一种共享共建式红绿灯时刻预测系统

杜宇翔

摘 要：为了城市车辆能更智慧通行红绿灯交通路口，提出一种共享共建式红绿灯时刻预测系统。论述了共享共建式红绿灯时刻预测系统的架构，阐明了其运行机制。共享共建式红绿灯时刻预测系统具有运营维护投入少，易于推行的优点。

关键词：智慧交通；共享共建；红绿灯时刻预测

1 引言

北京、杭州、济南等大中城市正开展智慧城市建设、智慧城市必须是智慧交通先行[1]。智慧交通建设方面的典型案例是在重要或易拥堵交通路口采用自适应红绿灯系统[2]，该系统能够从现代交通传感系统、互联网大数据等多方位感知交通路口各方向的车流量、车流动态等信息，进行分析处理，自主决策并动态调整交通路口红绿灯的配时，协调交通路口各方向均衡有序快速通过，减少交通路口拥堵状况。

除已安装自适应红绿灯的交通路口外，城市大部分交通路口红绿灯是固定配时的，这些交通路口同样也能开展智慧交通建设，比如建立预测交通路口红绿灯时刻的系统，这个系统能为车辆驾驶人预测前方交通路口的红绿灯变化时刻，驾驶人据此可以采取更合理的驾驶行为通过交通路口。当驾驶人得知前方交通路口绿灯将很快变为红灯时，会松开油门让汽车滑行到红绿灯处等候，避免出现盲目加速试图抢行通过前方交通路口的情况，既可以降低汽车燃油消耗又可以减小交通路口事故风险；当驾驶人得知前方交通路口红灯将很快变为绿灯时，会保持原来车速行驶，避免出现盲目减速后又重新加速通过前方交通路口的情况，既可以降低汽车燃油消耗又可以更快速通过前方交通路口。

德国大众旗下奥迪汽车公司于2016年提出一项将汽车和红绿灯等基础交通设施相连的V2I（Vehicle-to-Infrastructure）技术[3]。前方红绿灯实時运行数据通过无线短距通信传送到汽车，汽车仪表上会显示前方红绿灯状态及其变化时刻，驾驶人据此可以采取更合理的驾驶行为通过红绿灯。

德国宝马汽车公司与美国俄勒冈州Connected Signals公司合作在宝马汽车上安装一款应用软件EnLighten，EnLighten从网络获取城市交通管理中心的红绿灯实时数据，在仪表盘上显示前方红绿灯状态，以及红绿灯变化时间的倒计时牌，方便驾驶人采取更合理的驾驶行为通过红绿灯。

奥迪汽车公司的V2I技术、宝马汽车公司应用软件EnLighten都因城市交通管理中心不配合而难以推行。

本文提出一种共享共建式红绿灯时刻预测系统，不依赖于交通管理中心，按共享共建思路建立维护系统自用的城市红绿灯数据库，为城市车辆智慧通行固定配时红绿灯交通路口提供支持。

2 共享共建式红绿灯时刻预测系统设计

共享共建式红绿灯时刻预测系统由以下四部分构成：

（1）系统营运管理软件；

（2）城市红绿灯数据库；

（3）用户智能手机上运行的红绿灯时刻预测应用软件；

（4）3G/4G/5G移动通信网。

系统营运的关键是红绿灯数据库。在红绿灯数据库里为城市每个需要预测的红绿灯建立一个红绿灯运行模型。红绿灯运行模型主要有以下几个参数：

（1）红绿灯导航定位数据。可以从GPS导航系统或北斗二代导航系统获得。

（2）红绿灯固定配时。红绿灯配时设置了红灯、绿灯的亮灯时间长度，黄灯大多数规定亮灯3秒，禁止车辆通行，所以系统将黄灯配时算作红灯配时的一部分。

（3）红绿灯周期起始时刻。红绿灯按固定配时设置，依次切换到红灯、绿灯、黄灯（如需要），走完一个红绿灯周期，且始终按此周期重复运行。所以只要有一个红绿灯周期起始时刻，可计算出任意一个红绿灯周期起始时刻，以及任意一个红绿灯周期中红绿灯准确切换时刻。

（4）红绿灯同步标识。红绿灯数据库中的红绿灯运行模型和交通路口红绿灯的红绿灯固定配时、红绿灯周期起始时刻这两个运行参数一致时，两者就会同步切换，处于同步状态，红绿灯同步标识置位，标明红绿灯运行模型可用于预测；否则就处于非同步状态，红绿灯同步标识复位，标明红绿灯运行模型不能预测。

红绿灯数据库投入运行后需进行日常维护。日常维护主要内容是是红绿灯周期起始时刻的同步维护。交通路口红绿灯遇检修、停电等情况，红绿灯再启动工作后会与红绿灯模型不同步。即使没有检修、断电发生，由于两者不是工作于同一个时钟，在系统运行过程中会累积时钟误差，时间长了就会出现1秒以上的误差，变得不同步了。这两种不同步情况都需要及时调整红绿灯模型的红绿灯周期起始时刻，保持与红绿灯的同步。

红绿灯周期起始时刻不一致导致的不同步，完全由系统营运方去纠正的话有难处。首先是营运方不能及时发现红绿灯不同步情况，一般只有等用户上报了。营运方在得知不同步发生后，得派人去现场测量红绿灯周期起始时刻。这样做系统营运维护投入大，红绿灯不同步也得不到及时纠正，影响用户正常使用。为此系统吸收用户参与共享共建，可以多快好省地纠正红绿灯不同步问题。

系统营运管理软件在系统运营方一侧运行，负责维持系统正常运行，通过3G/4G/5G移动通信网与用户手机上的红绿灯时刻预测应用软件进行数据交换，维护并保持红绿灯数据库的正确状态。

用户智能手机上红绿灯时刻预测应用软件，依据手机导航信息，在接近前方红绿灯时，自动向用户显示预测的红绿灯时刻。当发现红绿灯不同步时，提供不同步报警和不同步纠正操作接口，配合系统运营管理软件维护并保持红绿灯数据库的正确状态。

3 共享共建式红绿灯时刻预测系统运行与维护

红绿灯时刻预测系统吸收用户参与共享共建，是因为考虑到系统一般用户日常要经过自己上、下班线路上的红绿灯，如果这些红绿灯有不同步的，用户会最先发现，且受红绿灯不同步影响最大，用户是意愿最强烈，最能主动及时采取措施纠正不同步的群体。因此，按共享共建方式吸收用户参与日常同步维护工作是一条合理可行的思路，营运方也会给予用户积分等相应奖励。

为此在红绿灯时刻预测应用软件界面上增设两个按钮，分别是“不同步报警”按钮、“不同步纠正”按钮。当用户经过一个路口发现红绿灯不同步，且不方便进行不同步纠正时，可择机按下“不同步报警”按钮，系统在收到不同步报警后将该红绿灯模型标记为不同步状态；当用户经过一个路口遇红灯停车等候时，发现路口红绿灯不同步了，或者看到系统标记路口红绿灯不同步，用户在观察到红灯变绿灯时刻，按“不同步纠正”按钮，软件自动将路口红灯变绿灯时刻上传给系统，系统及时调整红绿灯模型的红绿灯周期起始时刻，设置同步标识，红绿灯重新同步。

系统用户维护红绿灯同步的操作很简单，举手之劳就可保持自己上下班线路、固定业务路线上红绿灯的同步。系统分散的大群体用户都能做到这一点，其作用叠加起来，就可以保持城市绝大多数红绿灯的同步。

共享共建式红绿灯时刻预测系统运行与维护过程如下：

系统营运管理软件响应用户手机上红绿灯时刻预测应用软件启动后发出的连接请求，通过3G/4G/5G移动通信网建立网络通信，向红绿灯时刻预测应用软件下发最新的红绿灯数据库状态表，状态表中指出了不同步的红绿灯模型，用户不要使用，待有机会进行不同步纠正操作。

红绿灯时刻预测应用软件在收到最新的红绿灯数据库状态表后，对比手机上原有的红绿灯数据库状态表，对于原来同步的，现在不同步的红绿灯运行模型立即标记不同步，暂不使用；对原来不同步的，被纠正后现在已同步的，向系统运管管理软件申请下发同步后的红绿灯运行模型，替换掉手机上原来不同步的，确保手机上的红绿灯数据库与系统一侧的红绿等数据库一致。然后开始为用户提供红绿灯时刻预测服务。

用户在通过路口红绿灯时发现不同步了，进行不同步报警操作，或者进行不同步纠正操作，不同步报警信息或不同步纠正信息上传系统。

系统营运管理软件若收到用户上传的不同步报警信息，标记红绿灯模型为不同步，更新红绿灯数据库状态表，下发各用户；若收到用户上传的不同步纠正信息后，同步对应红绿灯模型，更新红绿灯数据库状态表，下发各用户。

红绿灯时刻预测应用软件实时接收系统下发的最新红绿灯数据库状态表，重复软件启动时收到最新红绿灯数据库状态表后的操作，确保手机上红绿灯数据库与系统一侧的红绿灯数据库一致，继续为用户提供红绿灯时刻预测服务。

將来共享共建式红绿灯时刻预测系统可以进一步提升，将其嵌入到智能手机地图导航软件中运行，为用户提供更智慧的服务，例如可以对导航路径上的连续红绿灯进行规划，提出驾驶建议，让用户一路上遇到的绿灯最多，以最快捷路径到达导航目的地。

4 结语

共享共建式红绿灯时刻预测系统不依赖交通管理中心的红绿灯实时数据，以共享共建方式建立与维护自用的红绿灯数据库，系统营运维护成本低，系统易推行，对推进城市智慧交通建设会起到积极作用。

不远的将来5G移动通信网络到来之时，共享共建式红绿灯时刻预测系统采用的共享共建思路会对车联网的建设，以及车联网之上的物联网的建设[4]提供有益的参考。

参考文献：

[1]张正伟，许娜，赵淑宝.智慧交通在智慧城市建设中的作用[J].建筑工程，2017，03.

[2]李金洋，陈仪香.基于车速的自适应交通信号灯控制[J].计算机技术与发展， 2016，09.

[3]赵洋，陈效华，陈新.浅析V2X技术市场 [J]. 时代汽车，2017，03.

[4]陈督.浅析物联网在智慧交通中的应用 [J]. 电子测试，2017，04.