基于QUBO的交通信号协同优化

移动云五岳量子计算云平台是中国移动面向量子计算领域打造的一站式云端量子计算服务平台，集成量子算力调用、量子算法与应用开发、科研智能体等核心能力。

平台支持从算法设计、模拟验证到真机执行的全流程闭环，内置量子科研智能体，融合大模型推理与量子工具链调用，助力科研人员实现从实验设想到成果落地的高效协作。

平台以公有云为核心节点，多区域部署分节点，为各地量子计算应用落地提供弹性算力支撑。

依托五岳平台的量子计算能力，中国移动联合某省公安厅交通管理总队，率先完成基于量子计算技术的交通信号配时优化试验，成功构建“路况数据实时采集—量子算法秒级求解—信号机指令实时调控”的全链路工程化闭环。

下文将围绕此案例，展示如何将四路口交通信号协同优化问题建模为量子可解形式，并通过滚动求解策略实现动态信号配时，探索量子计算赋能行业应用的实践路径。

城市交通信号协同示意

从交通需求到相位决策

交通信号控制需要协调不同方向的通行需求，同时处理相邻路口之间的联系、相位运行顺序及绿灯保持时间。

本项目以安徽四个相邻路口为场景，将转向流量转换为相位需求，用二次无约束二进制优化（QUBO）统一描述放行收益、路口协同和相位选择，构建数据驱动的滚动优化流程。

工程已形成交通数据读取、需求调整、模型构建、采样求解、结果对照和动态图展示的完整仿真链路。围绕这一模型，设备接入方案进一步定义求解器接口、信号计划和执行反馈，使算法决策能够通过统一对象与设备协议衔接。

4 个路口  /  6 类转向数据  /  5 秒滚动决策

本文从场景、模型、仿真和设备四个层面展开：先说明交通数据如何进入模型，再解释目标函数与相位规则，最后介绍求解器适配、信号机下发和运行审计的组织方式。

01  四路口场景与交通数据组织

案例由庐州大道与杭州路、杭州路与华山路、庐州大道与云谷路、华山路与云谷路四个路口组成。同一横向或纵向道路上的路口构成相邻节点，模型据此建立路口之间的协同关系。

四路口拓扑与同向直行协同关系

输入按“路口—时间戳—转向需求”三级结构组织。每个时间点包含南北与东西两个方向的直行、左转、右转，共六个字段。

单日样例覆盖 2026 年 1 月 23 日，每个路口包含 17,280 个 5 秒时间点；周数据覆盖 1 月 18—24 日，每个路口约 12.09 万个时间点。

按日期筛选与时间键读取，可组织单次仿真、分时段分析和连续窗口回放。

数据适配设计将路口编号、道路方向、相邻关系与单位信息统一组织为模型服务的标准输入。

02  相位变量与 QUBO 目标函数

每个路口设置南北直行、南北左转、东西直行、东西左转四类主相位。对路口 i 和主相位 m 定义二进制变量，取 1 表示本轮选中该相位。四路口完整展开共 16 个变量，单路口采用唯一相位要求：

式 1  二进制相位变量与唯一相位要求

根据当前相位、相位顺序和保持时长确定本轮允许候选集合 A?。模型以能量最小化为目标，将需求收益、相邻协同、唯一相位和禁止候选四类项组合起来：

式 2  单轮 QUBO 能量分解  求解目标为最小化 E

需求项对选中相位赋予负能量，鼓励服务较大的通行需求；协同项对相邻路口同向直行组合给予奖励。唯一相位项在漏选或多选时增加能量，禁止候选项则抑制跳过既定相位顺序的选择。四类项共同决定本轮相位组合的评价。

将平方惩罚展开后，即得到由单变量项和变量乘积项组成的 QUBO。省略与选择无关的常数项，可以直接用 Q 字典保存系数并提交采样器，模型构造、采样和相位解码之间保持清晰的接口。

03  需求权重与交通规则配置

模型用归一化需求描述各相位的服务优先级。相位需求 f 除以最近最多 12 个决策点中的最大潜在需求 F?，得到权重 w；协同系数 c 则由强度参数 β、速度与距离尺度 B，以及相位匹配系数 r 组成：

式 3  需求归一化与相邻路口协同系数

直行相位的潜在需求由同方向直行与右转合并，左转相位采用左转需求。F? 随滚动数据更新，非正时取 1。这样既保留方向间需求差异，也使不同时间段的权重处于便于统一设置惩罚参数的尺度。

水平相邻路口同时选择东西直行、垂直相邻路口同时选择南北直行时，r 取 2，其他组合取 0。

当前 β = 25，距离参数为 821 米、速度参数为 60 km/h，计算时换算为约 16.67 m/s，对应有效协同系数约 1.015。

唯一相位惩罚 γ 取 10，禁止候选惩罚 M 取 1000。

候选相位与保持时间

达到最短保持时间前，候选集合只保留当前相位；进入允许切换区间后，可在当前相位与下一相位之间选择；达到最长保持时间时，转入下一相位。由此把时间约束与四主相位循环顺序共同纳入决策。

右转需求与控右逻辑

含杭州路的路口采用主相位开始后前 5 秒禁右、随后开放相应方向右转的简化规则；其他路口的右转随对应直行相位放行。需求权重负责反映右转压力，控右逻辑负责计算相应阶段的放行状态，两者在模型评价与仿真执行中分别处理。

04  5 秒滚动求解与对照控制

每轮以当前时间点的数据为输入，依次更新归一化因子、生成候选集合、组装 QUBO、调用采样器、解码相位，并更新保持时长。仿真按 5 秒推进，同时记录各控制方案的相位与放行指标，形成可以逐时刻回看的决策序列。

从交通数据到相位决策和仿真对照的处理流程

同一需求下的三类控制方法

固定方案提供日常配时参照，Webster 反映按需求分配周期绿灯的方法，QUBO 则把多路口相位组合放到同一目标中求解。仿真记录以统一时间键组织，可分别观察单路口、道路走廊和整个四路口网络的变化。

05  参数化仿真与可视化展示

Web 演示将参数输入、任务状态、结果指标与动态路况集中到同一页面。

用户选择起始时间和仿真时长后，可以调整全局车流、南北或东西直行、左转与右转，以及杭州路、云谷路沿线的需求倍数，并加入随机扰动，构造不同压力分布的交通场景。

四路口仿真画面  2026-01-23 08:00:20

后端按路口、走廊和转向字段计算需求乘数，生成本轮运行数据，再依次调用优化器与可视化程序。

页面通过任务编号跟踪运行状态，展示结果指标，并提供 CSV 与逐帧图像供回看。

动态图中的灯态和方向箭头，把相位选择转换为直观的路网表达。

从单次演示到连续窗口分析

输出按时间点保存各路口相位和各方案放行量，再汇总累计 Flow 与 60 分钟窗口指标。

现有结果文件已组织 360 窗口的固定配时／Webster／QUBO 对照，以及 1,872 窗口的长时段汇总，可用于研究时段差异、参数变化和道路走廊需求对决策的影响。

当前演示通过 run_id 跟踪任务、结果 CSV 和图像；实验记录设计进一步关联输入参数与派生数据，组织场景回放。评估记录可继续扩展平均延误、排队长度、停车次数与相位切换次数，将通行表现和控制过程结合起来分析。

06  伊辛形式转换与求解器适配

QUBO 使用二进制变量 x，伊辛模型使用取值为 ?1 或 +1 的自旋变量 s。通过变量替换，可将单变量和二次项转换为局部偏置 h、耦合系数 J 与常数偏移 E?：

式 4  二进制变量转换与伊辛能量表达  a 为展开后的变量索引

转换过程保留变量编号、系数与能量偏移的对应关系。求解设备返回自旋样本后，再还原为二进制选择，并交由同一套相位解码逻辑处理。代码中的 QUBO 字典及解码器因此可以在不同采样后端之间复用。

统一采样接口

sample_qubo(Q, num_reads, timeout, metadata) → SampleSet

当前演示使用 neal.SimulatedAnnealingSampler，采样次数 num_reads = 2。

求解器适配设计以统一的 sample_qubo 方法封装本地模拟退火与伊辛设备，将模型构造、设备通信和样本处理分开。

接入时依次完成变量编码、QUBO／Ising 转换、系数缩放、任务提交、结果接收和样本解码。

解码时若没有选中主相位，或选中相位不在本轮候选集合内，则采用允许候选集合的第一个相位。现场运行方案通过超时控制和已确认计划衔接，保持算法任务与设备执行节奏一致。

07  信号机接入架构与阶段计划

设备接入方案划分为算法服务、厂商协议适配器和信号机控制器三层。算法服务组织交通快照与相位计划，求解器作为可替换后端；协议适配器完成字段映射、通信和应答解析；信号机负责阶段过渡与计划执行。

模型服务 求解器与信号机之间的接入架构

算法结果以阶段计划 SignalPlan 表达，包含相位组、绿灯时长、黄灯、全红、控右策略和生效时刻。

KeliSignalAdapter 将这些内部字段映射到厂商相位表、时间表与方案报文，统一处理设备编号、协议版本、应答码和通信状态。

相位映射由配置表维护，例如 NS_Straight → G01 → [N_S, S_S]，将模型中的南北直行对应到设备相位组和灯组。

对整周期设备，可把连续决策聚合为下一周期方案；对阶段级设备，则在相应切换点提交下一阶段计划。

08  计划闭环与运行记录

一次设备执行从状态查询开始：读取当前方案、相位、剩余时间、手动状态、故障信息与设备时钟，再生成候选计划。计划经过校验或试运行后提交，收到执行应答才登记为已生效，随后持续比较预期计划与设备状态。

状态查询 → 模型求解 → 计划校验 → 下发 → ACK 确认 → 持续监测

计划携带 request_id、plan_id 和幂等键，使重复请求对应同一次执行；effective_at 指定计划生效时刻，配置版本用于核对相位映射与设备配置。

任务调度结合当前剩余绿灯和可切换点，为求解、校验和传输分配时间：

式 5  求解 校验与传输的时间预算

T_window 表示本轮可用的计划提交时间窗。系统对求解超时、链路异常、设备手动接管与未确认应答设置统一处理，延续最近一版已确认计划或采用预设固定配时，并同步记录原因和告警。

用同一条任务链关联数据 模型与设备

原始数据、处理快照、实验扰动与结果输出分别保存，通过 snapshot_id 和 run_id 支持重放与复核。

接口联调按状态读取、计划试运行、人工确认下发、连续运行和恢复重连推进，并覆盖重复请求、版本更新与方案回退等典型过程。

这一案例将交通场景、二进制相位模型、滚动仿真与设备执行对象串联起来：同一份数据快照驱动模型求解，同一套模型适配不同求解器，阶段计划通过协议适配器对接信号机。运行记录把每次决策与执行反馈关联起来，形成便于扩展和持续验证的项目结构。