車聯網技術在智能交通信號控制系統中的應用與優化

王長遠

（淄博市公安局交警支隊周村大隊，山東淄博 255300）

0 引言

通過對車聯網技術的應用，車輛駕駛員可借助攝像頭、傳感器和其他設備完成對交通信號信息的實時采集，并及時做好信號數據的處理與傳輸，除此之外，交通指揮和管理部門也可對上述數據展開分析，據此完成對交通擁堵和交通事故路段的準確判斷和監控。研究指出，將車聯網技術應用在智能交通領域，可以提前對路況信息加以預測，由此提升道路交通的流暢性，確保交通安全。現階段，行業人員對車聯網技術的研究已經取得一定進展，相關研究也報道了車聯網技術對智能交通建設的貢獻度，并且指出該技術能夠優化交通信號控制系統，有助于實現自動駕駛、智能停車等最新功能，使交通信號控制的智能化水平得以提升。鑒于此，本文重點對車聯網技術的應用路徑和優化措施做出分析，以供參考。

1 車聯網技術應用方向

車聯網強調通過無線通信技術，將車輛與互聯網相連接，實現車輛之間、車輛與基礎設施之間的信息交互和數據共享。其應用方向包括：

1.1 V2V

V2V 是指車輛之間通過無線通信技術進行信息交互。車輛可經由V2V 實時獲取周圍車輛的位置、速度和行駛方向等信息，從而實現交通流量優化、碰撞預警和協同駕駛等功能。

1.2 V2I

V2I 是指車輛與信號燈、路側設備等設施之間通過無線通信進行交互。車輛可通過V2I 獲取信號燈的狀態、道路限速等信息，實現智能導航、交通信號優化和交通擁堵預測等功能。

1.3 車輛+云端服務

車輛通過無線通信技術與云端服務相連接，不僅能夠及時獲取最新的地圖數據、交通信息和車輛狀態等信息，提供更智能、個性化的交通服務，還可以實現遠程診斷、遠程控制以及遠程升級等功能。

1.4 車輛+移動終端

車輛通過無線通信與智能手機等移動終端相連接的意義，主要在于車主可以隨時對車輛進行遠程操作和監控，提高車輛的安全性與便捷性。

2 交通信號控制系統核心技術介紹

2.1 ITS

該技術的全稱為智能交通，指的是以交通運輸管理為落腳點，通過整合自控、傳感器、數據處理等先進技術，最終形成的綜合管控系統，該系統在高效性、實時性還有準確性方面，均具有極為突出的表現。

2.2 CAN

作為已在國際社會得到認可的現場總線，CAN 憑借突出的檢錯能力、極高的可靠性，在汽車領域獲得推廣。

2.3 RFID

該技術可經由射頻信號自動、準確識別目標并獲取所需數據，通常不需要人工干預，具有環境適應能力強、識別速度快和操作簡單等優點，系統結構見圖1。

圖1 RFID 結構示意圖

2.4 云計算

作為由互聯網衍生出的計算服務模型，云計算可以細分為客戶端、應用、平臺和基礎設施四個不同的層次。在這一模型中，虛擬化技術發揮著極為重要的作用，具體來說，就是對操作系統、硬件資源做虛擬化處理，向用戶提供其所需的抽象平臺，隱藏底層物理實現。

2.5 車聯網系統

車聯網的本質為由云架構衍生出的信息平臺，平臺生態鏈所包含內容較多，如移動互聯網、ITS 等，考慮到正常情況下，仍有海量數據信息需要匯聚于云系統，因此，在開發該平臺時，有關人員創造性地為其新增了海量存儲、虛擬化以及其他云計算功能。車聯網系統包括端系統、管系統和云系統三層，具體見圖2。

圖2 車聯網體系

其中，端系統與車輛傳感器相對，通常負責車輛數據信息的采集、行車環境和狀態的感知，該系統不僅支持車網通信、車內通信以及車間通信，還可以通過聯網的方式，使車輛具備快速尋找網絡可信標識、快速尋址的能力[1]。管系統主要負責車和網、車和路、車和車、車和人的聯通，為車輛提供漫游、通信所需異構網絡或是自組網，改善車輛功能的網絡泛在性，使專網、公網得到統一。

3 交通信號控制系統中車聯網技術的應用

3.1 邏輯架構

既有管理系統將信號燈界定為“引導車輛順利通行”的工具，作為組成交通信號的關鍵一環，信號燈通常設置在路口處，由代表禁止通行的紅燈、代表警示的黃燈、代表允許通行的綠燈三部分共同組成，其作用是確保行人、車輛均能夠安全通過路口。調查發現，由于正常情況下，車輛到達路口且綠燈尚未變成黃燈時，駕駛員會根據所積累經驗判斷自己是否能夠順利駕駛車輛通過路口，因此，雖然路口均已安裝信號燈，但闖紅燈的狀況仍時有發生。

將車聯網用于控制系統的設計與研發，可以依托指定通信協議，對數據信息進行實時交換。這里提到的車聯網指的是車輛裝載的、可以依托RFID 等技術提取并利用車輛相關信息的電子標簽，其核心功能是經由車輛網絡對數據進行實時收集、動態分析以及統一處理，通過無線通信同步數據信息，使車輛和基礎設施、車輛和建筑、車輛和車輛的信息得到實時交換。交通信號控制系統作為集通信、控制技術、計算機于一體的聯網控制交通信號的系統，其核心作用可以概括為優化控制、實時控制以及協調控制，具有實時監控并查詢道路狀態、快速確定故障位置、上傳以及下載配時方案的功能[2]。本文所討論控制系統由四部分組成，從終端反推至核心部分，依次是交通信號機、通信設備、管理服務器和數據庫。基于車聯網所開發控制系統包括四個功能模塊，即：車載控制、發射信號、接收信號、信號燈。其中，車載控制、接收信號的模塊被固定在車內，發射信號的模塊直接連接信號燈，且通過無線通信和接收信號的模塊相連。

3.2 工作原理

控制交通信號的方式包括自適應配時、固定配時兩種，前者是指通過算法實時反饋方案效果、通過車輛檢測獲取交通信息的方法，后者是指以歷史數據為依據，對路口不同方向的綠燈時間進行分配的方法[3]。二者各有利弊，自適應配時可以快速適應道路車流量的變化，但無法保證獲取信息完全準確，固定配時的優點是易于實現，但由于無法快速適應道路車流量變化，因此，車輛行駛質量會受到影響。相較于固定配時，自適應配時更能夠滿足駕駛員的需求。如果以控制目的為依據，則可以把控制交通信號的方法劃分三大類，分別是應對突發情況、改善行駛質量、節約能源。

基于車聯網對交通信號加以控制，能夠有效彌補傳統控制方法的缺陷，原因是某些情況下，車聯網可以發揮車內局域網的作用，即借助統一的協議，對云、路、車和人的數據進行互動，由此提高交通的智能化程度。在本文所討論的控制系統中，發射信號的模塊負責實時讀取信號燈狀態，將自己所對應方向綠燈的剩余時間同步給接收信號的模塊，接收信號的模塊負責將所接收信號同步至車載模塊，隨后，車載模塊以預設閾值為依據，控制車輛行駛狀態[4]。若綠燈剩余時間低于預設閾值，第一時間發布報警，確保駕駛員能夠按照提示更改車輛行駛狀態，若剩余時間與閾值持平或高于閾值，車輛可以繼續行駛，由此降低駕駛員誤闖紅燈的概率。

3.3 運行流程

將車聯網用于交通信號控制，可以通過實時獲取道路交通信息，優化交通信號控制，提高交通效率和安全性。控制系統的運行流程如下：基于車載傳感器、攝像頭等設備，實時獲取道路上車輛的數量、速度、位置等信息——車輛獲取的交通信息將通過車聯網技術傳輸到管理中心——管理中心以所收集到的交通信息為抓手，通過實時分析，了解交通流量、擁堵情況、交通狀況——根據交通分析結果，對各個路口的信號燈進行智能控制，優化交通流量和減少擁堵——結合交通情況的變化，實時調整信號燈的時長和配時，以適應實際交通需求。除此之外，管理中心還可以將實時交通信息發布給駕駛員，幫助其選擇最佳路線，減少通行時間和燃料消耗。事實證明，基于車聯網所設計控制系統，不僅可以實現交通流量的優化，減少擁堵，提高道路通行效率和安全性，還可以通過與智能停車系統、交通違法監控系統等其他交通管理系統集成，實現更全面的交通管理。

4 交通信號控制系統中車聯網技術的優化方向

4.1 實時傳輸數據

車聯網加入后，控制系統可以通過以下幾種方式實現車輛、控制系統之間的數據傳輸：一是通過車輛所搭載傳感器，實時感知道路上的交通情況，基于車聯網，將獲取的數據傳輸到管理中心。二是依托5G、Wi-Fi 等技術，將所獲取信息傳輸到管理中心，確保管理中心能夠及時獲取最新的交通信息。三是使用適當的數據處理和傳輸協議（如MQTT、CoAP），確保數據的準確性和安全性。實踐經驗表明，通過車聯網的實時數據傳輸，管理中心可以及時獲取交通信息，根據實際情況調整信號燈的時長和配時，提高交通效率、安全性。

4.2 信號燈配時

控制系統可以在車聯網技術的協助下，根據道路上的交通流量、擁堵情況等實時交通數據，智能調整信號燈的配時方案，減少交通擁堵、提高通行效率。確定信號燈配時的過程中，車聯網所提供交通流量、車輛位置等數據，均發揮著極為重要的作用。例如，管理中心可以根據不同路段的交通流量情況，合理調整信號燈的配時；再如，根據車輛的位置信息，實時調整信號燈配時，確保道路上的車輛能夠平穩通行。

4.3 優先級控制

車聯網能夠快速識別車輛，將緊急救援車輛、公共交通工具等特定優先級車輛與控制系統相連接。控制系統則可以根據車輛的優先級，對信號燈進行科學調度，為特定優先級車輛提供優先通行權，提高交通效率、公共服務水平。具體原理如下：首先，管理中心借助車聯網實時獲取公共交通工具所在位置、行駛速度，交通擁堵時，通過智能信號控制系統將公共交通工具設置為優先通行，確保公共交通的準點運行和乘客的出行效率。其次，管理中心通過車聯網，獲取消防車、緊急救援車輛等優先車輛的位置信息，將信號燈設置為優先放行，確保優先車輛能夠快速到達目的地。最后，車聯網根據車輛的目的地和行駛需求，實現個性化的優先級控制。例如，車輛需要前往醫院或重要會議等緊急場所時，管理中心可以通過車聯網將信號燈設置為優先放行，確保車輛能夠及時到達目的地。

4.4 跨路口協調

車聯網可以使控制系統之間的信息實現互聯互通，為跨路口的協調和通行優化奠基。具體來說，就是在車聯網的幫助下，實時獲取各個路口的車輛位置信息，根據車輛的位置信息，調整信號燈的配時，確保車輛在不同路口之間的平穩過渡。例如，在車輛接近路口時，提前將信號燈設置為綠燈，以減少車輛的停等時間。此外，車聯網還能夠在以下領域發揮無法被替代的作用：一是綠波控制。管理中心通過車聯網獲取各個路口的交通流量、車速信息，根據所掌握信息，智能地調整信號燈的配時，使車輛在一條主干道上連續地遇到綠燈，從而實現綠波通行，減少車輛的停等時間，提高道路通行效率。二是優化交通流量。管理中心借助車聯網實時監測、分析道路上的交通情況，根據交通情況，有針對性地調整信號燈的配時，最大程度地優化交通流量。例如，在交通擁堵時，將信號燈的綠燈時長適當延長，減少擁堵現象。

5 結語

綜上所述，以車聯網的核心技術（如CAN、RFID）為依托，對控制交通信號的系統進行優化，可以極大地提高系統的智能化、精細化程度。相較于傳統技術，車聯網能夠協助駕駛員快速、準確地判斷自己是否能在綠燈變為黃燈前順利通過路口，與此同時，提醒駕駛員按照信號燈所給指引駕駛車輛行進，減少路口車輛擁堵，增強道路整體的通行能力，在提高通行安全程度的前提下，為城市建設和發展助力。