一种分布式智能交通信号灯管理系统设计

王振宁　马慧颖　李豪杰　郑豪杰

摘 要：随着各地交通拥堵问题日益严重，传统的交通控制系统已不能满足要求，智能交通控制系统应运而生。本文提出了一种分布式智能交通控制系统，介绍了分布式智能交通控制系统的工作原理和具体实现方法。该系统能结合实时车流信息、历史车流信息、相邻路口车流信息、拥堵车辆阈值，實时调节交通信号灯放行时间，减少车辆等待时间，避免车辆发生拥堵。

关键词：车流量;分布式系统;智能交通控制系统

中图分类号：U491.51;TP273文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2021）11-0111-03

Design of a Distributed Intelligent Traffic Signal Management System

WANG Zhenning1 MA Huiying1 LI Haojie1 ZHENG Haojie2

（1.School of Mechanical and Power Engineering， Zhengzhou University，Zhengzhou Henan 450001;2.School of Information Engineering， Zhengzhou University，Zhengzhou Henan 450001）

Abstract： With the increasingly serious traffic congestion problem， the traditional traffic control system can not meet the requirements， intelligent traffic control system came into being. This paper presented a distributed intelligent traffic control system， and introduced the working principle and specific implementation method of the distributed intelligent traffic control system. The system can combine real-time traffic flow information， historical traffic flow information， adjacent intersection traffic flow information and congestion vehicle threshold to adjust the traffic signal release time in real time， reduce vehicle waiting time and avoid vehicle congestion.

Keywords： traffic volume;distributed system;intelligence traffic control system

目前，城市道路车辆越来越多，一系列交通问题也随之出现。传统交通控制系统采用固定的配时方案，在路口设置红绿灯，红绿灯开启时间固定设置。在路上车流量极少的情况下，这种控制方式能对路口交通状况进行有效管控。但是，随着社会车辆的增加，城市道路上的车辆明显增多，而传统交通控制系统难以有效疏通交通，导致城市主干道车辆积压，通行不畅，从而造成道路拥堵，更有甚者，还会导致车辆刮擦等交通事故增多、汽车尾气排放增多等[1]。这时，采取缓解交通拥堵的控制手段便尤为必要。

智能交通控制系统区别于传统的交通控制系统。智能交通控制系统能根据路口车流的实际情况，实时调整信号灯的放行时间，在一定程度上缓解交通拥堵的现象。国内外的智能交通控制系统可分为两大类：集中式智能交通控制系统和分布式智能交通控制系统。国外具有代表性的集中式智能交通控制系统有英国的SCOOT、西班牙的ITACA等，分布式智能交通控制系统有澳大利亚的SCATS。国内关于交通控制领域的研究在信号控制仿真、自适应控制建模等方面都有一定的进展，但多数研究是局部的，关于实际应用交通控制的研究较少[2]。本文设计了一种分布式智能交通信号灯管理系统，以缓解交通压力，合理调度车流量。

1 分布式智能交通信号灯管理系统设计

分布式智能交通信号灯管理系统在每个路口设置有独立的控制系统，包括一个控制箱、路口停车线前方的红绿灯和停车线后方的车辆识别装置。控制箱连接路口停车线前方的红绿灯和停车线后方的车辆识别装置，并与相邻路口的控制箱相连接。控制箱内设置有微控制主机。分布式智能交通信号灯管理系统可路口各个方向的车流进行统计和预测，并与相邻路口的交通控制系统相互连接，同时获取其他路口朝向本路口方向的车辆预测数据，然后进行优化处理，并做出处理动作。

内部信息流向如图1所示。具体工作原理及步骤有五点。

第一，获取路口各个方向的实时车流信息：停车线后方的车辆识别装置将获取的信息传递给控制箱内的微控制主机，微控制主机对信息进行分析识别和汇总，得到路口每个方向的实时车流信息。

第二，建立历史车流信息数据：经过一段时间的收集和统计，建立路口各个方向的历史车流信息数据。

第三，预测未来某一时段路口各个方向的车流信息：微控制主机结合历史车流信息数据，根据软件内置的模型预测未来某时段的车流信息。

第四，做出决策：将实时车流信息与先前预测的车流信息进行对比，叠加路口各个方向拥堵车流信息阈值，以及相邻路口控制箱的微处理主机传来的朝向路口方向的车流信息与决策数据，并根据软件事先设定的事件处理方式，做出相应的实时决策和预测决策，最终将处理结果形成数据，与当前路口相应方向的车流数据一起反馈回相邻路口的微处理主机。

第五，实施路口交通控制：微处理主机将当前路口做出的实时决策转化成控制信号，控制路口相应方向红绿灯的开启闭合，同时结合相邻路口微控制主机反馈的决策数据与车流数据进行不断优化处理，从而生成新的实时和预测决策，通过当前路口的微处理主机转化成控制信号，实时形成对路口的交通控制。

通過以上步骤，可根据当前实际车流量、预测未来车流量、周围路口车流量和拥堵的车辆阈值实现对信号灯通行时间的分配，最大程度上减少车辆等待时间，避免因交通信号灯造成的堵塞，减缓交通压力。

2 系统的实现

2.1 硬件及数据传输

2.1.1 控制箱。内设置微控制主机，微控制主机上设置微处理器、内存、硬盘和通信接口。微处理器为高性能人工智能微处理器，选用一台7.5 W的单模块超级计算机，目标检测能力强，可为终端提供真正的AI计算功能，用于车流量的检测。此微处理器基于NVIDIA Pascal? GPU 架构，搭载8 GB 内存，且内存带宽为59.7 GB/s。同时，微处理器配备多种标准硬件接口，可轻松与不同产品实现集成。对红绿灯的控制则采用ALIENTEK MiniSTM32。

2.1.2 车辆识别装置。车辆识别装置由摄像头及处理器组成，通过摄像头对停车线后方各个车道的车辆进行识别、摄像和拍照，并将信息传输至处理器，统计一定时间内的车辆数量，从而计算出车流量。

2.1.3 相邻路口控制箱之间的通信。相邻路口控制箱之间的通信采用无线传输模块ATK-LORA-1，具有体积小、微功率、低功耗、灵敏度高等优点。

2.2 模型与算法实现

2.2.1 红绿灯配时算法。依据模糊控制理论，根据当前车流量和预测流量模型分配信号灯放行时间。将计算和预测得到的各方向的车流量信息输入模糊控制器中，在模糊控制器中，对各方向车流量值进行模糊化处理，转化为系统可识别的模糊量，依据模糊控制规则库进行模糊推理，匹配最适合这一数值区间的红绿灯开闭时长，产生模糊控制量，再经逆模糊化，产生可用于控制红绿灯开闭的时间数据[3]。模糊控制基本方法如图2所示。

模糊控制具体过程为：将预测及计算后获取到的实时车流量数据按照不同方向分类输入模糊算法控制器中，控制器根据方向将车流量数据输入指定的算法通道中，在通道中进行模糊推理，算法首先确定车道数量及道路交通复杂情况，由此将路口模糊归类，确定红绿灯的总状态数，随后算法标定车流量数据并将车流量数值划分至对应区间，依据模糊控制规则库中的车流量数据区间与红绿灯开闭时长匹配每一状态红绿灯的开闭时长，最后，综合各方向数据，依据模糊规则求解出路口各状态红绿灯开启顺序和时长数据，并将数据转化为字节类型，以便后续与红绿灯控制模块进行通信。

2.2.2 车流量统计模型。采用视频检测技术对车流量进行检测，可以在不破坏路基的前提下实现车流量的检测，检测范围比较广[4-5]。虚拟线圈检测法是通过在所获取的交通路口图像中设置一个感兴趣区域，作为主要的待测区域研究。该监测方法可以减少程序的运算量，只对设置的虚拟区域内的图像变化特征进行研究和处理来获取车流量，并不需要对整个图像进行研究[6]。本系统采用虚拟线圈检测法，通过在车道线的某一处设置虚拟线圈，利用摄像头捕捉通过车辆的图像，实现车辆数量的统计，从而计算出车流量。

3 系统优势

分布式智能交通信号灯管理系统通过综合路口处各种车流量信息，实现了对交通信号灯放行时间的调整。相较于传统的交通信号灯管理系统，具有三点优势。

①当路口控制箱内的微处理主机与相邻路口控制箱内的微处理主机全部失联时，则根据路口方向的实时车流信息，结合历史车流信息，自主决策运行路口各个方向的红绿灯。当前的微处理主机只要与相邻路口的任一控制箱内的微处理主机相连，即可通过转接方式获取其他相邻路口传递的车流数据和决策信息，并将路口各个方向的车流数据与决策信息传递给所连接相邻路口的微处理主机，实现实时接收所有路口方向的车流信息和决策信息。

②与集中式智能交通控制系统相比，分布式智能交通控制系统的控制箱只负责处理分析当前路口各个方向的车流数据，并结合相邻路口控制箱内微处理主机传递的数据，做出路口信息的实时和预测决策，降低微控制主机内硬件性能的要求。交通控制系统的控制箱的微控制主机就设置在各路口，物理距离的缩短省去了发送数据至中央处理器再返回数据的时间，提高了系统响应速度。

③分布式智能交通信号灯管理系统在现有的智能交通控制系统上进行了创新，采用分布式控制系统，解决了集中式控制系统带来的各种不便，具有容灾性好、响应速度快、功能多样化等创新点。

4 结语

本文设计的分布式智能交通信号灯管理系统，具有容灾性好、响应速度快、硬件成本低的优点。我国已有的分布式交通控制系统都由一个中心服务器作为高级控制中心[1]，硬件成本高。分布式智能交通信号灯管理系统不再需要总中心服务器，各个路口的控制箱可以结合相邻路口信息作出本路口的决策。同时，分布式的结构使得系统的应用价值提高，具有广阔的应用前景。

参考文献：

[1]章伟，张代远.基于车流量的交通灯控制系统设计[J].计算机技术与发展，2015（5）：196-199.

[2]于泉，石建军，荣建，等.我国多层分布式交通信号控制系统结构的研究[J].ITS通讯，2004（3）：28-30.

[3]朱晓航，胡佳琳.交通路口红绿灯智能模糊控制方法研究[J].科技传播，2014（21）：216-217.

[4]潘喆，吴一全.二维Otsu图像分割的人工鱼群算法[J].光学学报，2009，29（8）：2115-2121.

[5]王联国，洪毅，赵付青，等.一种改进的人工鱼群算法[J].计算机工程，2008（19）：192-194.

[6]张虹波，匡银虎.基于视频检测技术的交通车流量研究[J].计算机与现代化，2014（12）：58-63.