單交叉口交通信號燈的實時自適應控制策略

袁麗麗+孫紅艷

【摘 要】針對兩相單交叉路口信號燈的放行時間等控制規律，以及交叉路口的現有硬件設施等條件，一種新的交通信號配時優化方法被提出。通過視頻圖像實時獲取交叉路口的交通流等信息，提取南北方向與東西風向車輛排隊長度，進而確定南北方向與東西方向的紅燈與綠燈的時間關系，實現信號燈的自適應實時控制。模擬實驗表明該方法應用方便可靠，可實時根據車流量信息自適應改變信號燈的時間，是一種科學有效的信號燈自動管理機制。

【Abstract】 A new traffic signal timing optimization method is proposed according to the control law of the release time of the traffic lights at the single intersection and the existing hardware facilities of the intersection. Using the video image to obtain information about traffic flow at the intersection in real time， to get the vehicle queue length in the south-north direction and east-west direction， and ensure the time relationship between red light and green light in the directions of south-north and east-west， then realize the adaptive real-time control of signal lamp. The simulation experiment shows that the method is convenient and reliable. It can automatically change the time of the signal lamp according to the traffic information. It is a scientific and effective automatic management mechanism of the signal lamp.

【關鍵詞】信號燈；排隊長度；兩相交叉口；自適應控制

【Keywords】signal lights； queue length； two phase intersection； adaptive control

【中圖分類號】U491.5+1 【文獻標志碼】A 【文章編號】1673-1069（2017）12-0194-03

1 引言

交通系統是一個非線性隨機性很強的開放的復雜系統，系統維數很高，加上人的參與，對其進行有效控制是一個非常復雜的問題。自適應交通控制將改變以往在路口控制中以定時控制為主的方式，而是根據交叉路口圖像檢測設備獲取的交通流量信息，提取南北方向和東西方向的車輛長度，然后比較一定范圍內排隊的車輛長度，提出車流量與時間的某種線性關系，依據此函數關系，自動調整后某個單交叉口的紅綠燈時間關系，進而優化配置交通管理。

本文以單交叉路口為研究對象，提出一種交通信號時間以車輛長度不同而變化的自適應控制方案，即通過合適的線性比例算法，建立一個車輛排隊長度與時間的函數關系，從而控制信號燈的動態變化。該方法能夠有效縮短車輛在十字路口的停留時間，減少車輛在十字路口的通行時間。

2 交叉路口交通流動態模型

目前，兩相單交叉路口的每個方向入口正上方均裝有一個攝像頭，分別檢測一定范圍內的東西方向、南北方向的車輛等待信息[1]，如圖1所示。攝像頭采集的車流量圖片信息經過圖像邊緣處理，得到一個灰度圖，并計算其車流量長度信息。根據車輛排隊長度等信息，實時修正東西方向與南北方向的紅綠信號燈的時間，避免十字路口某方向沒有車輛等待，而處于一直放行的狀態，同時另一方向車輛擁堵，等待時間過長等現狀；縮短車輛等待的時間，優化兩個方向的信號燈配時，實現兩相單交叉路口信號燈的科學管理與放行，最大程度緩解交通壓力。

假設圖像采集的有效范圍為100米，綠燈放行時間最小為Tmin=18s，綠燈放行時間最大為Tmax=60s，某方向等待放行的車流量長度為L。東西與南北方向的交通放行規律如下：

①給定每個相位的綠燈最短時間Tmin=18s，綠燈最長時間為Tmax=60s。

②初始狀態：南北方向正處于放行狀態，從零時刻開始，且時間設置為18s；

④東西方向車流量長度為L′，設L0=60，如果滿足L′>L0，則改變為東西方向放行，而南北方向停止通行；如果L′

⑤東西方向綠燈放行時間為18s，并重復②～④，從而實現每個路口放行時間的自適應控制。

3 信號燈時間優化配置

兩相十字路口車流變化快，同時由于氣溫、光照等環境因素及人為的車輛變道或者搶道等干擾，對于車流量信息的捕捉及優化存在著諸多不穩定性的因素。針對不同的車流情況，通常采取不同的控制方案，目前常用的幾種方法[2]：

①對信號周期進行優化；

②對相位信號配時進行優化；

③對周期和相位信號配時同時進行優化，包括相位信號順序的優化；

④綜合進行優化（針對交通流高峰期整個時間段）。

目前，對于城市交通網絡的優化控制研究，大多是針對城市交通網絡的交通流分配進行優化，或依據出行者起訖點之間路徑按時間最短優化控制，或是按城市流通能力最大的交通流分配優化控制等傳統的優化方法[1]。也有個別文獻提出了針對信號周期或信號時間區間進行優化[3]。考慮目前交通的現狀往往是時間分布不均，導致交通遲滯現象嚴重，車輛等待的時間過長，本文提出自適應優化控制方法即自動改變信號燈的配時比例關系。

為了保證車輛正常通過十字路口，避免開車人員的煩躁或誤認為燈色控制已經失效，使得車輛在路口總延誤時間最短等因素，兩相交通路口信號燈的周期應不少于36s，且不超過120s[4]。本文按照最小周期為36s，最大周期為120s，東西方向與南北方向等每個方向的綠燈通行最少時間為等數據研究自適應配時方案。

傳統交通路口信號燈的配時方法是每個方向的配時是固定的，即意味著兩個方向的最大交通通行能力相同。實際上，不同的時間段、不同的路況等各種因素導致兩個方向的車流信息千差萬別，如果兩個方向固定設置同一個時間，可能造成交通的空閑或者擁擠現象。本文提出了一種新的簡單可行的自適應控制方案：不同于以往的單片機，采用嵌入式系統構成的交通信號控制器，實時采集排隊車流長度，得出一個排隊長度值；設單位車隊長度允許通行的時間為Δt，根據獲取的車隊長度設定綠燈放行的時間，車隊長綠燈放行時間就長，反之就少；調用時間與車輛排隊長度的函數Time_length（），計算綠燈放行的時間，實時優化調整紅綠燈的時間，其仿真程序流程圖見圖2。

本文采取簡單的線性算法，即采取時間與車隊長度的一次比例函數：t_green=t0+[（Tmax-t0）/L0]×L自動設置綠燈的通行時間，其中綠燈時間t_green不能超過60s。理論研究證明依據車流量長度自動控制綠燈的放行時間，可改善交通通行情況，提高交通的運行效率。

4 結語

通過對交叉口的單點交通信號燈特征進行分析，提出了一種簡單可行的實時自適應控制，可解決目前交通出現的擁堵、遲滯等現象。針對多個路口之間的自適應時間配置，是一個多相、區域控制的問題，所以，應進一步研究交通信號的點控、線控和面控三者相配合的自適應控制方式，為實現城市智能交通系統提供參考。

【參考文獻】

【1】Hoose N. Impaction image analysis tool for motorway surveillance [J].Traffic Eng & Control， 2015， 6（6）：116.

【2】劉智勇.智能交通控制理論及其應用[M]. 北京：科學出版社，2013.

【3】Shen Guo-Jiang， Dai Hua-ping， Liu Xiang， et al. Urban expressway traffic flow modeling and control using artificial neural networks [J]. IEEE Communication Magazine， 2013（ 23）： 836-841.

【4】孫國棟，梁起. 道路交通信息采集器設計與實現[J].自動化技術與應用， 2013（5）：3.