李嘉屹 巴興強(qiáng) 吳大偉

（東北林業(yè)大學(xué)，黑龍江 哈爾濱150040）

1 研究背景及意義

近年來，經(jīng)濟(jì)水平不斷提升的同時(shí)，城市化和機(jī)動化也在迅速發(fā)展，我國人均汽車保有量不斷增加。根據(jù)已知數(shù)據(jù)，未來5 年，我國機(jī)動車新駕車者的數(shù)量將以每年2000 萬的速度增長; 到2025年，中國的機(jī)動車總數(shù)量將達(dá)到3.8 億輛。數(shù)量劇增的機(jī)動車增加了交通流的延誤，加劇了能源浪費(fèi)和環(huán)境污染，也給整個(gè)交通系統(tǒng)的效益造成了不可估量的損失。日益嚴(yán)重的交通擁堵和交通事故給現(xiàn)有交通管理和控制方法的優(yōu)化提出了極大的挑戰(zhàn)。

信號交叉口是城市道路交通的主要延誤點(diǎn)，城市交叉口擁堵問題已經(jīng)成為制約經(jīng)濟(jì)發(fā)展和城市建設(shè)的聚焦所在，而城市交通信號控制是調(diào)節(jié)交通流、提高人員和貨物的運(yùn)輸環(huán)境、提高運(yùn)輸效率的關(guān)鍵[1]。以日本為例，城市中心的機(jī)動車行駛時(shí)間都花在了平面交叉口上，信號配時(shí)不合理、不協(xié)調(diào)是造成不必要延誤的主要原因之一。因此，如何實(shí)現(xiàn)一種科學(xué)合理的平面交叉口信號配時(shí)方法成為研究的核心問題。目前在單路口廣泛應(yīng)用的信號配時(shí)方法主要是通過定時(shí)信號進(jìn)行控制，設(shè)備簡單，投資小，但難以及時(shí)根據(jù)交通流調(diào)整配時(shí)，具有一定的局限性。

現(xiàn)有的幾種新型交通信號控制算法有：（1）針對現(xiàn)有交通信號控制系統(tǒng)不能適應(yīng)城市發(fā)展的問題，朱旭東提出了一種基于北斗系統(tǒng)的交通流自動監(jiān)測和交通信號燈智能控制算法[2]。（2）為了解決交叉口交通燈周期不合理的問題而被設(shè)計(jì)出的基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)交通燈控制系統(tǒng)。交通信號燈的控制節(jié)點(diǎn)組成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，通過RSSI 算法測試交通信號燈的行距和等待車輛的行距，根據(jù)行距自動調(diào)整交通信號燈的時(shí)間[3]。（3）袁麗麗等人通過觀察視頻圖像獲取路口的實(shí)時(shí)交通流信息，利用兩相單路口交通燈的控制規(guī)律提取南北方向和東西方向車輛的排隊(duì)長度，確定兩個(gè)方向交通燈的時(shí)間關(guān)系，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)交通燈的自適應(yīng)實(shí)時(shí)控制[4]。（4）可以有效降低交通堵塞程度，提高通行能力的基于車速的自適應(yīng)交通信號控制系統(tǒng)，采用車間通信模式和V2I 通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)車輛與交通信號燈之間的數(shù)據(jù)傳輸，通過分析交叉口前方的速度信息和交通信號燈實(shí)時(shí)狀態(tài)控制交通信號燈顯示，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)交通流對交通信號燈的自動調(diào)節(jié)[5]。

計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展推動了自適應(yīng)控制模式的出現(xiàn)。與車輛感應(yīng)控制技術(shù)相似，自適應(yīng)控制通過檢測器檢測交通流信息，然后通過網(wǎng)絡(luò)將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇C 上位機(jī)，再由上位機(jī)實(shí)時(shí)生成最佳綠燈配時(shí)計(jì)劃。這種控制模式適用于區(qū)域管理和干線交通燈協(xié)調(diào)，上位機(jī)可以根據(jù)交通流的變化自適應(yīng)調(diào)整運(yùn)行方案并協(xié)調(diào)多個(gè)信號交叉口以提高整個(gè)區(qū)域或干線的運(yùn)行效率。

為了進(jìn)一步優(yōu)化現(xiàn)有的信號配時(shí)方案，我們的團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種恢復(fù)自適應(yīng)信號配時(shí)的方法，能更好地利用現(xiàn)有的交通能力。該系統(tǒng)可以提高整個(gè)區(qū)域和干線的效率，從而減少交叉口擁堵，有效緩解交通堵塞，提高道路通行能力和交通流的安全性、舒適性。

2 設(shè)計(jì)原理

2.1 系統(tǒng)介紹

本套系統(tǒng)是一種自適應(yīng)的交通信號燈時(shí)間分配方法，為了解決固定時(shí)間分配會導(dǎo)致交通資源先驗(yàn)概率的問題，系統(tǒng)通過紅外感應(yīng)模塊檢測每個(gè)信號周期進(jìn)入交叉口排隊(duì)路段的交通流量，然后計(jì)算分支綠燈的長度和綠燈的最小長度，確定分支綠燈時(shí)間是否小于或等于最小綠燈時(shí)間。本方法根據(jù)主干道和支路的流量比，輸出適當(dāng)?shù)男盘柵鋾r(shí)指令，從而優(yōu)化交通狀況，合理地配置道路資源，可廣泛應(yīng)用于交通信號燈的計(jì)時(shí)。

2.2 檢測模塊

檢測模塊具體指安裝于交叉口前的紅外感應(yīng)模塊，其功能為通過感應(yīng)統(tǒng)計(jì)進(jìn)入該路段的車輛數(shù)，再由紅外模塊通過線連接的方式將信息傳輸給單片機(jī)。

2.3 處理模塊

2.3.1 單片機(jī)選用。（1）型號：單片機(jī)為Arduino UNO R3；（2）參數(shù)：處理器ATmega38;工作電壓5V;輸入電壓（推薦）7-1 V;輸入電壓（范圍）6-0V;數(shù)字IO腳14（其中6 路作為PWM輸出）;模擬輸入腳6;IO 腳直流電流40 mA;3.3V 腳直流電流50 mA；工作時(shí)鐘16 MHz；（3）接口設(shè)置。14 路數(shù)字輸入輸出口：工作電壓為5V，每一路能輸出和接入最大電流為40mA。每一路配置了0-50K 歐姆內(nèi)部上拉電阻（默認(rèn)不連接）。

串口信號RX（0 號）、TX（1 號）：與內(nèi)部 ATmega8U USB-to-TTL 芯片相連，提供TTL電壓水平的串口接收信號。外部中斷（2 號和3 號）:觸發(fā)中斷引腳，可設(shè)成上升沿、下降沿或同時(shí)觸發(fā)。

脈沖寬度調(diào)制PWM（3、5、6、9、10、11）：提供6 路8 位PWM輸出。

SPI（10（SS），11（MOSI），1（MISO），13（SCK））：SPI 通信接口。

6 路模擬輸入A0 到A5：每一路具有10 位的分辨率（即輸入有104 個(gè)不同值），默認(rèn)輸入信號范圍為0 到5V，可以通過AREF 調(diào)整輸入上限。

TWI 接口（SDA A4 和SCL A5）：支持通信接口（兼容I C 總線）。

AREF：模擬輸入信號的參考電壓。

Reset：信號為低時(shí)復(fù)位單片機(jī)芯片。

2.3.2 電源：Arduino UNO可以通過3 種方式供電，而且能自動選擇供電方式，外部直流電源通過電源插座供電，電池連接電源連接器的GND和VIN引腳。

USB接口直接供電。

電源引腳說明：

VIN——當(dāng)外部直流電源接入電源插座時(shí)，可以通過VIN 向外部供電；也可以通過此引腳向UNO直接供電;VIN有電時(shí)將忽略從USB或者其他引腳接入的電源。

5V——通過穩(wěn)壓器或USB 的5V 電壓，為UNO 上的5V 芯片供電。

3.3V——通過穩(wěn)壓器產(chǎn)生的3.3V電壓，最大驅(qū)動電流50mA。

GND——地腳。

2.3.3 算法設(shè)計(jì)：

2.3.4 算法流程圖：

圖1 信號配時(shí)算法流程圖

2.4 顯示模塊

2.4.1 顯示板的選用

（1）顯示板型號：lcd2 004

（2）參數(shù)：驅(qū)動芯片KS0066（兼容HD44780）

（3）背光：黃光/藍(lán)光

（4）字色：黑色/白色

（5）字庫：ASCII 碼字庫（英文，數(shù)字，基本符號）

（6）類型：STN

（7）液晶模塊尺寸（mm）：98*60*13.5

2.4.2 單片機(jī)輸出信息顯示：

（1）數(shù)據(jù)采用串口通信輸出

（）輸出格式：#"燈色代碼"，"剩余時(shí)間"，"通過車輛數(shù)"/n

2.5 系統(tǒng)實(shí)物模型如圖所示：

圖2 系統(tǒng)實(shí)物模型

3 數(shù)據(jù)調(diào)研及測試

3.1 交叉口現(xiàn)狀調(diào)查

我們以哈爾濱市某交叉口為調(diào)查對象。根據(jù)實(shí)地調(diào)查，該交叉口信號燈相位及其配時(shí)方案如圖3 所示，該交叉口信號燈分為3個(gè)相位，周期時(shí)長為135s，第一相位綠燈時(shí)長為50s，第二相位綠燈時(shí)長為40s，第三相位綠燈時(shí)長為30 秒，各相位黃燈時(shí)長均為5s。

3.2 數(shù)據(jù)獲取

我們通過實(shí)人實(shí)時(shí)實(shí)地的方法對交叉口車流進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，并獲得車輛通過交叉口的平均車速v、車流量Q、車輛類型以及車輛在各自車道的運(yùn)行狀況等基本信息，如圖4 所示。交叉口路段長度l 與車道數(shù)m 則需要通過實(shí)際測量獲得。

圖3 相位示意圖

4 功能

本儀器通過紅外感應(yīng)模塊實(shí)時(shí)監(jiān)測在路段排隊(duì)的車輛數(shù)量，然后根據(jù)固有的算法實(shí)時(shí)調(diào)整交通燈配時(shí)，以有效提高路網(wǎng)中車輛的通過率，減少路網(wǎng)中車輛的總延誤時(shí)間，減少路網(wǎng)中車輛的平均排隊(duì)長度，該儀器能有效緩解城市路網(wǎng)中的交通交通堵塞，特別是在交通壓力大的情況下，可回收自適應(yīng)信號燈能提高城市路網(wǎng)的交通效率，社會效益顯著，經(jīng)濟(jì)效益得到了有效提高。

5 創(chuàng)新特色

5.1 利用紅外感應(yīng)模塊車輛檢測器對車輛進(jìn)行識別，并將所得數(shù)據(jù)與信號配時(shí)相結(jié)合。

5.2 根據(jù)線性跟馳模型，設(shè)計(jì)自適應(yīng)式信號配時(shí)算法。

5.3 將道路交叉口攝像頭與信號燈連接，提高現(xiàn)有設(shè)備利用率。

圖4 車輛運(yùn)行狀況表

6 應(yīng)用前景

6.1 我國交通運(yùn)輸業(yè)的迅猛發(fā)展不僅推動了區(qū)域城市化和現(xiàn)代化進(jìn)程，也帶來了交通事故和擁堵問題。道路交通延誤主要發(fā)生在信號不完善的交叉口，由此造成的經(jīng)濟(jì)效益損失不可估量?？苫謴?fù)性自適應(yīng)信號配時(shí)方法能有效降低路網(wǎng)特別是交叉口的延誤，具有廣闊的應(yīng)用前景和推廣價(jià)值。

6.2 自適應(yīng)信號計(jì)時(shí)方法可以根據(jù)實(shí)時(shí)路口交通流的變化，通過模型算法生成最佳的信號配時(shí)方案，引導(dǎo)車輛在城市道路網(wǎng)絡(luò)更準(zhǔn)確更有效地減少城市交通擁堵、減少交通延誤和交通事故的數(shù)量、提高道路通行能力、協(xié)調(diào)區(qū)域管理，還可以根據(jù)交通流的變化對運(yùn)行方案中的多個(gè)信號進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，從而提高整個(gè)區(qū)域或干線的運(yùn)行效率。

6.3 在智能交通時(shí)代，在交叉口信號配時(shí)優(yōu)化的基礎(chǔ)上，增加交叉口違章行為檢測、特殊車輛識別與優(yōu)先控制、行人過街安全提示等功能，實(shí)現(xiàn)交叉口管理與控制一體化。