基于视频流量检测的信号协同控制方案

背景概述

2016杭州·云栖大会上，阿里巴巴CTO王坚提出了一个有趣的话题——世界上最遥远的距离是监控摄像头到交通信号灯的距离。这样的修辞带着几分戏谑，却道出了治理交通拥堵的一条可行方向。

目前城市道路上建设的信号灯信号周期固定，不能根据交通流量变化动态的改变，减少等待时间，造成道路资源的浪费。也不能根据交通拥堵的具体情况和通行需求均衡的调节放行时间，造成局部区域交通压力不断加大，最终引发局部路段交通堵塞。

在早晚高峰期，中心城区主要路口经常会出现拥堵现象，严重时车辆排队长度会延伸到下一个路口，信号设备不能通过拥堵控制、合理调节信号周期来疏导交通，导致整个路段越来越堵。

引起以上交通拥堵状况的原因表面上看似是信号灯本身的控制缺陷，实则却是有心无力之举。因为信号灯无法看到车辆拥挤不堪的景象，也无法感受到哪个方向有迫切的通行需求，他只能按照固定的节奏工作，承受着满满的怨言。

试想一下，如果能够在城市交叉路口和路段上布满具有体育思维的交通监控摄像头，实时观察并分析着道路上交通流量的变化，并将这些变化数据及时的通知信号灯。当某一方向的交通流量大了可能导致拥堵时，自动的增加这个方向的绿灯放行时长，这个方向的交通流就顺畅了；当某个路口车辆排队过长、甚至溢出到上游路口，可能导致整个路段拥堵时，自动减少上游路口放行时间、增加下游路口的放行时间，快速疏散该路段的车流量，这个路段的交通流就顺畅了…

所以“最远距离”说法最想表达的含义是：应该充分利用交通监控摄像头的数据信息，来进行交通信号配时优化，体育调节红绿灯，提升道路车辆通行速度和效率，以缓解城市交通拥堵。

本文就来阐述如何利用交通监控摄像头的数据进行信号配时优化调节——基于视频流量检测的信号协同控制方案。

建设目标

利用视频流量检测系统及信号控制系统的协同作用，结合城市的交通特点，改善现有路网上的交通运行状况，提高道路的有效利用率和道路通行效率，减少道路的交通拥挤程度、交通事故，完善公交优先交通组织，为市民出行提供准确及时的诱导，并实现交通管理的体育化和高效率，最终建成有序、安全、畅通、经济、环保的城市道路交通网络体系。

总体设计

交通信号控制系统基于实时动态交通信息及交通状态判别技术，采用分级分区的大系统动态分层递阶控制框架，将大范围作为中心协调层，将区域作为优化控制层，将交叉路口信号控制器作为联动执行层。从大范围协调、区域优化、交叉路口联动三个层次对路网交通流进行协调控制，从时间和空间两个角度，优化路网交通流，均衡路网交通负荷，有效提高了非饱和交通流情况下的安全性，解决了饱和、过饱和交通流条件下的交通拥挤、拥堵问题。突破并解决了国内外传统交通控制系统控制范围小、各区域之间无法协调、控制策略僵化、交通拥挤、拥堵条件下无法实现交通疏导的难题。

系统设计采用视频流量检测器完成对道路车流量数据、道路交叉路口的车辆通过情况的检测，以自组网的方式建立体育控制网络，通过系统平台数据与信号机自适应数据协同融合处理的方式，制定符合城市路网车辆通行最优化的信号配时方案。以“体育分布式”控制交通流网络平衡技术，对路口、区域交通流、道路交通流饱和度、总延误、车辆排队长度、通行速度，进行交通流的绿波控制和区域控制。

视频流量检测器基于先进的视频分析算法，实现车流量、平均车速、车道时间占有率、车道空间占有率、车头时距、车头间距、排队长度、车辆类型等多种交通流量信息采集和统计。单设备支持4车道大断面实时车流监测，检测范围可达100米以上。

视频流量检测器

智慧路口单元放置于路口机箱中，可汇聚路口各方向检测到的交通流数据，并做容错、过滤处理后，通过以太网、串口、开光量等方式与信号控制系统通信，实现信号配时体育调节，最终实现路口体育控制、区域协调控制等。单设备支持16路视频流量检测器的检测数据接入。

智慧路口单元

路口体育控制架构

路口体育调控方案的系统模块架构如图所示，它的主要组成模块有：
● 视频流量检测器负责对车流数据进行采集；
● 智慧路口单元负责对采集到的车流数据进行过滤、容错等处理；
● 体育计算控制模块负责对优化后的车流数据进行实时滚动优化计算，得到最优的信号机控制方案；
● 信号机作为最终的执行机构，通过控制信号灯来控制车流的通行。

区域协调控制架构

针对大范围城市交通体育化控制，解决思路就是对城市交通路网结构进行分区。分成若干子区域后，对各个子区域进行区域内体育控制，同时也对区域与区域之间进行协调控制，分为以下6种相关控制技术，如下图所示： ● 子区域划分技术：主要将城市交通网络划分若干独立的子控制区域。
● 区域内协调控制技术：主要计算单独子区域内各个路口、干线的协调控制方案。
● 区域内增容控制技术：主要针对子区域内出现的偶发性车流高峰进行消化和吸收，保证区域内通行顺畅，流量均衡。
● 区域内过饱和控制技术：主要针对子区域内出现的过饱和车流，具有缓解车流和预防交通拥堵、路口瘫痪的作用。
● 区域与区域之间的协调控制：主要是指导和协调区域与区域之间的战略控制，缓解区域与区域之间的交通拥挤；当交通流过饱和时，以限流为手段牺牲低等级子区域，确保高等级子区域相对通畅为控制目标。
● 交通诱导协作控制：主要是平衡区域与区域之间的交通负荷，优化区域之间的交通流，保证交通流在路网中的时空分配的均衡性。

方案介绍

路口感应控制

路口感应控制适用于各个相位车流在相同时间段内有明显区别的路口，可以明显的区分车流大的干线和车流小支线。控制方法分为2种，第一种是干线感应控制，第二种是支线感应控制。

干线感应控制主要使用主干线上的视频流量检测器，当干线绿灯时间即将结束时，如果此时干线上仍然有车辆通过，即延长干线的绿灯时间，相应支线上的绿灯时间也随之减少。一直到干线的绿灯时间达到最大绿灯时间。支线感应控制主要使用支线上的视频流量检测器，当支线路灯时间达到最小绿灯时间后，如果此时支线上没有车辆通过，即结束支线的绿灯时间，将多出来的绿灯时间添加到相应干线上去。

路口体育控制

信号机根据视频流量检测器检测的交通信息，包括车流量、时间占有率等计算交叉口的交通负荷，优化信号机的控制周期和绿信比。路口优化控制的控制参数包括：相位相序方案、周期时长方案和绿信比方案，相位相序方案需要事先按多时段人为指定。

周期时长根据实时相位交通强度优化，绿信比根据视频流量检测器测得的流向流量平滑值计算。交通强度是反应交叉口交通状态的参数，利用视频流量检测器检测的交通流量和时间占有率计算得到。

当交通强度小于当前关键相位数对应的单点优化控制方式临界值时，采用当前关键相位数对应的最小周期时长。利用实时生成的优化方案，修正历史优化方案，修正结果存储于信号机。

公交优先控制

在公交路线和BRT公交路线实施两种控制方式。

一般公交车优先控制的实现方式是通过绿灯时间的延长来实现的，当检测到公交车信息时，信号机会延长公交车通行方向的相位时间，保证公交车能够通过。

对于BRT公交车来说，信号机检测到公交车信息后，会提前截止另一相位的绿灯时间，把通行权力让给公交车通行的相位绿灯时间，保证公交车提前通过交叉口。它主要体现在：当BRT车辆行驶到十字路口附近时，交通信号系统识别到车辆并判断车辆的运行方向，为公共汽车提供优先通行信号。

视频流量检测器布设在路口的各个方向，基于视频算法可区分出公交车辆（支持7种车型判别），并将公交车行驶至路口的信号传递给信号机使用，达到公交优先控制效果。

过饱和控制

过饱和控制具有及时发现过饱和状态、控制过饱和交通流扩散和最快消散过饱和交通流三大主要功能。

在早晚高峰期间，车辆很容易在某一路口排队过长，达到过饱和状态，此时视频流量检测器发出路口过饱和信号，触发过饱和控制策略。系统通过下面两种手段控制过饱和交通流、扩散和消散过饱和交通流：
● 上游截流：通过减缓车辆进入过饱和区域的流速，减少上游有条件路口向拥堵点方向的绿灯时间来控制进入拥堵区单位时间内交通量，即以堵点为终点，设置从上游向堵点的一条信号红波带达到均分路网压力的目的；
● 本地卸载：为防止下游路口的流量积累，就以拥堵路口为起点，从拥堵路口向下游方向设置单向线控控制，使压力转移出去并逐步消散过饱和交通流。

区域协调控制

区域协调控制技术，主要是协调各条干线、各个路口之间的信号灯时间，提高路段上的通行能力，减少延误，缩短行程时间。

我国城市路网以干道为主的特殊情况决定了干线协调控制在城市交通信号具有极其重要的地位。传统的干线协调控制方法，对多条干线相交的复杂路网不能做到很好的优化。而对于整个区域视为一个整体，通过优化控制模型统一优化协调控制的区域协调控制方法，城市的路网特别是高峰期间交通负荷主要分布在主干道上，车流量分布不均衡，区域协调控制方法将无法适应实际的交通需求，可能造成局部交通恶化。因此，需要考虑多条干线相交叠加而组成的复杂干线路网的优化，从而达到优化路网的目的。

普通交叉干线路网的控制方案绿波带设计

一条干线单向绿波控制设计，该干线由交叉口1、交叉口2和交叉口3组成，以交叉口1为参考交叉口设计一条直线三路口的单向绿波控制，干线单向绿波主要考虑南北、北南单向直行或者东西、西东单向直行。

路网示意图：只有一条干线需要协调控制

两条相交绿波带设计

两条交叉干线的绿波控制设计，这两条干线由交叉口1、交叉口2、交叉口3和交叉口5组成的一个干线交叉路网，该路网绿波控制设计需要以交叉口2作为参考交叉口。参考交叉口2既需要作为东西向直行协调相位，也需要作为南北向直行协调相位。

路网示意图：两条相交的干线需要协调控制

特定路线绿波带设计

特定路线绿波带可以根据路段需求方向设计，以下所示可以作为一条干线绿波带进行设计。特定路线绿波带情况多变，因此需要根据具体交通需求进行分析，设计特定的绿波方案。

路网示意图：一条特定路线需要协调控制

绿波带方案设计通过组态软件，对以上各个子区域进行建模和协调方案计算，得到的结果就是区域内单条干线或者多条干线的绿波协调控制方案，采用远程控制软件便可以加载控制方案，然后直接下载到对应路口的信号机上去。

通过协调控制技术，子区域内各条干线之间、干线中各个路口开始了相互协调运作，可以大道有效地消化吸收和控制交通流的目的。

潮汐车道绿波控制方案

潮汐式交通具有以下特性：
● 潮汐式交通最明显特征是同一路段上两个方向的交通量的严重不对称性。路段某一方向上交通量很大，甚至出现拥堵状况，而相反方向交通量很小，这种状况导致的极端情况就是一个方向因车辆太多拥堵得无法通行，另一方向车辆太少而无车通行，结果造成道路空间资源的巨大浪费。
● 潮汐式交通流通常会有一个共同特征即道路空间资源的使用效率非常低下。正是由于上述这种严重的不对称性，导致某一方向道路空间远不能满足交通需求，而另一方面大量的道路空间资源处于闲置状态，不能被充分利用。
● 城市组团功能单一、职住分离导致潮汐式交通现象出现的周期性、规律性。这种情况多出现在通勤出行为目的的主干道上。早晚高峰出现的潮汐式交通现象具有明显的周期性，其出现的路段主要集中在连接居住区与工作区的干线道路上，出现的时间则与早晚上下班的高峰时间相吻合。
● 节假日、大型活动等突发事件的发生使偶发型潮汐式交通现象具有一定的突然性和剧烈性。

基于潮汐车道的干线信号协调控制策略

干线信号控制是指考虑到交通干线上连续的交叉路口信号灯的相互影响关系，而采取协调控制方式。目的是降低车辆通过这些交叉路口时遇到红灯的次数，减少车辆的停车次数，减少车辆通过干线的延误时间，最终提高整个主干道的通行能力。干线控制的最大优势就是使得干线上的车辆沿着绿波带，以脉冲的形式无阻地通过连续的交叉路口，达到减少车辆通过这些交叉路口时遇到的红灯次数。

对潮汐式路段实施干线信号协调控制,使重交通流方向形成绿波，是充分发挥可变车道效能、缓解交通拥堵现象的重要环节。干线信号协调控制包括感应信号协调控制和定时信号协调控制。使用感应信号协调控制可以根据交通流状况设置最优的信号配时，适用于潮汐式交通现象开始和结束时。在潮汐式交通稳定情况下，使用干线定时信号控制不仅能达到同样效果，而且成本大大降低。因此，根据不同的潮汐式交通状况应该选用不同的干线信号协调控制策略。

交通出行诱导

系统根据视频流量检测系统所采集的路口路段交通流信息，通过道路情报屏、互联网、手机、广播、车载音像等方式实时自动或手动发布交通畅通、拥堵信息，使司机能及时了解市区交通情况，引导司机提前选择比较合理可行的行车路线，避免拥堵，提高效率。

控制指挥中心根据道路监控信息及时地发布当前路段车辆运行状况，其次根据天气情况、路段改造和交通设施检修等情况，发布天气预报、环保指数、交通警告、交通法规等，提示驾驶员和行人，保障道路畅通。

方案价值

环境效益
控制交通污染、改善环境

道路交通中的尾气排放是大气的主要污染源。通过对车辆·道路系统的改善，提高了路网的通行能力，从整体上提高车辆行驶速度，减少行驶时间，从而减少了车辆行进过程中的尾气排放量，同时通过优化能源消耗结构，推动能源消耗方式的变革来降低尾气污染。减轻交通噪音的污染水平。根据环境监测部门调查，汽车启动，制动时产生的噪音比平时正常行驶时高出7倍，由汽车产生的噪音占城市环境噪音的70%，交通噪音成为城市噪音的主要来源。通过减少车辆的速度变化频率和停车次数，进而降低车辆本身的噪声水平。

社会效益
改善交通环境、提高交通安全性、减少交通事故、降低事故成本

首先，实时交通分析模型能够提供重要的交通参数，例如车型、交通量、车队长度、旅行时间等。并且提供预测交通拥堵所需要的数据，从而使得交通控制管理有一定的反应时间，阻止问题的真正产生或减少问题对交通的影响。而动态交通分配系统把动态和随机的实时交通流量在路网上均衡分配，为车辆提供道路诱导系统，引导车辆行驶在最佳路线上。最终改善道路交通环境，增加道路交通系统容量。这样，在一定的交通规模下具体路段的流量或饱和度将会降低，交通拥挤程度下降，有效缓解交通阻塞现象，降低事故发生率，从而最终降低交通产生的社会成本。

权威机构研究发现，基于视频流量检测器的信号协同控制系统，能够提升城市路网的通行能力10%~20%，缩短排队长度20%以上。下图为为某路口工作日西向东通行数据优化前后对比数据，可以直观看出通行能力的提升效果：

提高现有路网系统的通行能力和利用率、降低运行成本

出行者可以通过各类互联网终端了解出行前的实时交通状况信息（交通拥堵、交通事故、道路施工、交通管制、绕行路线等），根据这些信息选择最佳的出行路线、出行方式以及出发时间，减少盲目等待、习惯路线造成的拥堵。

满足交通参与者的出行需求、提高出行质量

系统的建设改善道路的交通环境，缓解了交通的拥挤程度。通过出行前信息、路网的交通信息、驾驶员信息、线路诱导及导航信息、停车场信息等各类出行者提供全方位的及时、准确的信息服务，使人们的出行更加便捷、舒适、安全。提高交通领域的管理服务水平通过系统服务与控制功能的加强，使交通管理从目前单纯被动管理型向主动管理服务型转变。首先，各种信息提供系统向出行者提供主动的信息服务，帮助出行者计划行程和出行时间，避免延误；其次，其强大的交通控制功能，最大限度实现交通的安全通畅等；同时还可以通过计算机系统的设计及时提供应急处理方案和服务等。所有这些使得交通管理部门的工作能够更加主动高效，从整体上提高交通管理服务水平。

经济效益
节省燃料消耗

随着交通拥塞情况的改善、出行速度的提高、停车次数的减少及停车时间的减少，可以减少车辆停留在道路上带来过多的能源消耗，以及减少因频繁的踩油门与刹车所造成的能源损耗，提高车辆能源利用的效能。从燃料的节省中获得经济效益。

节约道路改造投资

体育信号控制可以增加公路交通容量，减少道路拥堵，缩短行车时间。这样，在不增加更多的道路投资和减少占用土地的基础上，增加了道路的通行能力，为城市建设节约宝贵的资金。

减少废气治理费用

由于体育信号的控制，车辆行进稳定，能源利用效能提高，排放废气自然减少，因而可以减少车辆交通运输所造成的空气污染，达到保护生活环境质量的效果。也就省去了治理环境污染所需的一大笔资金。