物联网环境下智能交通灯控制系统的构建

王蕾

摘要：该文根据当前我国城市智能交通系统体系结构的特点，以十字路口红绿灯的智能化为研究对象，结合物联网工作原理和面向服务的体系结构进行分析研究，提出了一种基于物联网环境下的城市智能交通灯系统，为建立全新的城市智能交通网络提供了依据。

关键词：物联网；城市智能交通灯系统；交通流；体系结构

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2014）10-2356-03

Abstract： In this paper， according to the characteristics of the structure of intelligent transportation system of our city， the intelligent traffic lights at a crossroads as the research object， combining with analysis and research on the working principle of the Internet of things and the study of service-oriented architecture， put forward an urban intelligent traffic lights system based on Internet of things， which provides a basis for establishing a new urban intelligent transportation network.

Key words： The Internet of things； city intelligent transportation system； traffic flow； system structure

1 概述

随着近年来我国社会经济的不断发展和城市交通路网不断扩张，目前我国在道路交通领域存在着许多问题：1） 缺乏系统的、可操作性强的框架体系规划方案。2） 智能交通的产业化程度还比较低，尚未形成一条具有一定规模的产业链。3） 缺乏统一的标准和技术规范。4） 资源整合度不高，难以发挥系统功能的优势。在这种情况下，人们开始考虑如何将交通设施进行合理分配，实现交通资源的合理配置。

1999年，麻省理工学院（MIT）的Ashton教授在研究RFID时首次提出了物联网（The Internet of things）的概念，由于物联网具有全面感知、可靠传递、智能处理等特点，因此它已经成为了当今世界上新一轮经济和科技发展的战略制高点，物联网的发展对于促进我国经济发展和社会进步都具有深远的现实意义。 智能交通系统（Intelligent Vehicle Highway System， 简称ITS），是将先进的通信、检测、控制技术和计算机、系统集成技术，以及交通科学与工程等多学科技术有效地综合应用于车辆和道路系统，形成一个令人、车和路都实现智能化的综合系统。将物联网技术应用于城市智能交通体系，能在最大限度上发挥现有交通基础设施的潜力，提高交通运输效率，促进交通安全，缓解交通拥堵，节约能源，保护环境，使社会现有的交通设施能够得到充分、高效的使用，从而获得巨大的社会经济效益。

本文在现有的城市智能交通系统体系框架的基础上，提出了一种基于物联网环境下的智能交通灯控制系统，以十字路口红绿灯的智能化为研究对象，结合物联网工作原理和面向服务的体系结构，并与人工智能方法相结合，从服务客体、逻辑结构、物理框架三方面对其进行探讨和研究。

2 系统整体结构

总体上看，物联网环境下城市智能交通灯系统应该包括感知设备、核心处理单元、及应用客体三个部分。感知设备主要包括射频技术、传感设备，GPS全球卫星定位系统等，它主要的作用是识别物体和采集信息；核心处理单元涵盖了一个庞大的技术体系，它包括十字路口各个方向上车流量的统计、智能交通灯时长的实时变化、智能交通灯的控制系统等，该部分主要负责信息的传递和处理；应用客体是将物联网技术与智能交通进行结合，分别从人、车、路等方面实现交通灯控制系统的智能化。总体设计方案图如图1 所示。

3 系统实现技术方案

当前我国大多数城市所采用的交通灯控制系统都是时长固定、红绿灯转换间隔固定的，这种系统的弊端在于当十字路口某一方向的车流量很大而另一方向却是空道或车流量相对较少时，就容易造成十字路口某一方向上的道路交通拥堵，这不仅让司机浪费了大量时间处于等待，造成资源浪费，也容易导致局部路段的交通瘫痪，而这些问题主要是由于未对道路的实际情况作出实时监控和有效解决所造成的。

3.1 设计目标

利用GPS全球定位技术对城市道路交叉口处红绿灯进行实时控制，通过智能交通灯控制系统，可以根据各个路口的车流量变化情况动态改变交通灯的时长。

3.2 实施方案

如图2所示，在道路的入口处（如图2中的a处）加设传感设备（传感器1），当有汽车从此处经过时传感器便可检测出有汽车从此处通过，系统中的计数器加1，在道路的出口处（如图2中的b处）也加设一个传感器（传感器2），一旦传感器检测到有车辆从此处通过，系统中的计数器便减1，这样就可以知道当前该条路段上的车流量总数，当该路段上的车流量达到一定数量后，系统会和该路段所对应方向上的车流量进行比较，并按一定控制规律自动调节红绿灯的时长（假设南北方向上的车流量比东西方向上的车流量要大很多，那么系统将会按比例延长南北方向上的绿灯时长）。

3.3 整体思路

本文中的智能交通灯控制系统主要由三部分组成：车辆检测系统（传感器），通信系统（无线网络）和控制中心（参见图3）。

如图所示，首先，用传感器来判断各个方向上车辆驶入和驶出的情况，并将该情况通过网络传送到控制中心，控制中心会给出相应的算法来对交通灯的时长进行调整。比如：在60秒内十字路口以东的道路上共有50辆车驶入（假设此处为单向行驶，方向为由东向西），并有25辆车驶出该路段，那么说明有25辆车滞留在该路段上；而这60秒内十字路口以南的道路上共有40辆车驶入（假设此处为单向行驶，方向为由南向北），有35辆车驶出该路段，只有5辆车滞留在该路段上。以此类推，可以得到十字路口以西和以北的车流量信息，然后以东西方向和南北方向为单位对车流量进行整合，计算南北方向和东西方向上的滞留车辆数分别为多少。假如当前东西向的滞留车辆数为60辆，南北向的滞留车辆数为10辆，而当有30辆车滞留在这一路段上时就会导致道路拥堵，那么，系统会根据当前该十字路口各个方向的交通流量对信号灯的时长做出相应改变，适当延长东西向的绿灯时长，以减少该方向上的车流量。这样的控制方法可以将十字路口本来拥堵的某一方向上的车流量慢慢分流，虽然最后可能由于某个方向的绿灯时间延长而使另一方向上的车辆的等候时间变长，但这个等待时间比堵车所花费的时间要短得多。这一过程可用下图表示：

4 结束语

随着网络通信技术的不断发展，物联网技术已经进入了快速发展的阶段。基于物联网环境下的智能交通灯系统是今后交通灯设计和应用的发展方向，它可以合理、高效地解决我国当前人多、车多、道路资源利用不充分等问题，为交通系统实现自动化、智能化提供了强大的技术支持。

参考文献：

[1] 陆化普.交通规划理论与方法[M].北京：清华大学出版社，2006.

[2] 高自友，任华玲.城市动态交通流分配模型与算法[M].北京：人民交通出版社，2005.

[3] 李野，王晶波，董利波，周国志，宋俊德.物联网在智能交通中的应用研究[J].移动通信，2010（15）.

[4] 颜志国，唐前进.物联网技术在智能交通中的应用[J].警察技术，2010（6）.

[5] 彭新玉.基于物联网架构的智能交通解决方案[J].邮电设计技术，2012（6）.

[6] Merchant D K，Nemhauser G L.A Model and an Algorithm for a Dynamic Traffic Assignment[J].Transportation Science，1978a（12）：183-199.