基于道路運力的交通自適應調節系統

劉勇

摘要： 為解決城市交通擁堵問題所提出的交通管控方法大多數是基于實時路況、車流量、車速等信息。但是，一個城市的交通運力在道路建成之后便相對固定下來，保障交通運力最重要的前提是預防擁堵，最大程度地使道路交通處于運行狀態。基于這種思路，從城市道路實際運力角度，提出一種交通自適應管控方法，通過實時檢測道路車流量，對比道路運力，自適應調節車流運行。

關鍵詞： 智能交通； 道路運力； 自適應

中圖分類號：U491

文獻標志碼： A

文章編號： 2095-2163（2017）05-0076-03

0引言

隨著機動車輛保有量的持續上升，現代城市交通面臨的壓力越來越大。為更充分地利用城市道路交通資源，更高效地發揮交通信號燈控制、調節車流的作用，近年來國內外專家學者提出了很多道路交通的管理方法并取得了不錯的效果。

文獻[1]提出了一種兩級遞階結構的模糊線控制方法，設置主干道具有較高通行權，綜合主次干道車流狀況對系統進行協調。此種方法優化了主干道通行效率，但是，次干道流量參數的設定及其依據仍需進一步討論；另外，主干道通行優先權的設定一定程度影響了交通公平性，同時也易誘導車流聚集到主干道通行，加大主干道通行壓力，尤其當已經發生擁堵時，控制的作用就會弱化。文獻[2]基于RFID技術，路口位置安裝天線和閱讀器，車輛設置電子標簽，通過車輛通行頻率設定綠信比。一方面，車輛電子標簽的安裝是個系統工程；其次，閱讀器只會對天線覆蓋范圍內的路口車輛計數，對于范圍外的前后路段擁堵狀況無法判斷；安裝位置的選取、閱讀范圍的波動、相鄰路段車輛的影響等因素不可避免會引起對各方向車流量計數的偏差。文獻[3]基于圖像處理技術，利用背景差分法檢測待行區有無車輛，從而實施信號控制；文獻[4]討論了基于車速信息判斷路口通行情況，以此調節信號燈狀態。文獻[5-6]將攝像機與圖像處理技術相結合應用于車輛檢測中，實現交通燈智能控制；Wu 等[7]利用DSP實時處理圖像， 提取車輛并與模糊邏輯相結合， 實現交通燈智能控制。以上這幾種方式都側重路口檢測，優化路口交通；另外，圖像處理方式硬件成本高，算法復雜，易受光照、雨霧等環境因素影響。文獻[8-9]通過構建一種動態的信號燈自適應算法來優化路口車輛等待時間，側重于交通擁堵的治理。文獻[10]提出一種基于實時路況的信號燈管控方法，實時檢測交叉方向車輛，計算車道占用率，應用模糊控制理論優化信號燈切換頻率，為車道占用率高的相位設置綠燈。該方法雖然能夠有效地利用車道，但也正是由于為占用率高的車道設置綠燈，則易于造成交叉車道占用率參數的競爭，綠燈頻繁切換，最終易陷入擁堵狀態。此外，基于車流量、云計算等方面的研究，分別參考文獻[11-13]。

一個城市的道路運力在道路建成時刻便相對固定下來。如果某個時間段內，某段道路已經達到運力飽和，甚至呈現癱瘓狀態，則該路段本質上已經失去運力。此時即便信號燈允許通行，車輛也無法進入該路段，即使勉強進入，也達不到通行目的。而停滯的車輛必然會影響或阻礙其他車輛向其他方向行駛，從而造成惡性循環，進一步可能會使整個城市交通陷于癱瘓。

1基于道路運力的交通自適應調節系統

本文從城市道路客觀運力著手，以預防擁堵、保障道路的暢通為目標，通過檢測道路的車流量，對比道路的運力，調節系統以準許、縮短、延長、臨時禁止車流進入目標路段，控制道路車流量在道路實際運力范圍之內，將車流分散在更大的范圍，避免造成局部擁堵點而降低全局通行效率，或者阻斷交通。[JP]

1.1系統方案

一種典型的交通路口，車道可被劃分為駛入車道、駛出車道；駛入車道為上一個路口的駛出車道，駛出車道為下一個路口的駛入車道。每個車道以路口為端點，有車道入口和出口，該路口的駛出車道出口為下一路口的駛入車道入口。如圖1所示。

一種基于道路運力的交通自適應調節系統，包括車流量檢測裝置、交通信號燈、信息顯示屏、控制器、中央計算機等。交通信號燈由紅、綠、及禁行構成。系統框圖如圖2所示。

由圖2可知，各部分的功能可闡釋如下：

1）車流量檢測裝置。安裝在道路的入口處和出口處，用于檢測駛入和駛出的車流量。本方案建議采用地感監測裝置，理由是地感靈敏度和準確率相較而言均占有優勢，不受光照、遮擋、雨霧等外部環境的影響，與控制器通過干節點連接，接入容易，工程成本低。

2）控制器。安裝在路口附近，通過檢測干節點狀態變化，判斷車輛通過并計數車流量，對比受控路段實際運力，按需調節交通信號燈工作模式，具體到各可選項的內容描述為：標準模式、延時模式、縮短模式、禁入模式。其中，標準模式為按照常規標準設定的信號燈參數；延時和縮短模式為根據受控路段運力與車流量的對比，對信號燈進行的階梯調整；禁入模式為系統判斷路段已達設定的臨界飽和點，調整信號燈以禁止車輛駛入該路段。控制器將實時發送相應信息到信息顯示屏，以提示駕駛員根據道路狀況做出行駛調整（比如繞行）；實時上傳系統數據給上位機（計算機），并接受上位機遠程調控信息，以及系統更新信息。

3）信號燈組。接受控制器指令，啟動對應交通信號燈。相比通常的紅綠信號燈狀態，該方案會增加如下信號燈狀態：禁止直行/右轉/左轉/調頭。一旦該信號啟動，車輛不得等待，按信號燈允許的方向通行。

4）信息顯示屏。與信號燈組并行安裝，實時顯示交通運行信息。

5）計算機。設置在交通中央機房，連接并管理所有路口控制器，實時收集上傳數據，同時輔以數據分析；根據需要開展遠程調控，修改工作模式參數等；軟件的遠程更新維護。

[JP3]以北向駛出車道為例，如圖3所示，該車道車流量由調頭駛入、左轉駛入、直行駛入、右轉駛入四種情況構成。在車道的入口處和出口處，根據車道數量分別設置地感線圈，地感線圈與地感檢測器電氣連接，由市電電源供電，[JP2]構成車輛檢測裝置；當有車輛通過時，地感檢測器連接地感線圈所構成的振蕩電路發生頻率變化，[JP3]產生干節點信號。控制器與地感檢測器通過干節點連接，實時監測干節點變化，通過計數獲取入口駛入車輛數量Qi和出口駛出車輛數量Q0，則車道滯留車輛數量為Q0-Qi。車道車輛容量由車道長度S、車道數n、車體平均長度I計算得出。[JP]endprint

1.2優勢分析

本文研究提出方案的優勢在于：

1）通過監測每個路口的駛出車道車流量，對比該車道實際運力，控制信號燈工作模式，對駛入車道車輛的通行行為提供調節和限制；而每個路口的駛入車道車流量則由相鄰路口調節和限制。于是每個路口、每個車道都已獲得了有效監測和控制，故此方案為全局調節而非局部調節。

2）調節是在每個車道擁堵發生前進行，屬于預防擁堵；特殊情況下即使個別路段發生了擁堵，也能通過全局的調節得到有效緩解或消除。

3）此種控制方式將交通壓力分散于整個交通網絡，擴展到更大的交通區域范圍，一方面減輕或避免局部交通擁堵，另一方面有效提高交通資源的利用和通行效率。

4）準確率和抗擾性提高，能更準確地判斷車流量，不受天氣、光照強度、建筑物或路牌等遮擋的影響。

5）通過聯網，后臺計算機實時偵測和統計車流量信息和路況信息，通過數據挖掘與分析，為改善交通環境發揮顯著可觀的技術支撐作用。

6）成本低廉，硬件要求不高，布線簡單，施工方便。

[BT4]2結束語

本文基于道路實際運力，從預防擁堵角度出發，提出了一種基于道路運力的交通自適應調節系統，能進一步優化交通環境。該系統不足之處在于：系統在判定駛出車道擁堵并短時間內不適合通行后，會發出禁行信號，通過信息顯示屏引導車輛駛向允行方向，一定程度上影響了部分車輛的期望行駛路徑，即特殊情況下會造成部分車輛繞行；但從全局看，此方式卻能避免車輛過久等待引發后續車輛滯留，而且目標車道已經達到車輛飽和，等待是沒有意義的。當前的職守交警在發生擁堵時，實際上也是通過人工方式進行交通管制。

參考文獻

陳森發， 毛嵐. 城市交通信號燈模糊線控制及其仿真[J]. 系統仿真學報， 2000， 12（6）： 668-670.

[2] 張歡歡， 金琳，黃平平，等. 基于RFID檢測技術的交通信號燈實時控制系統的研究與設計[J]. 中國水運（下半月刊）， 2010， 10（11）： 83-84，107.

[3] 張學夢. 基于圖像處理和PLC的交通信號燈控制系統[J]. 現代電子技術， 2013， 36（19）： 167-170.

[4] 李金洋， 陳儀香， 王振輝. 基于車速的自適應交通信號燈控制系統[J]. 計算機技術與發展， 2016， 26（9）： 21-25，29.

[5] CHOUDEKAR P， BANERJEE S， MUJU M K. Implementation of image processing in real time traffic light control[C]//The 3rd International Conference on Eletronics Computer Technology（ICECT）. Kanyakumari， India： IEEE， 2011： 94-98.

[6] VU A， RAMANANDAN A， CHEN A， et al. Real-time computer vision/DGPS-aided inertial navigation system for lane-level vehicle navigation[J]. IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems， 2012， 13（2）：899-913.

[7] WU Hejun， MIAO Changyun. Design of intelligent traffic light control system based on traffic flow[C]// International IEEE Conference on Computer and Communication Technologies in Agriculture Engineering（CCTAE）. Chengdu， China：IEEE， 2010：368-371.

[8] [JP3]YOUSEF K M， AL-KARAKI M N， SHATNAWI A M. Intelligent traffic light flow control system using wireless sensors networks[J]. Journal of Information Science and Engineering， 2010， 26（3）：753-768.[JP]

[9] FAYE S， CHAUDET C， DEMEURE I. A distributed algorithm for adaptive traffic lights control[C]//International IEEE Conference on Intelligent Transportation Systems（ITSC）. Anchorage， AK， USA：IEEE，2012： 1572-1577.

[10]趙荻， 郎海濤，劉永信，等. 基于實時路況的交通信號燈智能管控方法[J]. 計算機工程與設計， 2015， 36（3）： 783-788.

[11]趙小軍， 胡耀增， 林晨. 基于車流量的交通信號燈實時控制的研究[J]. 計算機與現代化， 2012（10）： 72-75.

[12]謝金生， 官飛. 基于云計算的智能交通信號燈控制系統設計與實現[J]. 長春師范大學學報（自然科學版）， 2014， 33（4）： 57-60.

[13]張學武， 徐立中， 粱瑞宇， 等. 基于視頻的交通流參數測量方法研究[J]. 儀器儀表學報， 2010， 31（11）： 2542-2548.endprint