自适应智能交通信号控制系统及其控制方法研究

自适应智能交通信号控制系统及其控制方法研究

王小刘

江苏伏特照明集团有限公司

摘  要：随着城市交通日益拥挤，传统交通信号控制系统已难以应对多变的交通流态。本文提出了一种自适应智能交通信号控制系统，利用LED信号灯和超声波测距技术，通过实时数据分析与处理，实现对交通信号的动态调控。本系统能显著提升信号灯对交通流变化的响应效率和处理能力，有效减少交通拥堵和事故发生率。研究结果显示，该系统在实际道路交通中表现出良好的适应性和稳定性。

关键词：自适应；智能交通系统；信号控制

一、智能交通信号控制系统的设计

1. LED信号灯

（1）设计规范及参数

本研究中采用的LED信号灯遵循《道路交通信号灯》（GB 14887—2011）的国家标准进行设计与制造。信号灯选用Φ5 mm的LED和大功率LED作为光源，其优点在于能效高，寿命长，并且光强度稳定，能适应各种天气条件。LED信号灯的发光单元提供两种尺寸规格：直径300 mm与400 mm，以适应不同路口的视距要求。此外，LED信号灯的灯体设计支持横向与竖向安装，增加了安装时的灵活性。各信号灯由遮檐、门面、PC面罩、橡皮圈、灯板、开关电源、防水底壳、转向圆头、后箱体、装饰边、L形支架及连接支架等部分组成，确保了产品的结构完整性和防护性能。

（2）LED信号灯配置与布局

在智能交通信号控制系统中，LED信号灯的配置与布局至关重要，直接影响到信号系统的效率和功能性。本系统中，信号灯按照各行道的交通流需要进行精心布置，确保每个方向的可视性和响应性。具体来说，信号灯的部署包括上行道、下行道、左行道和右行道的独立信号灯组合，每个方向均配备上、下、左、右四个方向的信号输出。每个信号灯后方均配置有超声波测距仪，对应监测各自方向的行车情况。通过这种方式，系统能够根据实时交通数据调整信号灯的亮灭，优化交通流动，减少拥堵。此配置不仅提高了交通效率，还增强了交通管理的灵活性和智能化水平。

2. 智能控制系统框架

（1）系统硬件组成

该智能交通信号控制系统采用模块化设计理念，构建了一个由多个功能模块组成的硬件架构。每个模块在6U插卡机箱内独立存在，包括但不限于电源模块、环境监测模块、主控制模块、优化控制模块、灯驱控制模块以及各类检测和接口模块。这些模块均采用32位高性能CPU，运行嵌入式操作系统，确保了整体系统的高效率和稳定性。通过采用CAN总线技术，系统架构保证了良好的扩展性，能够根据特定交叉口的具体需求进行灵活的模块组合和调整。标准配置包括一块主控制模块板、一块电源及环境监测模块板和四块灯驱控制模块板。此外，系统支持最多配置8块灯驱控制模块板，可以支持高达96路灯驱输出，适用于复杂的交叉口控制需求。

（2）控制模块功能描述

智能控制模块是整个系统的核心，负责实现交通信号灯的动态控制和管理。该模块具备多项功能，首先，它可以接收和处理来自超声波测距仪的实时数据信息。通过比较这些数据与预设的正常参考数据，控制模块能够判断当前交通状态是否异常，并据此调整信号灯的运行周期。例如，当检测到某个方向的测距数据异常时，系统会暂停该方向信号灯的部分灯光周期，直到数据恢复正常。此外，该模块支持远程程序升级和维护，支持U盘导入配置，也支持现场通过笔记本进行参数设置，极大地增加了系统的灵活性和可维护性。环境监测模块实时上报现场温度、湿度、电压等环境参数，控制模块根据这些环境参数自动调节信号灯的加热和散热装置，以适应不同的外部环境条件。此功能确保系统在各种气候条件下都能稳定运行。

二、智能交通信号控制策略

1. 数据收集与处理

（1）超声波测距技术应用

在本系统中，超声波测距技术扮演了关键角色，主要用于实时监测各行道车辆的位置和流量。每个信号灯后方均安装有超声波测距仪，这些设备能够精确测量车辆与信号灯之间的距离。测距数据被连续捕捉并发送至中央控制模块。此技术的运用不仅提高了数据的准确性，也使得交通控制更加灵活和响应更迅速。通过实时分析这些数据，系统可以调整信号灯的切换时机，优化交通流，防止拥堵现象的发生，尤其在高峰时段或特殊事件导致的交通压力增大时，这一点尤为重要。

（2）数据精准度与实时性分析

数据的精准度和实时性是衡量本智能交通信号控制系统性能的两个重要指标。系统设计必须确保收集到的距离数据不仅准确无误，还要能够即时处理和应用于信号控制中。为此，系统内置了高性能处理器和优化的数据处理算法，能够在几毫秒内完成数据的接收、处理和反馈。此外，通过持续对系统进行校准和维护，确保了超声波测距仪的精确性不受外界因素如天气变化或设备老化的影响。系统还采用了先进的数据平滑技术，以消除偶发的数据噪声，保证决策依据的可靠性。对数据的精准处理确保了信号调整的合理性，从而有效避免了因信号调整不当引起的交通拥堵或事故。

2. 信号控制逻辑

（1）正常流量控制策略

在正常流量条件下，本智能交通信号控制系统依据实时收集的数据执行信号调整。系统首先设定了每个信号灯的基本周期性循环，这些周期根据历史数据和交通流预测模型进行优化设定。超声波测距仪实时监控每个方向的交通流量和车辆停留距离，将这些数据传送至主控制模块。控制模块对接收到的信息进行分析，与预设的正常流量模式进行比对，然后自动调节信号灯的绿灯和红灯持续时间，以适应实际交通需求。这种策略确保了交通信号的灵活响应，有效地平衡各个方向的交通流，减少等待时间，提升整体交通效率。

（2）异常情况处理策略

对于交通流中出现的异常情况，系统采用了先进的处理策略以确保交通安全与流畅。当超声波测距仪检测到某方向的车辆距离突然变短，或流量超出正常范围，系统即判定为异常状态。此时，控制模块将立即调整信号灯的运行逻辑，实行紧急控制措施。例如，如果某一方向的车流突然增多，系统可能延长该方向绿灯的持续时间，同时缩短其他方向的绿灯时间，以缓解拥堵。同时，如果某个方向的测距数据显示异常，如传感器故障或突发事件导致的数据异常，系统会暂停该方向的信号灯周期，直到数据恢复正常或人工干预解决问题。此外，控制模块会通过联网的方式实时上报异常情况到中心管理系统，以便进行进一步的分析和响应。这些措施确保了即使在面临非常情况时，交通系统仍能保持最佳的运作状态。

三、系统测试与评估

1. 测试环境与设备

为确保智能交通信号控制系统的性能符合设计预期，系统的测试工作在模拟的交通环境中进行。测试环境包括仿真的城市道路网络和各类交通流场景，能够模拟高峰时段、事故发生和路面工作等多种交通条件。此外，测试设备包括高性能的服务器用于数据处理和信号模拟，以及多个超声波测距仪和LED信号灯的实体装置。这些设备设置在模拟交叉口，以精确捕捉信号控制系统的响应和行为。通过这种设置，测试团队能够在控制环境中详细观察和评估系统的表现，从而确保系统在实际部署前能达到所需的技术标准和性能指标。

2. 性能评估指标

系统的性能评估依据一系列具体指标进行。这些指标包括信号响应时间、数据处理速度、系统稳定性、故障恢复能力以及能否有效减少交通拥堵。信号响应时间指的是从接收到数据到信号灯做出反应的时间长度，这是衡量系统实时性的关键指标。数据处理速度评估系统处理输入数据并输出控制命令的效率。系统稳定性指标关注系统在连续运行中的性能保持情况，特别是在高负荷条件下。故障恢复能力评估系统在遇到设备故障或数据异常时，恢复正常操作的速度和效果。此外，减少交通拥堵的能力是评价智能交通系统最终效果的重要指标，它直接关联到系统设计的实际应用价值。

3. 测试结果分析

测试结果显示，智能交通信号控制系统在多数性能指标上达到了预期目标。具体来说，信号响应时间和数据处理速度都满足了设计要求，证明了系统的高效性和实时性。系统稳定性在连续运行测试中表现优异，没有出现性能下降的情况。在故障恢复测试中，系统能够迅速识别问题并采取措施恢复正常运作，显示出良好的自我修复能力。关于交通流的管理，测试结果表明，系统能显著减少交通拥堵，特别是在模拟的高峰时段和突发事件情景中。这些成果为系统的进一步优化和实际部署提供了坚实的基础，同时也指出了需要继续改进的领域。

四、结语

本研究成功设计并测试了一种自适应智能交通信号控制系统。我们的系统通过集成超声波测距技术与LED信号灯，有效优化了信号控制，实现了对交通流动的动态调整。测试结果证明，系统在响应时间、数据处理速度及系统稳定性方面表现优异，能显著提升交通流的管理效率。此外，系统还展现出在异常情况下迅速恢复的能力。

参考文献：

[1]吴一昊,陈敖.我国智能交通信号控制系统应用现状分析及展望[J].科技视界,2018,(26):243-245.

[2]肖滨.人工智能在信号控制系统的应用[J].交通与运输,2024,40(02):62-67.