基于Petri網(wǎng)的交通信號控制系統(tǒng)的建模與分析

萬錚

摘 要：隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，智能交通的應(yīng)用前景廣闊。文章提出一種基于Petri網(wǎng)建模的智能交通信號控制系統(tǒng)，其特點(diǎn)是局部控制、共同負(fù)責(zé)。交通信號控制系統(tǒng)基于安裝在車道上的車輛檢測器反饋信息，改變信號相位順序來提高路口的道路使用率。經(jīng)過仿真模擬，該模型在安全前提下能夠有效減少車輛排隊(duì)等候時間。

關(guān)鍵詞：交通物聯(lián)網(wǎng)；Petri；智能交通；信號控制

1 互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展研究概述

互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展至今，經(jīng)歷了文件互聯(lián)（Internet of Document，IoD）、人聯(lián)網(wǎng)（Internet of Human，IoH）到如今的物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things，IoT）3個階段。國際電信聯(lián)盟（ITU）對于物聯(lián)網(wǎng)的定義為[1]：將各種傳感設(shè)備和互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合起來而形成一個巨大的網(wǎng)絡(luò)，讓所有物品都連接在一起，方便識別和管理。由以上定義可知物聯(lián)網(wǎng)的核心還是互聯(lián)網(wǎng)，其通過傳感器、射頻識別裝置（Radio Frequency Identification Device，RFID）、執(zhí)行器等設(shè)備與物理世界發(fā)生聯(lián)系。

自從2009年溫家寶主席提出“感知中國”至今，物聯(lián)網(wǎng)在中國迅猛發(fā)展，與各傳統(tǒng)行業(yè)緊密結(jié)合，催生了各種基于物聯(lián)網(wǎng)的智能系統(tǒng)應(yīng)用。包括基于物聯(lián)網(wǎng)的智能交通監(jiān)控系統(tǒng)，其通過采集、分析數(shù)據(jù)，對駕駛員進(jìn)行引導(dǎo)和管理來反饋交通狀況。交通監(jiān)控系統(tǒng)可分為交通信息采集子系統(tǒng)、交通信息提供子系統(tǒng)、監(jiān)控中心。

本文旨在提出一種基于Petri網(wǎng)結(jié)合前端分布式的物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)的交通信號控制建模方式，以提供服務(wù)為目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)“高度自治下的共同負(fù)責(zé)制”。

2 路口模型

在單路口的交通調(diào)度中，主要需要考慮的設(shè)計是信號燈的相位順序和相位延時，圖1為某單十字路口信號調(diào)度示意。

在圖1中，車道5表示設(shè)計為行人通過，此車道與其他所有車道互斥，如此便可實(shí)現(xiàn)人、車完全分離，避免行人與右轉(zhuǎn)車和左轉(zhuǎn)車發(fā)生沖突的可能性，且NS與WE兩個方向的行人可以同時放行，車道0為4個方向的右轉(zhuǎn)車道，右轉(zhuǎn)車道只和車道5沖突，故車道根據(jù)空間關(guān)系可按以下情況分組，車道0，1為一組，車道0，2為二組，車道0，3為三組，車道0，4為4組，車道5單獨(dú)為五組，共計5個相位。其中N，S，W，E表示北、南、西、東4個方向，P表示行人通過，NS表示方向由北往南，其他以此類推。需要說明的是，由于右轉(zhuǎn)車除了和行人沖突外，和其他所有方向的通行車不沖突，故SE，EN，NW，WS 4個方向的右轉(zhuǎn)車在前4組相位中全部允許通過。

控制系統(tǒng)主要控制的是相位順序和相位延時。相位順序在控制上，除非某個相位無車輛，否則不應(yīng)改變相位順序，依舊按照每組順序不變。相位延時在控制上，則可根據(jù)各個車道排隊(duì)等候車輛的數(shù)量，依據(jù)策略，由路口交通信號調(diào)度控制器上下浮動，力求增加路口利用率，降低車輛等待時間，同時兼顧公平。

3 信號控制模型分析

目前應(yīng)用最多的信號控制基本場景是一個開環(huán)控制結(jié)構(gòu)，5個相位的控制延時按照既定程序執(zhí)行。開環(huán)結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于實(shí)施簡單，缺點(diǎn)在于缺乏反饋，無法根據(jù)交通狀況進(jìn)行調(diào)整。

圖2為某一相位變遷圖，用C_serv（i）表示對某一相位提供服務(wù)。一個相位的動作包括變綠燈、變黃燈和變紅燈3個動作，變綠燈動作包含在C_serv（i）當(dāng)中，變黃燈和變紅燈兩個動作分別用g2y（i）和y2r（i）表示。用C_ask（i）表示詢問相位i是否需要服務(wù)，next（i）表示轉(zhuǎn)向相位i的下一個相位，當(dāng)detector（i）沒有托肯，即當(dāng)前相位i沒有服務(wù)請求，且后面相位有服務(wù)請求，即C_req（i+1）有托肯時，應(yīng)跳過相位i的服務(wù)，所以有detector（i）到next（i）的約束弧。如果后面相位沒有服務(wù)請求，則不能跳過當(dāng)前相位服務(wù)，所以有C_req（i+1）到C_serv（i）的約束弧。

對車道的服務(wù)按照車道相位順序來進(jìn)行，當(dāng)所有的路口都沒有服務(wù)請求時，則按順序動作。當(dāng)相位1為綠燈時，假如此時相位4有車也要通過路口，則需在相位1對相位4進(jìn)行分解，稱為C_readd（1，4）。有detector（4）=C_req（2）+C_req（3）+C_req（4）+C_serv（4）。則系統(tǒng)在相位1周期完成后，由于detector（2）和detector（3）沒有托肯，將跳過相位2和3，直接轉(zhuǎn)向相位4提供服務(wù)。如圖3所示，在相位j分解detector（i）的變遷稱為c_readd（j， i）。用C_req（n，m）表示從C_req（n）到C_req（m）這幾個庫所。

4 結(jié)語

交通信號控制系統(tǒng)是交通物聯(lián)網(wǎng)的一個組成部分，本文基于Petri網(wǎng)理論提出了開環(huán)結(jié)構(gòu)的交通信號控制系統(tǒng)，通過安裝在車道上的車輛檢測器感知排隊(duì)等候的車輛，進(jìn)而反饋給交通信號控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)體系結(jié)構(gòu)采用前端分布式控制，由各個路口的控制芯片自主控制，通過回饋的交通信號，靈活改變信號控制系統(tǒng)的相位順序，從而提高路口的道路使用率。