智能交通信号灯配时策略研究

晏雨婵

陕西工业职业技术学院 陕西省咸阳市 712000

自古以来交通就是社会经济的循环系统，人们在很久之前就注意到交通在现实生活中起到的重大作用，更是建设现代化都市所不能缺少的一环，它的存在甚至对人口、物流、信息流等产生重要影响，交通运输无疑成为我国经济发展战略、城市发展战略中的重要内容。之所以引申出交通主题，是因为随着我国经济实力的提升，人们的生活开始逐渐富裕，具备私家车的家庭越来越多，导致城市交通堵塞问题十分常见，而规避出行风险、带给城市居民较好的出行体验，便成为交通部门的重要任务，若不能解决交通中涌现的新问题，便会严重阻碍城市发展。其中便存在这样的问题，即当红灯亮起，城市主干道和非主干道的交口就会停滞多辆汽车，若绿灯亮起，路面上行驶的车辆却寥寥无几，这会造成交通资源严重浪费，同时交通堵塞问题愈加严重。在这样的现状下，信号灯控制系统很快较引发关注，它是由同步控制和感应控制构成。定时控制的缺点正在暴露，存在适应力差、抗干扰弱的缺陷，所以，采用其他技术来提升交通管控智能性非常必要。以视频识别为主要功能的职能交通信号，可以在配时中充分利用交叉口资源，让交通流受到智能配置，最大限度地提高交叉口的通行能力。

2.1 国外智能交通信号灯配时研究现状

自车辆生产和投放后，关于智能交通系统的研究和测试活动便没有停下，早在20世纪60年代末，欧洲、美国、日本等发达国家就已经在这项研究上倾注大量资金、人力、物力，为的是通过智能手段充分利用交通资源并解决交通堵塞问题，多年的努力，催生了一个新兴产业。交通信号灯定时的想法最早出现在19世纪的英国。然而，交通信号配时优化的研究和开发发生在第二次世界大战之后，当时的研究对象是大城市。因为这个时期人们的出行已经受到交通堵塞的阻碍和影响。1975年，英国道路研究所成功开发了Scoot系统；
1992年，Foy M.等科学家提出了一种基于遗传算法的绿色时间分配算法；
1997年，pappis C.P.和mamdame H.率先提出用模型理论尝试解决城市单向交叉口最佳配时问题的观点；
2001年，Park B.等人提出了一种同时优化多个指标的方法，包括周期长度、绿信比和相位。2000年，Gartner n.和pooran F.提 出 了OPAC（自适应控制优化指南）。Ella B.基于模糊控制进行了适当的创新，引申出神经网络模糊控制算法，控制成效显著提升；
丹西亚。提出了一种基于agent的新方法。优点是可以调整配时方案，使其得到完善和优化，缺点是不可自行学习；
Baher和Abdulhai提出了一种基于自学习代理的单点计时算法。有研究显示，它比定时控制多出很多优点。2015年，文章colletta M提出了一种动态控制孤立交叉口信号周期和相位的新方法。该方法可以促成交通监控无线传感器网络与多个并行模糊逻辑控制相结合，车辆等待时间将大幅度减少。2018年，grandinetti P.提出了一种信元传输模型的信号交通网络模型，可以有效应对城市网络中交通等动态定时问题。Bui K.n.34引申出一类智能交通灯穿越新方法，它基于物联网技术而生成。率先提出交叉口系统，可以让交通灯、传感器、车辆等交换信息，好处是可以实时记录交叉口有效交通流。

2.2 国内智能交通信号灯配时研究现状

智能交通的概念在我国兴起的较晚，虽是如此，但是近些年的研究可谓突飞猛进且取得了诸多不错成果，其中便包括交通信息识别成果。应用方面，一些经济繁荣的城市开始引进并应用自适应信号优化系统，后续开始重点分析与研究交通信号灯配时优化这一内容，同样收获颇丰。徐东玲等科学家在1992年引入智能算法中的模糊神经网络算法，也提出一种基于模糊神经网络的孤立单接口定时优化算法。基于预测模型的最优实时控制方法被李立源等人于上个世纪九十年代提出，而到了1998年，陈森发等人基于交通流显著特征研究，将交通流划分为关键交流通和非关键交通流两种，对其进行了细致讲述，同时明确了关键交通因素对信号时间优化算法的影响。1999年，朱劲、刘志勇等人提出一种基于模糊控制器的多相位交叉口信号时间优化算法，该算法的出现基于模糊控制原理处理交通中的不确定性这项条件。2004年，同济大学的杨晓光提出了公交优先信号配时方案，并编制了《城市道路交通设计指南》。2000年，基于交通流的随机性和交通采集统计方法的不完全不确定性，徐建闽等人设计了一种基于模糊理论的城市道路交叉口信号时间方法。

2001武建国提出了一种解决实时交通控制难题的方法，研究遗传算法的单路口配时优化方法过程中，黄辉先构建了预测模型，后续研究出交通信号配时优化算法。汤志康等人提出了一种基于模糊神经网络的单交叉口相变顺序控制方法。2018年，闫东宇等模糊控制技术与CCD摄像机检测技术相结合，实现交通信号灯的最优控制。基于EDA技术，贾健设计了智能交通路口控制系统。控制系统的硬件完成了节点支路和主干道的运行控制，通过检测相应路段的车辆数量，智能地改变绿灯的延时。

在城市生活中，交通信号控制具有重要且现实的意义，若不存在交通信号控制，城市的交通秩序也将无从谈起，可见是城市建设中不可或缺的一环。很显然，汽车在给人们出行带去便利的同时，也在带来出行上的麻烦，这与城市私家车的数量骤增存在直接关联，使得城市交通堵塞、交通事故等状况越来越多，轻则损害财产，重则失去生命，不管怎么说，交通信号控制都将成为影响城市发展的重要因素。

根据有关数据显示，从1978年到1995年，我国汽车保有量大幅度提升，增长率是道路建设速度的80倍，差距甚大。我国汽车数量是在1995年后实现激增的，参考官方数据，北京每100户家庭便有12辆汽车，；
过去十年间，上海道路长度增多了108%，面积扩增142%，机动车数量则是呈现下降趋势，造成城市交通拥挤的主要原因就是汽车数量快速增长而城市道路建设有限之间的矛盾。为了适应交通快速增长的趋势，减少拥堵，国内许多城市都采取了扩建道路、扩建人行道、修建高架道路和桥梁等措施。这些举措起到的效果不是很直观，但在调节车流量、保障人与货物安全、提升运营效率等方面起到了积极作用，很显然，实现了改善交通状况、提升交通服务质量、加大交通资源利用率的目标。

4.1 基于视频识别运动车辆的原理

依靠视频进行识别的车牌识别方法有背景差分法、灰度比较法、边缘检测法等等，还可以应用虚拟检测线圈和背景差分法结合的方法。原理为用户自定义检测区域，系统计算系统输入帧与检测区域内背景图像差值，捕捉视频中行驶的车辆，这种方法计算速度十分快，使用中背景也会随着光线的变化而产生变化，为此，背景需要不断更新。第一步，要构建背景，要确保背景的设定较为精准，高质量背景才有利于在视频中快速、精准提取行驶中的车辆，同时，视频识别算法会利用概率统计原理了解视频像素，同样的像素下，车辆驶过会让灰度值发生变化，噪声随之产生，若视频中无行驶车辆，像素值同一时间内变化微小，所以，背景灰度值最为多见。利用好原理，便可设定合理背景；
第二步，更新背景，更新前像素需要划分为前景和背景，结合当前帧的背景对背景进行修正，简单来说，是对比当前帧和背景像素间的差值是否小于阙值，若数值偏小，则扫描当前帧。若数值偏大，则对当前背景进行采样，依据采样合成新的背景；
第三步，识别运动中的车辆，这项运动属于平面运动，所以可以采用差分法考察车辆运动。背景中的静态对象，前后帧灰度差大致为0，前景中有移动对象，则前后灰度差往往不为0，所以可以快速探查到运动车辆。

4.2 进行交叉口现状调查与分析

我国城市交通灯普遍采用固定配时方案，利用统计原理计算各个方向的交通量，确定交通灯的延误时间。实际情况是，路段中的交通量是不固定的，总是发生或大或小的变化，固定时间难以应对不同情况下的交通需求。目前，我国城市中的交叉口都已配备道路监控系统，可以通过监控摄像头和视频识别技术识别不同场景中的车辆，改进交叉口信号灯的配时方案，便可提升交叉口车辆运行效率，交通资源可以进一步挖掘并应用。视频识别系统可以实时记录外部车辆行驶情况，从而汇总车辆运行状况，包括车辆停滞数量、车辆型号、车辆行驶速度等等，可以通过现场测量得出路段长度和车道数。

4.3 优化交通信号灯周期的算法

交通信号配时系统设计过程中，可以采用视频识别技术监控交通流状况，简化单点配时公式，复杂的交通流问题便可转化为数学问题，整个过程需要计算，便可理清思路、减少各项干扰与不确定性，最终得出更精准答案。具体来说，红绿灯切换之前，使用视频识别系统检测车辆是否在十字路口。如果在交叉口没有确定车辆等待绿灯的最短时间，则在交叉口减少车辆等待绿灯的时间。如果交叉口有车辆排队，则进入下一个检测步骤：如果交叉口有车辆排队，则根据车辆数量将交叉口的交通状况分为拥堵、正常和畅通，并根据车辆数量对交叉口进行定量分类。算法具体的方案为：如果说此时进入路口一百米范围内，汽车数量超过了某个设定的数值，就判定该路口的状态为拥堵，这个时候可以把交通信号灯中的绿灯时长设置为阈值中的最大数；
说此时进入路口一百米范围内，汽车数量低于某个设定的数值，则判定该路口的交通状态为畅通，这个时候可以把交通信号灯中的绿灯时长设置为阈值中的最小数；
如果说此时进入路口一百米范围内驶入的汽车数量在拥堵和畅通两种状态设置的数值之间，可以根据配时公式，让某时刻通过该路口的车辆总数为N=n1+n2+..+nm.汽车启动延误时间LS，此时信号灯绿灯时长T计算即可。

4.4 优化控制单交叉口交通信号

交通口的不同，会导致交通运输车流存在较大差异，车辆行驶而过将成为随机事件，因此，要实现对单交叉口交通信号的优化控制，需针对车流情况采取针对性的控制方法，如针对信号周期、相位信号配时（或绿信比）、周围和相位信号配时（和绿信比）及相位信号顺序、交通流高峰期整个时间段几个方面进行优化控制。

一旦改变配时方案，会直接影响各个车道上的车流，在当前城市的交通管控体系中，研究更多的集中在城市交通网络交通流分配、出行者起讫点之间路径时间最短等方面。有个别文献中提出，优化信号周期或信号时间区间所采取的方法大都为黄金分割法、爬山法等传统的优化方法，对于交叉口多相位交通信号配时优化控制的范围有待提升。

总而言之，交通堵塞是各个国家、各个城市发展过程中必然遇到的难题，而解决这个难题，成为诸多学者及交通管控部门的心愿。随着我国汽车数量的不断攀升，街道交通流量持续增长，交叉路口的交通压力也在与日俱增。城市道路交叉口是交通的瓶颈，是造成交通拥堵、交通事故和导致车辆延误的关键所在。当下我国国内大部分的交通信号灯均为固定周期控制，但是选择定时控制算法有一个很大的缺点，就是不能根据交通流的变化而适时作出调整，这种情况就很有可能会发生绿灯所面对的车道车辆稀疏、红灯所面对车道车辆拥堵的状况，造成巨大的交通资源浪费。重点管控交叉口交通状况并优化管控方案，才可以最大程度消除车辆运行中的各种不合理现状，所以，建立智能交通灯信号配时系统是非常具有现实价值的。