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交通信号控制系统的现状与发展
1我国信号机产品市场现状
交通信号控制产品--道路交通信号机是控制道路交叉口信号的重要设备，它是交通信号控制系统前端控制的重要组成部分。
目前已在全国各城市及主要国、省及市县道路上使用。
据不完全统计，截至2007年底，全国信号灯控制路口数量达到四万二千个。
其中，北京安装了2000多台、上海安装1700多台、浙江全省安装3838台、广东全省安装2044台、新疆全省安装400余台、辽宁全省安装2000多台。
实践证明，信号机等各类智能交通管理设备的普遍应用，对科学组织交通，提高现有道路通行能力、缓解交通堵塞具有重要的作用。
随着各地城市的不断扩大，道路里程的增加，每年以5%的速度新增信号机。
另外，一般集中协调式信号机的设计寿命为10年，单点定周期式信号机设计寿命为5年，全国每年更换的信号机达到2000台至2500台左右。
因此全国每年新增及需更换的信号机达4000—5000台。
我国目前信号机生产企业约有50多家（这50多家是在公安部交通安全产品质量监督检测中心检测过的，未检测的估计还有60—70家。
该检测中心是我国唯一从事交通安全产品质量检测的国家级检测机构），主要分布在北京、上海、江苏、浙江、江西、广东、山东、河南、安徽等地。
但具有规模性的能生产集中协调式信号机的企业不超过20家。
图1所示为全国信号机市场中三种信号机所占比例。
在信号机的市场中约25%的为集中协调式信号机，该类信号机平均市场价约为3.5万/台，每年约有3500万—4400万的市场量；约69%为多时段定时式，该类信号机平均市场价约为0.4万/台，每年约有1100万--1380万的市场量；约6%为感应式信号机，该类信号机平均市场价约为1万/台，每年约有240万-300万的市场量。
图1全国信号机市场中三种信号机所占比例
2我国信号机产品发展及标准情况
2.1我国信号机产品发展情况
我国第一台信号机是1921年由外国商人办的一家电力公司在上海南京东路浙江路口设置的，当时信号灯色只有红绿二种灯色，信号机控制是手动扳动开关控制交通信号。
1978年10月，上海市研制成功我国第一台自动控制信号机，其实也就是定周期式的。
1979年4月，公安部在广州召开全国城市交通管理工作会议之后，各市开始研制自动控制信号机，主要有多时段定时式和感应式信号机。
1985年上海市公安局引进了澳大利亚的SCATS系统，在中心商业区安装了28台AWA公司的集中协调式信号机。
目前联网的信号机达到900多台。
北京市公安局引进了英国的SCOOT系统，目前联网的信号机达到1320多台。
1987年深圳市引进了日本（株式会社）京三制作所的KATNET系统，在罗湖、福田二个中心区安装了52台A01型集中协调式信号机。
1987年公安部组织研发“七·五”国家重点科技攻关项目《城市交通控制系统》。
由公安部交通管理科研所、同济大学、电子部28研究所、南京交警支队共同研发。
系统以南京市中区为依托共安装41台集中协调式信号机，系统于一九九一年二月通过了国家鉴定验收，该系统是我国自行研制开发的第一个实时自适应城市交通控制系统，系统整体水平达到了国际八十年代先进水平。
目前，全国共有590余个城市（包括县级市）建成了集警情采集、交通流信息采集、交通控制等功能于一体的交通指挥系统，400余个城市实现了信号区域控制或主次干道“绿波带”（线协调控制）控制。
2.2信号机产品标准
1993年公安部制订了我国信号机的行业标准GA/T47-93《交通信号机技术要求与测试方法》，该标准按基本功能对道路交叉口进行信号控制的交通信号机作了分类，规定了交通信号机的技术要求和测试方法。
从此，我国有了信号机标准。
2002年公安部对该标准进行了修订，并改为强制性标准GA47-2002《道路交通信号控制机》，该标准根据目前我国道路交通信号机产品的技术水平和质量水平，对道路交通信号机的物理结构性能、电源及电气性能要求、基本功能要求及试验方法、气候环境试验要求及试验方法、机械环境试验要求及试验方法、电磁抗扰度性能要求及试验方法都重新做出了规定。
新标准对集中协调式道路交通信号机的物理通信接口、基本通信内容进行了规定，具体通信协议、格式等内容未包含在本标准中。
2008年正式出台国家标准GB/T20999-2007《交通信号控制机与上位机间的数据通信协议》，该标准规定了信号机与上位机间的数据通信协议的结构及物理层、数据链路层、网络层和应用层的要求；适用于交通信号控制系统信号机与上位机间的通信。
此项标准的发布，对我国信号控制系统来说无疑是一大进步。
由于我国近二十多年来无此项标准，各生产厂家之间上位机与信号机之间无法进行通信，因此一旦用户使用了某一家信号系统产品，其它厂家就无法进入了。
例如，无锡市2002年招标的太湖大道信号控制系统是由A公司中标的，使用了16台信号机和控制系统，但二年后招标的全市交通信号控制系统是由B公司中标，A、B公司的产品之间无法通信，因此只好将太湖大道的16台信号机全部更换为B公司的产品。
2.3信号机通讯手段
信号机通讯的手段有多种，目前比较流行的有：
串口通讯、四芯电话通讯以及基于TCP/IP协议的网络通讯。
2.3.1串口通讯
串口是计算机上一种非常通用设备通信的协议。
大多数计算机包含两个基于RS232的串口。
串口同时也是信号机设备通用的通信协议；同时，串口通信协议也可以用于获取远程采集设备的数据及向远程发送控制指令。
串口通讯安装调试灵活，部署方便。
所以的大多数信号机都采用这种方式。
信号机串口通讯方式
2.3.2电话通讯
当前也有不少信号机采用的是电话的通讯方式，这种方式在成本上比较方便，可以利用城市现有的通讯系统，或者在一些没有网络或光纤的地方部署。
电话通讯的方式如下图所示：
2.3.3基于TCP/IP的网络通讯
随着网络和数字技术的不断发展，基于TCP/IP协议的信号机系统正在成为主流的发展方向，基于TCP/IP协议的信号机在安装、调试及后期维护方面都有着巨大的优势，而且在管理的控制方面也更加符合模块化设计的需要，方便使用。
基于TCP/IP协议通讯的信号机
2.4我国信号机产品的技术现状及发展
随着电子技术和计算机技术的发展，我国信号机产品在技术上上有了很大提高。
目前普遍使用的信号机主要有多时段定时式信号机、感应式信号机、集中协调式信号机。
2.4.1多时段定时式信号机
以往的多时段定时式信号机主要采用单片机为主处理器，操作系统采用DOS系统。
主要功能为能设置至少10个时段，10种以上控制方案；能实现至少4个相位控制；能提供至少4个独立的信号组输出；能根据不同周日类型对方案进行调整，机内存有日历；能够调节设置相位差参数，具备无电缆协调控制功能；能提供至少2个行人按钮检测器接口。
但随着技术的发展，嵌入式硬件平台和开放式操作系统得到了广泛应用，功能也大大增强。
能设置至少48个时段，能根据不同周日类型对20种以上控制方案进行调整；能实现至少16个相位控制；能提供至少48路灯控输出，可扩充到96路灯控输出，可同时独立控制4个相邻路口；能够调节设置相位差参数，用GPS进行对时，实现无电缆联控制功能；可联接三色倒计时显示屏；整机全模块化设计，信号机的维修为现场快速模块更换。
2.4.2感应式信号机
感应式信号机除具备多时段定时式信号机功能外，具备车辆感应功能，能提供至少8个车辆检测器接口；最大绿灯时间和最小绿灯时间应可根据交叉路口的实际情况进行设置。
以往的感应式信号机使用的检测器多为环型线圈，由于路面和环境因素的影响，故障率较高。
随着技术的发展，微波检测器、视频检测器等都可接入，而且不破坏路面，施工方便。
微波检测器：
利用微波技术和高速数字信号处理技术，同时检测多车道（侧向安装模式能够同时探测多达8条车道）或检测区域内的车流量、道路占用率、车速、车长等信息。
是一种价格低、准确性高、使用方便、性能优越的交通检测器，其技术和功能指标到达了国际先进水平。
视频检测器：
视频检测器设在路面上方，通过检测图像像素变化处理方式获得交通流的运行情况，检测精度和抗干扰性能稍差，成本较高，但无需破坏路面。
视频检测器可按用户定义的时间间隔，对车辆实时计数，并计算各类交通参数，如车流总量、占有率、车辆分类、车流率、车速、空间占有率。
摄像机具有存在检测和方向存在事件检测功能；每个摄像机可检测八条车道；在每个摄像机视场内能同时设置不少于32个检测器；系统操作软件包含JPEG视频图像压缩软件，可进行图像的存储。
2.4.3集中协调式信号机
集中协调式信号机具备感应式信号机的全部功能，带有通信接口，可与上级控制机或其它信号机联接构成线协调或区域协调控制系统；能实现至少8个相位控制；能提供至少8个独立信号组输出；集中协调式信号机的故障降级顺序可由上级控制机设定。
集中协调式信号机核心芯片目前普遍采用工业级嵌入式CPU，CPU处理器至少为32位，或64位，操作系统采用流行与通用的实时多任务的操作系统；输出端子至少48个，每个信号灯组均可定义为机动车灯或人行灯；检测器输入端子至少32个，可直接连接地埋设环形线圈式或同时含有非埋设式检测器（微波、视频检测器）；至少支持每天可设16个时段和20种配时方案以及多于32个特殊日配时方案；接口标准：
至少1个RS-232-C，至少1个RJ45网络接口或以太网接口，一些厂家直接采用NTCIP标准。
随着技术的发展和实时检测技术的进步，集中协调式信号机的功能大大提高。
除可接收处理来自区域计算机的命令，并向区域计算机反馈工作状态和故障信息进行区域控制之外，还具有强大的单点实时自适应控制能力，提供可行的控制策略与算法，融合信号控制机检测器及交通流量检测器采集的交通流量与排队长度作为控制参量，达到协调控制或单点优化信号交叉口的目的，以提高交叉口通行能力。
交通信号单点实时自适应控制是依据检测器检测到的实时交通信息，在进行信号优化配时，依据交通流的到达规律，以减少延误、减少排队及减少停车次数为目标函数，进行优化计算，从而得出最优信号配时方案，使得各个方向到达的交通能够在最合理的周期时间和绿信比下顺利通过交叉路口。
信号机在检测出交叉路口出现拥挤，即饱和度较高时，信号机将自动启动拥挤条件下的配时方案，此配时方案是以提高交叉口的通行能力、缓解交叉口的交通拥挤为目标。
在检测出非高峰时期，则应争取主路上车辆行驶为最佳连续性，以减少停车次数和减少延误为控制目标，进行优化周期和绿信比。
所以这种单点实时自适应控制能够适应交通流不断变化情况下的最佳信号配时。
在有公交专用道且安装有公交检测器时，系统还可以进行公交优先控制条件下的单点优化方案。
单点实时自适应控制适用于以下情况：
相邻交叉口较远，车流发生离散现象较严重；交叉口上下行方向交通量较小，协调控制难以取得良好效果；系统协调控制发生通信故障而降级控制时。
2.5目前我国信号机产品存在主要问题
2.5.1质量问题
从整个行业现状来说，生产企业规模普遍较小，研究开发和创新能力不强，质量水平不高。
近年来，国家对国内生产信号机企业进行了质量监督抽查，产品合格率仅为36.4%，从各地实际使用情况来看，基本反映了国内信号机质量水平。
主要质量问题为信号机故障监测功能缺失、电磁抗扰度性能不达标、基本功能不达标、可行性差等。
信号机全天候工作在野外，其环境可想而知，因此对信号机的可靠性要求非常高。
由于信号机的故障，对道路交通安全必将产生极大的威胁。
在无锡市、包头市等地发现过数次红灯熄灭、红绿灯同时亮等信号机严重故障现象。
GA47-2002《道路交通信号控制机》标准明确规定信号机当发生绿冲突故障、某信号组所有红灯均熄灭等严重故障，信号机应立即进入黄闪或关灯状态。
但是，一些生产企业的产品对绿冲突、红灯熄灭等严重故障无检测功能。
将会造成十分严重的交通事故。
另外，GA47-2002《道路交通信号控制机》标准规定当信号机通电开始运行时信号机应先进行自检，然后按如下时序启动：
a）信号相位应先进入黄闪信号，持续时间至少10s；
b）黄闪信号结束后各信号相位应进入全红信号，持续时间至少5s；
c）启动时序结束后，信号机按预设置的方式运行。
在现实中，有的信号机产品根本无以上启动时序，在通电开始工作后直接进入信号控制相位，这也是非常危险的。
以上启动时序是为了清空路口车辆，确保车辆安全。
2.5.2使用问题
目前我国各城市都加大力度进行基础设施和城市改建建设，交通信号控制系统作为ITS的一个子系统，各个城市都建设了许多。
但各地普遍存在重建设、轻应用，且系统建成后，如何更好地发挥其效果，如何更好地使用和评价，各地都比较欠缺。
如何评价并认定系统是否达到设计目标，是否适合目前交通状况，实际效果如何，对交通信号控制生产厂家尤其对用户来说都是一个非常重要的问题。
因此建议各地建成交通信号控制系统之后，要经常从控制系统本身以及系统运行效果两个方面对系统进行评价。
应在交通高峰时段和非高峰时段对交通信号系统安装前后的一些主要运营指标进行调查，其中最典型的指标：
机动车旅行时间、停车次数、路段机动车流量、交叉口各方向排队长度等。
根据这些数据的调查可获得机动车行程时间、延误、停车等运行效率方面的信息，可定量进行系统运行前后的效果比较。
3当前主流信号机系统在我国的应用
3.1SCOOT系统
SCOOT（Split-Cycle-OffsetOptimizationTechnique）即“绿信比-信号周期-相位差优化技术”，是一种对道路网交通信号实行协调控制的自适应控制系统。
由英国交通与道路研究所于1973年开始研究开发，1979年正式投入使用。
20世纪90年代该系统进行了多次升级，目前最新版本为4.5版。
SCOOT系统是一种实时自适应控制系统，其硬件组成包括3个主要部分：
中心计算机及外围设备，数据传输网络和外设装置（包括交通信号控制机、车辆检测器或摄像装置及信号灯）。
软件大体由5个部分组成：
1）车辆检测数据的采集和分析；
2）交通模型（用于计算延误时间和排队长度等等）；
3）配时方案参数优化调整；
4）信号控制方案的执行；
5）系统检测。
以上5个子系统相互配合、协调工作，共同完成交通控制任务。
SCOOT系统是方案形成式控制方式的典型代表，是一种实时自适应交通信号控制系统。
SCOOT系统通过连续检测道路网络中交叉口所有进口道交通需求来优化每个交叉口的配时方案，使交叉口的延误和停车次数最小的动态、实时、在线信号控制系统。
概括来讲，SCOOT系统具有5个特点。
1.实用性强，几乎不受城市交通出行方式、出行起讫点分布、土地使用情况、季节性和临时性交通变化以及天气和气候变化的影响。
2.对配时参数的优化是采用连续微量调整的方式，稳定性强。
3.个别交通车辆检测器错误的反馈信息几乎不影响SCOOT系统对配时方案参数的优化，而且该系统对这类错误的信息有自动鉴别和淘汰功能。
4.对路网上各交叉口信号配时方案的检验和调整，每秒钟都在进行，所以能对路网上交通状况的任何一种变化趋势做出迅速的反应。
5.SCOOT系统能提供各种反映路网交通状况的信息，为制定综合管理决策创造了有利的条件。
但是，SCOOT系统几乎所有相关控制策略模型都是通过数学模型的仿真中获得，这就要求抽象的数学模型必须准确地反映系统的运行状态，误差范围小。
否则，必然会影响控制效果；另一方面，数学模型的精确度越高，结构就越复杂，因而仿真时间就越长，这将会在实时性与可靠性之间产生矛盾，特别要求进一步提高效果时，这一矛盾就会越突出。
目前我国使用SCOOT系统的主要有：
北京、大连、成都、青岛、绵阳等地。
3.2ACTRA系统
ACTRA（ADVANCEDCONTROL&TrafficResponsiveAlgorithm）是由美国西门子公司开发的一个信号控制系统软件，是目前世界上技术比较领先的交通信号控制系统软件之一。
ACTRA交通信号控制系统主要由三大模块组成：
中心控制模块、通信模块及路口信号控制模块。
ACTRA这种较先进的交通信号控制系统具有以下主要特点。
1）技术先进、性能可靠，应用较广泛。
ACTRA系统是西门子美国公司较成熟的交通控制系统，是该公司的第三代系统，应用了许多新的技术和方法，并为一些奥运城市提供了交通控制服务，如汉城Seoul（1998）、亚特兰大Atlanta（1996）、盐湖城Saltlake（2002）都使用了这种交通控制系统。
这些经验将应用到北京2008奥运城市建设上。
2）标准的符合性、软件的开放性。
ACTRA系统符合美国ITS框架的NTCIP协议及其他标准，其设备的通信协议采用了当前主流的协议，如TCP/IP等，这些都是系统开放性和扩展性的基础。
测试表明，Actra可以实现对基于NTCIP协议的第三方信号控制器的正常监控和管理。
3）ACTRA采用当前先进的浏览器界面，友好图形用户界面和视频显示技术。
采用GIS和介入第三方图像生成技术，可进行城市计算机地图图形显示（在工作站或显示墙上），显示运行相应的配时方案以及不同任务同时管理的Windows界面。
同一界面多路口实时显示，区域路口交通堵塞颜色显示，干线路口动态灯色通过显示。
并提供路口作图工具，具有一定地图制作功能。
4）智能化的ATC2070现场信号机。
ATC2070控制机是一种最新的开放式结构的信号机，信号机的软件和硬件分离，可分别按照2070ATC的硬件和软件的标准由不同供应商竞争获得，大大降低成本，提高采购自主性。
2070ATC信号机软件具有自适应和多种灵活的控制战略，使得系统的许多自适应控制运算在下端完成，提高整个系统的反应速度。
在系统未建成时或故障情况下，本地信号机仍能实施有效的自适应控制。
同样由于信号机的智能化功能使得系统的整体反应速度和适应各种复杂交通条件的能力得到有效提高，这是ACTRA系统比其他系统优越的特点之一。
5）自适应反应迅速，更加实用。
交通响应模式使得系统根据交通变化或非典型交通进行系统范围的优化配时方案的执行。
通过从分配的系统检测器上获得的数据对子区的周期长、绿信比和相位差分别自适应调整和控制；同时由于现场信号机具有相当的智能化，使得许多协调运算都可在信号机范围内完成，这种既可通过中心又可通过路口控制器控制的客户/服务器系统会更加适合实时多变的中国交通情况。
ACTRA系统2005年开始在北京使用。
经过新建信号系统一期（2005年），新建信号系统二期（2006年），信号系统奥运工程的建设，目前已建设750处，基本实现朝阳、海淀、丰台三个区的四环路内地区的信号系统覆盖。
根据资料，北京全市的城市道路交通信号控制路口（含路段行人控制）的数量目前已超过1700处，五环以内城区的信号控制路口（含路段行人控制）为1114处，其中，计算机区域交通信号系统控制的路口规模为650处，规模性建设使用的系统为SCOOT系统和ACTRA系统，其中SCOOT系统控制了以二环以内为主的近350处路口，而ACTRA系统的使用正在大张旗鼓地建设中。
在北京市公安局交通管理局交通信号控制系统一期工程中，ACTRA系统已经将300台符合NTCIP规范的西门子2070CBD交通信号控制器纳入系统控制，控制着海淀区300多个路口。
在交通信号控制系统二期上端扩容项目中，正在将450台交通信号控制器纳入一期ACTRA系统控制，以发挥系统控制的效益。
3.3SCATS系统
SCATS系统是澳大利亚新南威尔士州道路交通局（RTA）为在悉尼市实施信号控制，于70年代开发成功的系统。
之后，它的高效性和对道路环境的广泛适应性，逐渐被其它澳大利亚和新西兰的城市及大量海外城市所认同，到目前为止，世界上已有70多个城市安装了SCATS交通管理系统，其中包括美国、爱尔兰、墨西哥、斐济、以色列以及大部分东南亚国家，系统本身也逐渐发展成为一个完整的交通管理系统，并且能够与其它智能交通系统完美地集成在一起，以发挥系统的整体效益，为现代交通管理服务。
SCATS系统无论是在控制技术还是在智能交通应用方面，都处于交通科技的最前沿，是世界领先的交通管理系统。
自问世以来，SCATS应用最新的科技发展，不断地改进和加强其功能。
最新的SCATS6版本，更是体现了以用户的需求为导向的开发宗旨，为交通管理者的使用和决策提供更多和更灵活的手段。
更重要的是，新技术的使用，使系统造价不断地降低。
新的SCATS系统应用在PC基础上，增加了一台主机能够控制的路口数量。
在改进管理和监测功能的同时，还改进了数据采集和报表能力。
SCATS6可以根据用户的需要和财政预算，提供以下三种不同的配置：
•完全交通自适应控制
•固定配时控制
•拨入式控制
SCATS是一个具有广泛适应性的系统，世界各地的工程师根据道路应用环境的不同，对其做不同的配置，以满足本地的需求。
1.自适应控制不断变化的交通
与固定配时系统不同，SCATS不需要事先计算信号配时方案。
系统及控制器的逻辑与算法，通过分析检测器采集的实时交通信息，制定信号配时，以满足主流交通的需求。
很多交通控制系统是根据一系列预先计算好的信号配时，在一天中的不同时段调用。
每一个配时方案只适合指定的路口，该路口与其它路口交通流量的关系，是依靠预先交通调查的数据确定的。
通常，固定配时系统不能处理不可预测的交通情况。
针对这个问题，在SCATS6的固定配时运行方案（FTP）中，改进了决策算法，提高了离线运行时的控制效率。
2.无需更新配时方案
由于交通条件的变化，固定配时方案会在短期内变得过时，需要对控制区域重新进行交通调查，并计算相应的配时方案。
实践证明这项工作是昂贵耗时的，且不是随时可以做的，需要精心准备。
因此方案更新工作往往不能按时进行，使旧的方案超时工作。
或者对个别路口临时修改，没有系统性，降低系统整体效益。
在自适应模式运行时，SCATS无需更新配时方案。
3.SCATS提供实时响应
实时交通控制系统，如SCATS，可以在一定程度上适应不断变化交通的需求。
SCATS可以提供可变的相位序列，当没有交通需求时，跳过相应的相位。
SCATS系统拓扑图
SCATS系统操作界面
在亚洲，SCATS系统被广泛地安装在菲律宾、印度尼西亚、新加坡、马来西亚等国家的城市中，显示了系统对该地区道路交通环境的适应性。
在中国，SCATS应用在包括香港、上海、广州、沈阳、苏州、杭州、宁波、石家庄、宜昌和天津等12个城市中，所控制的路口超过4500个，其数量远远超过其它所有控制系统装机量的总和。
这一广大用户群体的应用经验，是SCATS系统在中国成功应用的宝贵资源。
SCATS系统基于负反馈控制技术原理，融合近30年的应用经验与最新的科技成果，为交通管理者提供有力的管理手段。
同时，它的自校准与自适应性，大大降低了系统应用的技术难度，使系统可以充分发挥其作用，也为系统的不断扩充与相应的应用管理提供了技术基础。
实践证明，一个交通控制系统仅仅具有技术的先进性是不够的，它还必须同时具有易用性，因为建成后的运营与维护管理，是系统能否真正发挥作用的重要因素。
在道路条件复杂的上海，SCATS系统的装机量已经达到1000台，香港达到800台，而其它的系统也从几十台到几百台，在各城市的交通管理中均起着举足轻重的作用。
这一应用成果，充分显示了SCATS系统在中国城市道路交通环境中应用的有效性与适用性。
在苏州，SCATS系统与地理信息系统（GIS）、交通诱导系统及交通指挥系统集成在一起，是苏州现代化交通管理与指挥系统的重要组成部分。
这也显示了SCATS在智能交通应用方
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