基于車路協(xié)同的智能交通信號燈優(yōu)化控制策略

李建春，陶崇瑾

（酒泉職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，甘肅 酒泉 735000）

隨著智能化城市建設(shè)步伐的加速，城市人口增多，汽車保有量的增加，城市原有的道路有限等因素導(dǎo)致城市道路交通擁堵日益嚴(yán)重，影響了人們的出行和生活品質(zhì)。同時城市交通事故頻發(fā)、公共交通系統(tǒng)智能化水平較低、交通標(biāo)識不清和交通信號控制不優(yōu)等因素也影響著交通流暢性和安全性。針對這些問題，交通管理部門采取系列措施，如加強交通管制、推廣公共交通工具、提高交通安全意識、鼓勵低碳出行、加強道路管理和維護(hù)及提高智能化水平等來改善城市交通壓力，但成效甚微?；谌斯ぶ悄堋⒋髷?shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的智能信號燈優(yōu)化控制，將是城市未來交通管理和優(yōu)化的重要方向，車路協(xié)同技術(shù)的應(yīng)用將提高城市交通效率和安全。

1 車路協(xié)同技術(shù)

車路協(xié)同是指車輛與道路之間的通信和協(xié)作，車輛通過收集來自道路基礎(chǔ)設(shè)施（如交通信號燈、路面?zhèn)鞲衅鞯龋┬畔⒑蛠碜云渌囕v信息，通過大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)和人工智能等技術(shù)，全方位實施車車、車路動態(tài)實時信息交互，并在全時空動態(tài)交通信息采集與融合的基礎(chǔ)上開展車輛主動安全控制和道路協(xié)同管理，實現(xiàn)人車路的有效協(xié)同，形成安全、高效的道路交通系統(tǒng)[1]。車路協(xié)同技術(shù)現(xiàn)已應(yīng)用于智能交通管理系統(tǒng)、自動駕駛汽車、交通運輸管理等領(lǐng)域，未來將會成為智能城市建設(shè)和交通管理的重要組成部分。

2 車路協(xié)同技術(shù)發(fā)展趨勢

云計算、大數(shù)據(jù)、移動互聯(lián)為車路協(xié)同工作提供了強勁的支持，目前我國車路協(xié)同技術(shù)的發(fā)展已取得一定的成效，車路協(xié)同技術(shù)的體系框架得到完善，且已在多種場景下應(yīng)用，部分關(guān)鍵技術(shù)也得到實踐，切實提高了系統(tǒng)的實際運行效率?；谲嚶穮f(xié)同的交叉路口智能控制技術(shù)已取得實質(zhì)性的應(yīng)用，如調(diào)整交通信號、實時路徑指引、優(yōu)先使用公共汽車等。國外如美國、歐洲等制定了相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，如營運車輛信息系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、基于合作的智能安全道路系統(tǒng)、智能安全車路系統(tǒng)及基于合作的車路系統(tǒng)等車路協(xié)同系統(tǒng)技術(shù)已進(jìn)入實驗和測試階段，大規(guī)模推廣將很快應(yīng)用到實際場景。當(dāng)前我國車路協(xié)同技術(shù)要適應(yīng)智能城市建設(shè)，關(guān)鍵要突破車路協(xié)同智能控制關(guān)鍵技術(shù)，建立智能車路協(xié)同系統(tǒng)測試驗證環(huán)境，實現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)與系統(tǒng)的仿真測試驗證，建立我國車路協(xié)同技術(shù)框架體系，為智能交通系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)升級提供技術(shù)保障。

3 車路協(xié)同技術(shù)架構(gòu)

通過對車路協(xié)同技術(shù)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀以及進(jìn)展趨勢的分析，車路協(xié)同需要多途徑獲取數(shù)據(jù)，包括車輛自身狀態(tài)、周圍行車環(huán)境、道路路面狀態(tài)及交通流量信息等；通過精準(zhǔn)定位與穩(wěn)定的通信技術(shù)將數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)皆品?wù)器，以便云服務(wù)器對這些信息進(jìn)行處理，形成有效的操縱指揮方案。車路協(xié)同技術(shù)的架構(gòu)由應(yīng)用層、服務(wù)層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)傳輸層和設(shè)備層構(gòu)成，見表1，包含信息采集技術(shù)、外場感知設(shè)備、通信技術(shù)、信息處理技術(shù)。

表1 車路協(xié)同技術(shù)架構(gòu)

基于無線通信、傳感探測等技術(shù)進(jìn)行車路信息獲取，通過車車、車路信息交互和共享，實現(xiàn)車輛和基礎(chǔ)設(shè)施之間智能協(xié)同與配合，達(dá)到優(yōu)化利用系統(tǒng)資源、提高道路交通安全、緩解交通擁擠的目標(biāo)。其實現(xiàn)路徑如圖1 所示。

圖1 車路協(xié)同技術(shù)應(yīng)用

4 智能信號燈控制優(yōu)化

信號燈控制是一種常見的交通管理方法。因其安全性高、可靠性強，能夠合理控制交通流量，避免擁堵和交通事故發(fā)生，對提高交通道路通行能力，有效保障行人和車輛的安全，降低交通事故的發(fā)生率都有重要的作用，在城市交通管理應(yīng)用很廣，但應(yīng)用能耗消耗大、造價高、建設(shè)周期長等缺點，影響了智慧城市的發(fā)展。國內(nèi)外學(xué)者就信號燈配時優(yōu)化控制進(jìn)行大量深入的研究，其中大部分學(xué)者致力于信號燈控制模型參數(shù)的優(yōu)化。吳嘯宇等[2]將人工魚群算法應(yīng)用到交通信號燈優(yōu)化控制中，有效改善了城市路口的通行效率；牟亮等[3]通過對快速非支配排序遺傳算法改進(jìn)，對城市道路車輛的尾氣排放和車均延遲情況進(jìn)行優(yōu)化；劉佳佳等[4]將模糊規(guī)則與遺傳算法結(jié)合，有效地提升了城市路口的通過性能[5]。在我國，傳統(tǒng)信號燈控制在城市交通路口保證右轉(zhuǎn)不影響其他車輛通行的情況下，不受紅綠燈的控制。為此紅綠燈分為4 種相位：①南北相直行；②南向西左轉(zhuǎn)，同時北向東左轉(zhuǎn)；③東西相直行；④東向南左轉(zhuǎn)，同時西向北左轉(zhuǎn)。在要求直行和左轉(zhuǎn)的紅綠燈下，①②合并為一個相位，③④合并為一個相位。其相位具體形式如圖2 所示。傳統(tǒng)的四相位紅綠燈在假設(shè)交通流穩(wěn)定的情況下建立交通模型，而現(xiàn)實生活中，大多數(shù)路口的車流量并不均勻。在這種情況下，傳統(tǒng)紅綠燈分配的時間會明顯變長，容易形成空放。這就需要結(jié)合車路系統(tǒng)技術(shù)重新設(shè)計新的紅綠燈相位。

圖2 交通信號燈控制相位

隨著智能技術(shù)的發(fā)展，交通信號控制通過采用人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，對傳統(tǒng)信號燈進(jìn)行智能化改造和優(yōu)化，實現(xiàn)智能化控制。其原理就是利用視頻監(jiān)控、雷達(dá)、傳感器等技術(shù)，實時感知路口交通情況和車輛行駛狀態(tài)，并對這些交通數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、存儲和處理，實現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化和分析，通過支持信號燈時間方案的制定和優(yōu)化，實現(xiàn)信號燈時間方案的動態(tài)調(diào)整，滿足不同時間段和交通狀況下的需求，如動態(tài)綠波、車輛優(yōu)先和交叉口優(yōu)化等。通過采用這些智能化技術(shù)，對交通信號燈進(jìn)行動態(tài)優(yōu)化和控制，對提高道路通行、有效緩解交通擁堵壓力、保障交通安全和穩(wěn)定性、提升城市智能化水平具有重要的應(yīng)用價值。其控制方法為視頻監(jiān)控→車流預(yù)測→動態(tài)綠波→車輛優(yōu)先→多策略協(xié)同。即通過利用視頻監(jiān)控技術(shù)，對路口交通情況進(jìn)行實時感知和分析，以調(diào)整信號燈時間方案，通過機(jī)器學(xué)習(xí)算法等技術(shù)，對歷史道路交通車流數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，預(yù)測未來交通流量，并相應(yīng)調(diào)整信號燈時間；根據(jù)路段長度、車速等參數(shù)，計算并調(diào)整信號燈時間，使車輛更順暢地通過多個路口，形成綠波帶；根據(jù)車輛類型和行駛方向等因素，對車輛實現(xiàn)優(yōu)先通行和綠燈延長等措施，以提高道路通行效率；采用基于車路協(xié)同的車輛快速通行、行人避險通行、信號配時優(yōu)化與協(xié)調(diào)和車輛避撞等多種優(yōu)化策略相互協(xié)作，以適應(yīng)不同的交通情況和需求[6]。優(yōu)化智能信號燈的目的是為了最大限度地減少交通擁堵，縮短行人和非機(jī)動車的等待時間，并提升道路的運行效率。需要注意的是，智能信號燈控制優(yōu)化需要收集大量的實時交通數(shù)據(jù)，并采用高效的算法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和決策，同時需要保證交通安全和穩(wěn)定性。

在車路協(xié)同技術(shù)下，交通信號可以更加智能化、個性化地控制。傳統(tǒng)的交通信號控制方法是根據(jù)固定時間表進(jìn)行，而在車路協(xié)同系統(tǒng)中，交通信號可以根據(jù)實時的交通流量和路況信息進(jìn)行動態(tài)調(diào)整[7]。例如，在車輛密集的路段，交通信號可以自動延長綠燈時間以減少擁堵；在道路施工或事故發(fā)生等情況下，交通信號可以及時調(diào)整以避免交通堵塞或安全事故發(fā)生。此外，車輛還可以通過車載設(shè)備向交通信號發(fā)送請求，例如當(dāng)緊急車輛需要通過時，交通信號可以自動調(diào)整以給予其優(yōu)先通行權(quán)。利用車路協(xié)同技術(shù)獲取車輛狀態(tài)信息數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)傳遞給反饋系統(tǒng)，反饋系統(tǒng)通過設(shè)計的算法，可以得出車輛密度、速度、等待時間以及等待車輛數(shù)量等信息，將上述所獲結(jié)果傳遞給紅綠燈控制系統(tǒng)實現(xiàn)紅綠燈相位、配時等優(yōu)化?？偟膩碚f，車路協(xié)同技術(shù)下的智能交通信號控制可以使交通更加順暢、安全和高效。

5 車路協(xié)同的智能信號燈優(yōu)化控制策略

車路協(xié)同技術(shù)的應(yīng)用大大改善道路交通的安全性和效率，不僅能夠有效地指引車輛，而且能夠有效地減少交通擁堵，同時也能夠有效地利用系統(tǒng)資源，比如定時和定位闖紅燈等。從以上分析看，車路協(xié)同下對道路交通信號燈進(jìn)行智能化控制可提高信號燈控制精度、減少交通擁堵和延誤、提高交通安全和降低能源消耗等。其控制策略是一種新型的交通信號控制策略，通過車輛和道路設(shè)施之間的信息交互來實現(xiàn)自適應(yīng)的交通信號控制[8]。其主要思路是在車輛和信號燈之間建立通信通道，通過車輛的實時狀態(tài)和位置信息，以及道路的擁堵情況和交通流量等信息，實現(xiàn)信號燈的自適應(yīng)調(diào)節(jié)，以達(dá)到最優(yōu)化的交通流控制效果。具體實現(xiàn)策略如下。

實時采集車輛信息策略：車載設(shè)備通過GPS、車速傳感器等設(shè)備采集車輛的數(shù)量、位置、速度等信息，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)浇煌ü芾碇行?。交通管理中心對采集到的車輛數(shù)量、流向、速度等車輛信息進(jìn)行分析，并結(jié)合道路的擁堵情況進(jìn)行交通狀況識別。例如，當(dāng)交通擁堵時，通過車路協(xié)同技術(shù)，可以及時發(fā)布紅綠燈信息，提醒司機(jī)注意安全，并協(xié)助其做出正確的決策。此外，還可以利用車路協(xié)同技術(shù)來控制公共汽車的優(yōu)先信號。

信號燈優(yōu)化控制策略：根據(jù)交通狀況，交通管理中心通過車路協(xié)同方法，對交叉口的信號燈進(jìn)行優(yōu)化，通過模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等算法進(jìn)行控制決策，實現(xiàn)更加智能、高效的信號控制。模糊控制算法基于實時交通流量數(shù)據(jù)，使用模糊邏輯來決定何時和如何調(diào)整信號燈。簡單地說，當(dāng)交通流量高時，信號燈時間應(yīng)該更長，以便更多的車輛通過。當(dāng)交通流量低時，信號燈時間應(yīng)該更短，以減少等待時間并提高道路的使用效率。該算法還考慮了環(huán)境因素（例如天氣、時間、節(jié)假日）和道路結(jié)構(gòu)（例如車道數(shù)、轉(zhuǎn)彎半徑），以便獲得更準(zhǔn)確的信號燈時序調(diào)整。此外，該算法還使用車輛設(shè)置優(yōu)先級的機(jī)制，例如緊急車輛或公共交通工具，以確?？焖夙憫?yīng)緊急情況和提高交通流量。算法的輸出是信號燈的時序調(diào)整結(jié)果，即每個路口的紅綠燈時長。根據(jù)不同的交通流量和道路結(jié)構(gòu)，信號燈的時長會自動調(diào)整，以保證交通流暢和行車安全。該算法的實現(xiàn)需要借助計算機(jī)編程語言和軟件工具，例如Python、MATLAB 等。具體來說，我們需要編寫交通流量數(shù)據(jù)處理程序、模糊邏輯控制程序以及與周圍交通設(shè)施和城市管理系統(tǒng)的通信接口程序。

實時調(diào)整信號燈策略：交通管理系統(tǒng)根據(jù)之前采集到的車輛信息和信號燈優(yōu)化控制結(jié)果自動調(diào)整信號燈的時序，以優(yōu)化路口交通流暢度和行車安全。具體實現(xiàn)上，交通管理系統(tǒng)可以借助傳感器、攝像頭等設(shè)備來實時采集路口交通流量數(shù)據(jù)。系統(tǒng)會對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和統(tǒng)計，并運用交通流模型進(jìn)行預(yù)測。根據(jù)預(yù)測結(jié)果，系統(tǒng)會通過控制信號燈的開啟和關(guān)閉時間來調(diào)整交通流量，以達(dá)到最優(yōu)化的交通流暢度和行車安全。該策略的優(yōu)點是可以根據(jù)實時的交通流量情況和預(yù)測結(jié)果進(jìn)行靈活調(diào)整，從而更好地適應(yīng)不同交通流量變化。同時，也能夠提高交通效率和安全性，降低交通擁堵和事故發(fā)生的概率。例如，當(dāng)?shù)缆飞蠜]有車輛行駛時，信號燈可以直接跳過紅燈等待時間。

實時監(jiān)測交通流策略：交通管理中心通過使用傳感器、攝像頭等設(shè)備對路口交通進(jìn)行實時數(shù)據(jù)采集和分析，以便對交通流量、速度、密度及擁堵等情況進(jìn)行監(jiān)測和預(yù)測，可以實現(xiàn)對交通流量的實時監(jiān)測和控制，同時也能夠幫助交通管理部門優(yōu)化交通流暢度和安全性。例如調(diào)整信號燈時序、增加道路容量等方法，以優(yōu)化交通流暢度和安全性，降低交通擁堵和事故發(fā)生概率。

6 結(jié)束語

安全與效率已經(jīng)成為制約我國交通運輸發(fā)展的關(guān)鍵問題，車路協(xié)同，就是要讓“車”和“路”都能智能化起來，并讓兩者能協(xié)同交互，共同實現(xiàn)智能交通安全、舒適、節(jié)能、高效的需求。基于車路協(xié)同的智能信號燈優(yōu)化控制策略能夠通過車輛與控制中心的交互，最大程度地利用現(xiàn)有道路資源，優(yōu)化交通流量，有效提高道路交通流的效率和安全性，提升道路交通運行的智能化水平，減少交通擁堵和車輛排放污染，實現(xiàn)安全、高效的出行體驗，是一種非常值得推廣的智能交通控制方法，將為城市交通實現(xiàn)信號燈的精細(xì)化控制和智能化管理，為城市交通發(fā)展帶來新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。突破車路協(xié)同智能控制關(guān)鍵技術(shù)，搶占智能交通前沿技術(shù)制高點，是未來我國能否形成智能交通產(chǎn)業(yè)核心競爭力的關(guān)鍵。