统一信控平台的困境思考
编者按：7月19日，在中国人民公安大学交通管理学院交通安全行为科学实验室主办的公安交管业务“实战·应用”研讨会上，北方工业大学智能交通控制（北京市）重点实验室研究员张福生做了《统一信控平台的困境思考》的主题报告。
该报告首先对我国交通信号控制系统的发展历程进行了阐述，并深入分析了建设统一信控平台的目标、面临的主要问题及四大困境，最后介绍了解决方案与前景，并认为从行业发展前景来看，统一信控制平台一定要实现，并且一定能够实现。
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交通信号控制系统的发展历程已久，从最早第一台信号机出现到现在已有100多年的历史，全世界各个国家由于路网特征、交通环境、交通需求不同也诞生了不同的信号控制系统系统。
下图中不同颜色标注了世界范围几种有代表性的信号系统分布。比如北美地区以美国为代表的NEMA-TS1/TS2体系的NTCIP类系统，以澳大利亚为代表的SCATS系统，西门子（如今的予途交通）英国的SCOOT系统，德国的Scala/Motion系统，以及其他各种各样的控制系统。
中国的现代交通信号控制系统大多是自上世纪80年代末随着世界银行贷款和各个国家的政府贷款项目引进，所以中国可能是全世界交通信号控制设备、控制系统种类最多、技术体系最复杂的一个国家。
通过对国内不同城市信号系统的使用情况也进行的简单统计。如下图所示，以长三角、珠三角地区为代表使用SCATS系统；北京、成都、武汉、大连等城市使用SCOOT系统；后来国内厂商借鉴学习美国的NTCIP架构，很多厂家开发了基于NTCIP的仿制系统，我将这些统一归为NTCIP类系统当中。
因此，要研究交通信号控制系统，一件无法回避的事情就是研究标准。从标准入手来看不同交通信号控制系统之间的差别。
首先要理清最基本的标准规范、控制概念、控制理念、系统功能、软件架构、优化模型等一系列内容，其中工程方法、外场设备、接口规范等更是需要我们重点关注的内容。只有搞清楚这些要点，才有可能把不同的系统“捏合”到一起，变成一个统一的平台。
这里我对不同国家地区的相关标准进行了对标整理，简单对比如下图所示。只有对于这些标准进行深入分析，才能了解各个系统的功能、架构、控制理念以及通信协议等内容。这是一个庞杂且包含大量细节的工作。
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由于中国城市化进程的快速发展，几乎每一个城市的信号机及信号控制系统都经过了多个时期的规划、设计、建设，由于时间跨度还相当长，技术发展快，每次招标中承建方往往都不尽相同，还有城镇化机动化的快速发展以及伴随的业务需求变化发展等原因，导致很多城市都在面临一城多系统/多类信号机并存的问题。
因此要实现统一的信控平台，首先要确立一个目标，明确统一信控平台到底要统一什么？我认为主要需要统一以下五方面内容。
一是要统一基础数据：不同的信号控制系统对于交通控制的基本要素定义各不相同，因此要对基础数据的定义进行统一，如统一路网数据、统一设施数据、统一交通数据、统一控制数据等。
二是统一人机交互：将不同控制理念的控制参数、配时数据、运行状态一致化，并以统一的人机交互界面实现监视、数据管理、运行可视化等功能；统一控制干预界面，包括特勤控制、紧急干预控制等。
三是统一运行维护：建立统一的故障分级分类代码体系，通过对不同系统设备故障进行归类转换，实现统一的故障报警、处置、维修维护全流程管理。
四是统一优化控制：不同的控制系统、不同的信号控制设备，内部都有自己的优化控制算法，如SCOOT系统以系统综合延误最小为目标，SCATS系统以绿灯利用率（饱和度）均衡为目标等，国内很多系统也都定义了自己的优化目标，不同的优化目标在工程实现、数据使用、优化参数配置校准、运行评价等方面都有不同的差异，因此需要思考是否有必要对优化控制方法进行统一。
五是统一接口规范：现在的交通信号控制系统已经跟传统的信号控制系统不同，传统的交通信号控制系统只解决交通信号控制的问题，是一个封闭的系统，但随着车路协同、智能网联、智慧城市等建设需要，交通控制应用越来越多需要与外部系统进行数据交换，统一平台应该对外部数据接口进行统一规范管理，实现与外部系统之间安全可靠高效的数据交换与控制交互。
基于以上认识，我认为统一信号控制平台不仅仅是表面上软件系统的统一，而更重要的是要实现本质功能的统一。要从与交通信号有关规划设计、工程实施、产品研发、运维服务以及人才培养等方面达成一系列统一，以达成一个城市道路交通控制一体化运行的目的，这才是统一信控平台需要达到的终极目标。
要达成上面的目标，我们需要认真思考并回答以下几个问题：
问题一：统一平台能统一什么？
我们要看一看统一信控平台到底能统一什么？下图中ABC分别代表三种不同的信号控制系统产品的功能范围，有两种方法实现统一平台，或实现三种新系统的功能合集，统一平台功能涵盖ABC全部功能，或实现三种系统功能交集，统一平台功能仅涉及ABC交叉部分的共同功能。在规划建设一个统一平台前，我们首先要冷静思考一下，要明确实现哪种统一，是实现交集的统一还是合集的统一？
一个最基本的逻辑就是外延越大,内涵越少,一致性越差。所以建设统一控制平台的时候，我们要思考统一平台的目标范围，统一什么？怎么统一？目标在哪？
问题二：是交通管理平台还是交通控制平台？
下图是我依据信控平台的通信联网联控、交通数据检测、数据分析、优化控制、安全与接口等指标对信控系统进行了能力分级评价，分为L0~L5六个等级。我认为一个好的信号控制系统至少要达到L3以上的水平。
这就产生了一个问题：统一信控平台应该达到哪一级？统一交通信号控制平台到底是一个管理平台，还是一个控制平台？建这个平台的目的是什么？是仅仅实现管理功能，还是希望它也能起到控制的功能？
交通信号业务的管理系统和控制系统的目标是完全不同的，或者说有很大程度上这两个系统的要求是不一样的。
问题三：平台降低了系统复杂度？还是增加了系统复杂度？
统一信控平台要实现多种异构的信控产品的融合互联通常有三种方法。第一种是C2C（中心到中心）模式，也就是系统A、系统B、系统C在中心侧提供一个接口，在此基础上建立一个统一信控平台，把它们连到一起实现统一。
这需要信控系统提供接口并开放中心接口协议，比如目前国内大多采用GA/T1049.2通信协议来实现的互联，现在很多系统也支持1049.2的向上对接。
第二种是C2F（中心到现场设备）模式，C2F是统一管控平台直接连接路口信号控制机，中间不经过其它软件系统。也许未来的信控平台会是一个厂家，而信号机则可以使用各个厂家生产的设备，这些信号机都可以连到统一信控平台，利用包括GB/T20999、NTCIP协议等，在理论上这是可以达到的目标。
第三种是混合模式，就是在一个城市中一部分系统的设备以C2F方式直连统一平台，另外一部分是通过原信号系统以C2C方式进行连接，我称之为混合模式。问题是我们建立了统一信控平台之后，原来的中心系统还有没有存在价值？如果我们认为统一信控平台是控制平台的话，那么原来的系统能不能拆掉？如果原来系统不能拆掉的话，那么统一信控平台的作用到底是什么？我们又能达成什么样的目标呢？建设了一个新平台新系统是不是反而增加了本就不堪重负的运维管理工作？
问题四：对交通信号控制器的认识？
最近我在整理翻译整理的交通信号配时手册（STM）第三章中看到这样一段话，关于如何理解并定义交通信号控制器，不同的人对这件事的看法是不一样的。在最初进入交通行业时，我对交通信号控制器的理解就是一个分配时间的定时器。
STM手册中对于交通信号机的定义是这样的，现代交通信号控制器本质上是计算机，它依据从业者建立的运行规则、时间参数与服务优先级，接收用路人的服务请求（来自检测器）并生成用于控制用路人路权的显示输出。
但目前情况是，大多数交通信号控制机是运行在固定配时模式下，按照固定的时间计划来运行，这样的控制器是我们想要的控制器吗？如果它是按照数据驱动来运行的，那么不同国家、不同厂家的设备对数据驱动的理解是不是一致？如果不一致的话，又该如何把它集成到一起变成一个统一的平台呢？
更多的问题。首先是平台的目标用户是谁？是交通管理者、指挥者还是交通工程师？平台要解决的是设备采购与建设问题还是交通问题？平台能降低“建、管、运、养”全生命周期成本吗？平台能解决底层的设计、工程、运维不一致问题吗？实现统一平台的关键瓶颈是IT问题，还是交通控制问题？
我一直认为，能否回答以上问题，是检验统一信号控制平台能力的关键所在。而常常被提及的接口通信协议只是表面问题，不是统一信控平台的核心关键问题。
正因为上述问题的存在，导致现在统一信控平台这个领域面临着一些困境。
由于历史原因，我国先后引进了不同来自不同国家的系统，很多厂家在开发交通信号控制控制系统的时候，也是凭着一些朴素的理解开始做起，导致现在很多基本概念缺失且定义模糊，很多标准规范也存在着分散、笼统且自相矛盾的问题，很多交通信号控制领域的最基本常识现在无法达成共识，在具体实践上缺少详实有效正确的应用指引，造成了很多工程设计、系统功能定义、控制目标、评价方法、评价指标等方面都是模糊不清的。
信号控制系统的困境，同样是统一信控平台的困境。这些困境也同样影响着统一信控平台的设计、开发、建设和使用。
对此，我也简单进行一下总结。
困境一是交通控制基本概念的认知错误。比如交通信号基本显示方式的定义（倒计时等非标信号语言的问题），对于行人信号的定义、对于机动车信号定义（黄灯的含义）不明；有关交通流路权指派问题，怎么样叫保护通行，怎么样叫许可通行等这样的基本概念也有分歧。
信号控制与交通安全问题中最基本的常识性的安全因素，如何定义冲突，怎么保护，如何处理相位切换间隔，不同的厂家、不同的产品都有各自不同的理解。
交通检测与交通数据方面，近年建设了大量的交通感知设施采集到了大量的交通数据，但是统一信控平台到底应该采用什么样的数据，什么样的数据是可靠的、正确的，怎样评价交通检测设施的准确性？目前都没有明确的答案，甚至存在误解。
在一些特殊的应用场景，现有标准对对于信号机启动、模式切换、故障响应等没有统一的控制规范，而这些特殊场景往往又会牵扯到交通安全、交通效率等多个方面，有大量的细节需要我们深入研究。
此外，在开发统一信控平台时，还要对控制模式与基本控制参数的适用性、控制影响，设计原则等进行标准的统一。
细分近百条的基本问题没有明确的准则与规范，如果细节不统一，平台又该如何统一？
困境二是基础法规标准欠缺、杂乱且自相矛盾。以行人信号为例，《中华人民共和国道路交通安全法实施条例》第三十九条关于人行横道信号灯的表述：“绿灯亮时，准许行人通过人行横道；红灯亮时，禁止行人进入人行横道，但是已经进入人行横道的，可以继续通过或者在道路中心线处停留等候”，这意味着法规规定了行人信号只有红灯和绿灯两个状态。
但在国标GB 14886-2016标准里对行人信号的定义是红灯、绿灯、绿闪。
于是我又找到了1988年实施的《中华人民共和国道路交通管理条例》。《条例》规定：绿灯亮时，准许行人通过人行横道；绿灯闪烁时，不准行人进入人行横道，但已进入人行横道的，可以继续通行；红灯亮时，不准行人进入人行横道。
这说明GB 14886-2016标准中对于信号灯的语义定义是符合1988年实施的《条例》，但是和2004版的的道路交通安全法实施条例是不一致的。类似的大量细节直接影响了信号系统的设计、产品、建设，统一信控平台作为上位系统也同样受到影响。
困境三是基本控制方法的定义不统一、不一致。目前行业对于感应控制、定周期控制、协调控制、自适应控制、手动控制、紧急优先控制以及故障状态控制这七种基本控制模式，从标准层面没有一个明确的的定义。于是出现场景、模式混用，各种概念泛滥的局面。甚至有很多厂家在宣传其交通信号控制系统时宣称有百余种控制模式和功能，可以应对上百种场景等等；以所谓的溢出控制为例，这不过是感应控制（或紧急优先控制）的一种特殊应用而已，完全没必要做什么特殊开发。只要把最基本的功能定义好，仅通过参数的修改或优化就能适应各种各样的场景。就好像完全没有必要为每一道菜配一个锅，为每一首音乐配一套单独的音响一样。
以交通信号控制中经常用到的协调绿波控制为例，建立了统一信控平台，表面上两个不同厂家的信号机可以连在一起，但实现不同品牌控制器之间的绿波协调往往非常难，系统主时钟体系如何确立？系统协调参考点如何选择？系统相位差参考点如何选择？控制方案过渡方法如何规范？这一系列问题都需要在更高的标准层面上进行统一规范。如若不然，来自各个山头的杂牌军即使穿上了统一的服装，也变不成号令一致、行动统一的正规军。
近段时间以来，我一直在行业内推动感应控制的应用，也了解分析了一下不同厂家系统对感应控制的理解，发现对于感应控制的基本概念如最大绿、最小绿、相位请求、相位扩展、相位中止概念的理解差异巨大，甚至很多教科书中对这些概念的解释都是错误的。所以说没有细节的一致，统一平台只能是貌合神离。
困境四是从业者素质良莠不齐。每年交通工程及其相关专业毕业生大概超过万人，但这么多的毕业学生却没有行业准入与从业资质认证，没有权威的行业认证机制，也没有专门的职称的评定体系。
另一方面，目前大多数从事交通信号产品开发和工程实施的人员都不是交通专业出身，缺少最基本的道路工程、交通工程的常识训练，不熟悉甚至完全没有阅读过行业的法规、条例以及基本的标准规范；此外，很多做交通行业从业人员没有现场交通控制工程实施经验，不到现场去体验，对交通的感受和理解几乎透视凭直觉朴素的认知。
同时，行业大部分从业者处于固步自封的状态，完全不了解世界交通控制领域产品技术的最新发展发展，对于国外的信号控制系统现状、标准都缺乏最基本的了解。
建设统一信控平台面临的另一个最重要的问题就是知识产权与职业道德问题。如果要把两个厂家的产品连接起来，没有开放通信协议确实是一个障碍，该如何解决？面对这一问题，某些厂商采取所谓“暴力破解”的方式，这其中是否涉及到知识产权、职业道德等问题？
以上这些都是在建设统一信控平台时无法回避的困境。
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《中华人民共和国道路交通安全法》第二十五条中第一句话就是“全国实行统一的道路交通信号”。道路交通信号包括标志、标线、交通警察的指挥和交通信号灯。
统一信控制平台是保障实行统一道路交通信号必不可少的基础系统，是绕不开、躲不过、不得不做的唯一选择。
在讨论具体的技术解决方案之前，我觉得这几个问题是亟需解决的。
目标问题：统一信控平台首先是信号控制平台。无论统一与否，平台首先要能控制信号，不能提升交通安全、提升交通效率的统一平台是没有意义的。
认知问题：统一基础认知、统一标准是关键。建立一体化、分层次的标准体系（法规、标准、手册、研究报告）是非常重要的工作。
资质责任：建立行业资质认证、行业准入评价机制。涵盖规划、设计、安全、运营全过程的资质体系，建立资质与责任的关联机制是保障统一信控平台得以贯彻的重要前提条件。
统一平台要实现的不仅是软硬件设施互联互通，重要的是实现标准、规范、方法、流程的统一，更重要的是全行业从业者对交通控制的认知与观念的统一。从行业发展前景来看，统一信控制平台一定要实现，并且一定能够实现。
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