术应用于SCOOT系统是可行的，且蓝牙车辆检测器可以提升SCOOT系统的精度。类似的，运用视频摄像机代替传统的车辆检测器实现对机动车辆的检测，能够在城市交叉口信号控制方面取得比较理想的效果。

刘越伟等[10]开展了基于SCOOT系统的交叉口信号倒计时研究，提出了全程倒计时显示方式。在现有基础上，结合自学式倒计时器特点，对软硬件进行改造优化，能够适应信号机的多种信号控制模式。

3 总结与展望

20世纪70年代，我国开始建设自己的智能交通系统，经过近半个世纪的发展，智能交通系统在信号交叉口的应用已经取得了巨大的成效，对于提升交通安全、提高城市交叉口的运行效率具有显著的作用。同时，也带来了一些新的问题，比如当交叉口信号灯采用倒计时形式时，容易导致刮撞行人事故率的提高以及绿灯初期车辆闯红灯的违法行为增加等。针对这些现象，加强对驾驶员的宣传教育是当务之急。对于交通控制管理，面向城市层面的协调控制是今后发展的重点。随着第五代通信技术的成熟和逐渐商用，加之强大的云计算技术，数据的实时获取、传输、处理能够摆脱滞后性，同时更加快速的数据传输速度能够将处理后的数据及时反馈给驾驶员，人、车、路协同成为可能。

智能交通是建设智慧城市的重要一环，但目前国内很多城市的智能交通系统仍停滞于视频监控等方面，并且与之匹配的智能化管理与智能化信息服务的水平较低，ITS并未完全发挥其活力。因此，加强对交通管理人员的培训、加快建设智能网联平台是智能交通系统高效运行的保证。

参考文献

[1]蒋贤才， 赵紫琴， 裴玉龙. 电子执法对信号交叉口交通违法与交通事故的影响[J]. 哈尔滨工业大学学报， 2011（10）： 84-87.

[2]Cai C， Wang Y， Geers G. Adaptive Traffic Signal Control using Vehicle-to- Infrastructure Communication：  A Technical Note[C]. International Workshop on Computational Transportation Science. ACM， 2010.

[3]周建山， 田大新， 韩旭， 等.基于车路协同的单点信号交叉口自适应优化控制方法[C]. 第七届中国智能交通年会优秀论文集， 北京， 2012： 48-59.

[4]张存保， 陈超， 严新平. 基于车路协同的单点信号控制优化方法和模型[J]. 武汉理工大学学报， 2012（10）： 74+79.

[5]张存保， 冉斌， 梅朝輝， 等. 车路协同下道路交叉口信号控制优化方法[J]. 交通运输系统工程与信息， 2013（3）： 40-45.

[6]彭信林， 王宁鸣， 周剑峰， 等. SCATS数据采集系统的设计与实现[J]. 计算机工程， 2008（24）： 256-257.

[7]戎承恕. 谈混合交通条件下SCATS系统的应用——以杭州市为例[J]. 浙江警察学院学报， 2007（5）： 88-89.

[8]郑楷柱， 梁雪玲. BRT在SCATS系统中的信号控制研究[J]. 城市公共交通， 2008（8）： 39-42.

[9]陈智， 张永忠， 陈兆盟. 基于UTC-SCOOT系统的两相邻路口交通信号的协调控制[J]. 交通标准化， 2010（Z2）： 100-102.

[10]刘越伟， 张海波. 基于SCOOT交通控制系统的信号灯倒计时研究及应用[J]. 交通运输研究， 2012（1）： 145-147.

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