单交叉口交通信号灯的实时自适应控制策略
袁丽丽+孙红艳
【摘 要】针对两相单交叉路口信号灯的放行时间等控制规律，以及交叉路口的现有硬件设施等条件，一种新的交通信号配时优化方法被提出。通过视频图像实时获取交叉路口的交通流等信息，提取南北方向与东西风向车辆排队长度，进而确定南北方向与东西方向的红灯与绿灯的时间关系，实现信号灯的自适应实时控制。模拟实验表明该方法应用方便可靠，可实时根据车流量信息自适应改变信号灯的时间，是一种科学有效的信号灯自动管理机制。
【Abstract】 A new traffic signal timing optimization method is proposed according to the control law of the release time of the traffic lights at the single intersection and the existing hardware facilities of the intersection. Using the video image to obtain information about traffic flow at the intersection in real time， to get the vehicle queue length in the south-north direction and east-west direction， and ensure the time relationship between red light and green light in the directions of south-north and east-west， then realize the adaptive real-time control of signal lamp. The simulation experiment shows that the method is convenient and reliable. It can automatically change the time of the signal lamp according to the traffic information. It is a scientific and effective automatic management mechanism of the signal lamp.
【关键词】信号灯；排队长度；两相交叉口；自适应控制
【Keywords】signal lights； queue length； two phase intersection； adaptive control
【中图分类号】U491.5+1 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069（2017）12-0194-03
1 引言
交通系统是一个非线性随机性很强的开放的复杂系统，系统维数很高，加上人的参与，对其进行有效控制是一个非常复杂的问题。自适应交通控制将改变以往在路口控制中以定时控制为主的方式，而是根据交叉路口图像检测设备获取的交通流量信息，提取南北方向和东西方向的车辆长度，然后比较一定范围内排队的车辆长度，提出车流量与时间的某种线性关系，依据此函数关系，自动调整后某个单交叉口的红绿灯时间关系，进而优化配置交通管理。
本文以单交叉路口为研究对象，提出一种交通信号时间以车辆长度不同而变化的自适应控制方案，即通过合适的线性比例算法，建立一个车辆排队长度与时间的函数关系，从而控制信号灯的动态变化。该方法能够有效缩短车辆在十字路口的停留时间，减少车辆在十字路口的通行时间。
2 交叉路口交通流动态模型
目前，两相单交叉路口的每个方向入口正上方均装有一个摄像头，分别检测一定范围内的东西方向、南北方向的车辆等待信息[1]，如图1所示。摄像头采集的车流量图片信息经过图像边缘处理，得到一个灰度图，并计算其车流量长度信息。根据车辆排队长度等信息，实时修正东西方向与南北方向的红绿信号灯的时间，避免十字路口某方向没有车辆等待，而处于一直放行的状态，同时另一方向车辆拥堵，等待时间过长等现状；缩短车辆等待的时间，优化两个方向的信号灯配时，实现两相单交叉路口信号灯的科学管理与放行，最大程度缓解交通压力。
假设图像采集的有效范围为100米，绿灯放行时间最小为Tmin=18s，绿灯放行时间最大为Tmax=60s，某方向等待放行的车流量长度为L。东西与南北方向的交通放行规律如下：
①给定每个相位的绿灯最短时间Tmin=18s，绿灯最长时间为Tmax=60s。
②初始状态：南北方向正处于放行状态，从零时刻开始，且时间设置为18s；
④东西方向车流量长度为L′，设L0=60，如果满足L′>L0，则改变为东西方向放行，而南北方向停止通行；如果L′
3 信号灯时间优化配置
两相十字路口车流变化快，同时由于气温、光照等环境因素及人为的车辆变道或者抢道等干扰，对于车流量信息的捕捉及优化存在着诸多不稳定性的因素。针对不同的车流情况，通常采取不同的控制方案，目前常用的几种方法[2]：
①对信号周期进行优化；
②对相位信号配时进行优化；
③对周期和相位信号配时同时进行优化，包括相位信号顺序的优化；
④综合进行优化（针对交通流高峰期整个时间段）。
目前，对于城市交通网络的优化控制研究，大多是针对城市交通网络的交通流分配进行优化，或依据出行者起讫点之间路径按时间最短优化控制，或是按城市流通能力最大的交通流分配优化控制等传统的优化方法[1]。也有个别文献提出了针对信号周期或信号时间区间进行优化[3]。考虑目前交通的现状往往是时间分布不均，导致交通迟滞现象严重，车辆等待的时间过长，本文提出自适应优化控制方法即自动改变信号灯的配时比例关系。
为了保证车辆正常通过十字路口，避免开车人员的烦躁或误认为灯色控制已经失效，使得车辆在路口总延误时间最短等因素，两相交通路口信号灯的周期应不少于36s，且不超过120s[4]。本文按照最小周期为36s，最大周期为120s，东西方向与南北方向等每个方向的绿灯通行最少时间为等数据研究自适应配时方案。
传统交通路口信号灯的配时方法是每个方向的配时是固定的，即意味着两个方向的最大交通通行能力相同。实际上，不同的时间段、不同的路况等各种因素导致两个方向的车流信息千差万别，如果两个方向固定设置同一个时间，可能造成交通的空闲或者拥挤现象。本文提出了一种新的简单可行的自适应控制方案：不同于以往的单片机，采用嵌入式系统构成的交通信号控制器，实时采集排队车流长度，得出一个排队长度值；设单位车队长度允许通行的时间为Δt，根据获取的车队长度设定绿灯放行的时间，车队长绿灯放行时间就长，反之就少；调用时间与车辆排队长度的函数Time_length（），计算绿灯放行的时间，实时优化调整红绿灯的时间，其仿真程序流程图见图2。
本文采取简单的线性算法，即采取时间与车队长度的一次比例函数：t_green=t0+[（Tmax-t0）/L0]×L自动设置绿灯的通行时间，其中绿灯时间t_green不能超过60s。理论研究证明依据车流量长度自动控制绿灯的放行时间，可改善交通通行情况，提高交通的运行效率。
4 结语
通过对交叉口的单点交通信号灯特征进行分析，提出了一种简单可行的实时自适应控制，可解决目前交通出现的拥堵、迟滞等现象。针对多个路口之间的自适应时间配置，是一个多相、区域控制的问题，所以，应进一步研究交通信号的点控、线控和面控三者相配合的自适应控制方式，为实现城市智能交通系统提供参考。
【参考文献】
【1】Hoose N. Impaction image analysis tool for motorway surveillance [J].Traffic Eng & Control， 2015， 6（6）：116.
【2】刘智勇.智能交通控制理论及其应用[M]. 北京：科学出版社，2013.
【3】Shen Guo-Jiang， Dai Hua-ping， Liu Xiang， et al. Urban expressway traffic flow modeling and control using artificial neural networks [J]. IEEE Communication Magazine， 2013（ 23）： 836-841.
【4】孫国栋，梁起. 道路交通信息采集器设计与实现[J].自动化技术与应用， 2013（5）：3.
【摘 要】针对两相单交叉路口信号灯的放行时间等控制规律，以及交叉路口的现有硬件设施等条件，一种新的交通信号配时优化方法被提出。通过视频图像实时获取交叉路口的交通流等信息，提取南北方向与东西风向车辆排队长度，进而确定南北方向与东西方向的红灯与绿灯的时间关系，实现信号灯的自适应实时控制。模拟实验表明该方法应用方便可靠，可实时根据车流量信息自适应改变信号灯的时间，是一种科学有效的信号灯自动管理机制。
【Abstract】 A new traffic signal timing optimization method is proposed according to the control law of the release time of the traffic lights at the single intersection and the existing hardware facilities of the intersection. Using the video image to obtain information about traffic flow at the intersection in real time， to get the vehicle queue length in the south-north direction and east-west direction， and ensure the time relationship between red light and green light in the directions of south-north and east-west， then realize the adaptive real-time control of signal lamp. The simulation experiment shows that the method is convenient and reliable. It can automatically change the time of the signal lamp according to the traffic information. It is a scientific and effective automatic management mechanism of the signal lamp.
【关键词】信号灯；排队长度；两相交叉口；自适应控制
【Keywords】signal lights； queue length； two phase intersection； adaptive control
【中图分类号】U491.5+1 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069（2017）12-0194-03
1 引言
交通系统是一个非线性随机性很强的开放的复杂系统，系统维数很高，加上人的参与，对其进行有效控制是一个非常复杂的问题。自适应交通控制将改变以往在路口控制中以定时控制为主的方式，而是根据交叉路口图像检测设备获取的交通流量信息，提取南北方向和东西方向的车辆长度，然后比较一定范围内排队的车辆长度，提出车流量与时间的某种线性关系，依据此函数关系，自动调整后某个单交叉口的红绿灯时间关系，进而优化配置交通管理。
本文以单交叉路口为研究对象，提出一种交通信号时间以车辆长度不同而变化的自适应控制方案，即通过合适的线性比例算法，建立一个车辆排队长度与时间的函数关系，从而控制信号灯的动态变化。该方法能够有效缩短车辆在十字路口的停留时间，减少车辆在十字路口的通行时间。
2 交叉路口交通流动态模型
目前，两相单交叉路口的每个方向入口正上方均装有一个摄像头，分别检测一定范围内的东西方向、南北方向的车辆等待信息[1]，如图1所示。摄像头采集的车流量图片信息经过图像边缘处理，得到一个灰度图，并计算其车流量长度信息。根据车辆排队长度等信息，实时修正东西方向与南北方向的红绿信号灯的时间，避免十字路口某方向没有车辆等待，而处于一直放行的状态，同时另一方向车辆拥堵，等待时间过长等现状；缩短车辆等待的时间，优化两个方向的信号灯配时，实现两相单交叉路口信号灯的科学管理与放行，最大程度缓解交通压力。
假设图像采集的有效范围为100米，绿灯放行时间最小为Tmin=18s，绿灯放行时间最大为Tmax=60s，某方向等待放行的车流量长度为L。东西与南北方向的交通放行规律如下：
①给定每个相位的绿灯最短时间Tmin=18s，绿灯最长时间为Tmax=60s。
②初始状态：南北方向正处于放行状态，从零时刻开始，且时间设置为18s；
④东西方向车流量长度为L′，设L0=60，如果满足L′>L0，则改变为东西方向放行，而南北方向停止通行；如果L′
3 信号灯时间优化配置
两相十字路口车流变化快，同时由于气温、光照等环境因素及人为的车辆变道或者抢道等干扰，对于车流量信息的捕捉及优化存在着诸多不稳定性的因素。针对不同的车流情况，通常采取不同的控制方案，目前常用的几种方法[2]：
①对信号周期进行优化；
②对相位信号配时进行优化；
③对周期和相位信号配时同时进行优化，包括相位信号顺序的优化；
④综合进行优化（针对交通流高峰期整个时间段）。
目前，对于城市交通网络的优化控制研究，大多是针对城市交通网络的交通流分配进行优化，或依据出行者起讫点之间路径按时间最短优化控制，或是按城市流通能力最大的交通流分配优化控制等传统的优化方法[1]。也有个别文献提出了针对信号周期或信号时间区间进行优化[3]。考虑目前交通的现状往往是时间分布不均，导致交通迟滞现象严重，车辆等待的时间过长，本文提出自适应优化控制方法即自动改变信号灯的配时比例关系。
为了保证车辆正常通过十字路口，避免开车人员的烦躁或误认为灯色控制已经失效，使得车辆在路口总延误时间最短等因素，两相交通路口信号灯的周期应不少于36s，且不超过120s[4]。本文按照最小周期为36s，最大周期为120s，东西方向与南北方向等每个方向的绿灯通行最少时间为等数据研究自适应配时方案。
传统交通路口信号灯的配时方法是每个方向的配时是固定的，即意味着两个方向的最大交通通行能力相同。实际上，不同的时间段、不同的路况等各种因素导致两个方向的车流信息千差万别，如果两个方向固定设置同一个时间，可能造成交通的空闲或者拥挤现象。本文提出了一种新的简单可行的自适应控制方案：不同于以往的单片机，采用嵌入式系统构成的交通信号控制器，实时采集排队车流长度，得出一个排队长度值；设单位车队长度允许通行的时间为Δt，根据获取的车队长度设定绿灯放行的时间，车队长绿灯放行时间就长，反之就少；调用时间与车辆排队长度的函数Time_length（），计算绿灯放行的时间，实时优化调整红绿灯的时间，其仿真程序流程图见图2。
本文采取简单的线性算法，即采取时间与车队长度的一次比例函数：t_green=t0+[（Tmax-t0）/L0]×L自动设置绿灯的通行时间，其中绿灯时间t_green不能超过60s。理论研究证明依据车流量长度自动控制绿灯的放行时间，可改善交通通行情况，提高交通的运行效率。
4 结语
通过对交叉口的单点交通信号灯特征进行分析，提出了一种简单可行的实时自适应控制，可解决目前交通出现的拥堵、迟滞等现象。针对多个路口之间的自适应时间配置，是一个多相、区域控制的问题，所以，应进一步研究交通信号的点控、线控和面控三者相配合的自适应控制方式，为实现城市智能交通系统提供参考。
【参考文献】
【1】Hoose N. Impaction image analysis tool for motorway surveillance [J].Traffic Eng & Control， 2015， 6（6）：116.
【2】刘智勇.智能交通控制理论及其应用[M]. 北京：科学出版社，2013.
【3】Shen Guo-Jiang， Dai Hua-ping， Liu Xiang， et al. Urban expressway traffic flow modeling and control using artificial neural networks [J]. IEEE Communication Magazine， 2013（ 23）： 836-841.
【4】孫国栋，梁起. 道路交通信息采集器设计与实现[J].自动化技术与应用， 2013（5）：3.
