基于車流量的智能信號燈的控制算法研究

侯鵬飛 陳虹霖 羅毅 商春雪 唐明靖 時燕

摘 要：隨著國家城鎮(zhèn)化進(jìn)程不斷推進(jìn)，城市交通擁堵問題日益嚴(yán)重，傳統(tǒng)交通信號燈已無法滿足要求。針對此背景，提出一種基于車流量控制交通燈時間的控制算法。在此算法下，根據(jù)路口不同的交通情況對信號燈進(jìn)行算法控制，以實(shí)現(xiàn)信號燈的智能控制?；赑TV Vissim交通仿真軟件的仿真結(jié)果，對比傳統(tǒng)信號燈控制方法，發(fā)現(xiàn)該控制算法對路口車輛的通行數(shù)量、通行平均速度、平均拖延時間等參數(shù)改善效果明顯。

關(guān)鍵詞：智能信號燈;控制算法;車流量;PTV Vissim;智能交通;物聯(lián)網(wǎng)

中圖分類號：TP393文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：2095-1302（2019）08-00-05

0 引 言

2009年8月，時任總理溫家寶在“感知中國”發(fā)表講話，此后物聯(lián)網(wǎng)被正式列入國家五大新興戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)[1]，并獲得國家政策扶持，進(jìn)入快速發(fā)展期。其中，作為國民生產(chǎn)生活不可缺少的部分，智能交通系統(tǒng)（Intelligent Transportation System，ITS）是重點(diǎn)發(fā)展對象。隨著中國城市化速度的加快，城市交通擁堵正制約著地區(qū)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，間接導(dǎo)致城市規(guī)模的盲目擴(kuò)大，并阻礙了城市化戰(zhàn)略的實(shí)施。除了加強(qiáng)城市公共交通建設(shè)、完善道路布局、打通城市微循環(huán)等，發(fā)展智能交通信號燈系統(tǒng)也是緩解交通擁堵的有效方式。

20世紀(jì)70年代開始，世界各大中城市先后建設(shè)了聯(lián)網(wǎng)信號控制系統(tǒng)，并逐步形成了以信號控制系統(tǒng)為核心的城市智能交通綜合管理系統(tǒng)[2]。美國自20世紀(jì)80年代起，先后開展了多項(xiàng)與智能汽車技術(shù)相關(guān)的國家項(xiàng)目（PATH，IVI，VII和CVHAS等），并在1995年3月出臺的“國家智能交通系統(tǒng)項(xiàng)目規(guī)劃”中明確定義了智能交通系統(tǒng)的7大領(lǐng)域和29個用戶服務(wù)功能[3]。為了將包括私人交通、公共交通和商業(yè)運(yùn)輸在內(nèi)的交通要素集成到一個高效的城市交通管理系統(tǒng)內(nèi)，德國柏林政府使用線圈、視頻、浮動車等技術(shù)建立了多模式交通的立體化檢測系統(tǒng)[4-5]。20世紀(jì)90年代初，日本制定了大力發(fā)展智能交通系統(tǒng)的國家戰(zhàn)略并建立了車輛與控制中心，實(shí)現(xiàn)了以交互式雙向通信為核心的通用交通管理系

統(tǒng)[6]。我國從1996年開始逐漸重視智能交通技術(shù)，2001年成立了全國智能交通系統(tǒng)協(xié)調(diào)領(lǐng)導(dǎo)小組及辦公室，規(guī)劃智能交通發(fā)展戰(zhàn)略并研發(fā)相關(guān)技術(shù)[7-8]，從“十二五”開始，全面實(shí)施物聯(lián)網(wǎng)、智慧城市等科技項(xiàng)目，成功構(gòu)建了具有中國特色的新一代智能交通系統(tǒng)[9-11]，如圖1所示。

近年來，隨著前端傳感器技術(shù)的發(fā)展，智能交通信號燈系統(tǒng)前端技術(shù)及其控制算法得到了改善。在控制算法方面，形成了以分類討論（智能和人工控制模式）為核心的控制模式[12]，控制放行時間的依據(jù)主要包括高峰或平峰[13]、道口不同方向車流量大小[14]、各方向車流量之比[15]等，并在此基礎(chǔ)上引入了人體反應(yīng)時間以進(jìn)一步優(yōu)化算法[16]。本研究在前人研究的基礎(chǔ)上，以昆明作為研究區(qū)域，結(jié)合昆明交通的特點(diǎn)對已有智能交通燈系統(tǒng)控制算法進(jìn)行了改進(jìn)和優(yōu)化。

1 材料與方法

昆明是云南的省會，作為中國西部重要的交通樞紐，交通運(yùn)輸對于該城市的發(fā)展十分重要，但因?yàn)橛晒懦茄葑兌鴣?，其道路交通網(wǎng)絡(luò)布局并不合理，如平交路口頻密，市中心主干道通行能力差等，同時昆明四面環(huán)山且城市建筑及人口密度較大，城市功能區(qū)幾乎完全集中于二環(huán)內(nèi)，因此道路交通不堪重負(fù)。截止2016年7月20日，昆明市機(jī)動車保有量達(dá)到2 255 090輛，全國人均機(jī)動車保有量排名第一[14]。在此背景下，引進(jìn)智能交通信號系統(tǒng)是緩解昆明交通擁堵的不二之選。因現(xiàn)實(shí)條件約束，本研究使用Vissim軟件構(gòu)建微觀交通仿真模型，對可能出現(xiàn)的交通場景進(jìn)行模擬。Vissim可模擬各種交通狀況，是評價交通工程設(shè)計和城市規(guī)劃方案的有效工具。

2 模型構(gòu)建

2.1 模型構(gòu)建和實(shí)驗(yàn)流程

智能交通燈系統(tǒng)分為前端和后端，前端主要由用于收集道路交通數(shù)據(jù)的傳感器構(gòu)成。當(dāng)前我國各城市基本具備了完善的道路交通監(jiān)控系統(tǒng)，同時已有的磁感線圈技術(shù)、圖像識別技術(shù)等車流量監(jiān)測技術(shù)逐漸成熟，均能滿足相關(guān)研究對數(shù)據(jù)可靠性與準(zhǔn)確性的需求。本研究更側(cè)重后端的研究，即通過模擬各種交通場景對智能交通燈系統(tǒng)中的算法進(jìn)行分析與改善，研究的具體流程如圖2所示。

2.2 基于車道級車流量的信號燈控制方法

本研究使用道路飽和度a作為量化道路擁堵程度的依據(jù)，a=V/C（V表示最大道路交通量，C表示最大通行能力）。為了最大程度發(fā)揮信號燈控制放行車輛的能力，根據(jù)路口狀態(tài)分以下情況進(jìn)行討論：

（1）路口四個方向車流量少。路口四個方向上道路的飽和度a均小于指定值時，采用非固定周期減少車輛延誤時間，即等待通過信號燈的車輛W達(dá)到某一數(shù)值后，綠燈亮;當(dāng)放行車輛路口剩余N輛時，紅燈亮，進(jìn)行下一個信號周期?？稍谄椒迤陂g內(nèi)，極大程度地減少路口車輛延誤時間，進(jìn)而提高道路通行效率。為避免兩側(cè)道路等待車輛數(shù)同時達(dá)到W值，還需根據(jù)路口實(shí)際情況設(shè)置放行優(yōu)先級。當(dāng)四個方向的等待車輛都未達(dá)到W值即無法滿足放行條件時，通過比較四個方向上的車輛數(shù)來優(yōu)先選擇車輛多的路口放行。

（2）路口一個方向或?qū)ο騼蓚€方向車流量大。該情況采用類似非固定周期減少車輛延誤時間的方法。當(dāng)某個路口一側(cè)或者對向兩側(cè)車道車流量突破a時，適當(dāng)增加通暢車道方向的車輛延誤時間（即增加路口剩余車輛N或提高等待通過信號燈車輛W的數(shù)值），以增加擁堵方向車輛放行時間，降低擁堵方向的道路飽和度。放行規(guī)則以非擁堵方向的W值作為基準(zhǔn)，當(dāng)非擁堵方向等待車輛數(shù)達(dá)到W值時，放行非擁堵方向，而其余時間則放行擁堵方向上的車輛。

（3）路口兩個不對向方向或者三個方向以上同時車流量大的情況下采用固定周期避免多車道車輛同時擁堵，杜絕車流量大時造成等待時間過長的問題。假設(shè)四個方向上的等待通行車輛為P1，P2，P3，P4，通行周期為T，計算每一個方向上綠燈時長（t1，t2，t3，t4），避免采用定周期方法造成的不利影響，計算如下：

（4）對于重要主干道高峰時刻的控制。昆明的交通擁堵情況在上下班高峰期發(fā)生較頻繁，且主要集中在車流量較大的進(jìn)出城區(qū)的主干道上，所以可在該時間段內(nèi)有針對性的對重點(diǎn)主干道優(yōu)先放行，以加快進(jìn)出城的車流，進(jìn)而減少擁堵。采用多個路口梯次放行策略，即在主干道一個方向路口開啟綠燈后，通過車速和下一個路口的距離計算出下一個路口何時開啟綠燈，盡可能讓更多的車輛能在通過第一個路口后，順利通過下一個甚至更多的路口，此外可避免因上一個路口放行而下一個路口無法容納車輛的情況發(fā)生。

（5）加入人工控制。當(dāng)城市出現(xiàn)罕見的交通大擁堵時，可暫停使用智能信號燈系統(tǒng)，采用人工干預(yù)的方式控制路口通行。

2.2.1 仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷臉?gòu)建

實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ陀蓛蓚€十字路口組成，這兩個十字路口由一條道路連通，且每個路口每個方向均有一個直行車道，一個左轉(zhuǎn)車道，一個右轉(zhuǎn)車道。綠燈放行時采用逐個方向放行原則，對向車道不同時放行。設(shè)置平峰時刻和高峰時刻兩種車流狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)道路示意如圖3所示。

2.2.2 路口模型構(gòu)建

十字路口X為兩條（道路A、道路B）雙向六車道道路的平交道口，道路A和道路B在十字口都擁有一條獨(dú)立的左轉(zhuǎn)車道，一條獨(dú)立的直行車道，和一條直行和右轉(zhuǎn)共用的車道。同時還要對車道交叉點(diǎn)設(shè)置互斥關(guān)系，以保證車輛不會“穿過”其他車輛，并在路口每個車道“埋設(shè)”傳感器，以監(jiān)測獲取車道的信息。

十字路口Y為一條雙向六車道（道路A）和一條雙向四車道（道路C）組成的平交道口，道路A十字口都擁有一條獨(dú)立的左轉(zhuǎn)車道，一條獨(dú)立的直行車道，和一條直行和右轉(zhuǎn)共用的車道;道路C十字口都擁有一條直行左轉(zhuǎn)共用的車道，一條直行右轉(zhuǎn)公用的車道。同時需對車道交叉點(diǎn)設(shè)置互斥關(guān)系，以保證車輛不會“穿過”其他車輛，并在路口每個車道“埋設(shè)”傳感器，以監(jiān)測獲取車道的信息。

在十字路口X與十字路口Y之間的道路A上設(shè)置變換車道的區(qū)域，以更符合現(xiàn)實(shí)需求。在變換車道處采用變道車輛避讓原車道車輛原則。十字路口X互斥關(guān)系如圖4所示，十字路口Y互斥關(guān)系如圖5所示，道路A車道變換區(qū)域示意及互斥關(guān)系如圖6所示，Vissim仿真效果如圖7所示。

2.2.3 仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)置

針對相同的路口構(gòu)造，分實(shí)驗(yàn)組和對照組開展實(shí)驗(yàn)。

（1）對照組：采用傳統(tǒng)信號燈控制方法（預(yù)設(shè)時間周期）進(jìn)行兩次實(shí)驗(yàn)，第一次模擬單方向車流量大的情況，第二次模擬四個方向車流量大的情況，仿真時間為5 000 s。十字路口X：道路A直行綠燈30 s，左轉(zhuǎn)20 s，道路B直行30 s，左轉(zhuǎn)20 s。信號燈轉(zhuǎn)化有5 s黃燈和5 s空閑時間，對向車道相同方向同時放行。十字路口Y：道路A直行綠燈30 s，左轉(zhuǎn)20 s，道路C綠燈時長35 s，信號燈轉(zhuǎn)化有5 s黃燈和5 s空閑時間，道路A采取對向車道相同方向同時放行策略，道路C則采取各個方向分開放行策略。

（2）實(shí)驗(yàn)組：采用本實(shí)驗(yàn)提出的智能信號燈控制方式，使對照更為直觀。實(shí)驗(yàn)組進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)，并記錄兩次通過兩個十字路口各個方向的車流車速、車輛遲滯時間，仿真時間為5 000 s。實(shí)驗(yàn)組中十字路口X，Y均根據(jù)控制算法確定信號燈是否放行。

3 仿真結(jié)果

3.1 單方向車道車流量大仿真結(jié)果

此實(shí)驗(yàn)?zāi)M主干道高峰時段出入城的情況，規(guī)定道路A由左向右車流量大。兩次實(shí)驗(yàn)兩個路口信號周期均設(shè)置：十字路口X為165 s，十字路口Y為155 s，即設(shè)定車道2，3，19，22，14，16相對于其他車道約多200的車流量，且兩次試驗(yàn)使用相同預(yù)設(shè)數(shù)據(jù)，以保證無關(guān)變量相同。對照組采用常用的對向車道同時放行策略。實(shí)驗(yàn)組采用本文所述情況進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。對照組和實(shí)驗(yàn)組數(shù)據(jù)的對比及分析如圖8，圖9所示，宏觀實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1所列。

從傳感器數(shù)據(jù)來看，絕大部分擁堵車道在使用該控制算法之后，交通狀況顯著改善，特別是在2，3，9車道方向，通過車輛數(shù)得到極大地提高，在2，3，6，10，11車道方向通過車速也有所提高。在非擁堵車道情況則與之相反，如4，5，6，11，13，14，16車道，雖然通過傳感器的車速與在傳統(tǒng)信號燈控制下的車速相差不大，但通過車輛數(shù)卻遜色于傳統(tǒng)信號燈控制，從而證明了控制算法中略微犧牲非擁堵車道車輛通行效率，從而最大限度提高已經(jīng)在擁堵情況下的車輛通行效率是可行的。而觀察宏觀實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，效果更為明顯，六項(xiàng)關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)都有顯著提高?？梢哉f明，在單個方向車流量大時，該智能信號燈控制算法可以有效緩解路口擁堵。

3.2 四個方向車流量大仿真結(jié)果

此實(shí)驗(yàn)?zāi)M市中心道路在高峰期的通勤情況。兩次實(shí)驗(yàn)兩個路口信號周期設(shè)置：十字路口X為165 s，十字路口Y為155 s，為所有車道都設(shè)定較大車流量，且兩次實(shí)驗(yàn)使用相同預(yù)設(shè)數(shù)據(jù)，以保證無關(guān)變量相同。對照組采用大部分普通路口采用的對向車道同時放行策略。實(shí)驗(yàn)組采用本文所述情況進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。對照組和實(shí)驗(yàn)組數(shù)據(jù)對比及分析如圖10，

圖11所示，宏觀實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2所列。

從傳感器數(shù)據(jù)來看，絕大部分擁堵車道在本文中提出的控制算法下，車道級交通狀況都有顯著改善，特別是2，3，7，8，9，11，12，18，19，20，21，22車道方向，通過車輛數(shù)得到極大提高，在1，2，3，6，9，10，19，20車道方向，通過車速提高幅度較大，說明路口通行能力在面對擁堵時較傳統(tǒng)信號燈控制下的路口通行能力有了很大提高。而在宏觀實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)上看效果更為明顯，六項(xiàng)關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)都有顯著提高。說明在單個方向車流量大時，該智能信號燈控制算法可以有效緩解路口擁堵。

4 結(jié) 語

通過比較各項(xiàng)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)使用本信號燈的路口通行效率都明顯高于使用傳統(tǒng)信號燈的路口。從微觀方面分析，通過每個車道的感應(yīng)裝置可以發(fā)現(xiàn)，在相同時間下，實(shí)驗(yàn)組通過的車輛數(shù)量和通過速度絕大部分都明顯高于參照組，由此數(shù)據(jù)說明在智能信號燈控制下路口車道整體通過率、通過數(shù)量及通過速度都得到了明顯提高，證明智能信號燈控制能夠有效緩解交通擁堵，提高路口車輛通行效率與道路利用率;從宏觀方面分析，得到的延誤時間最為直觀，智能信號燈控制下的路口延誤時間顯著減少，另一方面，仿真路段整體平均時速也得到提高，車輛通過仿真路段停止次數(shù)亦減少。由此，智能信號燈不僅緩解了交通擁堵，提高了路口車輛通過率，還在一定程度上緩解了機(jī)動車駕駛員在高峰時段的擁堵體驗(yàn)?？陀^上能減少因?yàn)閾矶露鴮?dǎo)致的駕駛員“路怒癥”程度，進(jìn)而減少駕駛員在高峰時段出現(xiàn)事故的幾率。從環(huán)境保護(hù)的角度考慮，提高路口通行效率還能減少溫室氣體排放量，符合綠色交通、可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的要求，有利于創(chuàng)建資源節(jié)約型、能耗集約型社會。

本次實(shí)驗(yàn)僅通過仿真實(shí)驗(yàn)證明了智能信號燈系統(tǒng)在理想環(huán)境下達(dá)到了預(yù)期效果，并不能代表該系統(tǒng)獲得了成功，今后仍需要在實(shí)際路口進(jìn)行測試以使系統(tǒng)更適應(yīng)昆明的實(shí)際情況。其次，在本系統(tǒng)中使用的信號燈控制算法仍有很多亟待改進(jìn)的地方，真誠歡迎讀者與筆者進(jìn)行討論，以期進(jìn)一步改進(jìn)該算法。

注：本文通訊作者為商春雪。

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