可恢復的自適應式交通信號燈設計說明

李嘉屹 巴興強 吳大偉

（東北林業大學，黑龍江 哈爾濱150040）

1 研究背景及意義

近年來，經濟水平不斷提升的同時，城市化和機動化也在迅速發展，我國人均汽車保有量不斷增加。根據已知數據，未來5 年，我國機動車新駕車者的數量將以每年2000 萬的速度增長; 到2025年，中國的機動車總數量將達到3.8 億輛。數量劇增的機動車增加了交通流的延誤，加劇了能源浪費和環境污染，也給整個交通系統的效益造成了不可估量的損失。日益嚴重的交通擁堵和交通事故給現有交通管理和控制方法的優化提出了極大的挑戰。

信號交叉口是城市道路交通的主要延誤點，城市交叉口擁堵問題已經成為制約經濟發展和城市建設的聚焦所在，而城市交通信號控制是調節交通流、提高人員和貨物的運輸環境、提高運輸效率的關鍵[1]。以日本為例，城市中心的機動車行駛時間都花在了平面交叉口上，信號配時不合理、不協調是造成不必要延誤的主要原因之一。因此，如何實現一種科學合理的平面交叉口信號配時方法成為研究的核心問題。目前在單路口廣泛應用的信號配時方法主要是通過定時信號進行控制，設備簡單，投資小，但難以及時根據交通流調整配時，具有一定的局限性。

現有的幾種新型交通信號控制算法有：（1）針對現有交通信號控制系統不能適應城市發展的問題，朱旭東提出了一種基于北斗系統的交通流自動監測和交通信號燈智能控制算法[2]。（2）為了解決交叉口交通燈周期不合理的問題而被設計出的基于無線傳感器網絡的自適應交通燈控制系統。交通信號燈的控制節點組成無線傳感器網絡系統，通過RSSI 算法測試交通信號燈的行距和等待車輛的行距，根據行距自動調整交通信號燈的時間[3]。（3）袁麗麗等人通過觀察視頻圖像獲取路口的實時交通流信息，利用兩相單路口交通燈的控制規律提取南北方向和東西方向車輛的排隊長度，確定兩個方向交通燈的時間關系，進而實現交通燈的自適應實時控制[4]。（4）可以有效降低交通堵塞程度，提高通行能力的基于車速的自適應交通信號控制系統，采用車間通信模式和V2I 通信協議實現車輛與交通信號燈之間的數據傳輸，通過分析交叉口前方的速度信息和交通信號燈實時狀態控制交通信號燈顯示，從而實現實時交通流對交通信號燈的自動調節[5]。

計算機技術和通信技術的發展推動了自適應控制模式的出現。與車輛感應控制技術相似，自適應控制通過檢測器檢測交通流信息，然后通過網絡將實時數據傳輸到PC 上位機，再由上位機實時生成最佳綠燈配時計劃。這種控制模式適用于區域管理和干線交通燈協調，上位機可以根據交通流的變化自適應調整運行方案并協調多個信號交叉口以提高整個區域或干線的運行效率。

為了進一步優化現有的信號配時方案，我們的團隊開發了一種恢復自適應信號配時的方法，能更好地利用現有的交通能力。該系統可以提高整個區域和干線的效率，從而減少交叉口擁堵，有效緩解交通堵塞，提高道路通行能力和交通流的安全性、舒適性。

2 設計原理

2.1 系統介紹

本套系統是一種自適應的交通信號燈時間分配方法，為了解決固定時間分配會導致交通資源先驗概率的問題，系統通過紅外感應模塊檢測每個信號周期進入交叉口排隊路段的交通流量，然后計算分支綠燈的長度和綠燈的最小長度，確定分支綠燈時間是否小于或等于最小綠燈時間。本方法根據主干道和支路的流量比，輸出適當的信號配時指令，從而優化交通狀況，合理地配置道路資源，可廣泛應用于交通信號燈的計時。

2.2 檢測模塊

檢測模塊具體指安裝于交叉口前的紅外感應模塊，其功能為通過感應統計進入該路段的車輛數，再由紅外模塊通過線連接的方式將信息傳輸給單片機。

2.3 處理模塊

2.3.1 單片機選用。（1）型號：單片機為Arduino UNO R3；（2）參數：處理器ATmega38;工作電壓5V;輸入電壓（推薦）7-1 V;輸入電壓（范圍）6-0V;數字IO腳14（其中6 路作為PWM輸出）;模擬輸入腳6;IO 腳直流電流40 mA;3.3V 腳直流電流50 mA；工作時鐘16 MHz；（3）接口設置。14 路數字輸入輸出口：工作電壓為5V，每一路能輸出和接入最大電流為40mA。每一路配置了0-50K 歐姆內部上拉電阻（默認不連接）。

串口信號RX（0 號）、TX（1 號）：與內部 ATmega8U USB-to-TTL 芯片相連，提供TTL電壓水平的串口接收信號。外部中斷（2 號和3 號）:觸發中斷引腳，可設成上升沿、下降沿或同時觸發。

脈沖寬度調制PWM（3、5、6、9、10、11）：提供6 路8 位PWM輸出。

SPI（10（SS），11（MOSI），1（MISO），13（SCK））：SPI 通信接口。

6 路模擬輸入A0 到A5：每一路具有10 位的分辨率（即輸入有104 個不同值），默認輸入信號范圍為0 到5V，可以通過AREF 調整輸入上限。

TWI 接口（SDA A4 和SCL A5）：支持通信接口（兼容I C 總線）。

AREF：模擬輸入信號的參考電壓。

Reset：信號為低時復位單片機芯片。

2.3.2 電源：Arduino UNO可以通過3 種方式供電，而且能自動選擇供電方式，外部直流電源通過電源插座供電，電池連接電源連接器的GND和VIN引腳。

USB接口直接供電。

電源引腳說明：

VIN——當外部直流電源接入電源插座時，可以通過VIN 向外部供電；也可以通過此引腳向UNO直接供電;VIN有電時將忽略從USB或者其他引腳接入的電源。

5V——通過穩壓器或USB 的5V 電壓，為UNO 上的5V 芯片供電。

3.3V——通過穩壓器產生的3.3V電壓，最大驅動電流50mA。

GND——地腳。

2.3.3 算法設計：

2.3.4 算法流程圖：

圖1 信號配時算法流程圖

2.4 顯示模塊

2.4.1 顯示板的選用

（1）顯示板型號：lcd2 004

（2）參數：驅動芯片KS0066（兼容HD44780）

（3）背光：黃光/藍光

（4）字色：黑色/白色

（5）字庫：ASCII 碼字庫（英文，數字，基本符號）

（6）類型：STN

（7）液晶模塊尺寸（mm）：98*60*13.5

2.4.2 單片機輸出信息顯示：

（1）數據采用串口通信輸出

（）輸出格式：#"燈色代碼"，"剩余時間"，"通過車輛數"/n

2.5 系統實物模型如圖所示：

圖2 系統實物模型

3 數據調研及測試

3.1 交叉口現狀調查

我們以哈爾濱市某交叉口為調查對象。根據實地調查，該交叉口信號燈相位及其配時方案如圖3 所示，該交叉口信號燈分為3個相位，周期時長為135s，第一相位綠燈時長為50s，第二相位綠燈時長為40s，第三相位綠燈時長為30 秒，各相位黃燈時長均為5s。

3.2 數據獲取

我們通過實人實時實地的方法對交叉口車流進行實時檢測，并獲得車輛通過交叉口的平均車速v、車流量Q、車輛類型以及車輛在各自車道的運行狀況等基本信息，如圖4 所示。交叉口路段長度l 與車道數m 則需要通過實際測量獲得。

圖3 相位示意圖

4 功能

本儀器通過紅外感應模塊實時監測在路段排隊的車輛數量，然后根據固有的算法實時調整交通燈配時，以有效提高路網中車輛的通過率，減少路網中車輛的總延誤時間，減少路網中車輛的平均排隊長度，該儀器能有效緩解城市路網中的交通交通堵塞，特別是在交通壓力大的情況下，可回收自適應信號燈能提高城市路網的交通效率，社會效益顯著，經濟效益得到了有效提高。

5 創新特色

5.1 利用紅外感應模塊車輛檢測器對車輛進行識別，并將所得數據與信號配時相結合。

5.2 根據線性跟馳模型，設計自適應式信號配時算法。

5.3 將道路交叉口攝像頭與信號燈連接，提高現有設備利用率。

圖4 車輛運行狀況表

6 應用前景

6.1 我國交通運輸業的迅猛發展不僅推動了區域城市化和現代化進程，也帶來了交通事故和擁堵問題。道路交通延誤主要發生在信號不完善的交叉口，由此造成的經濟效益損失不可估量?？苫謴托宰赃m應信號配時方法能有效降低路網特別是交叉口的延誤，具有廣闊的應用前景和推廣價值。

6.2 自適應信號計時方法可以根據實時路口交通流的變化，通過模型算法生成最佳的信號配時方案，引導車輛在城市道路網絡更準確更有效地減少城市交通擁堵、減少交通延誤和交通事故的數量、提高道路通行能力、協調區域管理，還可以根據交通流的變化對運行方案中的多個信號進行自適應調整，從而提高整個區域或干線的運行效率。

6.3 在智能交通時代，在交叉口信號配時優化的基礎上，增加交叉口違章行為檢測、特殊車輛識別與優先控制、行人過街安全提示等功能，實現交叉口管理與控制一體化。