合盛智能“现在时”边缘协同交通信号控制系统综合解决方案

一、方案概述

1.1背景介绍

城市交通作为城市发展的基础,是城市形象的第一窗口,彰显城市治理水平。完善的交通基础设施是支撑和保障城市在新形势下实现经济新发展的重要支撑。但是,目前很多城市的交管基础设施建设和科技化水平距离要求仍然存在着较大差距,关键交叉口的通行效率和安全保障性不足。

《交通强国建设纲要》中提出要大力发展智慧交通，推动大数据、互联网、人工智能、区块链、超级计算等新技术与交通行业深度融合，构建泛在先进的交通信息基础设施。《数字交通“十四五”发展规划》中指出要加快推进交通新基建，推动新技术与交通基础设施融合发展，赋能传统交通基础设施，推动交通基础设施数字转型、智能升级，提升基础设施安全保障能力和运行效率。二十大报告强调，要加快建设交通强国、数字中国。

因此需要通过提高交通信号管理水平,推进智慧交通建设,逐步形成多维监测、精准管控的科技服务能力。合盛智能“现在时”边缘协同交通信号控制系统是基于人工智能的实时交通大数据的优化系统,该系统具有极强的交通适应能力,能适应稀疏车流、饱和/过饱和车流、随机车流等路况,可以有效承载城市发展过程中激增的车流，真正实现根据实时车流，实时自动指挥，达到“零空放、少截流”。

该系统超越了以往传统的信号控制系统控制效果，突破了传统自适应交通信号控制的技术瓶颈，采用自研相控阵雷达与边缘计算技术，实现根据实时车辆通行需求，实时控制，按需放行，能够在单路口、干线、区域实现综合调控，是新一代智能交通信号控制系统，控制效果受到全国多地交警认可。

以粤港澳大湾区中心城市项目为例，已启用本系统的路口达499处，道路通行效率提升15%～30%以上，高峰路口车辆排队长度由原来的50-100米缩减至50米以内，缩减率在50%以上，人均年可节省通行时间60.8小时，全市每天出行车流量约30万辆次，每车每天平均节省怠速停车时间5分钟，车辆怠速油耗平均1.6升/小时，全市出行车辆每天共可以节省油耗4万升，每年节省油耗1460万升。 

1.2建设意义

打造“智能化”、“精细化”的交通信号综合控制系统，将对城市发展有着极大的推动作用。

1、该系统的建设，将会大幅提升交通信号控制系统信息化、智能化水平。该系统集交通流实时监测、自动化智能化管控、大数据平台展示为一体，将使城市现有“经验式”的信号控制系统跨越式发展为“智能式”的系统，为交通管理部门提供一流水平的交通信号管理系统。

2、该系统可有效减少汽车驾驶人等待红绿灯的时间，极大地提升驾驶感受。该系统将会根据路网特征与线路车流量状况，实时调整区域控制策略，采用线路绿波、交叉绿波、单路口感应等多种控制方式，以减少车辆在通行路口时的停车次数、减少等待红灯的时间，进而极大地提升机动车驾驶员的驾驶感受，减小行驶时间。

3、该系统的建设，将建成省级最先进的交通信号控制系统，助力智慧城市建设。该系统采用我司自主研发的相控阵雷达对交通运行状况实现广域实时监测，该雷达在国内外多次对比测试中名列第一，其先进性受到业内一致认可。同时该系统率先将雷达监测信息与信号控制系统进行融合，实现了监测与智能控制为一体的智能控制系统，在国内尚属首创。该系统具有极强的交通适应能力，能适应稀疏车流、饱和/过饱和车流、随机车流等路口，可以有效承载城市发展过程中激增的车流。

4、有效提高路口通行效率，减缓高峰期拥堵状态。该系统能够实时监测道路运行状况，并实时调整交通信号配时。采用该系统一方面能够减少交叉口交通信号系统带来的时间的浪费，另一方面能够提升车辆在路口的通过速度，进而提高整体通行效率。

5、犹如每个路口7*24小时都有一位经验非常丰富的交警在指挥交通，较大程度缓解交警部门运维压力。交通管理人员通过该系统对道路交叉路口进行人性化和智能化指挥交通，可利用人工智能的技术优势降低人员现场指挥交通的工作量，提升了交叉路口的交通效率，并且能释放更大的交通管理的人力资源。

6、该系统能对智慧交管建设起到基础支撑作用和引领辐射作用。通过相控阵雷达实时信控优化系统的建设，实现高度智能化的交通管理，提高城市交通管理水平，充分利用道路资源，提高车辆通行量和通行效率，减少因车辆拥堵滞留带来的环境污染，实现节能减排。

7、该系统能够最大程度减少市民等待红灯时间与停车次数，提高交通参与的“幸福指数”。现有交通信号控制系统无法实时地随着车流量的改变而自动调整配时，市民因交通信号灯“空放”而浪费时间，同时也容易产生焦躁感。通过该项目的建设，可减少市民在通过城市道路交叉口无谓的等待时间，减少车辆停车次数，从而提高市民在交通参与过程中的“幸福指数”。

二、边缘协同信控系统介绍

“现在时”边缘协同交通信号控制系统是在现有交通信号控制设施的基础上，通过AI深度学习算法，为各路口赋能，实现交通信号控制系统的智能化控制。

2.1系统优势

“现在时”边缘协同交通信号控制系统，建成后将实现城市道路交叉口信号灯的实时智能调控与交通流量综合动态监测两大功能，系统具备以下优势：

（1）交通流量综合动态监测：全天候可靠监控道路交通流量，有效监测、记录与统计各项道路交通数据。

（2）交叉口信号灯可进行实时智能化调整：根据道路交通流量和拥堵情况实时调整交通信号配时。

（3）线路与区域的自动化管控：对线路与区域车流量与交通运行状况进行实时监测，并根据交通态势进行自动化调整。自动化调整的控制策略包括绿波线路控制、饱和最大流量控制、过饱和蓄流控制与过饱和应急控制等多种控制策略。

（4）紧急事件及时响应：当路口出现反向溢出、路口“打结”与异常堵塞等交通紧急事件时，该系统将会及时进行自动化的检测与处理，预防路口进一步的堵塞。

（5）交通异常状况快速感知与定位：相控阵雷达可以对车辆进行轨迹跟踪，可以有效的对路口反溢、排队长度过长、严重交通拥堵等交通事件自动检测，并上报平台。

（6）多维度数据展示：相控阵雷达依据大范围广域监控的特性，可提供多种维度的交通数据。可提供的交通数据包括断面流量、平均车速、车头时距、车辆间距、排队长度等，可提供更加丰富、准确与有效的数据，协助交通管理部门进行更加准确高效的决策。

（7）使用寿命长、易维护：使用雷达作为核心路况传感器，比地磁和摄像头使用寿命长，维护成本低，道路施工不会破坏传感器，可以为交通优化提供长期有效的数据支撑。

2.2系统架构

系统由下至上有三个层级，分别是前端感知层、边缘计算层、中心指挥层。

图 21  系统架构图

前端感知层：主要为相控阵雷达等感知监控设备，对路口车辆进行监控与指标采集，实现对交通流运行状态及交通事件全天候全方位实时监控，采集的数据包括：车流量、平均速度、车辆类型、排队长度、占有率、车头时距等。

边缘计算层：根据实时交通流数据对路口进行秒级智能控制，对路口反向溢出等事件进行预防与控制，对突发事件进行响应与处理，对采集到的交通数据进行计算处理应用，对雷达等设备的运行状态进行监测与运维。

中心指挥层：具备路网信息查看与管理、数据统计与应用、交通态势研判、方案调度与应用、拥堵分析与处理、和设备运维管理等业务支撑功能，同时具备单点智控、干线协调、区域协控、智慧可变车道、特勤控制和事件响应等上层信控应用功能。

2.3关键技术

（1）相控阵雷达采集技术 

系统前端采用当前最先进的相控阵感知毫米波雷达（下文简称相控阵雷达），为军民融合技术转化的典型高科技成果。相控阵技术，在军事上，被广泛应用于飞机、舰艇、导弹等尖端装备，具有多目标侦测、功能多、机动性强、反应速度快、精确度高、抗干扰能力强、可靠性高等特点。 

相控阵技术转化到民用领域后的相控阵雷达，军转民用毫米波雷达，作为路面非侵入式交通信息采集传感器，可以方便地安装在路口进行多车道、多目标、高准确度检测，采集路口实时、全面、准确的交通信息，包括：实时位置、即时速度、车型分类、车道信息、车流量、平均速度、时间占有率、车头时距、排队长度统计和区域车流数统计等。

本相控阵雷达是我司自主研发的交通流感知产品，为目前市面上最先进的毫米波雷达探测器，符合工信部、交通运输部相关安全用频政策法规要求，从源头上避免了对未来车路协同、自动驾驶等系统产生任何频率干扰。

（2）实时控制技术 

前端相控阵雷达采集数据通过网络实时传输到边缘计算中心和指挥中心。边缘计算单元，利用人工智能引擎得到最优配时，联合交通信号机实时执行，实现对路口的实时信号控制，同时数据同步回传指挥中心，实现对干线、区域的协调控制。 

指挥中心集成了交通态势监控、交通信号自动指挥、应急响应决策和设备运维等功能，通过计算机人工智能交通仿真模型，搭建道路数字孪生场景，可以在指挥中心用“高空视角”俯瞰城市道路交通运行情况，并实时高效精准调节。并可以监控路口和区域的交通态势信息，包括通行饱和度、道路拥堵指数、平均车速、车辆数目等。当遇到突发交通事件时，系统会适时触发应急响应决策机制，根据现场交通态势科学调节相关区域交通信号放行。

本系统将高精度、多目标感知和秒级响应设备布署在前端，采用边缘计算控制技术，以毫秒级的响应时间，根据实时车流量自动指挥交通信号放行，避免了传统的“数据回传→中心计算→配时下发”造成的指挥延迟和系统不稳定，实现了智能交通技术由“过去时”向“现在时”的历史跨越，颠覆了目前常见的“交通大脑”控制技术。

目前以某路口为例，该路口全天车流量如图2-2所示，原有固定配时如图2-3所示，而经过该系统优化后，产生的实时调节的信号配时如图2-4所示。信号配时可根据车流量进行实时调整，信号周期时间与车流量高度匹配。

图 22 全天车流量

图 23  固定配时

图 24  智能系统产生的信号配时

2.4系统组成

2.4.1相控阵雷达——实时监测交通流状况

我司以高性能雷达传感器作为核心路况感知手段，该设备具有全息交通数据采集功能：

（1） 对350米、12车道范围的车辆进行实时定位、测速与跟踪；

（2） 统计探测范围内每条车道的排队长度；

（3） 统计每条车道的平均行驶速度；

（4） 输出多种类、多维度交通流数据；

（5） 对道路实现大范围实时监控。

图 25 雷达实物图

采用雷达的架设方式与覆盖区域如下图所示：

图 26  雷达架设方式与覆盖区域

2.4.2边缘计算控制单元——对交通信号实现精细化控制

作为信号控制系统的智慧控制节点，在前端路口接收多台雷达数据，根据交通信号综合控制算法模型进行毫秒级处理数据，进而对信号机进行实时控制，动态调节相位配时，从而提高路口通行效率、减少拥堵时间。主要具备以下特点和功能：

（1）实时智能控制

（2）提高路口车辆通行效率；

（3）减少信号灯空放时间；

（4）监测路口中央运行状态，及时智能处理出现的堵塞状况。

ECCU边缘计算控制单元设备如图2-7所示，该设备可对接国内外信号机领域绝大多数品牌的信号机，可以非常便利地实现交通信号时间的动态调节。

图 27  边缘计算控制单元

2.4.3交通信号综合控制算法系统

通过相控阵雷达采集实时车流信息，采用AI人工智能技术，实现从单个路口智能感应、线路绿波协调控制到区域协调管控的综合优化管控。

单个路口智能控制可实现：

（1）每个方向、相位按需放行，根据车流量调节放行时间；

（2）根据路口饱和程度自动调整放行模式；

（3）反向溢出控制，防止路口“打结”；

（4）最大化路口通行效率，缓解路口拥堵状况。

信控系统对关键性干线道路进行实时监测，根据线路饱和状况与车流运动状况，能够自动感知整条线路需要的通行方式，并实现多种控制方案与策略的自动调节，从而达到提高通行效率、减小延误时间等多种优化效果。可实现的线路控制策略包括：

（1） 根据线路车流状况实时调整线路控制模式；

（2） 线路瓶颈路口的最大通行效率；

（3） 基于车流量的控制策略变更；

（4） 过饱和周期协调控制；

（5） 过饱和应急处理控制；

通过以上多种控制方案根据不同车流状况的应用，从而达到对城市道路的智能精确管理，以综合提升通行效率，缓解城市拥堵状态。

2.4.4交通信号综合优化控制平台

对系统内的相控阵雷达、边缘计算控制单元、交通信号控制机等设备进行综合管控。对雷达监测到的数据进行采集、统计、分析与综合计算。将城市交通流数据从宏观态势到微观车流动态进行直观、多样地进行展示。配合边缘计算单元，实现多个路口、线路与区域的综合优化控制。

图 28  交通信号综合优化控制平台

2.4.4.1交通数据统计与分析

可对采集的车流量、排队长度、车头时距、时间占有率和平均车速等交通数据进行统计和结构化存储，同时可统计周期时长与相位时长等配时信息。可全方位分析数据，多维度对比交通参数，并生成图表进行图形化展示，为信控系统优化提供大数据决策参考。

a：车流量统计与展示

b：数据对比与展示

图 29 交通数据统计与展示

2.4.4.2路口动态信息展示

可以查询各个路口的静态特征信息、实时车流信息和配时信息，并进行动态展示，同时可动态展示雷达感知的实时车流与车辆轨迹，进行路口的仿真展示，以便于及时了解交通现状，方便指挥人员进行正确的辅助决策，缓解交通拥堵。

图 210 交通动态信息查询与展示

2.4.4.3城市交通状态分析

城市交通状态分析模块读取城市现有交通流量信息，对现有城市交通流量数据进行采集、分析，通过算法对数据进行过滤、重建等工作，将城市交通流量结果与地理信息进行结合，按照不同颜色状态来呈现城市交通拥堵情况，并将拥堵结果快速的在地理信息系统上呈现出来，帮助用户更好的发现交通问题并及时决策。

图 211 路网信息与实时路况

2.4.4.4交通事件告警与处理

相控阵雷达可以对拥堵、排队超限、反向溢出、截留车辆、绿灯空放、雷达失联等交通事件进行告警。平台将报警信息按照各种类型整理，实现对告警信息的分类及管理工作，并将报警信息自动显示到地图界面，同时系统将会进行自动处理部分事件，以缓解拥堵，保障道路正常通行。

2.4.4.5系统云运维

系统可监测主要设备运行状态，并同时在云运维界面与公众号或APP软件端进行展示，运行状态分为正常运行、线路异常、设备异常、正常离线四种状态，同时，云运维功能还可展示路口配时信息。

当路口断电、设备失联或线路出现异常时，系统会自动报警，运维人员可第一时间了解故障信息，进行故障处理，并对故障处理进度进行跟踪，系统可统计运维反馈与处理时间，可统计故障持续时间，并可分类统计故障类型，可统计故障次数。云运维可使故障影响降到最低，使运维更快捷有效。

在故障期间，系统会自动进行降级自适应控制，保证道路交通的车辆放行安全。

2.5系统应用功能

2.5.1单点智能控制 

根据相控阵雷达检测器获取的实时车流信息，实时生成与车流量需求匹配的控制方案，动态调节相位时间，达到精确秒级控制，交叉口车辆饱和/超饱和状况下，动态降低排队长度，防止车辆溢出至上游交叉口，路口车辆非饱和状况下，减少绿灯空放和交叉口延误，避免出现车辆二次排队现象，实现“零空放、少截流”，总体使交叉口的通行效率最大化。

图 212 单点智能控制

2.5.2反向溢出控制

实时监测交叉口出口道方向车辆行驶状况，当监测到出口处车辆拥堵或下游排队车辆即将溢出时，及时结束当前相位的放行，对该方向后续驶入车辆进行有效截流，防止交叉口内部车辆“打结”，造成拥堵反溢至上游，导致拥堵持续蔓延。

图 213  反向溢出控制示意

2.5.3干线协调控制 

以交通流饱和状况为基准，实时调整交通信号控制策略。非饱和状况下，实现干线动态绿波协调，车辆实现不停车通过，避免路口中心堵塞，公共周期时间、相位时间、相位差随交通流实时变化。车流量饱和状况下，实现线路拥堵协调控制，均衡排队长度，避免出现排队长度过长现象。车流量过饱和状况下，干线整体缓进快出，同时搭配反向溢出控制，避免出现排队溢出现象，实现路口间整体化、动态化调整。通过路口间交通状况实时交互，中心端服务器执行区域算法，进而动态分配至路口科学合理的控制方案。

以某市案例项目为例，其中一条线路全线安装了该信控系统，根据各交叉口实际需求，全线进行了干线动态绿波协调，通行时间缩减26%，同时又确保了支路通行顺畅、不压车，兼顾公平与效率。

图 214 干线智慧绿波

2.5.4区域协调控制 

系统以“缓进快出”作为主要缓堵思路，充分发挥相控阵雷达看得远、测得准的优势，通过大数据分析，拥有区域性信号灯控制能力,能够对全区内路口进行综合管控，协调每个路口通行，实现大范围内的通行效率最大化。可根据主城区或某一区域内交通流状况控制驶入区域和驶出区域车流。当区域内交通拥堵、关键路口饱和或超饱和时，控制驶入区域内车辆，同时加快驶出区域的车流节奏，避免区域内交通拥堵加剧。而当区域交通拥堵缓解、关键路口饱和度降低到一定范围时，解除控制。例如节假日期间、重大活动期间或者发生交通事故时，道路或者区域车流陡增或者异常增多，系统会及时探测到并根据实际车流进行自主调控，并将异常信息及时推送到交通管理者。

同时，通过该系统和配套的交通诱导系统、城市调频广播系统，将各主要功能区域的交通流尽量引导到各大主干路，再利用已经完善的单点智能控制和干线协调控制，实现快速疏散、精准放行、预防反溢、毫秒级感知、秒级响应。