基于智能导航和交通信号灯优化设计交互结合的城市智慧交通体系构建研究

　　　　

(宿州学院管理学院　安徽　宿州　234000)

一、研究综述

随着我国社会生产力的提升，城市化进程不断加速、汽车保有量持续增加，城市交通问题日益突出，已经严重影响了人们的出行和生活。同时由于城市内可供修建道路的土地和空间有限，仅靠新建道路难以解决问题;另一方面，随着个性化交通的不断发展，交通系统变得日趋复杂。[2]仅从道路或车辆单方面着手，很难有效地缓解当前交通压力。针对这一矛盾，国内外研究者从不同角度提出了城市智慧交通方案，试图解决此类问题。例如：美国、欧洲、日本等发达国家分别提出了以智慧驾驶为核心，强调车与车互联的智能交通系统战略研究计划；以交通运行可持续，提升竞争力和节能减排为目标的智能交通系统；以及通过在全国高速公路网引进安全舒适的智能交通系统站点，及时向车载导航系统提供快速而大量的交通信息和图像的智能导航系统。[1]在国内，北京提出并构建了以一个共享信息平台、两个数据中心和七大应用领域为框架的智能交通体系。上海建设了全国首个全面、实时整合、处理全市道路交通、公共交通、对外交通领域车流、客流及交通设施等多源异构基础信息数据资源，实现跨行业交通信息资源整合、共享和交换的智能交通平台。

这些方案在一定程度上解决了城市交通问题，但是其高昂的费用使得其无法在我国大中城市的支线路口和小城镇内使用，同时给使用路段带来较大的经济负担。[3]在城市交通中，各道上的车辆运行畅通与否，是影响整个交通网络的运行效率的最重要因素。而不同方向上的道路交错形成的交叉路口又直接决定了各道路的运行效率。因此各交叉路段交通信号优化是提高道路利用效率，促进智能交通系统(Intelligent Transportion Systems 简称ITS)研究中的重点和难点。[4]

人类对交叉路口信号优化控制已有几十年的研究历史。从最初的定时控制、多时段控制到现在的自适应控制。这些方法虽然很大程度上减少了交通事故，提高了交通效率，但存在如下缺点：一、定时控制红绿灯周期不能根据现实情况调整，容易造成资源不合理分配，降低道路利用效率；二、多时段控制虽然根据时间段调整周期，但是其时间的控制计算较为复杂，不确定因素多；三、自适应控制实时调整周期或者绿灯时间，对驾驶员的判断形成巨大干扰，不适合目前的倒计时显示方式。[4]

为了应对以上控制方法的局限，本文从红绿灯和智能导航的交互结合这一理念出发，建立起一种大范围、全方位、全天候控制的，实时、准确、高效的智能交通系统。即通过当前导航技术信息通讯技术和导航技术的有机结合，快速收集并共享各路段交通运行数据，及时分析交通流量运行特征、预测变化，综合考虑道路通行情况和相邻交通信号灯的距离，规划最佳通行路线及通行速度。根据不同时段道路通行情况设置最佳通行速度，根据最佳通行速度和相邻信号灯距离测算出相邻信号灯最佳时间差，配合智能导航最大限度的保证汽车一路绿灯，从而实现当前红绿灯格局的优化。遵循最高最佳利用原则，以最低的成本最快速的通过障碍。从而实现城市智能交通。最终为未来的无人驾驶技术提供相关技术及实践经验。

二、智能导航及红交通信号灯优化设计原理

(一)假设每条公路是一条一维的直线，那么整个交通网就形成了一个二维平面，当某一路口出现红灯时，就形成了这条一维直线的障碍。假设我们只是用一维的视角去看待这个障碍，将无法穿越。这时如果跳跃出一维视角，从二维，三维，乃至于四维的视角来对待这个问题，那么障碍将迎刃而解。这也就是说当遇到红灯时人们可以从二维平面穿过，即从红绿灯左右两旁道路绕过。但是左右道路状况未知，是否还会有红灯的阻碍也未知，因此大部分人并不采取这种措施；从三维立面跨越，即通过城市高架或地下通道跨过。但高架和地下通道的成本较高，只有少数发达地段才能配备；从四维时间上穿越，即提前加速在红灯到来之前通过或提前减速等绿灯到来再通过(在四维时间这个视角红灯的障碍是断断续续且有规律的出现的，只要我们提前掌握规律，即可完全无视红灯)。

(二)由于每个交叉路口距离和不同时间段的最佳通行速度是可以测算且相对稳定不变的。由v=s/t公式，我们可以轻易的得出相邻路口信号灯最佳时间差。通过最佳行驶速度及距离计算出的相邻绿灯间隔时间，与智能导航相互配合使用，从而保证以最佳速度行驶的汽车在通过第一个路口后便不会遇到红灯。且因此道路会出现有规律的无车期，在人行道两侧安装以此为周期的信号灯可以保证行人有足够且安全的时间通过马路。

三、智能导航及红交通信号灯优化设计具体措施

(一)导航和红绿灯的交互结合设计

运用当前导航技术信息通讯技术和导航技术的有机结合，快速收集并共享各路段交通运行数据(包括道路拥堵情况和其他车辆拟行驶路线及下个信号灯的距离)并以此分析交通流量的流向，设计最佳行驶路线和最佳行驶速度，提前避开拥堵路段，避免造成二次拥堵。

图1　操作流程图

如图1所示，智能导航根据交通信号灯实时信息，预测汽车按最佳速度到达交叉路口时是否为绿灯，如果是则直接通过。如果不是则查看道路实时状况，道路状况良好则加速赶上上一个绿灯；如果路况较差则减速等到下一个绿灯通行。(此处的路况主要指道路实物状况，车道上车辆密集度等)

(二)交叉路口绿灯时间设计

如图2所示，假设各路段长度分别为S1、S2、S3、S4、S5、S6，通过调查计算得知在该路段某时段行驶的最佳速度为V1、V2、V3、V4、V5、V6，汽车A从T出发按最佳速度行驶。

图2　交通模拟图

根据汽车的行驶速度和距离下个路口的距离我们可以得出汽车从A处(即第一个路口)出发直走通过第二个路口的时间为T+60*1/60=T+1，第三个路口同理为T+3，第四、五路口以此类推。

如果汽车从第一个路口左转，则其通过下方第一个路口的时间为T+2，通过的第二个路口时间为T+5，其他所有路口以此类推。

因为交叉路口绿灯时间为周期循环，在此假设红灯和绿灯时间分别为一分钟。根据汽车A到达第二路口时间为T+1，我们设置第一个交叉路口绿灯时间为(T+2n+0.5，T+2n+1.5)n=(1.2.3…)这样汽车将会有前后各半分钟的调整时间，第三个路口绿灯时间可以设置为(T+2n+0.5，T+2n+1.5)n=(1.2.3…)第四个路口绿灯时间可以设置为(T+2n+1.5，T+2n+2.5)n=(1.2.3…)。总结得出当两个路口中间汽车行驶分钟数为偶数时两路口绿灯时间相同，行驶分钟数为奇数时两路口绿灯时间相差一分钟，根据此规律设置其他路口绿灯时间。(此处为方便计算所有数据为整数，当时间不为整数时同理调整即可)

不同路段和相同路段不同时间段的绿灯周期设置均可依照此法。为保证汽车行驶过程全控制，在每条路中的斑马线处可以根据道路汽车空白周期设置交通信号灯，保证行人的安全通过且不干扰汽车的正常行驶。于此同时为了使路人能在有效时间通过斑马线，可以尽量增加每个红绿灯的持续时间保证行人正常通过并设置属于路人的黄灯，提醒路人时间不足以过斑马线，等待。防止因不能及时通过阻碍车辆通行或导致交通事故。条件允许且必要的交叉路口可以设置一些帮助路人快速通过的装置。

四、基于智慧导航设计的城市智慧交通体系的拓展应用

(一)为紧急车辆提供绿色通道

利用此系统过程全控制的优势，当发生火灾，交通事故、违法犯罪事件等紧急情况时，消防车，救护车，警车等相关车辆可以通过设置出发点和目的地，经系统分析选择最佳路线，开启绿色通道。即在通往目的地的过程中提醒途中车辆及时避让(对于罪犯逃亡过程请求相关车辆进行干扰，让罪犯无路可逃)并控制信号灯，在经过该路段时转为绿灯。(转换之前提示其他车辆及行人，提醒做好准备)为办事车辆争取宝贵的时间，从而更好的保护人民的财产和安全。同时对于有紧急需要的普通用户提供一定额度的要求其他车辆避让的机会，并设置一些可以增加机会的方案，例如：每当避让次数达到一定要求后增加一次要求其他车辆避让的机会。如果在可以的情况下不避让将会给予适当的处罚，对于不避让造成的事故负全责。从而方便人们出行，更人性化的完善交通法规，更体现国人互帮互助的优良传统和高尚品质。

(二)提供车辆行驶信息，构建智慧城市

利用汽车上的智能导航记录汽车行驶路径、时间、速度，并传送至相关部门，进行分析，通过对全城汽车的行驶路线、时间和速度进行整理分析，为城市道路和城市功能布局的科学规划提供有效数据，打通城市发展的任督二脉，从而更好的建设智慧生态城市。

(三)提醒并监督驾驶人员遵纪守法

在汽车的行驶过程中智能导航根据所在城市的交通法规，对即将或已经作出违章违规行为的司机进行提示，避免因不了解当地交通法规而造成违章违规，保证道路安全畅通。同时对不听提示继续违规违章行为进行记录，并上传至交通管理部门依法处理。彻底消除驾驶人员侥幸心理，从而对交通法规产生敬畏之心，减少交通违规违章，形成一个有秩序的交通体系。

(四)为无人驾驶技术提供过渡性保障

通过对当前智能导航的发展以及现有交通信号灯的优化，逐步实现驾驶过程的全控制，为未来无人交通的发展提供客观条件。在这种提示式驾驶的过程中司机对汽车的行驶起决定作用，因此即使出现故障也可以及时调整以避免交通事故。在智能导航使用和完善过程中收集大量驾驶资料，总结相关经验。为顺利向无人驾驶过渡提供保障，避免因早期无人驾驶技术不成熟应用而造成危害。

五、实施条件分析

(一)全面覆盖智慧交通系统

为了保证上述设计最大程度的实现，必须要求智能导航全面覆盖且信号灯格局彻底整合优化。即所有车辆均配置并按照导航指示行驶，所有交通信号灯均可由系统统一控制且随时可以调整。否则没有安装智能导航的汽车将无法了解并遵守最佳行驶速度，从而影响其他车辆和行人。也无法更好的为紧急情况开启绿色通道，保障人民生命财产安全。如果没有交通信号灯与智能导航交互结合，智能导航计算的汽车行驶速度也无法达到最高最佳，从而影响居民出行质量和道路利用效率。对于公共紧急情况无法对信号灯进行控制，依然使用闯红灯的方法对相关人员的人生安全也是极不负责的。为了城市的健康发展需要政府的强制实施。

(二)严格执行交通法规

该方案的实施需要在真正意义上做到全方位实时控制道路状况。但在当前社会背景下由于各种原因(没有人行道，人行道被汽车，摆摊等占据，没有走人行道的意识)人们往往不走人行道且经常横穿马路，极易造成交通事故并降低道路利用效率。因此要想真正达到过程全控制必须在相关道路两旁设置人行道并要求行人和非机动车辆等必须走人行道，不允许随意横叉马路，必要的话设置斑马线并配置红绿灯。(因为在此系统实施下道路将会有固定周期的无车期，将此时间设置为斑马线绿灯时间)

六、结语

本文针对当前城市交通压力巨大且道路空间有限这一现状，在参照当前智慧交通红绿灯系统的基础上，采用四维视角，以降低成本、提高道路利用效率、减少城市交通问题、实现最高最佳利用原则为核心。以导航与信号灯的交互结合为方法，以小范围时间差为立足点。在互联网、大数据、北斗GPS等技术的支持下，通过系统优化红绿灯格局、严格执行交通法规，全面覆盖智慧交通系统等保障措施的实施，通过1.当前交通信号灯的系统优化，使汽车在最佳行驶速度下少遇红灯。2.将交通信号灯及车道信息及时反映给智慧导航，通过严谨的分析给驾驶员提供最佳驾驶速度，提前告知并提醒驾驶员避开拥堵路段。通过利用互联网技术实现红绿灯系统和导航设备动态交互联系，小范围的突破时间以此解除空间限制。从而实现提高居民出行质量、提供最优路线、保障生命财产安全、减少交通事故、减轻交通污染，减轻交管负担、搜集有效信息、提供色盲人群驾驶机会等目标。促进城市智慧交通发展，最终通过这种提示式驾驶为未来向无人驾驶的顺利过渡提供。