车联网技术在智能交通信号控制系统中的应用与优化

王长远

（淄博市公安局交警支队周村大队，山东淄博 255300）

0 引言

通过对车联网技术的应用，车辆驾驶员可借助摄像头、传感器和其他设备完成对交通信号信息的实时采集，并及时做好信号数据的处理与传输，除此之外，交通指挥和管理部门也可对上述数据展开分析，据此完成对交通拥堵和交通事故路段的准确判断和监控。研究指出，将车联网技术应用在智能交通领域，可以提前对路况信息加以预测，由此提升道路交通的流畅性，确保交通安全。现阶段，行业人员对车联网技术的研究已经取得一定进展，相关研究也报道了车联网技术对智能交通建设的贡献度，并且指出该技术能够优化交通信号控制系统，有助于实现自动驾驶、智能停车等最新功能，使交通信号控制的智能化水平得以提升。鉴于此，本文重点对车联网技术的应用路径和优化措施做出分析，以供参考。

1 车联网技术应用方向

车联网强调通过无线通信技术，将车辆与互联网相连接，实现车辆之间、车辆与基础设施之间的信息交互和数据共享。其应用方向包括：

1.1 V2V

V2V 是指车辆之间通过无线通信技术进行信息交互。车辆可经由V2V 实时获取周围车辆的位置、速度和行驶方向等信息，从而实现交通流量优化、碰撞预警和协同驾驶等功能。

1.2 V2I

V2I 是指车辆与信号灯、路侧设备等设施之间通过无线通信进行交互。车辆可通过V2I 获取信号灯的状态、道路限速等信息，实现智能导航、交通信号优化和交通拥堵预测等功能。

1.3 车辆+云端服务

车辆通过无线通信技术与云端服务相连接，不仅能够及时获取最新的地图数据、交通信息和车辆状态等信息，提供更智能、个性化的交通服务，还可以实现远程诊断、远程控制以及远程升级等功能。

1.4 车辆+移动终端

车辆通过无线通信与智能手机等移动终端相连接的意义，主要在于车主可以随时对车辆进行远程操作和监控，提高车辆的安全性与便捷性。

2 交通信号控制系统核心技术介绍

2.1 ITS

该技术的全称为智能交通，指的是以交通运输管理为落脚点，通过整合自控、传感器、数据处理等先进技术，最终形成的综合管控系统，该系统在高效性、实时性还有准确性方面，均具有极为突出的表现。

2.2 CAN

作为已在国际社会得到认可的现场总线，CAN 凭借突出的检错能力、极高的可靠性，在汽车领域获得推广。

2.3 RFID

该技术可经由射频信号自动、准确识别目标并获取所需数据，通常不需要人工干预，具有环境适应能力强、识别速度快和操作简单等优点，系统结构见图1。

图1 RFID 结构示意图

2.4 云计算

作为由互联网衍生出的计算服务模型，云计算可以细分为客户端、应用、平台和基础设施四个不同的层次。在这一模型中，虚拟化技术发挥着极为重要的作用，具体来说，就是对操作系统、硬件资源做虚拟化处理，向用户提供其所需的抽象平台，隐藏底层物理实现。

2.5 车联网系统

车联网的本质为由云架构衍生出的信息平台，平台生态链所包含内容较多，如移动互联网、ITS 等，考虑到正常情况下，仍有海量数据信息需要汇聚于云系统，因此，在开发该平台时，有关人员创造性地为其新增了海量存储、虚拟化以及其他云计算功能。车联网系统包括端系统、管系统和云系统三层，具体见图2。

图2 车联网体系

其中，端系统与车辆传感器相对，通常负责车辆数据信息的采集、行车环境和状态的感知，该系统不仅支持车网通信、车内通信以及车间通信，还可以通过联网的方式，使车辆具备快速寻找网络可信标识、快速寻址的能力[1]。管系统主要负责车和网、车和路、车和车、车和人的联通，为车辆提供漫游、通信所需异构网络或是自组网，改善车辆功能的网络泛在性，使专网、公网得到统一。

3 交通信号控制系统中车联网技术的应用

3.1 逻辑架构

既有管理系统将信号灯界定为“引导车辆顺利通行”的工具，作为组成交通信号的关键一环，信号灯通常设置在路口处，由代表禁止通行的红灯、代表警示的黄灯、代表允许通行的绿灯三部分共同组成，其作用是确保行人、车辆均能够安全通过路口。调查发现，由于正常情况下，车辆到达路口且绿灯尚未变成黄灯时，驾驶员会根据所积累经验判断自己是否能够顺利驾驶车辆通过路口，因此，虽然路口均已安装信号灯，但闯红灯的状况仍时有发生。

将车联网用于控制系统的设计与研发，可以依托指定通信协议，对数据信息进行实时交换。这里提到的车联网指的是车辆装载的、可以依托RFID 等技术提取并利用车辆相关信息的电子标签，其核心功能是经由车辆网络对数据进行实时收集、动态分析以及统一处理，通过无线通信同步数据信息，使车辆和基础设施、车辆和建筑、车辆和车辆的信息得到实时交换。交通信号控制系统作为集通信、控制技术、计算机于一体的联网控制交通信号的系统，其核心作用可以概括为优化控制、实时控制以及协调控制，具有实时监控并查询道路状态、快速确定故障位置、上传以及下载配时方案的功能[2]。本文所讨论控制系统由四部分组成，从终端反推至核心部分，依次是交通信号机、通信设备、管理服务器和数据库。基于车联网所开发控制系统包括四个功能模块，即：车载控制、发射信号、接收信号、信号灯。其中，车载控制、接收信号的模块被固定在车内，发射信号的模块直接连接信号灯，且通过无线通信和接收信号的模块相连。

3.2 工作原理

控制交通信号的方式包括自适应配时、固定配时两种，前者是指通过算法实时反馈方案效果、通过车辆检测获取交通信息的方法，后者是指以历史数据为依据，对路口不同方向的绿灯时间进行分配的方法[3]。二者各有利弊，自适应配时可以快速适应道路车流量的变化，但无法保证获取信息完全准确，固定配时的优点是易于实现，但由于无法快速适应道路车流量变化，因此，车辆行驶质量会受到影响。相较于固定配时，自适应配时更能够满足驾驶员的需求。如果以控制目的为依据，则可以把控制交通信号的方法划分三大类，分别是应对突发情况、改善行驶质量、节约能源。

基于车联网对交通信号加以控制，能够有效弥补传统控制方法的缺陷，原因是某些情况下，车联网可以发挥车内局域网的作用，即借助统一的协议，对云、路、车和人的数据进行互动，由此提高交通的智能化程度。在本文所讨论的控制系统中，发射信号的模块负责实时读取信号灯状态，将自己所对应方向绿灯的剩余时间同步给接收信号的模块，接收信号的模块负责将所接收信号同步至车载模块，随后，车载模块以预设阈值为依据，控制车辆行驶状态[4]。若绿灯剩余时间低于预设阈值，第一时间发布报警，确保驾驶员能够按照提示更改车辆行驶状态，若剩余时间与阈值持平或高于阈值，车辆可以继续行驶，由此降低驾驶员误闯红灯的概率。

3.3 运行流程

将车联网用于交通信号控制，可以通过实时获取道路交通信息，优化交通信号控制，提高交通效率和安全性。控制系统的运行流程如下：基于车载传感器、摄像头等设备，实时获取道路上车辆的数量、速度、位置等信息——车辆获取的交通信息将通过车联网技术传输到管理中心——管理中心以所收集到的交通信息为抓手，通过实时分析，了解交通流量、拥堵情况、交通状况——根据交通分析结果，对各个路口的信号灯进行智能控制，优化交通流量和减少拥堵——结合交通情况的变化，实时调整信号灯的时长和配时，以适应实际交通需求。除此之外，管理中心还可以将实时交通信息发布给驾驶员，帮助其选择最佳路线，减少通行时间和燃料消耗。事实证明，基于车联网所设计控制系统，不仅可以实现交通流量的优化，减少拥堵，提高道路通行效率和安全性，还可以通过与智能停车系统、交通违法监控系统等其他交通管理系统集成，实现更全面的交通管理。

4 交通信号控制系统中车联网技术的优化方向

4.1 实时传输数据

车联网加入后，控制系统可以通过以下几种方式实现车辆、控制系统之间的数据传输：一是通过车辆所搭载传感器，实时感知道路上的交通情况，基于车联网，将获取的数据传输到管理中心。二是依托5G、Wi-Fi 等技术，将所获取信息传输到管理中心，确保管理中心能够及时获取最新的交通信息。三是使用适当的数据处理和传输协议（如MQTT、CoAP），确保数据的准确性和安全性。实践经验表明，通过车联网的实时数据传输，管理中心可以及时获取交通信息，根据实际情况调整信号灯的时长和配时，提高交通效率、安全性。

4.2 信号灯配时

控制系统可以在车联网技术的协助下，根据道路上的交通流量、拥堵情况等实时交通数据，智能调整信号灯的配时方案，减少交通拥堵、提高通行效率。确定信号灯配时的过程中，车联网所提供交通流量、车辆位置等数据，均发挥着极为重要的作用。例如，管理中心可以根据不同路段的交通流量情况，合理调整信号灯的配时；再如，根据车辆的位置信息，实时调整信号灯配时，确保道路上的车辆能够平稳通行。

4.3 优先级控制

车联网能够快速识别车辆，将紧急救援车辆、公共交通工具等特定优先级车辆与控制系统相连接。控制系统则可以根据车辆的优先级，对信号灯进行科学调度，为特定优先级车辆提供优先通行权，提高交通效率、公共服务水平。具体原理如下：首先，管理中心借助车联网实时获取公共交通工具所在位置、行驶速度，交通拥堵时，通过智能信号控制系统将公共交通工具设置为优先通行，确保公共交通的准点运行和乘客的出行效率。其次，管理中心通过车联网，获取消防车、紧急救援车辆等优先车辆的位置信息，将信号灯设置为优先放行，确保优先车辆能够快速到达目的地。最后，车联网根据车辆的目的地和行驶需求，实现个性化的优先级控制。例如，车辆需要前往医院或重要会议等紧急场所时，管理中心可以通过车联网将信号灯设置为优先放行，确保车辆能够及时到达目的地。

4.4 跨路口协调

车联网可以使控制系统之间的信息实现互联互通，为跨路口的协调和通行优化奠基。具体来说，就是在车联网的帮助下，实时获取各个路口的车辆位置信息，根据车辆的位置信息，调整信号灯的配时，确保车辆在不同路口之间的平稳过渡。例如，在车辆接近路口时，提前将信号灯设置为绿灯，以减少车辆的停等时间。此外，车联网还能够在以下领域发挥无法被替代的作用：一是绿波控制。管理中心通过车联网获取各个路口的交通流量、车速信息，根据所掌握信息，智能地调整信号灯的配时，使车辆在一条主干道上连续地遇到绿灯，从而实现绿波通行，减少车辆的停等时间，提高道路通行效率。二是优化交通流量。管理中心借助车联网实时监测、分析道路上的交通情况，根据交通情况，有针对性地调整信号灯的配时，最大程度地优化交通流量。例如，在交通拥堵时，将信号灯的绿灯时长适当延长，减少拥堵现象。

5 结语

综上所述，以车联网的核心技术（如CAN、RFID）为依托，对控制交通信号的系统进行优化，可以极大地提高系统的智能化、精细化程度。相较于传统技术，车联网能够协助驾驶员快速、准确地判断自己是否能在绿灯变为黄灯前顺利通过路口，与此同时，提醒驾驶员按照信号灯所给指引驾驶车辆行进，减少路口车辆拥堵，增强道路整体的通行能力，在提高通行安全程度的前提下，为城市建设和发展助力。