結(jié)合自適應(yīng)思想的智慧交通燈控制方法研究

楊強(qiáng) 杜芳芳 宋沁峰

摘要：智慧交通信號燈控制方法的研究，在道路安全，節(jié)能減排，城市規(guī)劃等方面都有著重要意義。本控制方法是利用實時道路車輛數(shù)據(jù)，自適應(yīng)的控制交通燈的紅綠燈持續(xù)時長。通過對各個方向的車流量的實時檢測，實時反饋，將數(shù)據(jù)進(jìn)行比較、運(yùn)算來實現(xiàn)對紅綠燈時間的自動調(diào)整，達(dá)到有效控制車流量，減少車輛等待紅綠燈時間的目的，進(jìn)而實現(xiàn)節(jié)能減排，增強(qiáng)道路安全，提高市民的城市生活幸福指數(shù)。并通過模擬仿真證實在各個方向車流量不均勻的路口，該控制方法較傳統(tǒng)紅綠燈對于車流量控制有了較大改善，對等待紅綠燈的時間有了大幅減少。

關(guān)鍵詞：智慧交通燈;節(jié)能減排;自適應(yīng);實時反饋

中圖分類號：TP311? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）28-0120-02

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

隨著人們生活水平的提高，道路上的機(jī)動車數(shù)量隨之增長，交通擁堵現(xiàn)象頻發(fā)，同時伴隨而來的問題包括尾氣排放造成環(huán)境污染，人們的城市生活幸福指數(shù)下降等。交通燈作為交通中人車行駛的依據(jù)，對智慧交通[1]有著非常重要的作用。

現(xiàn)今城市機(jī)動車量的不斷增加，許多大城市出現(xiàn)了交通超負(fù)荷運(yùn)行的情況[1]。更深一步講當(dāng)有救護(hù)車、消防車等特殊車輛通過十字路口時希望它能快速通過，避免因堵車而造成無法估量的損失。這些交通問題亟待解決。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和智能車輛技術(shù)的發(fā)展，智能交通產(chǎn)業(yè)將發(fā)生重大變革.目前設(shè)計交通燈的方案有很多，有應(yīng)用單片機(jī)設(shè)計控制、用ABEL語言控制、用FPGA控制、用MATLAB編程控制[2]等，在控制方法上各不相同，也各有特色。但是對于交通燈自適應(yīng)系統(tǒng)的具體控制方法，尚未有比較具體的算法?；诖?，本文提出自適應(yīng)交通信號燈控制方法。

1 當(dāng)前交通信號燈存在的問題

現(xiàn)有的交通燈一般設(shè)在十字路口，分為東西方向和南北方向，在任一時刻只有一個方向通行，另一方向禁止，持續(xù)一定的時間后，經(jīng)過短暫的過渡，將通行和禁止的方向進(jìn)行調(diào)換。紅燈、黃燈和綠燈循環(huán)點(diǎn)亮，周而復(fù)始，大多數(shù)交通燈交替的時間是一個固定的值，也就是說，不管此方向是否有人要通行，該方向的綠燈依然要點(diǎn)亮;不管這個方向等待通行的人有多少，該方向的綠燈依然會熄滅。

這樣不合理的設(shè)置，不僅增加了道路阻塞的幾率，也增加了闖紅燈的概率，因此，設(shè)計一種新型的智慧交通信號燈的需求已迫在眉睫。該方案的目標(biāo)是實現(xiàn)不同車流量的情況下，能夠自動調(diào)整交通燈的持續(xù)時間、變換周期，以期達(dá)到最佳的交通信號燈控制方案，減少人車等待時間。

2 結(jié)合自適應(yīng)思想的智慧交通信號燈

自適應(yīng)[3]是以處理的數(shù)據(jù)特征為依據(jù)， 通過自動調(diào)整處理方法， 已達(dá)到與處理的數(shù)據(jù)特征相適應(yīng)的處理過程。針對當(dāng)前交通燈常見的問題， 結(jié)合自適應(yīng)的思想， 提出了新的交通信號燈設(shè)計思路。依據(jù)各個路口的個體差異， 有針對性地規(guī)劃紅綠燈持續(xù)時間， 以提高道路通行效率。

結(jié)合自適應(yīng)思想的智慧交通信號燈[4]主要分為車流檢測、計算分析、智能控制三個模塊，系統(tǒng)組成如圖 1 所示。其中交通燈控制系統(tǒng)[5]負(fù)責(zé)交通燈光控制、獲取車流量采集模塊的數(shù)據(jù)以及計時顯示的控制。小鍵盤輸入控制指令并實時顯示車流量信息。

2.1 車流檢測模塊介紹

在紅綠燈處每個方向安裝兩個攝像頭（兩個攝像頭間距60米），通過智能檢測技術(shù)，計算兩個攝像頭之間車輛個數(shù)，獲取當(dāng)前方向等待車輛個數(shù)。

2.2 交通燈控制系統(tǒng)

通常來說，傳統(tǒng)的交通燈信號控制系統(tǒng)在對十字路口的控制方法都采用定時控制，但這種控制方法存在很大的局限性。城市的道路及交通系統(tǒng)都比較復(fù)雜，而且交通流的變化比較隨機(jī)，因此要建立一個數(shù)學(xué)模型比較困難。近些年來，伴隨著智能交通控制理論[6]的不斷發(fā)展，在交通管理中應(yīng)用智能控制交通燈的方法得到了越來越多的關(guān)注。

對車流檢測模塊采集到的各個方向等待通過路口的車輛數(shù)進(jìn)行處理：

設(shè)當(dāng)前交通燈非紅燈的方向為D1，當(dāng)前交通燈為紅燈的方向為D2（為簡化運(yùn)算，將直行和左轉(zhuǎn)車輛都計入直行車流量，綠燈時間按照兩者之和考慮），D1方向交通燈顏色為C1，D2方向交通燈顏色為C2，系統(tǒng)設(shè)置的綠燈持續(xù)時間為T1，系統(tǒng)設(shè)置的黃燈持續(xù)時間為T2，綠燈持續(xù)的剩余時間為Tg，黃燈持續(xù)的剩余時間為Ty。D1方向上等待通過路口的車輛數(shù)為D1Count，D2方向上等待通過路口的車輛數(shù)為D2Count，D1方向上變?yōu)榫G燈的次數(shù)為n。

該系統(tǒng)能夠智能分析，即對車流檢測[7]得到的結(jié)果進(jìn)行比較.在黃燈最后一秒做出決策。當(dāng)紅燈方向等待車輛數(shù)大于設(shè)定閥值20或等待紅燈次數(shù)大于2時，將該方向紅綠燈切換為綠燈，該方向車輛開始通行。否則，仍然放行之前黃燈方向車輛。這里設(shè)定的車輛數(shù)閥值20，可通過后續(xù)輸入模塊修改[8]。紅燈最大等待次數(shù)2也可通過輸入模塊修改。

具體算法如下：假如當(dāng)前東西向為綠燈，每過一秒檢測一次，當(dāng)綠燈計時結(jié)束（綠燈持續(xù)時間為60秒，即20輛車每3秒通過一個），變?yōu)辄S燈，持續(xù)3秒。在黃燈最后一秒，首先檢測南北向車輛個數(shù)，如果超過閥值20，開始放行南北方向，即南北向變綠燈，東西向變紅燈。如果車輛數(shù)小于20但等待紅燈次數(shù)大于等于2，則也放行南北方向車輛。如南北向車輛小于20，且等待次數(shù)小于2時，判斷東西向等待車輛個數(shù)，如果大于20，則繼續(xù)放行東西向車輛，即東西向紅燈，南北向綠燈。否則，放行南北向車輛。然后重新開始檢測當(dāng)前綠燈或者黃燈。

具體控制流程如圖2。

2.3 外界輸入模塊

通過外界輸入模塊，可修改車輛放行的最大車輛數(shù)20，也可修改最大等待紅燈次數(shù)。

針對不同的路口，車流量的狀況不一致，可設(shè)置不同的車輛數(shù)以及最大等待紅燈次數(shù)，從而滿足不同的需求。針對車流量較小的路口，可直接將最大車輛數(shù)設(shè)置為0。

2.4 緊急處理

該方案支持緊急事件處理，當(dāng)出現(xiàn)緊急事件時，將車輛放行的最大車輛數(shù)改為0，最大等待紅燈次數(shù)為0。交通燈將恢復(fù)到默認(rèn)模式，即周期性切換兩個方向的紅綠燈。也可切換到緊急模式，設(shè)置某一個方向為常綠燈模式。將最大車輛數(shù)改為一個較大值，如1000.即可實現(xiàn)當(dāng)前綠燈方向一直處于綠燈模式。

3 仿真與結(jié)果

通過隨機(jī)數(shù)生成，模擬30分鐘的數(shù)據(jù)：假設(shè)東西向到達(dá)路口的車輛數(shù)為600（平均3秒鐘一輛）;南北向車輛較少，到達(dá)路口車輛數(shù)為100（平均9秒鐘到達(dá)一輛），通過隨機(jī)生成函數(shù)，生成車輛到達(dá)路口的時間。按照不同方案計算30分鐘內(nèi)路口通過的總車輛數(shù)和通過該路口所有車輛在該路口的平均等待時間，進(jìn)行對比。

傳統(tǒng)紅綠燈的通過車輛總數(shù)CarCount1、平均等待時間WaitTime1。

自適應(yīng)方法下通過的總車輛數(shù)CarCount2和所有車輛在該路口的平均等待時間WaitTime2，對比數(shù)據(jù)如下：

第一次模擬

Carcount1 = 399輛，WaitTime1 = 317秒

Carcount2 = 491輛，WaitTime2 = 439秒，其中前392輛車的平均等待時間為224秒

第二次模擬

Carcount1 = 398輛，WaitTime1 = 341秒

Carcount2 = 492輛，WaitTime2 = 458秒，其中前398輛車的平均等待時間為246秒。

第三次模擬

Carcount1 = 389輛，WaitTime1 = 310秒

Carcount2 = 494輛，WaitTime2 = 420秒，其中前389輛車的平均等待時間為209秒。

經(jīng)過多次仿真可得結(jié)果：該自適應(yīng)思想的交通燈控制算法比傳統(tǒng)紅綠燈控制方法在相同時間內(nèi)通過車輛數(shù)更多，對于通過的相同車輛，車輛通過增加量約25%，車輛等待更短，時間縮短約30%，由此可得如下結(jié)論：對于一個方向車流量大，一個方向車流量小的路口，文中控制方案比傳統(tǒng)方案優(yōu)越許多。

4 結(jié)束語

本方案是結(jié)合自適應(yīng)思想而設(shè)計的交通燈控制算法，適用于不同車流量的情況，通過檢測當(dāng)前路口每個方向等待紅綠燈的車輛數(shù)最終決策下次放行的方向。這樣擺脫了現(xiàn)在大部分交通燈固有的模式，比如東西向綠燈后，下次綠燈必然是南北向。該方案優(yōu)勢在于東西向和南北向通過車輛數(shù)不均衡的路口，將極大提升車輛通行效率。對于東西向和南北向車輛數(shù)量相當(dāng)?shù)穆房冢摲桨腹ぷ餍蕛?yōu)勢將不會太明顯，這里后續(xù)會做進(jìn)一步研究。同時，該方案對左轉(zhuǎn)燈和右轉(zhuǎn)燈的情況做了簡化處理，后續(xù)仍有待完善的地方。

參考文獻(xiàn)：

[1] 曹堉. 基于多源數(shù)據(jù)挖掘的交通擁堵智能識別與改善[D].華僑大學(xué)，2020.

[2] 張書陽，陳佳琦.可升級的基于模糊控制的最優(yōu)化交通信號燈系統(tǒng)[J].數(shù)碼世界，2020（11）：34-35.

[3] 杜芳芳，王丹，高繼梅.結(jié)合自適應(yīng)思想的在線課程建設(shè)與應(yīng)用探究[J].科技創(chuàng)業(yè)月刊，2018，31（10）：135-137.

[4] 化雪薈.自適應(yīng)交通燈智能控制系統(tǒng)設(shè)計[J].電腦編程技巧與維護(hù)，2015（20）：5-7.

[5] 齊保良，孫悅，汪晴晴，等.交通燈運(yùn)行時間自適應(yīng)算法及其控制系統(tǒng)[J].計算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用，2020，29（6）：104-111.

[6] 宋秋實，馮博楷.基于PLC的交通燈自適應(yīng)控制系統(tǒng)設(shè)計[J].山東工業(yè)技術(shù)，2015（19）：89-90，101.

[7] 雷霆. 城市交通系統(tǒng)無模型自適應(yīng)宏觀邊界控制方法[D].北京：北京交通大學(xué)，2020.

[8] 何凡凡. 基于霧計算的交通燈智能調(diào)控研究[D].西安：西安理工大學(xué)，2018.

【通聯(lián)編輯：李雅琪】