智能交通信號燈配時策略研究

晏雨嬋

陜西工業(yè)職業(yè)技術學院 陜西省咸陽市 712000

1 引言

自古以來交通就是社會經(jīng)濟的循環(huán)系統(tǒng)，人們在很久之前就注意到交通在現(xiàn)實生活中起到的重大作用，更是建設現(xiàn)代化都市所不能缺少的一環(huán)，它的存在甚至對人口、物流、信息流等產(chǎn)生重要影響，交通運輸無疑成為我國經(jīng)濟發(fā)展戰(zhàn)略、城市發(fā)展戰(zhàn)略中的重要內(nèi)容。之所以引申出交通主題，是因為隨著我國經(jīng)濟實力的提升，人們的生活開始逐漸富裕，具備私家車的家庭越來越多，導致城市交通堵塞問題十分常見，而規(guī)避出行風險、帶給城市居民較好的出行體驗，便成為交通部門的重要任務，若不能解決交通中涌現(xiàn)的新問題，便會嚴重阻礙城市發(fā)展。其中便存在這樣的問題，即當紅燈亮起，城市主干道和非主干道的交口就會停滯多輛汽車，若綠燈亮起，路面上行駛的車輛卻寥寥無幾，這會造成交通資源嚴重浪費，同時交通堵塞問題愈加嚴重。在這樣的現(xiàn)狀下，信號燈控制系統(tǒng)很快較引發(fā)關注，它是由同步控制和感應控制構成。定時控制的缺點正在暴露，存在適應力差、抗干擾弱的缺陷，所以，采用其他技術來提升交通管控智能性非常必要。以視頻識別為主要功能的職能交通信號，可以在配時中充分利用交叉口資源，讓交通流受到智能配置，最大限度地提高交叉口的通行能力。

2 智能交通信號燈配時國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

2.1 國外智能交通信號燈配時研究現(xiàn)狀

自車輛生產(chǎn)和投放后，關于智能交通系統(tǒng)的研究和測試活動便沒有停下，早在20世紀60年代末，歐洲、美國、日本等發(fā)達國家就已經(jīng)在這項研究上傾注大量資金、人力、物力，為的是通過智能手段充分利用交通資源并解決交通堵塞問題，多年的努力，催生了一個新興產(chǎn)業(yè)。交通信號燈定時的想法最早出現(xiàn)在19世紀的英國。然而，交通信號配時優(yōu)化的研究和開發(fā)發(fā)生在第二次世界大戰(zhàn)之后，當時的研究對象是大城市。因為這個時期人們的出行已經(jīng)受到交通堵塞的阻礙和影響。1975年，英國道路研究所成功開發(fā)了Scoot系統(tǒng)；1992年，F(xiàn)oy M.等科學家提出了一種基于遺傳算法的綠色時間分配算法；1997年，pappis C.P.和mamdame H.率先提出用模型理論嘗試解決城市單向交叉口最佳配時問題的觀點；2001年，Park B.等人提出了一種同時優(yōu)化多個指標的方法，包括周期長度、綠信比和相位。2000年，Gartner n.和pooran F.提 出 了OPAC（自適應控制優(yōu)化指南）。Ella B.基于模糊控制進行了適當?shù)膭?chuàng)新，引申出神經(jīng)網(wǎng)絡模糊控制算法，控制成效顯著提升；丹西亞。提出了一種基于agent的新方法。優(yōu)點是可以調(diào)整配時方案，使其得到完善和優(yōu)化，缺點是不可自行學習；Baher和Abdulhai提出了一種基于自學習代理的單點計時算法。有研究顯示，它比定時控制多出很多優(yōu)點。2015年，文章colletta M提出了一種動態(tài)控制孤立交叉口信號周期和相位的新方法。該方法可以促成交通監(jiān)控無線傳感器網(wǎng)絡與多個并行模糊邏輯控制相結合，車輛等待時間將大幅度減少。2018年，grandinetti P.提出了一種信元傳輸模型的信號交通網(wǎng)絡模型，可以有效應對城市網(wǎng)絡中交通等動態(tài)定時問題。Bui K.n.34引申出一類智能交通燈穿越新方法，它基于物聯(lián)網(wǎng)技術而生成。率先提出交叉口系統(tǒng)，可以讓交通燈、傳感器、車輛等交換信息，好處是可以實時記錄交叉口有效交通流。

2.2 國內(nèi)智能交通信號燈配時研究現(xiàn)狀

智能交通的概念在我國興起的較晚，雖是如此，但是近些年的研究可謂突飛猛進且取得了諸多不錯成果，其中便包括交通信息識別成果。應用方面，一些經(jīng)濟繁榮的城市開始引進并應用自適應信號優(yōu)化系統(tǒng)，后續(xù)開始重點分析與研究交通信號燈配時優(yōu)化這一內(nèi)容，同樣收獲頗豐。徐東玲等科學家在1992年引入智能算法中的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡算法，也提出一種基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡的孤立單接口定時優(yōu)化算法。基于預測模型的最優(yōu)實時控制方法被李立源等人于上個世紀九十年代提出，而到了1998年，陳森發(fā)等人基于交通流顯著特征研究，將交通流劃分為關鍵交流通和非關鍵交通流兩種，對其進行了細致講述，同時明確了關鍵交通因素對信號時間優(yōu)化算法的影響。1999年，朱勁、劉志勇等人提出一種基于模糊控制器的多相位交叉口信號時間優(yōu)化算法，該算法的出現(xiàn)基于模糊控制原理處理交通中的不確定性這項條件。2004年，同濟大學的楊曉光提出了公交優(yōu)先信號配時方案，并編制了《城市道路交通設計指南》。2000年，基于交通流的隨機性和交通采集統(tǒng)計方法的不完全不確定性，徐建閩等人設計了一種基于模糊理論的城市道路交叉口信號時間方法。

2001武建國提出了一種解決實時交通控制難題的方法，研究遺傳算法的單路口配時優(yōu)化方法過程中，黃輝先構建了預測模型，后續(xù)研究出交通信號配時優(yōu)化算法。湯志康等人提出了一種基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡的單交叉口相變順序控制方法。2018年，閆東宇等模糊控制技術與CCD攝像機檢測技術相結合，實現(xiàn)交通信號燈的最優(yōu)控制。基于EDA技術，賈健設計了智能交通路口控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)的硬件完成了節(jié)點支路和主干道的運行控制，通過檢測相應路段的車輛數(shù)量，智能地改變綠燈的延時。

3 智能交通信號燈配時策略的研究意義

在城市生活中，交通信號控制具有重要且現(xiàn)實的意義，若不存在交通信號控制，城市的交通秩序也將無從談起，可見是城市建設中不可或缺的一環(huán)。很顯然，汽車在給人們出行帶去便利的同時，也在帶來出行上的麻煩，這與城市私家車的數(shù)量驟增存在直接關聯(lián)，使得城市交通堵塞、交通事故等狀況越來越多，輕則損害財產(chǎn)，重則失去生命，不管怎么說，交通信號控制都將成為影響城市發(fā)展的重要因素。

根據(jù)有關數(shù)據(jù)顯示，從1978年到1995年，我國汽車保有量大幅度提升，增長率是道路建設速度的80倍，差距甚大。我國汽車數(shù)量是在1995年后實現(xiàn)激增的，參考官方數(shù)據(jù)，北京每100戶家庭便有12輛汽車，；過去十年間，上海道路長度增多了108%，面積擴增142%，機動車數(shù)量則是呈現(xiàn)下降趨勢，造成城市交通擁擠的主要原因就是汽車數(shù)量快速增長而城市道路建設有限之間的矛盾。為了適應交通快速增長的趨勢，減少擁堵，國內(nèi)許多城市都采取了擴建道路、擴建人行道、修建高架道路和橋梁等措施。這些舉措起到的效果不是很直觀，但在調(diào)節(jié)車流量、保障人與貨物安全、提升運營效率等方面起到了積極作用，很顯然，實現(xiàn)了改善交通狀況、提升交通服務質(zhì)量、加大交通資源利用率的目標。

4 智能交通信號燈配時策略

4.1 基于視頻識別運動車輛的原理

依靠視頻進行識別的車牌識別方法有背景差分法、灰度比較法、邊緣檢測法等等，還可以應用虛擬檢測線圈和背景差分法結合的方法。原理為用戶自定義檢測區(qū)域，系統(tǒng)計算系統(tǒng)輸入幀與檢測區(qū)域內(nèi)背景圖像差值，捕捉視頻中行駛的車輛，這種方法計算速度十分快，使用中背景也會隨著光線的變化而產(chǎn)生變化，為此，背景需要不斷更新。第一步，要構建背景，要確保背景的設定較為精準，高質(zhì)量背景才有利于在視頻中快速、精準提取行駛中的車輛，同時，視頻識別算法會利用概率統(tǒng)計原理了解視頻像素，同樣的像素下，車輛駛過會讓灰度值發(fā)生變化，噪聲隨之產(chǎn)生，若視頻中無行駛車輛，像素值同一時間內(nèi)變化微小，所以，背景灰度值最為多見。利用好原理，便可設定合理背景；第二步，更新背景，更新前像素需要劃分為前景和背景，結合當前幀的背景對背景進行修正，簡單來說，是對比當前幀和背景像素間的差值是否小于闕值，若數(shù)值偏小，則掃描當前幀。若數(shù)值偏大，則對當前背景進行采樣，依據(jù)采樣合成新的背景；第三步，識別運動中的車輛，這項運動屬于平面運動，所以可以采用差分法考察車輛運動。背景中的靜態(tài)對象，前后幀灰度差大致為0，前景中有移動對象，則前后灰度差往往不為0，所以可以快速探查到運動車輛。

4.2 進行交叉口現(xiàn)狀調(diào)查與分析

我國城市交通燈普遍采用固定配時方案，利用統(tǒng)計原理計算各個方向的交通量，確定交通燈的延誤時間。實際情況是，路段中的交通量是不固定的，總是發(fā)生或大或小的變化，固定時間難以應對不同情況下的交通需求。目前，我國城市中的交叉口都已配備道路監(jiān)控系統(tǒng)，可以通過監(jiān)控攝像頭和視頻識別技術識別不同場景中的車輛，改進交叉口信號燈的配時方案，便可提升交叉口車輛運行效率，交通資源可以進一步挖掘并應用。視頻識別系統(tǒng)可以實時記錄外部車輛行駛情況，從而匯總車輛運行狀況，包括車輛停滯數(shù)量、車輛型號、車輛行駛速度等等，可以通過現(xiàn)場測量得出路段長度和車道數(shù)。

4.3 優(yōu)化交通信號燈周期的算法

交通信號配時系統(tǒng)設計過程中，可以采用視頻識別技術監(jiān)控交通流狀況，簡化單點配時公式，復雜的交通流問題便可轉(zhuǎn)化為數(shù)學問題，整個過程需要計算，便可理清思路、減少各項干擾與不確定性，最終得出更精準答案。具體來說，紅綠燈切換之前，使用視頻識別系統(tǒng)檢測車輛是否在十字路口。如果在交叉口沒有確定車輛等待綠燈的最短時間，則在交叉口減少車輛等待綠燈的時間。如果交叉口有車輛排隊，則進入下一個檢測步驟：如果交叉口有車輛排隊，則根據(jù)車輛數(shù)量將交叉口的交通狀況分為擁堵、正常和暢通，并根據(jù)車輛數(shù)量對交叉口進行定量分類。算法具體的方案為：如果說此時進入路口一百米范圍內(nèi)，汽車數(shù)量超過了某個設定的數(shù)值，就判定該路口的狀態(tài)為擁堵，這個時候可以把交通信號燈中的綠燈時長設置為閾值中的最大數(shù)；說此時進入路口一百米范圍內(nèi)，汽車數(shù)量低于某個設定的數(shù)值，則判定該路口的交通狀態(tài)為暢通，這個時候可以把交通信號燈中的綠燈時長設置為閾值中的最小數(shù)；如果說此時進入路口一百米范圍內(nèi)駛入的汽車數(shù)量在擁堵和暢通兩種狀態(tài)設置的數(shù)值之間，可以根據(jù)配時公式，讓某時刻通過該路口的車輛總數(shù)為N=n1+n2+..+nm.汽車啟動延誤時間LS，此時信號燈綠燈時長T計算即可。

4.4 優(yōu)化控制單交叉口交通信號

交通口的不同，會導致交通運輸車流存在較大差異，車輛行駛而過將成為隨機事件，因此，要實現(xiàn)對單交叉口交通信號的優(yōu)化控制，需針對車流情況采取針對性的控制方法，如針對信號周期、相位信號配時（或綠信比）、周圍和相位信號配時（和綠信比）及相位信號順序、交通流高峰期整個時間段幾個方面進行優(yōu)化控制。

一旦改變配時方案，會直接影響各個車道上的車流，在當前城市的交通管控體系中，研究更多的集中在城市交通網(wǎng)絡交通流分配、出行者起訖點之間路徑時間最短等方面。有個別文獻中提出，優(yōu)化信號周期或信號時間區(qū)間所采取的方法大都為黃金分割法、爬山法等傳統(tǒng)的優(yōu)化方法，對于交叉口多相位交通信號配時優(yōu)化控制的范圍有待提升。

5 結語

總而言之，交通堵塞是各個國家、各個城市發(fā)展過程中必然遇到的難題，而解決這個難題，成為諸多學者及交通管控部門的心愿。隨著我國汽車數(shù)量的不斷攀升，街道交通流量持續(xù)增長，交叉路口的交通壓力也在與日俱增。城市道路交叉口是交通的瓶頸，是造成交通擁堵、交通事故和導致車輛延誤的關鍵所在。當下我國國內(nèi)大部分的交通信號燈均為固定周期控制，但是選擇定時控制算法有一個很大的缺點，就是不能根據(jù)交通流的變化而適時作出調(diào)整，這種情況就很有可能會發(fā)生綠燈所面對的車道車輛稀疏、紅燈所面對車道車輛擁堵的狀況，造成巨大的交通資源浪費。重點管控交叉口交通狀況并優(yōu)化管控方案，才可以最大程度消除車輛運行中的各種不合理現(xiàn)狀，所以，建立智能交通燈信號配時系統(tǒng)是非常具有現(xiàn)實價值的。