物聯網技術在智能交通信號燈中的應用研究

馮琳 孫杰 楊子瀟 陳峰波 劉中華

摘要：隨著我國城市建設進程飛速發展，交通堵塞和污染的問題也越來越影響人們的生活質量。為了有效的減少這些問題的影響，在物聯網技術的支持下，智能交通網絡系統應運而生。以物聯網為基礎的智能交通信號燈技術，不但能夠有效地管理在公路上行駛的機動車輛的動態，而且能夠改善公路車輛的擁擠狀況，因此，能夠大幅度優化道路網絡服務水平。

關鍵詞：城市建設;物聯網技術;智能交通信號燈

一、研究背景

在智能信號控制系統中，最重要的部分是控制智能交通信號的設備。它將自主控制和人工控制方法結合起來，使之能夠適應不同模式下的不同運輸條件。例如，當交通擁擠和交通管理十分嚴峻的情況下，自動調整和恢復成正常交通秩序是一個復雜的問題，十分浪費時間，所以，需要人的干預來恢復交通的秩序和安全;當交叉口交通秩序良好時，可以采用自主控制模式。交通信號燈是一種單點控制信號燈，是整個控制系統的重要部分。目前，中國在這一領域的控制系統大多采用定時控制，即提前設定周期長度、綠信比等定時參數，以保證給定階段不發生變化。然而，隨著我國社會的迅速發展，以及關于繼續城市化進程的建設的不斷推進，交通條件極其嚴峻，是一個越來越大的挑戰，因此，定時控制不能滿足現在交通的要求。

二、智能交通信號燈的發展趨勢

（一）綜合交通智能化協同與服務

在許多方面，海外發達國家已經在發展公路和物流方面取得了長足的進展，基礎設施和設備的一體化、各種運輸設備的綜合設計、服務的業務規劃和一體化都證明了這一點，這有利于運輸中貨物之間的信息交流功能。我國在這方面取得了相當大的進步，然而仍與其他國家有很大差距。

（二）交通運輸系統安全運行智能化保障

中國在運輸領域方面長期面臨著安全挑戰，中國未來智能交通發展的主要方向是保障運輸系統的安全和智能發展。運輸系統中，有一些因素影響到系統的安全性，因此，有必要充分利用對運輸系統安全運行的知識方法來分析事故原因、模式的變化和戰略、管理和開發積極的安全和人力資源管理技術，以確保行人、車輛不受交通運輸的影響。

（三）智能交通的特殊要求推動信息技術發展

智能化運輸確保了在車輛之間、在車輛和基本設備之間的計算和數據交換的可靠性，這也有助于計算機技術和寬帶移動通信的迅速發展，例如，在道路安全領域，一個重要指標是低延遲率，但是高速無線局域網和移動5G和他相適應。例如，在通信方面，需要改進傳輸控制協議和與計算機有關的技術，以確保通信網絡在高速運輸中保持穩定。

三、基于物聯網技術的交通信號燈的原理及研究方向

（一）智能交通信號燈工作的基本原理

交叉路口的交通燈控制系統由控制中心，通信系統（無線網絡）和車輛檢測系統（超聲波檢測傳感器）三大部分組成。第一，在每個交叉口安裝超聲波傳感器，可以用來確定車輛在每個方向的進出情況，顯示每個交叉口的交通流量。然后將檢測得到的數據，通過網絡向控制中心及時傳送數據，根據每個路口的交通數據，采用相應的算法計算出該方向的交通流量較大或擁擠的方向，從而實現對交叉口的實時智能控制。

紅綠燈需要在時間范圍上進行適當的調整。例如，在交通燈時間長度為60秒的十字路口，在十字路口東側的道路上，25輛車停留在這個路段，25輛車從這個路段離開。在十字路口以南的公路上，如果從南向北單向行駛，35輛車離開這個路段，5輛車停在這個路段。

這就可以推斷出西面和北面的車輛交通情況，綜合所有方向的交通流量，進而計算出滯留車輛的數量。假設在東西方向上有60輛車被堵住，而在南北方向上有10輛車被堵住，在一段路上，假若被堵住的車輛數量大于30輛，就被視為交通可能受阻。在這種情況下，系統需要調整紅綠燈的時間長度，以減少車輛較多路段的交通流量。然而，如果發生這種情況，在某一段道路上會有較長的等待時間，但總的來說，這段時間將低于交通堵塞所花費的時間。

（二）利用超聲波傳感器檢測車輛

現在，在對車輛進行檢查時，采用了超聲波探測器，具體原理是利用超聲波脈沖在回波傳輸時間來實現。將脈沖以傳感器的發射和接收超聲波的時間差為T，超聲波在空氣中傳播的速度為V，傳輸距離為M，得出：M=T*V/2。

當使用超聲波傳感器探測車輛時，有沒有車輛行駛在公路上是依靠超聲波傳輸的時間差有沒有變化。發射設備發出的超聲波，經過接收設備接收反射回來的超聲波信號，通過接收頻率和時間之間的關系，可以根據相應的計算求得車輛長度和車速，從而得到道路上的車輛數量、道路上車輛的占有率、速度和車型等實時信息。

為了能夠實時檢測到公路上車輛的數量，超聲波將進行2米間隔的分層檢測。如果在32個橢圓束上形成15度超聲波，這些探測方法既可以在公路邊邊橫向進行，也可以在前面正面進行，即兩種類型的探測。在道路側向檢測模式下，能夠檢測到的車道數目最高可達8條。當處于前方的正向檢測模式時，檢測器能夠檢測的范圍時道路全部范圍的交通狀況。

參考文獻：

[1] ?宋頂利，張昕.城市交通樞紐智能交通信號控制系統設計[J].中國高新技術企業，2015（06）：115-116.

[2]? 谷明琴，蔡自興，黃振威，何芬芬.城市環境中箭頭型交通信號燈的實時識別算法[J].中南大學學報（自然科學版），2013，44（04）：1403-1408.

[3]? FY2010-2014ITSBudget，ITSStrategicPlan：ResearchandInnovationTechnologyAdministration，USDepartmentofTransportation

[4]? CK365中國測控網 ? 資訊 ? 產業觀察 ? 展望“十三五” 我國智能交通呈現六大發展趨勢，2015-11-2711：28

[5]? 屈毅.淺析我國智能交通系統發展現狀及前景展望[J].科技視界，2015（14）：100+137.

[6]? 楊劍波，譚茜.物聯網傳感器技術探討[J].電信網技術，2011（12）：40-44.

[7]? 尤政.智能傳感器技術的研究進展及應用展望[J].科技導報，2016，34（17）：72-78.

[8]? 徐勇軍，高梅國，毛二可，智能運輸系統中的雷達車輛檢測器，北京工業大學學報，2001年第4期

[9]? FayeS，ChaudetC，DemeureI. Adistributedalgorithmfora-daptivetrafficlightscontrol[C]/ / Procof15thinternationalIEEEconferenceonintelligenttransportationsystems. Anchor-age：IEEE，2012：1572 - 1577

[10]? 彭新玉.基于物聯網架構的智能交通解決方案[J].郵電設計技術，2012（06）：31-35.

[11]? 汪正勇，陳萬培，湯強，李志軍.基于車流量的智能交通燈控制系統[J].中小企業管理與科技（下旬刊），2017（09）：143-144。

[12]? 萬良生.單片機在城市智能交通燈控制中的應用[J].門窗，2014（09）：409+411

[13]? 王甫，江德松，岳宏梅.有效緩解城市交通壓力的智能交通信號燈的研究與開發[J].長春工程學院學報（自然科學版），2016，17（03）：101-104.

（作者單位：重慶科技學院）