基于智能導(dǎo)航和交通信號(hào)燈優(yōu)化設(shè)計(jì)交互結(jié)合的城市智慧交通體系構(gòu)建研究

(宿州學(xué)院管理學(xué)院　安徽　宿州　234000)

一、研究綜述

隨著我國(guó)社會(huì)生產(chǎn)力的提升，城市化進(jìn)程不斷加速、汽車保有量持續(xù)增加，城市交通問(wèn)題日益突出，已經(jīng)嚴(yán)重影響了人們的出行和生活。同時(shí)由于城市內(nèi)可供修建道路的土地和空間有限，僅靠新建道路難以解決問(wèn)題;另一方面，隨著個(gè)性化交通的不斷發(fā)展，交通系統(tǒng)變得日趨復(fù)雜。[2]僅從道路或車輛單方面著手，很難有效地緩解當(dāng)前交通壓力。針對(duì)這一矛盾，國(guó)內(nèi)外研究者從不同角度提出了城市智慧交通方案，試圖解決此類問(wèn)題。例如：美國(guó)、歐洲、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家分別提出了以智慧駕駛為核心，強(qiáng)調(diào)車與車互聯(lián)的智能交通系統(tǒng)戰(zhàn)略研究計(jì)劃；以交通運(yùn)行可持續(xù)，提升競(jìng)爭(zhēng)力和節(jié)能減排為目標(biāo)的智能交通系統(tǒng)；以及通過(guò)在全國(guó)高速公路網(wǎng)引進(jìn)安全舒適的智能交通系統(tǒng)站點(diǎn)，及時(shí)向車載導(dǎo)航系統(tǒng)提供快速而大量的交通信息和圖像的智能導(dǎo)航系統(tǒng)。[1]在國(guó)內(nèi)，北京提出并構(gòu)建了以一個(gè)共享信息平臺(tái)、兩個(gè)數(shù)據(jù)中心和七大應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)榭蚣艿闹悄芙煌w系。上海建設(shè)了全國(guó)首個(gè)全面、實(shí)時(shí)整合、處理全市道路交通、公共交通、對(duì)外交通領(lǐng)域車流、客流及交通設(shè)施等多源異構(gòu)基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)資源，實(shí)現(xiàn)跨行業(yè)交通信息資源整合、共享和交換的智能交通平臺(tái)。

這些方案在一定程度上解決了城市交通問(wèn)題，但是其高昂的費(fèi)用使得其無(wú)法在我國(guó)大中城市的支線路口和小城鎮(zhèn)內(nèi)使用，同時(shí)給使用路段帶來(lái)較大的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。[3]在城市交通中，各道上的車輛運(yùn)行暢通與否，是影響整個(gè)交通網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行效率的最重要因素。而不同方向上的道路交錯(cuò)形成的交叉路口又直接決定了各道路的運(yùn)行效率。因此各交叉路段交通信號(hào)優(yōu)化是提高道路利用效率，促進(jìn)智能交通系統(tǒng)(Intelligent Transportion Systems 簡(jiǎn)稱ITS)研究中的重點(diǎn)和難點(diǎn)。[4]

人類對(duì)交叉路口信號(hào)優(yōu)化控制已有幾十年的研究歷史。從最初的定時(shí)控制、多時(shí)段控制到現(xiàn)在的自適應(yīng)控制。這些方法雖然很大程度上減少了交通事故，提高了交通效率，但存在如下缺點(diǎn)：一、定時(shí)控制紅綠燈周期不能根據(jù)現(xiàn)實(shí)情況調(diào)整，容易造成資源不合理分配，降低道路利用效率；二、多時(shí)段控制雖然根據(jù)時(shí)間段調(diào)整周期，但是其時(shí)間的控制計(jì)算較為復(fù)雜，不確定因素多；三、自適應(yīng)控制實(shí)時(shí)調(diào)整周期或者綠燈時(shí)間，對(duì)駕駛員的判斷形成巨大干擾，不適合目前的倒計(jì)時(shí)顯示方式。[4]

為了應(yīng)對(duì)以上控制方法的局限，本文從紅綠燈和智能導(dǎo)航的交互結(jié)合這一理念出發(fā)，建立起一種大范圍、全方位、全天候控制的，實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、高效的智能交通系統(tǒng)。即通過(guò)當(dāng)前導(dǎo)航技術(shù)信息通訊技術(shù)和導(dǎo)航技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，快速收集并共享各路段交通運(yùn)行數(shù)據(jù)，及時(shí)分析交通流量運(yùn)行特征、預(yù)測(cè)變化，綜合考慮道路通行情況和相鄰交通信號(hào)燈的距離，規(guī)劃最佳通行路線及通行速度。根據(jù)不同時(shí)段道路通行情況設(shè)置最佳通行速度，根據(jù)最佳通行速度和相鄰信號(hào)燈距離測(cè)算出相鄰信號(hào)燈最佳時(shí)間差，配合智能導(dǎo)航最大限度的保證汽車一路綠燈，從而實(shí)現(xiàn)當(dāng)前紅綠燈格局的優(yōu)化。遵循最高最佳利用原則，以最低的成本最快速的通過(guò)障礙。從而實(shí)現(xiàn)城市智能交通。最終為未來(lái)的無(wú)人駕駛技術(shù)提供相關(guān)技術(shù)及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

二、智能導(dǎo)航及紅交通信號(hào)燈優(yōu)化設(shè)計(jì)原理

(一)假設(shè)每條公路是一條一維的直線，那么整個(gè)交通網(wǎng)就形成了一個(gè)二維平面，當(dāng)某一路口出現(xiàn)紅燈時(shí)，就形成了這條一維直線的障礙。假設(shè)我們只是用一維的視角去看待這個(gè)障礙，將無(wú)法穿越。這時(shí)如果跳躍出一維視角，從二維，三維，乃至于四維的視角來(lái)對(duì)待這個(gè)問(wèn)題，那么障礙將迎刃而解。這也就是說(shuō)當(dāng)遇到紅燈時(shí)人們可以從二維平面穿過(guò)，即從紅綠燈左右兩旁道路繞過(guò)。但是左右道路狀況未知，是否還會(huì)有紅燈的阻礙也未知，因此大部分人并不采取這種措施；從三維立面跨越，即通過(guò)城市高架或地下通道跨過(guò)。但高架和地下通道的成本較高，只有少數(shù)發(fā)達(dá)地段才能配備；從四維時(shí)間上穿越，即提前加速在紅燈到來(lái)之前通過(guò)或提前減速等綠燈到來(lái)再通過(guò)(在四維時(shí)間這個(gè)視角紅燈的障礙是斷斷續(xù)續(xù)且有規(guī)律的出現(xiàn)的，只要我們提前掌握規(guī)律，即可完全無(wú)視紅燈)。

(二)由于每個(gè)交叉路口距離和不同時(shí)間段的最佳通行速度是可以測(cè)算且相對(duì)穩(wěn)定不變的。由v=s/t公式，我們可以輕易的得出相鄰路口信號(hào)燈最佳時(shí)間差。通過(guò)最佳行駛速度及距離計(jì)算出的相鄰綠燈間隔時(shí)間，與智能導(dǎo)航相互配合使用，從而保證以最佳速度行駛的汽車在通過(guò)第一個(gè)路口后便不會(huì)遇到紅燈。且因此道路會(huì)出現(xiàn)有規(guī)律的無(wú)車期，在人行道兩側(cè)安裝以此為周期的信號(hào)燈可以保證行人有足夠且安全的時(shí)間通過(guò)馬路。

三、智能導(dǎo)航及紅交通信號(hào)燈優(yōu)化設(shè)計(jì)具體措施

(一)導(dǎo)航和紅綠燈的交互結(jié)合設(shè)計(jì)

運(yùn)用當(dāng)前導(dǎo)航技術(shù)信息通訊技術(shù)和導(dǎo)航技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，快速收集并共享各路段交通運(yùn)行數(shù)據(jù)(包括道路擁堵情況和其他車輛擬行駛路線及下個(gè)信號(hào)燈的距離)并以此分析交通流量的流向，設(shè)計(jì)最佳行駛路線和最佳行駛速度，提前避開(kāi)擁堵路段，避免造成二次擁堵。

圖1　操作流程圖

如圖1所示，智能導(dǎo)航根據(jù)交通信號(hào)燈實(shí)時(shí)信息，預(yù)測(cè)汽車按最佳速度到達(dá)交叉路口時(shí)是否為綠燈，如果是則直接通過(guò)。如果不是則查看道路實(shí)時(shí)狀況，道路狀況良好則加速趕上上一個(gè)綠燈；如果路況較差則減速等到下一個(gè)綠燈通行。(此處的路況主要指道路實(shí)物狀況，車道上車輛密集度等)

(二)交叉路口綠燈時(shí)間設(shè)計(jì)

如圖2所示，假設(shè)各路段長(zhǎng)度分別為S1、S2、S3、S4、S5、S6，通過(guò)調(diào)查計(jì)算得知在該路段某時(shí)段行駛的最佳速度為V1、V2、V3、V4、V5、V6，汽車A從T出發(fā)按最佳速度行駛。

圖2　交通模擬圖

根據(jù)汽車的行駛速度和距離下個(gè)路口的距離我們可以得出汽車從A處(即第一個(gè)路口)出發(fā)直走通過(guò)第二個(gè)路口的時(shí)間為T(mén)+60*1/60=T+1，第三個(gè)路口同理為T(mén)+3，第四、五路口以此類推。

如果汽車從第一個(gè)路口左轉(zhuǎn)，則其通過(guò)下方第一個(gè)路口的時(shí)間為T(mén)+2，通過(guò)的第二個(gè)路口時(shí)間為T(mén)+5，其他所有路口以此類推。

因?yàn)榻徊媛房诰G燈時(shí)間為周期循環(huán)，在此假設(shè)紅燈和綠燈時(shí)間分別為一分鐘。根據(jù)汽車A到達(dá)第二路口時(shí)間為T(mén)+1，我們?cè)O(shè)置第一個(gè)交叉路口綠燈時(shí)間為(T+2n+0.5，T+2n+1.5)n=(1.2.3…)這樣汽車將會(huì)有前后各半分鐘的調(diào)整時(shí)間，第三個(gè)路口綠燈時(shí)間可以設(shè)置為(T+2n+0.5，T+2n+1.5)n=(1.2.3…)第四個(gè)路口綠燈時(shí)間可以設(shè)置為(T+2n+1.5，T+2n+2.5)n=(1.2.3…)?？偨Y(jié)得出當(dāng)兩個(gè)路口中間汽車行駛分鐘數(shù)為偶數(shù)時(shí)兩路口綠燈時(shí)間相同，行駛分鐘數(shù)為奇數(shù)時(shí)兩路口綠燈時(shí)間相差一分鐘，根據(jù)此規(guī)律設(shè)置其他路口綠燈時(shí)間。(此處為方便計(jì)算所有數(shù)據(jù)為整數(shù)，當(dāng)時(shí)間不為整數(shù)時(shí)同理調(diào)整即可)

不同路段和相同路段不同時(shí)間段的綠燈周期設(shè)置均可依照此法。為保證汽車行駛過(guò)程全控制，在每條路中的斑馬線處可以根據(jù)道路汽車空白周期設(shè)置交通信號(hào)燈，保證行人的安全通過(guò)且不干擾汽車的正常行駛。于此同時(shí)為了使路人能在有效時(shí)間通過(guò)斑馬線，可以盡量增加每個(gè)紅綠燈的持續(xù)時(shí)間保證行人正常通過(guò)并設(shè)置屬于路人的黃燈，提醒路人時(shí)間不足以過(guò)斑馬線，等待。防止因不能及時(shí)通過(guò)阻礙車輛通行或?qū)е陆煌ㄊ鹿省l件允許且必要的交叉路口可以設(shè)置一些幫助路人快速通過(guò)的裝置。

四、基于智慧導(dǎo)航設(shè)計(jì)的城市智慧交通體系的拓展應(yīng)用

(一)為緊急車輛提供綠色通道

利用此系統(tǒng)過(guò)程全控制的優(yōu)勢(shì)，當(dāng)發(fā)生火災(zāi)，交通事故、違法犯罪事件等緊急情況時(shí)，消防車，救護(hù)車，警車等相關(guān)車輛可以通過(guò)設(shè)置出發(fā)點(diǎn)和目的地，經(jīng)系統(tǒng)分析選擇最佳路線，開(kāi)啟綠色通道。即在通往目的地的過(guò)程中提醒途中車輛及時(shí)避讓(對(duì)于罪犯逃亡過(guò)程請(qǐng)求相關(guān)車輛進(jìn)行干擾，讓罪犯無(wú)路可逃)并控制信號(hào)燈，在經(jīng)過(guò)該路段時(shí)轉(zhuǎn)為綠燈。(轉(zhuǎn)換之前提示其他車輛及行人，提醒做好準(zhǔn)備)為辦事車輛爭(zhēng)取寶貴的時(shí)間，從而更好的保護(hù)人民的財(cái)產(chǎn)和安全。同時(shí)對(duì)于有緊急需要的普通用戶提供一定額度的要求其他車輛避讓的機(jī)會(huì)，并設(shè)置一些可以增加機(jī)會(huì)的方案，例如：每當(dāng)避讓次數(shù)達(dá)到一定要求后增加一次要求其他車輛避讓的機(jī)會(huì)。如果在可以的情況下不避讓將會(huì)給予適當(dāng)?shù)奶幜P，對(duì)于不避讓造成的事故負(fù)全責(zé)。從而方便人們出行，更人性化的完善交通法規(guī)，更體現(xiàn)國(guó)人互幫互助的優(yōu)良傳統(tǒng)和高尚品質(zhì)。

(二)提供車輛行駛信息，構(gòu)建智慧城市

利用汽車上的智能導(dǎo)航記錄汽車行駛路徑、時(shí)間、速度，并傳送至相關(guān)部門(mén)，進(jìn)行分析，通過(guò)對(duì)全城汽車的行駛路線、時(shí)間和速度進(jìn)行整理分析，為城市道路和城市功能布局的科學(xué)規(guī)劃提供有效數(shù)據(jù)，打通城市發(fā)展的任督二脈，從而更好的建設(shè)智慧生態(tài)城市。

(三)提醒并監(jiān)督駕駛?cè)藛T遵紀(jì)守法

在汽車的行駛過(guò)程中智能導(dǎo)航根據(jù)所在城市的交通法規(guī)，對(duì)即將或已經(jīng)作出違章違規(guī)行為的司機(jī)進(jìn)行提示，避免因不了解當(dāng)?shù)亟煌ǚㄒ?guī)而造成違章違規(guī)，保證道路安全暢通。同時(shí)對(duì)不聽(tīng)提示繼續(xù)違規(guī)違章行為進(jìn)行記錄，并上傳至交通管理部門(mén)依法處理。徹底消除駕駛?cè)藛T僥幸心理，從而對(duì)交通法規(guī)產(chǎn)生敬畏之心，減少交通違規(guī)違章，形成一個(gè)有秩序的交通體系。

(四)為無(wú)人駕駛技術(shù)提供過(guò)渡性保障

通過(guò)對(duì)當(dāng)前智能導(dǎo)航的發(fā)展以及現(xiàn)有交通信號(hào)燈的優(yōu)化，逐步實(shí)現(xiàn)駕駛過(guò)程的全控制，為未來(lái)無(wú)人交通的發(fā)展提供客觀條件。在這種提示式駕駛的過(guò)程中司機(jī)對(duì)汽車的行駛起決定作用，因此即使出現(xiàn)故障也可以及時(shí)調(diào)整以避免交通事故。在智能導(dǎo)航使用和完善過(guò)程中收集大量駕駛資料，總結(jié)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)。為順利向無(wú)人駕駛過(guò)渡提供保障，避免因早期無(wú)人駕駛技術(shù)不成熟應(yīng)用而造成危害。

五、實(shí)施條件分析

(一)全面覆蓋智慧交通系統(tǒng)

為了保證上述設(shè)計(jì)最大程度的實(shí)現(xiàn)，必須要求智能導(dǎo)航全面覆蓋且信號(hào)燈格局徹底整合優(yōu)化。即所有車輛均配置并按照導(dǎo)航指示行駛，所有交通信號(hào)燈均可由系統(tǒng)統(tǒng)一控制且隨時(shí)可以調(diào)整。否則沒(méi)有安裝智能導(dǎo)航的汽車將無(wú)法了解并遵守最佳行駛速度，從而影響其他車輛和行人。也無(wú)法更好的為緊急情況開(kāi)啟綠色通道，保障人民生命財(cái)產(chǎn)安全。如果沒(méi)有交通信號(hào)燈與智能導(dǎo)航交互結(jié)合，智能導(dǎo)航計(jì)算的汽車行駛速度也無(wú)法達(dá)到最高最佳，從而影響居民出行質(zhì)量和道路利用效率。對(duì)于公共緊急情況無(wú)法對(duì)信號(hào)燈進(jìn)行控制，依然使用闖紅燈的方法對(duì)相關(guān)人員的人生安全也是極不負(fù)責(zé)的。為了城市的健康發(fā)展需要政府的強(qiáng)制實(shí)施。

(二)嚴(yán)格執(zhí)行交通法規(guī)

該方案的實(shí)施需要在真正意義上做到全方位實(shí)時(shí)控制道路狀況。但在當(dāng)前社會(huì)背景下由于各種原因(沒(méi)有人行道，人行道被汽車，擺攤等占據(jù)，沒(méi)有走人行道的意識(shí))人們往往不走人行道且經(jīng)常橫穿馬路，極易造成交通事故并降低道路利用效率。因此要想真正達(dá)到過(guò)程全控制必須在相關(guān)道路兩旁設(shè)置人行道并要求行人和非機(jī)動(dòng)車輛等必須走人行道，不允許隨意橫叉馬路，必要的話設(shè)置斑馬線并配置紅綠燈。(因?yàn)樵诖讼到y(tǒng)實(shí)施下道路將會(huì)有固定周期的無(wú)車期，將此時(shí)間設(shè)置為斑馬線綠燈時(shí)間)

六、結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)當(dāng)前城市交通壓力巨大且道路空間有限這一現(xiàn)狀，在參照當(dāng)前智慧交通紅綠燈系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，采用四維視角，以降低成本、提高道路利用效率、減少城市交通問(wèn)題、實(shí)現(xiàn)最高最佳利用原則為核心。以導(dǎo)航與信號(hào)燈的交互結(jié)合為方法，以小范圍時(shí)間差為立足點(diǎn)。在互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、北斗GPS等技術(shù)的支持下，通過(guò)系統(tǒng)優(yōu)化紅綠燈格局、嚴(yán)格執(zhí)行交通法規(guī)，全面覆蓋智慧交通系統(tǒng)等保障措施的實(shí)施，通過(guò)1.當(dāng)前交通信號(hào)燈的系統(tǒng)優(yōu)化，使汽車在最佳行駛速度下少遇紅燈。2.將交通信號(hào)燈及車道信息及時(shí)反映給智慧導(dǎo)航，通過(guò)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)姆治鼋o駕駛員提供最佳駕駛速度，提前告知并提醒駕駛員避開(kāi)擁堵路段。通過(guò)利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)紅綠燈系統(tǒng)和導(dǎo)航設(shè)備動(dòng)態(tài)交互聯(lián)系，小范圍的突破時(shí)間以此解除空間限制。從而實(shí)現(xiàn)提高居民出行質(zhì)量、提供最優(yōu)路線、保障生命財(cái)產(chǎn)安全、減少交通事故、減輕交通污染，減輕交管負(fù)擔(dān)、搜集有效信息、提供色盲人群駕駛機(jī)會(huì)等目標(biāo)。促進(jìn)城市智慧交通發(fā)展，最終通過(guò)這種提示式駕駛為未來(lái)向無(wú)人駕駛的順利過(guò)渡提供。