物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能交通信號燈中的應(yīng)用研究

馮琳 孫杰 楊子瀟 陳峰波 劉中華

摘要：隨著我國城市建設(shè)進(jìn)程飛速發(fā)展，交通堵塞和污染的問題也越來越影響人們的生活質(zhì)量。為了有效的減少這些問題的影響，在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的支持下，智能交通網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)應(yīng)運而生。以物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)的智能交通信號燈技術(shù)，不但能夠有效地管理在公路上行駛的機(jī)動車輛的動態(tài)，而且能夠改善公路車輛的擁擠狀況，因此，能夠大幅度優(yōu)化道路網(wǎng)絡(luò)服務(wù)水平。

關(guān)鍵詞：城市建設(shè);物聯(lián)網(wǎng)技術(shù);智能交通信號燈

一、研究背景

在智能信號控制系統(tǒng)中，最重要的部分是控制智能交通信號的設(shè)備。它將自主控制和人工控制方法結(jié)合起來，使之能夠適應(yīng)不同模式下的不同運輸條件。例如，當(dāng)交通擁擠和交通管理十分嚴(yán)峻的情況下，自動調(diào)整和恢復(fù)成正常交通秩序是一個復(fù)雜的問題，十分浪費時間，所以，需要人的干預(yù)來恢復(fù)交通的秩序和安全;當(dāng)交叉口交通秩序良好時，可以采用自主控制模式。交通信號燈是一種單點控制信號燈，是整個控制系統(tǒng)的重要部分。目前，中國在這一領(lǐng)域的控制系統(tǒng)大多采用定時控制，即提前設(shè)定周期長度、綠信比等定時參數(shù)，以保證給定階段不發(fā)生變化。然而，隨著我國社會的迅速發(fā)展，以及關(guān)于繼續(xù)城市化進(jìn)程的建設(shè)的不斷推進(jìn)，交通條件極其嚴(yán)峻，是一個越來越大的挑戰(zhàn)，因此，定時控制不能滿足現(xiàn)在交通的要求。

二、智能交通信號燈的發(fā)展趨勢

（一）綜合交通智能化協(xié)同與服務(wù)

在許多方面，海外發(fā)達(dá)國家已經(jīng)在發(fā)展公路和物流方面取得了長足的進(jìn)展，基礎(chǔ)設(shè)施和設(shè)備的一體化、各種運輸設(shè)備的綜合設(shè)計、服務(wù)的業(yè)務(wù)規(guī)劃和一體化都證明了這一點，這有利于運輸中貨物之間的信息交流功能。我國在這方面取得了相當(dāng)大的進(jìn)步，然而仍與其他國家有很大差距。

（二）交通運輸系統(tǒng)安全運行智能化保障

中國在運輸領(lǐng)域方面長期面臨著安全挑戰(zhàn)，中國未來智能交通發(fā)展的主要方向是保障運輸系統(tǒng)的安全和智能發(fā)展。運輸系統(tǒng)中，有一些因素影響到系統(tǒng)的安全性，因此，有必要充分利用對運輸系統(tǒng)安全運行的知識方法來分析事故原因、模式的變化和戰(zhàn)略、管理和開發(fā)積極的安全和人力資源管理技術(shù)，以確保行人、車輛不受交通運輸?shù)挠绊憽?/p>

（三）智能交通的特殊要求推動信息技術(shù)發(fā)展

智能化運輸確保了在車輛之間、在車輛和基本設(shè)備之間的計算和數(shù)據(jù)交換的可靠性，這也有助于計算機(jī)技術(shù)和寬帶移動通信的迅速發(fā)展，例如，在道路安全領(lǐng)域，一個重要指標(biāo)是低延遲率，但是高速無線局域網(wǎng)和移動5G和他相適應(yīng)。例如，在通信方面，需要改進(jìn)傳輸控制協(xié)議和與計算機(jī)有關(guān)的技術(shù)，以確保通信網(wǎng)絡(luò)在高速運輸中保持穩(wěn)定。

三、基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的交通信號燈的原理及研究方向

（一）智能交通信號燈工作的基本原理

交叉路口的交通燈控制系統(tǒng)由控制中心，通信系統(tǒng)（無線網(wǎng)絡(luò)）和車輛檢測系統(tǒng)（超聲波檢測傳感器）三大部分組成。第一，在每個交叉口安裝超聲波傳感器，可以用來確定車輛在每個方向的進(jìn)出情況，顯示每個交叉口的交通流量。然后將檢測得到的數(shù)據(jù)，通過網(wǎng)絡(luò)向控制中心及時傳送數(shù)據(jù)，根據(jù)每個路口的交通數(shù)據(jù)，采用相應(yīng)的算法計算出該方向的交通流量較大或擁擠的方向，從而實現(xiàn)對交叉口的實時智能控制。

紅綠燈需要在時間范圍上進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。例如，在交通燈時間長度為60秒的十字路口，在十字路口東側(cè)的道路上，25輛車停留在這個路段，25輛車從這個路段離開。在十字路口以南的公路上，如果從南向北單向行駛，35輛車離開這個路段，5輛車停在這個路段。

這就可以推斷出西面和北面的車輛交通情況，綜合所有方向的交通流量，進(jìn)而計算出滯留車輛的數(shù)量。假設(shè)在東西方向上有60輛車被堵住，而在南北方向上有10輛車被堵住，在一段路上，假若被堵住的車輛數(shù)量大于30輛，就被視為交通可能受阻。在這種情況下，系統(tǒng)需要調(diào)整紅綠燈的時間長度，以減少車輛較多路段的交通流量。然而，如果發(fā)生這種情況，在某一段道路上會有較長的等待時間，但總的來說，這段時間將低于交通堵塞所花費的時間。

（二）利用超聲波傳感器檢測車輛

現(xiàn)在，在對車輛進(jìn)行檢查時，采用了超聲波探測器，具體原理是利用超聲波脈沖在回波傳輸時間來實現(xiàn)。將脈沖以傳感器的發(fā)射和接收超聲波的時間差為T，超聲波在空氣中傳播的速度為V，傳輸距離為M，得出：M=T*V/2。

當(dāng)使用超聲波傳感器探測車輛時，有沒有車輛行駛在公路上是依靠超聲波傳輸?shù)臅r間差有沒有變化。發(fā)射設(shè)備發(fā)出的超聲波，經(jīng)過接收設(shè)備接收反射回來的超聲波信號，通過接收頻率和時間之間的關(guān)系，可以根據(jù)相應(yīng)的計算求得車輛長度和車速，從而得到道路上的車輛數(shù)量、道路上車輛的占有率、速度和車型等實時信息。

為了能夠?qū)崟r檢測到公路上車輛的數(shù)量，超聲波將進(jìn)行2米間隔的分層檢測。如果在32個橢圓束上形成15度超聲波，這些探測方法既可以在公路邊邊橫向進(jìn)行，也可以在前面正面進(jìn)行，即兩種類型的探測。在道路側(cè)向檢測模式下，能夠檢測到的車道數(shù)目最高可達(dá)8條。當(dāng)處于前方的正向檢測模式時，檢測器能夠檢測的范圍時道路全部范圍的交通狀況。

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（作者單位：重慶科技學(xué)院）