基于智能導航和交通信號燈優化設計交互結合的城市智慧交通體系構建研究

(宿州學院管理學院　安徽　宿州　234000)

一、研究綜述

隨著我國社會生產力的提升，城市化進程不斷加速、汽車保有量持續增加，城市交通問題日益突出，已經嚴重影響了人們的出行和生活。同時由于城市內可供修建道路的土地和空間有限，僅靠新建道路難以解決問題;另一方面，隨著個性化交通的不斷發展，交通系統變得日趨復雜。[2]僅從道路或車輛單方面著手，很難有效地緩解當前交通壓力。針對這一矛盾，國內外研究者從不同角度提出了城市智慧交通方案，試圖解決此類問題。例如：美國、歐洲、日本等發達國家分別提出了以智慧駕駛為核心，強調車與車互聯的智能交通系統戰略研究計劃；以交通運行可持續，提升競爭力和節能減排為目標的智能交通系統；以及通過在全國高速公路網引進安全舒適的智能交通系統站點，及時向車載導航系統提供快速而大量的交通信息和圖像的智能導航系統。[1]在國內，北京提出并構建了以一個共享信息平臺、兩個數據中心和七大應用領域為框架的智能交通體系。上海建設了全國首個全面、實時整合、處理全市道路交通、公共交通、對外交通領域車流、客流及交通設施等多源異構基礎信息數據資源，實現跨行業交通信息資源整合、共享和交換的智能交通平臺。

這些方案在一定程度上解決了城市交通問題，但是其高昂的費用使得其無法在我國大中城市的支線路口和小城鎮內使用，同時給使用路段帶來較大的經濟負擔。[3]在城市交通中，各道上的車輛運行暢通與否，是影響整個交通網絡的運行效率的最重要因素。而不同方向上的道路交錯形成的交叉路口又直接決定了各道路的運行效率。因此各交叉路段交通信號優化是提高道路利用效率，促進智能交通系統(Intelligent Transportion Systems 簡稱ITS)研究中的重點和難點。[4]

人類對交叉路口信號優化控制已有幾十年的研究歷史。從最初的定時控制、多時段控制到現在的自適應控制。這些方法雖然很大程度上減少了交通事故，提高了交通效率，但存在如下缺點：一、定時控制紅綠燈周期不能根據現實情況調整，容易造成資源不合理分配，降低道路利用效率；二、多時段控制雖然根據時間段調整周期，但是其時間的控制計算較為復雜，不確定因素多；三、自適應控制實時調整周期或者綠燈時間，對駕駛員的判斷形成巨大干擾，不適合目前的倒計時顯示方式。[4]

為了應對以上控制方法的局限，本文從紅綠燈和智能導航的交互結合這一理念出發，建立起一種大范圍、全方位、全天候控制的，實時、準確、高效的智能交通系統。即通過當前導航技術信息通訊技術和導航技術的有機結合，快速收集并共享各路段交通運行數據，及時分析交通流量運行特征、預測變化，綜合考慮道路通行情況和相鄰交通信號燈的距離，規劃最佳通行路線及通行速度。根據不同時段道路通行情況設置最佳通行速度，根據最佳通行速度和相鄰信號燈距離測算出相鄰信號燈最佳時間差，配合智能導航最大限度的保證汽車一路綠燈，從而實現當前紅綠燈格局的優化。遵循最高最佳利用原則，以最低的成本最快速的通過障礙。從而實現城市智能交通。最終為未來的無人駕駛技術提供相關技術及實踐經驗。

二、智能導航及紅交通信號燈優化設計原理

(一)假設每條公路是一條一維的直線，那么整個交通網就形成了一個二維平面，當某一路口出現紅燈時，就形成了這條一維直線的障礙。假設我們只是用一維的視角去看待這個障礙，將無法穿越。這時如果跳躍出一維視角，從二維，三維，乃至于四維的視角來對待這個問題，那么障礙將迎刃而解。這也就是說當遇到紅燈時人們可以從二維平面穿過，即從紅綠燈左右兩旁道路繞過。但是左右道路狀況未知，是否還會有紅燈的阻礙也未知，因此大部分人并不采取這種措施；從三維立面跨越，即通過城市高架或地下通道跨過。但高架和地下通道的成本較高，只有少數發達地段才能配備；從四維時間上穿越，即提前加速在紅燈到來之前通過或提前減速等綠燈到來再通過(在四維時間這個視角紅燈的障礙是斷斷續續且有規律的出現的，只要我們提前掌握規律，即可完全無視紅燈)。

(二)由于每個交叉路口距離和不同時間段的最佳通行速度是可以測算且相對穩定不變的。由v=s/t公式，我們可以輕易的得出相鄰路口信號燈最佳時間差。通過最佳行駛速度及距離計算出的相鄰綠燈間隔時間，與智能導航相互配合使用，從而保證以最佳速度行駛的汽車在通過第一個路口后便不會遇到紅燈。且因此道路會出現有規律的無車期，在人行道兩側安裝以此為周期的信號燈可以保證行人有足夠且安全的時間通過馬路。

三、智能導航及紅交通信號燈優化設計具體措施

(一)導航和紅綠燈的交互結合設計

運用當前導航技術信息通訊技術和導航技術的有機結合，快速收集并共享各路段交通運行數據(包括道路擁堵情況和其他車輛擬行駛路線及下個信號燈的距離)并以此分析交通流量的流向，設計最佳行駛路線和最佳行駛速度，提前避開擁堵路段，避免造成二次擁堵。

圖1　操作流程圖

如圖1所示，智能導航根據交通信號燈實時信息，預測汽車按最佳速度到達交叉路口時是否為綠燈，如果是則直接通過。如果不是則查看道路實時狀況，道路狀況良好則加速趕上上一個綠燈；如果路況較差則減速等到下一個綠燈通行。(此處的路況主要指道路實物狀況，車道上車輛密集度等)

(二)交叉路口綠燈時間設計

如圖2所示，假設各路段長度分別為S1、S2、S3、S4、S5、S6，通過調查計算得知在該路段某時段行駛的最佳速度為V1、V2、V3、V4、V5、V6，汽車A從T出發按最佳速度行駛。

圖2　交通模擬圖

根據汽車的行駛速度和距離下個路口的距離我們可以得出汽車從A處(即第一個路口)出發直走通過第二個路口的時間為T+60*1/60=T+1，第三個路口同理為T+3，第四、五路口以此類推。

如果汽車從第一個路口左轉，則其通過下方第一個路口的時間為T+2，通過的第二個路口時間為T+5，其他所有路口以此類推。

因為交叉路口綠燈時間為周期循環，在此假設紅燈和綠燈時間分別為一分鐘。根據汽車A到達第二路口時間為T+1，我們設置第一個交叉路口綠燈時間為(T+2n+0.5，T+2n+1.5)n=(1.2.3…)這樣汽車將會有前后各半分鐘的調整時間，第三個路口綠燈時間可以設置為(T+2n+0.5，T+2n+1.5)n=(1.2.3…)第四個路口綠燈時間可以設置為(T+2n+1.5，T+2n+2.5)n=(1.2.3…)。總結得出當兩個路口中間汽車行駛分鐘數為偶數時兩路口綠燈時間相同，行駛分鐘數為奇數時兩路口綠燈時間相差一分鐘，根據此規律設置其他路口綠燈時間。(此處為方便計算所有數據為整數，當時間不為整數時同理調整即可)

不同路段和相同路段不同時間段的綠燈周期設置均可依照此法。為保證汽車行駛過程全控制，在每條路中的斑馬線處可以根據道路汽車空白周期設置交通信號燈，保證行人的安全通過且不干擾汽車的正常行駛。于此同時為了使路人能在有效時間通過斑馬線，可以盡量增加每個紅綠燈的持續時間保證行人正常通過并設置屬于路人的黃燈，提醒路人時間不足以過斑馬線，等待。防止因不能及時通過阻礙車輛通行或導致交通事故。條件允許且必要的交叉路口可以設置一些幫助路人快速通過的裝置。

四、基于智慧導航設計的城市智慧交通體系的拓展應用

(一)為緊急車輛提供綠色通道

利用此系統過程全控制的優勢，當發生火災，交通事故、違法犯罪事件等緊急情況時，消防車，救護車，警車等相關車輛可以通過設置出發點和目的地，經系統分析選擇最佳路線，開啟綠色通道。即在通往目的地的過程中提醒途中車輛及時避讓(對于罪犯逃亡過程請求相關車輛進行干擾，讓罪犯無路可逃)并控制信號燈，在經過該路段時轉為綠燈。(轉換之前提示其他車輛及行人，提醒做好準備)為辦事車輛爭取寶貴的時間，從而更好的保護人民的財產和安全。同時對于有緊急需要的普通用戶提供一定額度的要求其他車輛避讓的機會，并設置一些可以增加機會的方案，例如：每當避讓次數達到一定要求后增加一次要求其他車輛避讓的機會。如果在可以的情況下不避讓將會給予適當的處罰，對于不避讓造成的事故負全責。從而方便人們出行，更人性化的完善交通法規，更體現國人互幫互助的優良傳統和高尚品質。

(二)提供車輛行駛信息，構建智慧城市

利用汽車上的智能導航記錄汽車行駛路徑、時間、速度，并傳送至相關部門，進行分析，通過對全城汽車的行駛路線、時間和速度進行整理分析，為城市道路和城市功能布局的科學規劃提供有效數據，打通城市發展的任督二脈，從而更好的建設智慧生態城市。

(三)提醒并監督駕駛人員遵紀守法

在汽車的行駛過程中智能導航根據所在城市的交通法規，對即將或已經作出違章違規行為的司機進行提示，避免因不了解當地交通法規而造成違章違規，保證道路安全暢通。同時對不聽提示繼續違規違章行為進行記錄，并上傳至交通管理部門依法處理。徹底消除駕駛人員僥幸心理，從而對交通法規產生敬畏之心，減少交通違規違章，形成一個有秩序的交通體系。

(四)為無人駕駛技術提供過渡性保障

通過對當前智能導航的發展以及現有交通信號燈的優化，逐步實現駕駛過程的全控制，為未來無人交通的發展提供客觀條件。在這種提示式駕駛的過程中司機對汽車的行駛起決定作用，因此即使出現故障也可以及時調整以避免交通事故。在智能導航使用和完善過程中收集大量駕駛資料，總結相關經驗。為順利向無人駕駛過渡提供保障，避免因早期無人駕駛技術不成熟應用而造成危害。

五、實施條件分析

(一)全面覆蓋智慧交通系統

為了保證上述設計最大程度的實現，必須要求智能導航全面覆蓋且信號燈格局徹底整合優化。即所有車輛均配置并按照導航指示行駛，所有交通信號燈均可由系統統一控制且隨時可以調整。否則沒有安裝智能導航的汽車將無法了解并遵守最佳行駛速度，從而影響其他車輛和行人。也無法更好的為緊急情況開啟綠色通道，保障人民生命財產安全。如果沒有交通信號燈與智能導航交互結合，智能導航計算的汽車行駛速度也無法達到最高最佳，從而影響居民出行質量和道路利用效率。對于公共緊急情況無法對信號燈進行控制，依然使用闖紅燈的方法對相關人員的人生安全也是極不負責的。為了城市的健康發展需要政府的強制實施。

(二)嚴格執行交通法規

該方案的實施需要在真正意義上做到全方位實時控制道路狀況。但在當前社會背景下由于各種原因(沒有人行道，人行道被汽車，擺攤等占據，沒有走人行道的意識)人們往往不走人行道且經常橫穿馬路，極易造成交通事故并降低道路利用效率。因此要想真正達到過程全控制必須在相關道路兩旁設置人行道并要求行人和非機動車輛等必須走人行道，不允許隨意橫叉馬路，必要的話設置斑馬線并配置紅綠燈。(因為在此系統實施下道路將會有固定周期的無車期，將此時間設置為斑馬線綠燈時間)

六、結語

本文針對當前城市交通壓力巨大且道路空間有限這一現狀，在參照當前智慧交通紅綠燈系統的基礎上，采用四維視角，以降低成本、提高道路利用效率、減少城市交通問題、實現最高最佳利用原則為核心。以導航與信號燈的交互結合為方法，以小范圍時間差為立足點。在互聯網、大數據、北斗GPS等技術的支持下，通過系統優化紅綠燈格局、嚴格執行交通法規，全面覆蓋智慧交通系統等保障措施的實施，通過1.當前交通信號燈的系統優化，使汽車在最佳行駛速度下少遇紅燈。2.將交通信號燈及車道信息及時反映給智慧導航，通過嚴謹的分析給駕駛員提供最佳駕駛速度，提前告知并提醒駕駛員避開擁堵路段。通過利用互聯網技術實現紅綠燈系統和導航設備動態交互聯系，小范圍的突破時間以此解除空間限制。從而實現提高居民出行質量、提供最優路線、保障生命財產安全、減少交通事故、減輕交通污染，減輕交管負擔、搜集有效信息、提供色盲人群駕駛機會等目標。促進城市智慧交通發展，最終通過這種提示式駕駛為未來向無人駕駛的順利過渡提供。