可恢复的自适应式交通信号灯设计说明

李嘉屹 巴兴强 吴大伟

（东北林业大学，黑龙江 哈尔滨150040）

1 研究背景及意义

近年来，经济水平不断提升的同时，城市化和机动化也在迅速发展，我国人均汽车保有量不断增加。根据已知数据，未来5 年，我国机动车新驾车者的数量将以每年2000 万的速度增长; 到2025年，中国的机动车总数量将达到3.8 亿辆。数量剧增的机动车增加了交通流的延误，加剧了能源浪费和环境污染，也给整个交通系统的效益造成了不可估量的损失。日益严重的交通拥堵和交通事故给现有交通管理和控制方法的优化提出了极大的挑战。

信号交叉口是城市道路交通的主要延误点，城市交叉口拥堵问题已经成为制约经济发展和城市建设的聚焦所在，而城市交通信号控制是调节交通流、提高人员和货物的运输环境、提高运输效率的关键[1]。以日本为例，城市中心的机动车行驶时间都花在了平面交叉口上，信号配时不合理、不协调是造成不必要延误的主要原因之一。因此，如何实现一种科学合理的平面交叉口信号配时方法成为研究的核心问题。目前在单路口广泛应用的信号配时方法主要是通过定时信号进行控制，设备简单，投资小，但难以及时根据交通流调整配时，具有一定的局限性。

现有的几种新型交通信号控制算法有：（1）针对现有交通信号控制系统不能适应城市发展的问题，朱旭东提出了一种基于北斗系统的交通流自动监测和交通信号灯智能控制算法[2]。（2）为了解决交叉口交通灯周期不合理的问题而被设计出的基于无线传感器网络的自适应交通灯控制系统。交通信号灯的控制节点组成无线传感器网络系统，通过RSSI 算法测试交通信号灯的行距和等待车辆的行距，根据行距自动调整交通信号灯的时间[3]。（3）袁丽丽等人通过观察视频图像获取路口的实时交通流信息，利用两相单路口交通灯的控制规律提取南北方向和东西方向车辆的排队长度，确定两个方向交通灯的时间关系，进而实现交通灯的自适应实时控制[4]。（4）可以有效降低交通堵塞程度，提高通行能力的基于车速的自适应交通信号控制系统，采用车间通信模式和V2I 通信协议实现车辆与交通信号灯之间的数据传输，通过分析交叉口前方的速度信息和交通信号灯实时状态控制交通信号灯显示，从而实现实时交通流对交通信号灯的自动调节[5]。

计算机技术和通信技术的发展推动了自适应控制模式的出现。与车辆感应控制技术相似，自适应控制通过检测器检测交通流信息，然后通过网络将实时数据传输到PC 上位机，再由上位机实时生成最佳绿灯配时计划。这种控制模式适用于区域管理和干线交通灯协调，上位机可以根据交通流的变化自适应调整运行方案并协调多个信号交叉口以提高整个区域或干线的运行效率。

为了进一步优化现有的信号配时方案，我们的团队开发了一种恢复自适应信号配时的方法，能更好地利用现有的交通能力。该系统可以提高整个区域和干线的效率，从而减少交叉口拥堵，有效缓解交通堵塞，提高道路通行能力和交通流的安全性、舒适性。

2 设计原理

2.1 系统介绍

本套系统是一种自适应的交通信号灯时间分配方法，为了解决固定时间分配会导致交通资源先验概率的问题，系统通过红外感应模块检测每个信号周期进入交叉口排队路段的交通流量，然后计算分支绿灯的长度和绿灯的最小长度，确定分支绿灯时间是否小于或等于最小绿灯时间。本方法根据主干道和支路的流量比，输出适当的信号配时指令，从而优化交通状况，合理地配置道路资源，可广泛应用于交通信号灯的计时。

2.2 检测模块

检测模块具体指安装于交叉口前的红外感应模块，其功能为通过感应统计进入该路段的车辆数，再由红外模块通过线连接的方式将信息传输给单片机。

2.3 处理模块

2.3.1 单片机选用。（1）型号：单片机为Arduino UNO R3；（2）参数：处理器ATmega38;工作电压5V;输入电压（推荐）7-1 V;输入电压（范围）6-0V;数字IO脚14（其中6 路作为PWM输出）;模拟输入脚6;IO 脚直流电流40 mA;3.3V 脚直流电流50 mA；工作时钟16 MHz；（3）接口设置。14 路数字输入输出口：工作电压为5V，每一路能输出和接入最大电流为40mA。每一路配置了0-50K 欧姆内部上拉电阻（默认不连接）。

串口信号RX（0 号）、TX（1 号）：与内部 ATmega8U USB-to-TTL 芯片相连，提供TTL电压水平的串口接收信号。外部中断（2 号和3 号）:触发中断引脚，可设成上升沿、下降沿或同时触发。

脉冲宽度调制PWM（3、5、6、9、10、11）：提供6 路8 位PWM输出。

SPI（10（SS），11（MOSI），1（MISO），13（SCK））：SPI 通信接口。

6 路模拟输入A0 到A5：每一路具有10 位的分辨率（即输入有104 个不同值），默认输入信号范围为0 到5V，可以通过AREF 调整输入上限。

TWI 接口（SDA A4 和SCL A5）：支持通信接口（兼容I C 总线）。

AREF：模拟输入信号的参考电压。

Reset：信号为低时复位单片机芯片。

2.3.2 电源：Arduino UNO可以通过3 种方式供电，而且能自动选择供电方式，外部直流电源通过电源插座供电，电池连接电源连接器的GND和VIN引脚。

USB接口直接供电。

电源引脚说明：

VIN——当外部直流电源接入电源插座时，可以通过VIN 向外部供电；也可以通过此引脚向UNO直接供电;VIN有电时将忽略从USB或者其他引脚接入的电源。

5V——通过稳压器或USB 的5V 电压，为UNO 上的5V 芯片供电。

3.3V——通过稳压器产生的3.3V电压，最大驱动电流50mA。

GND——地脚。

2.3.3 算法设计：

2.3.4 算法流程图：

图1 信号配时算法流程图

2.4 显示模块

2.4.1 显示板的选用

（1）显示板型号：lcd2 004

（2）参数：驱动芯片KS0066（兼容HD44780）

（3）背光：黄光/蓝光

（4）字色：黑色/白色

（5）字库：ASCII 码字库（英文，数字，基本符号）

（6）类型：STN

（7）液晶模块尺寸（mm）：98*60*13.5

2.4.2 单片机输出信息显示：

（1）数据采用串口通信输出

（）输出格式：#"灯色代码"，"剩余时间"，"通过车辆数"/n

2.5 系统实物模型如图所示：

图2 系统实物模型

3 数据调研及测试

3.1 交叉口现状调查

我们以哈尔滨市某交叉口为调查对象。根据实地调查，该交叉口信号灯相位及其配时方案如图3 所示，该交叉口信号灯分为3个相位，周期时长为135s，第一相位绿灯时长为50s，第二相位绿灯时长为40s，第三相位绿灯时长为30 秒，各相位黄灯时长均为5s。

3.2 数据获取

我们通过实人实时实地的方法对交叉口车流进行实时检测，并获得车辆通过交叉口的平均车速v、车流量Q、车辆类型以及车辆在各自车道的运行状况等基本信息，如图4 所示。交叉口路段长度l 与车道数m 则需要通过实际测量获得。

图3 相位示意图

4 功能

本仪器通过红外感应模块实时监测在路段排队的车辆数量，然后根据固有的算法实时调整交通灯配时，以有效提高路网中车辆的通过率，减少路网中车辆的总延误时间，减少路网中车辆的平均排队长度，该仪器能有效缓解城市路网中的交通交通堵塞，特别是在交通压力大的情况下，可回收自适应信号灯能提高城市路网的交通效率，社会效益显著，经济效益得到了有效提高。

5 创新特色

5.1 利用红外感应模块车辆检测器对车辆进行识别，并将所得数据与信号配时相结合。

5.2 根据线性跟驰模型，设计自适应式信号配时算法。

5.3 将道路交叉口摄像头与信号灯连接，提高现有设备利用率。

图4 车辆运行状况表

6 应用前景

6.1 我国交通运输业的迅猛发展不仅推动了区域城市化和现代化进程，也带来了交通事故和拥堵问题。道路交通延误主要发生在信号不完善的交叉口，由此造成的经济效益损失不可估量。可恢复性自适应信号配时方法能有效降低路网特别是交叉口的延误，具有广阔的应用前景和推广价值。

6.2 自适应信号计时方法可以根据实时路口交通流的变化，通过模型算法生成最佳的信号配时方案，引导车辆在城市道路网络更准确更有效地减少城市交通拥堵、减少交通延误和交通事故的数量、提高道路通行能力、协调区域管理，还可以根据交通流的变化对运行方案中的多个信号进行自适应调整，从而提高整个区域或干线的运行效率。

6.3 在智能交通时代，在交叉口信号配时优化的基础上，增加交叉口违章行为检测、特殊车辆识别与优先控制、行人过街安全提示等功能，实现交叉口管理与控制一体化。