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1)城市交通现状

    随着社会的发展及社会经济的增长,居民购买能力的提升,全球的汽车销量逐年攀升,特别中国汽车的销售量更是逐年成倍式的增加,在车辆增加的同时,我们现有的交通资源日益满足不了日常交通的需要。例如:

·美国每年交通拥堵时间达42亿小时,相当于每名司机浪费约38小时,浪费的汽油达109亿升,造成损失782亿美元。

·根据2009年统计的数据,欧洲每年因交通拥挤和事故造成的经济损失分别为5000亿欧元和500亿欧元;

·在中国,以北京为例,每人每天堵车耽误一个小时左右,北京约有600万从业人员,有一半以上是驾私车、乘公车、坐公交上下班的,一个人的社会成本以20元计,堵车造成的社会成本损失一天是6000万元,一年达200多亿元;这还未考虑堵车造成的油耗增加,温室气体排放量增多和环境污染加剧带来的巨大损失。

    因此,为了提高交通资源的利用率,减少社会经济的损失,缓解交通压力,将成为全社会关注的重点。

2)背景

    随着计算机及交通信号控制技术的快速发展,交通运输研究人员提出了众多关于城市交叉口管理控制与驾驶行为的模型。早在20世纪70年代,随着第一代城市交通控制系统(UTCS)在美国的使用,人们开始认识到交通流精确预测的重要性。其后,第二和第三代城市交通控制系统(UTCS)开始在逻辑架构中引入专门的交通状态预测模块。在此基础上,Gartner et al. (1995)对城市交通控制系统(UTCS)策略的最主要特征进行归纳,指出交通流预测是其中的最关键环节之一。但在高度拥挤的城市区域,面向先进交通信息系统(ATIS)的预测模型却相对较少。尤其在实时自适应交通控制系统,为了提高精度,预测间隔需要大大缩小;与此同时,基于预测的信息却与预测时间范围(time horizon)、时间步长(time step)与时间间隔(time interval)等多项因素相关。如果仅预测较短时间,如一个步长之后的范围,则交通组织将只能局限于仅对当前信号相位(缩短或延长信号长度)。只有预测多步,如30-40秒的时间,才可在随后的交通组织中包含对信号相位的重新安排。然而,随着预测范围的增大,由于短时间内,流量和速度等交通参数的陡变(较大波动)会导致预测精度下降。经过研究现有系统,发现其主要问题在于:

·首先,大多数现有城市自适应交通控制系统,依赖于增加新设备(如SCOOT需要在上游交叉口出口道布设检测器),或仅对特定交叉口信号工作模式起作用(如RHODES仅对上游交叉口信控工作在定时模式起作用)。

·其次,现有城市交叉口控制系统中交通流预测算法过于简单,甚至缺少;例如SCATS系统仅提供实时信息收集和应对,缺少交通流预测的功能。这使得系统过于依赖内嵌工作模式对外部交通状况的适应程度,对突发事件与紧急等非常规交通波动应对能力不足,而这些恰好正是城市交通最需要自适应能力的状况。

·再次,早期城市交叉口信控系统,主要针对单一交叉口,采用触发式和定时模式。主要原因在于当时的通讯网络技术不能满足系统的需要,最优控制策略收敛速度慢,响应时间过长,从而使控制失去意义。但实质上,当前的城市交叉口信控系统,尤其是触发式信控系统的广泛采用,已经很好地具备了城市区域自适应控制的基础。

·最后,经过仔细考察前人的研究及现有信控交叉口系统,认为导致以上问题的最主要原因是包含通讯、控制设施在内的系统硬件瓶颈,以及城市交叉口自适应算法的缺乏。早期,由于电子信息技术的水平限制,硬件系统的价格和维护费用过高,无法制造出高性价比的控制系统。目前随着信息技术的高度发展,这些约束已经成为过去。

    该项目符合当今国内外城市交通管理与控制领域发展的最前沿方向:突出利用城市交叉口已有信控设备资源,研究区域交通协同管控与自适应控制技术。2010年,国家高技术研究发展计划(863计划)现代交通技术方向资助的重点项目之一就是“大城市区域交通协同联动控制关键技术”。2011年在美国加利福利亚州大学伯克利分校召开的国际交通运输与交通流理论研讨会(ISTTT),也强调交通流预测与建模的重要性。2012年1月在美国华盛顿的TRB会议,交通信号系统(Traffic Signal System)委员会会议以及2012年6月,即将在美国佛罗里达州Fort Lauderdale市召开的交通流理论与道路通行能力夏季联合研讨会(Joint Traffic Flow Theory/Highway Capacity Summer Meeting and Symposium),也都着重强调城市交叉口协调控制的重要性。

    同时,鉴于信控交叉口转向比例估算和自适应控制技术已逐渐成为城市智能交通管理与控制最基本和最重要的一环(相对于高速公路匝道控制和通道集成,Ramp Metering and Corridor Integration),本研究将侧重于车辆在不同工作方式的上游信控交叉口及不同相位下通过时间的研究,再结合对于车辆驶往目标下游交叉口转向比估算,由此预测短时间内到达下游交叉口车辆数,实施从单一交叉路口的自适应控制,进而实现城市区域交通协同联动控制与区域交通“和谐”(Harmonization)。项目将从相邻交叉口入手,采用上游交叉口的信号控制系统及设施,从微观角度,对于每辆车辆,获得其将来到目标交叉口的概率和相应时间,从而可以预测目标交叉口在给定时间间隔的到达车流。其次,还考虑在每个交叉口实现局部最优化的条件下,实现研究区域的“和谐”,从而实现全局最优(见图1)。

3)市场:

    城市信号交叉口自适应控制系统主要是针对交通流的特性实时地对路网交通流信息进行分析处理,为城市交通控制提供快速、准确的预测数据,帮助得出控制策略,缓解城市交通现状。充分对现有资源进行运用,从而达到提高城市交通系统利用率、缓解交通拥挤、提高交通安全性的目的。本系统目前在国内市场研究中属于空白区域,产品推出之后能够弥补国内市场的空白,并在各个城市推广使用,具有广阔的市场前景。

    我们的产品是针对交通领域,提高交通资源利用率,我们的市场群体主要是:

·各大中型城市的交通主管部门,我们通过为交通管理部门搭建针对城市交通现状,提高城市交通资源利用率,缓解城市交通拥堵的一体化完善的城市交通系统解决方案。

·我们开发的系统,能够根据车流情况,通过信息采集、后台数据分析处理等方式,智能化控制交通信号灯,减少等待及拥堵时间。