智能交通管理系統

摘要：本文介紹了基于電子車牌的智能交通管理系統的信號燈

管理子系統的整個制作過程。作者經過查閱相關資料，了解了智能交通管理系統的發展狀況。文中講述了數據庫的設計與創建、信號燈管理子系統的實現以及用戶界面的制作過程。特別是運用了數學建模的理論對具體的流量問題進行詳細分析，使得道路使用率得到最優配置，實現道路使用最大化，減緩交通壓力。

關鍵詞：交通管理系統 信號計算管理 智能交通

1 概述

交通管理，是一個范圍很廣的概念。它包括道路管理，車輛信息，交通環境，軌道交通，公共交通等多方面管理關系。交通管理者的使命是盡可能高效的根據現有交通條件為車輛及其他交通工具提供服務。信號燈管理作為智能交通管理系統效率化的一環，追求的是車輛駛過路口時間的縮短和交通信號配置更加合理化。同時追求有效控制信號必將對路口管理方式的選擇產生較大的影響。通過調研天津市各關鍵交通路口、路段的交通流量，紅綠燈指揮、道路設置等狀況，建立合理的數學模型，使模型具有合理分配信號燈變化時間，以及推測下一時段車輛通過路口的情況的功能，實現智能管理。從成本上來看，它遠遠優于其他的解決方案。所以，合理的控制信號燈可以大大改善道路擁堵狀況。

2 通過流量控制信號燈的基本理論和環節

2.1 信號燈管理的定義

信號燈管理系統是由汽車、道路基礎設施運輸基礎設施、信息和人組成的一個共同完成交通管理的綜合服務系統。這個系統由各種不同系統的形態所組成，它包括自然與人造、實體與概念、靜態和動態及控制和行為等系統，這個系統中滲透著上述系統的各種形態。信號燈管理系統是實現道路交通管理系統最優化，并獲取最佳經濟效益、社會效益和生態效益的組織管理方法。

2.2 通過流量合理管理信號燈的意義

過去，由于我國交通行業智能化程度低，所以要集中采集交通信號并加以處理是難以實現的，盡管有不少部分地區應用了一些交通信息廣播電臺，它不斷通過廣播告訴司機哪些路段堵車，哪些路段通暢。這種靠廣播加上司機對整個城市的熟悉情況共同組成的系統也就是智能交通的雛形。由于技術手段相對落后，不能達到高效率、低成本以及柔性化的要求，以上手段隨著日益增長交通的需求已經不能滿足當前的要求，因此，選擇合理的信號燈管理方案具有十分重大的意義。建立現代化的智能交通管理系統，不僅要解決觀念等方面的問題，更要做好信息采集和應用工作。交通信號燈管理的靈魂是方案選擇，因此，對它的研究有重要的理論和實際意義。

3 通過流量管理信號燈的基本環節

3.1 信號采集

信號采集是信號燈管理過程中的基礎環節。嚴格說來，信號采集應叫做交通流量采集，在不同的技術支持下，信號采集的來源不同，這里有的是用電子車牌技術來采集需要的流量信號。這里的車流量信號采集是在車輛未進入路口時采集的，也就是車行駛在相應道路上時采集的流量信號和車輛信息信號。

3.2 信號傳遞

信號傳遞是指將道路上采集的車流量信息通過一定的硬件設備，將信號傳送至相應的計算機系統，為以后的工作提供相應的數據，當然，數據傳輸的起點是相對固定的，但數據傳輸的終端可以根據當地的實際情況，確定為不同的計算機組織系統，因此，以后的工作既可以實現獨立的路口的處理，也可以實現多路口的協同處理。

3.3 信號存儲

信號存儲這一部分涉及到數據庫中相應表的處理，采集來的信號將被存入相應的表中，以便用于不同的處理方式，為此，每一個路口都有自己獨立的數據存儲空間。

3.4 信號處理

信號處理是整個信號控制最為關鍵的一步，它需要事先為系統建立合適的數學模型和相應的組織結構和算法。目前世界上有多種多樣的處理方法。車輛信號流按照其控制的范圍，分為若干的層次，在不同的層次上，控制目標、實現方法和手段都有差異。信號控制的層次主要分為：孤立路口控制、主干道控制、區域控制。常見的控制方法主要有：離線優化方法，在線的方案選擇，在線的方案生成。在幾十年的交通控制實踐中，這些方法都有應用，每種方法都各有其優點和不足之處。

4 流量問題的數學模型

流量控制問題的數學模型及其解決方法：

在信號燈管理過程中，必將考慮到各個道路上的交通流量問題。因此考慮如何控制車流量就是考慮如何對信號燈分配合理的相位。在以下兩個模型中，對于交叉口的基礎設施設置都是以只考慮汽車的情況，對于行人和自行車的情況沒有進行考慮。交叉口全部設置為十字交叉口，共設置了四個相位，如下圖所示：

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圖1 四相位圖

信號周期不能太短，要有一個下限值。但也不能太長，周期越長通行能力就越大，但隨著信號周期長度的增加，路口延誤時間也增加，因此信號周期長度又一個上限值。

根據Webster公式：

C0=（1.5L+5）/（1-Y） （1）

其中，C0表示信號周期，單位為s；

L表示總損失時間，單位為s；

這里的L=∑D0+∑I；

D0表示車輛啟動的延誤時間，根據現場觀測，一般取2S；

I表示綠燈間隔時間，根據現場觀測，一般取2S；

因此四個相位的總時間損失為4*2+4*2=16秒，即L=16秒。

Y表示交叉口的交通流量比，該流量比Y用下式求得：Y=■yi （2）

這里的yi代表第i相信號臨界車道的交通流量比，所謂臨界車道是指每一信號相位上，交通流量比最大的那條車道，即yi=max（實際的進口道交通流量S/進口道交通能力Q）。

yi=max（實際的進口道交通流量S/進口道交通能力Q）（3）

其中，實際的進口道交通流量S，由路口的檢測系統自動測量實際的流量數。

進口道交通能力Q，則是依據以下的分析得出的：

結合我國的情況，汽車駕駛員“根據時速確定前后兩車間距，一般以時速公里數為間距米數……在晴雨天都比較適用”的原則，若以v（km/h）計車速，一般車身長度以5m計，則有如下關系式Q=（1000V）/（V+5） （4）

其中Q為每車道每小時的通行車輛數，即進口道交通能力。

由dQ/dv=8000/（v+8）2>0（對3式求導），說明車流的通過量確實是隨車速的增大而增多的，但按（3）式，混合車輛數又以每小時通過1000輛為其極限值。

根據我國的車速、車況，每車道混合車型流量每小時以900～1000輛為宜，同時交叉口的理想通行能力只有路段通行能力的50%，實際上只有路段通行能力的30～45%。

因而，可以得到交叉口最大通行能力的一般計算公式：（對于每一進口道來說）

Q=1000*45%（5）

因此，根據Webster公式：

C0=（1.5L+5）/（1-Y）

我們已經得到了式（1）中的L，又通過檢測器得到Y，因此可以對C0（信號周期）進行求解，則式（1）可以變為：

C0=（1.5*16+5）/（1-Y）

Y=∑yi（i=1、2、3、4（即分別對當前四個相位的流量求流通比）

在得到最佳周期以后，按各相位車道的交通流量比進行比例分配，第i相信號相位的綠燈間gi為：

gi=yi×（C0-L）/Y

從而得到各個相位的通行時間。

在由各個進道口所得到的實際流量分別求出，四個相位中，八組車道組中（車道組11、12、21、22、31、32、41、42）相對應同一相位中兩個車道組的差值，并由小到大排列，取其最小差值得相位，作為首先開通的相位，并從小到大依次開通。

上述對模型的求解方法可歸納為：①獲得各個進入口道路上車流量Si（i=1、2、3、4）和每車道每小時的通行車輛數Q。②求各出各個入口道路上的交通流量比yi（i=1、2、3、4），將它們相加，得到總的流量比Y。③通過測量得到總的損失時間L。④根據Webster公式：C0=（1.5L+5）/（1-Y），得到最佳周期時間。⑤根據公式：gi=yi*（C0-L）/Y，算出各個相位的綠燈時間。⑥根據車道組實際流量的差值，依次得到開通相位的順序。

參考文獻：

[1]徐中明，賀巖松.國外智能交通系統研究動向[J].汽車工業研究，2000（1）：62～67.

[2]李靈犀，高海軍，王飛躍.兩相鄰利口交通信號的協調控制[J].自動化學報，2003.

[3]石小法，王煒.動態用戶均衡配流模型的研究[J].系統工程理論與實踐，2001（21），（1）：130～138.