朱保羅，鄭寧宇，余旭華

（安徽三聯(lián)學(xué)院，安徽 合肥 230601）

隨著我國(guó)機(jī)動(dòng)車數(shù)量的增加，交通擁堵已經(jīng)成為大中城市的普遍問(wèn)題，本課題以提高運(yùn)輸效率、實(shí)現(xiàn)資源的合理利用為目標(biāo)，研究了一套道路疏通電子系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)各種傳感器技術(shù)對(duì)于路面車輛的感知，并傳輸給計(jì)算機(jī)，控制信號(hào)燈的變換，從而緩解城市交通安全問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)“人、車、路”的和諧共存。

1 原理和硬件結(jié)構(gòu)

道路疏通電子系統(tǒng)對(duì)道路的交通流進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過(guò)道路上的傳感器采集道路的交通流量和車流速度，并進(jìn)行綜合分析。自主進(jìn)行調(diào)節(jié)城市交通信號(hào)燈的時(shí)長(zhǎng)，設(shè)置可以自動(dòng)禁行等，并通過(guò)人工智能技術(shù)設(shè)備向司機(jī)發(fā)出意見(jiàn)與建議，及時(shí)進(jìn)行疏導(dǎo)交通，充分發(fā)揮其作用。交通信號(hào)進(jìn)行控制是該系統(tǒng)的重要組成一個(gè)部分。

1.1 監(jiān)控道路流通量

動(dòng)態(tài)智能交通控制的實(shí)現(xiàn)是以道路交通信息采集器為基礎(chǔ)，它主要由車輛檢測(cè)、交通信息采集和處理以及串行通信三個(gè)模塊組成。通常需要一個(gè)單位周期(通常為3min或5min)來(lái)處理收集到的交通信息，無(wú)論是否檢查過(guò)往車輛，都計(jì)算出該周期智能交通控制系統(tǒng)所需的交通流量、速度、密度等數(shù)據(jù)。特殊的環(huán)形線圈導(dǎo)線通常埋在路面下，相當(dāng)于一個(gè)電感，實(shí)際上是耦合電路的一部分。通過(guò)將振蕩信號(hào)傳輸?shù)诫娮娱_(kāi)關(guān)，選擇向單片機(jī)發(fā)送電路的端口進(jìn)行計(jì)數(shù)。當(dāng)機(jī)動(dòng)車輛進(jìn)入環(huán)形埋線圈時(shí)，電流開(kāi)始減小，逐漸增加耦合電路的振蕩頻率。當(dāng)機(jī)動(dòng)車離開(kāi)環(huán)形地埋線圈時(shí)，電流值增加，此時(shí)耦合頻率再次恢復(fù)，這樣可通過(guò)使用單片機(jī)工作單位不同時(shí)間段的脈沖計(jì)數(shù)值來(lái)判斷機(jī)動(dòng)車是否能夠通過(guò)建立相應(yīng)的環(huán)形地埋線圈，同時(shí)還能得到相對(duì)應(yīng)的時(shí)間。

1.2 信息資料采集處理方法

各種交通信息資料的概念和收集處理方法如下。

1)交通流量是指單位時(shí)間通過(guò)的車輛數(shù)。如果TZ為測(cè)量范圍(通常為4min或6min)，且該周期第一車道通過(guò)環(huán)形線圈的機(jī)動(dòng)車數(shù)量，則該時(shí)段第一車道的車流量為：

2)占有率是指在一定路段中車輛占用的道路長(zhǎng)度與整段路程的長(zhǎng)度之比?？梢酝ㄟ^(guò)對(duì)于工作時(shí)間的占有率估計(jì)結(jié)果得出：設(shè)Ti(y)為第y周期內(nèi)第車道中，所有機(jī)動(dòng)車輛信息經(jīng)過(guò)其環(huán)形線圈所需要學(xué)習(xí)時(shí)間的總和，即：

式（2）在第一個(gè)循環(huán)中，當(dāng)?shù)谝卉嚨来┻^(guò)環(huán)形線圈時(shí)，從M車進(jìn)入線圈到離開(kāi)線圈需要的時(shí)間。得出第一個(gè)y周期第一條車道的占用率為：

3）交通密度是指在每一車道中單位長(zhǎng)度間道路上存在的機(jī)動(dòng)車輛數(shù)。在此期間，環(huán)形繞道的交通密度如下：

式(4)中為第y周期內(nèi)第i車道所有車輛的平均可以有效數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，根據(jù)分析上述的車輛，可將其主要分為大、中、小型車以及他們各自的長(zhǎng)度，再計(jì)算得出一個(gè)近似平均有效長(zhǎng)度。

4）時(shí)間平均速度是指車道某處通過(guò)的所有車輛的速度平均值：

其中：多條車道的總流量等于每條車道的總交通流量，總交通密度等于每條車道的交通密度之和，總時(shí)間的平均速度等于總流量除以總流量密度。

1.3 自行調(diào)配信號(hào)燈配時(shí)

通過(guò)對(duì)智能交通決策控制系統(tǒng)采集的道路信息進(jìn)行綜合分析，根據(jù)交叉口各路段交通流量的大小，自動(dòng)調(diào)整信號(hào)燈的配置、自動(dòng)設(shè)置禁行限速標(biāo)志(電子顯示)，將整個(gè)區(qū)域內(nèi)的所有交通信號(hào)連接起來(lái)，對(duì)其進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，形成區(qū)域交通信號(hào)控制系統(tǒng)。有效避免了由于同一路口的信號(hào)燈時(shí)間進(jìn)行分配管理不當(dāng)、一個(gè)重要路口的車多擁擠需要過(guò)往車輛等待信號(hào)燈、而另一路口信號(hào)燈顯示綠燈卻無(wú)車通過(guò)的現(xiàn)象，最大限度發(fā)揮道路的流通能力。

1.4 提供語(yǔ)音信息服務(wù)

司機(jī)在駕駛過(guò)程中從終端接收語(yǔ)音信息。交通相關(guān)部門可以溝通當(dāng)天的天氣和交通狀況，發(fā)布相關(guān)管理規(guī)定和各種警示指示。其發(fā)布系統(tǒng)分為兩部分，一部分是內(nèi)部管理人員利用內(nèi)部信息，通過(guò)中央系統(tǒng)向各級(jí)指揮中心發(fā)布服務(wù)。另一部分是為廣大參與者服務(wù)，其采用的手段也多樣化，如采用智能手機(jī)對(duì)交通進(jìn)行多元管理。

目前市場(chǎng)上比較可行的是運(yùn)用GPS（全球定位系統(tǒng)）以及GPRS（通用分組無(wú)線服務(wù)）技術(shù)。它們收集有關(guān)車輛定位的數(shù)據(jù)，并重復(fù)使用“分組交換”概念開(kāi)發(fā)的傳輸方法。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是只有在傳輸數(shù)據(jù)時(shí)才消耗帶寬。

2 智能交通信號(hào)控制的分類以及相關(guān)參數(shù)

交通信號(hào)的控制可以分為很多種，其中絕大多數(shù)是按照信號(hào)的控制研究范圍以及其工作原理來(lái)劃分，本文是按照信號(hào)進(jìn)行控制系統(tǒng)劃分的范圍來(lái)探討智能發(fā)展交通信號(hào)通過(guò)控制的策略。其智能交通控制的影響因素如圖1所示。

圖1 智能交通控制影響因素圖

解釋如下：

1)平均車速可以是行駛過(guò)程中某一路段的瞬時(shí)速度，代表車輛的整體行駛速度。

2)交通流量是N輛型號(hào)不同的車輛與該周期時(shí)間t的比值。

3)交通密度是采樣區(qū)域內(nèi)所有車輛數(shù)量N與道路長(zhǎng)度L的比率。

4)飽和交通流量是指在綠燈亮起的期間內(nèi)，車輛代行列之間存在時(shí)，通過(guò)分析車輛的最大設(shè)計(jì)流量，用S表示。

其中，交通流量與交通密度的關(guān)系是由Green Shields提出的平均速度——交通密度模型得到的關(guān)系。該模型為：

其中：Vf為自由流車速；ρj為阻塞密度。Vf通常介于道路的限速以及設(shè)計(jì)車速之間；ρj通常介于115～155之間[1]。從上面分析可以知道，在城市道路上，交通密度越高，平均車速越低。

交通流量和密度模型可推導(dǎo)如下：

由上式可得：該模型為一條拋物線，q隨著ρ的增大而增大；當(dāng)ρ超過(guò)企業(yè)某個(gè)值時(shí)，q隨著ρ的增大而減小，所以尋找出一個(gè)合適的交通網(wǎng)絡(luò)密度，得出選擇合適的平均發(fā)展速度就能得到最大交通量，即道路通行管理能力。

3 線控制的調(diào)控策略

線控是一種綠波帶系統(tǒng)，意思是車輛在通過(guò)某一路段時(shí)，無(wú)論在第一個(gè)路口遇到紅燈還是綠燈，車輛都以自己的速度行駛，后面所有路口遇到的信號(hào)燈都是綠燈，因此得名“綠波帶”[2-3]。綠波帶不像在沒(méi)有紅綠燈的高速公路上行駛，只要車速不高于或低于一定值，那么在綠波帶上行駛就不那么困難了。

3.1 高速公路車輛的通行能力

高速公路的道路寬和車道數(shù)是確定的，其中沒(méi)有一個(gè)信號(hào)進(jìn)行控制，沒(méi)有通過(guò)交叉口，是一條信息暢通無(wú)阻的道路。本文設(shè)想，在高速公路上不發(fā)生交通事故的基礎(chǔ)上，當(dāng)同一車道的每輛車的速度比較相等時(shí)，高速公路上車輛的通行能力相對(duì)較強(qiáng)?？梢灾?，當(dāng)差距較大時(shí)，容易造成交通事故等現(xiàn)象，此時(shí)，公路車輛容量較弱。因此，平均車速是決定高速公路車輛通行能力的主要因素。

3.2 單一十字路口車輛的通行能力

如果此時(shí)只考慮這些東西相位上的通行管理能力：

式（8）中：P是東西相位的通行能力，s是東西相位的飽和流量；G是東西相位的綠燈時(shí)長(zhǎng)(s)；T為周期時(shí)長(zhǎng)(s)；u為東西相位的綠信比。其中，當(dāng)綠燈信號(hào)之比為u=1/2，則可以得出p=s/2，在不考慮其他因素的情況下，s相當(dāng)于車輛在高速公路上的通行能力，單個(gè)路口的車輛通行能力減少到高速公路的一半。

3.3 有若干交叉路的道路車輛通行能力

當(dāng)多個(gè)無(wú)關(guān)路口設(shè)置多個(gè)紅綠燈時(shí)，車輛在行駛過(guò)程中會(huì)遇到很多情況，堵在路上無(wú)疑是不好的做法。那么這條路上的通行能力沒(méi)有高速公路上車輛通行能力的一半。研究幾個(gè)路口的道路交通，首先研究不同車輛的分布密度函數(shù)。其分布密度函數(shù)表達(dá)式為：

其中：ybm當(dāng)?shù)趍交叉口開(kāi)始時(shí)；ym當(dāng)?shù)趍交叉口綠燈結(jié)束時(shí)；fdm（t）當(dāng)?shù)趍交叉口交通量達(dá)到分布密度函數(shù)時(shí)，各交叉口交通量到達(dá)的分布密度函數(shù)可能不完全相同，因?yàn)槊總€(gè)路段在每個(gè)時(shí)刻的交通密度不相同，所以適應(yīng)的密度范圍也不相同。

3.4 綠波帶車輛的通行能力

綠波帶控制問(wèn)題可以按照一定的規(guī)律，把其中所進(jìn)行觀察的若干個(gè)沒(méi)有其他任何一種關(guān)聯(lián)的交叉口紅綠燈變成有關(guān)聯(lián)的，就像是在一個(gè)重要交叉路口對(duì)于紅綠燈的控制，把其中的綠波帶上機(jī)動(dòng)車通行能力水平保持在高速公路上車輛通行能力的一半，由于在交叉路上的車輛也需要提高通行能力，為了能夠?qū)崿F(xiàn)此目標(biāo)，就必須找到合適的關(guān)系，根據(jù)研究不同密度分析得出選擇合適的值。

4 結(jié)論

交通燈智能調(diào)控其實(shí)是交通行業(yè)的升級(jí)，是大數(shù)據(jù)智能化的結(jié)果[4]。《紅綠燈智能調(diào)控》是交通領(lǐng)域?qū)Φ缆返臄?shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化建設(shè)。通過(guò)人工智能調(diào)控的建設(shè)將全面發(fā)展提高道路的安全性能和應(yīng)急管理能力。道路和汽車協(xié)調(diào)將提高道路安全、提高自駕能力和出行效率，道路和汽車協(xié)調(diào)技術(shù)將成為交通發(fā)展趨勢(shì)。