自适应信号控制：优化全球城市交通流

城市交通拥堵是一个全球性的普遍问题，影响着经济、环境以及通勤者的日常生活。传统的固定配时交通信号系统虽然仍在使用，但往往无法适应交通模式的动态变化。自适应信号控制系统 (ASCS) 通过根据实时交通状况调整信号配时，提供了一种更智能、更高效的交通流管理方法。本篇博文将探讨 ASCS 的原理、优势、挑战和未来趋势，为全球的交通专业人士和城市规划者提供全面的概述。

了解自适应信号控制系统 (ASCS)

ASCS 是智能交通系统 (ITS) 的一种，它利用传感器、控制器和通信技术网络来动态监控和优化交通流。与具有固定时间表的预设配时信号系统不同，ASCS 持续分析交通数据并调整信号配时，以最大限度地减少拥堵并提高整体路网效率。ASCS 的核心组成部分包括：

• 交通传感器： 这些设备，通常是环路检测器、摄像机或雷达传感器，用于收集车辆流量、速度和占有率等实时交通数据。
• 中央控制器： 这是系统的“大脑”，负责处理从传感器接收到的数据，并使用复杂的算法计算出最佳的信号配时方案。
• 本地控制器： 位于每个交叉路口，这些控制器接收来自中央控制器的指令，并执行调整后的信号配时。
• 通信网络： 该网络促进传感器、中央控制器和本地控制器之间的数据交换，确保无缝通信和实时调整。

ASCS 在一个闭环反馈系统上运行。交通传感器持续监控交通状况并将数据反馈给中央控制器。控制器分析这些数据并使用先进的算法来确定每个交叉路口的最佳信号配时。这些优化后的配时方案随后被发送到本地控制器，由其相应地调整信号。该系统持续监控交通状况并完善信号配时，以维持最佳交通流。

自适应信号控制系统的优势

实施 ASCS 带来了广泛的益处，包括：

减少交通拥堵

ASCS 动态调整信号配时以匹配实时交通需求，从而减少延误和拥堵，尤其是在高峰时段。通过优化交通流，ASCS 可以显著缩短出行时间并提高整体路网效率。例如，在澳大利亚悉尼，SCATS (悉尼协同自适应交通系统) 已被证明在某些地区可将出行时间减少高达 25%。

改善空气质量

减少交通拥堵可以降低车辆排放，改善空气质量。当车辆在交通中怠速时间减少时，它们消耗的燃料更少，排放的污染物也更少。这在空气污染是主要问题的密集城市地区尤为重要。像英国伦敦这样的城市已经将实施 ASCS 作为减少空气污染和改善公共卫生措施的一部分。

提升安全性

ASCS 可以通过优化交通流和减少事故可能性来提高安全性。通过最大限度地减少“走走停停”的交通状况，ASCS 可以降低追尾碰撞和其他类型事故的风险。此外，一些 ASCS 可以优先处理紧急车辆，为其扫清道路并缩短响应时间。在新加坡，其绿灯联动确定系统 (GLIDE) 在交叉路口优先考虑公交车，确保了更快、更可靠的公共交通，这有助于提升整体道路安全。

提高通行能力

通过优化信号配时，ASCS 可以增加在给定时间内通过一个交叉路口或交叉路口网络内的车辆数量。这种增加的通行能力可以提高整体路网容量并减少拥堵。像美国洛杉矶这样的城市已经使用 ASCS 来改善主要走廊的交通流，并增加可容纳的车辆数量。

降低燃料消耗

更低的交通拥堵直接转化为燃料消耗的减少。车辆在怠速或从静止状态加速时会消耗更多燃料。通过最大限度地减少这些情况，ASCS 可以帮助驾驶员节省燃料并减少碳足迹。这在燃料成本高的国家尤其重要，例如日本，ASCS 在那里被广泛用于提高燃油效率和降低运输成本。

改善公共交通

ASCS 可以与公共交通系统集成，以优先处理公交车或有轨电车，从而提高其可靠性并缩短出行时间。通过优先考虑公共交通工具，ASCS 可以鼓励更多人使用公共交通，进一步减少交通拥堵和改善空气质量。像拥有快速公交 (BRT) 系统的哥伦比亚波哥大等城市，通常会集成 ASCS 以在交叉路口为 BRT 车辆提供优先权。

实施自适应信号控制系统面临的挑战

尽管有诸多益处，实施 ASCS 也面临一些挑战：

高昂的初始成本

ASCS 所需的初始投资可能相当可观，包括传感器、控制器、通信基础设施和软件的成本。这对于预算有限的小城市或市政当局可能是一个障碍。然而，减少拥堵和提高效率的长期效益通常会超过初始成本。像丹麦哥本哈根这样的城市，尽管致力于可持续交通，但由于预算限制，也谨慎地分阶段实施其 ASCS。

维护与保养

ASCS 需要持续的维护和保养以确保其正常运行。传感器需要校准和维护，控制器需要更新，通信网络需要监控。这需要技术熟练的人员和持续的资金支持。定期维护对于最大化 ASCS 的效益和防止系统故障至关重要。阿联酋迪拜市在包括 ASCS 在内的先进交通管理系统的维护上投入巨资，以确保其持续有效。

数据管理与安全

ASCS 产生大量数据，这些数据需要被存储、处理和分析。这需要强大的数据管理系统和协议。此外，数据需要保护免受未经授权的访问和网络威胁。数据安全是一个关键问题，尤其是当 ASCS 与其他智慧城市系统集成度越来越高时。欧盟的《通用数据保护条例》(GDPR) 对像德国柏林这样的城市如何收集和使用 ASCS 数据产生了影响。

与现有基础设施的集成

将 ASCS 与现有交通信号基础设施集成可能具有挑战性，尤其是在拥有老旧系统的历史悠久的城市。兼容性问题和升级需求会增加实施的复杂性和成本。采用分阶段实施的方法，从特定区域的试点项目开始，有助于缓解这些挑战。意大利的许多城市在将 ASCS 与其历史基础设施集成方面面临挑战。

算法复杂性

ASCS 中使用的算法非常复杂，需要仔细校准和调整以优化性能。需要考虑交通模式、道路几何形状和驾驶员行为等因素。此外，算法需要适应不断变化的交通状况和意外事件。日本东京市在其 ASCS 中使用了高度复杂的算法，这反映了该市复杂的交通模式和高人口密度。

公众接受度

获得公众对 ASCS 的接受可能具有挑战性，特别是如果信号配时的变化在初期引起中断或困惑。公众沟通和教育对于解释 ASCS 的好处和解决任何担忧至关重要。关于系统如何工作以及它如何改善交通流的透明度有助于建立公众信任。在加拿大蒙特利尔，公众咨询是其 ASCS 实施过程中的关键部分。

全球自适应信号控制系统实例

全球有多个城市已成功实施 ASCS 以改善交通流和减少拥堵。以下是一些著名的例子：

SCATS (悉尼协同自适应交通系统)

SCATS 是最古老且部署最广泛的 ASCS 之一，在澳大利亚悉尼开发。它在全球超过 180 个城市中使用。SCATS 采用分层控制结构，由本地控制器管理单个交叉路口，中央控制器协调整个路网。SCATS 以其稳健性和对变化交通状况的适应性而闻名。

SCOOT (交叉口信号配时优化技术)

SCOOT 是另一种广泛使用的 ASCS，在英国开发。它在全球超过 300 个城市中使用。SCOOT 采用分布式控制结构，每个交叉路口控制器根据本地交通状况自行决策。SCOOT 以其简单性和易于实施而闻名。

RHODES (实时分层优化分布式有效系统)

RHODES 是在美国开发的一种 ASCS。它采用分层控制结构，由本地控制器管理单个交叉路口，中央控制器协调整个路网。RHODES 以其先进的优化算法和处理复杂交通场景的能力而闻名。

MOTION (孤立网络交通优化方法)

MOTION 是在德国开发的一种 ASCS。它专注于优化孤立交叉路口网络中的交通流。MOTION 采用去中心化控制结构，每个交叉路口控制器根据本地交通状况自行决策。MOTION 以其处理复杂交通场景的能力和在面临干扰时的稳健性而闻名。

InSync (Rhythm Engineering)

InSync 是美国开发的一种自适应交通信号控制系统，强调简单易用。它利用实时数据动态调整信号配时，优化交通流并减少拥堵。其优势在于能够在不需要大规模基础设施改造的情况下改善交通流，这使其成为预算有限城市的有吸引力的选择。

自适应信号控制的未来趋势

ASCS 的未来可能会由几个关键趋势所塑造：

与网联和自动驾驶汽车 (CAV) 的集成

随着 CAV 的日益普及，ASCS 需要与这些车辆集成，以进一步优化交通流。CAV 可以向 ASCS 提供有价值的数据，例如它们的位置、速度和计划路线。这些数据可用于预测交通拥堵并主动调整信号配时。此外，ASCS 可以直接与 CAV 通信，为它们提供有关最佳速度和路线的信息。这种集成将带来一个更高效、更安全的交通系统。像美国匹兹堡这样的城市正在积极测试 ASCS 与自动驾驶汽车的结合。

人工智能 (AI) 和机器学习 (ML)

AI 和 ML 在 ASCS 中扮演着越来越重要的角色。AI 算法可用于分析大量交通数据，并识别人类操作员不易察觉的模式。ML 算法可用于预测未来交通状况并主动调整信号配时。AI 和 ML 还可用于随时间推移优化 ASCS 算法的性能。韩国首尔市正在探索采用 AI 驱动的 ASCS 来改善交通预测和优化信号配时。

云计算

云计算为管理 ASCS 数据和算法提供了一个可扩展且具有成本效益的平台。基于云的 ASCS 可以轻松更新和维护，并且可以从世界任何地方访问。云计算还促进了不同城市和地区之间的数据共享和协作。这将带来更高效、更有效的交通管理。欧洲的许多城市正在将其 ASCS 迁移到基于云的平台，以提高可扩展性并降低成本。

先进的传感器

新型传感器正在被开发出来，它们可以提供更详细、更准确的交通数据。这些传感器包括雷达传感器、激光雷达传感器以及具有先进图像处理功能的摄像机。这些传感器可以提供有关车辆类型、速度和占有率的信息，以及行人和自行车交通的数据。这些数据可用于优化所有交通方式的信号配时。基于无人机的交通监控在某些地区也越来越受欢迎，为收集实时交通数据提供了一种灵活且具成本效益的方式。

关注可持续性

未来的 ASCS 将越来越关注可持续性，目标是减少排放和改善空气质量。ASCS 可用于优先考虑公共交通，鼓励骑行和步行，并减少怠速时间。此外，ASCS 可以与电动汽车充电基础设施集成，以优化充电计划并减少电网压力。这将有助于创造一个更可持续、更宜居的城市环境。致力于减少碳足迹的城市，如荷兰阿姆斯特丹，正在其 ASCS 实施中优先考虑可持续性。

结论

自适应信号控制系统是管理城市交通拥堵和提高整体交通效率的强大工具。虽然实施 ASCS 存在挑战，但减少拥堵、改善空气质量、提高安全性和增加通行能力的好处超过了成本。随着技术的不断发展，ASCS 将变得更加复杂和有效，在创建更智能、更可持续、更宜居的全球城市中发挥关键作用。交通专业人士和城市规划者应仔细考虑 ASCS 在应对其独特交通挑战和提高市民生活质量方面的潜力。从优化现有道路网络到为网联和自动驾驶汽车铺平道路，自适应信号控制是现代、高效和可持续交通生态系统的重要组成部分。