智能交通信號燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李欣然

摘 要：為解決日益嚴(yán)重的城市交通擁堵問題，本文提出一種基于實(shí)時(shí)交通流量反饋調(diào)節(jié)的智能信號燈控制系統(tǒng)。系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測城市交通網(wǎng)絡(luò)各個(gè)路口的交通流量，并兼顧整體與局部作出決策，最后調(diào)控決策作用于交通網(wǎng)絡(luò)各路口流量，形成調(diào)節(jié)反饋的閉環(huán)控制。與傳統(tǒng)的定時(shí)控制方法相比，具有經(jīng)濟(jì)迅速的特點(diǎn)，能有效增強(qiáng)城市交通通行能力。

關(guān)鍵詞：智能交通；信號燈；分布式計(jì)算

中圖分類號：G63 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1673-9132（2017）04-0228-03

DOI：10.16657/j.cnki.issn1673-9132.2017.04.145

利用信息技術(shù)，通信技術(shù)和控制技術(shù)等高新技術(shù)開發(fā)的智能交通系統(tǒng)可以在現(xiàn)有通行條件下大幅度提高交通網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行效率，是解決交通擁擠問題的最經(jīng)濟(jì)最有效的辦法。本文通過分布式信息采集系統(tǒng)檢測道路流量，中央處理系統(tǒng)分析決策，分布式信號燈控制系統(tǒng)做出反饋，信號燈控制路口通行，直接控制道路流量，如此形成智能交通系統(tǒng)閉環(huán)。

一、系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

本文提出的智能交通信號燈控制系統(tǒng)如圖所示，系統(tǒng)主要分為三部分：其一是分布式信息采集系統(tǒng)，負(fù)責(zé)為系統(tǒng)提供輸入數(shù)據(jù)，相當(dāng)于系統(tǒng)的“眼睛”和“耳朵”。其二是分布式信號燈控制系統(tǒng)，負(fù)責(zé)輸出系統(tǒng)的決策信息，相當(dāng)于系統(tǒng)的“嘴巴”。其三也是最重要的是中央處理系統(tǒng)，是整個(gè)系統(tǒng)的“大腦”，要處理系統(tǒng)海量數(shù)據(jù)，控制系統(tǒng)的運(yùn)行。

首先，在城市道路每個(gè)路口設(shè)立分布式信息采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)用于檢測每個(gè)路口的流向信息。目前，可行的方案是借助道路路口設(shè)立的圖像傳感器，使用基于計(jì)算機(jī)視覺的方法檢測該路口當(dāng)前方向車輛數(shù)目。這些原始信息經(jīng)過簡單處理后，傳輸至中央處理系統(tǒng)。

中央處理系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的中樞神經(jīng)，負(fù)責(zé)對車流量信息進(jìn)行分析，并作出控制決策。中央處理系統(tǒng)內(nèi)建城市交通網(wǎng)絡(luò)，即城市交通道路的拓?fù)湫畔?，它記錄每個(gè)路口交通信號燈綠燈延遲信息等等重要信息。工作時(shí)，中央處理系統(tǒng)收到每個(gè)路口每個(gè)方向的車流量數(shù)據(jù)，然后綜合考慮全局，兼顧重點(diǎn)與局部，根據(jù)流量數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)迭代計(jì)算，作出決策，即綠燈延遲等信息，并將決策發(fā)送至分布式信號燈控制系統(tǒng)。

分布式信號燈控制系統(tǒng)是控制城市道路上每個(gè)路口各個(gè)方向的信號燈的系統(tǒng)，系統(tǒng)包括信號燈以及嵌入式通訊設(shè)備，用以緩存信號燈延遲，接收中央處理系統(tǒng)控制信號并協(xié)調(diào)同步路口信號燈，受控制的信號燈作用于車流，從而控制城市道路車流量。

整個(gè)系統(tǒng)如此形成環(huán)路，通過“調(diào)節(jié)—反饋—調(diào)節(jié)”的方式，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)優(yōu)化控制城市交通流量。

二、分布式信息采集系統(tǒng)

分布式信息采集系統(tǒng)用于采集城市道路每個(gè)路口的交通流量。這是一個(gè)分布式的信息系統(tǒng)，系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)分布在城市交通網(wǎng)的各個(gè)關(guān)鍵路口，它們協(xié)同工作，實(shí)時(shí)監(jiān)測交通流量，并將流量信息反饋給中央處理系統(tǒng)處理。

以一個(gè)十字路口的流量信息為例，分布式信息采集系統(tǒng)在此路口設(shè)有一個(gè)節(jié)點(diǎn)以采集交通流量信息。路口交通流量信息包涵單位時(shí)間內(nèi)，在N方向車道上前往W、S、E三個(gè)方向的通過的車輛數(shù)目，以及W、S、E三個(gè)方向前往其他方向的車輛數(shù)目，共計(jì)4組12維數(shù)據(jù)。

為準(zhǔn)確獲得單位時(shí)間內(nèi)車輛通過數(shù)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)在N、W、S、E四個(gè)路口分別設(shè)立圖像傳感器，通過預(yù)先訓(xùn)練的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法識別車輛，統(tǒng)計(jì)各個(gè)方向單位時(shí)間通過車輛數(shù)目。然后，車流量數(shù)據(jù)經(jīng)過簡單處理壓縮，通過數(shù)據(jù)線路傳送至中央處理系統(tǒng)。

三、中央處理系統(tǒng)

中央處理系統(tǒng)負(fù)責(zé)接收分布式信息采集系統(tǒng)發(fā)送的城市道路所有路口的車流量信息并進(jìn)行處理，結(jié)合內(nèi)建城市交通數(shù)據(jù)做出決策，最后發(fā)送控制指令到分布式信號燈控制系統(tǒng)。

中央處理系統(tǒng)內(nèi)建城市交通數(shù)據(jù)，以層次化方式把城市道路分為主干道路和次要道路。為實(shí)現(xiàn)交通流量的全局最優(yōu)，系統(tǒng)首先考慮主干道路。然而，交通狀況評價(jià)主要關(guān)注系統(tǒng)局部最壞情況，如一條道路交通擁堵，所以系統(tǒng)會(huì)迭代考慮由主干道路圍成的次要道路系統(tǒng)，做到局部次優(yōu)，同時(shí)可以設(shè)置權(quán)重以區(qū)分對待不同區(qū)域，例如確保城市中心區(qū)域交通狀況良好。中央處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)邏輯形成了由全局到局部分而治之的策略，從而達(dá)到對整個(gè)城市交通系統(tǒng)有條不紊的控制。

以北京城市交通道路為例，如示意圖所示，對路口A，以及路口相連接的AB、AC、AD、AE四條道路為一個(gè)主干，四周4塊區(qū)域?yàn)?個(gè)局部。系統(tǒng)首先考慮單位時(shí)間的A路口各個(gè)方向的車流量，然后根據(jù)路口相連道路的長度、寬度、車輛通行速度等指標(biāo)計(jì)算道路飽和度。根據(jù)以下策略控制道路飽和度：

負(fù)載均衡原則，即調(diào)控相連道路，使其飽和度趨于一致。

最小最大負(fù)載原則，即調(diào)控道路，使其保持較低道路飽和度，并且道路飽和度在時(shí)間上趨于穩(wěn)定。

假設(shè)AC、AF為長安街，實(shí)際交通流量大，計(jì)算權(quán)重高，而相比AB、AD方向流量相對較小，權(quán)重較低。所以系統(tǒng)調(diào)控策略會(huì)在高峰時(shí)段增加AC、AF橫向通行的綠燈延時(shí)，而減少AB、AD方向縱向同行的延時(shí)。以A路口為例，其控制流程如下：

對當(dāng)前路口輸入數(shù)據(jù)，首先計(jì)算判斷路口A各個(gè)方向流量是否變化，如果模糊計(jì)算流量不變，則對該路口決策為保持。如果模糊計(jì)算流量變化，則檢查流量是否減小，如果減小則減短該方向綠燈的延時(shí)，以提高其他方向車輛通過率；如果流量增加則檢查是否超過道路承載力。如果合法則提高當(dāng)前方向綠燈延時(shí)，提高車輛通過率；如果不合法則發(fā)出警報(bào)，并維持當(dāng)前流量。最后根據(jù)流量結(jié)合系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)，計(jì)算得到路口A綠燈延時(shí)。

為兼顧整體和局部，對A路口調(diào)控策略同時(shí)作用于相鄰B、C、D、E四個(gè)路口，同時(shí)上述四個(gè)路口調(diào)控策略作用于A路口調(diào)控策略：當(dāng)A路口流量超過道路承載能力時(shí)，B、C、D、E路口會(huì)調(diào)整延時(shí)減少流入A路口車流，以降低局部負(fù)荷；當(dāng)路口A增加某方向綠燈延時(shí)以提高路口通行能力時(shí)，路口A調(diào)整延時(shí)間接影響路口B、C、D、E路口延時(shí)，對路口A調(diào)整延時(shí)與其他路口疊加延時(shí)求和，以調(diào)整路口某方向道路整體通行能力。

中央處理系統(tǒng)能到“看到”城市交通狀態(tài)的全貌，并且“考慮”到全局的交通流量，通過分治策略與協(xié)同控制，作出兼顧全局與局部的決策，然后落實(shí)到路口各個(gè)方向的控制延時(shí)上，最后中央處理系統(tǒng)發(fā)送控制指令，調(diào)整交通網(wǎng)絡(luò)各個(gè)路口各個(gè)方向控制延時(shí)。

四、分布式信號燈控制系統(tǒng)

分布式信號燈控制系統(tǒng)是系統(tǒng)決策的執(zhí)行者，該系統(tǒng)負(fù)責(zé)接收中央處理系統(tǒng)的控制信號，并以信號燈延時(shí)的方式控制交通流量。

系統(tǒng)初始設(shè)有固定的信號燈延時(shí)，同時(shí)等待中央處理系統(tǒng)發(fā)出控制指令，根據(jù)指令調(diào)整信號延時(shí)。系統(tǒng)同時(shí)緩存該延時(shí)并持續(xù)執(zhí)行，直至中央處理系統(tǒng)再次發(fā)出調(diào)整延遲的控制信息。

分布式信號燈控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)相對簡潔，由于控制系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)與信息采集系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)高度重合，所以在計(jì)算與通訊硬件的實(shí)現(xiàn)上，可以復(fù)用同一套設(shè)備。同時(shí)，系統(tǒng)被動(dòng)調(diào)整的實(shí)現(xiàn)策略可以保證即使中央控制系統(tǒng)離線，城市交通也不致癱瘓。

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