智能信號優(yōu)化系統(tǒng)在交通領(lǐng)域的技術(shù)應(yīng)用

（廈門福路通智慧城市科技有限公司，福建廈門 361000）

公安交管局頒布了《推動城市道路交通信號燈配備智能化任務(wù)方案》后，各個地區(qū)的交管單位都實施了相應(yīng)的學(xué)習(xí)與實踐，提出以創(chuàng)新技術(shù)根源為著力點，主動推進信號優(yōu)化體系革新，探究人工智能和信號優(yōu)化的跨范疇融合，發(fā)揮智能信號優(yōu)化體系在城市交通信號監(jiān)控中的應(yīng)用價值。城市道路交通信號燈的智能控制，能夠有效實現(xiàn)交通合理性管理的控制?，F(xiàn)代化信息技術(shù)的應(yīng)用實現(xiàn)了交通信號燈的智能化控制，同時也提高了交通信號燈的管理效率和管理質(zhì)量。

1 傳統(tǒng)信號優(yōu)化系統(tǒng)的缺點

以往傳統(tǒng)的信號優(yōu)化系統(tǒng)主要利用相關(guān)人員的經(jīng)驗閱歷，通過對歷史資料整理、探討、總結(jié)，進一步實施信號計劃方案，針對干線、位置等改善規(guī)模，傳統(tǒng)的改善方式主要利用干線綠波、地區(qū)網(wǎng)狀綠波等計算方式總結(jié)干線、地區(qū)改善控制任務(wù)。這類體系在交通環(huán)境或車輛不充足的狀況下提出的改善措施效果更好，尤其是在單層控制方面效果更佳。隨著社會的不斷發(fā)展進步，城市機動車擁有數(shù)量隨之增加，交通運行環(huán)境變得更為復(fù)雜化，針對干線綠波、地區(qū)網(wǎng)狀綠波的改善方式所提出的干線、地區(qū)改善措施，因其受干線與地區(qū)的結(jié)構(gòu)特點、復(fù)雜難度、計算體量等重要因素的影響，改善效果普遍已經(jīng)不能滿足當?shù)貐^(qū)域交通運行環(huán)境要求。傳統(tǒng)信號改善體系所運用的數(shù)據(jù)較為簡單，一般采取路口過車數(shù)據(jù)安排理論測算，不易協(xié)調(diào)整合路網(wǎng)結(jié)構(gòu)、互聯(lián)網(wǎng)路況數(shù)據(jù)等多項數(shù)據(jù)資料，改善算法只可以獲得交通狀況普通信息，不能夠深入開掘感知干線、地區(qū)之間交通流的內(nèi)部深層聯(lián)系及彼此影響作用因素。

2 我國主流智能交通信號控制系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀

盡管當前國內(nèi)智能信號監(jiān)控體系種類多樣，除價格要素外難以選擇，但經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)各個市場力薦的智能信控體系多數(shù)都是在吸收國外先進成熟的體系的基礎(chǔ)上加以本土化設(shè)計，并補充了一些獨特功能優(yōu)化市區(qū)智能信號監(jiān)控體系。本研究聯(lián)網(wǎng)智能信號控制機數(shù)量已擴增至280臺，已建設(shè)完成包含八一南街、雙龍南街在內(nèi)的37條交互綠波帶，其包括了金華主區(qū)域全部的主干道。十字交互以及多條交互綠波帶將傳統(tǒng)意義上的雙向協(xié)作監(jiān)控提升至地區(qū)協(xié)作監(jiān)控的新境界。在此基礎(chǔ)上，試點分別在2016年與2017年實現(xiàn)了交互綠波因素下的BRT信號領(lǐng)先以及慢進快出不勻速交互綠波等多項全國先進的技術(shù)創(chuàng)新任務(wù)。

3 智能信號優(yōu)化系統(tǒng)的技術(shù)實現(xiàn)

3.1 交通仿真環(huán)境搭建

客戶選取待改善地區(qū)領(lǐng)域范疇，系統(tǒng)運營主要按照客戶自我選取的區(qū)域，探求區(qū)域內(nèi)交互口位置信息、路段長短信息、道路渠道信息，按照地區(qū)網(wǎng)絡(luò)展開結(jié)構(gòu)產(chǎn)生仿真路網(wǎng)；按通對過車數(shù)據(jù)資料計算地區(qū)內(nèi)車輛在各個交互口的行駛路徑，產(chǎn)生仿真交通流；按照地區(qū)內(nèi)各交互口最初信號燈監(jiān)控計劃完成仿真信號控制任務(wù)。仿真信號控制方案是交通仿真及地區(qū)信號改善的理論安全保障體系，無論是交通仿真環(huán)節(jié)，還是在具體操作路口信號燈放行環(huán)節(jié)中，均應(yīng)該履行安全第一、暢順第二的準則，如何規(guī)劃安排信號燈相位合并方案及相位保持時長計策是確保信號改善體系實際操作安全運行的基礎(chǔ)。科學(xué)安排相位，確保一體及多體交通流同時贏得穩(wěn)定通行權(quán)；科學(xué)安排相位最短維持時長，保證交通流與行人可以順利駛離路口及安全過道；科學(xué)安排相位承接燈色時長，保證驅(qū)除路口停留車輛。在仿真網(wǎng)線、仿真交通流、信號監(jiān)控計策都籌備完成后，就可開啟交通仿真環(huán)節(jié)，模擬實際交通環(huán)境下地區(qū)內(nèi)交通運作狀況。

3.2 加強規(guī)劃之間銜接配合

與用地有關(guān)的各級計劃需完成2項工作：①策略引導(dǎo)，通過計劃確定發(fā)展傾向、發(fā)展宗旨及發(fā)展途徑；②硬性監(jiān)管，確定在本層內(nèi)計劃需要嚴格監(jiān)管的主要內(nèi)容，并為下一層級計劃和安排留出空間。針對城市設(shè)計環(huán)節(jié)，共同設(shè)定編排城市軌道交通章程。城市各項計劃之間應(yīng)兼?zhèn)?，軌道交通章程和市政管廊策劃、生態(tài)環(huán)境保護協(xié)議、歷史文物保護謀劃等實現(xiàn)不抵觸、無摩擦。軌道交通謀劃需具有可操作性，避免發(fā)生計劃、建設(shè)不相符的情況。

3.3 面向非飽和交通狀態(tài)的信號控制

對于非充足的交通問題的管控主要是根據(jù)綠波帶的交通信號區(qū)域位置協(xié)作管控。綠波帶法派生自干線綠波管控，其關(guān)鍵內(nèi)容是通過改善路網(wǎng)中的大量的主干道，減少車輛的停車耽擱時長及停車次數(shù)，提升整體路網(wǎng)的實際效率。駕駛在主干道上的車輛少遇或不遇紅燈，經(jīng)過調(diào)和管控的交互口是綠波調(diào)和管控的目標。綠波帶法起始于1964年由Little初次倡議，其規(guī)劃是干線雙向最大綠波帶寬調(diào)和管控算法，車輛不斷通過綠波帶的帶寬越寬表明車輛拖延時間越短，路網(wǎng)控制的效果也越佳。

3.4 方案優(yōu)化與下發(fā)

運用智能信號優(yōu)化系統(tǒng)可以幫助交通領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)新型的發(fā)展，國家對智能信號的系統(tǒng)應(yīng)用主要集中在方案的優(yōu)化以及工作的執(zhí)行，完善的交通仿真系統(tǒng)能夠有效提升交通的合理布置。在道路交叉口區(qū)域設(shè)置信號優(yōu)化系統(tǒng)可以搜集目前現(xiàn)有的交通狀態(tài)數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)進行分析整合，搭建區(qū)域信號優(yōu)化模型。計算模型生成后可以對后續(xù)的交通運輸形成系統(tǒng)的控制方案，計算機網(wǎng)絡(luò)可以借助感知系統(tǒng)對區(qū)域內(nèi)部的交通態(tài)勢進行優(yōu)化配置，與優(yōu)化策略相關(guān)的各項信號激發(fā)數(shù)據(jù)可以借助通信接口協(xié)議逐步發(fā)送，整體交通系統(tǒng)可以有效地執(zhí)行方案流程。

3.5 計算機技術(shù)智能識別射頻設(shè)備在信號燈智能控制系統(tǒng)設(shè)計中的應(yīng)用

計算機科技智能識別無線電頻率裝備在交通信號燈智能管控體系規(guī)劃中，可以實現(xiàn)利用無線電頻率裝備對所要識別的車輛通行數(shù)及各個路口具體交通現(xiàn)象安排信號燈狀況的管控。依據(jù)計算機技術(shù)性能上對交通信息等問題識別所安排的實時情況，智能識別體系是完成城市交通信息問題實時性采集的有效方式。利用在路口信號燈內(nèi)安置的衛(wèi)星紅外設(shè)備或是攝像頭設(shè)備，對車輛行駛及停駐狀況安排整理和收集，將這些信息遞交給計算機終端體系加以探討，再把數(shù)據(jù)資料結(jié)果發(fā)送到信號燈智能管控體系，根據(jù)收集狀況的具體信息來安排實施信號燈的智能管控。

3.6 強化學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建與訓(xùn)練

針對交通的強化學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建與訓(xùn)練，相關(guān)部門可以從以下幾個方面幫助卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輔助強化學(xué)習(xí)智能體的改善與優(yōu)化。第一，三層卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對交通運行具有數(shù)據(jù)控制作用，交通運行的各項參數(shù)需要借助三張卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)高維特征提取。第二，卷積層輸出的高維特征與區(qū)內(nèi)部交叉口的特征要建立全面的聯(lián)系。第三，在保證連接過程時，負責(zé)人員需要明確交通運行狀態(tài)，輔助理想信號控制策略輸出，確保智能體在原有的交通狀態(tài)下完成對各項系統(tǒng)的控制。針對整體的學(xué)習(xí)體系，目前的強化學(xué)習(xí)是機械學(xué)習(xí)方法論的一項內(nèi)容，與傳統(tǒng)的學(xué)習(xí)方法不同，強化學(xué)習(xí)具有以下學(xué)習(xí)特點：學(xué)習(xí)的整體訓(xùn)練過程依賴于訓(xùn)練數(shù)據(jù)，特別是無標簽數(shù)據(jù)可以幫助網(wǎng)絡(luò)進行誤差計算，反向誤差迭代可以修正網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。目前，強化學(xué)習(xí)措施是聯(lián)系智能體與環(huán)境的有效方法，在誤差計算與誤差傳遞迭代的過程中，網(wǎng)絡(luò)參數(shù)實現(xiàn)了更新和優(yōu)化。計算機網(wǎng)絡(luò)有不同的結(jié)構(gòu)算法，在應(yīng)對不同的學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)過程中，采用的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)也具有明顯差異。Target-net和Eval-net兩項網(wǎng)絡(luò)的區(qū)別在于，前者的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)一般進行更新時會發(fā)生延遲，而后一項的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)可以進行實時的更新拓展。不同的網(wǎng)絡(luò)在運行交通參數(shù)的過程中采用的計算方法和計算數(shù)據(jù)也存在較大的差異，動作收益是誤差計算的相應(yīng)數(shù)據(jù)，交通運行的當前狀態(tài)與下一狀態(tài)需要借助不同的參數(shù)分析。交通運輸?shù)母黜椣到y(tǒng)中，啟動仿真過程可以讓智能體聯(lián)系仿真環(huán)境的交通運行狀態(tài)、信號控制裝置，讓三者實現(xiàn)密切交互，并生成網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練所需要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)組合，可以用公式進行表示。字母s作為目前的交通運行狀態(tài)矩陣，可以將不同的交叉路口的車輛位置，車輛速度，車輛時間等劃分為矩陣內(nèi)部的詳細數(shù)據(jù)信息；字母a表示只能提在各項交叉口信號控制策略的矩陣；r表示根據(jù)當前的交通動作所獲得的各項收益數(shù)字；r表示區(qū)域信號控制策略執(zhí)行之后的交通運行狀態(tài)矩陣。公式在達到一定的數(shù)量后就會啟動強化學(xué)習(xí)的訓(xùn)練過程，兩項網(wǎng)絡(luò)措施在整體的系統(tǒng)中扮演不同的角色，并發(fā)揮自身的有效作用，確保交通運行狀態(tài)可以得到精準的計算結(jié)果。

4 未來發(fā)展趨勢

隨著交通信號管控運用智能化的不斷發(fā)展，致使交通監(jiān)管面臨新的挑戰(zhàn)，比如大量異構(gòu)數(shù)據(jù)的儲備、多類別數(shù)據(jù)的整體管理、實時有效的數(shù)據(jù)信息獲取和解決方式、多住戶的數(shù)據(jù)分享和傳送。實際面臨的挑戰(zhàn)如下：（1）在智能交通配置和運行期間，從卡門電警、視頻監(jiān)視、操控信息、路況問題、GPS定位體系、運營狀況、RFID識別信息等每天所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)能夠達到PB等級，而且是數(shù)級的遞增，當前絕大多數(shù)的數(shù)據(jù)處于“熟睡”狀態(tài)，但依然需要對收集的數(shù)據(jù)實施儲備，必然給智能交通體系的存儲裝備帶來很大壓力。（2）智能交通信號管控綜合措施，一般會涉及多體系多業(yè)務(wù)的相關(guān)合并，主要涵蓋交通監(jiān)管終端、治安操控體系、平臺檢測、指揮派遣、控制中心、資源共享、機房配置、安全操控體系、視頻云摘要、人臉辨別、云儲備、車輛大數(shù)據(jù)分析、四臺整合、社會視頻資源綜合探究、公安網(wǎng)絡(luò)IP電話、無線傳輸及聚集對講體系擴增等，所以對數(shù)據(jù)解決平臺的要求非常高。

5 結(jié)語

基于平行仿真結(jié)合強化學(xué)習(xí)的信號優(yōu)化系統(tǒng)，突出強調(diào)深度強化學(xué)習(xí)技術(shù)在區(qū)域信號優(yōu)化中的對區(qū)域整體交通運行狀態(tài)的綜合分析與感知，該系統(tǒng)突破傳統(tǒng)基于單一交通流計算模式的瓶頸，借鑒卷圖像處理優(yōu)勢，運用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對區(qū)域內(nèi)交通運行狀態(tài)進行高維特征提取，挖掘區(qū)域交通流網(wǎng)絡(luò)拓撲關(guān)系，從聯(lián)合控制角度出具區(qū)域優(yōu)化策略。