我国交通信号控制产品市场及技术的现状和发展
我国交通信号控制产品市场及技术的现状和发展
*部交通管理科学研究所 马庆、章秋平
摘要：本文阐述了我国交通信号控制产品市场现状及发展，介绍了我国信号机产品发展和标准情况、信号机技术现状及发展、以及我国信号机产品存在主要问题。
关键词：道路交通信号控制机 现状 发展
交通信号控制产品--道路交通信号机（以下简称信号机）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。
1.我国信号机产品市场现状及发展
据不*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。也就是说全国正在道路上运行的信号机达四万二千多台。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*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*从事交通安全产品质量检测的*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。
如图一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。因此，全国信号机每年市场产值约5000万—6000万元。如图二所示为每年信号产值图。
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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*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*台自动控制信号机，其实也就是定周期式的。1979年4月，*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*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*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*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*部交通管理科研所、同济大学、电子部28研究所、南京*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*个实时自适应城市交通控制系统，系统整体水平达到了八十年代*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*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*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，笔者所在的无锡市，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。
3、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。
3.1 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。
3.2 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；zui大绿灯时间和zui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*的交通检测器，其技术和功能指标到达了*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。[NextPage]
3.3 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*信号配时方案，使得各个方向到达的交通能够在zui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*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*信号配时。在有公交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。
3.4 发展趋势
交通信号控制产品今后的发展，一是要结合我国交通特点，研究在线实时控制，要求所应用的交通模型应该尽可能简单；二是针对我国混合交通情况，考虑连续交通流与间断交通流的特点，研究开发更适合的自适应控制模型与优化算法；三是不断提高交通信号控制产品的可靠性；四是研究不同厂家（包括进口产品）共用的交通信号控制系统集成平台。
4、目前我国信号机产品存在主要问题
4.1目前我国信号机产品存在主要质量问题
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，苛刻的环境可想而知，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。笔者在无锡市、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，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。由于以上故障而发生的交通事故，生产企业将会受到法律责任，而设施部门也会受到连带责任，这不是不可能的。[NextPage]
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*行自检，然后按如下时序启动：
a）信号相位应*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。
但，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。
4.2目前我国信号控制系统在使用上的问题
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zui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。
5、结束语
由于城市化率不断提高，我国今后信号机的需求会很大。据了解，日本目前全国信号机保有量达13万台，而我国目前只有4.2万台。希望信号机各生产企业在不断完善信号机功能的同时，加强信号机的质量要求。各地安装信号机的设施部门在不断增加信号机安装的同时，也要更好地使用。常言道：三分建设、七分使用，其实很多信号机的功能很强大，希望各地在充分进行交通调查的前提下，发挥信号机的强大功能。