輪詢機制下交通信號燈控制模型仿真研究

胡文甲

摘要：隨著人們生活水平不斷提高，車輛擁有量不斷增加，但由于我國基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃問題，導(dǎo)致有限的交通資源難以滿足不斷增多的車輛，造成我國各大城市擁堵現(xiàn)象嚴(yán)重。交通信號燈作為疏導(dǎo)城市交通的一個重要工具，針對實時的交通情況實現(xiàn)對交通信號燈的有效控制是十分有必要的。文章針對當(dāng)前我國現(xiàn)有交通信號燈口控制策略的不足，提出了一種輪詢機制下交通信號燈控制模型，并且進(jìn)行了仿真分析。

關(guān)鍵詞：輪詢機制;交通信號燈;控制模型;仿真

中圖分類號：TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945{2019）12-0041-02

1概述

城市交通信號燈在控制達(dá)到主干道路的交通流時，主要采用綠、黃、紅這三種顏色（即現(xiàn)實生活中的規(guī)格），由于到達(dá)主干道路口的交通流受一系列因素的影響，加之隨機性大，所以，通過科學(xué)的數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建以及人為預(yù)定的一系列方案都無法取得令人滿意的效果。而智能交通控制系統(tǒng)的運用，能在現(xiàn)行的道路中使行車延誤和交通擁堵減少，進(jìn)而使交通事故的死亡率和發(fā)生率降低，并且降低污染程度，減少能源的消耗量。

2輪詢機制下交通信號燈控制方法

2.1考慮不同情形的交通信號燈控制方法

在輪詢機制下的交通信號燈控制策略的安排下，需要考慮時段因素以及交通環(huán)境因素來進(jìn)行交通信號燈控制方案設(shè)計。

2.1.1不同時段下的交通信號燈控制方法

需要在調(diào)查清楚城市的車流量且仔細(xì)分析過后再進(jìn)行解決。在具體的操作過程中，應(yīng)該是使用交通總站的上位機定時來給各個路口發(fā)送無線訊息，進(jìn)而改變每個路口PLC程序中設(shè)定好了的時間，以此來調(diào)節(jié)路口信號燈的時間。

具體的交通信號燈調(diào)控方案為，在進(jìn)行協(xié)調(diào)控制路段的兩端中實現(xiàn)這個定時控制方案。這個控制方案的定時控制配時是依據(jù)當(dāng)時的實際交通流量以及數(shù)學(xué)模型計算得出的。在使用協(xié)調(diào)控制方案的時候，一般是用電臺傳播的方法來進(jìn)行通訊的，最后達(dá)到協(xié)調(diào)控制效果。

2.1.2不同交通環(huán)境下的交通信號燈控制方法

路段上的車流量是城市干線交通信號的協(xié)調(diào)控制機制的主要依據(jù)。因此，路段車流量的統(tǒng)計十分重要。

道路的擁堵，在一般情況下，是由于當(dāng)路段中出現(xiàn)最大容量的車輛數(shù)時，持續(xù)進(jìn)入車輛，以及（或者）無法及時放行車輛所造成的。此時，若車輛持續(xù)進(jìn)入已達(dá)到擁堵臨界值的TJ2路段中，車輛就會更加多，從而導(dǎo)致?lián)矶隆Ｔ偃纾藭r路段L2的下一出口處于紅燈相位，則L2/L1中的車輛數(shù)會因南北方向開來的車輛而增多，當(dāng)超過臨界值時，擁堵形成。所以，該系統(tǒng)的控制分三種情況。

（1）情形1：當(dāng)L1/L2中的車輛數(shù)（具有通行權(quán)）達(dá)到Cmax時，擁堵便會出現(xiàn)。

（2）情形2：若在上一情形中放任車輛的進(jìn)入，便會更加擁堵，此時，為了禁止持續(xù)進(jìn)入車輛，將綠燈相位變?yōu)榧t燈。當(dāng)L1/L2中的車輛數(shù)不及臨界值的3/5后，緩解了擁堵情況，可將紅燈相位變?yōu)榫G燈。

（3）情形3：此時，L1/L2路段中車輛的出口方向處于紅燈相位，無法放行車輛。而該路段會因不斷增加的來自非干線的右轉(zhuǎn)車輛而等待車輛的長度變長。由于干線有許多的車輛，假設(shè)在結(jié)束第一相位后，L1/L2路段中等待車輛為臨界值的一半，這就表示若非干線上的右轉(zhuǎn)車輛數(shù)為26PCUs，即臨界值的30%時，該路段的車輛數(shù)便會劇烈增多，達(dá)到臨界值，右轉(zhuǎn)車輛繼續(xù)增多，便會擁堵。此時，將綠燈變?yōu)榧t燈，即改變該方向的信號相位便是控制策略，有別于情形2和情形1的是，此時不再是分割綠燈相位的控制策略，而是直接進(jìn)入第4相位，即下一相位。如此，可以保證車輛在干線上的通行效率，盡快放行擁堵已經(jīng)形成的路段中的車輛，避免更嚴(yán)重的擁堵的形成。

2.2仿真實驗

本文選取典型的四相位作為研究對象，然后使用Mat-lab進(jìn)行仿真。此處，用一組數(shù)據(jù)來詮釋，比如s1=0.4，系統(tǒng)在第4相位下通行正常。Roadl路段中的車輛數(shù)在27.621s時為4/5最大容量，即70PCUs，此時應(yīng)禁止該路段中持續(xù)進(jìn)入直行車，當(dāng)路段中的車輛數(shù)減少至3/5的最大容量時，即18PCUs，系統(tǒng)時間是34.421s，此時未結(jié)束的綠燈相位能繼續(xù)，可放行直行車輛，依次迭代。57s是最大綠燈時間，可見在車輛被禁止通行的過程中，當(dāng)車輛數(shù)為7PCUs時，該相位結(jié)束了綠燈時間。

3輪詢機制下的交通信號燈控制方法的建模與仿真

3.1輪詢機制下的交通信號控制方案

本文通過輪詢機制來分析交通信號燈控制的方案，把四相位交叉路口當(dāng)作研究對象，可以把四相位交叉路口當(dāng)成是四個隊列的輪詢系統(tǒng)，然后各個相位中的車道都是輪詢系統(tǒng)里面的緩沖隊列，信號燈就相當(dāng)于輪詢系統(tǒng)的服務(wù)器。

在輪詢系統(tǒng)的指導(dǎo)下，以交通信號燈作為服務(wù)器，控制四相位交叉路口中的車輛，讓車輛按照一定的順序來通過路口。

3.2輪詢機制下的交通信號燈控制模型

在對控制子區(qū)進(jìn)行交通信號控制研究之前，需要先對控制子區(qū)抽象出路網(wǎng)模型，然后根據(jù)路網(wǎng)模型設(shè)計控制策略。通常，用圓圈代替路網(wǎng)的交叉口，連線可以當(dāng)作是交叉口間的路段，控制子區(qū)簡化后的路網(wǎng)圖。

對城市道路交通信號的配時優(yōu)化主要是根據(jù)各個相位的車流量對綠燈時間進(jìn)行動態(tài)調(diào)整。

3.3輪詢機制下的交通信號燈控制模型仿真結(jié)果

針對在[0，180]（s）范圍內(nèi)隨機得到的5組車輛實際等待時間算例，在MATLAB平臺上優(yōu)化綠燈時間分配，對四相位交叉路口來仿真。假設(shè)每個相位車道最開始車輛數(shù)為10（pcu），統(tǒng)計50個信號周期，假設(shè)車輛以飽和流率1800（peu/h/車道）經(jīng)過路口，以2s作為一個單位時間，前100輛車的到達(dá)率是0.2（peu/slot），路口是飽和狀態(tài)，隨后的車輛到達(dá)率是0.1（peu/slot），路口是非飽和的狀態(tài)。

在車道處于較高的飽和度時，某相位一旦進(jìn)入綠燈期，就會有很長一段時間一直保持綠燈，如第3輪綠燈時間已達(dá)到200（單位時間），這在實際交通控制里會由于信號周期過長，讓駕駛?cè)藛T闖紅燈的概率更大。

飽和狀態(tài)下由于車輛上限控制，每個相位的綠燈時間不能超過20（單位時間），超出車輛就會作為多余車輛等待下一次綠燈信號的顯示;由于車流飽和度降低（第15個信號周期后），綠燈根據(jù)完全服務(wù)方法對信號進(jìn)行切換，車道中的全部的車輛都能夠在一個信號期間經(jīng)過路口，這樣就不會剩下車輛，驗證控制策略的收斂性。

優(yōu)化算法下，拿定周期信號燈控制方法作對比的話，減少速率更快，橫軸代表周期數(shù)，縱軸代表路口放行車輛數(shù)的量。并且在優(yōu)化算法下。和定周期信號燈控制方式相對比，放行的車輛就更多。

和單點配時方案相比較，本文所提出的輪詢機制下的交通信號燈控制方案優(yōu)勢更明顯，并且平均停車次數(shù)大幅減少是顯著表現(xiàn)。這表明在協(xié)調(diào)控制方案使用后，整個干道方向的車流量的總停車次數(shù)變少了，完善了干道交通。和固定相位差協(xié)調(diào)配時方案相比，動態(tài)相位差協(xié)調(diào)配時方案優(yōu)勢也明顯，側(cè)面反映算法是可行的。

本文提出的交通燈控制策略運用到路口時，比較各相車道信號燈切換周期和平均排隊車輛數(shù)的仿真值和理論計算值。結(jié)果表明：仿真值和理論值較好吻合，表明對上述性能指標(biāo)，采用輪詢模型定量分析可以保證精度。

將典型的固定時間控制策略和該策略進(jìn)行比較，以來對門限型車輛驅(qū)動交通等控制策略的效果加以驗證。結(jié)果顯示：

隨著車輛達(dá)到率的增長，2種控制策略下的平均排隊度以及平均等候時間均增加，但車輛達(dá)到率一樣的情況下，和固定時間控制策略相比，門限控制策略的平均排隊度以及平均等候時間均低一些。

車流量對固定時間控制策略切換周期不造成作用。隨著車流量的增加，門限控制策略的切換周期會增加，需要注意的是，在車流量<0.1輛，s（較低）時，在各向車道間，綠燈平均每1/3min就要循環(huán)點亮一次，信號燈切換周期<20s（較小），這點難以實現(xiàn)于實際工作中。所以，可以規(guī)定，當(dāng)各向車道中均無汽車等待這一情形被控制系統(tǒng)感知到時，通過視頻監(jiān)控設(shè)備，將切換綠燈至1號候車列隊，待某方向車輛達(dá)到時再及時切換，如此可避免交通燈在無車時切換頻繁。

4結(jié)束語

本文基于輪詢機制提出了一種交通信號燈控制策略，本文提出的所有進(jìn)口道適時交通信號控制策略要求全面監(jiān)測進(jìn)口道和環(huán)道的交通運行狀態(tài)，面向所有進(jìn)口道適時實施交通信號控制。該策略是有效的，能夠顯著減小車輛的平均延誤和停車次數(shù)。