結合自適應思想的智慧交通燈控制方法研究

楊強 杜芳芳 宋沁峰

摘要：智慧交通信號燈控制方法的研究，在道路安全，節能減排，城市規劃等方面都有著重要意義。本控制方法是利用實時道路車輛數據，自適應的控制交通燈的紅綠燈持續時長。通過對各個方向的車流量的實時檢測，實時反饋，將數據進行比較、運算來實現對紅綠燈時間的自動調整，達到有效控制車流量，減少車輛等待紅綠燈時間的目的，進而實現節能減排，增強道路安全，提高市民的城市生活幸福指數。并通過模擬仿真證實在各個方向車流量不均勻的路口，該控制方法較傳統紅綠燈對于車流量控制有了較大改善，對等待紅綠燈的時間有了大幅減少。

關鍵詞：智慧交通燈;節能減排;自適應;實時反饋

中圖分類號：TP311? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）28-0120-02

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

隨著人們生活水平的提高，道路上的機動車數量隨之增長，交通擁堵現象頻發，同時伴隨而來的問題包括尾氣排放造成環境污染，人們的城市生活幸福指數下降等。交通燈作為交通中人車行駛的依據，對智慧交通[1]有著非常重要的作用。

現今城市機動車量的不斷增加，許多大城市出現了交通超負荷運行的情況[1]。更深一步講當有救護車、消防車等特殊車輛通過十字路口時希望它能快速通過，避免因堵車而造成無法估量的損失。這些交通問題亟待解決。隨著物聯網技術和智能車輛技術的發展，智能交通產業將發生重大變革.目前設計交通燈的方案有很多，有應用單片機設計控制、用ABEL語言控制、用FPGA控制、用MATLAB編程控制[2]等，在控制方法上各不相同，也各有特色。但是對于交通燈自適應系統的具體控制方法，尚未有比較具體的算法。基于此，本文提出自適應交通信號燈控制方法。

1 當前交通信號燈存在的問題

現有的交通燈一般設在十字路口，分為東西方向和南北方向，在任一時刻只有一個方向通行，另一方向禁止，持續一定的時間后，經過短暫的過渡，將通行和禁止的方向進行調換。紅燈、黃燈和綠燈循環點亮，周而復始，大多數交通燈交替的時間是一個固定的值，也就是說，不管此方向是否有人要通行，該方向的綠燈依然要點亮;不管這個方向等待通行的人有多少，該方向的綠燈依然會熄滅。

這樣不合理的設置，不僅增加了道路阻塞的幾率，也增加了闖紅燈的概率，因此，設計一種新型的智慧交通信號燈的需求已迫在眉睫。該方案的目標是實現不同車流量的情況下，能夠自動調整交通燈的持續時間、變換周期，以期達到最佳的交通信號燈控制方案，減少人車等待時間。

2 結合自適應思想的智慧交通信號燈

自適應[3]是以處理的數據特征為依據， 通過自動調整處理方法， 已達到與處理的數據特征相適應的處理過程。針對當前交通燈常見的問題， 結合自適應的思想， 提出了新的交通信號燈設計思路。依據各個路口的個體差異， 有針對性地規劃紅綠燈持續時間， 以提高道路通行效率。

結合自適應思想的智慧交通信號燈[4]主要分為車流檢測、計算分析、智能控制三個模塊，系統組成如圖 1 所示。其中交通燈控制系統[5]負責交通燈光控制、獲取車流量采集模塊的數據以及計時顯示的控制。小鍵盤輸入控制指令并實時顯示車流量信息。

2.1 車流檢測模塊介紹

在紅綠燈處每個方向安裝兩個攝像頭（兩個攝像頭間距60米），通過智能檢測技術，計算兩個攝像頭之間車輛個數，獲取當前方向等待車輛個數。

2.2 交通燈控制系統

通常來說，傳統的交通燈信號控制系統在對十字路口的控制方法都采用定時控制，但這種控制方法存在很大的局限性。城市的道路及交通系統都比較復雜，而且交通流的變化比較隨機，因此要建立一個數學模型比較困難。近些年來，伴隨著智能交通控制理論[6]的不斷發展，在交通管理中應用智能控制交通燈的方法得到了越來越多的關注。

對車流檢測模塊采集到的各個方向等待通過路口的車輛數進行處理：

設當前交通燈非紅燈的方向為D1，當前交通燈為紅燈的方向為D2（為簡化運算，將直行和左轉車輛都計入直行車流量，綠燈時間按照兩者之和考慮），D1方向交通燈顏色為C1，D2方向交通燈顏色為C2，系統設置的綠燈持續時間為T1，系統設置的黃燈持續時間為T2，綠燈持續的剩余時間為Tg，黃燈持續的剩余時間為Ty。D1方向上等待通過路口的車輛數為D1Count，D2方向上等待通過路口的車輛數為D2Count，D1方向上變為綠燈的次數為n。

該系統能夠智能分析，即對車流檢測[7]得到的結果進行比較.在黃燈最后一秒做出決策。當紅燈方向等待車輛數大于設定閥值20或等待紅燈次數大于2時，將該方向紅綠燈切換為綠燈，該方向車輛開始通行。否則，仍然放行之前黃燈方向車輛。這里設定的車輛數閥值20，可通過后續輸入模塊修改[8]。紅燈最大等待次數2也可通過輸入模塊修改。

具體算法如下：假如當前東西向為綠燈，每過一秒檢測一次，當綠燈計時結束（綠燈持續時間為60秒，即20輛車每3秒通過一個），變為黃燈，持續3秒。在黃燈最后一秒，首先檢測南北向車輛個數，如果超過閥值20，開始放行南北方向，即南北向變綠燈，東西向變紅燈。如果車輛數小于20但等待紅燈次數大于等于2，則也放行南北方向車輛。如南北向車輛小于20，且等待次數小于2時，判斷東西向等待車輛個數，如果大于20，則繼續放行東西向車輛，即東西向紅燈，南北向綠燈。否則，放行南北向車輛。然后重新開始檢測當前綠燈或者黃燈。

具體控制流程如圖2。

2.3 外界輸入模塊

通過外界輸入模塊，可修改車輛放行的最大車輛數20，也可修改最大等待紅燈次數。

針對不同的路口，車流量的狀況不一致，可設置不同的車輛數以及最大等待紅燈次數，從而滿足不同的需求。針對車流量較小的路口，可直接將最大車輛數設置為0。

2.4 緊急處理

該方案支持緊急事件處理，當出現緊急事件時，將車輛放行的最大車輛數改為0，最大等待紅燈次數為0。交通燈將恢復到默認模式，即周期性切換兩個方向的紅綠燈。也可切換到緊急模式，設置某一個方向為常綠燈模式。將最大車輛數改為一個較大值，如1000.即可實現當前綠燈方向一直處于綠燈模式。

3 仿真與結果

通過隨機數生成，模擬30分鐘的數據：假設東西向到達路口的車輛數為600（平均3秒鐘一輛）;南北向車輛較少，到達路口車輛數為100（平均9秒鐘到達一輛），通過隨機生成函數，生成車輛到達路口的時間。按照不同方案計算30分鐘內路口通過的總車輛數和通過該路口所有車輛在該路口的平均等待時間，進行對比。

傳統紅綠燈的通過車輛總數CarCount1、平均等待時間WaitTime1。

自適應方法下通過的總車輛數CarCount2和所有車輛在該路口的平均等待時間WaitTime2，對比數據如下：

第一次模擬

Carcount1 = 399輛，WaitTime1 = 317秒

Carcount2 = 491輛，WaitTime2 = 439秒，其中前392輛車的平均等待時間為224秒

第二次模擬

Carcount1 = 398輛，WaitTime1 = 341秒

Carcount2 = 492輛，WaitTime2 = 458秒，其中前398輛車的平均等待時間為246秒。

第三次模擬

Carcount1 = 389輛，WaitTime1 = 310秒

Carcount2 = 494輛，WaitTime2 = 420秒，其中前389輛車的平均等待時間為209秒。

經過多次仿真可得結果：該自適應思想的交通燈控制算法比傳統紅綠燈控制方法在相同時間內通過車輛數更多，對于通過的相同車輛，車輛通過增加量約25%，車輛等待更短，時間縮短約30%，由此可得如下結論：對于一個方向車流量大，一個方向車流量小的路口，文中控制方案比傳統方案優越許多。

4 結束語

本方案是結合自適應思想而設計的交通燈控制算法，適用于不同車流量的情況，通過檢測當前路口每個方向等待紅綠燈的車輛數最終決策下次放行的方向。這樣擺脫了現在大部分交通燈固有的模式，比如東西向綠燈后，下次綠燈必然是南北向。該方案優勢在于東西向和南北向通過車輛數不均衡的路口，將極大提升車輛通行效率。對于東西向和南北向車輛數量相當的路口，該方案工作效率優勢將不會太明顯，這里后續會做進一步研究。同時，該方案對左轉燈和右轉燈的情況做了簡化處理，后續仍有待完善的地方。

參考文獻：

[1] 曹堉. 基于多源數據挖掘的交通擁堵智能識別與改善[D].華僑大學，2020.

[2] 張書陽，陳佳琦.可升級的基于模糊控制的最優化交通信號燈系統[J].數碼世界，2020（11）：34-35.

[3] 杜芳芳，王丹，高繼梅.結合自適應思想的在線課程建設與應用探究[J].科技創業月刊，2018，31（10）：135-137.

[4] 化雪薈.自適應交通燈智能控制系統設計[J].電腦編程技巧與維護，2015（20）：5-7.

[5] 齊保良，孫悅，汪晴晴，等.交通燈運行時間自適應算法及其控制系統[J].計算機系統應用，2020，29（6）：104-111.

[6] 宋秋實，馮博楷.基于PLC的交通燈自適應控制系統設計[J].山東工業技術，2015（19）：89-90，101.

[7] 雷霆. 城市交通系統無模型自適應宏觀邊界控制方法[D].北京：北京交通大學，2020.

[8] 何凡凡. 基于霧計算的交通燈智能調控研究[D].西安：西安理工大學，2018.

【通聯編輯：李雅琪】