摘要：交通信号灯是确保城市运输环境良好的重要保证。近年来，机动车辆的不断增加给城市交通运输带来严峻挑战。为实现城市交通运输环境的有效改善，有必要对其交通信号灯控制系统进行优化设计。本文在阐述智能交通系统基本概念的基础上，对基于车速条件下的自适应交通信号灯控制系统进行设计分析，以期能有利于交通信号灯控制系统的优化，实现交通运输环境的不断改善。
关键词：智能交通；自适应；交通信号灯；控制系统
随着社会经济的不断增长，我国城市机动车辆的数量获得了明显增加；这给城市的交通运输环境带来极大的压力与挑战。大量的机动车辆运行不仅带来了严重的交通拥堵问题，更对城市居住空间的环境质量造成严重污染。为进一步提升城市空间交通运输质量，进行交通信号灯控制系统的智能化设计已成当前城市交通系统管理的重要内容。然而在传统的智能化交通系统中，静态调整是信号灯控制的主要方式；面对着越来越高的城市交通安全要求，结合流量、车速等因素，进行动态化的自适应交通信号灯控制系统设计势在必行，本文由此展开分析。
一、智能交通系统的基本概念
智能交通系统又被称为智能运输系统，其是基于互联网技术发展起来的一种新型交通控制系统。智能交通系统的目的在于改善日益严峻的城市交通运输环境。在实践应用过程中，智能交通系统在计算机技术、信息技术、传感技术、电子控制技术、现代通讯技术及人工智能技术的支撑下，实现了城市交通运输中车辆、道路和使用者之间的系统把控，有效的提升了城市交通控制管理的质量和水平，确保了城市空间区域内测量运输、能源节约、环境改善及行人安全的良性循环。
二、自适应交通信号灯控制系统的设计
自适应交通信号灯控制系统的智能化设计是一个专业化程度较高、系统性较强的复杂过程。在设计过中，交通规划人员必须充分考虑交通区域的实际情况，并做好通讯模式和模块化体系架构的系统设计。
1.区域环境模拟
区域环境是进行自适应交通信号灯控制系统设计的基础[1]。与传统智能交通信号灯控制系统不同的是，自适应交通信号灯控制系统对于区域环境的动态模拟要求更高，其需要充分了解拟设计区域的车流量、车速及地面交通布置等基本情况。
本次自适应交通信号灯控制系统设计过程中，拟定其区域环境的场景为城市主干道十字路口。考虑到主干道的机动车辆运行具有复杂性，容易对设计过程造成方向干扰，设计难度较高。故对其进行三维设计建模，并去除车辆方面变化而造成的影响，将整个设计过程控制在汽车直行的平衡状态下，确保基础设计的准确性。
该控制体系下，车辆在经过交通路口时，其自身的车速会被交通信号灯控制系统收集，通过对比、计算连续两个路口的车速信息，自适应交通信号灯控制系统就可以实现整个路段车辆通行状况的准确把控，然后针对性的进行红绿灯指令控制，实现交通路口的动态疏导，确保交通运输环境的有效改善。
2.通讯模式设计
通讯模式是自适应交通信号灯控制系统设计的重要组成部分。其能实现交通路口经过车辆与基础设施交通信号灯控制系统的即时通讯，了解公路状况，进行机动车辆行驶线路规划。在通讯模式设计过程中，V2I是应用较为广泛的一种技术应用。作为车联网领域的基本概念之一，其对交通运输网络中的道路、路灯、交通灯、电子路障、监控信息等进行综合，确保了单位车辆与交通信号灯控制系通讯的及时、准确。从应用过程来看，星型网络拓扑结构是自适应交通信号灯控制系统通讯实现的主要技术支持。
3.体系架构设计
模块化体系架构是自适应交通信号灯控制系统设计的核心所在[2]。在设计过程中，根据系统主体模块的不同，人们将自适应交通信号灯控制系统的体系架构分为交通信号灯和汽车两个基本模块（如图1）。
自适应交通信号灯控制系统模块架构中，数据接收模块、控制模块和信号灯模块是交通信号灯模块的三个基本元素。其中数据接收模块可以实现汽车数据的准确接收，为后续的制动控制提供基础的数据支撑。一旦数据接收模块捕获到准确的车速信息，控制模块就会进行运作，其在动力作用等相关理念的作用下，实现收集信息的准确计算，并将控制指令迅速、准确的传达给信号灯模块，由信号灯进行指令表达，实现交通运输状况的合理控制。机动车辆模块包含了数据收集模块及数据发送模块两个部分。其存在的价值在于实现行车速度、位置、方向的准确发送，并通过与交通信号灯控制系统的通讯，实现道路行驶状况数据的准确收集，为车辆行驶提供保证。
需要明确的是，相互联系、密切配合是自适应交通信号灯控制系统中两个模块工作的基本特征。其通过循环往复的收集通讯传输，确保了车辆行驶的安全，保证了道路交通控制管理质量。
图1 自适应交通信号灯控制系统模块架构
三、基于车速的自适应交通信号灯控制系统实现
自适应交通信号灯控制系统设计的目的在于实现不同车速下交通信号灯控制系统管理的合理化，进而提升交通运输管理质量，保证城市道路行车安全。生活实践中，要确保该系统的准确实现，就必须做好数据采集模块、通讯模块及控制模块的硬件设施保证。具体保证措施如下；
1.数据采集模块设备保障
作为自适应交通信号灯控制系统应用的基础保证，数据采集模块的设备应用至关重要。长期以来，我国重视数据采集模块设备的优化及更新。目前而言，车载OBD设备是自适应交通信号灯控制系统数收集与发送的基本载体；该设备由国家可信 嵌入式软件工程技术研究中心研发，从应用效果来看，高匹配度、高适应性、高准确率是该数据采集设备的主要特征。在应用过程中，其在链接汽车OBD设备的基础上，实现了道路行驶车辆数据信息的针对性采集和整理，并且按照系统设计的格式进行发送、传输和接收，有效的保证了自适应交通信号灯控制系统运行的高效与准确。
2.通讯模块设备保证
通讯设备是自适应交通信号灯控制系统信息交互实现的主要渠道[3]。作为具有沟通桥梁性质的设备应用，其必须相同考虑设备的传输距离、功率及成本等因素。目前而言，ZigBee技术是 V2I通讯模块的主要技术支持。与其他材料相比，网络组织自愈能力较强、容量大、通讯可靠是其最突出的优势所在，通过系统规划，其可以实现室内30m~50m、室外100m的信息传输，充分满足了机动车辆与自适应交通信号灯控制系统的通讯需求。
另外，数据格式是通讯模块信息传输需要进行重点把控的内容之一。由于数据的字节格式不一，势必导致信息传输误差的加大，影响道路车辆行驶安全和交通信号灯系统控制质量。在自适应交通信号灯控制系统下，其通讯模式下的数据格式设定为19个字节，并由Date[0]到 Date[18]进行系统代替，前者是数据的开端，接下来的信息分别代表了车辆的ID、行车速度、行车纬度、行车方向等要素。在具体表示上，信息不同，其字节的长度也存在差异，譬如，车辆ID占用两个字节，而行车纬度和方向就占用了4个字节。因此，在具体应用过程中，道路管理人员只有注重自适应交通信号灯控制系统数据格式的系统把控，才能实现不同车速下，信号灯控制的科学、准确。
3.控制模块保障
控制模块的控制器对自适应交通信号灯的直观表示具有直接影响，其负责着信号灯闪烁更换的算法计算，是整个交通信号灯系统最重要的组成部分。在控制器管理中，其通过行车速度基本信息的输入和输出，实现了信号灯控制时间的准确计算，确保了信号灯显示的合理化。
具体算法上，如何在车辆行驶速度信息的基础上，实现信号灯显示时间的准确控制是控制模块系统管理的核心所在。具体而言，东西方向的红路灯显示控制计算是控制算法管理的主体，人们一旦确定了东西方向的时间，然后取其红绿灯显示的相反值，就可实现南北方向红路灯显示的准确把控。即东西向为红灯，则南北向就为绿灯，反之亦然。在黄灯的显示上，两个方向的黄灯显示时间具有同步性。需要注意的是，一般情况下，如果没有特殊情况，则红绿的灯亮起时间都为60s，而黄灯闪烁时间为5s。
结论
随着城市化建设的不断发展，城市交通运输压力势必会越来越严峻；进行智能化交通系统的设计以成为城市交通规划的必然趋势。面对着不同车速的道路行驶状况，基于车速进行自适应交通信号灯控制系统的设计与应用很有必要。交通管理人员只有充分把握自适应交通信号灯控制系统的设计要点，并做好科学的实现保证，才能保证交通信号灯控制系统应用质量的不断提升，推动城市交通运输环境的良性发展。
参考文献：
[1]胡春良. 基于视频检测的交通信号灯自适应控制系统[J]. 科研, 2016，(11):1-1.
[2]钱立军, 邱利宏, 林如宁,等. 基于V2X的混合动力汽车分层能量管理及优化[J]. 农业工程学报, 2016, 32(19):74-81.
[3]孙景昊, 关楠, 邓庆绪,等. 城市交通网络信号控制系统的实时演算模型[J]. 软件学报, 2016, 27(3):527-546.
论文作者:张永志
论文发表刊物:《电力设备》2018年第27期
论文发表时间:2019/3/13
标签：信号灯论文; 交通论文; 控制系统论文; 自适应论文; 模块论文; 系统论文; 车速论文; 《电力设备》2018年第27期论文;