一種分布式智能交通信號燈管理系統設計

王振寧　馬慧穎　李豪杰　鄭豪杰

摘 要：隨著各地交通擁堵問題日益嚴重，傳統的交通控制系統已不能滿足要求，智能交通控制系統應運而生。本文提出了一種分布式智能交通控制系統，介紹了分布式智能交通控制系統的工作原理和具體實現方法。該系統能結合實時車流信息、歷史車流信息、相鄰路口車流信息、擁堵車輛閾值，實時調節交通信號燈放行時間，減少車輛等待時間，避免車輛發生擁堵。

關鍵詞：車流量;分布式系統;智能交通控制系統

中圖分類號：U491.51;TP273文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2021）11-0111-03

Design of a Distributed Intelligent Traffic Signal Management System

WANG Zhenning1 MA Huiying1 LI Haojie1 ZHENG Haojie2

（1.School of Mechanical and Power Engineering， Zhengzhou University，Zhengzhou Henan 450001;2.School of Information Engineering， Zhengzhou University，Zhengzhou Henan 450001）

Abstract： With the increasingly serious traffic congestion problem， the traditional traffic control system can not meet the requirements， intelligent traffic control system came into being. This paper presented a distributed intelligent traffic control system， and introduced the working principle and specific implementation method of the distributed intelligent traffic control system. The system can combine real-time traffic flow information， historical traffic flow information， adjacent intersection traffic flow information and congestion vehicle threshold to adjust the traffic signal release time in real time， reduce vehicle waiting time and avoid vehicle congestion.

Keywords： traffic volume;distributed system;intelligence traffic control system

目前，城市道路車輛越來越多，一系列交通問題也隨之出現。傳統交通控制系統采用固定的配時方案，在路口設置紅綠燈，紅綠燈開啟時間固定設置。在路上車流量極少的情況下，這種控制方式能對路口交通狀況進行有效管控。但是，隨著社會車輛的增加，城市道路上的車輛明顯增多，而傳統交通控制系統難以有效疏通交通，導致城市主干道車輛積壓，通行不暢，從而造成道路擁堵，更有甚者，還會導致車輛刮擦等交通事故增多、汽車尾氣排放增多等[1]。這時，采取緩解交通擁堵的控制手段便尤為必要。

智能交通控制系統區別于傳統的交通控制系統。智能交通控制系統能根據路口車流的實際情況，實時調整信號燈的放行時間，在一定程度上緩解交通擁堵的現象。國內外的智能交通控制系統可分為兩大類：集中式智能交通控制系統和分布式智能交通控制系統。國外具有代表性的集中式智能交通控制系統有英國的SCOOT、西班牙的ITACA等，分布式智能交通控制系統有澳大利亞的SCATS。國內關于交通控制領域的研究在信號控制仿真、自適應控制建模等方面都有一定的進展，但多數研究是局部的，關于實際應用交通控制的研究較少[2]。本文設計了一種分布式智能交通信號燈管理系統，以緩解交通壓力，合理調度車流量。

1 分布式智能交通信號燈管理系統設計

分布式智能交通信號燈管理系統在每個路口設置有獨立的控制系統，包括一個控制箱、路口停車線前方的紅綠燈和停車線后方的車輛識別裝置。控制箱連接路口停車線前方的紅綠燈和停車線后方的車輛識別裝置，并與相鄰路口的控制箱相連接。控制箱內設置有微控制主機。分布式智能交通信號燈管理系統可路口各個方向的車流進行統計和預測，并與相鄰路口的交通控制系統相互連接，同時獲取其他路口朝向本路口方向的車輛預測數據，然后進行優化處理，并做出處理動作。

內部信息流向如圖1所示。具體工作原理及步驟有五點。

第一，獲取路口各個方向的實時車流信息：停車線后方的車輛識別裝置將獲取的信息傳遞給控制箱內的微控制主機，微控制主機對信息進行分析識別和匯總，得到路口每個方向的實時車流信息。

第二，建立歷史車流信息數據：經過一段時間的收集和統計，建立路口各個方向的歷史車流信息數據。

第三，預測未來某一時段路口各個方向的車流信息：微控制主機結合歷史車流信息數據，根據軟件內置的模型預測未來某時段的車流信息。

第四，做出決策：將實時車流信息與先前預測的車流信息進行對比，疊加路口各個方向擁堵車流信息閾值，以及相鄰路口控制箱的微處理主機傳來的朝向路口方向的車流信息與決策數據，并根據軟件事先設定的事件處理方式，做出相應的實時決策和預測決策，最終將處理結果形成數據，與當前路口相應方向的車流數據一起反饋回相鄰路口的微處理主機。

第五，實施路口交通控制：微處理主機將當前路口做出的實時決策轉化成控制信號，控制路口相應方向紅綠燈的開啟閉合，同時結合相鄰路口微控制主機反饋的決策數據與車流數據進行不斷優化處理，從而生成新的實時和預測決策，通過當前路口的微處理主機轉化成控制信號，實時形成對路口的交通控制。

通過以上步驟，可根據當前實際車流量、預測未來車流量、周圍路口車流量和擁堵的車輛閾值實現對信號燈通行時間的分配，最大程度上減少車輛等待時間，避免因交通信號燈造成的堵塞，減緩交通壓力。

2 系統的實現

2.1 硬件及數據傳輸

2.1.1 控制箱。內設置微控制主機，微控制主機上設置微處理器、內存、硬盤和通信接口。微處理器為高性能人工智能微處理器，選用一臺7.5 W的單模塊超級計算機，目標檢測能力強，可為終端提供真正的AI計算功能，用于車流量的檢測。此微處理器基于NVIDIA Pascal? GPU 架構，搭載8 GB 內存，且內存帶寬為59.7 GB/s。同時，微處理器配備多種標準硬件接口，可輕松與不同產品實現集成。對紅綠燈的控制則采用ALIENTEK MiniSTM32。

2.1.2 車輛識別裝置。車輛識別裝置由攝像頭及處理器組成，通過攝像頭對停車線后方各個車道的車輛進行識別、攝像和拍照，并將信息傳輸至處理器，統計一定時間內的車輛數量，從而計算出車流量。

2.1.3 相鄰路口控制箱之間的通信。相鄰路口控制箱之間的通信采用無線傳輸模塊ATK-LORA-1，具有體積小、微功率、低功耗、靈敏度高等優點。

2.2 模型與算法實現

2.2.1 紅綠燈配時算法。依據模糊控制理論，根據當前車流量和預測流量模型分配信號燈放行時間。將計算和預測得到的各方向的車流量信息輸入模糊控制器中，在模糊控制器中，對各方向車流量值進行模糊化處理，轉化為系統可識別的模糊量，依據模糊控制規則庫進行模糊推理，匹配最適合這一數值區間的紅綠燈開閉時長，產生模糊控制量，再經逆模糊化，產生可用于控制紅綠燈開閉的時間數據[3]。模糊控制基本方法如圖2所示。

模糊控制具體過程為：將預測及計算后獲取到的實時車流量數據按照不同方向分類輸入模糊算法控制器中，控制器根據方向將車流量數據輸入指定的算法通道中，在通道中進行模糊推理，算法首先確定車道數量及道路交通復雜情況，由此將路口模糊歸類，確定紅綠燈的總狀態數，隨后算法標定車流量數據并將車流量數值劃分至對應區間，依據模糊控制規則庫中的車流量數據區間與紅綠燈開閉時長匹配每一狀態紅綠燈的開閉時長，最后，綜合各方向數據，依據模糊規則求解出路口各狀態紅綠燈開啟順序和時長數據，并將數據轉化為字節類型，以便后續與紅綠燈控制模塊進行通信。

2.2.2 車流量統計模型。采用視頻檢測技術對車流量進行檢測，可以在不破壞路基的前提下實現車流量的檢測，檢測范圍比較廣[4-5]。虛擬線圈檢測法是通過在所獲取的交通路口圖像中設置一個感興趣區域，作為主要的待測區域研究。該監測方法可以減少程序的運算量，只對設置的虛擬區域內的圖像變化特征進行研究和處理來獲取車流量，并不需要對整個圖像進行研究[6]。本系統采用虛擬線圈檢測法，通過在車道線的某一處設置虛擬線圈，利用攝像頭捕捉通過車輛的圖像，實現車輛數量的統計，從而計算出車流量。

3 系統優勢

分布式智能交通信號燈管理系統通過綜合路口處各種車流量信息，實現了對交通信號燈放行時間的調整。相較于傳統的交通信號燈管理系統，具有三點優勢。

①當路口控制箱內的微處理主機與相鄰路口控制箱內的微處理主機全部失聯時，則根據路口方向的實時車流信息，結合歷史車流信息，自主決策運行路口各個方向的紅綠燈。當前的微處理主機只要與相鄰路口的任一控制箱內的微處理主機相連，即可通過轉接方式獲取其他相鄰路口傳遞的車流數據和決策信息，并將路口各個方向的車流數據與決策信息傳遞給所連接相鄰路口的微處理主機，實現實時接收所有路口方向的車流信息和決策信息。

②與集中式智能交通控制系統相比，分布式智能交通控制系統的控制箱只負責處理分析當前路口各個方向的車流數據，并結合相鄰路口控制箱內微處理主機傳遞的數據，做出路口信息的實時和預測決策，降低微控制主機內硬件性能的要求。交通控制系統的控制箱的微控制主機就設置在各路口，物理距離的縮短省去了發送數據至中央處理器再返回數據的時間，提高了系統響應速度。

③分布式智能交通信號燈管理系統在現有的智能交通控制系統上進行了創新，采用分布式控制系統，解決了集中式控制系統帶來的各種不便，具有容災性好、響應速度快、功能多樣化等創新點。

4 結語

本文設計的分布式智能交通信號燈管理系統，具有容災性好、響應速度快、硬件成本低的優點。我國已有的分布式交通控制系統都由一個中心服務器作為高級控制中心[1]，硬件成本高。分布式智能交通信號燈管理系統不再需要總中心服務器，各個路口的控制箱可以結合相鄰路口信息作出本路口的決策。同時，分布式的結構使得系統的應用價值提高，具有廣闊的應用前景。

參考文獻：

[1]章偉，張代遠.基于車流量的交通燈控制系統設計[J].計算機技術與發展，2015（5）：196-199.

[2]于泉，石建軍，榮建，等.我國多層分布式交通信號控制系統結構的研究[J].ITS通訊，2004（3）：28-30.

[3]朱曉航，胡佳琳.交通路口紅綠燈智能模糊控制方法研究[J].科技傳播，2014（21）：216-217.

[4]潘喆，吳一全.二維Otsu圖像分割的人工魚群算法[J].光學學報，2009，29（8）：2115-2121.

[5]王聯國，洪毅，趙付青，等.一種改進的人工魚群算法[J].計算機工程，2008（19）：192-194.

[6]張虹波，匡銀虎.基于視頻檢測技術的交通車流量研究[J].計算機與現代化，2014（12）：58-63.