道路疏通電子系統的研究*

朱保羅，鄭寧宇，余旭華

（安徽三聯學院，安徽 合肥 230601）

隨著我國機動車數量的增加，交通擁堵已經成為大中城市的普遍問題，本課題以提高運輸效率、實現資源的合理利用為目標，研究了一套道路疏通電子系統。該系統通過各種傳感器技術對于路面車輛的感知，并傳輸給計算機，控制信號燈的變換，從而緩解城市交通安全問題，實現“人、車、路”的和諧共存。

1 原理和硬件結構

道路疏通電子系統對道路的交通流進行監測，通過道路上的傳感器采集道路的交通流量和車流速度，并進行綜合分析。自主進行調節城市交通信號燈的時長，設置可以自動禁行等，并通過人工智能技術設備向司機發出意見與建議，及時進行疏導交通，充分發揮其作用。交通信號進行控制是該系統的重要組成一個部分。

1.1 監控道路流通量

動態智能交通控制的實現是以道路交通信息采集器為基礎，它主要由車輛檢測、交通信息采集和處理以及串行通信三個模塊組成。通常需要一個單位周期(通常為3min或5min)來處理收集到的交通信息，無論是否檢查過往車輛，都計算出該周期智能交通控制系統所需的交通流量、速度、密度等數據。特殊的環形線圈導線通常埋在路面下，相當于一個電感，實際上是耦合電路的一部分。通過將振蕩信號傳輸到電子開關，選擇向單片機發送電路的端口進行計數。當機動車輛進入環形埋線圈時，電流開始減小，逐漸增加耦合電路的振蕩頻率。當機動車離開環形地埋線圈時，電流值增加，此時耦合頻率再次恢復，這樣可通過使用單片機工作單位不同時間段的脈沖計數值來判斷機動車是否能夠通過建立相應的環形地埋線圈，同時還能得到相對應的時間。

1.2 信息資料采集處理方法

各種交通信息資料的概念和收集處理方法如下。

1)交通流量是指單位時間通過的車輛數。如果TZ為測量范圍(通常為4min或6min)，且該周期第一車道通過環形線圈的機動車數量，則該時段第一車道的車流量為：

2)占有率是指在一定路段中車輛占用的道路長度與整段路程的長度之比。可以通過對于工作時間的占有率估計結果得出：設Ti(y)為第y周期內第車道中，所有機動車輛信息經過其環形線圈所需要學習時間的總和，即：

式（2）在第一個循環中，當第一車道穿過環形線圈時，從M車進入線圈到離開線圈需要的時間。得出第一個y周期第一條車道的占用率為：

3）交通密度是指在每一車道中單位長度間道路上存在的機動車輛數。在此期間，環形繞道的交通密度如下：

式(4)中為第y周期內第i車道所有車輛的平均可以有效數據長度，根據分析上述的車輛，可將其主要分為大、中、小型車以及他們各自的長度，再計算得出一個近似平均有效長度。

4）時間平均速度是指車道某處通過的所有車輛的速度平均值：

其中：多條車道的總流量等于每條車道的總交通流量，總交通密度等于每條車道的交通密度之和，總時間的平均速度等于總流量除以總流量密度。

1.3 自行調配信號燈配時

通過對智能交通決策控制系統采集的道路信息進行綜合分析，根據交叉口各路段交通流量的大小，自動調整信號燈的配置、自動設置禁行限速標志(電子顯示)，將整個區域內的所有交通信號連接起來，對其進行協調控制，形成區域交通信號控制系統。有效避免了由于同一路口的信號燈時間進行分配管理不當、一個重要路口的車多擁擠需要過往車輛等待信號燈、而另一路口信號燈顯示綠燈卻無車通過的現象，最大限度發揮道路的流通能力。

1.4 提供語音信息服務

司機在駕駛過程中從終端接收語音信息。交通相關部門可以溝通當天的天氣和交通狀況，發布相關管理規定和各種警示指示。其發布系統分為兩部分，一部分是內部管理人員利用內部信息，通過中央系統向各級指揮中心發布服務。另一部分是為廣大參與者服務，其采用的手段也多樣化，如采用智能手機對交通進行多元管理。

目前市場上比較可行的是運用GPS（全球定位系統）以及GPRS（通用分組無線服務）技術。它們收集有關車輛定位的數據，并重復使用“分組交換”概念開發的傳輸方法。這種方法的優點是只有在傳輸數據時才消耗帶寬。

2 智能交通信號控制的分類以及相關參數

交通信號的控制可以分為很多種，其中絕大多數是按照信號的控制研究范圍以及其工作原理來劃分，本文是按照信號進行控制系統劃分的范圍來探討智能發展交通信號通過控制的策略。其智能交通控制的影響因素如圖1所示。

圖1 智能交通控制影響因素圖

解釋如下：

1)平均車速可以是行駛過程中某一路段的瞬時速度，代表車輛的整體行駛速度。

2)交通流量是N輛型號不同的車輛與該周期時間t的比值。

3)交通密度是采樣區域內所有車輛數量N與道路長度L的比率。

4)飽和交通流量是指在綠燈亮起的期間內，車輛代行列之間存在時，通過分析車輛的最大設計流量，用S表示。

其中，交通流量與交通密度的關系是由Green Shields提出的平均速度——交通密度模型得到的關系。該模型為：

其中：Vf為自由流車速；ρj為阻塞密度。Vf通常介于道路的限速以及設計車速之間；ρj通常介于115～155之間[1]。從上面分析可以知道，在城市道路上，交通密度越高，平均車速越低。

交通流量和密度模型可推導如下：

由上式可得：該模型為一條拋物線，q隨著ρ的增大而增大；當ρ超過企業某個值時，q隨著ρ的增大而減小，所以尋找出一個合適的交通網絡密度，得出選擇合適的平均發展速度就能得到最大交通量，即道路通行管理能力。

3 線控制的調控策略

線控是一種綠波帶系統，意思是車輛在通過某一路段時，無論在第一個路口遇到紅燈還是綠燈，車輛都以自己的速度行駛，后面所有路口遇到的信號燈都是綠燈，因此得名“綠波帶”[2-3]。綠波帶不像在沒有紅綠燈的高速公路上行駛，只要車速不高于或低于一定值，那么在綠波帶上行駛就不那么困難了。

3.1 高速公路車輛的通行能力

高速公路的道路寬和車道數是確定的，其中沒有一個信號進行控制，沒有通過交叉口，是一條信息暢通無阻的道路。本文設想，在高速公路上不發生交通事故的基礎上，當同一車道的每輛車的速度比較相等時，高速公路上車輛的通行能力相對較強。可以知道，當差距較大時，容易造成交通事故等現象，此時，公路車輛容量較弱。因此，平均車速是決定高速公路車輛通行能力的主要因素。

3.2 單一十字路口車輛的通行能力

如果此時只考慮這些東西相位上的通行管理能力：

式（8）中：P是東西相位的通行能力，s是東西相位的飽和流量；G是東西相位的綠燈時長(s)；T為周期時長(s)；u為東西相位的綠信比。其中，當綠燈信號之比為u=1/2，則可以得出p=s/2，在不考慮其他因素的情況下，s相當于車輛在高速公路上的通行能力，單個路口的車輛通行能力減少到高速公路的一半。

3.3 有若干交叉路的道路車輛通行能力

當多個無關路口設置多個紅綠燈時，車輛在行駛過程中會遇到很多情況，堵在路上無疑是不好的做法。那么這條路上的通行能力沒有高速公路上車輛通行能力的一半。研究幾個路口的道路交通，首先研究不同車輛的分布密度函數。其分布密度函數表達式為：

其中：ybm當第m交叉口開始時；ym當第m交叉口綠燈結束時；fdm（t）當第m交叉口交通量達到分布密度函數時，各交叉口交通量到達的分布密度函數可能不完全相同，因為每個路段在每個時刻的交通密度不相同，所以適應的密度范圍也不相同。

3.4 綠波帶車輛的通行能力

綠波帶控制問題可以按照一定的規律，把其中所進行觀察的若干個沒有其他任何一種關聯的交叉口紅綠燈變成有關聯的，就像是在一個重要交叉路口對于紅綠燈的控制，把其中的綠波帶上機動車通行能力水平保持在高速公路上車輛通行能力的一半，由于在交叉路上的車輛也需要提高通行能力，為了能夠實現此目標，就必須找到合適的關系，根據研究不同密度分析得出選擇合適的值。

4 結論

交通燈智能調控其實是交通行業的升級，是大數據智能化的結果[4]。《紅綠燈智能調控》是交通領域對道路的數字化、網絡化、智能化建設。通過人工智能調控的建設將全面發展提高道路的安全性能和應急管理能力。道路和汽車協調將提高道路安全、提高自駕能力和出行效率，道路和汽車協調技術將成為交通發展趨勢。