大數(shù)據(jù)技術(shù)驅(qū)動(dòng)下的城市道路智能交通信號(hào)控制方法分析

胡安麗

（山東省淄博市周村交警大隊(duì)事故處理科，山東淄博 255300）

0 引言

現(xiàn)階段，城市經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，道路交通數(shù)量不斷增加，如何對(duì)城市路口交通信號(hào)燈進(jìn)行科學(xué)有效的管理變得十分重要。傳統(tǒng)的交通信號(hào)燈控制方式多為定時(shí)器或手動(dòng)控制，其效率較低，并且管理技術(shù)形式存在諸多局限，不利于智能交通場(chǎng)景的實(shí)現(xiàn)。隨著大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)的發(fā)展，城市道路交通控制方案與大數(shù)據(jù)的結(jié)合程度加深，通過(guò)數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)獲取海量的交通控制信息，基于此，開(kāi)發(fā)高效的智能交通信號(hào)指揮系統(tǒng)是未來(lái)城市交通的發(fā)展趨勢(shì)。本文選取大數(shù)據(jù)作為研究視角，研究大數(shù)據(jù)技術(shù)驅(qū)動(dòng)下城市道路交通信號(hào)燈的控制方法，以期為緩解城市交通壓力作出貢獻(xiàn)。

1 城市道路交通智能信號(hào)控制的基本方法

1.1 單個(gè)交叉口的交通控制

在城市道路交通的智能化控制場(chǎng)景實(shí)現(xiàn)中，每個(gè)交叉口的交通情況具有復(fù)雜性和多變性特征，通過(guò)對(duì)交通信號(hào)狀態(tài)的及時(shí)檢測(cè)，能夠獲取交通情況數(shù)據(jù)，為智能化控制方案的實(shí)施準(zhǔn)備必要條件。在控制環(huán)節(jié)，當(dāng)某個(gè)交叉路口的控制信號(hào)與其他路口無(wú)任何聯(lián)系時(shí)，稱(chēng)該路口為單個(gè)交叉口，也稱(chēng)為單點(diǎn)信號(hào)控制。單點(diǎn)信號(hào)控制是交通信號(hào)控制的基本形式[1]。當(dāng)某個(gè)路口滿(mǎn)足單點(diǎn)控制條件時(shí)，技術(shù)人員只需要在該路口安放1臺(tái)信號(hào)機(jī)便可。因此，該種控制方法也具有簡(jiǎn)單、便捷、軟件和硬件設(shè)備投資少的特征。

1.2 多交叉口信號(hào)的協(xié)調(diào)控制

對(duì)交叉口道路的交通信號(hào)進(jìn)行控制的基本思想是設(shè)計(jì)各個(gè)路口的配時(shí)方案，并保證各方案之間具有協(xié)調(diào)統(tǒng)一性，即各交叉口信號(hào)燈可以按照此協(xié)調(diào)方案一起正常工作，車(chē)輛在經(jīng)過(guò)這些交叉口時(shí)可以避免紅燈控制造成的交通擁堵。上述控制方案是目前智能交通場(chǎng)景的主要實(shí)現(xiàn)路徑，通過(guò)對(duì)交通信號(hào)的協(xié)調(diào)控制，能夠最大限度地發(fā)揮城市運(yùn)力資源，為城市道路交通指揮的智能化、現(xiàn)代化發(fā)展提供支持。

然而，在智能場(chǎng)景的實(shí)現(xiàn)環(huán)節(jié)，考慮到每個(gè)交叉口車(chē)輛行駛速度存在差異化，且交叉口路況信息變化頻繁。在正常行駛過(guò)程中，直行車(chē)輛也容易受到左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)車(chē)輛的影響，因此，需要利用大數(shù)據(jù)技術(shù)繪制交叉口車(chē)流量模型圖，并加入檢測(cè)器，基于此，為車(chē)道交通信號(hào)的智能化控制提供數(shù)據(jù)資源。由于各種因素的干擾，在具體交通場(chǎng)景中，相互交叉的車(chē)輛也很少在綠燈信號(hào)控制狀態(tài)下相遇，因此，需要采取更為精準(zhǔn)化的大數(shù)據(jù)技術(shù)對(duì)信號(hào)控制方法進(jìn)行完善，并借助5G網(wǎng)絡(luò)和信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，設(shè)計(jì)不同類(lèi)型的定時(shí)器模板，并將其導(dǎo)入智能交通控制系統(tǒng)中，以滿(mǎn)足交通信號(hào)實(shí)時(shí)高效控制需求。

1.3 區(qū)域內(nèi)交通信號(hào)控制

當(dāng)使用大數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)技術(shù)對(duì)智能交通控制系統(tǒng)進(jìn)行完善時(shí)，也需要特別關(guān)注區(qū)域內(nèi)交通信號(hào)控制方案的制訂是否合理。為發(fā)揮數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)智慧交通的設(shè)計(jì)目標(biāo)，有關(guān)人員需要采取區(qū)域內(nèi)交通信號(hào)控制方案，并且最新的SCATS系統(tǒng)、SCOOT系統(tǒng)與智慧交通指揮系統(tǒng)聯(lián)系起來(lái)，通過(guò)多個(gè)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)配合，實(shí)現(xiàn)對(duì)區(qū)域內(nèi)交通信號(hào)的實(shí)時(shí)檢測(cè)[2]。目前，我國(guó)在智能交通信號(hào)控制領(lǐng)域已經(jīng)使用了大數(shù)據(jù)技術(shù)，并且將該技術(shù)應(yīng)用在多個(gè)交叉口模型中，成功實(shí)現(xiàn)智能交通場(chǎng)景設(shè)計(jì)提出的最新功能需求。

2 大數(shù)據(jù)技術(shù)驅(qū)動(dòng)下的城市道路智能交通信號(hào)控制方法的實(shí)現(xiàn)路徑

2.1 使用Agent代理程序

隨著計(jì)算機(jī)程序開(kāi)發(fā)技術(shù)的成熟，Agent代理程序被應(yīng)用在智能交通場(chǎng)景中，成為智能控制交通信號(hào)的有效技術(shù)方法。基于大數(shù)據(jù)對(duì)Agent代理程序接口進(jìn)行完善也是行業(yè)人員關(guān)注的主要技術(shù)點(diǎn)。在交通信號(hào)燈控制的智能化場(chǎng)景中，Agent代理程序發(fā)揮的主要作用是自主運(yùn)行和執(zhí)行任務(wù)定時(shí)器。此外，引入Agent程序的交通信號(hào)控制系統(tǒng)也能夠根據(jù)實(shí)時(shí)路況對(duì)交通信號(hào)燈的狀態(tài)進(jìn)行調(diào)節(jié)，同時(shí)也可以對(duì)不同時(shí)間段的車(chē)流量進(jìn)行時(shí)間分配管理。上述技術(shù)方案的實(shí)現(xiàn)，使交通信號(hào)控制方法的使用更加智能，為城市道路交通的高效管理提供技術(shù)保障。通過(guò)引入大數(shù)據(jù)模塊下的Agent代理技術(shù)措施，也可以緩解城市交通擁堵，并提升城市交通的通行效率。

Agent交通信號(hào)控制方法的實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下：

首先，采集交通流量大數(shù)據(jù)。技術(shù)人員會(huì)利用傳感器和5G網(wǎng)絡(luò)，采集城市道路交通流量相關(guān)信息，該信息會(huì)自動(dòng)回寫(xiě)到Agent代理程序中，為后期控制方案的形成提供數(shù)據(jù)庫(kù)資源。

其次，系統(tǒng)調(diào)用智能信號(hào)控制系統(tǒng)與交通管理系統(tǒng)接口。此時(shí)，交通信號(hào)燈會(huì)根據(jù)車(chē)流數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)判斷道路的擁堵情況，并根據(jù)綠燈和黃燈的持續(xù)時(shí)間對(duì)控制方案作出調(diào)整，最大程度地避免交通擁堵不良事件的發(fā)生。在交通管理系統(tǒng)使用的過(guò)程中，Agent程序也模擬不同優(yōu)先級(jí)的車(chē)道場(chǎng)景，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)資源的調(diào)用，實(shí)時(shí)判斷路口交通流量，在此基礎(chǔ)上，對(duì)信號(hào)燈進(jìn)行調(diào)整，確保城市道路控制具有智能化特征[3]。基于大數(shù)據(jù)的交通管理系統(tǒng)也提供了主干道優(yōu)先級(jí)別，通過(guò)交通信號(hào)燈及時(shí)疏導(dǎo)主干道車(chē)輛，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的優(yōu)化與智能化。

最后，大數(shù)據(jù)分析和智慧交通指揮方案的形成階段，使用Agent程序的數(shù)據(jù)采集功能能夠收集車(chē)流信息。通過(guò)對(duì)車(chē)輛信息的分析和挖掘，可形成智慧交通指揮方案，并且將其作為精細(xì)化調(diào)度的合理措施?；谏鲜鰣?chǎng)景與技術(shù)方案的實(shí)現(xiàn)，城市道路交通信號(hào)控制水平明顯提升，交通信號(hào)的控制效率也能夠達(dá)到滿(mǎn)意標(biāo)準(zhǔn)。以大數(shù)據(jù)技術(shù)作為驅(qū)動(dòng)，城市交通指揮中心人員工作的智能化程度更高，滿(mǎn)足城市交通狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控、城市交通運(yùn)行暢通的需求。

為更好地發(fā)揮大數(shù)據(jù)技術(shù)在交通領(lǐng)域中的應(yīng)用價(jià)值，軟件技術(shù)人員需要關(guān)注智能場(chǎng)景設(shè)備的投入成本，并科學(xué)評(píng)估數(shù)據(jù)采集的難度。在部分傳感器設(shè)備和數(shù)據(jù)處理軟件的使用時(shí)，也應(yīng)考慮與控制系統(tǒng)之間的兼容性問(wèn)題。城市道路的智能化發(fā)展具有復(fù)雜性、規(guī)?；c集成化的特點(diǎn)，鑒于此，在推進(jìn)智能交通場(chǎng)景的實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，有關(guān)人員將大數(shù)據(jù)技術(shù)與交通信號(hào)控制方案充分結(jié)合，通過(guò)設(shè)計(jì)“數(shù)智場(chǎng)景、數(shù)據(jù)賦能”等計(jì)劃，使交通控制的智能化、精確度獲得顯著提升。

2.2 監(jiān)控車(chē)道飽和流量

通常情況下，在城市道路交通信號(hào)控制中，選取飽和流量作為衡量交通釋放能力的參數(shù)指標(biāo)。該指標(biāo)的含義是單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)某一路口的最大交通流量。通過(guò)對(duì)大數(shù)據(jù)技術(shù)的應(yīng)用，有關(guān)人員能夠及時(shí)獲取城市道路的飽和流量，進(jìn)而判斷綠色信號(hào)控制狀態(tài)下車(chē)輛通行狀況。該指標(biāo)與城市道路交通條件和車(chē)輛狀況存在密切關(guān)系，一般可通過(guò)獲取現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)得到。通常情況下，針對(duì)車(chē)道飽和流量的監(jiān)控十分困難，因此，本文構(gòu)建了一種合理的計(jì)算方法，對(duì)飽和流量的值進(jìn)行預(yù)測(cè)，將其作為交通信號(hào)控制的有效途徑。通過(guò)對(duì)飽和流量模型的使用，還可以幫助相關(guān)人員及時(shí)獲取道路交通擁堵數(shù)據(jù)信息，為交通指揮決策提供參考。

關(guān)于城市車(chē)道飽和流量的計(jì)算，曾有研究人員做了大量的試驗(yàn)研究，參考其試驗(yàn)研究成果，對(duì)交通信號(hào)車(chē)道飽和流量影響最大的因素是車(chē)道寬度，車(chē)道飽和流量與飽和流量、車(chē)道寬度之間存在一定的線性關(guān)系，即：

式（1）中：Qs為車(chē)道飽和流量（pcu/h）；b為進(jìn)口車(chē)道寬度（m）。

通過(guò)大數(shù)據(jù)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)我國(guó)車(chē)道飽和流量比國(guó)外低25%，我國(guó)城市道路交通信號(hào)的智能化控制水平也低于發(fā)達(dá)國(guó)家。鑒于此，在城市道路的交通控制中，我國(guó)特別重視大數(shù)據(jù)技術(shù)的應(yīng)用，通過(guò)引入大數(shù)據(jù)技術(shù)驅(qū)動(dòng)措施，能夠?yàn)榈缆方煌ㄖ笓]提供數(shù)據(jù)參考，使城市交通擁堵?tīng)顩r得以緩解。上述技術(shù)場(chǎng)景的實(shí)現(xiàn)與大數(shù)據(jù)技術(shù)驅(qū)動(dòng)存在聯(lián)系，為提升智能交通信號(hào)控制水平，有關(guān)學(xué)者參考了國(guó)外車(chē)道飽和流量模型，在此基礎(chǔ)上，結(jié)合國(guó)內(nèi)交通道路流量數(shù)據(jù)對(duì)模型作出優(yōu)化，所得交通流量飽和度模型如公式（2）所示：

式（2）中：Qs為車(chē)道飽和流量（pcu/h）；b為車(chē)道寬度（m）。經(jīng)過(guò)模型計(jì)算所得不同車(chē)道寬度下的車(chē)道飽和流量，見(jiàn)表1。

表1 車(chē)道寬度和車(chē)道飽和流量對(duì)應(yīng)關(guān)系表（參考值）

2.3 信號(hào)配時(shí)的流程與實(shí)現(xiàn)

基于大數(shù)據(jù)技術(shù)實(shí)現(xiàn)交通信號(hào)智能化控制是未來(lái)交通指揮場(chǎng)景發(fā)展的主要形式。通過(guò)優(yōu)化配時(shí)軟件，也能夠及時(shí)獲取交通信號(hào)燈狀態(tài)數(shù)據(jù)，為城市道路的智慧指揮調(diào)度提供數(shù)據(jù)參考，需要優(yōu)化的配時(shí)模塊主要有相位、信號(hào)和配時(shí)模板[4]。首先是對(duì)相位的確認(rèn)；其次是交通信號(hào)通常有紅、綠、黃三種配色，每個(gè)配色相位的配時(shí)存在明顯差異，這主要是由車(chē)道飽和流量決定的。為了更好地提升信號(hào)配時(shí)效率，簡(jiǎn)化配時(shí)流程，有關(guān)人員需要獲取各個(gè)周期、各個(gè)相位紅燈、綠燈和黃燈的時(shí)間長(zhǎng)度數(shù)據(jù)。

關(guān)于城市道路智能交通信號(hào)配時(shí)的具體流程分析如下：

使用大數(shù)據(jù)技術(shù)識(shí)別相位時(shí)，在每個(gè)相位點(diǎn)中輸入信號(hào)燈組編號(hào)，每點(diǎn)擊一次信號(hào)燈組編號(hào)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)生成點(diǎn)擊事件，將相關(guān)參數(shù)傳到前端。此時(shí)，系統(tǒng)界面會(huì)顯示該燈組監(jiān)控區(qū)域內(nèi)所有進(jìn)口車(chē)道的實(shí)測(cè)交通流量和車(chē)道飽和流量信息?？紤]到該模型未能剔除混合車(chē)道流量數(shù)據(jù)，因此在具體設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)環(huán)節(jié)，也需要將混合車(chē)道的流量信息納入智能交通控制系統(tǒng)中。此外，有關(guān)人員也需要注意將左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)的車(chē)輛納入模型統(tǒng)計(jì)中，由此獲取更加精準(zhǔn)化的交通流量數(shù)據(jù)[5]。建議使用表1中的車(chē)道飽和流量數(shù)據(jù)，可以作為參考值，也可以鍵入實(shí)測(cè)值。但是，由于實(shí)測(cè)投入的人力和物力資源較大，并且存在較大隨機(jī)性，本文研究使用了車(chē)道飽和流量的參考值數(shù)據(jù)，模型如圖1所示。

圖1 交叉口車(chē)輛流量檢測(cè)示意圖

如圖1所示，在每條車(chē)道相關(guān)位置處均設(shè)計(jì)2個(gè)檢測(cè)器，其中一個(gè)用于檢測(cè)停車(chē)線位置；另一個(gè)處于距離停車(chē)線內(nèi)側(cè)90～150m處，二者之間的差值可作為該車(chē)道交通信號(hào)控制區(qū)域內(nèi)的車(chē)輛排隊(duì)長(zhǎng)度。關(guān)于車(chē)輛道路交通信號(hào)的控制方法為四相位控制，即南北直行、東西直行、東向南轉(zhuǎn)向、西向北轉(zhuǎn)向。根據(jù)實(shí)際交通指揮經(jīng)驗(yàn)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)的每個(gè)交通相位的信號(hào)控制時(shí)間不能過(guò)短，避免出現(xiàn)每個(gè)相位綠燈時(shí)間不足，造成交通擁堵不良事件發(fā)生[6]。在交通信號(hào)控制方法的智能化設(shè)計(jì)中，方案給出的綠燈相位時(shí)間為25～40s。在上述時(shí)間段內(nèi)，通過(guò)大數(shù)據(jù)技術(shù)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)配時(shí)，由此明顯提升了交通信號(hào)控制可靠性，并為城市交通指揮的智能化、科學(xué)化提供保障。

大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用背景下，對(duì)城市交通信號(hào)控制方法進(jìn)行智能化改造成為道路交通指揮領(lǐng)域改革的主要方向。通過(guò)對(duì)大數(shù)據(jù)技術(shù)的應(yīng)用，有關(guān)人員可以分析和處理交通數(shù)據(jù)，并將其與歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，通過(guò)采取智能算法和車(chē)道飽和流量模型，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)交通信號(hào)的智能化場(chǎng)景控制，據(jù)此升級(jí)道路交通管控方案，為城市車(chē)輛的順暢通行貢獻(xiàn)力量。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，大數(shù)據(jù)技術(shù)在城市道路交通領(lǐng)域的應(yīng)用，使城市道路交通系統(tǒng)管理的智能化得以提升，交通管理與控制的智能化是未來(lái)城市道路交通發(fā)展的主要趨勢(shì)。本文選取城市道路智能交通信號(hào)的控制方法作為研究切入點(diǎn)，對(duì)城市道路單個(gè)交叉口、多交叉口以及指定區(qū)域內(nèi)的車(chē)輛流量信號(hào)控制方法做出說(shuō)明。研究結(jié)果指出，采取Agent代理程序方案、優(yōu)化目前車(chē)道飽和流量計(jì)算方式、使用可靠的信號(hào)配時(shí)措施，可以更好地提升城市交通信號(hào)控制方法應(yīng)用的智能化水平，促進(jìn)城市交通領(lǐng)域的現(xiàn)代化與數(shù)字化發(fā)展。