智能交通信号灯形式化建模

本文主要针对城市交通控制系统中的路口交通信号结合着色Petri网智能理论对该问题进行形式化描述分析。
1 着色Petri网(Colored Petri Nets)
着色Petri网(CPN)吸收了Petri网的特点同时结合了建模语言(Modeling Language)，Petri网用于描述基本的同步或并发处理等，建模语言用于定义基本的数据类型和相关数据处理操作。着色Petri网应用于通信、同步、资源共享等问题典型的应用有通信协议仿真、分布式系统、嵌入式系统、物流分析、自动生产系统等领域。
2 智能交通信号灯问题
交通信号灯一般基本的亮灯规则为：南北红灯亮并且东西红灯亮持续时间为T1s；南北黄灯亮持续时间为T2s；南北红灯亮并且东西绿灯亮持续时间为T3s；南北红灯亮并且东西黄灯亮持续时间为T4s。


图1 路口基本交通流相位规则
对于信号灯交通流网按照路口不同信号灯亮灯规则，红绿黄信号灯控制交通流图如图1所示，交通流方向根据交通路口绿灯行，红灯停流动。为了便于提取一般十字路口交通流流动方向与信号灯的关系将图进行简化得到十字路口交通流相位图，交通流方向大致分为以下四种基本相位：a图：东西方向绿灯亮南北红灯亮，此时东西直行车；b图：南北方向绿灯亮东西红灯亮，此时南北直行车；c图：根据右行行车不受限制由东向北或由东向北可自由转向行车；d图：同理根据右行行车不受限制由北向西或由南向东可自由转向行车。为了更利于建立信号灯控制交通流模型将上面的四种基本相位整合为两种相位即：①南北直行或转向相位，②东西直行或转向相位。
3 基于着色Petri网的交通信号灯形式化描述
下面结合行车相位采用着色Petri网基本理论构建一个描述十字交叉路口交通信号灯的Petri网模型，如图2所示。交通信号灯Petri模型库所定义如表1所列，变迁定义如表2所列。




下面定义该模型的着色集（Colored Sets）:
color MAX_T=int with 8..13;
color YELLOW_T=int with 3..7;
color INTERSECTION=with c1lc2lc3lc4lc5lc6 timed;
color PHASE_N=with ph1 | ph2 | ph3 | ph4;
color CR_MINT_YELT=product INTERSECTOION*MIN_T * YELLOW_T timed;
color CR_YELLOWT=product INTERSECTION*YELLOW_T timed;
color CR_YELT=product INTERSECTION*YELLOW_T;
color CR_MAXT=product INTERSECTION * MAX_T timed;
color PHASES_SET=product PHASE_N*MAX_T*MIN_T*YELLOW_T;
color CR_PHS=product INTERSECTION*PHASES_SET;


图2 交通信号灯控制系统Petri网模型
其中PHASE_N是一个4元组，其值为十字路口的4种信号灯相位状态，如图1所示。PHASES_SET也是一个4元组，取值为当前路口的相位值。
交通信号灯整个控制模型如图2所示，系统初始化时库所CrossingPhase1中含有一个标记(Token)，表示目前信号灯处于相位状态1，通过变迁SplitToken分为绿灯最大通行时间或最小绿灯通行时间，这一取值可以根据目前车流量的大小动态调整。当绿灯持续时间结束后系统触发变迁ChangeToYell进入黄灯过渡状态，此时车辆可以安全进入下一个路口Intersections2说明车辆已经通过该十字路口，同时需要转换信号灯状态进入下一循环状态。另外，根据交通规则右行车辆不受信号灯控制的原则，在系统模型设计时候用变迁TurnRight作为右行事件触发变迁，相位通过TurnRight变迁直接进入CrossingPhase状态也即车辆直接进入通行状态不受信号灯限制。
4 结束语
对于智能交通信号灯的设计需要协调不同信号灯之间的控制关系，以达到最大行车流量的目的。本文针对交通信号灯问题结合着色Petri网基本理论创建、描述分析了交通信号灯的分布式控制行为。在设计时候采用融合库所(Fusion Place)的技术将多个信号灯控制页分布在不同的层次页面中然后采用公共库所进行相互通信，可以在很大程度上减少系统设计的问题规模。在设计时候主要考虑了不同绿灯持续时间的变化以达到行车流量的最大化以及车辆右行不受限制问题。在后期设计研究中我们会用Design／CPN对系统的消息序列和通信概率做出进一步的研究分析。