李欣然

摘 要：為解決日益嚴重的城市交通擁堵問題，本文提出一種基于實時交通流量反饋調節(jié)的智能信號燈控制系統(tǒng)。系統(tǒng)實時監(jiān)測城市交通網絡各個路口的交通流量，并兼顧整體與局部作出決策，最后調控決策作用于交通網絡各路口流量，形成調節(jié)反饋的閉環(huán)控制。與傳統(tǒng)的定時控制方法相比，具有經濟迅速的特點，能有效增強城市交通通行能力。

關鍵詞：智能交通；信號燈；分布式計算

中圖分類號：G63 文獻標識碼：A 文章編號：1673-9132（2017）04-0228-03

DOI：10.16657/j.cnki.issn1673-9132.2017.04.145

利用信息技術，通信技術和控制技術等高新技術開發(fā)的智能交通系統(tǒng)可以在現有通行條件下大幅度提高交通網絡的運行效率，是解決交通擁擠問題的最經濟最有效的辦法。本文通過分布式信息采集系統(tǒng)檢測道路流量，中央處理系統(tǒng)分析決策，分布式信號燈控制系統(tǒng)做出反饋，信號燈控制路口通行，直接控制道路流量，如此形成智能交通系統(tǒng)閉環(huán)。

一、系統(tǒng)方案設計

本文提出的智能交通信號燈控制系統(tǒng)如圖所示，系統(tǒng)主要分為三部分：其一是分布式信息采集系統(tǒng)，負責為系統(tǒng)提供輸入數據，相當于系統(tǒng)的“眼睛”和“耳朵”。其二是分布式信號燈控制系統(tǒng)，負責輸出系統(tǒng)的決策信息，相當于系統(tǒng)的“嘴巴”。其三也是最重要的是中央處理系統(tǒng)，是整個系統(tǒng)的“大腦”，要處理系統(tǒng)海量數據，控制系統(tǒng)的運行。

首先，在城市道路每個路口設立分布式信息采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)用于檢測每個路口的流向信息。目前，可行的方案是借助道路路口設立的圖像傳感器，使用基于計算機視覺的方法檢測該路口當前方向車輛數目。這些原始信息經過簡單處理后，傳輸至中央處理系統(tǒng)。

中央處理系統(tǒng)是整個系統(tǒng)的中樞神經，負責對車流量信息進行分析，并作出控制決策。中央處理系統(tǒng)內建城市交通網絡，即城市交通道路的拓撲信息，它記錄每個路口交通信號燈綠燈延遲信息等等重要信息。工作時，中央處理系統(tǒng)收到每個路口每個方向的車流量數據，然后綜合考慮全局，兼顧重點與局部，根據流量數據動態(tài)迭代計算，作出決策，即綠燈延遲等信息，并將決策發(fā)送至分布式信號燈控制系統(tǒng)。

分布式信號燈控制系統(tǒng)是控制城市道路上每個路口各個方向的信號燈的系統(tǒng)，系統(tǒng)包括信號燈以及嵌入式通訊設備，用以緩存信號燈延遲，接收中央處理系統(tǒng)控制信號并協調同步路口信號燈，受控制的信號燈作用于車流，從而控制城市道路車流量。

整個系統(tǒng)如此形成環(huán)路，通過“調節(jié)—反饋—調節(jié)”的方式，實時動態(tài)優(yōu)化控制城市交通流量。

二、分布式信息采集系統(tǒng)

分布式信息采集系統(tǒng)用于采集城市道路每個路口的交通流量。這是一個分布式的信息系統(tǒng)，系統(tǒng)節(jié)點分布在城市交通網的各個關鍵路口，它們協同工作，實時監(jiān)測交通流量，并將流量信息反饋給中央處理系統(tǒng)處理。

以一個十字路口的流量信息為例，分布式信息采集系統(tǒng)在此路口設有一個節(jié)點以采集交通流量信息。路口交通流量信息包涵單位時間內，在N方向車道上前往W、S、E三個方向的通過的車輛數目，以及W、S、E三個方向前往其他方向的車輛數目，共計4組12維數據。

為準確獲得單位時間內車輛通過數，系統(tǒng)設計在N、W、S、E四個路口分別設立圖像傳感器，通過預先訓練的卷積神經網絡方法識別車輛，統(tǒng)計各個方向單位時間通過車輛數目。然后，車流量數據經過簡單處理壓縮，通過數據線路傳送至中央處理系統(tǒng)。

三、中央處理系統(tǒng)

中央處理系統(tǒng)負責接收分布式信息采集系統(tǒng)發(fā)送的城市道路所有路口的車流量信息并進行處理，結合內建城市交通數據做出決策，最后發(fā)送控制指令到分布式信號燈控制系統(tǒng)。

中央處理系統(tǒng)內建城市交通數據，以層次化方式把城市道路分為主干道路和次要道路。為實現交通流量的全局最優(yōu)，系統(tǒng)首先考慮主干道路。然而，交通狀況評價主要關注系統(tǒng)局部最壞情況，如一條道路交通擁堵，所以系統(tǒng)會迭代考慮由主干道路圍成的次要道路系統(tǒng)，做到局部次優(yōu)，同時可以設置權重以區(qū)分對待不同區(qū)域，例如確保城市中心區(qū)域交通狀況良好。中央處理系統(tǒng)的設計邏輯形成了由全局到局部分而治之的策略，從而達到對整個城市交通系統(tǒng)有條不紊的控制。

以北京城市交通道路為例，如示意圖所示，對路口A，以及路口相連接的AB、AC、AD、AE四條道路為一個主干，四周4塊區(qū)域為4個局部。系統(tǒng)首先考慮單位時間的A路口各個方向的車流量，然后根據路口相連道路的長度、寬度、車輛通行速度等指標計算道路飽和度。根據以下策略控制道路飽和度：

負載均衡原則，即調控相連道路，使其飽和度趨于一致。

最小最大負載原則，即調控道路，使其保持較低道路飽和度，并且道路飽和度在時間上趨于穩(wěn)定。

假設AC、AF為長安街，實際交通流量大，計算權重高，而相比AB、AD方向流量相對較小，權重較低。所以系統(tǒng)調控策略會在高峰時段增加AC、AF橫向通行的綠燈延時，而減少AB、AD方向縱向同行的延時。以A路口為例，其控制流程如下：

對當前路口輸入數據，首先計算判斷路口A各個方向流量是否變化，如果模糊計算流量不變，則對該路口決策為保持。如果模糊計算流量變化，則檢查流量是否減小，如果減小則減短該方向綠燈的延時，以提高其他方向車輛通過率；如果流量增加則檢查是否超過道路承載力。如果合法則提高當前方向綠燈延時，提高車輛通過率；如果不合法則發(fā)出警報，并維持當前流量。最后根據流量結合系統(tǒng)內部數據，計算得到路口A綠燈延時。

為兼顧整體和局部，對A路口調控策略同時作用于相鄰B、C、D、E四個路口，同時上述四個路口調控策略作用于A路口調控策略：當A路口流量超過道路承載能力時，B、C、D、E路口會調整延時減少流入A路口車流，以降低局部負荷；當路口A增加某方向綠燈延時以提高路口通行能力時，路口A調整延時間接影響路口B、C、D、E路口延時，對路口A調整延時與其他路口疊加延時求和，以調整路口某方向道路整體通行能力。

中央處理系統(tǒng)能到“看到”城市交通狀態(tài)的全貌，并且“考慮”到全局的交通流量，通過分治策略與協同控制，作出兼顧全局與局部的決策，然后落實到路口各個方向的控制延時上，最后中央處理系統(tǒng)發(fā)送控制指令，調整交通網絡各個路口各個方向控制延時。

四、分布式信號燈控制系統(tǒng)

分布式信號燈控制系統(tǒng)是系統(tǒng)決策的執(zhí)行者，該系統(tǒng)負責接收中央處理系統(tǒng)的控制信號，并以信號燈延時的方式控制交通流量。

系統(tǒng)初始設有固定的信號燈延時，同時等待中央處理系統(tǒng)發(fā)出控制指令，根據指令調整信號延時。系統(tǒng)同時緩存該延時并持續(xù)執(zhí)行，直至中央處理系統(tǒng)再次發(fā)出調整延遲的控制信息。

分布式信號燈控制系統(tǒng)的設計相對簡潔，由于控制系統(tǒng)節(jié)點與信息采集系統(tǒng)節(jié)點高度重合，所以在計算與通訊硬件的實現上，可以復用同一套設備。同時，系統(tǒng)被動調整的實現策略可以保證即使中央控制系統(tǒng)離線，城市交通也不致癱瘓。

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