基于交通大數(shù)據(jù)的智慧交通信號(hào)控制系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

朱信宇，許景蕊上海海事大學(xué)

基于交通大數(shù)據(jù)的智慧交通信號(hào)控制系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

朱信宇，許景蕊
上海海事大學(xué)

目前我國(guó)道路和城市建設(shè)遠(yuǎn)遠(yuǎn)跟不上汽車(chē)工業(yè)發(fā)展速度，道路擁堵問(wèn)題日益嚴(yán)重。從而智慧交通信號(hào)控制系統(tǒng)成為當(dāng)前交通領(lǐng)域研究熱點(diǎn)。在分析我國(guó)傳統(tǒng)信號(hào)控制系統(tǒng)局限性的基礎(chǔ)上，將數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)應(yīng)用于交通信號(hào)控制，以此設(shè)計(jì)出基于交通大數(shù)據(jù)的智慧交通信號(hào)控制系統(tǒng)框架。

智能交通；交通信號(hào)控制；大數(shù)據(jù)挖掘；應(yīng)用

1 引言

近年來(lái)大數(shù)據(jù)技術(shù)日益成熟，擁有潛在價(jià)值的海量交通數(shù)據(jù)有待挖掘，把握城市道路的交通分布特征以及短期發(fā)展趨勢(shì)，從而為交通信號(hào)協(xié)調(diào)控制提供有力決策支持變得尤為關(guān)鍵[1]。于是本文提出一種基于交通大數(shù)據(jù)的交通信號(hào)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘分析，判斷出路網(wǎng)中各路段實(shí)時(shí)的交通流狀態(tài)，結(jié)合已建立的交通流預(yù)測(cè)模型，預(yù)測(cè)出未來(lái)短期內(nèi)的交通流變化趨勢(shì)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行區(qū)域交通信號(hào)控制。

2 智慧交通信號(hào)控制系統(tǒng)概述

智慧交通信號(hào)控制系統(tǒng)在挖掘海量實(shí)時(shí)交通大數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，對(duì)道路運(yùn)行態(tài)勢(shì)進(jìn)行判斷，利用人工智能的方法優(yōu)化交通信號(hào)區(qū)域協(xié)調(diào)控制方案。其中交通大數(shù)據(jù)包括車(chē)輛GPS數(shù)據(jù)、手機(jī)信令數(shù)據(jù)和車(chē)輛號(hào)碼數(shù)據(jù)。智慧交通信號(hào)控制系統(tǒng)也可以實(shí)時(shí)接入其它交通檢測(cè)數(shù)據(jù)，如流量檢測(cè)器、排隊(duì)長(zhǎng)度檢測(cè)器、速度檢測(cè)器等，對(duì)系統(tǒng)配時(shí)方案進(jìn)行校正和驗(yàn)算。

3 傳統(tǒng)信號(hào)控制系統(tǒng)的局限性

目前國(guó)內(nèi)主要應(yīng)用的交通信號(hào)控制系統(tǒng)（其中包括SCOOT和SCATS）都依賴(lài)于交叉口鋪設(shè)的檢測(cè)器，使用經(jīng)典的交通信號(hào)控制理論和算法進(jìn)行區(qū)域協(xié)調(diào)配時(shí)計(jì)算和優(yōu)化。但在實(shí)際應(yīng)用中，由于檢測(cè)器工作環(huán)境較差，加上經(jīng)常性的道路施工，使得檢測(cè)器完好狀態(tài)較差，沒(méi)有檢測(cè)器提供數(shù)據(jù)的信號(hào)控制系統(tǒng)只能降級(jí)使用，運(yùn)行單個(gè)信號(hào)機(jī)的定周期的配時(shí)方案。

此外，現(xiàn)有系統(tǒng)大多是封閉的系統(tǒng)，無(wú)法接受其他檢測(cè)手段提供的交通流檢測(cè)信息；現(xiàn)有系統(tǒng)信號(hào)優(yōu)化算法沒(méi)有很好地結(jié)合智慧交通最新的研究成果；現(xiàn)狀交通控制系統(tǒng)評(píng)價(jià)沒(méi)有很好地利用大數(shù)據(jù)分析手段等。

4 智慧交通信號(hào)控制系統(tǒng)具體框架

智慧交通信號(hào)控制系統(tǒng)總體構(gòu)架主要包括數(shù)據(jù)采集及處理、協(xié)調(diào)控制方案生成、和實(shí)時(shí)態(tài)勢(shì)評(píng)價(jià)三部分。

4.1 數(shù)據(jù)采集及處理

城市道路交通數(shù)據(jù)來(lái)源廣泛、形式多樣，具有異構(gòu)、多層次性等特點(diǎn)，包括智能交通系統(tǒng)的管理控制數(shù)據(jù)[2]。同時(shí)交通數(shù)據(jù)又分為靜態(tài)與動(dòng)態(tài)兩種，靜態(tài)數(shù)據(jù)指城市道路中長(zhǎng)期不變的數(shù)據(jù)，諸如交叉口間隔距離，交叉口道路坡度等，這類(lèi)數(shù)據(jù)可通過(guò)實(shí)地調(diào)查進(jìn)行采集；動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)指在交通運(yùn)行中產(chǎn)生的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)（如交叉口各個(gè)流向的交通量，交叉口的信號(hào)配時(shí)情況，綠燈時(shí)間、周期時(shí)長(zhǎng)及綠時(shí)差等），這類(lèi)數(shù)據(jù)可通過(guò)車(chē)輛檢測(cè)器和信號(hào)系統(tǒng)采集。

將采集到的交通數(shù)據(jù)通過(guò)云存儲(chǔ)技術(shù)進(jìn)行儲(chǔ)存，并利用數(shù)據(jù)處理技術(shù)對(duì)大量交通流信息集進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，取得車(chē)輛的行程時(shí)間數(shù)據(jù)后，進(jìn)而獲取城市道路上平均行程車(chē)速，在反映出不同等級(jí)道路的交通流狀況同時(shí)，為相位差的確定提供技術(shù)依據(jù)。

繼而結(jié)合短期交通流預(yù)測(cè)模型，利用實(shí)時(shí)交通數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)短期交通流量，處理中心對(duì)預(yù)測(cè)交通流數(shù)據(jù)進(jìn)行提取，并統(tǒng)一各輸出數(shù)據(jù)格式，更為有效地促進(jìn)數(shù)據(jù)交換中心對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和交換，最后通過(guò)數(shù)據(jù)可視化技術(shù)，分別以不同顏色注明各個(gè)路段的擁堵情況。

4.2 協(xié)調(diào)控制方案生成

智慧交通信號(hào)控制系統(tǒng)為自適應(yīng)協(xié)調(diào)控制，系統(tǒng)采用包括感應(yīng)控制算法、交通自適應(yīng)控制算法、行人二次過(guò)街算法等[3]。其中交通自適應(yīng)控制算法能夠根據(jù)已采集到的交通數(shù)據(jù)，比如交通流量、車(chē)輛速度和道路占有率，實(shí)時(shí)調(diào)整交叉口信號(hào)機(jī)的信號(hào)配時(shí)參數(shù)，即周期、相位差和綠信比。該自適應(yīng)協(xié)調(diào)控制是基于路口信號(hào)機(jī)實(shí)際的控制參數(shù)根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)做高頻率優(yōu)化，得出適合于當(dāng)前交通狀況的精準(zhǔn)控制方案，以滿足路口交通控制的需求。

4.3 實(shí)時(shí)態(tài)勢(shì)評(píng)價(jià)

道路行程速度可以作為交通管理措施和組織方案實(shí)施效果評(píng)價(jià)的一個(gè)重要指標(biāo)之一[4]。通過(guò)比較不同協(xié)調(diào)控制方案實(shí)施前后固定時(shí)段固定道路行程速度的變化，可以得出該控制方案是否達(dá)到預(yù)期效果，同時(shí)，分析出方案實(shí)施后對(duì)周邊相關(guān)道路的交通流特性、行程速度和流量是否產(chǎn)生新的變化，并把最終分析結(jié)果反饋給第二步，從而制定進(jìn)一步的方案，使道路交通信號(hào)控制系統(tǒng)更加高效與完善。

5 智慧交通信號(hào)控制系統(tǒng)應(yīng)用前景

5.1 日常情況信號(hào)協(xié)調(diào)控制優(yōu)化

利用交通大數(shù)據(jù)計(jì)算路段區(qū)間速度，以速度為基礎(chǔ)對(duì)區(qū)域信號(hào)協(xié)調(diào)控制方案優(yōu)化，同時(shí)對(duì)嚴(yán)重?fù)矶聟^(qū)域進(jìn)入交通流量控制，設(shè)置紅波帶，利用道路分段存儲(chǔ)車(chē)輛，避免擁堵區(qū)域交通癱瘓；動(dòng)態(tài)干線優(yōu)先綠波帶控制，利用交通大數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)推算車(chē)速和相位差，比靜態(tài)綠波帶的方法更加合理；GPS公交車(chē)優(yōu)先信號(hào)控制，根據(jù)到達(dá)公交車(chē)輛情況，決定綠燈時(shí)間延后和紅燈時(shí)間提前結(jié)束，此項(xiàng)功能目前已經(jīng)證實(shí)很有效。

5.2 應(yīng)急交通控制

為特種車(chē)輛例如消防車(chē)、救護(hù)車(chē)、工程搶險(xiǎn)車(chē)等建立緊急通道并為交通事件封路；特勤路線事前預(yù)處理、事中支路控制及事后擁堵車(chē)輛消散；若交通信號(hào)燈故障則周邊交叉口信號(hào)能夠自動(dòng)適應(yīng)。

5.3 利用大數(shù)據(jù)進(jìn)行交通事件檢測(cè)

對(duì)包括交通事故、交叉口車(chē)輛堵塞、意外事件阻塞（爆炸、塌陷、失火、故障車(chē)、積水）、高速收費(fèi)口遲滯及區(qū)域交通癱瘓進(jìn)行檢測(cè)。

6 結(jié)束語(yǔ)

智慧交通信號(hào)控制系統(tǒng)是智能交通領(lǐng)域的重要研究方向之一，隨著技術(shù)的日益成熟它可以與其他智能交通系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)城市交通的智能化、數(shù)字化、信息化管理。在提高交通服務(wù)社會(huì)滿意度的同時(shí)提高了公共交通效率，進(jìn)而加快了普通城市向智慧城市轉(zhuǎn)型的步伐。

[1]李大成,李樹(shù)立.基于車(chē)輛大數(shù)據(jù)的交通信號(hào)協(xié)調(diào)優(yōu)化控制系統(tǒng)[C].中國(guó)智能交通年會(huì)，2015.

[2]覃明貴.城市道路交通數(shù)據(jù)挖掘研究與應(yīng)用[D].復(fù)旦大學(xué), 2012.

[3]葉婉秋.城鎮(zhèn)智能交通信號(hào)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電腦知識(shí)與技術(shù),2016,12（23）.

[4]徐蔓青.智慧交通運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析[D].南京郵電大學(xué),2014.

朱信宇（1993-），男，漢，江蘇鎮(zhèn)江人，碩士研究生，單位：上海海事大學(xué)交通運(yùn)輸學(xué)院，研究方向：交通控制與管理；

許景蕊（1993-），女，漢族，江蘇鎮(zhèn)江人，碩士研究生，單位：上海海事大學(xué)交通運(yùn)輸學(xué)院，研究方向：交通運(yùn)輸戰(zhàn)略與規(guī)劃。