交通灯通断智能控制预防城市道路堵车的一种方法

王子阳

摘 要：在城市道路密集、路口众多的背景下，基于道路现场测量系统获取车队尾长数据，利用Matlab软件编制一种控制信号灯延迟通断的计算程序，与信号装置相配合，就可以及时调整城市路口交通灯的接通顺序和时间，一定程度上达到控制车流和避免交通阻塞的目标。

关键词：车队尾长 信号灯 延迟通断

中图分类号：TP391.9 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）08（b）-0004-02

1 交通堵塞的成因

现代城市路网密集，大量私家车上路常常造成交通阻塞且已成为影响城市市民正常生活和工作的严重问题。而城市道路管理中不合理的交通灯通断系统更使交通拥堵现象雪上加霜，例如，多数城市采用的定时同步通断转换自动化交通灯系统，即沿同一条街道上各路口的灯光同步切换，在一定情况下会成为交通拥堵的导火索。很多人都有这样的经历，在一个路口被红灯拦下，后面路口会接二连三被红灯拦住。这不仅仅是运气问题，实际上和交通灯通断控制有很大关系。假设有一队车A在路口1等绿灯放行，欲驶向路口2，两路口的距离为D，车辆正常行驶速度为V，第一辆车到达路口2时用时D/V，此时路口2绿灯，第一辆车通过路口2。由于车队各车是不可能同时起动、同时加速的，而是从头车开始，各辆车依次起动从而形成一个“起动波”，传播速度大约为4.5 m/s（16km/h）[1]。设车队长L，与头车相比，最后一个车要走（L+D）路程才能到达路口2，而且它必须等候起动波传过来时才能起动，因此末尾车要花（L/Vb+（L+D）/V）时间才能到达路口2，如果绿灯通行时间T0小于（L/Vb+（L+D）/V），这就使得车队的尾部有可能在到达并通过路口2之前，就被下一次红灯阻挡，车队A发生截尾，跟过来的车队B就有增长的趋势，车队B增长到一定长度，也会甩尾给车队C，这样车队越积越长，进而发生交通堵塞。可见防止交通堵塞的关键在于及时制止过长车队的形成，防止车队增长的趋势。

2 一种预防交通堵塞方法思路

目前城市路口都装有摄像及图像识别系统，发现某路口车队逐渐增长，在一个绿灯通行时间内有被甩下的车队尾巴出现，通过智能干预，及时调整交通灯的通断顺序和时间，引导疏流，就有可能制止过长车队的形成，从而达到完全避免非反常交通堵塞的目的。假如发现上例路口2逐渐有被甩下的车队尾巴出现，就要延迟路口2红灯开通，即延长绿灯时间，使T≥（L/Vb+（L+D）/V），放车队A过去，消除这个尾巴。这样从路口1处开过来的车队B在接近路口2时就没有车队A的尾巴留下，车队B就不会增长，但延长的时间是有限制的，最长允许延长时间是车队B的头车刚好接上车队A的尾车，即D/V-L/Vb-L/V=0，车队A的长度占路口1与路口2之间的距离D的比例L/D=Vb/（V+Vb）。如果?T=D/V-L/Vb-L/V>0，则路口2还可以再延迟?T开通绿灯；如果?T=D/V-L/Vb-L/V<0，则路口2提前?T开通绿灯，提前放走积压的车辆。如果A的前面车队较短，则可以改变灯光顺序，使路口2和路口1的绿灯同时开通。如果A的前面车队更长一些，就必须提前接通路口2的绿灯，保证车队A通过路口1的绿灯到达路口2之前畅通。绿灯的接通顺序可由MATLAB编制程序控制，根据道路车辆图形识别系统给出的车队长度及测得的时速进行计算，智能操作路口1、2绿灯的延迟、同时或提前接通[2]。双行道上、下行的交通灯同时转换，车队截尾较长的方向必然最有可能发生堵塞，应优先接通绿灯，因此对于双行道要根据两个方向的车流情况，判断分析通断顺序。

当然，和实际情况比，这里忽略了车辆行进过程中加速和减速过程，这里V实际上是两路口距离间车队的平均移动速度。

3 一种预防交通堵塞方法的程序实现

设某城市有主干道m条，n条横向街道，主干道与s条横向街道相交后，各段主干方向街道的长度为矩阵D。各路口上被甩下的车队尾巴长度组成的动态数据矩阵（截尾矩阵），如果在上述m条主干方向街道中有m1条双行道，则矩阵将是一个（m+m1）×n的矩阵。根据双行道上双向车队尾长的总和判定各双行道的优先方向，只取双行道优先方向截尾尾长，截尾矩阵化为m×n的矩阵。计算并输出延迟矩阵?T，?T=D/V-L/Vb-L/V，从而控制交通灯通断顺序。在延迟量矩阵中，?T值为负的路口实际上就是尾巴较长的路口，需要提前?T接通绿灯，提前放走积压的车辆，?T值为正的路口是尾巴较短的路口，可以延迟?T接通绿灯而不会造成该方向车辆堵塞。提前值?T大于T0，即可认为已经产生车辆堵塞。

以某7×4街道为例，输入上下行车辆截尾尾长，计算的延迟时间结果如表1所示。

通过道路现场测量系统获取车队尾长数据，应用这个程序计算的信号灯延迟时间，与信号装置相配合，就可以及时调整城市路口交通灯的接通顺序和时间，一定程度上达到控制车流和避免交通阻塞的目标。

4 结语

现在技术获取道路现场车队尾长数据已经非常方便，Matlab软件应用也非常方便，利用Matlab软件编制的计算程序很容易实现该方案，通过控制信号灯延迟通断，控制车流，避免交通阻塞。

参考文献

[1] 何明高.用计算机Matlab程序实现交通灯系统的反馈式自动控制[J].广东机械学院学报，1989，7（1）：42-55.

[2] 王灿，何淳，吴亚龙，等.智能交通灯控制系统的设计和仿真[J].重庆工商大学学报：自然科学版，2009，26（1）：84-87.