轮询机制下交通信号灯控制模型仿真研究

胡文甲

摘要：随着人们生活水平不断提高，车辆拥有量不断增加，但由于我国基础设施规划问题，导致有限的交通资源难以满足不断增多的车辆，造成我国各大城市拥堵现象严重。交通信号灯作为疏导城市交通的一个重要工具，针对实时的交通情况实现对交通信号灯的有效控制是十分有必要的。文章针对当前我国现有交通信号灯口控制策略的不足，提出了一种轮询机制下交通信号灯控制模型，并且进行了仿真分析。

关键词：轮询机制;交通信号灯;控制模型;仿真

中图分类号：TP391.9 文献标志码：A 文章编号：2095-2945{2019）12-0041-02

1概述

城市交通信号灯在控制达到主干道路的交通流时，主要采用绿、黄、红这三种颜色（即现实生活中的规格），由于到达主干道路口的交通流受一系列因素的影响，加之随机性大，所以，通过科学的数学模型的构建以及人为预定的一系列方案都无法取得令人满意的效果。而智能交通控制系统的运用，能在现行的道路中使行车延误和交通拥堵减少，进而使交通事故的死亡率和发生率降低，并且降低污染程度，减少能源的消耗量。

2轮询机制下交通信号灯控制方法

2.1考虑不同情形的交通信号灯控制方法

在轮询机制下的交通信号灯控制策略的安排下，需要考虑时段因素以及交通环境因素来进行交通信号灯控制方案设计。

2.1.1不同时段下的交通信号灯控制方法

需要在调查清楚城市的车流量且仔细分析过后再进行解决。在具体的操作过程中，应该是使用交通总站的上位机定时来给各个路口发送无线讯息，进而改变每个路口PLC程序中设定好了的时间，以此来调节路口信号灯的时间。

具体的交通信号灯调控方案为，在进行协调控制路段的两端中实现这个定时控制方案。这个控制方案的定时控制配时是依据当时的实际交通流量以及数学模型计算得出的。在使用协调控制方案的时候，一般是用电台传播的方法来进行通讯的，最后达到协调控制效果。

2.1.2不同交通环境下的交通信号灯控制方法

路段上的车流量是城市干线交通信号的协调控制机制的主要依据。因此，路段车流量的统计十分重要。

道路的拥堵，在一般情况下，是由于当路段中出现最大容量的车辆数时，持续进入车辆，以及（或者）无法及时放行车辆所造成的。此时，若车辆持续进入已达到拥堵临界值的TJ2路段中，车辆就会更加多，从而导致拥堵。再如，此时路段L2的下一出口处于红灯相位，则L2/L1中的车辆数会因南北方向开来的车辆而增多，当超过临界值时，拥堵形成。所以，该系统的控制分三种情况。

（1）情形1：当L1/L2中的车辆数（具有通行权）达到Cmax时，拥堵便会出现。

（2）情形2：若在上一情形中放任车辆的进入，便会更加拥堵，此时，为了禁止持续进入车辆，将绿灯相位变为红灯。当L1/L2中的车辆数不及临界值的3/5后，缓解了拥堵情况，可将红灯相位变为绿灯。

（3）情形3：此时，L1/L2路段中车辆的出口方向处于红灯相位，無法放行车辆。而该路段会因不断增加的来自非干线的右转车辆而等待车辆的长度变长。由于干线有许多的车辆，假设在结束第一相位后，L1/L2路段中等待车辆为临界值的一半，这就表示若非干线上的右转车辆数为26PCUs，即临界值的30%时，该路段的车辆数便会剧烈增多，达到临界值，右转车辆继续增多，便会拥堵。此时，将绿灯变为红灯，即改变该方向的信号相位便是控制策略，有别于情形2和情形1的是，此时不再是分割绿灯相位的控制策略，而是直接进入第4相位，即下一相位。如此，可以保证车辆在干线上的通行效率，尽快放行拥堵已经形成的路段中的车辆，避免更严重的拥堵的形成。

2.2仿真实验

本文选取典型的四相位作为研究对象，然后使用Mat-lab进行仿真。此处，用一组数据来诠释，比如s1=0.4，系统在第4相位下通行正常。Roadl路段中的车辆数在27.621s时为4/5最大容量，即70PCUs，此时应禁止该路段中持续进入直行车，当路段中的车辆数减少至3/5的最大容量时，即18PCUs，系统时间是34.421s，此时未结束的绿灯相位能继续，可放行直行车辆，依次迭代。57s是最大绿灯时间，可见在车辆被禁止通行的过程中，当车辆数为7PCUs时，该相位结束了绿灯时间。

3轮询机制下的交通信号灯控制方法的建模与仿真

3.1轮询机制下的交通信号控制方案

本文通过轮询机制来分析交通信号灯控制的方案，把四相位交叉路口当作研究对象，可以把四相位交叉路口当成是四个队列的轮询系统，然后各个相位中的车道都是轮询系统里面的缓冲队列，信号灯就相当于轮询系统的服务器。

在轮询系统的指导下，以交通信号灯作为服务器，控制四相位交叉路口中的车辆，让车辆按照一定的顺序来通过路口。

3.2轮询机制下的交通信号灯控制模型

在对控制子区进行交通信号控制研究之前，需要先对控制子区抽象出路网模型，然后根据路网模型设计控制策略。通常，用圆圈代替路网的交叉口，连线可以当作是交叉口间的路段，控制子区简化后的路网图。

对城市道路交通信号的配时优化主要是根据各个相位的车流量对绿灯时间进行动态调整。

3.3轮询机制下的交通信号灯控制模型仿真结果

针对在[0，180]（s）范围内随机得到的5组车辆实际等待时间算例，在MATLAB平台上优化绿灯时间分配，对四相位交叉路口来仿真。假设每个相位车道最开始车辆数为10（pcu），统计50个信号周期，假设车辆以饱和流率1800（peu/h/车道）经过路口，以2s作为一个单位时间，前100辆车的到达率是0.2（peu/slot），路口是饱和状态，随后的车辆到达率是0.1（peu/slot），路口是非饱和的状态。

在车道处于较高的饱和度时，某相位一旦进入绿灯期，就会有很长一段时间一直保持绿灯，如第3轮绿灯时间已达到200（单位时间），这在实际交通控制里会由于信号周期过长，让驾驶人员闯红灯的概率更大。

饱和状态下由于车辆上限控制，每个相位的绿灯时间不能超过20（单位时间），超出车辆就会作为多余车辆等待下一次绿灯信号的显示;由于车流饱和度降低（第15个信号周期后），绿灯根据完全服务方法对信号进行切换，车道中的全部的车辆都能够在一个信号期间经过路口，这样就不会剩下车辆，验证控制策略的收敛性。

优化算法下，拿定周期信号灯控制方法作对比的话，减少速率更快，横轴代表周期数，纵轴代表路口放行车辆数的量。并且在优化算法下。和定周期信号灯控制方式相对比，放行的车辆就更多。

和单点配时方案相比较，本文所提出的轮询机制下的交通信号灯控制方案优势更明显，并且平均停车次数大幅减少是顯著表现。这表明在协调控制方案使用后，整个干道方向的车流量的总停车次数变少了，完善了干道交通。和固定相位差协调配时方案相比，动态相位差协调配时方案优势也明显，侧面反映算法是可行的。

本文提出的交通灯控制策略运用到路口时，比较各相车道信号灯切换周期和平均排队车辆数的仿真值和理论计算值。结果表明：仿真值和理论值较好吻合，表明对上述性能指标，采用轮询模型定量分析可以保证精度。

将典型的固定时间控制策略和该策略进行比较，以来对门限型车辆驱动交通等控制策略的效果加以验证。结果显示：

随着车辆达到率的增长，2种控制策略下的平均排队度以及平均等候时间均增加，但车辆达到率一样的情况下，和固定时间控制策略相比，门限控制策略的平均排队度以及平均等候时间均低一些。

车流量对固定时间控制策略切换周期不造成作用。随着车流量的增加，门限控制策略的切换周期会增加，需要注意的是，在车流量<0.1辆，s（较低）时，在各向车道间，绿灯平均每1/3min就要循环点亮一次，信号灯切换周期<20s（较小），这点难以实现于实际工作中。所以，可以规定，当各向车道中均无汽车等待这一情形被控制系统感知到时，通过视频监控设备，将切换绿灯至1号候车列队，待某方向车辆达到时再及时切换，如此可避免交通灯在无车时切换频繁。

4结束语

本文基于轮询机制提出了一种交通信号灯控制策略，本文提出的所有进口道适时交通信号控制策略要求全面监测进口道和环道的交通运行状态，面向所有进口道适时实施交通信号控制。该策略是有效的，能够显著减小车辆的平均延误和停车次数。