结合自适应思想的智慧交通灯控制方法研究

杨强 杜芳芳 宋沁峰

摘要：智慧交通信号灯控制方法的研究，在道路安全，节能减排，城市规划等方面都有着重要意义。本控制方法是利用实时道路车辆数据，自适应的控制交通灯的红绿灯持续时长。通过对各個方向的车流量的实时检测，实时反馈，将数据进行比较、运算来实现对红绿灯时间的自动调整，达到有效控制车流量，减少车辆等待红绿灯时间的目的，进而实现节能减排，增强道路安全，提高市民的城市生活幸福指数。并通过模拟仿真证实在各个方向车流量不均匀的路口，该控制方法较传统红绿灯对于车流量控制有了较大改善，对等待红绿灯的时间有了大幅减少。

关键词：智慧交通灯;节能减排;自适应;实时反馈

中图分类号：TP311      文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2021）28-0120-02

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

随着人们生活水平的提高，道路上的机动车数量随之增长，交通拥堵现象频发，同时伴随而来的问题包括尾气排放造成环境污染，人们的城市生活幸福指数下降等。交通灯作为交通中人车行驶的依据，对智慧交通[1]有着非常重要的作用。

现今城市机动车量的不断增加，许多大城市出现了交通超负荷运行的情况[1]。更深一步讲当有救护车、消防车等特殊车辆通过十字路口时希望它能快速通过，避免因堵车而造成无法估量的损失。这些交通问题亟待解决。随着物联网技术和智能车辆技术的发展，智能交通产业将发生重大变革.目前设计交通灯的方案有很多，有应用单片机设计控制、用ABEL语言控制、用FPGA控制、用MATLAB编程控制[2]等，在控制方法上各不相同，也各有特色。但是对于交通灯自适应系统的具体控制方法，尚未有比较具体的算法。基于此，本文提出自适应交通信号灯控制方法。

1 当前交通信号灯存在的问题

现有的交通灯一般设在十字路口，分为东西方向和南北方向，在任一时刻只有一个方向通行，另一方向禁止，持续一定的时间后，经过短暂的过渡，将通行和禁止的方向进行调换。红灯、黄灯和绿灯循环点亮，周而复始，大多数交通灯交替的时间是一个固定的值，也就是说，不管此方向是否有人要通行，该方向的绿灯依然要点亮;不管这个方向等待通行的人有多少，该方向的绿灯依然会熄灭。

这样不合理的设置，不仅增加了道路阻塞的几率，也增加了闯红灯的概率，因此，设计一种新型的智慧交通信号灯的需求已迫在眉睫。该方案的目标是实现不同车流量的情况下，能够自动调整交通灯的持续时间、变换周期，以期达到最佳的交通信号灯控制方案，减少人车等待时间。

2 结合自适应思想的智慧交通信号灯

自适应[3]是以处理的数据特征为依据， 通过自动调整处理方法， 已达到与处理的数据特征相适应的处理过程。针对当前交通灯常见的问题， 结合自适应的思想， 提出了新的交通信号灯设计思路。依据各个路口的个体差异， 有针对性地规划红绿灯持续时间， 以提高道路通行效率。

结合自适应思想的智慧交通信号灯[4]主要分为车流检测、计算分析、智能控制三个模块，系统组成如图 1 所示。其中交通灯控制系统[5]负责交通灯光控制、获取车流量采集模块的数据以及计时显示的控制。小键盘输入控制指令并实时显示车流量信息。

2.1 车流检测模块介绍

在红绿灯处每个方向安装两个摄像头（两个摄像头间距60米），通过智能检测技术，计算两个摄像头之间车辆个数，获取当前方向等待车辆个数。

2.2 交通灯控制系统

通常来说，传统的交通灯信号控制系统在对十字路口的控制方法都采用定时控制，但这种控制方法存在很大的局限性。城市的道路及交通系统都比较复杂，而且交通流的变化比较随机，因此要建立一个数学模型比较困难。近些年来，伴随着智能交通控制理论[6]的不断发展，在交通管理中应用智能控制交通灯的方法得到了越来越多的关注。

对车流检测模块采集到的各个方向等待通过路口的车辆数进行处理：

设当前交通灯非红灯的方向为D1，当前交通灯为红灯的方向为D2（为简化运算，将直行和左转车辆都计入直行车流量，绿灯时间按照两者之和考虑），D1方向交通灯颜色为C1，D2方向交通灯颜色为C2，系统设置的绿灯持续时间为T1，系统设置的黄灯持续时间为T2，绿灯持续的剩余时间为Tg，黄灯持续的剩余时间为Ty。D1方向上等待通过路口的车辆数为D1Count，D2方向上等待通过路口的车辆数为D2Count，D1方向上变为绿灯的次数为n。

该系统能够智能分析，即对车流检测[7]得到的结果进行比较.在黄灯最后一秒做出决策。当红灯方向等待车辆数大于设定阀值20或等待红灯次数大于2时，将该方向红绿灯切换为绿灯，该方向车辆开始通行。否则，仍然放行之前黄灯方向车辆。这里设定的车辆数阀值20，可通过后续输入模块修改[8]。红灯最大等待次数2也可通过输入模块修改。

具体算法如下：假如当前东西向为绿灯，每过一秒检测一次，当绿灯计时结束（绿灯持续时间为60秒，即20辆车每3秒通过一个），变为黄灯，持续3秒。在黄灯最后一秒，首先检测南北向车辆个数，如果超过阀值20，开始放行南北方向，即南北向变绿灯，东西向变红灯。如果车辆数小于20但等待红灯次数大于等于2，则也放行南北方向车辆。如南北向车辆小于20，且等待次数小于2时，判断东西向等待车辆个数，如果大于20，则继续放行东西向车辆，即东西向红灯，南北向绿灯。否则，放行南北向车辆。然后重新开始检测当前绿灯或者黄灯。

具体控制流程如图2。

2.3 外界输入模块

通过外界输入模块，可修改车辆放行的最大车辆数20，也可修改最大等待红灯次数。

针对不同的路口，车流量的状况不一致，可设置不同的车辆数以及最大等待红灯次数，从而满足不同的需求。针对车流量较小的路口，可直接将最大车辆数设置为0。

2.4 紧急处理

该方案支持紧急事件处理，当出现紧急事件时，将车辆放行的最大车辆数改为0，最大等待红灯次数为0。交通灯将恢复到默认模式，即周期性切换两个方向的红绿灯。也可切换到紧急模式，设置某一个方向为常绿灯模式。将最大车辆数改为一个较大值，如1000.即可实现当前绿灯方向一直处于绿灯模式。

3 仿真与结果

通过随机数生成，模拟30分钟的数据：假设东西向到达路口的车辆数为600（平均3秒钟一辆）;南北向车辆较少，到达路口车辆数为100（平均9秒钟到达一辆），通过随机生成函数，生成车辆到达路口的时间。按照不同方案计算30分钟内路口通过的总车辆数和通过该路口所有车辆在该路口的平均等待时间，进行对比。

传统红绿灯的通过车辆总数CarCount1、平均等待时间WaitTime1。

自适应方法下通过的总车辆数CarCount2和所有车辆在该路口的平均等待时间WaitTime2，对比数据如下：

第一次模拟

Carcount1 = 399辆，WaitTime1 = 317秒

Carcount2 = 491辆，WaitTime2 = 439秒，其中前392辆车的平均等待时间为224秒

第二次模拟

Carcount1 = 398輛，WaitTime1 = 341秒

Carcount2 = 492辆，WaitTime2 = 458秒，其中前398辆车的平均等待时间为246秒。

第三次模拟

Carcount1 = 389辆，WaitTime1 = 310秒

Carcount2 = 494辆，WaitTime2 = 420秒，其中前389辆车的平均等待时间为209秒。

经过多次仿真可得结果：该自适应思想的交通灯控制算法比传统红绿灯控制方法在相同时间内通过车辆数更多，对于通过的相同车辆，车辆通过增加量约25%，车辆等待更短，时间缩短约30%，由此可得如下结论：对于一个方向车流量大，一个方向车流量小的路口，文中控制方案比传统方案优越许多。

4 结束语

本方案是结合自适应思想而设计的交通灯控制算法，适用于不同车流量的情况，通过检测当前路口每个方向等待红绿灯的车辆数最终决策下次放行的方向。这样摆脱了现在大部分交通灯固有的模式，比如东西向绿灯后，下次绿灯必然是南北向。该方案优势在于东西向和南北向通过车辆数不均衡的路口，将极大提升车辆通行效率。对于东西向和南北向车辆数量相当的路口，该方案工作效率优势将不会太明显，这里后续会做进一步研究。同时，该方案对左转灯和右转灯的情况做了简化处理，后续仍有待完善的地方。

参考文献：

[1] 曹堉. 基于多源数据挖掘的交通拥堵智能识别与改善[D].华侨大学，2020.

[2] 张书阳，陈佳琦.可升级的基于模糊控制的最优化交通信号灯系统[J].数码世界，2020（11）：34-35.

[3] 杜芳芳，王丹，高继梅.结合自适应思想的在线课程建设与应用探究[J].科技创业月刊，2018，31（10）：135-137.

[4] 化雪荟.自适应交通灯智能控制系统设计[J].电脑编程技巧与维护，2015（20）：5-7.

[5] 齐保良，孙悦，汪晴晴，等.交通灯运行时间自适应算法及其控制系统[J].计算机系统应用，2020，29（6）：104-111.

[6] 宋秋实，冯博楷.基于PLC的交通灯自适应控制系统设计[J].山东工业技术，2015（19）：89-90，101.

[7] 雷霆. 城市交通系统无模型自适应宏观边界控制方法[D].北京：北京交通大学，2020.

[8] 何凡凡. 基于雾计算的交通灯智能调控研究[D].西安：西安理工大学，2018.

【通联编辑：李雅琪】