交通信號配時方案實時仿真系統設計與實現

曹海峰, 葉朝輝

(清華大學 自動化系，北京 100084)

交通信號配時方案實時仿真系統設計與實現

曹海峰, 葉朝輝

(清華大學 自動化系，北京 100084)

為了使交通信號配時方案及時反映道路交通流量的變化，以達到最優的控制效果，設計并實現一種用于交通信號配時方案實時仿真系統。該系統基于ARM Cortex—A8處理器，集成在信號控制器內部，分布于各交叉路口。在設計應用軟件時以單路口四相位交通流為例進行分析，并以平均延誤時間為評價指標進行建模，運用遺傳算法對當前交通流下各方案進行仿真，評估出最優配時方案。通過實際驗證，該系統通過實時仿真能夠給出交通控制信號最優方案，減少車輛的平均延誤時間。

配時方案； 實時仿真； 遺傳算法

0 引 言

道路交叉口交通信號配時方案不合理是造成交通擁堵的主要因素之一，因此,對配時方案進行優化一直是國內外研究的焦點。目前對交通信號優化的研究方法主要有3種：1)直接使用商用交通信號控制系統內集成的優化軟件進行研究；2)使用專業的交通信號配時設計軟件根據交通法規等設定，計算得出結果(如延誤時間等)；3)利用VISSIM等交通仿真軟件，使用PC機搭建硬件在環仿真平臺，如文獻[1～3]。這些研究方法存在以下問題：主流的商用交通信號控制系統(如SCOOT系統)通常并不提供科學研究的外部接口；而各種專業交通仿真軟件給出的最優配時方案，應用到現場信號控制器后通常還需要手動調節；硬件在環仿真研究使用專業的交通仿真軟件較為多見，但離實用還有些距離。

針對現有研究方法的不足，結合工程項目的實際需求，本文設計并實現了一種基于ARM Cortex—A8處理器的單路口交通配時方案實時仿真系統(以下稱為信號優化系統)。該系統軟硬件均為自主開發，且集成在信號控制器內部，能夠根據路況信息對單路口的配時方案實時進行優化。本文設計的系統側重單路口配時方案的優化，而交通信號控制系統的中心控制單元側重區域協調優化功能，二者相結合實現單路口和區域的兩級優化。

1 系統整體設計

現有交通信號控制系統一般由中心控制系統和分布于路口的各信號控制器組成，中心控制系統需要從各信號器獲取交通流數據以便完成配時方案優化。這種方式對網絡的實時性要求高，而且計算量大、中心控制系統運行壓力較大。為了使優化系統能夠對交通流量的變化迅速作出反應,需要建立信號優化系統與信號控制器之間的實時通信。本文采取將信號優化系統集成到信號控制器內部的方式，以便獲取實時數據后就地處理，系統方案如圖1所示。中心控制系統與信號控制器通過以太網相連，用于下發配置文件等數據。控制單元是信號控制器的核心，負責協調信號控制器內部所有功能板的工作，并通過車輛檢測板獲取實時的車輛檢測數據。信號優化系統與控制單元通過以太網連接，實時獲取車輛檢測器的數據和配時方案，經優化后存入數據庫。交通工程師在現場調整配時方案時，需要以實時優化的結果作為依據，用戶通過便攜式設備連接本系統的以太網口，利用Web訪問優化的結果。

圖1 信號優化系統方案Fig 1 Solution of signal optimization system

2 系統的硬件設計與實現

綜合工作環境、功耗、集成度以及安全性等因素，本文選用ARM處理器構建信號優化系統的硬件平臺。ARM處理器采用Freescale公司推出的工業級應用處理器IMX534A，該芯片具有兩級高速緩存，運行速度高達800MHz，集成了CAN,MAC和SATA等控制器，具有低功耗、發熱量低的特點，基本滿足系統長時間運行的需要。硬件平臺由底板和核心板組成，硬件結構如圖2所示。核心板為嵌入式最小系統，包括ARM處理器、DDR3內存及SD卡等基本組件；底板包括各種通信接口、電源轉換等模塊。

圖2 硬件平臺結構Fig 2 Structure of hardware platform

有關ARM硬件設計的文獻比較多，本文不再贅述，僅對硬件開發過程中的關鍵點進行簡單的說明：1)保證高速信號完整性：核心板布局的走線包括處理器與DDR3,SATA等數據線，為保證信號完整性，核心板采用8層PCB板。疊層按照4，5為電源層，2，7為地層，1，3，6，8為信號層設計。考慮走線的阻抗控制要求(單端信號50 Ω,差分信號100 Ω)，1,8層銅箔厚度指定為3/8oz，內層默認為1/2oz厚度，這些設置對于核心板的穩定工作至關重要。

多以太網口的實現:IMX534A自帶一個以太網控制器，而信號優化系統需要用到3個以太網口：一個連接信號控制器，一個連接交通工程師的便攜式設備，另外一個將來擴展使用。一般多網口實現采用交換芯片的方案較為多見，開發過程較為復雜。本文采用2片DM9000A復用16 bits數據總線與ARM處理器通用I/O管腳相連，分配以不同的片選和中斷管腳，通過操作系統進行調度，如圖3所示。

圖3 DM9000A實現多網口原理Fig 3 Principle of realization of DM9000A multi Ethernet interfaces

3 系統的軟件設計與實現

3.1 應用軟件框架

軟件運行流程如圖4所示，主線程開始首先啟用UDP客戶端線程，建立連接后,根據通信協議按照順序依次發送相位、配時、階段查詢命令，將信號控制器返回的數據進行預處理，主要工作是對路口模型的各參數進行確定。信號優化系統每秒鐘通過UDP查詢車輛檢測器的信息，仿真結束給出最優的信號配時方案并寫入SQLite數據庫，最后啟用Web service服務，提供訪問數據庫的函數調用。本軟件使用Python語言開發，程序實現起來并不太復雜，下面詳細介紹路口建模和評價指標的建立。

圖4 軟件流程圖Fig 4 Software flow chart

3.2 路口交通流分析與建模

交通流如圖5所示，各方向都存在直行、左轉彎、右轉彎車流。假設右轉彎車流不受控，4個相位依次是：e2,w2；e3,w3；n2,s2；n3,s3。

圖5 十字路口交通流Fig 5 Traffic flow of intersection

假設左轉車輛和右轉車輛在進入路口后不發生變換車道行為,當處于任意相位綠燈(t1,t2,t3,t4)時,各交通流存在放行(pij=1)、不放行(pij=0)2種狀態，則車流向量(e2,e3,s2,s3,w2,w3,n2,n3)為

(1)

提取一條車流作為分析對象，如圖6所示，檢測器d1,d2為分別為近檢測器和遠檢測器,能夠獲取離開和進入該車道的車輛。

圖6 單車道交通流情況Fig 6 Traffic flow of single-lane

選擇車輛平均延誤時間作為交通信號控制效果的評價指標，則在一個交通信號控制周期內路口車輛的總延時為

(2)

其中，Qi為上一個交通信號周期執行完各個交通流滯留的車輛數。qjn為第j車道在第n秒進來的車輛數量,由圖5中的檢測器d2實時上報。lj為各交通流離開率,取上一周期檢測器d1的統計數據cout與放行時間的比值

(3)

α取0或者1，當車流不處于放行狀態或者放行時間結束車道仍滯留車輛時,α取1;否則,取0

(4)

(5)

3.3 遺傳算法求解最優值

要評估眾多配時方案平均延誤時間哪個最小，實質就是求解函數式(5)的極小值問題。對于這樣的復雜和非線性問題，遺傳算法是一種特別高效的隨機全局搜索最優解的方法，其核心思想是優勢個體有更大的概率獲得繁衍的機會，把優勢基因遺傳給下一代。本文中把每一個配時方案作為個體，現有的配時方案和按約束條件隨機產生的配時方案構成種群。按照文獻[5]介紹的方法評價個體的優劣，構造適應度函數如下

(6)

式中a為常數，使得func>0。

圖7 遺傳算法流程Fig 7 Process of genetic algorithm

4 實驗結果與分析

以北京市五道口地區中關村東路與成府路交叉口數據進行系統驗證。該路口情況如下：4個直行方向均為雙車道，左轉方向為單車道，右轉車輛不受紅綠燈控制。驗證時間為上午9:30，隨機生成了30個配時方案構成初始種群, 遺傳算法的參數設置如下：最大進化代數為100，交叉概率為80 %，變異概率為5 %。記錄下每一代中平均延誤時間最小的配時方案，如圖8所示。從圖中可以看出:第一代中最好的方案平均延誤時間約37.2 s，經過50代左右的進化平均延誤時間下降到33.7 s，曲線呈階梯狀下降。在下降過程中有數段水平線，表明在這些位置最優方案的平均延誤時間沒有發生變化。出現這樣的情況可能有2個原因：一是本文在遺傳算法的交叉階段稍稍做了些調整，父代中最好的個體進入下一代參與下一代的繁殖，因此,該個體在下一代仍有可能是最好的；二是不同的配時方案也可能具有相同的平均延誤時間。計算顯示,即使當前周期選擇的是初始種群中最優方案，經過優化的配時方案后仍能將平均延誤時間降低 。

圖8 遺傳算法對配時方案的優化Fig 8 Optimization of timing plan by genetic algorithm

5 結束語

本文提出一種交通信號配時方案實時仿真系統，與現有研究方法不同，該系統安裝在信號控制器內，運用獨立開發的仿真優化軟件對實時交通流進行處理，通過遺傳算法仿真出最適合當前交通流的配時方案。但還存在一些問題，比如:上述仿真模型是在假設車輛不換道且車輛是勻速進入和離開的理想情況建立的，與實際情況有一定的差異，這些問題需要在以后研究中加以解決。

[1] Bullock D,Johnson B,Wells R B,et al.Hardware-in-the-loop simulation[J].Transportation Research—Part C:Emerging Technologies,2004,12(1):73-89.

[2] 于 泉,榮 建.交通控制硬件在環實時仿真平臺設計[J].重慶工學院學報:自然科學版,2009,23(10):57-60.

[3] 余貴珍,任毅龍,王云鵬,等.多路口交通信號控制硬件在環仿真系統[J].公路交通科技,2013(1):110,114-125.

[4] 顧 榕,曹立明,王小平.免疫遺傳算法在交叉口信號配時優化中的應用[J].同濟大學學報:自然科學版,2007,35(2):208-212.

[5] 王小平,曹立明.遺傳算法:理論,應用及軟件實現[M].西安：西安交通大學出版社,2002.

Design and implementation of real-time simulation system for traffic signal timing plan

CAO Hai-feng, YE Zhao-hui

(Department of Automation,Tsinghua University,Beijing 100084,China)

In order to reflect the change of traffic flow timely and achieve the optimal control effect,a real-time simulation system for traffic signal timing plan based on ARM Cortex—A8 is designed and realized.It is integrated in signal controller distributed in each intersection.In design of application software,analyze an intersection with four-phase traffic flow;and take average time delay as evaluation index for modeling and use genetic algorithms to simulate each scheme under current traffic flow,and evaluate optimal timing scheme.It is verified by practice that the system can give the optimal solution timely and decrease average time delay of vehicle.

timing plan; real-time simulation; genetic algorithm

10.13873/J.1000—9787(2014)12—0091—03

2014—04—15

TP 273

A

1000—9787(2014)12—0091—03

曹海峰(1979-)，男，江蘇徐州人，碩士研究生，主要研究方向為嵌入式技術開發與應用。