基于Petri網的交通信號控制系統的建模與分析

萬錚

摘 要：隨著物聯網的發展，智能交通的應用前景廣闊。文章提出一種基于Petri網建模的智能交通信號控制系統，其特點是局部控制、共同負責。交通信號控制系統基于安裝在車道上的車輛檢測器反饋信息，改變信號相位順序來提高路口的道路使用率。經過仿真模擬，該模型在安全前提下能夠有效減少車輛排隊等候時間。

關鍵詞：交通物聯網；Petri；智能交通；信號控制

1 互聯網發展研究概述

互聯網發展至今，經歷了文件互聯（Internet of Document，IoD）、人聯網（Internet of Human，IoH）到如今的物聯網（Internet of Things，IoT）3個階段。國際電信聯盟（ITU）對于物聯網的定義為[1]：將各種傳感設備和互聯網結合起來而形成一個巨大的網絡，讓所有物品都連接在一起，方便識別和管理。由以上定義可知物聯網的核心還是互聯網，其通過傳感器、射頻識別裝置（Radio Frequency Identification Device，RFID）、執行器等設備與物理世界發生聯系。

自從2009年溫家寶主席提出“感知中國”至今，物聯網在中國迅猛發展，與各傳統行業緊密結合，催生了各種基于物聯網的智能系統應用。包括基于物聯網的智能交通監控系統，其通過采集、分析數據，對駕駛員進行引導和管理來反饋交通狀況。交通監控系統可分為交通信息采集子系統、交通信息提供子系統、監控中心。

本文旨在提出一種基于Petri網結合前端分布式的物聯網體系結構的交通信號控制建模方式，以提供服務為目標，實現“高度自治下的共同負責制”。

2 路口模型

在單路口的交通調度中，主要需要考慮的設計是信號燈的相位順序和相位延時，圖1為某單十字路口信號調度示意。

在圖1中，車道5表示設計為行人通過，此車道與其他所有車道互斥，如此便可實現人、車完全分離，避免行人與右轉車和左轉車發生沖突的可能性，且NS與WE兩個方向的行人可以同時放行，車道0為4個方向的右轉車道，右轉車道只和車道5沖突，故車道根據空間關系可按以下情況分組，車道0，1為一組，車道0，2為二組，車道0，3為三組，車道0，4為4組，車道5單獨為五組，共計5個相位。其中N，S，W，E表示北、南、西、東4個方向，P表示行人通過，NS表示方向由北往南，其他以此類推。需要說明的是，由于右轉車除了和行人沖突外，和其他所有方向的通行車不沖突，故SE，EN，NW，WS 4個方向的右轉車在前4組相位中全部允許通過。

控制系統主要控制的是相位順序和相位延時。相位順序在控制上，除非某個相位無車輛，否則不應改變相位順序，依舊按照每組順序不變。相位延時在控制上，則可根據各個車道排隊等候車輛的數量，依據策略，由路口交通信號調度控制器上下浮動，力求增加路口利用率，降低車輛等待時間，同時兼顧公平。

3 信號控制模型分析

目前應用最多的信號控制基本場景是一個開環控制結構，5個相位的控制延時按照既定程序執行。開環結構的優點在于實施簡單，缺點在于缺乏反饋，無法根據交通狀況進行調整。

圖2為某一相位變遷圖，用C_serv（i）表示對某一相位提供服務。一個相位的動作包括變綠燈、變黃燈和變紅燈3個動作，變綠燈動作包含在C_serv（i）當中，變黃燈和變紅燈兩個動作分別用g2y（i）和y2r（i）表示。用C_ask（i）表示詢問相位i是否需要服務，next（i）表示轉向相位i的下一個相位，當detector（i）沒有托肯，即當前相位i沒有服務請求，且后面相位有服務請求，即C_req（i+1）有托肯時，應跳過相位i的服務，所以有detector（i）到next（i）的約束弧。如果后面相位沒有服務請求，則不能跳過當前相位服務，所以有C_req（i+1）到C_serv（i）的約束弧。

對車道的服務按照車道相位順序來進行，當所有的路口都沒有服務請求時，則按順序動作。當相位1為綠燈時，假如此時相位4有車也要通過路口，則需在相位1對相位4進行分解，稱為C_readd（1，4）。有detector（4）=C_req（2）+C_req（3）+C_req（4）+C_serv（4）。則系統在相位1周期完成后，由于detector（2）和detector（3）沒有托肯，將跳過相位2和3，直接轉向相位4提供服務。如圖3所示，在相位j分解detector（i）的變遷稱為c_readd（j， i）。用C_req（n，m）表示從C_req（n）到C_req（m）這幾個庫所。

4 結語

交通信號控制系統是交通物聯網的一個組成部分，本文基于Petri網理論提出了開環結構的交通信號控制系統，通過安裝在車道上的車輛檢測器感知排隊等候的車輛，進而反饋給交通信號控制系統。控制系統體系結構采用前端分布式控制，由各個路口的控制芯片自主控制，通過回饋的交通信號，靈活改變信號控制系統的相位順序，從而提高路口的道路使用率。