交通信號控制發(fā)展及相關(guān)專利分析

馬勇平

摘 要

本文對國內(nèi)外有關(guān)交通信號控制的專利申請進(jìn)行了統(tǒng)計，對交通信號控制發(fā)展及相關(guān)專利技術(shù)進(jìn)行了分析，總結(jié)了交通擁堵問題日益嚴(yán)重的情況下交通信號控制發(fā)展的方向及相關(guān)智能交通系統(tǒng)的發(fā)展。

關(guān)鍵詞

交叉口;交通信號控制;智能控制;專利

中圖分類號： U491.5+4 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.19.091

Abstract

This article makes statistics on domestic and foreign patent applications related to traffic signal control， analyzes the development of traffic signal control and related patent technologies， and summarizes the development direction of traffic signal control and the development of related intelligent transportation system in the case of increasing traffic congestion.

Key words

Intersection; Traffic signal control; Intelligent control; Patent

0 引言

隨著城市化進(jìn)程的加快，機動車數(shù)量迅速增長，交通擁堵問題日益嚴(yán)重，交通擁堵阻礙經(jīng)濟發(fā)展、加重空氣污染程度。經(jīng)濟的不斷發(fā)展勢必促使機動車擁有量在一段長時間內(nèi)仍會持續(xù)高速增加，僅僅依靠加強交通基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，根本無法解決問題[1]。城市平面交叉口的交通信號控制能夠解決交通擁堵的問題，研究城市平面交叉口的交通信號控制對提高道路通行能力、緩解交通擁堵具有重要的現(xiàn)實意義。以下對交通信號控制發(fā)展及相關(guān)專利技術(shù)進(jìn)行分析。

1 交通信號控制相關(guān)專利申請情況

本文的專利數(shù)據(jù)來自中國專利文摘數(shù)據(jù)庫（CNABS數(shù)據(jù)庫）和德溫特世界專利索引數(shù)據(jù)庫（DWPI數(shù)據(jù)庫），國外對交通信號控制技術(shù)的研究較早，1927年美國已經(jīng)申請了有關(guān)交通信號控制的專利：US1648629A、US1625990A。國內(nèi)從1985年開始有相關(guān)的專利申請：CN85202417U。通過檢索有關(guān)交通信號控制的專利申請，得到國內(nèi)有關(guān)交通信號控制的專利申請量趨勢如圖1所示，全球有關(guān)交通信號控制的專利申請量趨勢如圖2所示。

從圖1可以看出，國內(nèi)2005年有關(guān)交通信號控制的專利申請量開始增長，2010年以后呈現(xiàn)一種井噴式發(fā)展?fàn)顟B(tài)。從全球來看，2005年開始有關(guān)交通信號控制的專利申請量開始快速增長?？梢婋S著交通擁堵問題日益嚴(yán)重，交通信號控制方面的研究越來越深入，專利申請量也不斷增長。

2 交通信號控制發(fā)展及相關(guān)專利

交通信號控制的種類有很多種，從發(fā)展歷程和控制原理角度看，主要經(jīng)歷了空間關(guān)系上的發(fā)展和控制方法上的發(fā)展。城市交叉口形式多種多樣，城市所有交叉口組成了平面路網(wǎng)。交通信號控制空間關(guān)系上的發(fā)展分為：點控制方式、線控制方式和面控制方式。

2.1 空間關(guān)系上的發(fā)展

2.1.1 點控制方式

只針對單個交叉口的交通信號控制即為點控制方式，其適用于交叉口之間相距較遠(yuǎn)、相互之間影響不大的情況，控制目標(biāo)是減少車輛總延誤時間及提高交叉口通行能力。

2.1.2 線控制方式

將道路上連續(xù)幾個交叉口的交通信號機關(guān)聯(lián)起來進(jìn)行交通信號控制即為線控制方式，其通常用于交叉口之間相距較近的情況。線控制方式的目標(biāo)是盡量使車輛不停車經(jīng)過每個交叉口，理想情況是“一路綠波”，即通常所稱的“綠波帶控制”。

2.1.3 面控制方式

城市所有交叉口和道路形成路網(wǎng)，將線控方式擴大到面上即為面控制方式，其控制對象為路網(wǎng)中的所有交叉口或者路網(wǎng)中某個區(qū)域的所有交叉口。

2.2 控制方法上的發(fā)展

對于城市交叉口交通信號控制，其控制方法上的發(fā)展分為：定時控制、感應(yīng)控制、自適應(yīng)控制和智能控制。

2.2.1 定時控制

預(yù)先設(shè)定信號配時周期、紅綠燈時間、相位等，交通信號燈以該預(yù)先設(shè)定好的信號運行，這種控制方法為定時控制方法。實際的道路運行情況呈現(xiàn)出早高峰和晚高峰的現(xiàn)象，可將一天分為多個時段，不同時段采用不同配時方案的定時控制方法。

國內(nèi)較早的涉及定時控制的專利申請是1986年由郜永華、王學(xué)彥共同申請的城市交叉口交通信號指揮機（公告號CN86207546U），其公開了一種城市交叉口定周期交通指揮機，城市交叉口采用定時控制方法，并且在定時控制的基礎(chǔ)上設(shè)置交通指揮機還包括顯示裝置，用于顯示各種燈色的剩余時間，使得駕駛員能夠獲知各種燈色的剩余時間，從而調(diào)整駕駛員的交通心理，提高交叉口的不停車通過率。

2.2.2 感應(yīng)控制

感應(yīng)控制為根據(jù)檢測器檢測到的交通參數(shù)調(diào)整紅綠燈時長，交通參數(shù)如車流量、排隊長度等。感應(yīng)控制分為半感應(yīng)式信號控制和全感應(yīng)式信號控制。

（1）半感應(yīng)式信號控制。

對于有主次干道之分的道路，主干道總保持綠燈直至次干道檢測出有車輛到達(dá)，紅綠燈信號經(jīng)過適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)換間隔，立刻將次干道調(diào)整為綠燈顯示，綠燈時間維持次干道上的車輛全部通過路口或者到達(dá)最大綠燈時長，當(dāng)次干道沒有檢測到車輛時，主干道保持綠燈，這種交通信號控制方法為半感應(yīng)式信號控制。

申請人江蘇大學(xué)2011年提出了發(fā)明名稱為“一種兼顧行人過街的交叉口次路優(yōu)先半感應(yīng)信號控制方法”的專利申請（公開號CN102087792A），公開了在次路進(jìn)口道上設(shè)置次路車輛檢測線圈，在主路的人行橫道四個終點處各設(shè)置行人觸摸式感應(yīng)控制器，在保證次路特殊車輛優(yōu)先通行的前提下通過設(shè)置行人觸摸式感應(yīng)控制器給予主路行人通行權(quán)，避免主路行人過街等待時間過長而亂闖紅燈的現(xiàn)象。

（2）全感應(yīng)式信號控制。

交叉口所有入口道都設(shè)置檢測器，各個信號相位的綠燈時間由檢測器檢測到交通參數(shù)確定，這種交通信號控制方法為全感應(yīng)式信號控制。

申請人江蘇物聯(lián)網(wǎng)研究發(fā)展中心于2015年提出了發(fā)明名稱為“基于排隊長度的具有跳相功能的全感應(yīng)信號控制方法”（公開號CN104794910A），公開了相位跳轉(zhuǎn)采用跳相方式，相位跳轉(zhuǎn)時，將檢測到的車輛等待時間超過最長紅燈時間的相位作為下一綠燈相位，如不存在車輛等待時間超過最長紅燈時間的相位，則將檢測到的最大車輛排隊長度的相位作為下一綠燈相位。

2.2.3 自適應(yīng)控制

自適應(yīng)控制是把交通系統(tǒng)作為一個不確定的系統(tǒng)，連續(xù)測量其狀態(tài)，如車流量、排隊長度、延誤時間等，不斷了解和掌握對象，根據(jù)車流量的動態(tài)變化自動調(diào)整信號控制參數(shù)，與期望的動態(tài)特性比較，使控制系統(tǒng)自動地適應(yīng)交通流，利用差值改變系統(tǒng)的可調(diào)參數(shù)產(chǎn)生一種控制，使得不管環(huán)境怎樣變化都能夠獲得比較理想的控制效果。

由于交通流的隨機性，交通信號控制采用單一的控制方法在有些情況下可能達(dá)不到理想的控制效果。有研究采用混合控制的方法，將多種交通信號控制方法組合使用。申請人安徽科力信息產(chǎn)業(yè)有限責(zé)任公司于2011年提出了發(fā)明名稱為“基于地磁檢測的自組織智能信號控制方法”的專利申請（公開號CN102074119A），公開了檢測交叉口各個車道進(jìn)口的車流量，并計算交叉口每個信號相位車道的平均飽和度，根據(jù)平均飽和度的大小選擇不同的交通信號控制方法，若0.4≤平均飽和度<0.6，采用感應(yīng)控制方法;若0.6≤平均飽和度<1，采用自適應(yīng)控制方法;若平均飽和度≥1，采用定時控制方法。

2.2.4 智能控制

由于交通系統(tǒng)具有較強的非線性、模糊性和不確定性，傳統(tǒng)的理論和方法很難對其進(jìn)行有效的控制[2]。有研究將各種先進(jìn)的智能控制算法應(yīng)用到交通信號控制中，形成基于智能控制算法的交通信號控制。典型的智能控制有：模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、遺傳算法控制、蟻群算法控制、基于Agent技術(shù)和強化學(xué)習(xí)的單路口交通流控制。

東南大學(xué)于2007年申請了模糊控制和定時控制混合使用的控制方法，根據(jù)當(dāng)前交通狀態(tài)和當(dāng)前所用信號控制模式之間的不同組合選擇模糊控制或定時控制（公開號CN101038700A）。山東大學(xué)于2008年申請了一種路口交通流優(yōu)化控制方法，將采集的交通流量輸入到模糊推理的智能模型中，獲得下一周期的數(shù)值，以車輛平均延誤最小為目標(biāo)函數(shù)，采用遺傳算法優(yōu)化，得到最優(yōu)綠信比，根據(jù)此綠信比分配周期實現(xiàn)信號控制（公開號CN101266718A）。中國科學(xué)院自動化研究所于2009年申請了基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的交通信號控制（公開號CN101789178A）。南京航空航天大學(xué)于2012年申請了基于計算機視覺的人行橫道智能交通燈監(jiān)管系統(tǒng)及方法，將檢測到的行人和車輛數(shù)量輸入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)得到交通信號燈的顯示時間（公開號CN103077617A）;江蘇大學(xué)于2013年申請了基于遺傳算法的單交叉口信號配時優(yōu)化方法（公開號CN103150911A）。大連理工大學(xué)于2017年申請了一種基于深度強化學(xué)習(xí)的交通信號自適應(yīng)控制方法，定義交通信號控制Agent后預(yù)訓(xùn)練深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，然后使用深度強化學(xué)習(xí)方法對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，最后采用訓(xùn)練好的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行交通信號控制（公開號CN106910351A）。西安電子科技大學(xué)于2019年申請了一種邊緣計算交通信號燈控制系統(tǒng)及控制方法，根據(jù)采集的車流量進(jìn)行動態(tài)調(diào)整學(xué)習(xí)獲得第一交通信號燈配時策略，動態(tài)調(diào)整學(xué)習(xí)包括Q學(xué)習(xí)，根據(jù)預(yù)設(shè)算法對所有路口第一交通信號燈配時策略進(jìn)行全局優(yōu)化獲得所有路口的最優(yōu)交通信號燈配時策略，預(yù)設(shè)算法包括遺傳算法、粒子群算法、蟻群算法、模擬退火算法中的任一種（公開號109697866A）。

3 總結(jié)與展望

城市平面交叉口的交通信號控制方法已經(jīng)由單一的控制方法發(fā)展為多種控制方法組合使用，對于交通參數(shù)的檢測，由于通常需要安裝檢測器檢測交通參數(shù)，如在道路上預(yù)埋地磁線圈檢測車流量、在道路上方安裝攝像頭拍攝車輛圖像通過圖像處理得到車流量等參數(shù)、通過超聲波、雷達(dá)等設(shè)備檢測車流量等，而安裝地磁檢測器會破壞路面，攝像頭雖然不需要破壞路面，但受天氣狀況影響較大，不管采用哪種檢測器，都需要一定的成本。有研究僅通過互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)得到路口各方向的平均行程速度，計算出用于信號優(yōu)化的交通運行指數(shù)和運行狀態(tài)等級，并進(jìn)一步得到信號配時方案（公開號CN108765988A）。還有研究通過行人移動終端和車輛終端發(fā)送的位置信息得到行人數(shù)量和車輛數(shù)量（公開號106683447A）。由于采用智能控制方法對交通信號進(jìn)行控制能夠獲得較好的控制效果，隨著人工智能的發(fā)展，交通信號的智能控制研究必將不斷深入。且從整個城市交通系統(tǒng)來看，智能交通系統(tǒng)是發(fā)展趨勢，其不僅僅是對道路交叉口進(jìn)行控制，而是集道路交叉口信號燈控制和其他交通行為控制于一體，利用各種不同的科技技術(shù)，對交通通行過程中產(chǎn)生的任何一個變化進(jìn)行及時有效地應(yīng)對。智能交通系統(tǒng)把人、車、路和環(huán)境等交通運輸系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)有機整合，從而使車、路的運行功能一體化和智能化。

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