基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能交通信號(hào)燈控制系統(tǒng)

李 偉，門(mén) 佳

（河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 計(jì)算機(jī)工程系，河南 南陽(yáng) 473000）

0 引 言

隨著經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)，道路上行駛的車(chē)輛越來(lái)越多，而交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)相對(duì)滯后，道路交通擁堵問(wèn)題愈發(fā)嚴(yán)重。城市治堵不能僅靠限購(gòu)、限行、收費(fèi)等行政干預(yù)手段，亟需一套行之有效的智能化交通管理系統(tǒng)。物聯(lián)網(wǎng)的興起給智能交通帶來(lái)了重大的發(fā)展機(jī)遇。

當(dāng)前，大部分交通燈的信號(hào)周期和紅綠信號(hào)配時(shí)都是通過(guò)對(duì)該路口車(chē)流強(qiáng)度進(jìn)行事先調(diào)查，采用統(tǒng)計(jì)的方法預(yù)先設(shè)定的。不管實(shí)際車(chē)流量如何，信號(hào)燈時(shí)間固定不變；小部分交通燈能根據(jù)簡(jiǎn)單劃分的時(shí)段進(jìn)行模式調(diào)整，但依然無(wú)法滿足根據(jù)車(chē)流強(qiáng)度實(shí)時(shí)調(diào)整信號(hào)燈的要求，從而導(dǎo)致交通阻塞。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，路口車(chē)流強(qiáng)度的變化是隨機(jī)和偶然的，這種變化很難建立準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，因而提出一種能夠依據(jù)路口實(shí)時(shí)交通強(qiáng)度情況，自適應(yīng)調(diào)節(jié)信號(hào)周期的智能交通信號(hào)燈控制系統(tǒng)十分必要。本文提出的自適應(yīng)交通信號(hào)燈控制系統(tǒng)，以無(wú)線射頻識(shí)別（Radio Frequency Identification，即RFID）技術(shù)為基礎(chǔ)，以物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)為核心，實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地采集交叉路口待通過(guò)的車(chē)流量數(shù)據(jù)，依靠各種物聯(lián)網(wǎng)傳遞給監(jiān)控節(jié)點(diǎn)，并以此作為調(diào)節(jié)交通信號(hào)燈的依據(jù)。

1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概述

1.1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

2010年物聯(lián)網(wǎng)被正式列為我國(guó)新興戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)。溫家寶總理在《第十一屆全國(guó)人民代表大會(huì)第三次會(huì)議政府工作報(bào)告》[1]中明確提出“利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)推動(dòng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式的轉(zhuǎn)變”。物聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)非常龐大的網(wǎng)絡(luò)，將各類(lèi)數(shù)據(jù)采集裝置與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合起來(lái)，進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，配以各類(lèi)應(yīng)用軟件，以實(shí)現(xiàn)身份識(shí)別、目標(biāo)定位、信息跟蹤和監(jiān)控管理。早期的物聯(lián)網(wǎng)是以物流監(jiān)控系統(tǒng)為背景提出的，隨著技術(shù)的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)范圍逐漸拓寬，目前主要應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)檢測(cè)、消費(fèi)類(lèi)電子、智能化交通、智能化家居等領(lǐng)域。

物聯(lián)網(wǎng)有三個(gè)層次[2]：一是感知層，通過(guò)在各類(lèi)物體上附著感應(yīng)芯片使其具備可自動(dòng)識(shí)別功能，利用無(wú)線射頻識(shí)別、二維碼識(shí)讀、GPS全球定位、各類(lèi)傳感器等設(shè)備實(shí)時(shí)獲取物體的信息；二是網(wǎng)絡(luò)層，通過(guò)各類(lèi)網(wǎng)絡(luò)（移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)等）的融合，及時(shí)準(zhǔn)確地將采集到的數(shù)據(jù)傳送出去，實(shí)現(xiàn)物與物之間的通信和信息共享；三是應(yīng)用層，在多個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域（如綠色農(nóng)業(yè)、遠(yuǎn)程醫(yī)療、智能家居等）中，利用云計(jì)算、模糊控制、遺傳算法等各種技術(shù)，分析和處理數(shù)據(jù)，進(jìn)行智能化控制。物聯(lián)網(wǎng)體系各層次構(gòu)成如圖1所示。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)體系各層次構(gòu)成

1.2 無(wú)線射頻識(shí)別

無(wú)線射頻識(shí)別（RFID）又稱為電子標(biāo)簽技術(shù)，利用無(wú)線射頻方式通過(guò)電磁波在信號(hào)采集設(shè)備（閱讀器）與標(biāo)簽之間實(shí)現(xiàn)非接觸雙向數(shù)據(jù)傳輸，達(dá)到身份識(shí)別和數(shù)據(jù)通信的目的。RFID技術(shù)具有精度高、壽命長(zhǎng)、功耗小、可加密、容量大等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)已被引入智能交通領(lǐng)域，用于停車(chē)收費(fèi)、門(mén)禁系統(tǒng)管理等方面。

RFID是一種精簡(jiǎn)的無(wú)線信號(hào)收發(fā)系統(tǒng)，主要由附著在物體上的電子標(biāo)簽、閱讀裝置、天線、RFID應(yīng)用軟件等組成。每個(gè)電子標(biāo)簽具有唯一的識(shí)別碼，被嵌入到物體上以標(biāo)識(shí)身份。閱讀器發(fā)射特定頻率的無(wú)線電波，可激活處于其工作范圍內(nèi)的電子標(biāo)簽，將標(biāo)簽內(nèi)部的數(shù)據(jù)讀出，實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的識(shí)別，應(yīng)用系統(tǒng)根據(jù)需要對(duì)讀取到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理[2]。RFID系統(tǒng)工作原理如圖2所示。

圖2 RFID系統(tǒng)工作原理

2 智能交通信號(hào)燈控制系統(tǒng)

2.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

在交通路口紅綠燈前各方向車(chē)道安裝車(chē)流強(qiáng)度采集設(shè)備，該設(shè)備主要采用RFID技術(shù)工作。對(duì)通過(guò)的機(jī)動(dòng)車(chē)安裝車(chē)載電子標(biāo)簽，動(dòng)態(tài)監(jiān)控車(chē)流量。通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)機(jī)動(dòng)車(chē)輛、監(jiān)控節(jié)點(diǎn)和控制中心之間相互交換信息。采用自適應(yīng)算法，以各車(chē)道交通強(qiáng)度為依據(jù)，自動(dòng)控制信號(hào)燈變換，減少車(chē)輛等待時(shí)間。

2.2 系統(tǒng)建模

城市中典型的交叉路口為雙向6車(chē)道，每個(gè)方向分別包含右轉(zhuǎn)、直行和左轉(zhuǎn)車(chē)道，在交叉路口設(shè)置紅、綠、黃三色信號(hào)燈。交通信號(hào)燈通常采用四相位[3]方式放行，其相位交替如圖3所示。第一相位允許東西方向車(chē)輛直行，第二相位允許東西方向車(chē)輛左轉(zhuǎn)，第三相位允許南北方向車(chē)輛直行，第四相位允許南北方向車(chē)輛左轉(zhuǎn)。四個(gè)相位順序切換，不斷循環(huán)，相位切換綠燈轉(zhuǎn)紅燈時(shí)采用短時(shí)（2～4s），黃燈進(jìn)行預(yù)警和緩沖，右轉(zhuǎn)道車(chē)輛不與其他車(chē)流發(fā)生沖突，不統(tǒng)計(jì)其車(chē)流量。

圖3 交通信號(hào)燈相位交替

2.3 車(chē)流量信息采集與統(tǒng)計(jì)

交通信號(hào)燈控制系統(tǒng)的核心是基于RFID技術(shù)的車(chē)流量數(shù)據(jù)采集設(shè)備。在交叉路口每個(gè)車(chē)道設(shè)立緩沖區(qū)，為一個(gè)先入先出的線性隊(duì)列，停車(chē)線前200m為緩沖區(qū)入口，停車(chē)線為緩沖區(qū)出口，該長(zhǎng)度200m的隊(duì)列作為車(chē)流量數(shù)據(jù)采集區(qū)域。緩沖區(qū)入口和出口分別設(shè)置一個(gè)RFID閱讀器。入口RFID閱讀器執(zhí)行通行車(chē)輛數(shù)加操作，即每通過(guò)一輛機(jī)動(dòng)車(chē)，車(chē)輛數(shù)加一；出口RFID閱讀器執(zhí)行通行車(chē)輛數(shù)減操作，即每通過(guò)一輛機(jī)動(dòng)車(chē)，車(chē)輛數(shù)減一。任意時(shí)刻緩沖區(qū)數(shù)據(jù)即為該方向等待放行的車(chē)輛數(shù)。當(dāng)某一相位綠燈亮之前，系統(tǒng)將待通過(guò)車(chē)輛數(shù)發(fā)送至控制節(jié)點(diǎn)，作為判斷當(dāng)前交通強(qiáng)度和決定下一周期通行時(shí)間的依據(jù)。單路口交通車(chē)流量如圖4所示。

圖4 單路口交通車(chē)流量

當(dāng)裝有RFID電子標(biāo)簽的機(jī)動(dòng)車(chē)駛?cè)隦FID閱讀器工作范圍內(nèi)時(shí)，由RFID閱讀器發(fā)送給定頻率并加密電磁波信號(hào)。電子標(biāo)簽通過(guò)內(nèi)置天線接收能量和信號(hào)，相應(yīng)工作單元被收到的能量激活，將電子標(biāo)簽內(nèi)的身份信息調(diào)制成相應(yīng)頻率的射頻信號(hào)發(fā)射出去，從而將電子標(biāo)簽本身攜帶的信息傳送到RFID閱讀器，RFID閱讀器接收數(shù)據(jù)并解碼，將提取的信息再傳送到后臺(tái)控制中心[2]。

2.4 交通信號(hào)燈智能控制算法

路口交通強(qiáng)度具有非線性、時(shí)變、多擾動(dòng)、隨機(jī)和不確定性，不易確定數(shù)學(xué)模型，使得傳統(tǒng)的基于模型的控制理論與方法難于取得良好的控制效果[4]。以第一相位為例，說(shuō)明交通信號(hào)燈智能控制算法。第一相位包含自東向西直行和自西向東直行兩個(gè)方向的交通，其他相位原理相同。

（1）設(shè)定相位一初始綠燈時(shí)長(zhǎng)，該時(shí)長(zhǎng)是系統(tǒng)中綠燈時(shí)長(zhǎng)的最小值，應(yīng)保證不會(huì)因?yàn)檐?chē)流量過(guò)小而不給出通行時(shí)間。該數(shù)值依據(jù)實(shí)際情況設(shè)定，這里假設(shè)Tmin=30s。

（2）當(dāng)?shù)谝幌辔患磳⒂傻却D(zhuǎn)為通行時(shí)，統(tǒng)計(jì)其緩沖區(qū)內(nèi)車(chē)輛數(shù)，車(chē)輛數(shù)小于20輛時(shí)，判斷該方向?yàn)樯佘?chē)；對(duì)面車(chē)道相位一等待車(chē)輛數(shù)也小于20輛時(shí)，判斷該方向也為少車(chē)，跳轉(zhuǎn)到步驟2。當(dāng)自東向西或自西向東任意一個(gè)方向等待通過(guò)的車(chē)輛數(shù)達(dá)50輛時(shí)，判斷該狀態(tài)車(chē)輛較多，跳轉(zhuǎn)到步驟3。

（3）綠燈放行時(shí)間改為T(mén)max=60s，該時(shí)長(zhǎng)是系統(tǒng)中綠燈時(shí)長(zhǎng)的最大值，為避免該方向長(zhǎng)時(shí)間占用通行權(quán)，使其他方向車(chē)輛的延誤時(shí)間增大，跳轉(zhuǎn)到步驟2。

2.5 設(shè)置監(jiān)控中心

在交警部門(mén)的交通指揮中心設(shè)置大型機(jī)架式服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)對(duì)交通信號(hào)燈的遠(yuǎn)程控制。交通指揮中心擁有最高權(quán)限，可控制交通信號(hào)燈的工作模式，在現(xiàn)有方案和新方案之間切換，以保證升級(jí)到新方案之后系統(tǒng)的平穩(wěn)過(guò)渡，不會(huì)出現(xiàn)繼承性問(wèn)題。另外，本方案可配合現(xiàn)有的交通檢測(cè)手段（高清攝像頭、測(cè)速雷達(dá)、傳感器），通過(guò)有線或無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，將采集到的車(chē)輛信息（車(chē)牌號(hào)碼、車(chē)輛類(lèi)型、車(chē)輛所有者、車(chē)輛通過(guò)時(shí)間、車(chē)輛年檢情況等）發(fā)送給服務(wù)器存檔，為城市智能交通的其他領(lǐng)域如交通指揮調(diào)度、車(chē)輛交通信息統(tǒng)計(jì)、交通肇事追逃、交通信息誘導(dǎo)等提供原始數(shù)據(jù)信息。

3 仿真實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證新方案的可行性，采用Matlab軟件進(jìn)行仿真建模，路口車(chē)輛的到達(dá)服從Poisson分布。以平均車(chē)輛延誤時(shí)間作為指標(biāo)衡量方案的優(yōu)劣，平均車(chē)輛延誤時(shí)間為單位時(shí)段內(nèi)到達(dá)路口的所有車(chē)輛的等待時(shí)間累加和與車(chē)輛數(shù)之比，表示為：

其中，N為每一相位兩個(gè)方向在綠燈時(shí)經(jīng)過(guò)路口的車(chē)輛數(shù)之和，Ti-delay為每輛車(chē)的等待時(shí)間，測(cè)試計(jì)時(shí)為600s。為便于對(duì)比，在其他條件完全相同的情況下，分別對(duì)現(xiàn)有的固定信號(hào)方案和新方案進(jìn)行仿真測(cè)試，將車(chē)流量情況分為高強(qiáng)度（30輛/min）、中等強(qiáng)度（20輛/min）和低強(qiáng)度（10輛/min）三種場(chǎng)景，分別進(jìn)行多次仿真取平均值，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 各種車(chē)流量情況下平均車(chē)輛延誤時(shí)間及比較

由仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，當(dāng)中低強(qiáng)度車(chē)流量時(shí)，新方案較之現(xiàn)有的固定信號(hào)方案有小幅改善；但當(dāng)車(chē)流量較大時(shí)，新方案中平均車(chē)輛延誤時(shí)間有明顯的減小，優(yōu)化效果顯著?？梢?jiàn)，新方案適用于各種車(chē)流量情況下交通信號(hào)燈配時(shí)。

4 結(jié) 論

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能交通信號(hào)燈控制系統(tǒng)，采用無(wú)線射頻識(shí)別技術(shù)，根據(jù)交通強(qiáng)度自動(dòng)控制紅綠燈時(shí)長(zhǎng)，增加了對(duì)各相位待通過(guò)車(chē)流量評(píng)估的模塊，自適應(yīng)確定路口交通信號(hào)燈的時(shí)間，克服了人工經(jīng)驗(yàn)的缺陷，提高了交通道路利用率。該控制系統(tǒng)采用非接觸式檢測(cè)，不破壞路面、使用壽命長(zhǎng)、成本較低且易于實(shí)現(xiàn)。該控制系統(tǒng)在單個(gè)路口的交通信號(hào)燈控制方案能有效實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，可繼續(xù)研究開(kāi)發(fā)，將其延伸到多個(gè)臨近交叉路口交通信號(hào)燈的協(xié)調(diào)聯(lián)動(dòng)，協(xié)調(diào)區(qū)域內(nèi)各交叉路口的交通信號(hào)配時(shí)及相位差，達(dá)到綠波帶[5]的效果。

[1]溫家寶.第十一屆全國(guó)人民代表大會(huì)第三次會(huì)議政府工作報(bào)告[EB/OL].(2010-03-15)[2014-01-05].http://www.gov.cn/2010lh/content_1555767.htm.

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