【转载】第8期 | 基于大数据挖掘技术的交通信号控制改革与实战 | 创新与合作大会优秀论文

导语：2023年8月18日，公安部道路交通安全研究中心、中国道路交通安全协会联合开展了2024年中国道路交通安全创新与合作大会(以下简称“创新与合作大会”)论文征集工作。言究社特此推出创新与合作大会优秀论文专题展播，集中展示各位行业优秀工作者在进一步提升交通安全管理水平，促进交通安全事业可持续发展工作中涌现出的新技术、新理念，欢迎大家持续关注！本期为大家推送的是江西省南昌市公安局交通管理局交通科学研究所章丛琳分享的《基于大数据挖掘技术的交通信号控制改革与实战》。

交通信号控制是道路交叉口最普遍的交通管理形式，科学合理的交通信号控制能够有效改善城市交通运行秩序，提升交通运行效率与服务水平。近年来，江西省南昌市公安局交通管理局聚焦城市交通拥堵突出问题，以数据研判、数据治理、数据验证为手段，精致建设、精细管理，高起点站位、高站位谋划、高速度推进全市信号优化提升工作。本文介绍了南昌交管局根据南昌市路网结构、交通特性、空间范围等划分交通场景，构建了城市道路交通场景库，并依托多源交通大数据，从机制、模式、方法三方面进行交通信号控制改革，深度挖掘南昌市交通流量、路口拥堵等特征规律，针对不同交通问题制定“长绿波控制”“区域协调”等多种交通信号控制策略，围绕单个道路交叉口、干线、特殊时期预案保障等，实现高效信号配时管理，有效提升了南昌市道路通行效率，供参考。

一、交通信号控制改革举措

（一）机制改革

当前，南昌市信号机联网联控率已达到98.3%（因道路建成后未与交管部门办理移交，导致少量联网信号机未接入交管相应平台）。在数据资源方面，已建成1200余套视频检测器，电子警察设备已覆盖1572个路口。为实现交通信号配时标准化、精细化，确保南昌市交通信号配时优化工作扎实高效推进，南昌交管局成立了智慧信号配时中心，并制定了交通信号三级优化机制，明确了交管局、大队、中队信号保障工作重点、信号工作原则和各级工作职责，确保信号保障工作有章可循。

南昌交管局负责信号配时方案优化整体工作，监管全市信号配时方案，制定区域信号控制策略。通过融合路网、路段交通状态、车辆轨迹等多源数据，宏观分析城市交通特性，结合时间和空间变化规律，深度挖掘全市交通出行规律，精准识别信号配时、组织渠化等交通问题，针对具体问题采取缓进快出、绿波协调、微循环等信号控制策略。大队设置专职民警，负责收集辖区路口信号配时优化意见并反馈至配时中心，依托互联网平台，对延误评级高峰时段报警前十的路口进行调研分析。基于交通流理论，根据车流通过交叉口的基本运动特性，引入通行效率分析方法，结合交通数据规律、路口配时方案和路口渠化信息分析问题成因并提出解决方案。中队根据路口信号配时方案的实际运行效果提出合理性意见，将路口占道施工、交通事故等极易引起交通拥堵的异常事件报送至配时中心。

（二）模式改革

为解决基层警力不足、专业力量薄弱等问题，南昌交管局引进专业信号优化实战团队，打造智能信号与智慧交通创新团队，构建优势互补、良性互动的信号优化新格局。以“白天平峰时段拥堵明显减少，早晚高峰时段拥堵联勤联动联指”为目标，深化融合应用互联网交通大数据，针对道路交通信号配时不科学、设计不规范等问题提出专业的整改方案。

（三）方法改革

☞每月对严重拥堵路口进行“一点一策”治理

2023年，南昌交管局对解放西路上海路口、南昌大道城南大道口和南京东路等196处拥堵路口进行现场调研，通过互联网平台的延误大数据，深入分析路口的拥堵特征规律，针对性地进行信号专项优化。精细划分时段是信号配时优化的基础。图1所示为精细划分时段流程图，在精细划分时段专项治理中，采用了聚类算法对路口流量大数据进行处理，利用平滑后的路口5分钟流量数据序列，检测数据产生的拐点，将数据进行分组，初步形成路口的小时段，再比较相邻时段的离散程度以及流量差值，将离散程度低且流量差值小的时段合并为一个时段，时段合并后重新计算时段内离散程度。

离散程度即样本点到聚类中心的距离平方和，计算公式为：

式（1）中，q为时段内样本平均值。

计算时间序列T的K个时段的数据离散程度的加和作为时间序列T的损失函数，计算公式为：

应用拐点方法识别最优聚类数，式（2）中K值取急剧变化到趋于平缓变化的拐点。然后，计算任意两个相邻K下的最优分割损失值的斜率，计算公式为：

计算前后两个连续斜率的变化率，选择变化最大的值为最优分类数。K为最优分类数，计算公式为：

绿灯放行通过智能计算干线相位差，下发路口加放方案，增加协调相位的放行时间，且不改变下发后路口之间的相位差。一键绿灯放行流程如图2所示。

结合路口的不同拥堵特征规律，因地制宜地采取精细划分时段、多路口协调联动一键绿灯放行、调整车道功能、设置待行区、优化警力部署、“蓄水式”二次放行等措施进行“一点一策”精准精细治理。通过互联网平台数据对比分析，采取治理措施前后一周的延误数据显示，全年度拥堵指数平均下降12.76%。

☞多维度保障城市网红商圈周边道路畅通

为提升网红打卡点、商业网点、景区景点和夜市周边道路通行效率，南昌交管局采用“一降一廊一循环”方式进行交通信号优化。降冲突：为减少右转车辆与慢行交通的冲突，设置行人信号相位提前红灯，保障行人安全通行，一点一方案优化“夜市经济”140个路口信号配时方案；设置“绿灯走廊”：在交通吸引点如万寿宫、绿滋肴不夜城等，设置中山路、云锦路等交通信号“绿灯走廊”，让车流顺畅通行于“夜市经济”区域；实施区域“缓进快出”“微循环”：在中山路、梦时代、万达金街等商圈周边设置信号协调控制，实施缓进快出协调放行，形成“微循环”，保障区域交通顺畅。同时，依赖互联网路况数据，精准识别拥堵区域内各关键节点的缓进快出控制方向、比例和时长，各路口信号配时调整方法根据各路口级别不同，级别越高则路口压缩或加放的时间越长。

☞路口治理选取方式的改革

路口治理是城市交通管理中的重要环节，传统的选取方法往往依赖于被动发现。南昌交管局将“被动发现”转变为“主动研判”，探索了一种基于大数据的路口治理选取方法，即主要采用月初对比上一个月路口延误指数上升路口、分析每月拥堵事件数同比上升路段以及重点关注拥堵时长大于20分钟以上道路，并结合调研和反馈来优化路口治理策略，从而提高治理效率和准确性，取得了良好效果。

☞积极回应市民需求

对于市民反映信号配时不合理问题，南昌交管局通过分析交通数据、现场调研、后台视频调研等方式展开问题分析，发现交通流量变化快、道路改建和拓宽是导致红绿灯配时不适应交通需求变化的主要原因。因此，对交通流量进行实时监测，充分利用交通大数据，建立科学的红绿灯配时准则，包括车流量、路口类型、行人需求等因素，并根据实际情况进行优化调整，有效解决信号配时问题，缓解拥堵状况，提升群众满意度。同时，充分发挥媒体宣传作用，依托交通广播、微信公众号、抖音号等媒体平台，以文字、图像、微视频等全媒体形态，多个角度宣传信号治堵，积极争取广大市民的理解和支持。

二、实战成效

通过现场调研、单点优化信号周期、调整相位相序等措施，目前南昌市已建成165条绿波道路，里程约246公里，涉及交通信号控制路口679处，占全市交通信号控制路口总数的54.45%。绿波道路平均停车次数下降93.7%，平均行驶时间下降32.7%，大幅提升了市民出行品质。绿波点位分布如图3所示。

图3 南昌市城区绿波点位分布图

赣江中大道、赣江南大道作为南昌市南北向城市次干道，是市民通勤和外来旅游车辆通行的交通“主动脉”。该路段工作日每天车流量高达3.5万辆，车流密度高，为提升该路段通行效率和群众出行体验，南昌交管局多次就赣江大道平峰时段信号配时进行优化调整，利用绿波控制技术建设双向绿波控制，绿波速度55~60km/h。绿波带建成后，行程时间较优化前降低30.03%，停车次数较优化前下降98%。

根据朝阳片区棋盘格的路网特点，南昌交管局通过信号控制对该区域“五横五纵”十条相交干道开展区域优化，设置南昌市首张绿波网，共涉及30个信号路口，如图4所示。在优化过程中，首先按照干线等级、流量、速度等大数据进行优先级排序，依次计算路网中的干线方案。在没有形成闭合路网之前，以第一个路口或绿波交叉路口作为起始路口，计算干线上其他路口的绝对相位差。形成闭合路网后，尝试用调换路口相序的方式实现最优的协调方案。优化后绿波网络的行程时间平均减少20%，停车次数减少83%，拥堵指数从1.45下降到1.40。

图4 南昌市首个绿波网

在凤凰洲片区设置感应式绿波，感应式绿波自适应控制基于交通流预测模型输出的数据，实现点、线、面不同级别信号配时自动适应车流量变化，平峰减少绿损和停车延误，高峰均衡排队，确保关键节点和区域。在感应过程中，非关键相位感应绿灯结束时，相比基础方案绿灯时间有多余时，将多余时间加至关键相位。应用感应式绿波优化后干线行程时间平均减少34%，停车次数减少95%，绿损时间平均降低18%。

随着城市建设不断推进，交通信号控制路口规模不断扩大，交通管理难度也不断加强。南昌交管局采取单点路口动态优化、多元绿波动态调控、交通信号智能提升、交通信号控制预案调流等措施，实现交通信号配时标准化、精细化、智能化提质升级，切实推动南昌市交通管理工作向纵深发展，助力城市交通品质进一步提升。

（文/江西省南昌市公安局交通管理局交通科学研究所 章丛琳、李逸凡，本文首发于《道路交通管理》杂志2024年第6期）

编校 | 张翼飞 高海燕

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