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摘要：本文介绍了基于电子车牌的智能交通管理系统的信号灯
管理子系统的整个制作过程。作者经过查阅相关资料，了解了智能交通管理系统的发展状况。文中讲述了数据库的设计与创建、信号灯管理子系统的实现以及用户界面的制作过程。特别是运用了数学建模的理论对具体的流量问题进行详细分析，使得道路使用率得到最优配置，实现道路使用最大化，减缓交通压力。
关键词：交通管理系统 信号计算管理 智能交通
1 概述
交通管理，是一个范围很广的概念。它包括道路管理，车辆信息，交通环境，轨道交通，公共交通等多方面管理关系。交通管理者的使命是尽可能高效的根据现有交通条件为车辆及其他交通工具提供服务。信号灯管理作为智能交通管理系统效率化的一环，追求的是车辆驶过路口时间的缩短和交通信号配置更加合理化。同时追求有效控制信号必将对路口管理方式的选择产生较大的影响。通过调研天津市各关键交通路口、路段的交通流量，红绿灯指挥、道路设置等状况，建立合理的数学模型，使模型具有合理分配信号灯变化时间，以及推测下一时段车辆通过路口的情况的功能，实现智能管理。从成本上来看，它远远优于其他的解决方案。所以，合理的控制信号灯可以大大改善道路拥堵状况。
2 通过流量控制信号灯的基本理论和环节
2.1 信号灯管理的定义
信号灯管理系统是由汽车、道路基础设施运输基础设施、信息和人组成的一个共同完成交通管理的综合服务系统。这个系统由各种不同系统的形态所组成，它包括自然与人造、实体与概念、静态和动态及控制和行为等系统，这个系统中渗透着上述系统的各种形态。信号灯管理系统是实现道路交通管理系统最优化，并获取最佳经济效益、社会效益和生态效益的组织管理方法。
2.2 通过流量合理管理信号灯的意义
过去，由于我国交通行业智能化程度低，所以要集中采集交通信号并加以处理是难以实现的，尽管有不少部分地区应用了一些交通信息广播电台，它不断通过广播告诉司机哪些路段堵车，哪些路段通畅。这种靠广播加上司机对整个城市的熟悉情况共同组成的系统也就是智能交通的雏形。由于技术手段相对落后，不能达到高效率、低成本以及柔性化的要求，以上手段随着日益增长交通的需求已经不能满足当前的要求，因此，选择合理的信号灯管理方案具有十分重大的意义。建立现代化的智能交通管理系统，不仅要解决观念等方面的问题，更要做好信息采集和应用工作。交通信号灯管理的灵魂是方案选择，因此，对它的研究有重要的理论和实际意义。
3 通过流量管理信号灯的基本环节
3.1 信号采集
信号采集是信号灯管理过程中的基础环节。严格说来，信号采集应叫做交通流量采集，在不同的技术支持下，信号采集的来源不同，这里有的是用电子车牌技术来采集需要的流量信号。这里的车流量信号采集是在车辆未进入路口时采集的，也就是车行驶在相应道路上时采集的流量信号和车辆信息信号。
3.2 信号传递
信号传递是指将道路上采集的车流量信息通过一定的硬件设备，将信号传送至相应的计算机系统，为以后的工作提供相应的数据，当然，数据传输的起点是相对固定的，但数据传输的终端可以根据当地的实际情况，确定为不同的计算机组织系统，因此，以后的工作既可以实现独立的路口的处理，也可以实现多路口的协同处理。
3.3 信号存储
信号存储这一部分涉及到数据库中相应表的处理，采集来的信号将被存入相应的表中，以便用于不同的处理方式，为此，每一个路口都有自己独立的数据存储空间。
3.4 信号处理
信号处理是整个信号控制最为关键的一步，它需要事先为系统建立合适的数学模型和相应的组织结构和算法。目前世界上有多种多样的处理方法。车辆信号流按照其控制的范围，分为若干的层次，在不同的层次上，控制目标、实现方法和手段都有差异。信号控制的层次主要分为：孤立路口控制、主干道控制、区域控制。常见的控制方法主要有：离线优化方法，在线的方案选择，在线的方案生成。在几十年的交通控制实践中，这些方法都有应用，每种方法都各有其优点和不足之处。
4 流量问题的数学模型
流量控制问题的数学模型及其解决方法：
在信号灯管理过程中，必将考虑到各个道路上的交通流量问题。因此考虑如何控制车流量就是考虑如何对信号灯分配合理的相位。在以下两个模型中，对于交叉口的基础设施设置都是以只考虑汽车的情况，对于行人和自行车的情况没有进行考虑。交叉口全部设置为十字交叉口，共设置了四个相位，如下图所示：
■
图1 四相位图
信号周期不能太短，要有一个下限值。但也不能太长，周期越长通行能力就越大，但随着信号周期长度的增加，路口延误时间也增加，因此信号周期长度又一个上限值。
根据Webster公式：
C0=（1.5L+5）/（1-Y） （1）
其中，C0表示信号周期，单位为s；
L表示总损失时间，单位为s；
这里的L=∑D0+∑I；
D0表示车辆启动的延误时间，根据现场观测，一般取2S；
I表示绿灯间隔时间，根据现场观测，一般取2S；
因此四个相位的总时间损失为4*2+4*2=16秒，即L=16秒。
Y表示交叉口的交通流量比，该流量比Y用下式求得：Y=■yi （2）
这里的yi代表第i相信号临界车道的交通流量比，所谓临界车道是指每一信号相位上，交通流量比最大的那条车道，即yi=max（实际的进口道交通流量S/进口道交通能力Q）。
yi=max（实际的进口道交通流量S/进口道交通能力Q）（3）
其中，实际的进口道交通流量S，由路口的检测系统自动测量实际的流量数。 进口道交通能力Q，则是依据以下的分析得出的：
结合我国的情况，汽车驾驶员“根据时速确定前后两车间距，一般以时速公里数为间距米数……在晴雨天都比较适用”的原则，若以v（km/h）计车速，一般车身长度以5m计，则有如下关系式Q=（1000V）/（V+5） （4）
其中Q为每车道每小时的通行车辆数，即进口道交通能力。
由dQ/dv=8000/（v+8）2>0（对3式求导），说明车流的通过量确实是随车速的增大而增多的，但按（3）式，混合车辆数又以每小时通过1000辆为其极限值。
根据我国的车速、车况，每车道混合车型流量每小时以900～1000辆为宜，同时交叉口的理想通行能力只有路段通行能力的50%，实际上只有路段通行能力的30～45%。
因而，可以得到交叉口最大通行能力的一般计算公式：（对于每一进口道来说）
Q=1000*45%（5）
因此，根据Webster公式：
C0=（1.5L+5）/（1-Y）
我们已经得到了式（1）中的L，又通过检测器得到Y，因此可以对C0（信号周期）进行求解，则式（1）可以变为：
C0=（1.5*16+5）/（1-Y）
Y=∑yi（i=1、2、3、4（即分别对当前四个相位的流量求流通比）
在得到最佳周期以后，按各相位车道的交通流量比进行比例分配，第i相信号相位的绿灯间gi为：
gi=yi×（C0-L）/Y
从而得到各个相位的通行时间。
在由各个进道口所得到的实际流量分别求出，四个相位中，八组车道组中（车道组11、12、21、22、31、32、41、42）相对应同一相位中两个车道组的差值，并由小到大排列，取其最小差值得相位，作为首先开通的相位，并从小到大依次开通。
上述对模型的求解方法可归纳为：①获得各个进入口道路上车流量Si（i=1、2、3、4）和每车道每小时的通行车辆数Q。②求各出各个入口道路上的交通流量比yi（i=1、2、3、4），将它们相加，得到总的流量比Y。③通过测量得到总的损失时间L。④根据Webster公式：C0=（1.5L+5）/（1-Y），得到最佳周期时间。⑤根据公式：gi=yi*（C0-L）/Y，算出各个相位的绿灯时间。⑥根据车道组实际流量的差值，依次得到开通相位的顺序。
参考文献：
[1]徐中明，贺岩松.国外智能交通系统研究动向[J].汽车工业研究，2000（1）：62～67.
[2]李灵犀，高海军，王飞跃.两相邻利口交通信号的协调控制[J].自动化学报，2003.
[3]石小法，王炜.动态用户均衡配流模型的研究[J].系统工程理论与实践，2001（21），（1）：130～138.
管理子系统的整个制作过程。作者经过查阅相关资料，了解了智能交通管理系统的发展状况。文中讲述了数据库的设计与创建、信号灯管理子系统的实现以及用户界面的制作过程。特别是运用了数学建模的理论对具体的流量问题进行详细分析，使得道路使用率得到最优配置，实现道路使用最大化，减缓交通压力。
关键词：交通管理系统 信号计算管理 智能交通
1 概述
交通管理，是一个范围很广的概念。它包括道路管理，车辆信息，交通环境，轨道交通，公共交通等多方面管理关系。交通管理者的使命是尽可能高效的根据现有交通条件为车辆及其他交通工具提供服务。信号灯管理作为智能交通管理系统效率化的一环，追求的是车辆驶过路口时间的缩短和交通信号配置更加合理化。同时追求有效控制信号必将对路口管理方式的选择产生较大的影响。通过调研天津市各关键交通路口、路段的交通流量，红绿灯指挥、道路设置等状况，建立合理的数学模型，使模型具有合理分配信号灯变化时间，以及推测下一时段车辆通过路口的情况的功能，实现智能管理。从成本上来看，它远远优于其他的解决方案。所以，合理的控制信号灯可以大大改善道路拥堵状况。
2 通过流量控制信号灯的基本理论和环节
2.1 信号灯管理的定义
信号灯管理系统是由汽车、道路基础设施运输基础设施、信息和人组成的一个共同完成交通管理的综合服务系统。这个系统由各种不同系统的形态所组成，它包括自然与人造、实体与概念、静态和动态及控制和行为等系统，这个系统中渗透着上述系统的各种形态。信号灯管理系统是实现道路交通管理系统最优化，并获取最佳经济效益、社会效益和生态效益的组织管理方法。
2.2 通过流量合理管理信号灯的意义
过去，由于我国交通行业智能化程度低，所以要集中采集交通信号并加以处理是难以实现的，尽管有不少部分地区应用了一些交通信息广播电台，它不断通过广播告诉司机哪些路段堵车，哪些路段通畅。这种靠广播加上司机对整个城市的熟悉情况共同组成的系统也就是智能交通的雏形。由于技术手段相对落后，不能达到高效率、低成本以及柔性化的要求，以上手段随着日益增长交通的需求已经不能满足当前的要求，因此，选择合理的信号灯管理方案具有十分重大的意义。建立现代化的智能交通管理系统，不仅要解决观念等方面的问题，更要做好信息采集和应用工作。交通信号灯管理的灵魂是方案选择，因此，对它的研究有重要的理论和实际意义。
3 通过流量管理信号灯的基本环节
3.1 信号采集
信号采集是信号灯管理过程中的基础环节。严格说来，信号采集应叫做交通流量采集，在不同的技术支持下，信号采集的来源不同，这里有的是用电子车牌技术来采集需要的流量信号。这里的车流量信号采集是在车辆未进入路口时采集的，也就是车行驶在相应道路上时采集的流量信号和车辆信息信号。
3.2 信号传递
信号传递是指将道路上采集的车流量信息通过一定的硬件设备，将信号传送至相应的计算机系统，为以后的工作提供相应的数据，当然，数据传输的起点是相对固定的，但数据传输的终端可以根据当地的实际情况，确定为不同的计算机组织系统，因此，以后的工作既可以实现独立的路口的处理，也可以实现多路口的协同处理。
3.3 信号存储
信号存储这一部分涉及到数据库中相应表的处理，采集来的信号将被存入相应的表中，以便用于不同的处理方式，为此，每一个路口都有自己独立的数据存储空间。
3.4 信号处理
信号处理是整个信号控制最为关键的一步，它需要事先为系统建立合适的数学模型和相应的组织结构和算法。目前世界上有多种多样的处理方法。车辆信号流按照其控制的范围，分为若干的层次，在不同的层次上，控制目标、实现方法和手段都有差异。信号控制的层次主要分为：孤立路口控制、主干道控制、区域控制。常见的控制方法主要有：离线优化方法，在线的方案选择，在线的方案生成。在几十年的交通控制实践中，这些方法都有应用，每种方法都各有其优点和不足之处。
4 流量问题的数学模型
流量控制问题的数学模型及其解决方法：
在信号灯管理过程中，必将考虑到各个道路上的交通流量问题。因此考虑如何控制车流量就是考虑如何对信号灯分配合理的相位。在以下两个模型中，对于交叉口的基础设施设置都是以只考虑汽车的情况，对于行人和自行车的情况没有进行考虑。交叉口全部设置为十字交叉口，共设置了四个相位，如下图所示：
■
图1 四相位图
信号周期不能太短，要有一个下限值。但也不能太长，周期越长通行能力就越大，但随着信号周期长度的增加，路口延误时间也增加，因此信号周期长度又一个上限值。
根据Webster公式：
C0=（1.5L+5）/（1-Y） （1）
其中，C0表示信号周期，单位为s；
L表示总损失时间，单位为s；
这里的L=∑D0+∑I；
D0表示车辆启动的延误时间，根据现场观测，一般取2S；
I表示绿灯间隔时间，根据现场观测，一般取2S；
因此四个相位的总时间损失为4*2+4*2=16秒，即L=16秒。
Y表示交叉口的交通流量比，该流量比Y用下式求得：Y=■yi （2）
这里的yi代表第i相信号临界车道的交通流量比，所谓临界车道是指每一信号相位上，交通流量比最大的那条车道，即yi=max（实际的进口道交通流量S/进口道交通能力Q）。
yi=max（实际的进口道交通流量S/进口道交通能力Q）（3）
其中，实际的进口道交通流量S，由路口的检测系统自动测量实际的流量数。 进口道交通能力Q，则是依据以下的分析得出的：
结合我国的情况，汽车驾驶员“根据时速确定前后两车间距，一般以时速公里数为间距米数……在晴雨天都比较适用”的原则，若以v（km/h）计车速，一般车身长度以5m计，则有如下关系式Q=（1000V）/（V+5） （4）
其中Q为每车道每小时的通行车辆数，即进口道交通能力。
由dQ/dv=8000/（v+8）2>0（对3式求导），说明车流的通过量确实是随车速的增大而增多的，但按（3）式，混合车辆数又以每小时通过1000辆为其极限值。
根据我国的车速、车况，每车道混合车型流量每小时以900～1000辆为宜，同时交叉口的理想通行能力只有路段通行能力的50%，实际上只有路段通行能力的30～45%。
因而，可以得到交叉口最大通行能力的一般计算公式：（对于每一进口道来说）
Q=1000*45%（5）
因此，根据Webster公式：
C0=（1.5L+5）/（1-Y）
我们已经得到了式（1）中的L，又通过检测器得到Y，因此可以对C0（信号周期）进行求解，则式（1）可以变为：
C0=（1.5*16+5）/（1-Y）
Y=∑yi（i=1、2、3、4（即分别对当前四个相位的流量求流通比）
在得到最佳周期以后，按各相位车道的交通流量比进行比例分配，第i相信号相位的绿灯间gi为：
gi=yi×（C0-L）/Y
从而得到各个相位的通行时间。
在由各个进道口所得到的实际流量分别求出，四个相位中，八组车道组中（车道组11、12、21、22、31、32、41、42）相对应同一相位中两个车道组的差值，并由小到大排列，取其最小差值得相位，作为首先开通的相位，并从小到大依次开通。
上述对模型的求解方法可归纳为：①获得各个进入口道路上车流量Si（i=1、2、3、4）和每车道每小时的通行车辆数Q。②求各出各个入口道路上的交通流量比yi（i=1、2、3、4），将它们相加，得到总的流量比Y。③通过测量得到总的损失时间L。④根据Webster公式：C0=（1.5L+5）/（1-Y），得到最佳周期时间。⑤根据公式：gi=yi*（C0-L）/Y，算出各个相位的绿灯时间。⑥根据车道组实际流量的差值，依次得到开通相位的顺序。
参考文献：
[1]徐中明，贺岩松.国外智能交通系统研究动向[J].汽车工业研究，2000（1）：62～67.
[2]李灵犀，高海军，王飞跃.两相邻利口交通信号的协调控制[J].自动化学报，2003.
[3]石小法，王炜.动态用户均衡配流模型的研究[J].系统工程理论与实践，2001（21），（1）：130～138.