智能交通信号灯控制系统设计

李欣然

摘 要：为解决日益严重的城市交通拥堵问题，本文提出一种基于实时交通流量反馈调节的智能信号灯控制系统。系统实时监测城市交通网络各个路口的交通流量，并兼顾整体与局部作出决策，最后调控决策作用于交通网络各路口流量，形成调节反馈的闭环控制。与传统的定时控制方法相比，具有经济迅速的特点，能有效增强城市交通通行能力。

关键词：智能交通；信号灯；分布式计算

中图分类号：G63 文献标识码：A 文章编号：1673-9132（2017）04-0228-03

DOI：10.16657/j.cnki.issn1673-9132.2017.04.145

利用信息技术，通信技术和控制技术等高新技术开发的智能交通系统可以在现有通行条件下大幅度提高交通网络的运行效率，是解决交通拥挤问题的最经济最有效的办法。本文通过分布式信息采集系统检测道路流量，中央处理系统分析决策，分布式信号灯控制系统做出反馈，信号灯控制路口通行，直接控制道路流量，如此形成智能交通系统闭环。

一、系统方案设计

本文提出的智能交通信号灯控制系统如图所示，系统主要分为三部分：其一是分布式信息采集系统，负责为系统提供输入数据，相当于系统的“眼睛”和“耳朵”。其二是分布式信号灯控制系统，负责输出系统的决策信息，相当于系统的“嘴巴”。其三也是最重要的是中央处理系统，是整个系统的“大脑”，要处理系统海量数据，控制系统的运行。

首先，在城市道路每个路口设立分布式信息采集系统，该系统用于检测每个路口的流向信息。目前，可行的方案是借助道路路口设立的图像传感器，使用基于计算机视觉的方法检测该路口当前方向车辆数目。这些原始信息经过简单处理后，传输至中央处理系统。

中央处理系统是整个系统的中枢神经，负责对车流量信息进行分析，并作出控制决策。中央处理系统内建城市交通网络，即城市交通道路的拓扑信息，它记录每个路口交通信号灯绿灯延迟信息等等重要信息。工作时，中央处理系统收到每个路口每个方向的车流量数据，然后综合考虑全局，兼顾重点与局部，根据流量数据动态迭代计算，作出决策，即绿灯延迟等信息，并将决策发送至分布式信号灯控制系统。

分布式信号灯控制系统是控制城市道路上每个路口各个方向的信号灯的系统，系统包括信号灯以及嵌入式通讯设备，用以缓存信号灯延迟，接收中央处理系统控制信号并协调同步路口信号灯，受控制的信号灯作用于车流，从而控制城市道路车流量。

整个系统如此形成环路，通过“调节—反馈—调节”的方式，实时动态优化控制城市交通流量。

二、分布式信息采集系统

分布式信息采集系统用于采集城市道路每个路口的交通流量。这是一个分布式的信息系统，系统节点分布在城市交通网的各个关键路口，它们协同工作，实时监测交通流量，并将流量信息反馈给中央处理系统处理。

以一个十字路口的流量信息为例，分布式信息采集系统在此路口设有一个节点以采集交通流量信息。路口交通流量信息包涵单位时间内，在N方向车道上前往W、S、E三个方向的通过的车辆数目，以及W、S、E三个方向前往其他方向的车辆数目，共计4组12维数据。

为准确获得单位时间内车辆通过数，系统设计在N、W、S、E四个路口分别设立图像传感器，通过预先训练的卷积神经网络方法识别车辆，统计各个方向单位时间通过车辆数目。然后，车流量数据经过简单处理压缩，通过数据线路传送至中央处理系统。

三、中央处理系统

中央处理系统负责接收分布式信息采集系统发送的城市道路所有路口的车流量信息并进行处理，结合内建城市交通数据做出决策，最后发送控制指令到分布式信号灯控制系统。

中央处理系统内建城市交通数据，以层次化方式把城市道路分为主干道路和次要道路。为实现交通流量的全局最优，系统首先考虑主干道路。然而，交通状况评价主要关注系统局部最坏情况，如一条道路交通拥堵，所以系统会迭代考虑由主干道路围成的次要道路系统，做到局部次优，同时可以设置权重以区分对待不同区域，例如确保城市中心区域交通状况良好。中央处理系统的设计逻辑形成了由全局到局部分而治之的策略，从而达到对整个城市交通系统有条不紊的控制。

以北京城市交通道路为例，如示意图所示，对路口A，以及路口相连接的AB、AC、AD、AE四条道路为一个主干，四周4块区域为4个局部。系统首先考虑单位时间的A路口各个方向的车流量，然后根据路口相连道路的长度、宽度、车辆通行速度等指标计算道路饱和度。根据以下策略控制道路饱和度：

负载均衡原则，即调控相连道路，使其饱和度趋于一致。

最小最大负载原则，即调控道路，使其保持较低道路饱和度，并且道路饱和度在时间上趋于稳定。

假设AC、AF为长安街，实际交通流量大，计算权重高，而相比AB、AD方向流量相对较小，权重较低。所以系统调控策略会在高峰时段增加AC、AF横向通行的绿灯延时，而减少AB、AD方向纵向同行的延时。以A路口为例，其控制流程如下：

对当前路口输入数据，首先计算判断路口A各个方向流量是否变化，如果模糊计算流量不变，则对该路口决策为保持。如果模糊计算流量变化，则检查流量是否减小，如果减小则减短该方向绿灯的延时，以提高其他方向车辆通过率；如果流量增加则检查是否超过道路承载力。如果合法则提高当前方向绿灯延时，提高车辆通过率；如果不合法则发出警报，并维持当前流量。最后根据流量结合系统内部数据，计算得到路口A绿灯延时。

为兼顾整体和局部，对A路口调控策略同时作用于相邻B、C、D、E四个路口，同时上述四个路口调控策略作用于A路口调控策略：当A路口流量超过道路承载能力时，B、C、D、E路口会调整延时减少流入A路口车流，以降低局部负荷；当路口A增加某方向绿灯延时以提高路口通行能力时，路口A调整延时间接影响路口B、C、D、E路口延时，对路口A调整延时与其他路口叠加延时求和，以调整路口某方向道路整体通行能力。

中央处理系统能到“看到”城市交通状态的全貌，并且“考虑”到全局的交通流量，通过分治策略与协同控制，作出兼顾全局与局部的决策，然后落实到路口各个方向的控制延时上，最后中央处理系统发送控制指令，调整交通网络各个路口各个方向控制延时。

四、分布式信号灯控制系统

分布式信号灯控制系统是系统决策的执行者，该系统负责接收中央处理系统的控制信号，并以信号灯延时的方式控制交通流量。

系统初始设有固定的信号灯延时，同时等待中央处理系统发出控制指令，根据指令调整信号延时。系统同时缓存该延时并持续执行，直至中央处理系统再次发出调整延迟的控制信息。

分布式信号灯控制系统的设计相对简洁，由于控制系统节点与信息采集系统节点高度重合，所以在计算与通讯硬件的实现上，可以复用同一套设备。同时，系统被动调整的实现策略可以保证即使中央控制系统离线，城市交通也不致瘫痪。

参考文献：

[1] S ebastien Faye，Claude Chaudet，sabelle Demeure. A distributed algorithm for adaptive traffic lights control[C]. 15th International IEEE Conference on Intelligent Transportation Systems， 2012：1572-1577.[2] Yousef K M， Al-Karaki J N， Shatnawi A M. Intelligent traffic light flow control system using wireless sensors networks [J]. Journal of Information Science and Engineering，2010（26）：753-768.

[3] WU Hejun，MIAO Changyun. Design of intelligent traffic light control system based on traffic flow [C]. International IEEE Conference on CCTAE，2010：368-371.