李克平关系 李克平教授:信号控制的基本问题与关键问题

9月17日,由中国智能交通协会支持,上海智能交通系统产业联盟,南京市智能交通产业协会及深圳市智慧交通产业促进会联合主办的2015中国城市智能交通管理暨科技创新论坛在上海海悦大酒店正式开幕,论坛为期两天进行,主题为大数据、汽车电子标识与交通管理创新。来自同济大学的李克平教授做了《信号控制的基本问题与关键问题》的主题演讲,本文为演讲速记,未经演讲者本人审定。

李克平:各位领导,各位专家各位来宾,大家早上好。我是来自同济大学交通运输工程学院的教授李克平。今天大会组织者请我来讲一个这样的报告,我觉得非常荣幸,在论坛的第一个报告,讲一点关于城市道路交叉口智能化管理和控制的基础问题。

也是抛砖引玉,在我们讨论智能交通、车联网、互联网、云计算未来的交通发展之前,我们先讨论一些关于城市道路交通智能化控制管理的基本问题,可能也是比较合适的顺序。我今天讲几个方面,一个是关于问题的理解,关于城市交通交叉口信号控制管理问题上最近一些时间的教学、科研、实践的体会和认识,也是一个抛砖引玉。

内容可能比较多,只能点到为止,大家如果有兴趣以后我们还可以做一些深入地讨论。包括几个方面,主要是关于信号控制的基本问题和关键问题,另外是介绍几个典型的案例,给大家做一个展示。

关于城市道路智能化交叉口的信号控制和管理,所谓的智能化,从控制的角度来说首先它是一个反馈控制,从交通信息采集、信息处理、方案优化、信号控制,交通流的表现经过采集以后又反馈给控制系统,所谓的反馈控制的模式是智能化的基础。

我们在城市交通交叉口信号控制的过程当中,采用历史方案库的模式进行智能化的控制和管理是基础,更进一步的智能化是基于预测模型式的对交通过程建立模型分析,在控制的背后有一个模型,更智能化。我们经常说的实时感应模式,或者自适应模式,对交通流的适应更直接、更实时、更快速地反应,这是更智能控制的模式。这是关于城市交通信号控制的几种不同的智能化的程度。

在这里提的关于智能化的控制和管理,我的认识是需要一些前提和条件,我认为对城市交通的控制和管理首先要有一个合理的平面规划设计、交通组织管理、交通参与者的遵纪守法,这一些问题是做好城市交通控制和管理的基础和条件,甚至是一个前提条件。

没有这样的前提,后续的一些智能化管理可能就不容易产生好的效果。在这个过程当中,我们认为精细化设计和控制的一些思想是实现智能化管理的必要途径,这里就不细说关于精细化和非精细化的区别,精细化反映在具体化,而不是同质化、模式化、表面化的思路。

我这里先给一个案例,这样的两个城市道路交叉口,这样的交叉口搞交通管理的各位都不陌生,我了解今天来到这里开会的很多都是第一线做交通管理的有丰富实践经验的工程师或者专家,对这样的路口大家司空见惯,觉得很标准。

这里有一些不够精细化的地方,比如说看起来这是很规整、标准的,但是出现了4个直行车道对着两三个出口车道,这样的一种设计显然会导致运行过程当中产生冲突。

关于精细化的设计,我们觉得应该至少是车道的功能匹配、交叉口整体布局,机动车、非机动车和行人能够空间上合理地安排和规划设计,使得车、人、自行车、非机动车能够各行其道,然后在这个基础上来进行信号的设计才是有保障。关于信号的一些精细化的设计,我可能后面还会具体说一下。

我们认为在做城市道路交叉口精细化信号控制管理的过程中,一个非常重要的保障是关于设计控制的一些技术规范和标准,这几年在大家共同的努力下,我们分别编制了城市道路交叉口规划规范、设计规范,包括平面交叉口规划与设计规范等等,但是至今还缺一个信号控制的规范,这个事情我们在参考国外的一些情况,包括美国、德国、日本、澳大利亚,他们在上世纪60、70年代纷纷已经提出各种各样的标准手册或者规范,我们现在还有一些缺口。

去年我们给安徽省编制了一个地方的城市道路交叉口的规划规范,在这里给大家做一个预告,这个规范已经完成,正在做行政审批,可能在不久的将来会正式出版。这里我引用一张无锡所孙正良副所长做的关于城市道路交叉口方面的调查,中国目前已经有不少道路交叉口的一些规范,但是这些规范大部分是集中在设备、设施上,但是对信号设计的方案设计规范有不完整、不完善或者缺少的地方,所以我们和安徽省的交警总队、科技公司合作,去年编制了国内第一本城市道路交叉口信号设计的规范。

这里做一个简单的介绍,规范包括11个章节、4个附录,以及包括两大部分的内容,一个是关于信号控制的基本问题和五个关键问题,后面我会给大家做一个大概地介绍。我们在规范当中是经过一些分析研究怎么认识的,提出什么样的规定或者规范的表述。

关于信号灯色,在座的很多是这方面的专家,有各种各样的,五花八门信号的表示形式,有一些是合理的,但是有一些是不合理的。经过我们对大量现实采用信号的形式和国外的一些标准规范做了一些对比和分析,我们认为在信号灯色基本问题上,从灯色本身的规定或者定义来说,红和绿基本上没有什么大的问题,但是对过渡灯色这个当中我们在现在的情况下还有一些认识上的误区和管理上的误区,规范当中对一些信号的过渡灯色做了一些规定,比如对黄灯,前段时间公安部和各地的公安管理部门对这个问题提出一些新的规定,至今还是有一些认识上的不同意见或者误区。

我们经过分析研究和研讨,提出来黄灯期间的规则应该是已经接近停止线无法安全自动停车的车辆可以继续行驶,其他的车辆应该停止。

黄灯期间能停的要停,停不下的可以走,这是科学分析问题得出的结论。在这个基础上,黄灯时间的设置应该是以3秒为一个基本的数字,如果是限速超过50公里应该增加1秒或者2秒,关于红灯 黄灯,在绿灯之前设置一个是有好处的,时间不宜过长,3秒左右。

但是关于机动车信号的绿闪和红闪,我们规范里面给出一个建议,绿闪时间3-5秒,红闪建议不宜使用。关于非机动车,黄灯信号应该是采用2秒,关于行人信号里面我们提出一个建议,也想和各位做一个讨论,行人过渡信号现在用的是绿闪,但是我们经过调查分析觉得这个绿闪的信号没有被交通参与者正确地认识,行人过街的行为并没有按照绿闪本身的含义,所以我们觉得绿闪的信号有不妥的地方,因为绿闪,不管闪还是不闪,首先是绿的,我们从小受到的教育是绿灯行、红灯停,所以绿灯期间让行人停止进入交叉口,可能从逻辑上来说是有一定问题的,认识上来说也有问题,我们调查是大概99%的行人是不遵守这个规则的,我们这里提出来的建议是行人过渡灯色应该用红闪不应该用绿闪,不知道是不是有好的效果,我们拭目以待。

不知道今天有没有从银川来的交警同志,银川用的是红闪效果比绿闪好得多,这是我知道的国内第一个城市用这样的行人过渡信号来进行交通信号控制管理的。

倒计时。因为国内用倒计时的城市得很多,但是我们觉得倒计时有利有弊,弊大于利,不宜采用机动车的绿灯倒计时,如果因为行政原因和各个方面的其他原因必须采用的话,我们觉得不宜超过5秒,可以采用3-5秒绿灯倒计时或者绿闪的提示,不用太长时间的绿闪,太长对交通控制和感觉是不利的,结果会导致绿尾期间车辆过街车速的离散性,这种离散性会影响交通的安全和效率。

关于信号周期,我们觉得应该有所控制,不应该把信号控制的周期设计得很长,最大的信号周期,我们觉得150秒应该可以对一个大型的交叉口进行很好控制,这里关于最小绿灯时间有常规的要求,大家可能都很熟悉。

我们在规范当中提出来一个最大红灯的限制,特别是对行人和非机动车,要是红灯时间过长,不利于对交通秩序的管理。对机动车也应该有一个最长红灯的控制,使得等待的时间、延误的时间得到相应地控制和管理。

关于交通冲突的问题。我们处理城市道路交叉口主要的问题,面对的是许许多多的交通冲突,把各种各样的交通冲突通过分析、设计,由混乱的局面进行合理地规划以后使得冲突数量可以大大减少,然后给后面的控制和管理创造一个很好的条件。这是对冲突的认识和理解。

关于绿灯间隔时间。信号控制当中非常核心的基本问题或者说是安全和效率的焦点问题就是绿灯间隔时间,它的定义本身是下一个向位绿灯结束和绿灯开始,这一段时间是保证安全的时间,如果这段时间做得不好,或者影响交通安全或者影响交通效率,这里有几张图片给大家做一个展示。

在这里有一个非常大的交叉口,这两个灯现在是红灯,但是这个灯已经亮了,红灯黄灯,告诉驾驶员绿灯马上要亮了,特别是公交车的驾驶员,看到红灯 黄灯,接下来是绿灯,他离开交叉口还有一段距离,就可以不踩刹车直接过。

有时候这样的驾驶行为过一两秒,这里变绿灯了,公交车继续前行,没错。但是大家看到这时候过来了一辆非机动车,这个非机动车错了吗?也没有错,因为刚才是红灯 黄灯非机动车过来是绿灯期间,或者绿尾或者黄灯时间,最后的结果是发生了严重的交通事故,为什么会发生这样的事故?这是刚才录像的截屏。

我们再用一个动画做个演示,假如这个地方的绿灯结束,黄灯起亮,机动车在安全时间里面通过交叉口,但是非机动车因为它的清空速度比较慢,要是这段时间设置不够的话,就会产生我们刚才看到的产生事故的原因。

我们怎么设置呢?要把安全时间留够,不是按照机动车的清空来设计绿灯间隔时间,而是要按照非机动车和机动车之间的冲突关系它的清空需求来设计信号,才能保证它的安全性。

根据我们的分析,在交叉口不同的冲突组合里面,现在大部分的城市设计全红时间用的是2秒,我们以这个为基础进行分析,有不少的冲突关系是因为绿灯间隔时间缺乏,比如说这对关系缺1,有的缺4秒,有的缺3秒,有的应该多一点,有的应该少一点。

如果我们把所有的全红时间全部定2秒,在一定情况下是不够的,会产生刚才说的严重冲突。基于这种分析,我们提出了关于绿灯间隔时间计算的一般性方法,一个是一般化的计算方法,一个是精细化的计算方法。

一般化得我们把清空距离和进入距离的差值作为一个变量,做成一个表,根据不同的清空和进入的情况做成一个表,设置绿灯间隔设计,才是一种比较精细化但还不是非常精细化的一种方法,也就是介于精细化计算方法和我们目前普遍采用的方法之间有一个比较准确的设置的方法。

我们在规范上列出了这样的意见和建议,希望对大家有一定参考价值,在使用过程当我们也希望能够得到一些应用情况的反馈。

精细化的计算方法,我这里就不多介绍了,更精细化的是完全按照清空距离、进入距离、清空速度、进入速度进行严格计算的计算方法,在目前常规交叉口的条件下,这种精细化的计算不一定是必要的,但是一般有轨电车通过这个交叉口,这个时候精细化的计算就成为必要的,因为现在采用的这种方法是基于交叉口自组织模糊的控制和管理的模式是有效的,但是有轨电车进入交叉口以后,这种模糊的自组织的特征会产生它严重的问题,因为交通参与者和有轨电车之间是很难互相避让来避免互相之间的冲突。

有轨电车是不能走曲线大的轨道,所以有轨电车进入交叉口,对交叉口提出的精细化的要求要高得多。

另外关于时空一体化的问题。这是德国一道路非常复杂的交叉口,因为空间上的不足,有机动车和公交车要通过交叉口,进口车道数比出口车道速多一道公交车道,这个时候通过信号的方法让公交车先走,因为出口道只有3条,左转车也有3条,用信号的精细化控制,大家刚才看到公交车刚过,才把机动车的绿灯打开,实现了交叉口空间和时间的充分利用,这个前提条件是要求我们时空一体化、精细化的设计。

这是13年公安部和城乡建设部共同发布的一个通知,关于城市道路交叉口的规范设计和控制管理要一体化,这也是体现了时间、空间一体化的要求。

刚才说了关于我们城市道路交叉口设计当中的基本问题,后面关于五个关键因为时间关系不能详细介绍,选择重点的给大家做一点介绍。

关于行人和非机动车的控制,我们现在发现行人过街与非机动车的控制对一个交叉口来说是非常重要的,行人二次过街,让行人在中间有一个停留,一次过不去两次过,如果中间没有安全道,行人过街距离很长的话会在中间聚集,对行人来说很不安全。

我们的建议是如果人行过街道比较宽的话,应该设置行人信号灯,把行人过街在空间上分成两段,但做好了行人过街的时间协调,大部分的行人可以一次过街,只有少量的行人才会在中间的道上停留,不是说二次过街让所有的行人过街都要停一次,我们只要把时间、空间关系设计好,行人其实是一次过的。

干线协调的信号控制,要有一个认识,城市道路的交通控制和管理,干线协调是非常重要的。从需求的角度,在座的大部分人都是自己有驾照,开过车,如果在干道上行驶,过一个交叉口要停一次,如果协调好,连续过几个交叉口而不停车,这是一个非常好的事情。

但是实践上以往一直说的是单向的绿波协调,但是双向绿波能不能做得到,需要交叉口的间距合适才能做到双向绿波,但是这个概念我们在实践和研究过程当中觉得可以通过一些办法处理解决的,实现一个比较良好的双向绿波。

干线绿波是实现城市道路控制和感觉优化的非常重要的地方,甚至比我们有时候强调的区域自适应信号控制更重要。

关于精细化设计的案例,这是我们在眉山市做的非常复杂的畸形路口,把这样的空间定义为三个交叉口,对它的机动车、行人、非机动车进行规划设计以后,合理地区划交叉口,给后面的信号控制提出好的基础和条件。另外分析前后两个交叉口的交通流,进行合理协调。

单方向的协调容易,这么复杂的要经过精细化考虑,进行上下游的协调。红框指的这块地方长度大概只有20米,非常敏感,节奏稍微出一点问题就会堵死,时间和空间上的配合必须要非常精细地进行设计。

这里有一个技术和方法,用微观仿真的技术和方法对设计的一些思路、方案进行验证,在方案落地之前进行评价,然后发现瓶颈和问题,进行问题的分析,提出更好的方案。最后落地的方案才是一个比较适用的比较好的方法,我们在这里采用了这种方法,取得了很好的效果。

大家看到行人过街是一次过去的,大部分行人,可能只有很少的行人才会在路中间停留。另外给大家看一个欧洲的案例,火车站前面,包括有轨电车、机动车、行人非常复杂的情况,经过精细化的设计以后,可以使得这里的交通流得到很好地考虑和兼顾,公交优先,自行车和行人的保护,对机动车的交通也能够得到兼顾,精细化的时间和空间的设计体现得非常重要。

最后我给大家介绍一个我们在新的规范里面提出来的比较重要的方法,干线绿波的协调我们怎么做。如果这里有8个路口,一条干道,对8个路口的干道进行绿波设计。第一,我们对这个交叉口进行最佳周期的计算,我们可以算出来,信号周期的需要是不同的,从最小的49秒到最大的116秒周期的需求,对每个交叉口进行相位、相序的设计,我们可以得到八个方案。

按照这八个方案把时间、空间、关系做成这样的一个绿波带,单方向的绿波很容易形成,问题是后面双向绿波我们怎么做。

我们可以挑选一个关键交叉口,南北或者东西两个方向的绿灯可以在一个相位里面,焦点是在中间,按照单向绿波协调的速度40公里每小时,反向绿波我们期望的协调速度是50公里每小时,按照50公里每小时我们可以划一条交叉线。

在另外的交叉口我们可以找到焦点的位置,根据焦点的位置不同来调整信号的相序,如果焦点在两个交叉口位置比较近,我们按照一定的模式来调整相序。这样调整相序以后形成的双向绿波就可以形成一个比较好的双向绿波的关系。

当然这里面还有一些微调或者细调,主要的方法就是根据这样的一个设计流程来对相序进行调整,它一定能够形成一个比较合适的双向绿波。这是我们经过分析研究和实践得出的结论,不在于上下游交叉口之间的位置,没有说一定要求上下游交叉口之间的距离要均匀或者有一些确定的上下游的距离,并没有这个约束。

最后有几点想法,在我们国家城市道路智能化的控制管理当中,现在我们有一个问题,比较片面地强调硬件的投入,缺乏科学合理的交通设计,只有科学合理的交通设计才能实现硬件系统效能的充分发挥,这一点认识还是不足的。

我们在管理上,在运行和维护人员方面还是有不足,或者各个地方的人员投入还是有限,要建立信号控制系统运维的长效机制是一个重要的方面。后面可能有不少专家同行讨论关于车联网、互联网等等智慧化未来的交通,但是我们还有很长远的路要走,现在有一些基础的条件我们还是很落后的,这些没有做好会限制我们智能交通管理的水平。

这是我抛砖引玉提出的一些关于最近几年在研究应用当中的一些体会和想法,希望大家提出批评和指正。谢谢。