智能交通信號(hào)燈配時(shí)策略研究

晏雨嬋

陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 陜西省咸陽市 712000

1 引言

自古以來交通就是社會(huì)經(jīng)濟(jì)的循環(huán)系統(tǒng)，人們?cè)诤芫弥熬妥⒁獾浇煌ㄔ诂F(xiàn)實(shí)生活中起到的重大作用，更是建設(shè)現(xiàn)代化都市所不能缺少的一環(huán)，它的存在甚至對(duì)人口、物流、信息流等產(chǎn)生重要影響，交通運(yùn)輸無疑成為我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展戰(zhàn)略、城市發(fā)展戰(zhàn)略中的重要內(nèi)容。之所以引申出交通主題，是因?yàn)殡S著我國經(jīng)濟(jì)實(shí)力的提升，人們的生活開始逐漸富裕，具備私家車的家庭越來越多，導(dǎo)致城市交通堵塞問題十分常見，而規(guī)避出行風(fēng)險(xiǎn)、帶給城市居民較好的出行體驗(yàn)，便成為交通部門的重要任務(wù)，若不能解決交通中涌現(xiàn)的新問題，便會(huì)嚴(yán)重阻礙城市發(fā)展。其中便存在這樣的問題，即當(dāng)紅燈亮起，城市主干道和非主干道的交口就會(huì)停滯多輛汽車，若綠燈亮起，路面上行駛的車輛卻寥寥無幾，這會(huì)造成交通資源嚴(yán)重浪費(fèi)，同時(shí)交通堵塞問題愈加嚴(yán)重。在這樣的現(xiàn)狀下，信號(hào)燈控制系統(tǒng)很快較引發(fā)關(guān)注，它是由同步控制和感應(yīng)控制構(gòu)成。定時(shí)控制的缺點(diǎn)正在暴露，存在適應(yīng)力差、抗干擾弱的缺陷，所以，采用其他技術(shù)來提升交通管控智能性非常必要。以視頻識(shí)別為主要功能的職能交通信號(hào)，可以在配時(shí)中充分利用交叉口資源，讓交通流受到智能配置，最大限度地提高交叉口的通行能力。

2 智能交通信號(hào)燈配時(shí)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

2.1 國外智能交通信號(hào)燈配時(shí)研究現(xiàn)狀

自車輛生產(chǎn)和投放后，關(guān)于智能交通系統(tǒng)的研究和測試活動(dòng)便沒有停下，早在20世紀(jì)60年代末，歐洲、美國、日本等發(fā)達(dá)國家就已經(jīng)在這項(xiàng)研究上傾注大量資金、人力、物力，為的是通過智能手段充分利用交通資源并解決交通堵塞問題，多年的努力，催生了一個(gè)新興產(chǎn)業(yè)。交通信號(hào)燈定時(shí)的想法最早出現(xiàn)在19世紀(jì)的英國。然而，交通信號(hào)配時(shí)優(yōu)化的研究和開發(fā)發(fā)生在第二次世界大戰(zhàn)之后，當(dāng)時(shí)的研究對(duì)象是大城市。因?yàn)檫@個(gè)時(shí)期人們的出行已經(jīng)受到交通堵塞的阻礙和影響。1975年，英國道路研究所成功開發(fā)了Scoot系統(tǒng)；1992年，F(xiàn)oy M.等科學(xué)家提出了一種基于遺傳算法的綠色時(shí)間分配算法；1997年，pappis C.P.和mamdame H.率先提出用模型理論嘗試解決城市單向交叉口最佳配時(shí)問題的觀點(diǎn)；2001年，Park B.等人提出了一種同時(shí)優(yōu)化多個(gè)指標(biāo)的方法，包括周期長度、綠信比和相位。2000年，Gartner n.和pooran F.提 出 了OPAC（自適應(yīng)控制優(yōu)化指南）。Ella B.基于模糊控制進(jìn)行了適當(dāng)?shù)膭?chuàng)新，引申出神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模糊控制算法，控制成效顯著提升；丹西亞。提出了一種基于agent的新方法。優(yōu)點(diǎn)是可以調(diào)整配時(shí)方案，使其得到完善和優(yōu)化，缺點(diǎn)是不可自行學(xué)習(xí)；Baher和Abdulhai提出了一種基于自學(xué)習(xí)代理的單點(diǎn)計(jì)時(shí)算法。有研究顯示，它比定時(shí)控制多出很多優(yōu)點(diǎn)。2015年，文章colletta M提出了一種動(dòng)態(tài)控制孤立交叉口信號(hào)周期和相位的新方法。該方法可以促成交通監(jiān)控?zé)o線傳感器網(wǎng)絡(luò)與多個(gè)并行模糊邏輯控制相結(jié)合，車輛等待時(shí)間將大幅度減少。2018年，grandinetti P.提出了一種信元傳輸模型的信號(hào)交通網(wǎng)絡(luò)模型，可以有效應(yīng)對(duì)城市網(wǎng)絡(luò)中交通等動(dòng)態(tài)定時(shí)問題。Bui K.n.34引申出一類智能交通燈穿越新方法，它基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)而生成。率先提出交叉口系統(tǒng)，可以讓交通燈、傳感器、車輛等交換信息，好處是可以實(shí)時(shí)記錄交叉口有效交通流。

2.2 國內(nèi)智能交通信號(hào)燈配時(shí)研究現(xiàn)狀

智能交通的概念在我國興起的較晚，雖是如此，但是近些年的研究可謂突飛猛進(jìn)且取得了諸多不錯(cuò)成果，其中便包括交通信息識(shí)別成果。應(yīng)用方面，一些經(jīng)濟(jì)繁榮的城市開始引進(jìn)并應(yīng)用自適應(yīng)信號(hào)優(yōu)化系統(tǒng)，后續(xù)開始重點(diǎn)分析與研究交通信號(hào)燈配時(shí)優(yōu)化這一內(nèi)容，同樣收獲頗豐。徐東玲等科學(xué)家在1992年引入智能算法中的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，也提出一種基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的孤立單接口定時(shí)優(yōu)化算法。基于預(yù)測模型的最優(yōu)實(shí)時(shí)控制方法被李立源等人于上個(gè)世紀(jì)九十年代提出，而到了1998年，陳森發(fā)等人基于交通流顯著特征研究，將交通流劃分為關(guān)鍵交流通和非關(guān)鍵交通流兩種，對(duì)其進(jìn)行了細(xì)致講述，同時(shí)明確了關(guān)鍵交通因素對(duì)信號(hào)時(shí)間優(yōu)化算法的影響。1999年，朱勁、劉志勇等人提出一種基于模糊控制器的多相位交叉口信號(hào)時(shí)間優(yōu)化算法，該算法的出現(xiàn)基于模糊控制原理處理交通中的不確定性這項(xiàng)條件。2004年，同濟(jì)大學(xué)的楊曉光提出了公交優(yōu)先信號(hào)配時(shí)方案，并編制了《城市道路交通設(shè)計(jì)指南》。2000年，基于交通流的隨機(jī)性和交通采集統(tǒng)計(jì)方法的不完全不確定性，徐建閩等人設(shè)計(jì)了一種基于模糊理論的城市道路交叉口信號(hào)時(shí)間方法。

2001武建國提出了一種解決實(shí)時(shí)交通控制難題的方法，研究遺傳算法的單路口配時(shí)優(yōu)化方法過程中，黃輝先構(gòu)建了預(yù)測模型，后續(xù)研究出交通信號(hào)配時(shí)優(yōu)化算法。湯志康等人提出了一種基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的單交叉口相變順序控制方法。2018年，閆東宇等模糊控制技術(shù)與CCD攝像機(jī)檢測技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)交通信號(hào)燈的最優(yōu)控制。基于EDA技術(shù)，賈健設(shè)計(jì)了智能交通路口控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)的硬件完成了節(jié)點(diǎn)支路和主干道的運(yùn)行控制，通過檢測相應(yīng)路段的車輛數(shù)量，智能地改變綠燈的延時(shí)。

3 智能交通信號(hào)燈配時(shí)策略的研究意義

在城市生活中，交通信號(hào)控制具有重要且現(xiàn)實(shí)的意義，若不存在交通信號(hào)控制，城市的交通秩序也將無從談起，可見是城市建設(shè)中不可或缺的一環(huán)。很顯然，汽車在給人們出行帶去便利的同時(shí)，也在帶來出行上的麻煩，這與城市私家車的數(shù)量驟增存在直接關(guān)聯(lián)，使得城市交通堵塞、交通事故等狀況越來越多，輕則損害財(cái)產(chǎn)，重則失去生命，不管怎么說，交通信號(hào)控制都將成為影響城市發(fā)展的重要因素。

根據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)顯示，從1978年到1995年，我國汽車保有量大幅度提升，增長率是道路建設(shè)速度的80倍，差距甚大。我國汽車數(shù)量是在1995年后實(shí)現(xiàn)激增的，參考官方數(shù)據(jù)，北京每100戶家庭便有12輛汽車，；過去十年間，上海道路長度增多了108%，面積擴(kuò)增142%，機(jī)動(dòng)車數(shù)量則是呈現(xiàn)下降趨勢，造成城市交通擁擠的主要原因就是汽車數(shù)量快速增長而城市道路建設(shè)有限之間的矛盾。為了適應(yīng)交通快速增長的趨勢，減少擁堵，國內(nèi)許多城市都采取了擴(kuò)建道路、擴(kuò)建人行道、修建高架道路和橋梁等措施。這些舉措起到的效果不是很直觀，但在調(diào)節(jié)車流量、保障人與貨物安全、提升運(yùn)營效率等方面起到了積極作用，很顯然，實(shí)現(xiàn)了改善交通狀況、提升交通服務(wù)質(zhì)量、加大交通資源利用率的目標(biāo)。

4 智能交通信號(hào)燈配時(shí)策略

4.1 基于視頻識(shí)別運(yùn)動(dòng)車輛的原理

依靠視頻進(jìn)行識(shí)別的車牌識(shí)別方法有背景差分法、灰度比較法、邊緣檢測法等等，還可以應(yīng)用虛擬檢測線圈和背景差分法結(jié)合的方法。原理為用戶自定義檢測區(qū)域，系統(tǒng)計(jì)算系統(tǒng)輸入幀與檢測區(qū)域內(nèi)背景圖像差值，捕捉視頻中行駛的車輛，這種方法計(jì)算速度十分快，使用中背景也會(huì)隨著光線的變化而產(chǎn)生變化，為此，背景需要不斷更新。第一步，要構(gòu)建背景，要確保背景的設(shè)定較為精準(zhǔn)，高質(zhì)量背景才有利于在視頻中快速、精準(zhǔn)提取行駛中的車輛，同時(shí)，視頻識(shí)別算法會(huì)利用概率統(tǒng)計(jì)原理了解視頻像素，同樣的像素下，車輛駛過會(huì)讓灰度值發(fā)生變化，噪聲隨之產(chǎn)生，若視頻中無行駛車輛，像素值同一時(shí)間內(nèi)變化微小，所以，背景灰度值最為多見。利用好原理，便可設(shè)定合理背景；第二步，更新背景，更新前像素需要?jiǎng)澐譃榍熬昂捅尘?，結(jié)合當(dāng)前幀的背景對(duì)背景進(jìn)行修正，簡單來說，是對(duì)比當(dāng)前幀和背景像素間的差值是否小于闕值，若數(shù)值偏小，則掃描當(dāng)前幀。若數(shù)值偏大，則對(duì)當(dāng)前背景進(jìn)行采樣，依據(jù)采樣合成新的背景；第三步，識(shí)別運(yùn)動(dòng)中的車輛，這項(xiàng)運(yùn)動(dòng)屬于平面運(yùn)動(dòng)，所以可以采用差分法考察車輛運(yùn)動(dòng)。背景中的靜態(tài)對(duì)象，前后幀灰度差大致為0，前景中有移動(dòng)對(duì)象，則前后灰度差往往不為0，所以可以快速探查到運(yùn)動(dòng)車輛。

4.2 進(jìn)行交叉口現(xiàn)狀調(diào)查與分析

我國城市交通燈普遍采用固定配時(shí)方案，利用統(tǒng)計(jì)原理計(jì)算各個(gè)方向的交通量，確定交通燈的延誤時(shí)間。實(shí)際情況是，路段中的交通量是不固定的，總是發(fā)生或大或小的變化，固定時(shí)間難以應(yīng)對(duì)不同情況下的交通需求。目前，我國城市中的交叉口都已配備道路監(jiān)控系統(tǒng)，可以通過監(jiān)控?cái)z像頭和視頻識(shí)別技術(shù)識(shí)別不同場景中的車輛，改進(jìn)交叉口信號(hào)燈的配時(shí)方案，便可提升交叉口車輛運(yùn)行效率，交通資源可以進(jìn)一步挖掘并應(yīng)用。視頻識(shí)別系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)記錄外部車輛行駛情況，從而匯總車輛運(yùn)行狀況，包括車輛停滯數(shù)量、車輛型號(hào)、車輛行駛速度等等，可以通過現(xiàn)場測量得出路段長度和車道數(shù)。

4.3 優(yōu)化交通信號(hào)燈周期的算法

交通信號(hào)配時(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，可以采用視頻識(shí)別技術(shù)監(jiān)控交通流狀況，簡化單點(diǎn)配時(shí)公式，復(fù)雜的交通流問題便可轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)問題，整個(gè)過程需要計(jì)算，便可理清思路、減少各項(xiàng)干擾與不確定性，最終得出更精準(zhǔn)答案。具體來說，紅綠燈切換之前，使用視頻識(shí)別系統(tǒng)檢測車輛是否在十字路口。如果在交叉口沒有確定車輛等待綠燈的最短時(shí)間，則在交叉口減少車輛等待綠燈的時(shí)間。如果交叉口有車輛排隊(duì)，則進(jìn)入下一個(gè)檢測步驟：如果交叉口有車輛排隊(duì)，則根據(jù)車輛數(shù)量將交叉口的交通狀況分為擁堵、正常和暢通，并根據(jù)車輛數(shù)量對(duì)交叉口進(jìn)行定量分類。算法具體的方案為：如果說此時(shí)進(jìn)入路口一百米范圍內(nèi)，汽車數(shù)量超過了某個(gè)設(shè)定的數(shù)值，就判定該路口的狀態(tài)為擁堵，這個(gè)時(shí)候可以把交通信號(hào)燈中的綠燈時(shí)長設(shè)置為閾值中的最大數(shù)；說此時(shí)進(jìn)入路口一百米范圍內(nèi)，汽車數(shù)量低于某個(gè)設(shè)定的數(shù)值，則判定該路口的交通狀態(tài)為暢通，這個(gè)時(shí)候可以把交通信號(hào)燈中的綠燈時(shí)長設(shè)置為閾值中的最小數(shù)；如果說此時(shí)進(jìn)入路口一百米范圍內(nèi)駛?cè)氲钠嚁?shù)量在擁堵和暢通兩種狀態(tài)設(shè)置的數(shù)值之間，可以根據(jù)配時(shí)公式，讓某時(shí)刻通過該路口的車輛總數(shù)為N=n1+n2+..+nm.汽車啟動(dòng)延誤時(shí)間LS，此時(shí)信號(hào)燈綠燈時(shí)長T計(jì)算即可。

4.4 優(yōu)化控制單交叉口交通信號(hào)

交通口的不同，會(huì)導(dǎo)致交通運(yùn)輸車流存在較大差異，車輛行駛而過將成為隨機(jī)事件，因此，要實(shí)現(xiàn)對(duì)單交叉口交通信號(hào)的優(yōu)化控制，需針對(duì)車流情況采取針對(duì)性的控制方法，如針對(duì)信號(hào)周期、相位信號(hào)配時(shí)（或綠信比）、周圍和相位信號(hào)配時(shí)（和綠信比）及相位信號(hào)順序、交通流高峰期整個(gè)時(shí)間段幾個(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化控制。

一旦改變配時(shí)方案，會(huì)直接影響各個(gè)車道上的車流，在當(dāng)前城市的交通管控體系中，研究更多的集中在城市交通網(wǎng)絡(luò)交通流分配、出行者起訖點(diǎn)之間路徑時(shí)間最短等方面。有個(gè)別文獻(xiàn)中提出，優(yōu)化信號(hào)周期或信號(hào)時(shí)間區(qū)間所采取的方法大都為黃金分割法、爬山法等傳統(tǒng)的優(yōu)化方法，對(duì)于交叉口多相位交通信號(hào)配時(shí)優(yōu)化控制的范圍有待提升。

5 結(jié)語

總而言之，交通堵塞是各個(gè)國家、各個(gè)城市發(fā)展過程中必然遇到的難題，而解決這個(gè)難題，成為諸多學(xué)者及交通管控部門的心愿。隨著我國汽車數(shù)量的不斷攀升，街道交通流量持續(xù)增長，交叉路口的交通壓力也在與日俱增。城市道路交叉口是交通的瓶頸，是造成交通擁堵、交通事故和導(dǎo)致車輛延誤的關(guān)鍵所在。當(dāng)下我國國內(nèi)大部分的交通信號(hào)燈均為固定周期控制，但是選擇定時(shí)控制算法有一個(gè)很大的缺點(diǎn)，就是不能根據(jù)交通流的變化而適時(shí)作出調(diào)整，這種情況就很有可能會(huì)發(fā)生綠燈所面對(duì)的車道車輛稀疏、紅燈所面對(duì)車道車輛擁堵的狀況，造成巨大的交通資源浪費(fèi)。重點(diǎn)管控交叉口交通狀況并優(yōu)化管控方案，才可以最大程度消除車輛運(yùn)行中的各種不合理現(xiàn)狀，所以，建立智能交通燈信號(hào)配時(shí)系統(tǒng)是非常具有現(xiàn)實(shí)價(jià)值的。