基于車路協同的智能交通信號燈優化控制策略

李建春，陶崇瑾

（酒泉職業技術學院 機電工程學院，甘肅 酒泉 735000）

隨著智能化城市建設步伐的加速，城市人口增多，汽車保有量的增加，城市原有的道路有限等因素導致城市道路交通擁堵日益嚴重，影響了人們的出行和生活品質。同時城市交通事故頻發、公共交通系統智能化水平較低、交通標識不清和交通信號控制不優等因素也影響著交通流暢性和安全性。針對這些問題，交通管理部門采取系列措施，如加強交通管制、推廣公共交通工具、提高交通安全意識、鼓勵低碳出行、加強道路管理和維護及提高智能化水平等來改善城市交通壓力，但成效甚微。基于人工智能、大數據、物聯網等技術的智能信號燈優化控制，將是城市未來交通管理和優化的重要方向，車路協同技術的應用將提高城市交通效率和安全。

1 車路協同技術

車路協同是指車輛與道路之間的通信和協作，車輛通過收集來自道路基礎設施（如交通信號燈、路面傳感器等）信息和來自其他車輛信息，通過大數據、物聯網和人工智能等技術，全方位實施車車、車路動態實時信息交互，并在全時空動態交通信息采集與融合的基礎上開展車輛主動安全控制和道路協同管理，實現人車路的有效協同，形成安全、高效的道路交通系統[1]。車路協同技術現已應用于智能交通管理系統、自動駕駛汽車、交通運輸管理等領域，未來將會成為智能城市建設和交通管理的重要組成部分。

2 車路協同技術發展趨勢

云計算、大數據、移動互聯為車路協同工作提供了強勁的支持，目前我國車路協同技術的發展已取得一定的成效，車路協同技術的體系框架得到完善，且已在多種場景下應用，部分關鍵技術也得到實踐，切實提高了系統的實際運行效率。基于車路協同的交叉路口智能控制技術已取得實質性的應用，如調整交通信號、實時路徑指引、優先使用公共汽車等。國外如美國、歐洲等制定了相關的標準，如營運車輛信息系統與網絡系統、基于合作的智能安全道路系統、智能安全車路系統及基于合作的車路系統等車路協同系統技術已進入實驗和測試階段，大規模推廣將很快應用到實際場景。當前我國車路協同技術要適應智能城市建設，關鍵要突破車路協同智能控制關鍵技術，建立智能車路協同系統測試驗證環境，實現關鍵技術與系統的仿真測試驗證，建立我國車路協同技術框架體系，為智能交通系統產業升級提供技術保障。

3 車路協同技術架構

通過對車路協同技術國內外研究現狀以及進展趨勢的分析，車路協同需要多途徑獲取數據，包括車輛自身狀態、周圍行車環境、道路路面狀態及交通流量信息等；通過精準定位與穩定的通信技術將數據信息傳輸到云服務器，以便云服務器對這些信息進行處理，形成有效的操縱指揮方案。車路協同技術的架構由應用層、服務層、網絡層、數據傳輸層和設備層構成，見表1，包含信息采集技術、外場感知設備、通信技術、信息處理技術。

表1 車路協同技術架構

基于無線通信、傳感探測等技術進行車路信息獲取，通過車車、車路信息交互和共享，實現車輛和基礎設施之間智能協同與配合，達到優化利用系統資源、提高道路交通安全、緩解交通擁擠的目標。其實現路徑如圖1 所示。

圖1 車路協同技術應用

4 智能信號燈控制優化

信號燈控制是一種常見的交通管理方法。因其安全性高、可靠性強，能夠合理控制交通流量，避免擁堵和交通事故發生，對提高交通道路通行能力，有效保障行人和車輛的安全，降低交通事故的發生率都有重要的作用，在城市交通管理應用很廣，但應用能耗消耗大、造價高、建設周期長等缺點，影響了智慧城市的發展。國內外學者就信號燈配時優化控制進行大量深入的研究，其中大部分學者致力于信號燈控制模型參數的優化。吳嘯宇等[2]將人工魚群算法應用到交通信號燈優化控制中，有效改善了城市路口的通行效率；牟亮等[3]通過對快速非支配排序遺傳算法改進，對城市道路車輛的尾氣排放和車均延遲情況進行優化；劉佳佳等[4]將模糊規則與遺傳算法結合，有效地提升了城市路口的通過性能[5]。在我國，傳統信號燈控制在城市交通路口保證右轉不影響其他車輛通行的情況下，不受紅綠燈的控制。為此紅綠燈分為4 種相位：①南北相直行；②南向西左轉，同時北向東左轉；③東西相直行；④東向南左轉，同時西向北左轉。在要求直行和左轉的紅綠燈下，①②合并為一個相位，③④合并為一個相位。其相位具體形式如圖2 所示。傳統的四相位紅綠燈在假設交通流穩定的情況下建立交通模型，而現實生活中，大多數路口的車流量并不均勻。在這種情況下，傳統紅綠燈分配的時間會明顯變長，容易形成空放。這就需要結合車路系統技術重新設計新的紅綠燈相位。

圖2 交通信號燈控制相位

隨著智能技術的發展，交通信號控制通過采用人工智能、大數據、物聯網等技術，對傳統信號燈進行智能化改造和優化，實現智能化控制。其原理就是利用視頻監控、雷達、傳感器等技術，實時感知路口交通情況和車輛行駛狀態，并對這些交通數據進行采集、存儲和處理，實現數據可視化和分析，通過支持信號燈時間方案的制定和優化，實現信號燈時間方案的動態調整，滿足不同時間段和交通狀況下的需求，如動態綠波、車輛優先和交叉口優化等。通過采用這些智能化技術，對交通信號燈進行動態優化和控制，對提高道路通行、有效緩解交通擁堵壓力、保障交通安全和穩定性、提升城市智能化水平具有重要的應用價值。其控制方法為視頻監控→車流預測→動態綠波→車輛優先→多策略協同。即通過利用視頻監控技術，對路口交通情況進行實時感知和分析，以調整信號燈時間方案，通過機器學習算法等技術，對歷史道路交通車流數據進行分析，預測未來交通流量，并相應調整信號燈時間；根據路段長度、車速等參數，計算并調整信號燈時間，使車輛更順暢地通過多個路口，形成綠波帶；根據車輛類型和行駛方向等因素，對車輛實現優先通行和綠燈延長等措施，以提高道路通行效率；采用基于車路協同的車輛快速通行、行人避險通行、信號配時優化與協調和車輛避撞等多種優化策略相互協作，以適應不同的交通情況和需求[6]。優化智能信號燈的目的是為了最大限度地減少交通擁堵，縮短行人和非機動車的等待時間，并提升道路的運行效率。需要注意的是，智能信號燈控制優化需要收集大量的實時交通數據，并采用高效的算法進行數據處理和決策，同時需要保證交通安全和穩定性。

在車路協同技術下，交通信號可以更加智能化、個性化地控制。傳統的交通信號控制方法是根據固定時間表進行，而在車路協同系統中，交通信號可以根據實時的交通流量和路況信息進行動態調整[7]。例如，在車輛密集的路段，交通信號可以自動延長綠燈時間以減少擁堵；在道路施工或事故發生等情況下，交通信號可以及時調整以避免交通堵塞或安全事故發生。此外，車輛還可以通過車載設備向交通信號發送請求，例如當緊急車輛需要通過時，交通信號可以自動調整以給予其優先通行權。利用車路協同技術獲取車輛狀態信息數據，將數據傳遞給反饋系統，反饋系統通過設計的算法，可以得出車輛密度、速度、等待時間以及等待車輛數量等信息，將上述所獲結果傳遞給紅綠燈控制系統實現紅綠燈相位、配時等優化。總的來說，車路協同技術下的智能交通信號控制可以使交通更加順暢、安全和高效。

5 車路協同的智能信號燈優化控制策略

車路協同技術的應用大大改善道路交通的安全性和效率，不僅能夠有效地指引車輛，而且能夠有效地減少交通擁堵，同時也能夠有效地利用系統資源，比如定時和定位闖紅燈等。從以上分析看，車路協同下對道路交通信號燈進行智能化控制可提高信號燈控制精度、減少交通擁堵和延誤、提高交通安全和降低能源消耗等。其控制策略是一種新型的交通信號控制策略，通過車輛和道路設施之間的信息交互來實現自適應的交通信號控制[8]。其主要思路是在車輛和信號燈之間建立通信通道，通過車輛的實時狀態和位置信息，以及道路的擁堵情況和交通流量等信息，實現信號燈的自適應調節，以達到最優化的交通流控制效果。具體實現策略如下。

實時采集車輛信息策略：車載設備通過GPS、車速傳感器等設備采集車輛的數量、位置、速度等信息，并將數據傳輸到交通管理中心。交通管理中心對采集到的車輛數量、流向、速度等車輛信息進行分析，并結合道路的擁堵情況進行交通狀況識別。例如，當交通擁堵時，通過車路協同技術，可以及時發布紅綠燈信息，提醒司機注意安全，并協助其做出正確的決策。此外，還可以利用車路協同技術來控制公共汽車的優先信號。

信號燈優化控制策略：根據交通狀況，交通管理中心通過車路協同方法，對交叉口的信號燈進行優化，通過模糊控制和神經網絡等算法進行控制決策，實現更加智能、高效的信號控制。模糊控制算法基于實時交通流量數據，使用模糊邏輯來決定何時和如何調整信號燈。簡單地說，當交通流量高時，信號燈時間應該更長，以便更多的車輛通過。當交通流量低時，信號燈時間應該更短，以減少等待時間并提高道路的使用效率。該算法還考慮了環境因素（例如天氣、時間、節假日）和道路結構（例如車道數、轉彎半徑），以便獲得更準確的信號燈時序調整。此外，該算法還使用車輛設置優先級的機制，例如緊急車輛或公共交通工具，以確保快速響應緊急情況和提高交通流量。算法的輸出是信號燈的時序調整結果，即每個路口的紅綠燈時長。根據不同的交通流量和道路結構，信號燈的時長會自動調整，以保證交通流暢和行車安全。該算法的實現需要借助計算機編程語言和軟件工具，例如Python、MATLAB 等。具體來說，我們需要編寫交通流量數據處理程序、模糊邏輯控制程序以及與周圍交通設施和城市管理系統的通信接口程序。

實時調整信號燈策略：交通管理系統根據之前采集到的車輛信息和信號燈優化控制結果自動調整信號燈的時序，以優化路口交通流暢度和行車安全。具體實現上，交通管理系統可以借助傳感器、攝像頭等設備來實時采集路口交通流量數據。系統會對這些數據進行處理和統計，并運用交通流模型進行預測。根據預測結果，系統會通過控制信號燈的開啟和關閉時間來調整交通流量，以達到最優化的交通流暢度和行車安全。該策略的優點是可以根據實時的交通流量情況和預測結果進行靈活調整，從而更好地適應不同交通流量變化。同時，也能夠提高交通效率和安全性，降低交通擁堵和事故發生的概率。例如，當道路上沒有車輛行駛時，信號燈可以直接跳過紅燈等待時間。

實時監測交通流策略：交通管理中心通過使用傳感器、攝像頭等設備對路口交通進行實時數據采集和分析，以便對交通流量、速度、密度及擁堵等情況進行監測和預測，可以實現對交通流量的實時監測和控制，同時也能夠幫助交通管理部門優化交通流暢度和安全性。例如調整信號燈時序、增加道路容量等方法，以優化交通流暢度和安全性，降低交通擁堵和事故發生概率。

6 結束語

安全與效率已經成為制約我國交通運輸發展的關鍵問題，車路協同，就是要讓“車”和“路”都能智能化起來，并讓兩者能協同交互，共同實現智能交通安全、舒適、節能、高效的需求。基于車路協同的智能信號燈優化控制策略能夠通過車輛與控制中心的交互，最大程度地利用現有道路資源，優化交通流量，有效提高道路交通流的效率和安全性，提升道路交通運行的智能化水平，減少交通擁堵和車輛排放污染，實現安全、高效的出行體驗，是一種非常值得推廣的智能交通控制方法，將為城市交通實現信號燈的精細化控制和智能化管理，為城市交通發展帶來新的機遇和挑戰。突破車路協同智能控制關鍵技術，搶占智能交通前沿技術制高點，是未來我國能否形成智能交通產業核心競爭力的關鍵。