一種分布式智能交通信號燈管理系統(tǒng)設計

王振寧　馬慧穎　李豪杰　鄭豪杰

摘 要：隨著各地交通擁堵問題日益嚴重，傳統(tǒng)的交通控制系統(tǒng)已不能滿足要求，智能交通控制系統(tǒng)應運而生。本文提出了一種分布式智能交通控制系統(tǒng)，介紹了分布式智能交通控制系統(tǒng)的工作原理和具體實現(xiàn)方法。該系統(tǒng)能結合實時車流信息、歷史車流信息、相鄰路口車流信息、擁堵車輛閾值，實時調節(jié)交通信號燈放行時間，減少車輛等待時間，避免車輛發(fā)生擁堵。

關鍵詞：車流量;分布式系統(tǒng);智能交通控制系統(tǒng)

中圖分類號：U491.51;TP273文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2021）11-0111-03

Design of a Distributed Intelligent Traffic Signal Management System

WANG Zhenning1 MA Huiying1 LI Haojie1 ZHENG Haojie2

（1.School of Mechanical and Power Engineering， Zhengzhou University，Zhengzhou Henan 450001;2.School of Information Engineering， Zhengzhou University，Zhengzhou Henan 450001）

Abstract： With the increasingly serious traffic congestion problem， the traditional traffic control system can not meet the requirements， intelligent traffic control system came into being. This paper presented a distributed intelligent traffic control system， and introduced the working principle and specific implementation method of the distributed intelligent traffic control system. The system can combine real-time traffic flow information， historical traffic flow information， adjacent intersection traffic flow information and congestion vehicle threshold to adjust the traffic signal release time in real time， reduce vehicle waiting time and avoid vehicle congestion.

Keywords： traffic volume;distributed system;intelligence traffic control system

目前，城市道路車輛越來越多，一系列交通問題也隨之出現(xiàn)。傳統(tǒng)交通控制系統(tǒng)采用固定的配時方案，在路口設置紅綠燈，紅綠燈開啟時間固定設置。在路上車流量極少的情況下，這種控制方式能對路口交通狀況進行有效管控。但是，隨著社會車輛的增加，城市道路上的車輛明顯增多，而傳統(tǒng)交通控制系統(tǒng)難以有效疏通交通，導致城市主干道車輛積壓，通行不暢，從而造成道路擁堵，更有甚者，還會導致車輛刮擦等交通事故增多、汽車尾氣排放增多等[1]。這時，采取緩解交通擁堵的控制手段便尤為必要。

智能交通控制系統(tǒng)區(qū)別于傳統(tǒng)的交通控制系統(tǒng)。智能交通控制系統(tǒng)能根據(jù)路口車流的實際情況，實時調整信號燈的放行時間，在一定程度上緩解交通擁堵的現(xiàn)象。國內外的智能交通控制系統(tǒng)可分為兩大類：集中式智能交通控制系統(tǒng)和分布式智能交通控制系統(tǒng)。國外具有代表性的集中式智能交通控制系統(tǒng)有英國的SCOOT、西班牙的ITACA等，分布式智能交通控制系統(tǒng)有澳大利亞的SCATS。國內關于交通控制領域的研究在信號控制仿真、自適應控制建模等方面都有一定的進展，但多數(shù)研究是局部的，關于實際應用交通控制的研究較少[2]。本文設計了一種分布式智能交通信號燈管理系統(tǒng)，以緩解交通壓力，合理調度車流量。

1 分布式智能交通信號燈管理系統(tǒng)設計

分布式智能交通信號燈管理系統(tǒng)在每個路口設置有獨立的控制系統(tǒng)，包括一個控制箱、路口停車線前方的紅綠燈和停車線后方的車輛識別裝置?？刂葡溥B接路口停車線前方的紅綠燈和停車線后方的車輛識別裝置，并與相鄰路口的控制箱相連接?？刂葡鋬仍O置有微控制主機。分布式智能交通信號燈管理系統(tǒng)可路口各個方向的車流進行統(tǒng)計和預測，并與相鄰路口的交通控制系統(tǒng)相互連接，同時獲取其他路口朝向本路口方向的車輛預測數(shù)據(jù)，然后進行優(yōu)化處理，并做出處理動作。

內部信息流向如圖1所示。具體工作原理及步驟有五點。

第一，獲取路口各個方向的實時車流信息：停車線后方的車輛識別裝置將獲取的信息傳遞給控制箱內的微控制主機，微控制主機對信息進行分析識別和匯總，得到路口每個方向的實時車流信息。

第二，建立歷史車流信息數(shù)據(jù)：經過一段時間的收集和統(tǒng)計，建立路口各個方向的歷史車流信息數(shù)據(jù)。

第三，預測未來某一時段路口各個方向的車流信息：微控制主機結合歷史車流信息數(shù)據(jù)，根據(jù)軟件內置的模型預測未來某時段的車流信息。

第四，做出決策：將實時車流信息與先前預測的車流信息進行對比，疊加路口各個方向擁堵車流信息閾值，以及相鄰路口控制箱的微處理主機傳來的朝向路口方向的車流信息與決策數(shù)據(jù)，并根據(jù)軟件事先設定的事件處理方式，做出相應的實時決策和預測決策，最終將處理結果形成數(shù)據(jù)，與當前路口相應方向的車流數(shù)據(jù)一起反饋回相鄰路口的微處理主機。

第五，實施路口交通控制：微處理主機將當前路口做出的實時決策轉化成控制信號，控制路口相應方向紅綠燈的開啟閉合，同時結合相鄰路口微控制主機反饋的決策數(shù)據(jù)與車流數(shù)據(jù)進行不斷優(yōu)化處理，從而生成新的實時和預測決策，通過當前路口的微處理主機轉化成控制信號，實時形成對路口的交通控制。

通過以上步驟，可根據(jù)當前實際車流量、預測未來車流量、周圍路口車流量和擁堵的車輛閾值實現(xiàn)對信號燈通行時間的分配，最大程度上減少車輛等待時間，避免因交通信號燈造成的堵塞，減緩交通壓力。

2 系統(tǒng)的實現(xiàn)

2.1 硬件及數(shù)據(jù)傳輸

2.1.1 控制箱。內設置微控制主機，微控制主機上設置微處理器、內存、硬盤和通信接口。微處理器為高性能人工智能微處理器，選用一臺7.5 W的單模塊超級計算機，目標檢測能力強，可為終端提供真正的AI計算功能，用于車流量的檢測。此微處理器基于NVIDIA Pascal? GPU 架構，搭載8 GB 內存，且內存帶寬為59.7 GB/s。同時，微處理器配備多種標準硬件接口，可輕松與不同產品實現(xiàn)集成。對紅綠燈的控制則采用ALIENTEK MiniSTM32。

2.1.2 車輛識別裝置。車輛識別裝置由攝像頭及處理器組成，通過攝像頭對停車線后方各個車道的車輛進行識別、攝像和拍照，并將信息傳輸至處理器，統(tǒng)計一定時間內的車輛數(shù)量，從而計算出車流量。

2.1.3 相鄰路口控制箱之間的通信。相鄰路口控制箱之間的通信采用無線傳輸模塊ATK-LORA-1，具有體積小、微功率、低功耗、靈敏度高等優(yōu)點。

2.2 模型與算法實現(xiàn)

2.2.1 紅綠燈配時算法。依據(jù)模糊控制理論，根據(jù)當前車流量和預測流量模型分配信號燈放行時間。將計算和預測得到的各方向的車流量信息輸入模糊控制器中，在模糊控制器中，對各方向車流量值進行模糊化處理，轉化為系統(tǒng)可識別的模糊量，依據(jù)模糊控制規(guī)則庫進行模糊推理，匹配最適合這一數(shù)值區(qū)間的紅綠燈開閉時長，產生模糊控制量，再經逆模糊化，產生可用于控制紅綠燈開閉的時間數(shù)據(jù)[3]。模糊控制基本方法如圖2所示。

模糊控制具體過程為：將預測及計算后獲取到的實時車流量數(shù)據(jù)按照不同方向分類輸入模糊算法控制器中，控制器根據(jù)方向將車流量數(shù)據(jù)輸入指定的算法通道中，在通道中進行模糊推理，算法首先確定車道數(shù)量及道路交通復雜情況，由此將路口模糊歸類，確定紅綠燈的總狀態(tài)數(shù)，隨后算法標定車流量數(shù)據(jù)并將車流量數(shù)值劃分至對應區(qū)間，依據(jù)模糊控制規(guī)則庫中的車流量數(shù)據(jù)區(qū)間與紅綠燈開閉時長匹配每一狀態(tài)紅綠燈的開閉時長，最后，綜合各方向數(shù)據(jù)，依據(jù)模糊規(guī)則求解出路口各狀態(tài)紅綠燈開啟順序和時長數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)轉化為字節(jié)類型，以便后續(xù)與紅綠燈控制模塊進行通信。

2.2.2 車流量統(tǒng)計模型。采用視頻檢測技術對車流量進行檢測，可以在不破壞路基的前提下實現(xiàn)車流量的檢測，檢測范圍比較廣[4-5]。虛擬線圈檢測法是通過在所獲取的交通路口圖像中設置一個感興趣區(qū)域，作為主要的待測區(qū)域研究。該監(jiān)測方法可以減少程序的運算量，只對設置的虛擬區(qū)域內的圖像變化特征進行研究和處理來獲取車流量，并不需要對整個圖像進行研究[6]。本系統(tǒng)采用虛擬線圈檢測法，通過在車道線的某一處設置虛擬線圈，利用攝像頭捕捉通過車輛的圖像，實現(xiàn)車輛數(shù)量的統(tǒng)計，從而計算出車流量。

3 系統(tǒng)優(yōu)勢

分布式智能交通信號燈管理系統(tǒng)通過綜合路口處各種車流量信息，實現(xiàn)了對交通信號燈放行時間的調整。相較于傳統(tǒng)的交通信號燈管理系統(tǒng)，具有三點優(yōu)勢。

①當路口控制箱內的微處理主機與相鄰路口控制箱內的微處理主機全部失聯(lián)時，則根據(jù)路口方向的實時車流信息，結合歷史車流信息，自主決策運行路口各個方向的紅綠燈。當前的微處理主機只要與相鄰路口的任一控制箱內的微處理主機相連，即可通過轉接方式獲取其他相鄰路口傳遞的車流數(shù)據(jù)和決策信息，并將路口各個方向的車流數(shù)據(jù)與決策信息傳遞給所連接相鄰路口的微處理主機，實現(xiàn)實時接收所有路口方向的車流信息和決策信息。

②與集中式智能交通控制系統(tǒng)相比，分布式智能交通控制系統(tǒng)的控制箱只負責處理分析當前路口各個方向的車流數(shù)據(jù)，并結合相鄰路口控制箱內微處理主機傳遞的數(shù)據(jù)，做出路口信息的實時和預測決策，降低微控制主機內硬件性能的要求。交通控制系統(tǒng)的控制箱的微控制主機就設置在各路口，物理距離的縮短省去了發(fā)送數(shù)據(jù)至中央處理器再返回數(shù)據(jù)的時間，提高了系統(tǒng)響應速度。

③分布式智能交通信號燈管理系統(tǒng)在現(xiàn)有的智能交通控制系統(tǒng)上進行了創(chuàng)新，采用分布式控制系統(tǒng)，解決了集中式控制系統(tǒng)帶來的各種不便，具有容災性好、響應速度快、功能多樣化等創(chuàng)新點。

4 結語

本文設計的分布式智能交通信號燈管理系統(tǒng)，具有容災性好、響應速度快、硬件成本低的優(yōu)點。我國已有的分布式交通控制系統(tǒng)都由一個中心服務器作為高級控制中心[1]，硬件成本高。分布式智能交通信號燈管理系統(tǒng)不再需要總中心服務器，各個路口的控制箱可以結合相鄰路口信息作出本路口的決策。同時，分布式的結構使得系統(tǒng)的應用價值提高，具有廣闊的應用前景。

參考文獻：

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[6]張虹波，匡銀虎.基于視頻檢測技術的交通車流量研究[J].計算機與現(xiàn)代化，2014（12）：58-63.