輪詢機(jī)制下交通信號(hào)燈控制模型仿真研究

胡文甲

摘要：隨著人們生活水平不斷提高，車(chē)輛擁有量不斷增加，但由于我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃問(wèn)題，導(dǎo)致有限的交通資源難以滿足不斷增多的車(chē)輛，造成我國(guó)各大城市擁堵現(xiàn)象嚴(yán)重。交通信號(hào)燈作為疏導(dǎo)城市交通的一個(gè)重要工具，針對(duì)實(shí)時(shí)的交通情況實(shí)現(xiàn)對(duì)交通信號(hào)燈的有效控制是十分有必要的。文章針對(duì)當(dāng)前我國(guó)現(xiàn)有交通信號(hào)燈口控制策略的不足，提出了一種輪詢機(jī)制下交通信號(hào)燈控制模型，并且進(jìn)行了仿真分析。

關(guān)鍵詞：輪詢機(jī)制;交通信號(hào)燈;控制模型;仿真

中圖分類號(hào)：TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945{2019）12-0041-02

1概述

城市交通信號(hào)燈在控制達(dá)到主干道路的交通流時(shí)，主要采用綠、黃、紅這三種顏色（即現(xiàn)實(shí)生活中的規(guī)格），由于到達(dá)主干道路口的交通流受一系列因素的影響，加之隨機(jī)性大，所以，通過(guò)科學(xué)的數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建以及人為預(yù)定的一系列方案都無(wú)法取得令人滿意的效果。而智能交通控制系統(tǒng)的運(yùn)用，能在現(xiàn)行的道路中使行車(chē)延誤和交通擁堵減少，進(jìn)而使交通事故的死亡率和發(fā)生率降低，并且降低污染程度，減少能源的消耗量。

2輪詢機(jī)制下交通信號(hào)燈控制方法

2.1考慮不同情形的交通信號(hào)燈控制方法

在輪詢機(jī)制下的交通信號(hào)燈控制策略的安排下，需要考慮時(shí)段因素以及交通環(huán)境因素來(lái)進(jìn)行交通信號(hào)燈控制方案設(shè)計(jì)。

2.1.1不同時(shí)段下的交通信號(hào)燈控制方法

需要在調(diào)查清楚城市的車(chē)流量且仔細(xì)分析過(guò)后再進(jìn)行解決。在具體的操作過(guò)程中，應(yīng)該是使用交通總站的上位機(jī)定時(shí)來(lái)給各個(gè)路口發(fā)送無(wú)線訊息，進(jìn)而改變每個(gè)路口PLC程序中設(shè)定好了的時(shí)間，以此來(lái)調(diào)節(jié)路口信號(hào)燈的時(shí)間。

具體的交通信號(hào)燈調(diào)控方案為，在進(jìn)行協(xié)調(diào)控制路段的兩端中實(shí)現(xiàn)這個(gè)定時(shí)控制方案。這個(gè)控制方案的定時(shí)控制配時(shí)是依據(jù)當(dāng)時(shí)的實(shí)際交通流量以及數(shù)學(xué)模型計(jì)算得出的。在使用協(xié)調(diào)控制方案的時(shí)候，一般是用電臺(tái)傳播的方法來(lái)進(jìn)行通訊的，最后達(dá)到協(xié)調(diào)控制效果。

2.1.2不同交通環(huán)境下的交通信號(hào)燈控制方法

路段上的車(chē)流量是城市干線交通信號(hào)的協(xié)調(diào)控制機(jī)制的主要依據(jù)。因此，路段車(chē)流量的統(tǒng)計(jì)十分重要。

道路的擁堵，在一般情況下，是由于當(dāng)路段中出現(xiàn)最大容量的車(chē)輛數(shù)時(shí)，持續(xù)進(jìn)入車(chē)輛，以及（或者）無(wú)法及時(shí)放行車(chē)輛所造成的。此時(shí)，若車(chē)輛持續(xù)進(jìn)入已達(dá)到擁堵臨界值的TJ2路段中，車(chē)輛就會(huì)更加多，從而導(dǎo)致?lián)矶?。再如，此時(shí)路段L2的下一出口處于紅燈相位，則L2/L1中的車(chē)輛數(shù)會(huì)因南北方向開(kāi)來(lái)的車(chē)輛而增多，當(dāng)超過(guò)臨界值時(shí)，擁堵形成。所以，該系統(tǒng)的控制分三種情況。

（1）情形1：當(dāng)L1/L2中的車(chē)輛數(shù)（具有通行權(quán)）達(dá)到Cmax時(shí)，擁堵便會(huì)出現(xiàn)。

（2）情形2：若在上一情形中放任車(chē)輛的進(jìn)入，便會(huì)更加擁堵，此時(shí)，為了禁止持續(xù)進(jìn)入車(chē)輛，將綠燈相位變?yōu)榧t燈。當(dāng)L1/L2中的車(chē)輛數(shù)不及臨界值的3/5后，緩解了擁堵情況，可將紅燈相位變?yōu)榫G燈。

（3）情形3：此時(shí)，L1/L2路段中車(chē)輛的出口方向處于紅燈相位，無(wú)法放行車(chē)輛。而該路段會(huì)因不斷增加的來(lái)自非干線的右轉(zhuǎn)車(chē)輛而等待車(chē)輛的長(zhǎng)度變長(zhǎng)。由于干線有許多的車(chē)輛，假設(shè)在結(jié)束第一相位后，L1/L2路段中等待車(chē)輛為臨界值的一半，這就表示若非干線上的右轉(zhuǎn)車(chē)輛數(shù)為26PCUs，即臨界值的30%時(shí)，該路段的車(chē)輛數(shù)便會(huì)劇烈增多，達(dá)到臨界值，右轉(zhuǎn)車(chē)輛繼續(xù)增多，便會(huì)擁堵。此時(shí)，將綠燈變?yōu)榧t燈，即改變?cè)摲较虻男盘?hào)相位便是控制策略，有別于情形2和情形1的是，此時(shí)不再是分割綠燈相位的控制策略，而是直接進(jìn)入第4相位，即下一相位。如此，可以保證車(chē)輛在干線上的通行效率，盡快放行擁堵已經(jīng)形成的路段中的車(chē)輛，避免更嚴(yán)重的擁堵的形成。

2.2仿真實(shí)驗(yàn)

本文選取典型的四相位作為研究對(duì)象，然后使用Mat-lab進(jìn)行仿真。此處，用一組數(shù)據(jù)來(lái)詮釋，比如s1=0.4，系統(tǒng)在第4相位下通行正常。Roadl路段中的車(chē)輛數(shù)在27.621s時(shí)為4/5最大容量，即70PCUs，此時(shí)應(yīng)禁止該路段中持續(xù)進(jìn)入直行車(chē)，當(dāng)路段中的車(chē)輛數(shù)減少至3/5的最大容量時(shí)，即18PCUs，系統(tǒng)時(shí)間是34.421s，此時(shí)未結(jié)束的綠燈相位能繼續(xù)，可放行直行車(chē)輛，依次迭代。57s是最大綠燈時(shí)間，可見(jiàn)在車(chē)輛被禁止通行的過(guò)程中，當(dāng)車(chē)輛數(shù)為7PCUs時(shí)，該相位結(jié)束了綠燈時(shí)間。

3輪詢機(jī)制下的交通信號(hào)燈控制方法的建模與仿真

3.1輪詢機(jī)制下的交通信號(hào)控制方案

本文通過(guò)輪詢機(jī)制來(lái)分析交通信號(hào)燈控制的方案，把四相位交叉路口當(dāng)作研究對(duì)象，可以把四相位交叉路口當(dāng)成是四個(gè)隊(duì)列的輪詢系統(tǒng)，然后各個(gè)相位中的車(chē)道都是輪詢系統(tǒng)里面的緩沖隊(duì)列，信號(hào)燈就相當(dāng)于輪詢系統(tǒng)的服務(wù)器。

在輪詢系統(tǒng)的指導(dǎo)下，以交通信號(hào)燈作為服務(wù)器，控制四相位交叉路口中的車(chē)輛，讓車(chē)輛按照一定的順序來(lái)通過(guò)路口。

3.2輪詢機(jī)制下的交通信號(hào)燈控制模型

在對(duì)控制子區(qū)進(jìn)行交通信號(hào)控制研究之前，需要先對(duì)控制子區(qū)抽象出路網(wǎng)模型，然后根據(jù)路網(wǎng)模型設(shè)計(jì)控制策略。通常，用圓圈代替路網(wǎng)的交叉口，連線可以當(dāng)作是交叉口間的路段，控制子區(qū)簡(jiǎn)化后的路網(wǎng)圖。

對(duì)城市道路交通信號(hào)的配時(shí)優(yōu)化主要是根據(jù)各個(gè)相位的車(chē)流量對(duì)綠燈時(shí)間進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。

3.3輪詢機(jī)制下的交通信號(hào)燈控制模型仿真結(jié)果

針對(duì)在[0，180]（s）范圍內(nèi)隨機(jī)得到的5組車(chē)輛實(shí)際等待時(shí)間算例，在MATLAB平臺(tái)上優(yōu)化綠燈時(shí)間分配，對(duì)四相位交叉路口來(lái)仿真。假設(shè)每個(gè)相位車(chē)道最開(kāi)始車(chē)輛數(shù)為10（pcu），統(tǒng)計(jì)50個(gè)信號(hào)周期，假設(shè)車(chē)輛以飽和流率1800（peu/h/車(chē)道）經(jīng)過(guò)路口，以2s作為一個(gè)單位時(shí)間，前100輛車(chē)的到達(dá)率是0.2（peu/slot），路口是飽和狀態(tài)，隨后的車(chē)輛到達(dá)率是0.1（peu/slot），路口是非飽和的狀態(tài)。

在車(chē)道處于較高的飽和度時(shí)，某相位一旦進(jìn)入綠燈期，就會(huì)有很長(zhǎng)一段時(shí)間一直保持綠燈，如第3輪綠燈時(shí)間已達(dá)到200（單位時(shí)間），這在實(shí)際交通控制里會(huì)由于信號(hào)周期過(guò)長(zhǎng)，讓駕駛?cè)藛T闖紅燈的概率更大。

飽和狀態(tài)下由于車(chē)輛上限控制，每個(gè)相位的綠燈時(shí)間不能超過(guò)20（單位時(shí)間），超出車(chē)輛就會(huì)作為多余車(chē)輛等待下一次綠燈信號(hào)的顯示;由于車(chē)流飽和度降低（第15個(gè)信號(hào)周期后），綠燈根據(jù)完全服務(wù)方法對(duì)信號(hào)進(jìn)行切換，車(chē)道中的全部的車(chē)輛都能夠在一個(gè)信號(hào)期間經(jīng)過(guò)路口，這樣就不會(huì)剩下車(chē)輛，驗(yàn)證控制策略的收斂性。

優(yōu)化算法下，拿定周期信號(hào)燈控制方法作對(duì)比的話，減少速率更快，橫軸代表周期數(shù)，縱軸代表路口放行車(chē)輛數(shù)的量。并且在優(yōu)化算法下。和定周期信號(hào)燈控制方式相對(duì)比，放行的車(chē)輛就更多。

和單點(diǎn)配時(shí)方案相比較，本文所提出的輪詢機(jī)制下的交通信號(hào)燈控制方案優(yōu)勢(shì)更明顯，并且平均停車(chē)次數(shù)大幅減少是顯著表現(xiàn)。這表明在協(xié)調(diào)控制方案使用后，整個(gè)干道方向的車(chē)流量的總停車(chē)次數(shù)變少了，完善了干道交通。和固定相位差協(xié)調(diào)配時(shí)方案相比，動(dòng)態(tài)相位差協(xié)調(diào)配時(shí)方案優(yōu)勢(shì)也明顯，側(cè)面反映算法是可行的。

本文提出的交通燈控制策略運(yùn)用到路口時(shí)，比較各相車(chē)道信號(hào)燈切換周期和平均排隊(duì)車(chē)輛數(shù)的仿真值和理論計(jì)算值。結(jié)果表明：仿真值和理論值較好吻合，表明對(duì)上述性能指標(biāo)，采用輪詢模型定量分析可以保證精度。

將典型的固定時(shí)間控制策略和該策略進(jìn)行比較，以來(lái)對(duì)門(mén)限型車(chē)輛驅(qū)動(dòng)交通等控制策略的效果加以驗(yàn)證。結(jié)果顯示：

隨著車(chē)輛達(dá)到率的增長(zhǎng)，2種控制策略下的平均排隊(duì)度以及平均等候時(shí)間均增加，但車(chē)輛達(dá)到率一樣的情況下，和固定時(shí)間控制策略相比，門(mén)限控制策略的平均排隊(duì)度以及平均等候時(shí)間均低一些。

車(chē)流量對(duì)固定時(shí)間控制策略切換周期不造成作用。隨著車(chē)流量的增加，門(mén)限控制策略的切換周期會(huì)增加，需要注意的是，在車(chē)流量<0.1輛，s（較低）時(shí)，在各向車(chē)道間，綠燈平均每1/3min就要循環(huán)點(diǎn)亮一次，信號(hào)燈切換周期<20s（較小），這點(diǎn)難以實(shí)現(xiàn)于實(shí)際工作中。所以，可以規(guī)定，當(dāng)各向車(chē)道中均無(wú)汽車(chē)等待這一情形被控制系統(tǒng)感知到時(shí)，通過(guò)視頻監(jiān)控設(shè)備，將切換綠燈至1號(hào)候車(chē)列隊(duì)，待某方向車(chē)輛達(dá)到時(shí)再及時(shí)切換，如此可避免交通燈在無(wú)車(chē)時(shí)切換頻繁。

4結(jié)束語(yǔ)

本文基于輪詢機(jī)制提出了一種交通信號(hào)燈控制策略，本文提出的所有進(jìn)口道適時(shí)交通信號(hào)控制策略要求全面監(jiān)測(cè)進(jìn)口道和環(huán)道的交通運(yùn)行狀態(tài)，面向所有進(jìn)口道適時(shí)實(shí)施交通信號(hào)控制。該策略是有效的，能夠顯著減小車(chē)輛的平均延誤和停車(chē)次數(shù)。