基于5G的智慧交通協調優化控制系統設計

文/蘭曉斌 馬新婷

智慧交通的協調控制是提高城市交通運行效率的關鍵，由于傳統控制系統對多源交通信息的采集不夠全面，導致對智慧交通流量的協調控制效果不佳，研究基于5G的智慧交通協調優化控制系統設計?；?G控制短時交通流，完成智慧交通流的預測和管理。經實驗論證分析，本文系統對車輛總延誤時間的目標優化具有較好的控制性能。經實驗對比驗證，本文系統比傳統系統的車輛總延誤時間少63.8s，說明本文方法具有有效性。

0.引言：

近年來我國社會經濟發展迅猛，生活節奏越來越快，為了出行的方便與快捷，人們的出行方式多以汽車為主，隨著城市道路中車輛的不斷增多，交通路段的容量趨于飽和，致使交通擁擠，在此路況下頻頻發生交通事故，城市的交通問題受到了社會的廣泛關注[1]。如何科學地協調與控制城市交通已成為社會廣泛關注的問題，解決交通擁擠、交通污染等問題是目前智慧交通控制系統優化的新要求[2-3]。本文基于5G通信技術設計了智能交通協調優化控制系統，為解決城市交通擁擠、保證道路暢通提供了一定的參考，對促進我國交通工程建設具有現實意義。

1.基于5G的智慧交通協調優化控制系統硬件設計

1.1 設計主控板。主控板需要完成5G通信、優化處理，并協調其他模塊的功能，當智慧交通協調優化控制系統進行協調控制時，主控板接收上位機指令，主控板可根據路口車流量信息，對路口信號等進行優化控制。當進行單路口控制時，檢測器將車流量信息輸送至主控板，主控板對相應信號進行配對優化，控制信號燈時長，并將路口信息進行存儲和傳送。當進行區域協調控制時，主控板通過預留接口及5G網絡將出流量信息傳送給上位機，上位機進行優化配對后反饋給主控板，進行信號燈的控制。針對不同交叉口，進行相應的設置修改，并配接了移動設備接口，用以實現本文系統的優化配置。

1.2 設計電源電路。電源電路設計對本文系統十分重要，它決定著電路板能否進入編譯環境，也是系統能夠正常運行的關鍵。在電源電路的設計中要充分考慮功率問題，若芯片功率不夠會導致發熱，若問題嚴重則會出現爆炸的現象，需要重視[4]。為了能夠在低消耗的條件下保證本文系統的運行速度，電源設計使用分離的內核電壓和I/O電壓，供電系統對上電時序有著規范的要求，在加電過程中要先保證內核電源加電，由于需要多種電壓，本文選用兩片芯片，一片為固定電壓輸出，一片為可調電壓輸出，兩片電壓均采用5V電壓供電，其具體供電原理圖如圖2所示。

由圖1可知，考慮功率問題及電壓波動的需要，用二極管連接離心電源與I/O電源，固定電壓輸出的芯片最大輸出電流為4A，輸出功率約為9000Mw，使其滿足主控板的功率需求。

圖1 電路設計原理圖

2.基于5G的智慧交通協調優化控制系統軟件設計

2.1 采集與融合多源交通信息。本文通過浮動車技術與移動通訊技術相結合，浮動車通過車輛的信號接收機進行對車輛路線行駛的跟蹤，計算車輛從行駛起點到終點的時間。移動通訊方式對交通信息的采集是通過車輛駕駛者使用車載誘導裝置實現的，車輛駕駛者及車輛內其他用戶通過使用手機到達檢測站時將控制中心發送定位，再由控制中心記錄時間，通過對多個車輛的時間地點數據進行處理，可以得到特定的路段的行程時間，進而預測行程時間。運用數據融合方法進行數據融合，具體公式為：

上式為檢測器到檢測器的融合結果，Yab為a到的b狀態估計，對應的誤差協方差矩陣分別為Ha和Hb。首先進行像素的融合，此技術處于路口控制層，將其進行數據關聯。接下來進行特征的融合，這部分技術處于區域控制層，用于提取區域特征，最后是進行決策融合，處于交通流的均衡分配層，用于多源決策信息的融合。

2.2 建立智慧交通協調優化模型。要實現智慧交通的協調控制，優化交通運行能力，就需要根據路段的車輛容量，協調每個路口與交叉口的交通流使其逐漸均衡，它要求每個路段和路口之間進行良好地協作，然而在有限時間和路段內進行協調就會產生新的問題，這些問題有待于解決，對交通流的協調控制需要建立一個模型，基于5G龐大的數據容量和傳輸通訊，能夠對實際應用效果有所幫助[6]。為了實現對交通的優化，本文建立了智慧交通協調優化模型。對路段交通控制的決策變量為P1、P2的相位時長，信號周期在[Qmin，Qmax]遍歷尋優。本文協調優化的目標為交叉口的總延誤時間最小，建立具體約束條件。對信號燈周期和路燈時長約束為：

式中qmn為第m交叉口的第n相位的路燈時長，根據綠燈范圍約束，對周期的約束為：

式中P為相位損失時間，XM是第m個交叉口的約束路段范圍，對相位差的規范約束及相鄰交叉口相位差約束為：

式中qm為交叉口路段相位綠燈時長，ηm，m+1為相位差規范化約束，Tm+1為交叉口m+1的停車波傳送至上游交叉口m的最長時間。最后進行模型求解，更新路徑信息，得到最優解，根據確定的周期生成配時方案。

3.實驗論證分析。

為驗證本文系統的有效性，本文通過仿真實驗模擬路網，根據得到的數據進行分析，并與常規控制的傳統系統進行對比，本次實驗將實際路網情況進行了簡化，在模擬過程中僅考慮小型轎車、中型面包車、大型公共汽車三種車輛，交叉路口均由兩相位控制，交叉路口的南北向間距為200米，東西向間距為150米，采用的性能指標如下式：

式中F為路網中車輛平均延誤時間，H為平均停車次數，k1、k2為加權系數。設置具體實驗參數如下表1所示。

表1 仿真實驗參數

由表1可知其實驗設置的路網情況，實驗時間及車輛流量等信息，本文以接近模擬路網飽和流量的1400輛/h作為輸入的仿真結果，與傳統方法進行對比，應用本文系統進行協調優化控制的車輛延誤和停車的性能指標明顯比常規控制的傳統系統的性能指標更小，說明本文系統性能較好，對交通的協調優化控制具有一定的效果。

4.結束語：

本文依托5G通信技術的支持，設計了智慧交通協調優化控制系統，對智慧交通的協調控制進行了優化，取得了一定的研究成果。同時，由于時間和研究條件的限制，本文研究還存在著諸多不足，如未考慮實際交通環境下車輛流的離散性，在本文建立的模型中所涉及的車輛轉向比例較小，也與實際路況有著一定的區別，都需要在實際應用中進行分配方式的優化，從而達到控制車流量的目的。此外，對智慧交通的協調控制還有多種技術與方法，在未來的研究中還可以將多種技術與方法相結合，使交通的協調控制優化更具有實用性。