經(jīng)濟(jì)發(fā)展快，人們的生活水平不斷提高，各類車輛日益增加起來，市區(qū)交通擁堵的問題也隨之出現(xiàn)。目前交通信號管理的綠波控制技術(shù)已逐步成熟并在國內(nèi)一些城市應(yīng)用，取得了很好的管理效率。城市交通綠波控制技術(shù)，即在城市交通控制系統(tǒng)中使用交通流量、速度與控制配時相協(xié)調(diào)的管理機(jī)制，以城市干道的交通暢行為核心，對多路口交通信號實行協(xié)調(diào)控制，根據(jù)道路車輛行駛速度與各路口的距離，自動設(shè)置城市道路相鄰路口信號燈的啟動時間差，協(xié)調(diào)大、小路口交通流量，減少城市干道上的延誤和停車率，形成一條主干道直行方向的行車綠波帶，從而最大限度地實現(xiàn)干道上的車輛能夠暢通行駛。
在這個信息化時代，無論是哪個行業(yè)都離不開網(wǎng)絡(luò)，技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)的融合將會促進(jìn)行業(yè)新的發(fā)展。就交通信號領(lǐng)域，北方工業(yè)大學(xué)城市道路交通智能控制技術(shù)北京市重點(diǎn)實驗室研究員張福生發(fā)表了《網(wǎng)絡(luò)與計算融合-未來交通信號控制發(fā)展趨勢》主題演講。
一、傳統(tǒng)交通信號控制系統(tǒng)概述
回顧交通控制系統(tǒng)的整個發(fā)展歷程可以發(fā)現(xiàn)，信號控制系統(tǒng)的發(fā)展歷程的背后就是網(wǎng)絡(luò)通信、計算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展歷程。
隨著車聯(lián)網(wǎng)、車路協(xié)同，以及人工智能技術(shù)的發(fā)展，交通控制領(lǐng)域?qū)媾R越來越多的挑戰(zhàn)，來自于車聯(lián)網(wǎng)、車內(nèi)自動駕駛、交通與環(huán)境的協(xié)同等方面的復(fù)雜需求。從廣義的角度上看，交通控制應(yīng)該不僅是對紅綠燈的控制，而是擴(kuò)展到包括動態(tài)的交通控制、靜態(tài)的交通管理、交通信息服務(wù)、綜合的交通改制以及交通基礎(chǔ)設(shè)施的可用性管理等各個方面。
綜合各方面，我們認(rèn)為未來的交通控制應(yīng)該可以定義為通過系統(tǒng)與人的信息交互，影響交通參與者交通行為的所有途徑。面對這樣的需求，交通控制系統(tǒng)應(yīng)該具備什么樣的能力，現(xiàn)狀又是怎樣？
目前大多數(shù)的城市交通控制系統(tǒng)，路口設(shè)備包括交通信號控制器、燈具、檢測器、視頻監(jiān)控、執(zhí)法設(shè)備等，系統(tǒng)由一個個獨(dú)立的設(shè)備堆積在路口，設(shè)備獨(dú)立運(yùn)行，大量的電纜互相連接，組成一個非常復(fù)雜的系統(tǒng)。
從系統(tǒng)的角度上來講，一個信號控制系統(tǒng)包含了幾層。基礎(chǔ)的傳感層負(fù)責(zé)車輛檢測、信號狀態(tài)等基本的檢測，中間是執(zhí)行層，也就是交通信號控制器。再上一層就是網(wǎng)絡(luò)通信層，起到互通互聯(lián)的作用，然后就是中心系統(tǒng)。
目前的交通控制系統(tǒng)通常存在這樣的特點(diǎn)，傳感層通常是一些非智能的傳感器為主，有的是直接IO連的，有串口連接的，有網(wǎng)絡(luò)連接的等。執(zhí)行層的控制器，目前的方式往往是采用一些預(yù)定義的規(guī)則、基本邏輯控制，采用固定的模式。不管是定周期、感應(yīng)等模式，以及來自中心的方案生成、方案選擇和實時制定等中心控制，以及特殊控制的優(yōu)先控制策略。這些控制策略實際上都是規(guī)則固定，我們只是改變了其中的參數(shù)。中間的網(wǎng)絡(luò)層只起到了數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通，大量的數(shù)據(jù)堆疊到中心，而中心系統(tǒng)往往是以管理為主。目前在國內(nèi)大多數(shù)中心系統(tǒng)實際上的作用只是配時工具。
這樣的系統(tǒng)有一個特點(diǎn)，從網(wǎng)絡(luò)的角度來講是樹狀的結(jié)果。真正系統(tǒng)運(yùn)行時對中心存在嚴(yán)重的依賴性，那么系統(tǒng)協(xié)同能力是非常差的，也就是路口與路口之間的協(xié)同是嚴(yán)重依賴中心的。采用的方式是預(yù)定規(guī)則。
二、未來的交通信號控制系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)
面對未來交通的需求與挑戰(zhàn)，比如移動終端大量使用，網(wǎng)約車的普及，車聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)在不遠(yuǎn)的將來一定會滲透到所有的車輛，車路之間的協(xié)同需求也日益旺盛。接下來會推廣應(yīng)用的電子車牌、自動駕駛，越來越個性化的交通信息服務(wù)的需求。這些需求帶來的挑戰(zhàn)首先從交通感知的層面，交通數(shù)據(jù)越來多元化、多維度化，數(shù)據(jù)量也日益激增。從控制方向來看，由信號控制演向電子系統(tǒng)與交通參與者之間通過信息交會的方式將成為趨勢。
未來的交通信號控制系統(tǒng)面臨幾個挑戰(zhàn)。第一就是復(fù)雜的交通控制需求與簡單的控制規(guī)則之間的矛盾。第二就是多樣化的交通行為與簡單化的交通感知手段的矛盾。目前大多數(shù)的交通檢測器能檢測到存在信息，然后通過算法把存在信息，根據(jù)系統(tǒng)控制要求做數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。
第三就是海量的交通數(shù)據(jù)跟匱乏的處理能力之間的矛盾。信號控制器在現(xiàn)場設(shè)備是沒有數(shù)據(jù)處理能力的，只是簡單的反應(yīng)來按照一定的規(guī)則來進(jìn)行邏輯控制。
第四就是高可靠的運(yùn)維需求跟非智能的終端設(shè)備的矛盾。現(xiàn)有的交通信號控制系統(tǒng)最難的事情就是設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的檢測，其中有一個就是燈具的檢測，好像之前用白熾燈泡的時，燈具的故障很容易就檢測到，但是隨著用LED等燈具的出現(xiàn)，一直沒有找到很好的檢測方法。
第五是高度集成的平臺需求跟復(fù)雜的系統(tǒng)連接方式之間的矛盾。
三、交通信號控制系統(tǒng)發(fā)展趨勢
我們認(rèn)為解決上述問題，最核心的方法就是對終端設(shè)備、節(jié)點(diǎn)控制設(shè)備進(jìn)行IP化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化升級。對于交通信號控制器，要實現(xiàn)多功能集成化,把計算融入到交通信號控制器，讓交通信號器除了按照預(yù)訂規(guī)則運(yùn)行的功能外還要有強(qiáng)大的計算能力、可編程能力。
針對網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)要把傳統(tǒng)的樹狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)扁平化，實現(xiàn)把網(wǎng)絡(luò)跟計算融合。當(dāng)然，網(wǎng)絡(luò)不僅是起到數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖饔茫嬎阋膊粌H是把信號控制器的CPU處理能力提高。
一個交通控制系統(tǒng)包括三個層面，第一就是傳感器層面，以視頻檢測為例，幾年前我們更多的是將模擬的視頻用后端系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)用、分析、識別，現(xiàn)在我們已經(jīng)實現(xiàn)了視頻在現(xiàn)場的數(shù)字化甚至包括車牌的識別，但是還有更多的傳感器面臨這樣的改造過程。
第二個層面就是前端控制，就是讓信號控制器具備更多智能的處理能力。人工智能應(yīng)用到交通控制是必然的趨勢，但是人工智能是需要載體的，交通信號控制器如果不提供額外的計算能力，那么人工智能進(jìn)入交通信號控制的前端就沒有載體、沒有平臺。
針對最重要的核心層-中心控制系統(tǒng)。應(yīng)該是戰(zhàn)略層面的控制，最終要達(dá)到的目標(biāo)就是提升邊緣設(shè)備的智能化，利用工業(yè)網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)感知信息控制信息交互，降低中心的負(fù)荷，去除對中心的依賴，提高全系統(tǒng)的應(yīng)用。
由此，路口的信號控制器不再是一個簡單的交通信號控制設(shè)備，而是升級為路口的智能化信息中心，稱為周邊路段所有設(shè)備智能信息的匯集點(diǎn)和智能信息處理節(jié)點(diǎn)，我們把這個節(jié)點(diǎn)叫云節(jié)點(diǎn)。
所有的云節(jié)點(diǎn)通過網(wǎng)絡(luò)連接到中心，構(gòu)成一個完整的系統(tǒng)。云節(jié)點(diǎn)除了一些基本控制功能，還能處理網(wǎng)絡(luò)安全、節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間的消息服務(wù)、目錄服務(wù)，具備對外提供信息服務(wù)能力和優(yōu)化控制能力，當(dāng)然也包括交通檢測、設(shè)備驅(qū)動、數(shù)據(jù)存儲等方面的功能。
在扁平化的控制系統(tǒng)里，最核心的一點(diǎn)就是用數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)覆蓋道路網(wǎng)絡(luò)，用智能節(jié)點(diǎn)去支撐路口的控制。把節(jié)點(diǎn)感知、數(shù)據(jù)交互共享結(jié)合到一起，采用分層運(yùn)算跟交互控制的方法結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)與發(fā)現(xiàn)。
我們認(rèn)為世界上最遠(yuǎn)的距離不是從攝像機(jī)到紅綠燈，而是從一個路口到另一個路口的距離。目前的狀況是，雖然建設(shè)了龐大的控制系統(tǒng)，但是A路口、B路口上下游關(guān)系，兩個路口之間，A不知道B的狀態(tài)，B不知道A的狀態(tài)；交通流是連續(xù)的，但是信息流卻是阻斷的。我們希望通過網(wǎng)絡(luò)與計算融合的模式，在路口與路口之間實現(xiàn)一個實時無障礙的信息溝通與交流。
一個例子，目前我們在計算旅行時間等計算時，通常采用的方法是把所有的數(shù)據(jù)匯集到中心系統(tǒng)再進(jìn)行運(yùn)算。隨著車輛識別技術(shù)的普及，如果在節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間建立實時的數(shù)據(jù)交換，那么一輛車從上游到達(dá)下游的時候立即就可以計算出旅行時間。智能節(jié)點(diǎn)組成的網(wǎng)絡(luò)中，任何一個路口可以知道它周邊的路口現(xiàn)在運(yùn)行的模式、控制的狀態(tài)，采用的方案等，所有的數(shù)據(jù)都可以在相應(yīng)的路口之間、相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)的交換跟傳遞。
一次為基礎(chǔ)形成的控制方式，我稱之為網(wǎng)絡(luò)協(xié)同控制模式。
在網(wǎng)絡(luò)協(xié)同控制模式下，首先要實現(xiàn)交通數(shù)據(jù)共享，并通過節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間的協(xié)商形成的優(yōu)化方案，然后實現(xiàn)協(xié)同控制，節(jié)點(diǎn)之間都通過網(wǎng)絡(luò)連接實現(xiàn)交叉控制狀態(tài)的監(jiān)控，最后在節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行控制效果評價。
要實現(xiàn)上述控制模式，要對路網(wǎng)對象進(jìn)行抽象的定義，建立節(jié)點(diǎn)之間的消息傳輸機(jī)制，建立規(guī)范的通訊標(biāo)準(zhǔn)、通訊協(xié)議。
最后，當(dāng)每一個智能節(jié)點(diǎn)具備了網(wǎng)絡(luò)和計算能力，怎么實現(xiàn)計算？在這個領(lǐng)域我們作了一些嘗試性的研究，我們把這個研究內(nèi)容命名為叫“交通控制語言”，簡稱叫TL。 在工業(yè)控制領(lǐng)域里面，每隔行業(yè)都有一些面向行業(yè)應(yīng)用的專業(yè)軟件和開發(fā)方法、開發(fā)工具、開發(fā)包。在交通控制領(lǐng)域里面一直沒有這樣的東西，我們希望通過總結(jié)研究，開發(fā)出一套交通控制語言。
我們希望通過對交通控制語言的研究，對一些最基本的交通對象、交通方法和安全保證把它封裝起來，形成一個基礎(chǔ)的開發(fā)環(huán)境。讓更多的交通產(chǎn)品開發(fā)者能夠利用這樣的基礎(chǔ)做更深入更高級的開發(fā)。
未來的交通控制領(lǐng)域產(chǎn)品技術(shù)的發(fā)展趨勢概括起來兩點(diǎn)：一是硬件標(biāo)準(zhǔn)化，二是軟件開源化，這才是這個行業(yè)未來技術(shù)發(fā)展的最大趨勢。
最后，我們認(rèn)為傳統(tǒng)的系統(tǒng)還是自動系統(tǒng)，未來的系統(tǒng)是智能系統(tǒng)。這兩個系統(tǒng)之間的差異，首先就是傳統(tǒng)系統(tǒng)是一個單點(diǎn)的自動化系統(tǒng)，未來的一定是群體智能化系統(tǒng)。傳統(tǒng)的系統(tǒng)更多的是依賴中心，未來應(yīng)該是協(xié)同性適應(yīng)，傳統(tǒng)的數(shù)狀結(jié)構(gòu)變成未來的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)的分層控制變成未來的協(xié)同控制。傳統(tǒng)的單一的硬的物理中心變成一個虛擬化的、扁平化的邏輯中心。
傳統(tǒng)的預(yù)訂性參數(shù)，應(yīng)該走向自主學(xué)習(xí)、自主標(biāo)定參數(shù)，傳統(tǒng)的故障降級模式升級為可交互控制，實現(xiàn)故障自動愈合。傳統(tǒng)的預(yù)訂規(guī)則，隨著機(jī)器學(xué)習(xí)人工智能的發(fā)展為自主發(fā)現(xiàn)的方式。
