摘要 現(xiàn)階段，城市道路交通擁堵問題日益嚴重，嚴重影響市民生活質量。為解決這一問題，需提升道路利用效率。文章深入探討道路交通智能化的必要性并提出核心技術，其中包括交通感知、數(shù)據(jù)處理與分析、交通控制等。就城市道路交通智能化技術發(fā)展進行了展望，以期為道路交通智能化建設提供理論基礎，進一步促進城市的可持續(xù)性發(fā)展。

關鍵詞 城市道路；交通智能化；應用技術

中圖分類號 U491.54文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2024）02-0010-03

0 引言

城市道路交通是城市運行的重要組成部分，其效率和安全性直接關系到市民的日常出行和城市的經(jīng)濟發(fā)展。近年來，隨著城市規(guī)模的不斷擴大和車輛保有量的迅速增加，交通擁堵、交通事故等問題日益嚴重，給城市增加了巨大的社會和經(jīng)濟成本。在這種背景下，運用先進的信息技術和通信技術，提升城市交通的智能化水平，已經(jīng)成為解決城市交通問題的重要手段。該文旨在通過對城市道路交通智能化應用技術的深入分析，為城市交通管理提供科學的理論支持和實踐指導。

1 道路交通智能化的內涵

城市道路交通智能化是指運用現(xiàn)代信息技術、數(shù)據(jù)通信傳輸技術、數(shù)據(jù)處理技術、控制技術以及電子傳感技術等，在交通管理、道路網(wǎng)絡運行、車輛控制以及司乘人員信息服務等方面發(fā)展出的一系列智能應用，其核心目的在于提高道路利用效率，減少交通擁堵，增強交通系統(tǒng)的安全性與環(huán)保性，提升交通服務質量和城市運行效率。

2 交通智能化的核心技術

2.1 交通感知技術

交通智能化的核心技術涵蓋了廣泛的信息感知、處理和控制技術，其中交通感知技術是實現(xiàn)交通信息實時、準確采集的基礎。在這一范疇內，視頻檢測技術和地磁檢測技術是兩種主要的感知技術。

2.1.1 視頻檢測技術

視頻檢測技術主要通過在交通節(jié)點安裝攝像頭來實現(xiàn)，攝像頭持續(xù)捕捉交通流的圖像信息，再通過圖像處理技術將視覺信息轉化為交通流量、車速、車輛類型等數(shù)據(jù)。具體的視頻檢測系統(tǒng)可能會使用諸如幀差法、背景減法或光流法等算法進行移動目標檢測，如應用幀差法時，系統(tǒng)會計算連續(xù)幀之間的像素差異，從而確定移動物體的輪廓，該算法可表示為：

（1）

式中，F(xiàn)（x，y，t）——時刻t在坐標（x，y）的像素值。

2.1.2 地磁檢測技術

地磁檢測技術是通過安裝在路面下的地磁傳感器，探測由于車輛存在而引起的地磁場變化來感知車輛。地磁傳感器常用的是基于磁阻效應的傳感器，其輸出電壓與外部磁場強度呈非線性關系，可表達為：

（2）

式中，Vout——輸出電壓；Vcc——供電電壓；k——傳感器的靈敏度常數(shù)。

這種技術由于受天氣和光照條件影響較小，且具有較強的車輛檢測精度，被廣泛應用于停車管理和交通流量監(jiān)測中。然而，地磁檢測技術的缺點在于無法提供車輛速度和類型等信息，而且部署成本相對較高，需要在路面挖掘安裝。

2.2 機器學習技術與人工智能技術

機器學習技術在交通領域的應用通常涉及以下幾個方面。

交通流量預測：使用時間序列分析方法如長短期記憶網(wǎng)絡（LSTM），能夠預測城市道路網(wǎng)絡中各個節(jié)點的未來交通流量。比如，LSTM模型可以定義為：

（3）

式中，xt——時刻t的輸入（如歷史交通流量數(shù)據(jù)）；ht?1——上一時刻的隱藏狀態(tài)；w——模型的參數(shù)；yt——模型的輸出，即下一時刻的交通流量預測。

交通事故檢測與預防：利用分類算法，如支持向量機（SVM）或神經(jīng)網(wǎng)絡來分析和預測交通事故，這些模型可以從交通速度、交通密度、駕駛行為等特征中識別事故發(fā)生的模式。

智能信號控制：運用強化學習算法對交通信號燈的控制策略進行優(yōu)化，以減少交通延遲，提升道路通行能力。這種算法通過與環(huán)境的交互來學習信號控制策略，不斷調整信號燈的時序來適應實時交通狀況。

2.3 交通控制技術

2.3.1 信號控制優(yōu)化

信號控制優(yōu)化通過應用高級算法和數(shù)據(jù)分析技術，精確調整交通信號燈的綠燈時長、紅燈時長和相位順序，實現(xiàn)路口和道路網(wǎng)絡通行能力的最大化。這一過程依賴于實時交通數(shù)據(jù)，如交通流量、車輛速度和等待時間，確保信號控制策略可及時響應交通狀況的變化。

在自適應信號控制技術中，機器學習模型和優(yōu)化算法被用來分析交通數(shù)據(jù)，預測交通趨勢，從而動態(tài)調整信號參數(shù)。例如，通過使用卡爾曼濾波器，系統(tǒng)能夠對路口的交通流量進行實時估計。卡爾曼濾波器是一種遞歸算法，它利用一系列的測量值，包括不確定性和噪聲的估計值，來預測一個變量的未來值。通過不斷更新，卡爾曼濾波器能夠提供對交通流量狀態(tài)的最優(yōu)估計，從而幫助交通管理系統(tǒng)計算出最優(yōu)的信號時長。

2.3.2 協(xié)同交通管理

協(xié)同交通管理技術是一個以信息共享和多元系統(tǒng)整合為基礎，旨在優(yōu)化城市交通流、減少擁堵和提高安全性的綜合交通控制體系。核心在于多個交通系統(tǒng)元素，如車輛、路側設施、信號控制器、監(jiān)控攝像頭及行人信息系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換與實時協(xié)同。

在協(xié)同交通管理中，關鍵技術之一是交通信號控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用各種算法，如優(yōu)化控制算法、自適應控制算法等，以動態(tài)調整交通信號燈的相位和時長。基于車流量的自適應交通信號控制算法可以用數(shù)學模型來描述，其中信號相位時長的調整為：

（4）

式中，Tgreen——綠燈時間；Tmin、Tmax——綠燈最小和最大時間限制。

此技術的應用不僅限于交通信號，還包括車輛與車輛（V2V）、車輛與基礎設施（V2I）、車輛與行人（V2P）之間的通信技術，統(tǒng)稱為車聯(lián)網(wǎng)（V2X）。通過車聯(lián)網(wǎng)技術，信息的實時交換可以降低事故風險，提高道路使用效率。例如，車輛可通過短程通信技術（DSRC，Dedicated Short-Range Communications）接收前方路口信號燈狀態(tài)的信息，并相應調整車速，以實現(xiàn)最優(yōu)的通過時機，從而避免不必要的停車。

3 智能化交通應用實例

3.1 智能交通信號系統(tǒng)

智能交通信號系統(tǒng)是城市交通智能化領域的一項重要應用，該系統(tǒng)通過集成傳感器數(shù)據(jù)、實時交通流量信息和先進的算法，能夠動態(tài)調整交通信號燈的時序，以優(yōu)化交通流并減少擁堵。以下是智能交通信號系統(tǒng)的一個應用實例。

在我國許多城市，已經(jīng)部署了基于視頻檢測技術和地磁檢測技術的智能交通信號系統(tǒng)。這些系統(tǒng)利用安裝在路口的攝像頭和地磁傳感器收集實時的交通數(shù)據(jù)，包括車輛數(shù)量、行駛速度和等待時間等信息。數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后，實時傳輸?shù)浇煌ü芾碇行摹?/p>

交通管理中心采用機器學習算法對數(shù)據(jù)進行分析，例如，使用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡（CNN）對車輛圖像進行分類，以識別不同類型的車輛，并根據(jù)車輛類型、流量以及時間段進行交通信號的調整。比如，CNN模型能通過訓練學會識別各種車輛和行人，并實時計算各個路口的服務水平。

智能交通信號系統(tǒng)還會采用模糊邏輯或遺傳算法等優(yōu)化方法來計算信號燈的最優(yōu)相位分配。例如，遺傳算法通過模擬自然選擇和遺傳機制，不斷迭代尋找最優(yōu)解，即最小化車輛延遲和排隊長度的信號燈配時方案。具體而言，可結合實時監(jiān)控和反饋調整機制，智能交通信號系統(tǒng)能夠實時響應交通狀況的變化，調整綠信比和相位差，以提高路口的通行效率。在早晚高峰時段，系統(tǒng)能夠通過增加主干道的綠燈時間，減少輔路的綠燈時間，來緩解主要交通流向的擁堵。此外，智能交通信號系統(tǒng)還能響應緊急情況，如當有救護車需要快速通過時，系統(tǒng)能夠優(yōu)先為其提供綠燈。

3.2 智能停車管理系統(tǒng)

智能停車管理系統(tǒng)集成了物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)等先進技術，對城市停車資源進行高效管理。系統(tǒng)主要由車位檢測設備、中央處理系統(tǒng)、移動支付系統(tǒng)和用戶終端四個核心部分構成。

車位檢測設備主要安裝在停車場的每個車位上，利用傳感器技術（如地磁傳感器、紅外傳感器等）來監(jiān)測車位的占用狀態(tài)，并將這些數(shù)據(jù)以1次/s的頻率實時發(fā)送到中央處理系統(tǒng)，如圖1所示。中央處理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析能力強，處理速度快，能在收到數(shù)據(jù)的100 ms內完成對停車信息的處理和更新。移動支付系統(tǒng)與中央處理系統(tǒng)緊密集成，提供了一種快速且安全的在線支付方式，支持多種支付渠道（如支付寶、微信、信用卡等），并能在支付完成后的1 s內向用戶提供支付確認和發(fā)票信息。用戶終端主要通過智能手機App形式存在，App內置了高效的數(shù)據(jù)同步和緩存機制，即使在網(wǎng)絡條件不佳的情況下，也能在2 s內完成對最新停車信息的更新和顯示。用戶通過App不僅可以實時查看附近的空閑車位信息，還能享受車位預約、導航到位和停車費用計算等一站式服務，極大提升了停車的便捷性和效率[1]。

3.3 智能調度系統(tǒng)

隨著城市化進程的加速和公共交通需求的增加，智能調度系統(tǒng)的應用逐漸擴展。這些系統(tǒng)通常包括實時數(shù)據(jù)收集、動態(tài)調度算法、車輛跟蹤和乘客信息服務等功能。通過在公交車輛上安裝GPS定位設備和車載計算終端，以及在調度中心配置高性能服務器和數(shù)據(jù)處理軟件，智能調度系統(tǒng)可以對公交車輛進行實時監(jiān)測[2]。例如，智能調度系統(tǒng)會收集公交車輛的位置、速度、乘客流量等實時數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡傳輸至調度中心[3]。調度中心利用這些數(shù)據(jù)，結合交通流量預測模型和機器學習算法，計算出最優(yōu)的發(fā)車間隔和車輛分配方案。這些計算模型可能包括時間序列分析、神經(jīng)網(wǎng)絡預測或支持向量機（SVM）等算法[4]。

4 道路交通智能化的未來發(fā)展

隨著交通智能化技術的快速發(fā)展，系統(tǒng)的更新?lián)Q代速度也越來越快，這帶來了巨大的技術更新和維護成本。對于城市交通管理部門來說，如何平衡技術進步和成本控制，成了一個亟待解決的問題。一方面，為了保持系統(tǒng)的先進性和有效性，必須定期對硬件設備進行升級替換，軟件系統(tǒng)也需要不斷更新優(yōu)化。這不僅涉及巨額的資金投入，還需要大量的人力、物力來進行技術研發(fā)、設備安裝和系統(tǒng)測試等工作。另一方面，系統(tǒng)的維護工作同樣不容忽視。智能交通系統(tǒng)中的各類傳感器、監(jiān)控設備等，都需要定期進行檢修和維護，以保證其穩(wěn)定運行。而這些維護工作不僅費時費力，還需要一定的技術支持，增加了運營成本。具體可見表1。

5 結束語

總體來看，道路交通智能化是解決城市交通問題的有效途徑，其核心在于通過先進技術的應用，實現(xiàn)對交通信息的實時感知、準確分析和高效控制。目前道路交通智能化在一些城市已經(jīng)取得了顯著成效，未來，隨著技術的不斷進步和人們認識的不斷提高，道路交通智能化將更加成熟和完善，為城市交通管理提供更加強大的支持。

參考文獻

[1]吳頌超， 馮天軍. 大數(shù)據(jù)技術驅動下的城市道路智能交通信號控制方法研究[J]. 黑龍江交通科技， 2023（8）： 171-173.

[2]杭箴良. 基于公交的城市道路交通信息智能系統(tǒng)分析[J]. 運輸經(jīng)理世界， 2022（23）： 47-49.

[3]劉銳晶， 朱兆芳， 邢錦， 等. 大數(shù)據(jù)時代天津智慧城市智能交通建設與道路交通發(fā)展展望[J]. 城市道橋與防洪， 2021（1）： 1-7+244.

[4]鄭苗， 呂永藝. 城市道路中智能交通應用研究[J]. 智能建筑與智慧城市， 2021（3）： 130-131+137.

收稿日期：2023-10-27

作者簡介：方國全（1995—），男，碩士研究生，研究方向：市政道路。