Andrew Hamilton,Ben Waterson,Tom Cherrett,Andrew Robinson,Ian Snell著，王金秋譯

(1.南安普頓大學交通研究小組，英國南安普頓SO17 1BJ；2.西門子，英國普爾BH17 7ER；3.中國城市規(guī)劃設計研究院，北京100037)

0 引言

英國機動車行駛英里數(shù)在過去60年中增長約1 000%[1]，全世界范圍內(nèi)都存在類似的趨勢(例如，美國自從1940年以來，機動車行駛英里數(shù)增長500%[2])。面對道路上越來越多的車輛，控制城市內(nèi)交通流的需求變得愈加強烈，以期最大限度地滿足安全和通行能力的要求，同時盡可能降低延誤和擁堵對環(huán)境造成的影響。

從最早的煤氣信號燈[3]開始，城市交通控制(Urban Traffic Control,UTC)的演變一直受到3個關鍵因素的影響：道路網(wǎng)中車輛數(shù)量的增加、技術的進步(或局限)，以及政策制定者對于可持續(xù)交通最大化的追求。

本文旨在說明，在某一時間節(jié)點上那些主導性的交通控制系統(tǒng)均以其可獲得的技術所達到的承載量來定義，因此，交通控制系統(tǒng)在發(fā)展過程中不得不等待技術的進步來實現(xiàn)性能方面的階段性改變。一個技術進步速度快于交通控制系統(tǒng)開發(fā)速度的嶄新時代正在到來，它將重建政策、技術和交通控制系統(tǒng)之間的平衡關系。

1 過去

1.1 階段一——最初的交通信號燈(1868—1920)

最初的煤氣信號燈脫胎于鐵路設計，只有紅綠兩種顏色。這些信號燈由交通警察手動操控，目的在于改善交通控制器的可見性，因此信號燈的燈柱有24英尺(約7.3 m)高，在道路交叉口的任何一個方向都能被看到[4]。但是，這一系統(tǒng)的問題在于技術方面的嚴重局限性，因為沒有自動控制，道路交叉口必須安排交警值班。不幸的是，英國的第一批交通信號燈沒能運行多久，因為在安裝后不到一個月的時間內(nèi)就發(fā)生了爆炸事件[5]。

在目睹美國和德國的成功之后，英國于20世紀20年代首次引入電力信號燈。使用交通信號控制隱含著一系列政策性目的，其中首要目的是減輕交警在交通管理方面的負擔，因為隨著交通量持續(xù)快速增長，需要越來越多的交警來指揮交通。這是政策驅(qū)動交通信號燈開發(fā)的第一個案例。首先，議員認為這項舉措將有助于改善公共安全；其次，財政方面也有潛在收益：安裝信號燈的花費約為100英鎊，而一個交警一周的工資即6～7英鎊。因此，當?shù)卣畯闹锌吹酵顿Y資金可以迅速回籠[6]。

1.2 階段二——“固定配時控制”(大約為1920—1980)

1.2.1 發(fā)展概況

這一階段是城市交通控制的真正發(fā)端，不斷增多的交通擁堵使決策者們越來越覺察到這一問題的嚴重性，并由此確立了所有信號控制系統(tǒng)的基本目標。早在1964年的《布坎南報告》(Buchanan Report)中，英國的交通擁堵作為一個嚴重的問題開始受到關注，報告預測到2010年英國的機動車保有量將達到4 000萬輛[7]；2009年實際登記的機動車已超過3 400萬輛[8]?！恫伎材蠄蟾妗穼τ诠膭钫畬で笏饺藱C動車的替代交通方式起到重要作用。1969年英國明確提出建設更多的道路并非城市交通擁堵的解決方案[9]；與此相反，艾森豪威爾(Eisenhower)總統(tǒng)于1952年為美國制定了一個通過建設整體公路系統(tǒng)來減少城市交通擁堵的宏偉方案[10]。這展現(xiàn)了20世紀五六十年代解決交通擁堵的迥異策略。但是在這兩個案例中，政策的目標仍然包括由交通控制系統(tǒng)引領以達到希望的結果。

20世紀50年代后期，開始出現(xiàn)通過實施聯(lián)動交通信號來改善最初各自孤立的固定配時控制的建議。這需要確定相鄰道路交叉口的相位差以便能夠產(chǎn)生“綠波”，來減少主干路的交通延誤和擁堵[11]。為實現(xiàn)這種區(qū)域聯(lián)動，多個道路交叉口被分區(qū)定義，這些分區(qū)內(nèi)的信號燈可以在綠信比(split)、周期(cycle)和相位差(offset time)等方面進行優(yōu)化。但是對于固定配時控制來說，如果想調(diào)校準確，信號周期必須是相同長度或者整數(shù)倍，因此在一個區(qū)域里的信號周期通常依據(jù)交通量最大的道路交叉口來確定。

信號周期是一個道路交叉口完成信號的所有相位所需的全部時間。綠信比是在一個完整周期內(nèi)每個相位分配給綠燈的時間。相位差是相鄰道路交叉口為實現(xiàn)交通流的暢通而設置的綠燈時間延遲。最簡單的形式是單向相位差為兩個道路交叉口之間的車輛行駛時間，這樣可以保證當車輛到達下一個道路交叉口時剛好處于綠燈狀態(tài)[12]。如果某一方向的交通量明顯大于反方向的交通量，相位差可以偏重于交通量大的方向(如早高峰時段進城與出城方向的對比)。

固定配時控制可用于構建綠波、給出預先確定的優(yōu)先權，以及應對如足球比賽之類可以預測的特殊事件。但是，固定配時控制無法應對計劃外的事件，例如交通事故或者道路施工。固定配時控制很容易過時，特別是在交通量增長特別迅速的區(qū)域。如果配時方案未能經(jīng)常更新，聯(lián)動所帶來的優(yōu)勢將在3～4年后消失，而方案更新本身可能是一個耗費很大的過程[11]。研究表明，固定配時控制的效果每年會降低約3%，因此，定期更新非常必要[13]。

在(可預測的)高需求的情況下，固定配時控制與很多聯(lián)動控制系統(tǒng)相比在平均延誤方面不相上下，但是擁堵的持續(xù)時間通常會更長。但是，在交通量較低的情況下，固定配時控制的優(yōu)勢微乎其微，因為如果一隊車輛頻繁的錯過預先確定的綠燈時間，反而會造成更多的延誤。

1.2.2 交通網(wǎng)絡研究工具

交通網(wǎng)絡研究工具(TRANSYT)是一款開發(fā)最好并被廣泛應用的固定配時控制設計系統(tǒng)，目前仍然在使用。該系統(tǒng)假設交通流在一段固定的時間內(nèi)已知并且穩(wěn)定不變。TRANSYT使用歷史觀測的交通數(shù)據(jù)進行離線計算，并針對一周內(nèi)的特定日和一日內(nèi)的特定時間生成優(yōu)化方案。TRANSYT通常應用于單獨的道路交叉口，不過也可以用于相鄰道路交叉口的聯(lián)動[14]。英國交通研究實驗室(Transport Research Laboratory,TRL)預測并觀測到，當TRANSYT試用于格拉斯哥(Glasgow)相鄰道路交叉口的聯(lián)動時，燃料耗費減少了3%～5%[15]。

TRANSYT主要由兩部分組成：交通模型和信號優(yōu)化模塊。交通模型代表交通行為，預測一個特定時間方案和每個路段上交通流平均狀況的性能指標(Performance Index,PI)。PI衡量交通擁堵造成的全部損失，是車輛全部延誤和停止行駛次數(shù)的加權組合(Weighted Combination)[11]。模型需要與時間相關的歷史流量信息，同時一組離散模型被用以確定道路交叉口之間的相位差。信號優(yōu)化模塊不斷調(diào)校模型中的信號配時從而得到最優(yōu)PI。數(shù)據(jù)表明，與原有信號方案相比，TRANSYT使整個加利福尼亞州的出行時耗減少了7.4%～11.4%[16]。

1.3 階段三——獨立型車輛感應交叉口(20世紀70年代至今)

1.3.1 發(fā)展概況

20世紀60年代，交通擁堵問題日益顯著，英國政府致力于尋求技術提升。政府為一些研究和開發(fā)的獨立權威機構設立基金，用以尋求問題的解決方案；同時按計劃在倫敦和格拉斯哥進行投資，以提高城市路網(wǎng)的運行效率[17]。

隨著感應線圈的出現(xiàn)并在路網(wǎng)上廣泛安裝，交通信號得以被通過道路交叉口的車輛所觸發(fā)。在英國，孤立的道路交叉口一般都采用車輛感應控制[14]，檢測線圈是國際上最廣泛應用的檢測方法[18]。系統(tǒng)依賴于交通檢測器，可以相應地分配綠燈時間；這一方式與固定配時信號相比需要更多的基礎設施，所以采用車輛感應的道路交叉口需要較高的初始投資，但是相對來說在流量監(jiān)測和時間校準方面可節(jié)省很多開銷。更新改造固定配時控制需要大量的時間和資源的投入，例如，多倫多在決定升級到車輛感應系統(tǒng)之前曾經(jīng)進行估算，如果更新所有的固定配時信號燈，需要耗費30個人年的努力[19]。

感應線圈由纏繞的金屬絲組成，被埋入道路下方，在道路邊緣有檢測器，可以給金屬絲供電，并在線圈周圍形成一個磁性區(qū)域。線圈以一定的頻率共振，這個共振可以通過檢測器進行監(jiān)測，當車輛經(jīng)過該磁力區(qū)域，共振頻率會增加，檢測器就可以監(jiān)測到車輛的出現(xiàn)[20]。一般來說，線圈通常放置在道路交叉口的上游，這樣當車輛被檢測到之后，有充足的時間讓交通信號燈做出反應。

1.3.2 車輛感應優(yōu)化微處理器

車輛感應優(yōu)化微處理器(Microprocessor Optimised Vehicle Actuation,MOVA)是一種高級車輛感應控制器，可以分析各車道的檢測數(shù)據(jù)，并控制信號配置以最小化延誤和停止行駛次數(shù)。整個英國約有3 000個道路交叉口采用MOVA，每年約安裝200個左右[21]。

MOVA被設計成能夠良好應對較低和過飽和的交通流[21]。在道路交叉口飽和之前，MOVA以一種延誤最小化的模式運行，但是當交叉口達到飽和之后，它就會以通行能力最大化的模式運行。由于沒有系統(tǒng)能夠有效處理僅僅因為道路上有過多車輛而造成的飽和狀態(tài)，因此最大化通行能力是一個非常有益的特征。最新版本的MOVA能夠聯(lián)合兩個或更多的交叉口，它們就成為非獨立型交叉口，例如，MOVA可以應用于設有信號燈的環(huán)形交叉口[21]。

2 現(xiàn)狀

感應線圈改變了交通控制的運行方式；但是，因為沒有考慮對相鄰道路交叉口的影響，獨立型車輛感應交叉口(例如MOVA)沒有在城市環(huán)境中發(fā)揮最大的潛力。本章主要指出目前具有發(fā)展?jié)摿Φ耐ㄟ^感應線圈、雷達和紅外線檢測技術的車輛檢測方法，這些都是可以使相鄰道路交叉口實現(xiàn)聯(lián)動而使用的主要技術。

交通擁堵仍被認為是持續(xù)增長的經(jīng)濟問題，但同時也被認為是環(huán)境和社會問題[22]。有評估表明，每年交通擁堵所引起的時間延誤給英國造成的損失大約價值350億美元(220億英鎊)[22]。根據(jù)文獻[23]，2009年美國因交通擁堵造成的經(jīng)濟損失約為1 148億美元(約720億英鎊)。當相關的政策驅(qū)動者為此仍停留在最小化擁堵和延誤時，焦點已經(jīng)逐漸從單一問題轉變?yōu)槿纸嵌鹊娜说囊苿印?/p>

2.1 階段四——聯(lián)動型車輛感應交叉口(20世紀70年代晚期至今)

在交通控制系統(tǒng)中通常被提到的車輛感應系統(tǒng)都是指聯(lián)動控制。全球范圍內(nèi)有很多不同的交通控制系統(tǒng)；有不少理論上的交通控制系統(tǒng)被提出，而本文主要聚焦于已經(jīng)投入商業(yè)化運作并且在很多地方實際應用的系統(tǒng)，見表1。

與階段三獨立型車輛感應交叉口相同，用于聯(lián)動交叉口的車輛感應系統(tǒng)采用在線監(jiān)測措施來優(yōu)化信號配時，以周期循環(huán)為基礎來更好地滿足需求。這些系統(tǒng)可以通過一個中央計算機實現(xiàn)聯(lián)動，例如綠信比、周期、相位差優(yōu)化技術(Split Cycle Offset Optimization Technique,SCOOT)；或者通過智能分配在當?shù)貙用鎸崿F(xiàn)聯(lián)動，例如集成自動化的城市交通優(yōu)化(Urban Traffic Optimization by Integrated Automation,UTOPIA)。中央控制系統(tǒng)使用相對不太復雜的本地控制器，相反，分散型系統(tǒng)給予地方更高的決定權，包括相鄰控制器之間一定程度的聯(lián)動[11]。

所有的主流交通控制系統(tǒng)的運行都是基于相似的基礎：調(diào)整綠信比、周期、相位差來優(yōu)化通行于一連串道路交叉口的交通流[11]。但是，每個交通控制系統(tǒng)都有不同的算法來調(diào)整變量，以獲得更高效的道路交叉口區(qū)域或網(wǎng)絡。

與聯(lián)動系統(tǒng)相比，獨立型車輛感應交叉口在改變交通信號方面有更大的彈性，因為無須考慮對相鄰道路交叉口所產(chǎn)生的影響[27]。然而，如果每個交通信號都獨立運行，那么整個網(wǎng)絡可能存在潛在的問題。在弗吉尼亞(Virginia)進行的一項對比研究表明，與最初的非聯(lián)動感應控制交叉口相比，聯(lián)動感應控制交叉口的車輛出行時間降低了30%[28]。

2.1.1 綠信比、周期、相位差優(yōu)化技術

SCOOT是國際上應用最廣泛的交通控制系統(tǒng)(見表1)，已經(jīng)有超過250個城市和鎮(zhèn)區(qū)安裝該系統(tǒng)[21]。這是一個動態(tài)的交通控制系統(tǒng)，采用實時交通數(shù)據(jù)來確定合適的信號配時。SCOOT通常使用路段上游的動態(tài)線圈檢測器來檢測周期內(nèi)交通流，估算實時需求。SCOOT有三個優(yōu)化過程來調(diào)整信號配時：綠信比、周期和相位差，通過不同頻率和不同程序進行優(yōu)化[11]。一些早期針對SCOOT進行的研究表明，相比最新的固定配時信號系統(tǒng)，SCOOT系統(tǒng)最高可以減少12%的延誤[29]；但是，最近的一些研究表明，與一些典型的沒有得到完全更新的固定配時信號系統(tǒng)相比，SCOOT可以減少高達20%的延誤[27]。

表1 交通控制系統(tǒng)安裝數(shù)量Tab.1 Number of UTC system installations

SCOOT要求高頻率的檢測信息更新以保證配時的時效性，每秒鐘表明車輛出現(xiàn)或者離開的二進制信號都被送達SCOOT。SCOOT依賴參數(shù)的輸入質(zhì)量來保證精確地模擬和反映車輛行為[30]。當車輛速度已知時，檢測器可用于確定事故或者擁堵的發(fā)生，一些典型的輔助軟件與SCOOT共同使用可以更好地處理這些問題，例如，Comet可以給網(wǎng)絡運行者提供非常友好的交互性界面。SCOOT需要進行大量的微調(diào)優(yōu)化決策，通常在一個由100個道路交叉口組成的網(wǎng)絡中每小時會進行超過1萬個微優(yōu)化[27]，因此有大量的信息需要處理。

SCOOT具有系統(tǒng)上的彈性，可以重寫值并為不同區(qū)域、不同時間設置參數(shù)，例如，采用準入政策(gating strategies)以確保某個區(qū)域遠離過度交通量，或者通過公交優(yōu)先措施(bus priority measures)提升公共汽車的準時性和規(guī)律性[11]。如果需要，SCOOT也可以提供不同的公交優(yōu)先權，通過撤回、跳過或延長某個時段來確保公共汽車的通行優(yōu)先權[14]。

SCOOT可以遵從不同時間的交通流趨勢和地區(qū)性的短時間變化。但是，優(yōu)化過程只允許進行綠信比、周期和相位差的小幅度調(diào)整，因此，SCOOT可能會在突發(fā)的交通流變化中受到限制(例如足球比賽)。然而，一項在多倫多進行的研究表明，與之前的固定配時控制相比，SCOOT有效減少了棒球賽之后61%的交通延誤[19]。

2.1.2 悉尼自適應交通控制系統(tǒng)

悉尼自適應交通控制系統(tǒng)(Sydney Coordinated Adaptive Traffic System,SCATS)基于聯(lián)動車輛感應和固定配時控制的整合，使用一系列在特定情況下開發(fā)的固定配時方案。該系統(tǒng)在兩個基本水平下運行：“高水平”，包括相位差方案的選擇；“低水平”，包括不同道路交叉口參數(shù)的優(yōu)化[11]，如綠信比和周期[31]。

SCATS在實時狀態(tài)下運行，有許多分散式控制器。但是，它并非采用完全綜合的設計，而是采用很多小型的相位差和階段配時方案的組合。SCATS依靠漸增的監(jiān)測反饋來隨時間調(diào)整信號方案。系統(tǒng)采用覆蓋本地道路交叉口的中央控制，以便執(zhí)行漸增的配時方案，這些方案可以對之前的交通信號配時進行2%的調(diào)整。每個區(qū)域都需要對某個關鍵道路交叉口進行命名，周邊道路交叉口的配時方案都基于此。每個區(qū)域需要確定檢測流量與飽和流量的比率(V/C)，以便對擁堵水平進行評價[32]。

SCATS通過“結合與分離”確定相位差；有一組外部相位差選項可以使用，“結合”是指兩個鄰近區(qū)域采用同樣的周期。內(nèi)部相位差由周期長度確定，可以由工程師進行調(diào)整[32]。如果道路條件發(fā)生顯著改變，SCATS可以在每個信號周期后改變周期時長。

SCATS可以通過三層系統(tǒng)(高、中、低)為公共汽車或有軌電車提供優(yōu)先權。有軌電車可以獲得最高優(yōu)先權，這表明有軌電車可以跳過某些信號階段從而避免停止行駛；而公共汽車可以獲得中級優(yōu)先權，這意味著可以通過減少或延長某個信號階段來減少公共汽車停止行駛的次數(shù)[14]。

SCATS最大的性能缺點是相位差的優(yōu)化，這會對區(qū)域間車輛的運行產(chǎn)生影響。SCATS是基于停車線的檢測，這意味著系統(tǒng)對于隊列的長度沒有概念[32]。但是，SCATS有一個非常有用的過飽和特性，當?shù)缆妨髁窟_到飽和交通流時，SCATS會將所有額外的周期時長都賦予最忙的相位，以減少擁堵的影響。因此，SCATS能夠很好地適應包括接近飽和流量、復雜的流量以及不可預測的流量差異等類型的大交通流的情況[32]。

2.1.3 集成自動化的城市交通優(yōu)化

UTOPIA是分層-分散交通信號控制策略。目標在于使車輛的時間損失最小化；對公共交通工具給予優(yōu)先權，避免在信號控制交叉口停車。UTOPIA以費用優(yōu)化函數(shù)為基礎，這一函數(shù)基于車輛的延誤和停止行駛次數(shù)、公共交通的延誤以及對基準計劃和歷史信號配時的偏離。優(yōu)化既應用于本地層面也應用于整個路網(wǎng)；本地層面的優(yōu)化基于損耗函數(shù)確定信號配時，優(yōu)化在120 s的時間范圍內(nèi)進行(每3 s重復一次)。在整個路網(wǎng)層面上，損耗函數(shù)要考慮相鄰的道路交叉口，以便建立一個動態(tài)的信號聯(lián)動機制[14]。

UTOPIA有一個三層分級建構系統(tǒng)：

1）本地層面。采用微觀模型評估道路交叉口的狀態(tài)，直接收集可以描述交叉口特征的數(shù)據(jù)(飽和流量、轉彎比例、延誤等)；

2）區(qū)域?qū)用?。采用較籠統(tǒng)的交通模型監(jiān)測整個路網(wǎng)狀態(tài)。這一層面會確認本地檢測，檢查交通數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)之間的變化；

3）城鎮(zhèn)管理者層面。集成由UTOPIA提供的擁堵信息和從其他系統(tǒng)獲得的數(shù)據(jù)，例如公共汽車出行時間。在這一層面上采用宏觀模型，它具有多渠道收集信息和覆蓋整個城市范圍的優(yōu)勢[27]。

UTOPIA的設計思想明確體現(xiàn)公共交通優(yōu)先[25]；因此，UTOPIA結合系統(tǒng)優(yōu)先和系統(tǒng)最優(yōu)化，通過使“綠色窗口”(green window)與公共汽車的預期到達時間保持一致來為公共汽車提供優(yōu)先權。公共汽車定位技術被應用于信號控制交叉口的上游，系統(tǒng)可以逐漸使交叉口適應車輛到達時間。UTOPIA采用在網(wǎng)絡上的關鍵交叉口布設線圈檢測器的方式，檢測器一般設在前一個交叉口的下游[14]。

在都靈(Turin)，UTOPIA對出行時間產(chǎn)生了顯著影響，使公共汽車和其他車輛的出行時間分別降低了20%和10%～15%[11]。UTOPIA表現(xiàn)出對于整個網(wǎng)絡更強的適應性，但是損耗函數(shù)相應地有很多不確定性，因此可能需要常規(guī)維護以保證足夠的效率。UTOPIA主要依賴于準確的出行時間預測和檢測技術，這樣公共交通的優(yōu)先權才能夠得到保障[14]。

2.1.4 實時、遞階、最優(yōu)化、分布式且可實施的系統(tǒng)

與UTOPIA類似，實時、遞階、最優(yōu)化、分布式且可實施的系統(tǒng)(Real-time Hierarchical Optimised Distributed and Effective System,RHODES)的建構也基于三個層次：最高層次將交通量分配至路網(wǎng)以確定交通的基礎水平，這需要考慮交通需求和路網(wǎng)的幾何結構；下一層次基于預測的交通流到達類型以確定信號配時；最后，在道路交叉口層次，對個體交通的運行進行建模。

RHODES對交通的自然隨機行為做出響應[14]。包括兩個重要的階段：“評估及預測”和“決策系統(tǒng)”。第一個階段是基于收集到的上游實際數(shù)據(jù)，第二個階段是所在交叉口的相位差和周期被選定用于優(yōu)化給定的目標(最短隊列長度、每車延誤或車輛停止行駛次數(shù))[11]。

2.1.5 在線路網(wǎng)交通信號優(yōu)化方法

在線路網(wǎng)交通信號優(yōu)化方法(Method for the Optimisation of Traffic Signals in Online Networks,MOTION)有兩個主要的組成部分：MOTION中心(MOTION Central)和MOTION本地(MOTION Local)。“中心”的職能是制定方案，而“本地”可進行調(diào)整[14]。MOTION在四個不同的功能層面運行[27]：

1）數(shù)據(jù)獲取。應用于不同的功能、路網(wǎng)事故識別和起訖點(OD)。

2）動態(tài)交通模型。通過對最重要的個體交通流進行評估以及根據(jù)目前交通狀態(tài)確定的交通分析來實現(xiàn)。

3）優(yōu)化控制變量。通過不斷調(diào)整常規(guī)信號周期和綠信比來確定最優(yōu)綠燈時長。采用排隊模型來試驗和優(yōu)化道路交叉口之間的相位差。

4）決策。將新的信號程序與當前進行比較。如果有顯著改善則改變信號程序；如果僅有微小改進則沿用當前的信號程序。

MOTION對本地和路網(wǎng)兩個層面都有考慮；然而，本地方案能對戰(zhàn)略性的網(wǎng)絡方案帶來多大改變尚不明朗。

2.1.6 全球范圍的交通控制系統(tǒng)

全球范圍內(nèi)有很多在固定配時系統(tǒng)方面做出重大改善的交通控制系統(tǒng)并沒有在文獻中被廣泛討論。新加坡采用的交通控制系統(tǒng)是綠色鏈接決策(Green Link Determining,GLIDE)，這是一個針對各種方法的綠燈時間進行優(yōu)化的動態(tài)系統(tǒng)。與固定信號配時系統(tǒng)相比，GLIDE可使早高峰時段平均出行速度提高8%[33]。

日本采用的交通控制系統(tǒng)是通用交通管理系統(tǒng)(UniversalTrafficManagement System,UTMS)，利用紅外技術檢測車輛并與車輛進行通訊。因此，如果車輛安裝了紅外設備，UTMS可以對駕駛人進行路徑引導，正如長野冬奧會所證明的，安裝紅外設備的車輛比未安裝此設備的車輛運行速度提高了11%[34]。

2.2 關于交通控制系統(tǒng)的討論和總結

在對交通控制系統(tǒng)進行比較時，無論是直接比較還是探討系統(tǒng)與政策驅(qū)動者的符合性，最大的挑戰(zhàn)是缺乏對于兩種商業(yè)系統(tǒng)直接比較的實地調(diào)研資料。在查閱設計者公開出版的統(tǒng)計數(shù)據(jù)時，由于產(chǎn)品的商業(yè)性特征，通常都會有一項偏愛的要素。每個城市都存在差異，而且不同國家間相異的政策也決定了各自不同的需求，同時政策也會隨著時間發(fā)生變化；例如，許多國家的環(huán)境政策鼓勵使用公共交通和自行車代替私人機動車，而另外一些國家則不是這種情況。因此，對于交通控制系統(tǒng)的選擇是專業(yè)性很強的任務。文獻[27]指出促使地方管理機構取舍交通控制系統(tǒng)的一些原因。這些原因在政策和技術兩個方面影響決策：

1）國家標準和偏好；

2）為系統(tǒng)提供的專業(yè)技術或可獲得的支持；

3）在相似的運行條件下有效性的有力證明；

4）安裝、運行和維護的費用；

5）交通特征(交通混合程度、增長率、變化率、擁堵程度)；

6）與檢測系統(tǒng)相關的問題(維護費用)；

7）發(fā)展前景。

當城鎮(zhèn)或城市出現(xiàn)增長時，固定信號配時系統(tǒng)會被某種形式的交通控制系統(tǒng)取代，以提高路網(wǎng)效率。但是，根據(jù)美國交通運輸研究委員會(Transportation Research Board,TRB)的研究，當固定信號配時系統(tǒng)被取代后，交通控制系統(tǒng)較之存在更多運行方面的需求，因為運行交通控制系統(tǒng)需要額外的技術性專業(yè)技能[35]。

交通控制系統(tǒng)與固定信號配時系統(tǒng)相比很明顯有很多優(yōu)點；但是，在TRB進行的一項調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，交通控制操作者表示他們通常沒有被給予足夠時間或培訓來學習如何完整地操作這些系統(tǒng)[35]。如果操作者不能理解如何工作以及重點在哪里，這對于交通控制系統(tǒng)的有效性來說是個嚴重問題，因為當技術進步時，對運用技術的一些額外的考慮也變得愈加重要。表2列出三種不同類型交通控制系統(tǒng)的優(yōu)缺點，同時也列出所需的檢測和通信系統(tǒng)。由于沒有直接比較交通控制系統(tǒng)，不可能很明確、客觀地指出哪個系統(tǒng)是最好的；但是，通過表2可以識別不同系統(tǒng)的優(yōu)勢與劣勢，以便根據(jù)需求來選擇系統(tǒng)。

本節(jié)描述的交通控制系統(tǒng)基于可用技術已發(fā)展成型。目前，受限于所采用的檢測技術(感應線圈、紅外線、微波)，交通控制系統(tǒng)只能對道路上片段的交通狀態(tài)做出響應。為使交通控制系統(tǒng)能夠超越目前的局限，更好地了解道路的狀態(tài)十分必要，這只有通過先進的檢測和通信技術以改進空間及暫存數(shù)據(jù)源才能實現(xiàn)。

2.3 階段五——整合交通控制和智能交通系統(tǒng)((11999977年至今))

目前最先進的交通控制系統(tǒng)越來越多地與其他交通管理系統(tǒng)進行中央整合，從而減少道路運行管理者的工作量并提高路網(wǎng)效率。進行交通控制時有不同的要素需要考慮(見圖1)，通過有效整合，可以減少運行者的參與。這些已通過一系列的技術進步得以實現(xiàn)，多數(shù)技術進步包括改善檢測技術或者改進與駕駛人的通訊方式。

2.3.1 城市交通管理和控制系統(tǒng)

英國交通部(UK Department for Transport)構建了城市交通管理和控制系統(tǒng)(Urban Traffic Management and Control,UTMC)，目的是幫助地方政府從他們集成的交通控制系統(tǒng)和智能交通系統(tǒng)(Intelligent Transport Systems,ITS)中獲得最大效益。UTMC系統(tǒng)的設計允許交通管理系統(tǒng)內(nèi)不同的應用程序相互關聯(lián)、信息共享[36]。這有助于建立一個更加動態(tài)、智能、基于實時信息的交通管理系統(tǒng)。20世紀90年代，英國交通政策主要致力于實現(xiàn)以下目標[37]：1)安全有效的交通系統(tǒng)；2)更好、集成度更高的公共交通系統(tǒng)；3)環(huán)境更可持續(xù)的交通系統(tǒng)；4)交通與土地使用規(guī)劃政策性整合度更好。這些目標可以說相當普通，但是很顯然，整合是這一時期政策的關鍵，這也正是UTMC的目標。

表2 不同類型交通控制系統(tǒng)的優(yōu)缺點Tab.2 Summary of advantages and disadvantages of different types of UTC system

基本上，UTMC系統(tǒng)被認為是模塊化的開放性系統(tǒng)，可以基于交通控制和其他交通系統(tǒng)已有的功能建立并與之配合[11]。交通控制系統(tǒng)是UTMC系統(tǒng)的核心，而通過提供附加信息可顯著增加UTMC系統(tǒng)其他特征的益處。準確且實時更新的信息是成功的UTMC系統(tǒng)的關鍵。例如，操作者可以向道路使用者提供路網(wǎng)內(nèi)擁堵或事故方面的信息并據(jù)此為其重新導航，或者給駕駛人提供城市中心區(qū)可使用的停車設施信息。UTMC系統(tǒng)由很多智能交通系統(tǒng)組成(見圖1)。

對于道路使用者來說UTMC有很多優(yōu)點[39-40]：

1）建議。系統(tǒng)可以給駕駛人提供行程時間建議，例如，使用車牌自動識別相機，可以確定平均速度并在可變信息板(Variable Messaging Signs,VMS)顯示行程距離。

2）警告。通過可變信息板，駕駛人可以得到有關路網(wǎng)內(nèi)存在危險的警告?！皬婏L”信息可以在橋梁上顯示，給駕駛人提供警示。

3）引導。通過可變信息板，駕駛人可以了解道路上因擁堵或事故而產(chǎn)生的延誤。同時，許多城市在城市中心區(qū)的入口處使用停車可變信息板，以便駕駛人對使用何處的停車設施進行計劃。

對于操作者來說，UTMC的一個主要優(yōu)點是建立了國家標準，所以不同的智能交通系統(tǒng)組件之間的通訊交互變得更加容易。標準化是一種政策引導方法，用于處理最初各自獨立的交通控制和智能交通系統(tǒng)之間復雜互動帶來的問題，同時這也給予了地方權威機構更廣泛并有可能更便宜的產(chǎn)品選擇[39-40]。一種通用語言被開發(fā)出來用于更快捷的信息共享，因此，交通網(wǎng)絡可以利用其他形式的通訊方式而不必支付高昂的安裝費用。例如，閉路電視網(wǎng)絡可用于發(fā)送信息[39-40]。當需要單獨的檢測器和通信設施時，智能交通系統(tǒng)的運行費用比較高，而現(xiàn)在，檢測器通常都用于一種以上目的。全感應式交通控制系統(tǒng)的發(fā)展潮流已經(jīng)創(chuàng)造出更加具有競爭性的市場，系統(tǒng)和供應商的選擇范圍都更加廣泛。由于UTMC系統(tǒng)本質(zhì)上是共享數(shù)據(jù)庫的標準格式，因此數(shù)據(jù)之間的交互式操作更加容易。現(xiàn)在已經(jīng)出現(xiàn)了一些系統(tǒng)，例如CUTLAS或者Comet，管理從不同的交通控制和ITS資源得到的數(shù)據(jù)，試圖獲得運行優(yōu)勢[41-42]。

美國也開發(fā)了一個非常類似的系統(tǒng)——國家智能交通系統(tǒng)通信協(xié)議(The National Transportation Communicationsin ITS Protocol)，重點是一系列為使計算機和智能交通系統(tǒng)組件之間實現(xiàn)有效通訊而設計的標準規(guī)范[43]。

3 展望

城市對于實現(xiàn)可持續(xù)交通的持續(xù)政策訴求近期不會改變，其核心驅(qū)動力是保持較低消耗和較小環(huán)境影響。本章將闡述未來一段時間交通控制如何受到即將應用于交通產(chǎn)業(yè)中的技術進步的影響而改變。但是，很顯然，政策措施不可避免地要與技術發(fā)展同步，或者技術滲透的速率將更加緩慢且對路網(wǎng)性能的影響也會更小。交通控制方面技術集成得到改善之后，對于通勤者來說，智能連接的交通網(wǎng)絡意味著更好的出行信息、更少的出行延誤和更少的壓力；對于環(huán)境來說，意味著更少的排放[44]。

圖1 UTMC系統(tǒng)組成Fig.1 Schematic illustration of a UTMC system

3.1 近期可能使用的技術

檢測技術一直在不斷完善，一項由歐洲資助的車路協(xié)同系統(tǒng)(Cooperative Vehicle-Infrastructure System,CVIS)項目對很多新技術進行了測試。這一項目已經(jīng)研發(fā)出一種新的通訊架構，可以使車輛之間以及與周邊設施實現(xiàn)通訊。通訊媒介是通過無線局域網(wǎng)(WLAN)、紅外線、蜂窩技術(GPRS/UTMS)或數(shù)字廣播通訊[45]實現(xiàn)，使整個系統(tǒng)具有最大的潛在適應性。采用CVIS架構和交通控制系統(tǒng)進行的測試表明，車輛可以節(jié)約15%左右的出行時耗，次要道路上每輛車在每個道路交叉口最多可節(jié)約5 s[45]。

在不遠的將來，新的通信技術將對交通控制系統(tǒng)產(chǎn)生重大影響。通過精準的檢測和通信技術，可以迅速定位路網(wǎng)中的車輛，車速也可以迅速被感知。這有助于改善車隊離散模型的算法(platoon disperison modelling algorithms)，以減少不確定性。隨著越來越多的信息和數(shù)據(jù)源對操作者開放，這一領域的研究具有非常大的潛力。同時，如果車輛之間可以互相通訊，當發(fā)生嚴重擁堵時，相關信息可以迅速向上游傳播。歐洲的項目COOPERS采用駕駛模擬器證明當提前獲得有關嚴峻駕駛狀況的警示時，駕駛人會改變駕駛行為，并且平均車速下降了14%[46]。因此，通過獲取這些信息，車輛可以避免加入排隊或進入擁堵區(qū)域，從而使路網(wǎng)的運行狀態(tài)得到改善。

“物聯(lián)網(wǎng)”(internet of things)是另一種可以使車輛收發(fā)數(shù)據(jù)的技術。個體車輛都有獨有的身份信息，可以成為一個信息發(fā)送系統(tǒng)，其他車輛、行人以及交通控制操作者都可以讀取由這個車輛發(fā)送的信息。這些信息可以是車輛到過哪里、將要去哪里、之前行駛路段的天氣如何，以及其他很多可能會被用到的信息[47]。

藍牙傳感器在出行時間估算方面的使用越來越廣泛，倫敦交通局(Transport for London)曾經(jīng)做過試驗，探求藍牙是否可以用于在關鍵的城市主干路上向駕駛人發(fā)送信息[48]。藍牙傳感器存在的一個問題是車內(nèi)的滲透率缺乏確定性，這使得交通流的測算不夠精準；但是，它的確能夠提供很好的車速和檢測方面的數(shù)據(jù)[49]。

浮動車數(shù)據(jù)已獲測試(例如ITIS Holdings plc和Opus[50])，有望在近期成為一種被更廣泛使用的檢測技術。在這種方式下活躍的移動電話可以被用作交通傳感器；由此可推測車輛的位置和速率，從而為路網(wǎng)運營者提供道路條件方面的信息。這種技術的最大優(yōu)點之一是不需要額外的硬件設施；但是，需要開發(fā)一種新的構架來將新的信息源整合到交通控制之中，因為與連續(xù)的數(shù)據(jù)流相比，現(xiàn)狀系統(tǒng)使用的是單一的檢測點。目前，較難對交通控制系統(tǒng)進行標定和校核比較，但是當采用浮動車數(shù)據(jù)時，這種標定和校核將因為數(shù)據(jù)獲取的簡便而變得更加容易[51]。

最近一個應用于高水平交通系統(tǒng)、非政府主導的商業(yè)創(chuàng)新案例是谷歌公司的谷歌地圖(GOOGLE Map)。自2007年以來，谷歌地圖開始為在出行前規(guī)劃路線的使用者提供實時交通信息。它采用眾包數(shù)據(jù)(crowdsourced data)收集匿名者的位置和速度數(shù)據(jù)，由此推測道路狀況[52]。然后谷歌對這些信息處理后以一種可視化的輸出方式來表現(xiàn)道路的擁堵或暢通程度(盡管在2011年夏天這一功能被谷歌以“太不準確”為理由移除[53])。

考慮到數(shù)據(jù)是通過移動電話或者衛(wèi)星導航系統(tǒng)獲取，本文所描述的定位技術存在的最大問題是隱私問題[54]。收集到的數(shù)據(jù)在用來描述道路狀況之前都已經(jīng)進行匿名化處理；但是，大眾不相信或者不能理解收集這些信息背后所隱含的原因[55]。很多公眾想了解有哪些數(shù)據(jù)被收集，是否會反追蹤到個人，為什么交通部門需要這些數(shù)據(jù)，是否會因為這些數(shù)據(jù)而被處罰？這些疑問都需要被著重說明，以便公眾確信自己的隱私?jīng)]有受到任何形式的破壞。

目前，可變信息板是向駕駛人傳遞路網(wǎng)信息的主要方式。然而，當衛(wèi)星導航系統(tǒng)提供實時交通信息變得越來越平常，道路管理者可以通過車載技術向駕駛人提供有關延誤和路線重新引導的任何信息。根據(jù)CVIS項目，未來理想的智能交通系統(tǒng)需要一個具有如下特征的通訊子系統(tǒng)[56]：

1）無論何時何地車輛出現(xiàn)在交通網(wǎng)絡中都可以使用該系統(tǒng)；

2）可以以清楚明確的方式實現(xiàn)車與車之間以及車輛與基礎設施之間的通訊；

3）使用者無須了解通訊方式設置和管理；

4）采用現(xiàn)代互聯(lián)網(wǎng)技術和全球通用標準(IPv6)；

5）為數(shù)據(jù)傳輸速度、通訊距離、費用和其他參數(shù)提供多種可能性。

3.2 階段六——自動化城市交通管理和控制

如果技術發(fā)展的趨勢和政策的成本動因朝向不斷減少交通控制系統(tǒng)的人力需求發(fā)展，一個合理的結論是交通控制系統(tǒng)未來將越來越趨向于一個無須人力協(xié)助的直觀系統(tǒng)，但是可以識別系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生的任何問題并傳送至控制中心。這些自動化系統(tǒng)可以有效管理交通控制系統(tǒng)和智能交通系統(tǒng)技術，減少運行過程中出現(xiàn)的人為錯誤。擁有完全自動化系統(tǒng)的好處是減少費用支出，通過使用類似浮動車數(shù)據(jù)和衛(wèi)星導航系統(tǒng)等這些基于已有硬件設施的檢測技術，會減少對道路上硬件設施(感應線圈、紅外線感應器)的需求，人力資源費用和系統(tǒng)維護費用都將相應有所降低。

在采用智能自動化系統(tǒng)的情況下，如果能夠監(jiān)測每輛車的平均延誤，計算機可以學習如何最好地控制交通信號?；谶壿嫽貧w和神經(jīng)網(wǎng)絡的控制系統(tǒng)已經(jīng)被開發(fā)出來。這種自動化系統(tǒng)在仿真建模方面優(yōu)于MOVA，但還需要在真實的路網(wǎng)上進行測試[57]。

雖然完全自動化的系統(tǒng)很顯然有很多優(yōu)點，但是并不意味著在不久的將來可以完全不需要人的參與。如上所述，目前的交通控制系統(tǒng)還不能進行全盤考慮和預測大流量。若未事先對短時間內(nèi)的大量交通流建立對策，類似足球比賽這樣的事件將給周圍的交通控制系統(tǒng)帶來相當大的麻煩。由于交通流會驟增，交通控制系統(tǒng)將一直需要人為更新這些事件的發(fā)生時間。

目前的交通控制系統(tǒng)也有一個缺點，即需要將路網(wǎng)劃分為比較小的“片區(qū)”(regions)。當一個片區(qū)內(nèi)建立了聯(lián)動之后，隨著交通量不斷增加，片區(qū)之間交界處的交通狀況將變得更加糟糕。由于更好的定位技術和連續(xù)的通訊將有助于建立上游道路狀況更翔實的描述，新技術將能夠改善所有道路交叉口之間的通訊。這一問題帶來的挑戰(zhàn)是構建可以有效使用新數(shù)據(jù)的控制算法。

當對交通管理進行歷史性回顧時，單個道路交叉口的效率可能因整體路網(wǎng)改善而受損。這就是“閘門概念”(the concept of gating)，即有意增加次要道路交通延誤，來維持主要道路較高的通行率和更可靠的出行時間。例如，2012倫敦奧運會期間應用這一理論以改善關鍵性通道的出行時間可靠性[58]。如果控制系統(tǒng)為全自動，對于識別交通癱瘓比人工迅速，因此可以給主要道路以優(yōu)先權從而減少整體的時間損失。當?shù)缆窢顩r接近飽和時，控制系統(tǒng)可以給主要道路以優(yōu)先權從而維持盡可能長的暢通交通流。盡管這改善了道路上大多數(shù)使用者的交通狀況，但是仍然可能給一小部分駕駛人造成較大的延誤，而被認為是不公平的。

3.3 信息豐富性

如果類似于浮動車數(shù)據(jù)和車輛間通訊等新技術在不遠的將來得到應用，以配合交通控制，那么對于交通控制的運行者來說，一個具有典范意義的轉變將是從數(shù)據(jù)匱乏的時代進入到一個數(shù)據(jù)豐富的時代。目前，通過傳統(tǒng)的感應器(感應線圈、紅外線、微波檢測器)只能獲得有限的數(shù)據(jù)，運行者希望了解更多路網(wǎng)信息，無論是通過車輛自動識別相機還是閉路電視攝像頭得到的出行時間數(shù)據(jù)。但是，如果所有潛在的新技術都得以應用，則需要增加運行資源的分配來解釋這些數(shù)據(jù)，否則額外獲得的一些信息將成為巨大的資源浪費。

交通控制目前在考慮使用那些并非專門為其設計的技術[49]。例如，Wi-Fi在歐洲有交通專用帶寬，但Wi-Fi在設計之初并沒有考慮要應用于交通控制。蜂窩數(shù)據(jù)目前在估算出行時耗方面可用，同時，基于智能手機的高使用率有很多應用程序被開發(fā)，并通過眾包數(shù)據(jù)在手機上顯示目前路網(wǎng)的狀態(tài)。衛(wèi)星導航系統(tǒng)開發(fā)之初并沒有預期要為交通控制提供眾包數(shù)據(jù)。然而，交通控制趨向于使用這些并非專門為其開發(fā)的技術是出于財政考慮，這些技術費用低廉且無須額外的基礎設施，或許未來的政策將提倡這些更加經(jīng)濟的方法。

在新的政策實施之前，需要采用成本效益分析工具對這些技術進行評價[59]。收益通常以車輛節(jié)省小時數(shù)、支付意愿和減少的維護成本等形式進行評價，而成本則包括初始成本和運行費用?？v觀本文，政策是以通過施行新技術來減少成本呈現(xiàn)，但金錢不是唯一的影響要素。一個實際的挑戰(zhàn)是對其他效益的量化，但是“支付意愿”的價值在業(yè)內(nèi)已得到廣泛接受[60]；然而，類似道路安全等問題的貨幣評估有很強的主觀性，因此，在決定一個項目的價值之前有必要進行敏感性分析。

在交通行業(yè)內(nèi)信息的傳播方式也在改變；當前不僅僅是本地的相關部門需要收集和傳播信息。社會化網(wǎng)絡對于人們的出行也在產(chǎn)生影響，它是一種與大眾分享交通信息的簡易途徑。許多本地相關部門注冊Twitter和Facebook賬號，以便將有用的信息發(fā)布給本地居民和游客。同時，由于智能手機數(shù)量的增加，有很多應用程序可以向使用者提供實時擁堵信息，方便使用者選擇其他路徑[61]。盡管該產(chǎn)業(yè)尚處于發(fā)展初期，商業(yè)化出行信息傳播(即不是直接由本地權威機構發(fā)布)還在不斷增加，特別是越來越多的開發(fā)以及使用實時數(shù)據(jù)對車載導航系統(tǒng)的支持。

4 結語

由于受到政策持續(xù)推動的技術進步影響，城市交通控制發(fā)生了顯著改變。但是目前的聯(lián)動型交通控制系統(tǒng)仍然受到數(shù)據(jù)的限制，隨著不久的將來引入多種技術改善檢測技術，將使發(fā)展向數(shù)據(jù)的豐富性方面轉變。目前，交通控制系統(tǒng)沒有從已有的數(shù)據(jù)得到足夠的反饋，所以對于改善配置只做了最基本的嘗試(運行者自行決定)。在進行交通控制更新?lián)Q代之前，需要對整個城市路網(wǎng)的檢測和通信技術的改善進行政策性評估。

近期，對交通控制產(chǎn)生重要影響的一個政策變化是歐盟白皮書2011(European Union 2011 white paper)，其中倡導到2050年實現(xiàn)城市中心區(qū)交通系統(tǒng)零碳排放[62]。這可能是政策刺激帶來變化過程的開始。交通控制系統(tǒng)決策方面的潛在改變是每個道路交叉口碳排放的最小化，這有可能帶來社會氛圍方面的重大變化。

下一個階段所需要的檢測和通信技術方面的支持(Wi-Fi、藍牙、蜂窩數(shù)據(jù)、車輛間通訊)均已實現(xiàn)，但是相應的基礎設施和系統(tǒng)建構尚未到位。建設這些系統(tǒng)(特別是從基于基礎設施轉變?yōu)榛谲囕v檢測)需要大規(guī)模的投資，這是進行下一代交通控制系統(tǒng)建設過程中最關鍵的障礙。因此，交通政策也需要進行修改以適應交通網(wǎng)絡方面的這些新技術，但是很不幸，在這些變化完全發(fā)揮作用之前還需要漫長的引導時間(以年計或者以10年計)[22]。這是交通控制發(fā)展歷史上首次不是由政策作為下一階段發(fā)展的驅(qū)動力；直到歐盟白皮書將零碳排放寫入其中，未來將繼續(xù)有并非專門為交通控制設計的新技術出現(xiàn)來引導政策。

未來的挑戰(zhàn)將是如何建立一種更加集成、直觀的交通控制系統(tǒng)，將對人力投入的需求最小化。新技術將有助于更好地了解車輛的位置和目的地；但是，目前的交通控制系統(tǒng)尚不能使用這些新信息。需要構建創(chuàng)新的控制算法來利用新的數(shù)據(jù)源，幫助我們進入城市交通控制變革鏈的下一階段。

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