單交叉口交通信號(hào)燈的實(shí)時(shí)自適應(yīng)控制策略

袁麗麗+孫紅艷

【摘 要】針對(duì)兩相單交叉路口信號(hào)燈的放行時(shí)間等控制規(guī)律，以及交叉路口的現(xiàn)有硬件設(shè)施等條件，一種新的交通信號(hào)配時(shí)優(yōu)化方法被提出。通過(guò)視頻圖像實(shí)時(shí)獲取交叉路口的交通流等信息，提取南北方向與東西風(fēng)向車輛排隊(duì)長(zhǎng)度，進(jìn)而確定南北方向與東西方向的紅燈與綠燈的時(shí)間關(guān)系，實(shí)現(xiàn)信號(hào)燈的自適應(yīng)實(shí)時(shí)控制。模擬實(shí)驗(yàn)表明該方法應(yīng)用方便可靠，可實(shí)時(shí)根據(jù)車流量信息自適應(yīng)改變信號(hào)燈的時(shí)間，是一種科學(xué)有效的信號(hào)燈自動(dòng)管理機(jī)制。

【Abstract】 A new traffic signal timing optimization method is proposed according to the control law of the release time of the traffic lights at the single intersection and the existing hardware facilities of the intersection. Using the video image to obtain information about traffic flow at the intersection in real time， to get the vehicle queue length in the south-north direction and east-west direction， and ensure the time relationship between red light and green light in the directions of south-north and east-west， then realize the adaptive real-time control of signal lamp. The simulation experiment shows that the method is convenient and reliable. It can automatically change the time of the signal lamp according to the traffic information. It is a scientific and effective automatic management mechanism of the signal lamp.

【關(guān)鍵詞】信號(hào)燈；排隊(duì)長(zhǎng)度；兩相交叉口；自適應(yīng)控制

【Keywords】signal lights； queue length； two phase intersection； adaptive control

【中圖分類號(hào)】U491.5+1 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A 【文章編號(hào)】1673-1069（2017）12-0194-03

1 引言

交通系統(tǒng)是一個(gè)非線性隨機(jī)性很強(qiáng)的開放的復(fù)雜系統(tǒng)，系統(tǒng)維數(shù)很高，加上人的參與，對(duì)其進(jìn)行有效控制是一個(gè)非常復(fù)雜的問題。自適應(yīng)交通控制將改變以往在路口控制中以定時(shí)控制為主的方式，而是根據(jù)交叉路口圖像檢測(cè)設(shè)備獲取的交通流量信息，提取南北方向和東西方向的車輛長(zhǎng)度，然后比較一定范圍內(nèi)排隊(duì)的車輛長(zhǎng)度，提出車流量與時(shí)間的某種線性關(guān)系，依據(jù)此函數(shù)關(guān)系，自動(dòng)調(diào)整后某個(gè)單交叉口的紅綠燈時(shí)間關(guān)系，進(jìn)而優(yōu)化配置交通管理。

本文以單交叉路口為研究對(duì)象，提出一種交通信號(hào)時(shí)間以車輛長(zhǎng)度不同而變化的自適應(yīng)控制方案，即通過(guò)合適的線性比例算法，建立一個(gè)車輛排隊(duì)長(zhǎng)度與時(shí)間的函數(shù)關(guān)系，從而控制信號(hào)燈的動(dòng)態(tài)變化。該方法能夠有效縮短車輛在十字路口的停留時(shí)間，減少車輛在十字路口的通行時(shí)間。

2 交叉路口交通流動(dòng)態(tài)模型

目前，兩相單交叉路口的每個(gè)方向入口正上方均裝有一個(gè)攝像頭，分別檢測(cè)一定范圍內(nèi)的東西方向、南北方向的車輛等待信息[1]，如圖1所示。攝像頭采集的車流量圖片信息經(jīng)過(guò)圖像邊緣處理，得到一個(gè)灰度圖，并計(jì)算其車流量長(zhǎng)度信息。根據(jù)車輛排隊(duì)長(zhǎng)度等信息，實(shí)時(shí)修正東西方向與南北方向的紅綠信號(hào)燈的時(shí)間，避免十字路口某方向沒有車輛等待，而處于一直放行的狀態(tài)，同時(shí)另一方向車輛擁堵，等待時(shí)間過(guò)長(zhǎng)等現(xiàn)狀；縮短車輛等待的時(shí)間，優(yōu)化兩個(gè)方向的信號(hào)燈配時(shí)，實(shí)現(xiàn)兩相單交叉路口信號(hào)燈的科學(xué)管理與放行，最大程度緩解交通壓力。

假設(shè)圖像采集的有效范圍為100米，綠燈放行時(shí)間最小為Tmin=18s，綠燈放行時(shí)間最大為Tmax=60s，某方向等待放行的車流量長(zhǎng)度為L(zhǎng)。東西與南北方向的交通放行規(guī)律如下：

①給定每個(gè)相位的綠燈最短時(shí)間Tmin=18s，綠燈最長(zhǎng)時(shí)間為Tmax=60s。

②初始狀態(tài)：南北方向正處于放行狀態(tài)，從零時(shí)刻開始，且時(shí)間設(shè)置為18s；

④東西方向車流量長(zhǎng)度為L(zhǎng)′，設(shè)L0=60，如果滿足L′>L0，則改變?yōu)闁|西方向放行，而南北方向停止通行；如果L′

⑤東西方向綠燈放行時(shí)間為18s，并重復(fù)②～④，從而實(shí)現(xiàn)每個(gè)路口放行時(shí)間的自適應(yīng)控制。

3 信號(hào)燈時(shí)間優(yōu)化配置

兩相十字路口車流變化快，同時(shí)由于氣溫、光照等環(huán)境因素及人為的車輛變道或者搶道等干擾，對(duì)于車流量信息的捕捉及優(yōu)化存在著諸多不穩(wěn)定性的因素。針對(duì)不同的車流情況，通常采取不同的控制方案，目前常用的幾種方法[2]：

①對(duì)信號(hào)周期進(jìn)行優(yōu)化；

②對(duì)相位信號(hào)配時(shí)進(jìn)行優(yōu)化；

③對(duì)周期和相位信號(hào)配時(shí)同時(shí)進(jìn)行優(yōu)化，包括相位信號(hào)順序的優(yōu)化；

④綜合進(jìn)行優(yōu)化（針對(duì)交通流高峰期整個(gè)時(shí)間段）。

目前，對(duì)于城市交通網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化控制研究，大多是針對(duì)城市交通網(wǎng)絡(luò)的交通流分配進(jìn)行優(yōu)化，或依據(jù)出行者起訖點(diǎn)之間路徑按時(shí)間最短優(yōu)化控制，或是按城市流通能力最大的交通流分配優(yōu)化控制等傳統(tǒng)的優(yōu)化方法[1]。也有個(gè)別文獻(xiàn)提出了針對(duì)信號(hào)周期或信號(hào)時(shí)間區(qū)間進(jìn)行優(yōu)化[3]。考慮目前交通的現(xiàn)狀往往是時(shí)間分布不均，導(dǎo)致交通遲滯現(xiàn)象嚴(yán)重，車輛等待的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，本文提出自適應(yīng)優(yōu)化控制方法即自動(dòng)改變信號(hào)燈的配時(shí)比例關(guān)系。

為了保證車輛正常通過(guò)十字路口，避免開車人員的煩躁或誤認(rèn)為燈色控制已經(jīng)失效，使得車輛在路口總延誤時(shí)間最短等因素，兩相交通路口信號(hào)燈的周期應(yīng)不少于36s，且不超過(guò)120s[4]。本文按照最小周期為36s，最大周期為120s，東西方向與南北方向等每個(gè)方向的綠燈通行最少時(shí)間為等數(shù)據(jù)研究自適應(yīng)配時(shí)方案。

傳統(tǒng)交通路口信號(hào)燈的配時(shí)方法是每個(gè)方向的配時(shí)是固定的，即意味著兩個(gè)方向的最大交通通行能力相同。實(shí)際上，不同的時(shí)間段、不同的路況等各種因素導(dǎo)致兩個(gè)方向的車流信息千差萬(wàn)別，如果兩個(gè)方向固定設(shè)置同一個(gè)時(shí)間，可能造成交通的空閑或者擁擠現(xiàn)象。本文提出了一種新的簡(jiǎn)單可行的自適應(yīng)控制方案：不同于以往的單片機(jī)，采用嵌入式系統(tǒng)構(gòu)成的交通信號(hào)控制器，實(shí)時(shí)采集排隊(duì)車流長(zhǎng)度，得出一個(gè)排隊(duì)長(zhǎng)度值；設(shè)單位車隊(duì)長(zhǎng)度允許通行的時(shí)間為Δt，根據(jù)獲取的車隊(duì)長(zhǎng)度設(shè)定綠燈放行的時(shí)間，車隊(duì)長(zhǎng)綠燈放行時(shí)間就長(zhǎng)，反之就少；調(diào)用時(shí)間與車輛排隊(duì)長(zhǎng)度的函數(shù)Time_length（），計(jì)算綠燈放行的時(shí)間，實(shí)時(shí)優(yōu)化調(diào)整紅綠燈的時(shí)間，其仿真程序流程圖見圖2。

本文采取簡(jiǎn)單的線性算法，即采取時(shí)間與車隊(duì)長(zhǎng)度的一次比例函數(shù)：t_green=t0+[（Tmax-t0）/L0]×L自動(dòng)設(shè)置綠燈的通行時(shí)間，其中綠燈時(shí)間t_green不能超過(guò)60s。理論研究證明依據(jù)車流量長(zhǎng)度自動(dòng)控制綠燈的放行時(shí)間，可改善交通通行情況，提高交通的運(yùn)行效率。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)交叉口的單點(diǎn)交通信號(hào)燈特征進(jìn)行分析，提出了一種簡(jiǎn)單可行的實(shí)時(shí)自適應(yīng)控制，可解決目前交通出現(xiàn)的擁堵、遲滯等現(xiàn)象。針對(duì)多個(gè)路口之間的自適應(yīng)時(shí)間配置，是一個(gè)多相、區(qū)域控制的問題，所以，應(yīng)進(jìn)一步研究交通信號(hào)的點(diǎn)控、線控和面控三者相配合的自適應(yīng)控制方式，為實(shí)現(xiàn)城市智能交通系統(tǒng)提供參考。

【參考文獻(xiàn)】

【1】Hoose N. Impaction image analysis tool for motorway surveillance [J].Traffic Eng & Control， 2015， 6（6）：116.

【2】劉智勇.智能交通控制理論及其應(yīng)用[M]. 北京：科學(xué)出版社，2013.

【3】Shen Guo-Jiang， Dai Hua-ping， Liu Xiang， et al. Urban expressway traffic flow modeling and control using artificial neural networks [J]. IEEE Communication Magazine， 2013（ 23）： 836-841.

【4】孫國(guó)棟，梁起. 道路交通信息采集器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用， 2013（5）：3.