基于道路運力的交通自適應(yīng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)

劉勇

摘要： 為解決城市交通擁堵問題所提出的交通管控方法大多數(shù)是基于實時路況、車流量、車速等信息。但是，一個城市的交通運力在道路建成之后便相對固定下來，保障交通運力最重要的前提是預(yù)防擁堵，最大程度地使道路交通處于運行狀態(tài)?；谶@種思路，從城市道路實際運力角度，提出一種交通自適應(yīng)管控方法，通過實時檢測道路車流量，對比道路運力，自適應(yīng)調(diào)節(jié)車流運行。

關(guān)鍵詞： 智能交通； 道路運力； 自適應(yīng)

中圖分類號：U491

文獻標(biāo)志碼： A

文章編號： 2095-2163（2017）05-0076-03

0引言

隨著機動車輛保有量的持續(xù)上升，現(xiàn)代城市交通面臨的壓力越來越大。為更充分地利用城市道路交通資源，更高效地發(fā)揮交通信號燈控制、調(diào)節(jié)車流的作用，近年來國內(nèi)外專家學(xué)者提出了很多道路交通的管理方法并取得了不錯的效果。

文獻[1]提出了一種兩級遞階結(jié)構(gòu)的模糊線控制方法，設(shè)置主干道具有較高通行權(quán)，綜合主次干道車流狀況對系統(tǒng)進行協(xié)調(diào)。此種方法優(yōu)化了主干道通行效率，但是，次干道流量參數(shù)的設(shè)定及其依據(jù)仍需進一步討論；另外，主干道通行優(yōu)先權(quán)的設(shè)定一定程度影響了交通公平性，同時也易誘導(dǎo)車流聚集到主干道通行，加大主干道通行壓力，尤其當(dāng)已經(jīng)發(fā)生擁堵時，控制的作用就會弱化。文獻[2]基于RFID技術(shù)，路口位置安裝天線和閱讀器，車輛設(shè)置電子標(biāo)簽，通過車輛通行頻率設(shè)定綠信比。一方面，車輛電子標(biāo)簽的安裝是個系統(tǒng)工程；其次，閱讀器只會對天線覆蓋范圍內(nèi)的路口車輛計數(shù)，對于范圍外的前后路段擁堵狀況無法判斷；安裝位置的選取、閱讀范圍的波動、相鄰路段車輛的影響等因素不可避免會引起對各方向車流量計數(shù)的偏差。文獻[3]基于圖像處理技術(shù)，利用背景差分法檢測待行區(qū)有無車輛，從而實施信號控制；文獻[4]討論了基于車速信息判斷路口通行情況，以此調(diào)節(jié)信號燈狀態(tài)。文獻[5-6]將攝像機與圖像處理技術(shù)相結(jié)合應(yīng)用于車輛檢測中，實現(xiàn)交通燈智能控制；Wu 等[7]利用DSP實時處理圖像， 提取車輛并與模糊邏輯相結(jié)合， 實現(xiàn)交通燈智能控制。以上這幾種方式都側(cè)重路口檢測，優(yōu)化路口交通；另外，圖像處理方式硬件成本高，算法復(fù)雜，易受光照、雨霧等環(huán)境因素影響。文獻[8-9]通過構(gòu)建一種動態(tài)的信號燈自適應(yīng)算法來優(yōu)化路口車輛等待時間，側(cè)重于交通擁堵的治理。文獻[10]提出一種基于實時路況的信號燈管控方法，實時檢測交叉方向車輛，計算車道占用率，應(yīng)用模糊控制理論優(yōu)化信號燈切換頻率，為車道占用率高的相位設(shè)置綠燈。該方法雖然能夠有效地利用車道，但也正是由于為占用率高的車道設(shè)置綠燈，則易于造成交叉車道占用率參數(shù)的競爭，綠燈頻繁切換，最終易陷入擁堵狀態(tài)。此外，基于車流量、云計算等方面的研究，分別參考文獻[11-13]。

一個城市的道路運力在道路建成時刻便相對固定下來。如果某個時間段內(nèi)，某段道路已經(jīng)達到運力飽和，甚至呈現(xiàn)癱瘓狀態(tài)，則該路段本質(zhì)上已經(jīng)失去運力。此時即便信號燈允許通行，車輛也無法進入該路段，即使勉強進入，也達不到通行目的。而停滯的車輛必然會影響或阻礙其他車輛向其他方向行駛，從而造成惡性循環(huán)，進一步可能會使整個城市交通陷于癱瘓。

1基于道路運力的交通自適應(yīng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)

本文從城市道路客觀運力著手，以預(yù)防擁堵、保障道路的暢通為目標(biāo)，通過檢測道路的車流量，對比道路的運力，調(diào)節(jié)系統(tǒng)以準(zhǔn)許、縮短、延長、臨時禁止車流進入目標(biāo)路段，控制道路車流量在道路實際運力范圍之內(nèi)，將車流分散在更大的范圍，避免造成局部擁堵點而降低全局通行效率，或者阻斷交通。[JP]

1.1系統(tǒng)方案

一種典型的交通路口，車道可被劃分為駛?cè)胲嚨?、駛出車道；駛?cè)胲嚨罏樯弦粋€路口的駛出車道，駛出車道為下一個路口的駛?cè)胲嚨馈Ｃ總€車道以路口為端點，有車道入口和出口，該路口的駛出車道出口為下一路口的駛?cè)胲嚨廊肟?。如圖1所示。

一種基于道路運力的交通自適應(yīng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，包括車流量檢測裝置、交通信號燈、信息顯示屏、控制器、中央計算機等。交通信號燈由紅、綠、及禁行構(gòu)成。系統(tǒng)框圖如圖2所示。

由圖2可知，各部分的功能可闡釋如下：

1）車流量檢測裝置。安裝在道路的入口處和出口處，用于檢測駛?cè)牒婉偝龅能嚵髁俊１痉桨附ㄗh采用地感監(jiān)測裝置，理由是地感靈敏度和準(zhǔn)確率相較而言均占有優(yōu)勢，不受光照、遮擋、雨霧等外部環(huán)境的影響，與控制器通過干節(jié)點連接，接入容易，工程成本低。

2）控制器。安裝在路口附近，通過檢測干節(jié)點狀態(tài)變化，判斷車輛通過并計數(shù)車流量，對比受控路段實際運力，按需調(diào)節(jié)交通信號燈工作模式，具體到各可選項的內(nèi)容描述為：標(biāo)準(zhǔn)模式、延時模式、縮短模式、禁入模式。其中，標(biāo)準(zhǔn)模式為按照常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定的信號燈參數(shù)；延時和縮短模式為根據(jù)受控路段運力與車流量的對比，對信號燈進行的階梯調(diào)整；禁入模式為系統(tǒng)判斷路段已達設(shè)定的臨界飽和點，調(diào)整信號燈以禁止車輛駛?cè)朐撀范??？刂破鲗崟r發(fā)送相應(yīng)信息到信息顯示屏，以提示駕駛員根據(jù)道路狀況做出行駛調(diào)整（比如繞行）；實時上傳系統(tǒng)數(shù)據(jù)給上位機（計算機），并接受上位機遠程調(diào)控信息，以及系統(tǒng)更新信息。

3）信號燈組。接受控制器指令，啟動對應(yīng)交通信號燈。相比通常的紅綠信號燈狀態(tài)，該方案會增加如下信號燈狀態(tài)：禁止直行/右轉(zhuǎn)/左轉(zhuǎn)/調(diào)頭。一旦該信號啟動，車輛不得等待，按信號燈允許的方向通行。

4）信息顯示屏。與信號燈組并行安裝，實時顯示交通運行信息。

5）計算機。設(shè)置在交通中央機房，連接并管理所有路口控制器，實時收集上傳數(shù)據(jù)，同時輔以數(shù)據(jù)分析；根據(jù)需要開展遠程調(diào)控，修改工作模式參數(shù)等；軟件的遠程更新維護。

[JP3]以北向駛出車道為例，如圖3所示，該車道車流量由調(diào)頭駛?cè)搿⒆筠D(zhuǎn)駛?cè)?、直行駛?cè)?、右轉(zhuǎn)駛?cè)胨姆N情況構(gòu)成。在車道的入口處和出口處，根據(jù)車道數(shù)量分別設(shè)置地感線圈，地感線圈與地感檢測器電氣連接，由市電電源供電，[JP2]構(gòu)成車輛檢測裝置；當(dāng)有車輛通過時，地感檢測器連接地感線圈所構(gòu)成的振蕩電路發(fā)生頻率變化，[JP3]產(chǎn)生干節(jié)點信號?？刂破髋c地感檢測器通過干節(jié)點連接，實時監(jiān)測干節(jié)點變化，通過計數(shù)獲取入口駛?cè)胲囕v數(shù)量Qi和出口駛出車輛數(shù)量Q0，則車道滯留車輛數(shù)量為Q0-Qi。車道車輛容量由車道長度S、車道數(shù)n、車體平均長度I計算得出。[JP]endprint

1.2優(yōu)勢分析

本文研究提出方案的優(yōu)勢在于：

1）通過監(jiān)測每個路口的駛出車道車流量，對比該車道實際運力，控制信號燈工作模式，對駛?cè)胲嚨儡囕v的通行行為提供調(diào)節(jié)和限制；而每個路口的駛?cè)胲嚨儡嚵髁縿t由相鄰路口調(diào)節(jié)和限制。于是每個路口、每個車道都已獲得了有效監(jiān)測和控制，故此方案為全局調(diào)節(jié)而非局部調(diào)節(jié)。

2）調(diào)節(jié)是在每個車道擁堵發(fā)生前進行，屬于預(yù)防擁堵；特殊情況下即使個別路段發(fā)生了擁堵，也能通過全局的調(diào)節(jié)得到有效緩解或消除。

3）此種控制方式將交通壓力分散于整個交通網(wǎng)絡(luò)，擴展到更大的交通區(qū)域范圍，一方面減輕或避免局部交通擁堵，另一方面有效提高交通資源的利用和通行效率。

4）準(zhǔn)確率和抗擾性提高，能更準(zhǔn)確地判斷車流量，不受天氣、光照強度、建筑物或路牌等遮擋的影響。

5）通過聯(lián)網(wǎng)，后臺計算機實時偵測和統(tǒng)計車流量信息和路況信息，通過數(shù)據(jù)挖掘與分析，為改善交通環(huán)境發(fā)揮顯著可觀的技術(shù)支撐作用。

6）成本低廉，硬件要求不高，布線簡單，施工方便。

[BT4]2結(jié)束語

本文基于道路實際運力，從預(yù)防擁堵角度出發(fā)，提出了一種基于道路運力的交通自適應(yīng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，能進一步優(yōu)化交通環(huán)境。該系統(tǒng)不足之處在于：系統(tǒng)在判定駛出車道擁堵并短時間內(nèi)不適合通行后，會發(fā)出禁行信號，通過信息顯示屏引導(dǎo)車輛駛向允行方向，一定程度上影響了部分車輛的期望行駛路徑，即特殊情況下會造成部分車輛繞行；但從全局看，此方式卻能避免車輛過久等待引發(fā)后續(xù)車輛滯留，而且目標(biāo)車道已經(jīng)達到車輛飽和，等待是沒有意義的。當(dāng)前的職守交警在發(fā)生擁堵時，實際上也是通過人工方式進行交通管制。

參考文獻

陳森發(fā)， 毛嵐. 城市交通信號燈模糊線控制及其仿真[J]. 系統(tǒng)仿真學(xué)報， 2000， 12（6）： 668-670.

[2] 張歡歡， 金琳，黃平平，等. 基于RFID檢測技術(shù)的交通信號燈實時控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計[J]. 中國水運（下半月刊）， 2010， 10（11）： 83-84，107.

[3] 張學(xué)夢. 基于圖像處理和PLC的交通信號燈控制系統(tǒng)[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù)， 2013， 36（19）： 167-170.

[4] 李金洋， 陳儀香， 王振輝. 基于車速的自適應(yīng)交通信號燈控制系統(tǒng)[J]. 計算機技術(shù)與發(fā)展， 2016， 26（9）： 21-25，29.

[5] CHOUDEKAR P， BANERJEE S， MUJU M K. Implementation of image processing in real time traffic light control[C]//The 3rd International Conference on Eletronics Computer Technology（ICECT）. Kanyakumari， India： IEEE， 2011： 94-98.

[6] VU A， RAMANANDAN A， CHEN A， et al. Real-time computer vision/DGPS-aided inertial navigation system for lane-level vehicle navigation[J]. IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems， 2012， 13（2）：899-913.

[7] WU Hejun， MIAO Changyun. Design of intelligent traffic light control system based on traffic flow[C]// International IEEE Conference on Computer and Communication Technologies in Agriculture Engineering（CCTAE）. Chengdu， China：IEEE， 2010：368-371.

[8] [JP3]YOUSEF K M， AL-KARAKI M N， SHATNAWI A M. Intelligent traffic light flow control system using wireless sensors networks[J]. Journal of Information Science and Engineering， 2010， 26（3）：753-768.[JP]

[9] FAYE S， CHAUDET C， DEMEURE I. A distributed algorithm for adaptive traffic lights control[C]//International IEEE Conference on Intelligent Transportation Systems（ITSC）. Anchorage， AK， USA：IEEE，2012： 1572-1577.

[10]趙荻， 郎海濤，劉永信，等. 基于實時路況的交通信號燈智能管控方法[J]. 計算機工程與設(shè)計， 2015， 36（3）： 783-788.

[11]趙小軍， 胡耀增， 林晨. 基于車流量的交通信號燈實時控制的研究[J]. 計算機與現(xiàn)代化， 2012（10）： 72-75.

[12]謝金生， 官飛. 基于云計算的智能交通信號燈控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J]. 長春師范大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）， 2014， 33（4）： 57-60.

[13]張學(xué)武， 徐立中， 粱瑞宇， 等. 基于視頻的交通流參數(shù)測量方法研究[J]. 儀器儀表學(xué)報， 2010， 31（11）： 2542-2548.endprint