基于物联网技术的智能交通信号灯控制系统

李 伟，门 佳

（河南工业职业技术学院 计算机工程系，河南 南阳 473000）

0 引 言

随着经济增长，道路上行驶的车辆越来越多，而交通基础设施建设相对滞后，道路交通拥堵问题愈发严重。城市治堵不能仅靠限购、限行、收费等行政干预手段，亟需一套行之有效的智能化交通管理系统。物联网的兴起给智能交通带来了重大的发展机遇。

当前，大部分交通灯的信号周期和红绿信号配时都是通过对该路口车流强度进行事先调查，采用统计的方法预先设定的。不管实际车流量如何，信号灯时间固定不变；小部分交通灯能根据简单划分的时段进行模式调整，但依然无法满足根据车流强度实时调整信号灯的要求，从而导致交通阻塞。经研究发现，路口车流强度的变化是随机和偶然的，这种变化很难建立准确的数学模型，因而提出一种能够依据路口实时交通强度情况，自适应调节信号周期的智能交通信号灯控制系统十分必要。本文提出的自适应交通信号灯控制系统，以无线射频识别（Radio Frequency Identification，即RFID）技术为基础，以物联网平台为核心，实时准确地采集交叉路口待通过的车流量数据，依靠各种物联网传递给监控节点，并以此作为调节交通信号灯的依据。

1 物联网技术概述

1.1 物联网技术

2010年物联网被正式列为我国新兴战略性产业。温家宝总理在《第十一届全国人民代表大会第三次会议政府工作报告》[1]中明确提出“利用物联网技术推动经济发展方式的转变”。物联网是一个非常庞大的网络，将各类数据采集装置与计算机网络联合起来，进行数据通信，配以各类应用软件，以实现身份识别、目标定位、信息跟踪和监控管理。早期的物联网是以物流监控系统为背景提出的，随着技术的发展，物联网范围逐渐拓宽，目前主要应用于工农业检测、消费类电子、智能化交通、智能化家居等领域。

物联网有三个层次[2]：一是感知层，通过在各类物体上附着感应芯片使其具备可自动识别功能，利用无线射频识别、二维码识读、GPS全球定位、各类传感器等设备实时获取物体的信息；二是网络层，通过各类网络（移动通信网络、互联网等）的融合，及时准确地将采集到的数据传送出去，实现物与物之间的通信和信息共享；三是应用层，在多个应用领域（如绿色农业、远程医疗、智能家居等）中，利用云计算、模糊控制、遗传算法等各种技术，分析和处理数据，进行智能化控制。物联网体系各层次构成如图1所示。

图1 物联网体系各层次构成

1.2 无线射频识别

无线射频识别（RFID）又称为电子标签技术，利用无线射频方式通过电磁波在信号采集设备（阅读器）与标签之间实现非接触双向数据传输，达到身份识别和数据通信的目的。RFID技术具有精度高、寿命长、功耗小、可加密、容量大等优点，近年来已被引入智能交通领域，用于停车收费、门禁系统管理等方面。

RFID是一种精简的无线信号收发系统，主要由附着在物体上的电子标签、阅读装置、天线、RFID应用软件等组成。每个电子标签具有唯一的识别码，被嵌入到物体上以标识身份。阅读器发射特定频率的无线电波，可激活处于其工作范围内的电子标签，将标签内部的数据读出，实现对物体的识别，应用系统根据需要对读取到的数据进行处理[2]。RFID系统工作原理如图2所示。

图2 RFID系统工作原理

2 智能交通信号灯控制系统

2.1 设计目标

在交通路口红绿灯前各方向车道安装车流强度采集设备，该设备主要采用RFID技术工作。对通过的机动车安装车载电子标签，动态监控车流量。通过无线网络，实现机动车辆、监控节点和控制中心之间相互交换信息。采用自适应算法，以各车道交通强度为依据，自动控制信号灯变换，减少车辆等待时间。

2.2 系统建模

城市中典型的交叉路口为双向6车道，每个方向分别包含右转、直行和左转车道，在交叉路口设置红、绿、黄三色信号灯。交通信号灯通常采用四相位[3]方式放行，其相位交替如图3所示。第一相位允许东西方向车辆直行，第二相位允许东西方向车辆左转，第三相位允许南北方向车辆直行，第四相位允许南北方向车辆左转。四个相位顺序切换，不断循环，相位切换绿灯转红灯时采用短时（2～4s），黄灯进行预警和缓冲，右转道车辆不与其他车流发生冲突，不统计其车流量。

图3 交通信号灯相位交替

2.3 车流量信息采集与统计

交通信号灯控制系统的核心是基于RFID技术的车流量数据采集设备。在交叉路口每个车道设立缓冲区，为一个先入先出的线性队列，停车线前200m为缓冲区入口，停车线为缓冲区出口，该长度200m的队列作为车流量数据采集区域。缓冲区入口和出口分别设置一个RFID阅读器。入口RFID阅读器执行通行车辆数加操作，即每通过一辆机动车，车辆数加一；出口RFID阅读器执行通行车辆数减操作，即每通过一辆机动车，车辆数减一。任意时刻缓冲区数据即为该方向等待放行的车辆数。当某一相位绿灯亮之前，系统将待通过车辆数发送至控制节点，作为判断当前交通强度和决定下一周期通行时间的依据。单路口交通车流量如图4所示。

图4 单路口交通车流量

当装有RFID电子标签的机动车驶入RFID阅读器工作范围内时，由RFID阅读器发送给定频率并加密电磁波信号。电子标签通过内置天线接收能量和信号，相应工作单元被收到的能量激活，将电子标签内的身份信息调制成相应频率的射频信号发射出去，从而将电子标签本身携带的信息传送到RFID阅读器，RFID阅读器接收数据并解码，将提取的信息再传送到后台控制中心[2]。

2.4 交通信号灯智能控制算法

路口交通强度具有非线性、时变、多扰动、随机和不确定性，不易确定数学模型，使得传统的基于模型的控制理论与方法难于取得良好的控制效果[4]。以第一相位为例，说明交通信号灯智能控制算法。第一相位包含自东向西直行和自西向东直行两个方向的交通，其他相位原理相同。

（1）设定相位一初始绿灯时长，该时长是系统中绿灯时长的最小值，应保证不会因为车流量过小而不给出通行时间。该数值依据实际情况设定，这里假设Tmin=30s。

（2）当第一相位即将由等待转为通行时，统计其缓冲区内车辆数，车辆数小于20辆时，判断该方向为少车；对面车道相位一等待车辆数也小于20辆时，判断该方向也为少车，跳转到步骤2。当自东向西或自西向东任意一个方向等待通过的车辆数达50辆时，判断该状态车辆较多，跳转到步骤3。

（3）绿灯放行时间改为Tmax=60s，该时长是系统中绿灯时长的最大值，为避免该方向长时间占用通行权，使其他方向车辆的延误时间增大，跳转到步骤2。

2.5 设置监控中心

在交警部门的交通指挥中心设置大型机架式服务器，实现对交通信号灯的远程控制。交通指挥中心拥有最高权限，可控制交通信号灯的工作模式，在现有方案和新方案之间切换，以保证升级到新方案之后系统的平稳过渡，不会出现继承性问题。另外，本方案可配合现有的交通检测手段（高清摄像头、测速雷达、传感器），通过有线或无线网络，将采集到的车辆信息（车牌号码、车辆类型、车辆所有者、车辆通过时间、车辆年检情况等）发送给服务器存档，为城市智能交通的其他领域如交通指挥调度、车辆交通信息统计、交通肇事追逃、交通信息诱导等提供原始数据信息。

3 仿真实验

为验证新方案的可行性，采用Matlab软件进行仿真建模，路口车辆的到达服从Poisson分布。以平均车辆延误时间作为指标衡量方案的优劣，平均车辆延误时间为单位时段内到达路口的所有车辆的等待时间累加和与车辆数之比，表示为：

其中，N为每一相位两个方向在绿灯时经过路口的车辆数之和，Ti-delay为每辆车的等待时间，测试计时为600s。为便于对比，在其他条件完全相同的情况下，分别对现有的固定信号方案和新方案进行仿真测试，将车流量情况分为高强度（30辆/min）、中等强度（20辆/min）和低强度（10辆/min）三种场景，分别进行多次仿真取平均值，结果见表1。

表1 各种车流量情况下平均车辆延误时间及比较

由仿真实验结果可知，当中低强度车流量时，新方案较之现有的固定信号方案有小幅改善；但当车流量较大时，新方案中平均车辆延误时间有明显的减小，优化效果显著。可见，新方案适用于各种车流量情况下交通信号灯配时。

4 结 论

基于物联网技术的智能交通信号灯控制系统，采用无线射频识别技术，根据交通强度自动控制红绿灯时长，增加了对各相位待通过车流量评估的模块，自适应确定路口交通信号灯的时间，克服了人工经验的缺陷，提高了交通道路利用率。该控制系统采用非接触式检测，不破坏路面、使用寿命长、成本较低且易于实现。该控制系统在单个路口的交通信号灯控制方案能有效实现的基础上，可继续研究开发，将其延伸到多个临近交叉路口交通信号灯的协调联动，协调区域内各交叉路口的交通信号配时及相位差，达到绿波带[5]的效果。

[1]温家宝.第十一届全国人民代表大会第三次会议政府工作报告[EB/OL].(2010-03-15)[2014-01-05].http://www.gov.cn/2010lh/content_1555767.htm.

[2]孙其博，刘杰，黎羴，等.物联网:概念、架构与关键技术研究综述[J].北京邮电大学学报，2010，33(3):1-9.

[3]Jiang R，Wu Q S.The traffic flow controlled by the traffic lights in the speed gradient continuum model[J].Physica A:Statistical Mechanics and its Applications，2005，355(2/4):551-564.

[4]王东亮，万幼川，王昆，等.一种基于交通灯调整和速度控制的交通方案[J].武汉理工大学学报:信息与管理工程版，2009，31(6):945-949.

[5]田丰，杜富瑞.基于WSN的智能交通灯控制系统设计[J].测控技术，2009，28(12):56-59.