基于交通大數(shù)據(jù)的智慧交通信號控制系統(tǒng)框架設(shè)計

朱信宇，許景蕊上海海事大學(xué)

基于交通大數(shù)據(jù)的智慧交通信號控制系統(tǒng)框架設(shè)計

朱信宇，許景蕊
上海海事大學(xué)

目前我國道路和城市建設(shè)遠(yuǎn)遠(yuǎn)跟不上汽車工業(yè)發(fā)展速度，道路擁堵問題日益嚴(yán)重。從而智慧交通信號控制系統(tǒng)成為當(dāng)前交通領(lǐng)域研究熱點。在分析我國傳統(tǒng)信號控制系統(tǒng)局限性的基礎(chǔ)上，將數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)應(yīng)用于交通信號控制，以此設(shè)計出基于交通大數(shù)據(jù)的智慧交通信號控制系統(tǒng)框架。

智能交通；交通信號控制；大數(shù)據(jù)挖掘；應(yīng)用

1 引言

近年來大數(shù)據(jù)技術(shù)日益成熟，擁有潛在價值的海量交通數(shù)據(jù)有待挖掘，把握城市道路的交通分布特征以及短期發(fā)展趨勢，從而為交通信號協(xié)調(diào)控制提供有力決策支持變得尤為關(guān)鍵[1]。于是本文提出一種基于交通大數(shù)據(jù)的交通信號協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)將采集到的數(shù)據(jù)進行挖掘分析，判斷出路網(wǎng)中各路段實時的交通流狀態(tài)，結(jié)合已建立的交通流預(yù)測模型，預(yù)測出未來短期內(nèi)的交通流變化趨勢，在此基礎(chǔ)上進行區(qū)域交通信號控制。

2 智慧交通信號控制系統(tǒng)概述

智慧交通信號控制系統(tǒng)在挖掘海量實時交通大數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，對道路運行態(tài)勢進行判斷，利用人工智能的方法優(yōu)化交通信號區(qū)域協(xié)調(diào)控制方案。其中交通大數(shù)據(jù)包括車輛GPS數(shù)據(jù)、手機信令數(shù)據(jù)和車輛號碼數(shù)據(jù)。智慧交通信號控制系統(tǒng)也可以實時接入其它交通檢測數(shù)據(jù)，如流量檢測器、排隊長度檢測器、速度檢測器等，對系統(tǒng)配時方案進行校正和驗算。

3 傳統(tǒng)信號控制系統(tǒng)的局限性

目前國內(nèi)主要應(yīng)用的交通信號控制系統(tǒng)（其中包括SCOOT和SCATS）都依賴于交叉口鋪設(shè)的檢測器，使用經(jīng)典的交通信號控制理論和算法進行區(qū)域協(xié)調(diào)配時計算和優(yōu)化。但在實際應(yīng)用中，由于檢測器工作環(huán)境較差，加上經(jīng)常性的道路施工，使得檢測器完好狀態(tài)較差，沒有檢測器提供數(shù)據(jù)的信號控制系統(tǒng)只能降級使用，運行單個信號機的定周期的配時方案。

此外，現(xiàn)有系統(tǒng)大多是封閉的系統(tǒng)，無法接受其他檢測手段提供的交通流檢測信息；現(xiàn)有系統(tǒng)信號優(yōu)化算法沒有很好地結(jié)合智慧交通最新的研究成果；現(xiàn)狀交通控制系統(tǒng)評價沒有很好地利用大數(shù)據(jù)分析手段等。

4 智慧交通信號控制系統(tǒng)具體框架

智慧交通信號控制系統(tǒng)總體構(gòu)架主要包括數(shù)據(jù)采集及處理、協(xié)調(diào)控制方案生成、和實時態(tài)勢評價三部分。

4.1 數(shù)據(jù)采集及處理

城市道路交通數(shù)據(jù)來源廣泛、形式多樣，具有異構(gòu)、多層次性等特點，包括智能交通系統(tǒng)的管理控制數(shù)據(jù)[2]。同時交通數(shù)據(jù)又分為靜態(tài)與動態(tài)兩種，靜態(tài)數(shù)據(jù)指城市道路中長期不變的數(shù)據(jù)，諸如交叉口間隔距離，交叉口道路坡度等，這類數(shù)據(jù)可通過實地調(diào)查進行采集；動態(tài)數(shù)據(jù)指在交通運行中產(chǎn)生的實時數(shù)據(jù)（如交叉口各個流向的交通量，交叉口的信號配時情況，綠燈時間、周期時長及綠時差等），這類數(shù)據(jù)可通過車輛檢測器和信號系統(tǒng)采集。

將采集到的交通數(shù)據(jù)通過云存儲技術(shù)進行儲存，并利用數(shù)據(jù)處理技術(shù)對大量交通流信息集進行數(shù)據(jù)預(yù)處理，取得車輛的行程時間數(shù)據(jù)后，進而獲取城市道路上平均行程車速，在反映出不同等級道路的交通流狀況同時，為相位差的確定提供技術(shù)依據(jù)。

繼而結(jié)合短期交通流預(yù)測模型，利用實時交通數(shù)據(jù)預(yù)測短期交通流量，處理中心對預(yù)測交通流數(shù)據(jù)進行提取，并統(tǒng)一各輸出數(shù)據(jù)格式，更為有效地促進數(shù)據(jù)交換中心對數(shù)據(jù)進行處理和交換，最后通過數(shù)據(jù)可視化技術(shù)，分別以不同顏色注明各個路段的擁堵情況。

4.2 協(xié)調(diào)控制方案生成

智慧交通信號控制系統(tǒng)為自適應(yīng)協(xié)調(diào)控制，系統(tǒng)采用包括感應(yīng)控制算法、交通自適應(yīng)控制算法、行人二次過街算法等[3]。其中交通自適應(yīng)控制算法能夠根據(jù)已采集到的交通數(shù)據(jù)，比如交通流量、車輛速度和道路占有率，實時調(diào)整交叉口信號機的信號配時參數(shù)，即周期、相位差和綠信比。該自適應(yīng)協(xié)調(diào)控制是基于路口信號機實際的控制參數(shù)根據(jù)實時數(shù)據(jù)做高頻率優(yōu)化，得出適合于當(dāng)前交通狀況的精準(zhǔn)控制方案，以滿足路口交通控制的需求。

4.3 實時態(tài)勢評價

道路行程速度可以作為交通管理措施和組織方案實施效果評價的一個重要指標(biāo)之一[4]。通過比較不同協(xié)調(diào)控制方案實施前后固定時段固定道路行程速度的變化，可以得出該控制方案是否達到預(yù)期效果，同時，分析出方案實施后對周邊相關(guān)道路的交通流特性、行程速度和流量是否產(chǎn)生新的變化，并把最終分析結(jié)果反饋給第二步，從而制定進一步的方案，使道路交通信號控制系統(tǒng)更加高效與完善。

5 智慧交通信號控制系統(tǒng)應(yīng)用前景

5.1 日常情況信號協(xié)調(diào)控制優(yōu)化

利用交通大數(shù)據(jù)計算路段區(qū)間速度，以速度為基礎(chǔ)對區(qū)域信號協(xié)調(diào)控制方案優(yōu)化，同時對嚴(yán)重?fù)矶聟^(qū)域進入交通流量控制，設(shè)置紅波帶，利用道路分段存儲車輛，避免擁堵區(qū)域交通癱瘓；動態(tài)干線優(yōu)先綠波帶控制，利用交通大數(shù)據(jù)動態(tài)推算車速和相位差，比靜態(tài)綠波帶的方法更加合理；GPS公交車優(yōu)先信號控制，根據(jù)到達公交車輛情況，決定綠燈時間延后和紅燈時間提前結(jié)束，此項功能目前已經(jīng)證實很有效。

5.2 應(yīng)急交通控制

為特種車輛例如消防車、救護車、工程搶險車等建立緊急通道并為交通事件封路；特勤路線事前預(yù)處理、事中支路控制及事后擁堵車輛消散；若交通信號燈故障則周邊交叉口信號能夠自動適應(yīng)。

5.3 利用大數(shù)據(jù)進行交通事件檢測

對包括交通事故、交叉口車輛堵塞、意外事件阻塞（爆炸、塌陷、失火、故障車、積水）、高速收費口遲滯及區(qū)域交通癱瘓進行檢測。

6 結(jié)束語

智慧交通信號控制系統(tǒng)是智能交通領(lǐng)域的重要研究方向之一，隨著技術(shù)的日益成熟它可以與其他智能交通系統(tǒng)有機結(jié)合，實現(xiàn)城市交通的智能化、數(shù)字化、信息化管理。在提高交通服務(wù)社會滿意度的同時提高了公共交通效率，進而加快了普通城市向智慧城市轉(zhuǎn)型的步伐。

[1]李大成,李樹立.基于車輛大數(shù)據(jù)的交通信號協(xié)調(diào)優(yōu)化控制系統(tǒng)[C].中國智能交通年會，2015.

[2]覃明貴.城市道路交通數(shù)據(jù)挖掘研究與應(yīng)用[D].復(fù)旦大學(xué), 2012.

[3]葉婉秋.城鎮(zhèn)智能交通信號控制系統(tǒng)設(shè)計[J].電腦知識與技術(shù),2016,12（23）.

[4]徐蔓青.智慧交通運行狀態(tài)數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)設(shè)計與分析[D].南京郵電大學(xué),2014.

朱信宇（1993-），男，漢，江蘇鎮(zhèn)江人，碩士研究生，單位：上海海事大學(xué)交通運輸學(xué)院，研究方向：交通控制與管理；

許景蕊（1993-），女，漢族，江蘇鎮(zhèn)江人，碩士研究生，單位：上海海事大學(xué)交通運輸學(xué)院，研究方向：交通運輸戰(zhàn)略與規(guī)劃。