基于Petri网的交通信号控制系统的建模与分析
万铮
摘 要：随着物联网的发展，智能交通的应用前景广阔。文章提出一种基于Petri网建模的智能交通信号控制系统，其特点是局部控制、共同负责。交通信号控制系统基于安装在车道上的车辆检测器反馈信息，改变信号相位顺序来提高路口的道路使用率。经过仿真模拟，该模型在安全前提下能够有效减少车辆排队等候时间。
关键词：交通物联网；Petri；智能交通；信号控制
1 互联网发展研究概述
互联网发展至今，经历了文件互联（Internet of Document，IoD）、人联网（Internet of Human，IoH）到如今的物联网（Internet of Things，IoT）3个阶段。国际电信联盟（ITU）对于物联网的定义为[1]：将各种传感设备和互联网结合起来而形成一个巨大的网络，让所有物品都连接在一起，方便识别和管理。由以上定义可知物联网的核心还是互联网，其通过传感器、射频识别装置（Radio Frequency Identification Device，RFID）、执行器等设备与物理世界发生联系。
自从2009年温家宝主席提出“感知中国”至今，物联网在中国迅猛发展，与各传统行业紧密结合，催生了各种基于物联网的智能系统应用。包括基于物联网的智能交通监控系统，其通过采集、分析数据，对驾驶员进行引导和管理来反馈交通状况。交通监控系统可分为交通信息采集子系统、交通信息提供子系统、监控中心。
本文旨在提出一种基于Petri网结合前端分布式的物联网体系结构的交通信号控制建模方式，以提供服务为目标，实现“高度自治下的共同负责制”。
2 路口模型
在单路口的交通调度中，主要需要考虑的设计是信号灯的相位顺序和相位延时，图1为某单十字路口信号调度示意。
在图1中，车道5表示设计为行人通过，此车道与其他所有车道互斥，如此便可实现人、车完全分离，避免行人与右转车和左转车发生冲突的可能性，且NS与WE两个方向的行人可以同时放行，车道0为4个方向的右转车道，右转车道只和车道5冲突，故车道根据空间关系可按以下情况分组，车道0，1为一组，车道0，2为二组，车道0，3为三组，车道0，4为4组，车道5单独为五组，共计5个相位。其中N，S，W，E表示北、南、西、东4个方向，P表示行人通过，NS表示方向由北往南，其他以此类推。需要说明的是，由于右转车除了和行人冲突外，和其他所有方向的通行车不冲突，故SE，EN，NW，WS 4个方向的右转车在前4组相位中全部允许通过。
控制系统主要控制的是相位顺序和相位延时。相位顺序在控制上，除非某个相位无车辆，否则不应改变相位顺序，依旧按照每组顺序不变。相位延时在控制上，则可根据各个车道排队等候车辆的数量，依据策略，由路口交通信号调度控制器上下浮动，力求增加路口利用率，降低车辆等待时间，同时兼顾公平。
3 信号控制模型分析
目前应用最多的信号控制基本场景是一个开环控制结构，5个相位的控制延时按照既定程序执行。开环结构的优点在于实施简单，缺点在于缺乏反馈，无法根据交通状况进行调整。
图2为某一相位变迁图，用C_serv（i）表示对某一相位提供服务。一个相位的动作包括变绿灯、变黄灯和变红灯3个动作，变绿灯动作包含在C_serv（i）当中，变黄灯和变红灯两个动作分别用g2y（i）和y2r（i）表示。用C_ask（i）表示询问相位i是否需要服务，next（i）表示转向相位i的下一个相位，当detector（i）没有托肯，即当前相位i没有服务请求，且后面相位有服务请求，即C_req（i+1）有托肯时，应跳过相位i的服务，所以有detector（i）到next（i）的约束弧。如果后面相位没有服务请求，则不能跳过当前相位服务，所以有C_req（i+1）到C_serv（i）的约束弧。
对车道的服务按照车道相位顺序来进行，当所有的路口都没有服务请求时，则按顺序动作。当相位1为绿灯时，假如此时相位4有车也要通过路口，则需在相位1对相位4进行分解，称为C_readd（1，4）。有detector（4）=C_req（2）+C_req（3）+C_req（4）+C_serv（4）。则系统在相位1周期完成后，由于detector（2）和detector（3）没有托肯，将跳过相位2和3，直接转向相位4提供服务。如图3所示，在相位j分解detector（i）的变迁称为c_readd（j， i）。用C_req（n，m）表示从C_req（n）到C_req（m）这几个库所。
4 结语
交通信号控制系统是交通物联网的一个组成部分，本文基于Petri网理论提出了开环结构的交通信号控制系统，通过安装在车道上的车辆检测器感知排队等候的车辆，进而反馈给交通信号控制系统。控制系统体系结构采用前端分布式控制，由各个路口的控制芯片自主控制，通过回馈的交通信号，灵活改变信号控制系统的相位順序，从而提高路口的道路使用率。
