现代城市智能交通信号灯系统设计

现代城市智能交通信号灯系统设计

陈卓

天津市公路工程总公司天津市300161

摘要：截止去年底，我国汽车保有量达1.37亿辆，全国有31个城市的汽车数量超过100万辆，其中北京、天津、成都、深圳、上海、广州、苏州、杭州等8个城市汽车数量超过200万辆，北京市汽车超过500万辆。私车过亿，标志着中国汽车大国地位的进一步确立。而汽车大国的身份则是一国经济发展、工业发达和百姓生活质量提高的集中表现。但同时，道路拥堵、空气污染又使私车的快速增长饱受诟病。

本文通过智能交通信号灯系统设计，使通过信号灯的汽车的行驶更加流畅减少交通拥堵，减少汽车尾气排放，进而减少城市的空气污染。

本文列举几种实现智能信号灯的方法，选出比较优化的方案进行设计，实现智能交通信号灯系统。

关键词：智能交通信号灯系统，数据采集器材，数据分析及计算，数据模块

一、国外的智能交通信号灯介绍

从1868年英国伦敦首次使用燃汽色灯信号以来，城市交通信号机由手动到自动，交通信号由固定周期到可变周期，系统控制方式由点控到面控，从无车辆检测器到有车辆检测器，经历了近百年的历史。

到1963年加拿大多伦多市建立了一套使用IBM650型计算的集中协调感应控制信号系统，从而标志着城市道路交通信号系统的发展进入了一个新的阶段。之后，美国、英国、德国、日本、澳大利亚等多家相继建成数字电子计算机区域交通控制系统，这种系统一般还配备交通监视系统组成交通管制中心。到80年代初，全世界建有交通管制中心的城市有300多个，代表了未来交通控制的发展。

举例来说，2009年美国洛杉矶市开始了智能交通信号灯控制，截止2012年洛杉矶全市实现了智能信号灯系统全覆盖。大幅减轻了交通拥堵，减少了车辆的尾气排放，对减轻空气污染有一定作用。通过实现智能信号灯控制，能减少车辆在路口等候时排放的尾气，降低油耗，有助于把洛杉矶打造成全美最清洁的城市。据统计，在实现了智能信号灯控制的路口，行车速度提高了13％，拥堵减轻了24％。

二、智能交通信号灯系统组件方案及比较

智能交通信号系统应该具备实时监控车流量的大小，对车速、车的数量进行监测并取样，经过计算机计算后计算出最小影响大多数车的车速变化的结果，然后在对应的方向显示红灯，绿灯或者黄灯常闪烁。

考虑到路面交通的极个别特殊事件，如车祸、道路维修、早晚高峰的限流措施等等，因此需要遥控控制功能，包含远程控制功能，如交通管理部门管理平台对信号灯的远程控制；也包含路口现场遥控控制和手动控制功能，方便于交警现场对交通信号的应急管理。

车辆交通信息数据采集方式及器材有以下几种选择方案：

1、光栅监测车体通过时阻挡安装在道路两侧的光栅的红外线，由电信号的通断通过计数器计算车辆数量，对每对光栅的距离进行设定，根据通过时间经过计算机计算来测定车辆速度，多组光栅实现对多个数据的采集。

2、压力感应线圈监测在道路上铺设多组压力感应线圈，有车通过触动感应线圈产生电信号交由计数器计算车辆数量，由设定好的压力感应线圈距离和时间间隔交由计算机计算后来测定车辆速度。铺设多组压力感应线圈实现多数据的采集。

3、具有视频处理技术的摄像头由摄像头直接监测车辆的速度数量，交由计算机处理计算数据。

几种方案的比较

1、光栅优点在于数据采集器材铺设于路面上方，如果通讯线路同样铺设于道路上方，则不受路基、路面、人行道或者路中间管线维修影响，反应灵敏可靠。缺点是光栅为路面突出物，容易受到车辆撞击造成损坏，或者受到不走人行横道的路人影响产生误导信号。由于价格较高，如果没有合适的保护措施，可能存在被盗风险。由于是红外光线原理，受到风雨冷热雾霾等气候影响，可能存在数据不准。

2、压力感应线圈优点在于数据采集器材铺设于路面下，不会受到车辆撞击等破坏性风险。反应灵敏可靠。只要设定合理的压力值，不会受到误触及线圈的不走人行横道过路的路人影响，埋设于地下几乎不存在被盗风险。接触式信号发送原理，不会受到风雨冷热雾霾等气候影响，造成数据不准。缺点在于存在受到路基、路面、人行道或者路中间管线维修影响，难于拆卸和再次安装。

3、具有视频处理技术的摄像头优点为安装在道路上方，通讯线路也铺设于道路上方，不受路基、路面、人行道或者路中间管线维修影响，反应灵敏可靠。由于架设位置较高，几乎不存在被盗风险和车辆撞击等破坏性风险。由于又可以视频，人机界面友好，可以直观的观察路面情况，结合红绿灯违法拍照系统，可以全面的观察红绿灯先后的交通情况，做到更大范围的路面监控。另一方面还可以为城市和乡村的社会安全提供一种安全保障。缺点是可能会受到风雨冷热雾霾等影响造成信号检测不到或者不准确。

鉴于以上几种方案的优缺点比较，根据现在的交通信息系统的发展趋势，结合国内绝大多数城市和乡村现有的路面维护情况，车辆及行人的交通方式和习惯，选择具有视频处理技术的摄像头作为车辆交通信息的采集器材。

三、智能交通信号灯系统程序可分为以下几个模块：

信号机主程序模块是整个系统的主要模块，它按优先级利用其它模块的执行结果，生成当前信号灯周期。定时控制程序模块支持通过键盘输入固定的时间数值，改变当前所执行的信号灯周期，以人工经验与系统相结合，体现出人机交互能力。车流调节程序模块是利用数据采集技术识别交通路口附近的车流量，对路口交通情况进行实时分析计算，依据结果对信号灯周期进行调整。本系统中，此模块也是最能体现智能化的部分。此外，通过车辆自动识别管理系统，把车流信息与车辆信息监控管理中心连接起来，就可构成车辆信息管理平台。

定时调节程序模块是针对已经形成一定路况规律的路段而设置的。可以一次性预先设定每天不同时段对应不同的信号灯周期。比如，晚上车流量较少，可做定时调节将红绿灯改成闪烁的黄灯，当第二天指定时刻到来时，自动恢复红绿灯。

现场遥控强置控制程序模块是为交警现场指挥交通而设计的，只需用遥控器对红外接收端按下特定的按钮，就可以对现场的信号灯相位全部强制重置，特别适用于单向塞车车流的调节和像救护车救火车这样需要无障碍通行的交通工具快速通过路口。

远程联动处理程序模块是用来处理上位机（交警联动中心控制机）所发来的指令。信号灯联网以后，整个区域的交通路口就可以进行协调联动控制，如果一个路口发生拥堵，联动中心可以发来指令，适当延长相邻路口信号灯来车方向的通行时间，有效疏导交通。

四、结论

通过对智能交通信号系统的研究，选择合适的数据采集组件，为实现不同功能，制作相应的控制模块，来实现智能信号灯根据不同路况所采取的不同控制方案和功能，优化路面交通状况，合理疏导各个方向的交通情况，提高整个社会的交通效率。减少汽车尾气排放对大气污染的影响。

【参考文献】

［1］《中国汽车社会发展报告2012—2013》

［2］张生瑞交通流理论与方法中国铁道出版社2010

［3］周蔚吾道路交通信号灯控制设置技术手册知识产权出版社2009