【正文】 們?cè)谫嵢∮蓹C(jī)動(dòng)車輛所帶來的巨額利潤以及充分享受汽車巨大便利的同時(shí)，也越來越受到交通擁堵、交通事故頻發(fā)、環(huán)境污染加劇和燃油損耗上升所帶來的困擾。國內(nèi)外城市中的交通阻塞主要發(fā)生在交叉口，交叉口是兩條道路相互交叉而產(chǎn)生的作為方向轉(zhuǎn)換的樞紐，是道路網(wǎng)中道路通行能力的“咽喉”交通阻塞和事故的多發(fā)地。日本全國每年由于交通擁擠所造成的經(jīng)濟(jì)損失高達(dá) 12 兆 3 千億日元 (合人民幣 9000 多億元 )。作為經(jīng)濟(jì)和科技都很發(fā)達(dá)的美國，每年因?yàn)榻煌▎栴}導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)損失也高達(dá) 2370 億美元，而美國交通事故約有一半發(fā)生在交叉口。我國國內(nèi)百萬人口以上的大城市，每年由于交通帶來的直接和間接經(jīng)濟(jì)損失達(dá) 1600 億元，相當(dāng)于國內(nèi)生產(chǎn)總值的3． 2％。如果我們不及早采取綜合措施加以管理，則城市交通必影響我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展和城市功能正常的發(fā)揮。 顯然，解決上訴問題最直接和最有效的方法是修建更多的路橋以提高路網(wǎng)的通行能力。然而修建路橋的巨額資金和城市有限空間的嚴(yán)格限制，使這一有效的方法大打折扣。因此，在有限的道路條件下，提高 交通控制和管理水平合理使用現(xiàn)有的交通設(shè)施，充分發(fā)揮其能力 i 是解決交通問題有效方法 智能交通燈是智能交通領(lǐng)域的一個(gè)分支。智能交通系統(tǒng)，簡稱 ITS(Intelligent Transport Systems)，作為一個(gè)概念性名詞出現(xiàn)于 20 世紀(jì) 90 年代初，但其思想早在 20 世紀(jì) 30 年代已有萌芽，當(dāng)時(shí)美國通用汽車公司和福特汽車公司倡導(dǎo)和推廣過“現(xiàn)代化公路網(wǎng)”的構(gòu)想，而 20 世紀(jì) 60 年代出現(xiàn)的靜態(tài)路徑誘導(dǎo)、計(jì)算機(jī)交通控制技術(shù)等都可謂是ITS 的雛形，不過當(dāng)時(shí)其重要性并不明顯，沒有受到人們足夠的重視。因此，近幾年來世界各國都競 相投資 ITS 的研發(fā)和應(yīng)用。智能交通燈的應(yīng)用是解決智能交通系統(tǒng)的關(guān)鍵之一 。 智能交通燈研究的意義 交通是城市經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的命脈，對(duì)城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展、人民生活水平的提高起著十分重要的作用。汽車現(xiàn)已成為人們?nèi)粘Ｉ钪斜夭豢缮俚慕煌üぞ?。汽車在給人們帶來便利的同時(shí)，也帶來了一系列令人困惑的問題，如環(huán)境污染、交通擁擠、 ?？粕厴I(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 交通事故頻繁發(fā)生，給人們的生命和財(cái)產(chǎn)帶來了很大的損失。城市交通問題困擾城市發(fā)展、制約城市經(jīng)濟(jì)建設(shè)的重要因素，人們對(duì)交通有效控制的意識(shí)越來越強(qiáng)烈 。 城市交通信號(hào)控制是通過對(duì)交通流的調(diào)節(jié)、警告和誘導(dǎo) 以達(dá)到改善人和貨物的安全運(yùn)輸，提高運(yùn)營效率。其目標(biāo)在于改善交通流的質(zhì)量，更好的利用現(xiàn)有運(yùn)輸能力，提高交通流的安全性、快速性和舒適性。 交叉口是組成城市道路網(wǎng)的基本單元，城市交通控制分為單交叉口控制和多交叉口協(xié)調(diào)控制，并非前者比后者控制效果好，他們各有自己的適用范圍。單交叉口擔(dān)負(fù)著線控、面控控制方案的落實(shí)。 我國城市建設(shè)資金短缺，而協(xié)調(diào)控制一般投資較大，這就限制了其使用。所以我國目前各個(gè)城市的絕大多數(shù)交叉口都在使用單交叉口控制方式。如何賦予單路口控制方式一些新的策略，使之對(duì)于大量的交叉口進(jìn) 行行之有效的控制，最大限度的提高其通行能力及安全，對(duì)解決我國目前城市交通有著非 ?，F(xiàn)實(shí)的意義，也可為協(xié)調(diào)控制的研究提供幫助 。 ?？粕厴I(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 第 2 章 交通燈智能控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 信號(hào)燈給出的信號(hào)為紅黃綠三色。世界各國對(duì)交通信號(hào)燈的各種燈色含義都有明確規(guī)定，其規(guī)則基本相同。我國現(xiàn)在使用的規(guī)則是 1988 年 3 月頒布的《中華人民共和國道路交通管理?xiàng)l例》。具體規(guī)定如下： (1)綠燈亮?xí)r，準(zhǔn)許車輛、行人通行； (2)黃燈亮?xí)r，不準(zhǔn)車輛、行人通行，但已越過停止線的車輛和進(jìn)入人行橫道的行人可以繼續(xù)通行； (3)紅燈亮?xí)r，不準(zhǔn)車輛、行人通行； (4)綠色箭頭燈亮?xí)r，準(zhǔn)許車輛按照箭頭所示方向通行； (5)黃燈閃爍時(shí)，車輛、行人須在確保安全的原則下通行。 對(duì)人行橫道信號(hào)燈有如下規(guī)定： (1)綠燈亮?xí)r，準(zhǔn)許行人通過人行橫道； (2)綠燈閃爍時(shí)，不準(zhǔn)行人進(jìn)入人行橫道，但已進(jìn)入人行橫道的，可以繼續(xù)通行； (3)紅燈亮?xí)r，不準(zhǔn)行人進(jìn)入人行橫道。 交通信號(hào)控制的基本參數(shù) (1)步與步長 當(dāng)進(jìn)行交通信號(hào)燈控制時(shí)，這些燈色中的某些將被點(diǎn)亮。某～時(shí)刻，燈控路口各個(gè)方向各信號(hào)燈狀態(tài)所組成的一組確定的燈色狀態(tài)稱為 步，不同的燈色狀態(tài)構(gòu)成不同的步。步持續(xù)的時(shí)間稱為步長。一般地，步長的最小單位為 ls。 (2)周期 用于指揮交通的信號(hào)總是一步 一 步循環(huán)變化的，一個(gè)循環(huán)由有限個(gè)步構(gòu)成。一個(gè)循環(huán)內(nèi)各步步長之和稱為信號(hào)周期，簡稱周期。 (3)相位 在一個(gè)周期內(nèi)，平面交叉口上某一方向或幾個(gè)方向的交通流所獲得的通行權(quán)稱為相位，一個(gè)周期內(nèi)有幾個(gè)信號(hào)相位，就稱該信號(hào)系統(tǒng)為幾相位系統(tǒng)。 (4)排隊(duì)長度 ?？粕厴I(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 某一相位紅燈期間等待在停止線前的車輛數(shù)稱為排隊(duì)長度。 (5)綠信比 綠信比是一個(gè)信號(hào)相位的有效綠燈 時(shí)長與周期時(shí)長之比 。 城市道路平面交叉路口的類型 在城市道路中有大量的平面交叉路口，它們是交通流的匯集點(diǎn)和分流點(diǎn)。正是由于這些交叉路口的存在，才形成了四通八達(dá)的交通網(wǎng)絡(luò)，而平面交叉路口又往往是事故高發(fā)地帶。按照交叉口的形狀，一般可分為十字形、 x 形、 T 形、 Y形和多交叉形。 各類交叉口中， T 形路口和 Y 形路口的通行效率不高，多交叉形路口交通組織復(fù)雜，所以應(yīng)盡量避免使用。平面十字交叉路口為主要的實(shí)用類型 交通信號(hào)的控制類型 (1)從空間關(guān)系上可將交通信號(hào)控制劃分為點(diǎn)控、線控和面控。點(diǎn)控是對(duì)城市道路平面 交叉口的交通信號(hào)進(jìn)行獨(dú)立控制，不考慮與相鄰路口的協(xié)調(diào)關(guān)系，控制目的是盡可能減少該路口的行車延誤。線控是對(duì)含有多個(gè) 平面交叉口的城市交通干線進(jìn)行信號(hào)控制，各路口的控制方案相互協(xié)調(diào)， 使得進(jìn)入干線的車隊(duì)按某一車速行駛時(shí)盡量少遇紅燈。面控是對(duì)城市某個(gè)區(qū)域內(nèi)一個(gè)以上的平面交叉口進(jìn)行信號(hào)控制，控制方案相互協(xié)調(diào)，使得在該區(qū) 域內(nèi)某種指標(biāo)，如總的停車數(shù)、所需時(shí)間、耗油量等最小。 (2)從控制原理上可將交通信號(hào)控制劃分為定時(shí)控制、感應(yīng)控制和自適應(yīng)控制。定時(shí)控制是交通信號(hào)按預(yù)先設(shè)定的配時(shí)方案運(yùn)行，配時(shí)的依據(jù)是交通量 的歷史數(shù)據(jù) 。一天內(nèi)只用一個(gè)配時(shí)方案的稱為單時(shí)段定時(shí)控制，一天內(nèi)不同時(shí)段選用不同配時(shí)方案的稱為多時(shí)段定時(shí)控制。感應(yīng)控制是某相位的綠時(shí)根據(jù)車流量的變化而改變，其車流量由安裝在平面交叉口的各種車輛監(jiān)測(cè)器測(cè)量。自適應(yīng)控是連續(xù)測(cè)量交通流，將其與希望的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行比較，利用差值以改變系統(tǒng)的可調(diào)參數(shù)或產(chǎn)生一個(gè)控制，從而保證不論環(huán)境如何變化，均可使控制效果達(dá)到最優(yōu)。一方面，當(dāng)前智能控制已成為交通信號(hào)控制發(fā)展的一個(gè)必然方向；另一方面，線控和面控的基礎(chǔ)都是單交叉路 V： I，如果單交叉路口得不到有效控制，干線或整個(gè)區(qū)域也無法提高通行效 率。 交通流信息的檢測(cè)方法 要實(shí)現(xiàn)交通信號(hào)的智能控制，必須首先獲取各個(gè)相位上實(shí)時(shí)的交通流信息， 專科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 這就需要依賴交通流量檢測(cè)技術(shù)和圖像識(shí)別技術(shù)。隨著信息技術(shù)的長足進(jìn)步，交通流檢測(cè)技術(shù)得到了迅速的發(fā)展。交通量檢測(cè)器有很多種類，如： 線圈檢測(cè)器、超聲波檢測(cè)器、磁感應(yīng)式檢測(cè)器、光輻射式檢測(cè)器、雷達(dá)檢測(cè)器、視頻檢測(cè)器等。 基于圖像識(shí)別技術(shù)的交通參數(shù)視頻檢測(cè)方法是一種非接觸式的檢測(cè)方法，它利用數(shù)字圖像識(shí)別技術(shù)，對(duì)用高速攝像機(jī)拍攝的交通現(xiàn)場(chǎng)畫面進(jìn)行處理，獲得被檢測(cè)車道上的車型、車速、車流量等交通參數(shù)，為交通控制和管理提供準(zhǔn) 確的交通流數(shù)據(jù)，從而更有效地進(jìn)行交通控制和管理。它具有安裝工程量小、維修方便、檢測(cè)范 圍大、系統(tǒng)可靠性高、可重現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)等優(yōu)點(diǎn)，是一種很有應(yīng)用前景的方法。 目前己有不少視頻檢測(cè)產(chǎn)品，按工作原理可分為虛擬線圈法和車輛跟蹤法，可根據(jù)對(duì)交通流參數(shù)的不同要求選擇適當(dāng)?shù)臋z測(cè)手段。 早期大部分視頻檢測(cè)技術(shù)采用的是虛擬線圈法，工作原理類似于地埋式線圈檢測(cè)器。用戶在圖像上定義檢測(cè)線位置，系統(tǒng)通過計(jì)算檢測(cè)線變化強(qiáng)度來判斷車輛的經(jīng)過，從而計(jì)算交通參數(shù)。該方法的優(yōu)點(diǎn)是數(shù)據(jù)處理時(shí)間較短，可在滿足實(shí)時(shí)性要求的前提下完成流量和速度的檢測(cè)。但 丟失了車輛長度、運(yùn)動(dòng)軌跡等特征，不能充分利用圖像信息。 車輛跟蹤法是通過識(shí)別出交通場(chǎng)景圖像中符合車輛特征的像素，進(jìn)行圖像 分割，并依據(jù)提取出的特征來匹配前后幀中的車輛，從而計(jì)算交通參數(shù)。 理論上車輛跟蹤法比虛擬線圈法更為嚴(yán)謹(jǐn)，可獲得更多、更全面的車流信息，但該方法在提取特征、跟蹤特征上具有一定的難度。 一套完整的視頻交通檢測(cè)系統(tǒng)至少應(yīng)包括以下硬件設(shè)備：攝像機(jī)、計(jì)算 機(jī)、圖像采集卡、數(shù)據(jù)傳輸和存儲(chǔ)設(shè)備等。攝像機(jī)獲取交通流圖像，傳輸?shù)接?jì)算中心后，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換，將圖像輸入計(jì)算機(jī)，采集軟件實(shí)時(shí)處理圖像并輸出結(jié)果。軟件部分主要包含以下三部分：硬件控制部分控制圖像采集卡和數(shù)字圖像記錄等，人機(jī)交互部分主要包括采集參數(shù)的設(shè)置、處理結(jié)果的輸出 等，圖像處理部分主要包括車輛檢測(cè)、車輛匹配、交通參數(shù)計(jì)算等。不管采用哪種方法都是要得到某一方向上具體的車流量數(shù)值。信息采集量大，運(yùn)算量也很大。而車流量與紅綠燈時(shí)長關(guān)系的數(shù)學(xué)模型的建立是十分困難的。這樣就給設(shè)計(jì)工作帶來了較大的困難。 以上方法采集的數(shù)據(jù)非常準(zhǔn)確，但對(duì)于交通路口來講相對(duì)相位的兩個(gè)路口車輛相差一定數(shù)輛以下對(duì)紅綠燈的時(shí)間不會(huì)有太大的要求。可以考慮通過獲得車輛的大概數(shù)值生成對(duì)時(shí) 間的調(diào)節(jié)。數(shù)據(jù)采集采用模糊的方法。獲得清晰的數(shù)據(jù)。 2． 6 單交叉路口多相位交通信號(hào)的控制方案 在日常生活中，最常見的路口是十字路口。當(dāng)交通流較大時(shí)，為了確保安全 專科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 往往要進(jìn)行多相位信號(hào)控制。對(duì)一個(gè)十字路口實(shí)行四相位信號(hào)控制的情況 ， 分別是 南北直行、南北左轉(zhuǎn)、東西直行、東西左轉(zhuǎn)，四個(gè)相位按照順序依次循環(huán) 。 利用現(xiàn)今的檢測(cè)技術(shù)，如線圈檢測(cè)、視頻檢測(cè)或超聲波檢測(cè)等方法，可測(cè)得各個(gè)相位停止線前的排隊(duì)長度。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，在實(shí)際的信號(hào)控制中，當(dāng)某一相位上的排隊(duì)長度較短時(shí)，所分配的綠燈時(shí)間就會(huì)短些，但一般不宜短于 15s，否則時(shí) 間太短容易造成車輛來不及通過路口，從而帶來安全隱患。當(dāng)某一相位的排隊(duì)長度很長時(shí)，應(yīng)按照最長綠燈時(shí)間分配，這時(shí)交通堵塞己經(jīng)不可避免了。但信號(hào)周期一般不應(yīng)超過 200s，這是因?yàn)檫€需考慮其他相位上的車輛，周期過長容易使司機(jī)心理上變得急躁，發(fā)生不遵守交通規(guī)則強(qiáng)行并線或闖紅燈等情況。智能控制的研究對(duì)象具備不確定性的模型，高度的非線性，復(fù)雜任務(wù)的要求。它將認(rèn)知系統(tǒng)研究的結(jié)果與常規(guī)的系統(tǒng)控制方法加以有機(jī)的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)規(guī)劃、決策、學(xué)習(xí)等智能功能。其主要特點(diǎn)有： (1)智能控制系統(tǒng)一般是以知識(shí)表示的非數(shù)學(xué)廣義模型和數(shù)學(xué)模型相 結(jié)合的混合控制過程。它適用于含有復(fù)雜性，不完全性，模糊性，不確定性和不存在己知算法的生產(chǎn)過程。它根據(jù)被控動(dòng)態(tài)過程特征辨識(shí)，采用開閉環(huán)控制和定性與定量控制結(jié)合的多模態(tài)控制方式。 (2)智能控制器具有分層信息處理和決策機(jī)構(gòu)。它實(shí)際上是對(duì)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)或?qū)＜覜Q策機(jī)構(gòu)的一種模仿。復(fù)雜的大系統(tǒng)中，通常采用任務(wù)分塊 ， 控制分散方式。智能控制核心在高層控制，它對(duì)環(huán)境或過程進(jìn)行組織決策和規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)廣義求解。要實(shí)現(xiàn)此任務(wù)需要采用符號(hào)信息處理，啟發(fā)式腦思維接近。低層控制也屬智能控制系統(tǒng)不可缺少的一部分，一般采用常規(guī)控制。 (3)智能控制器具有非線性。這時(shí)因?yàn)槿说乃季S具有非線性，作為模仿人的思維進(jìn)行決策的智能控制也具有非線性。 (4)智能控制器具有變結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。在控制過程中，根據(jù)當(dāng)前的偏差及偏差變化率的大小和方向，在調(diào)整參數(shù)得不到滿足時(shí)，以躍變方式改變控制器的結(jié)構(gòu)，以改善系統(tǒng)的性能。 (5)智能控制具有總體自尋優(yōu)特點(diǎn)。由于智能控制器具有在線特征辨識(shí)、特征記憶和擬人特點(diǎn)，在整個(gè)控制過程中計(jì)算機(jī)在線獲取信息和實(shí)時(shí)處理并給出控制決策，通過不斷優(yōu)化參數(shù)和尋找控制器的最佳結(jié)構(gòu)形式以獲取整體最優(yōu)控制性能。 智能控制系統(tǒng)具有學(xué)習(xí)功能、適應(yīng)功 能、組織功能。對(duì)于復(fù)雜的任務(wù)和分散的傳感信息具有自組織和決策的功能，該組織功能表現(xiàn)為系統(tǒng)具有相應(yīng)的主動(dòng)性和靈活性，即智能控制器可以在任務(wù)要求的范圍內(nèi)，自行決策，主動(dòng)地采取行動(dòng)，而當(dāng)出現(xiàn)多目標(biāo)沖突時(shí)，在一定的限制下，控制器可有權(quán)自行裁決。 專科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 第 3 章 硬件電路設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)電路的組成和原理 本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的是對(duì)城市十字路口交通的控制，它由三大部分組成： (1)信息韻采集和轉(zhuǎn)換部分； (2)單片機(jī)自動(dòng)控制部分； (3)顯示部分。 通過車流量傳感器對(duì)東西和南北兩條通道的車流量的測(cè)量，并由 A／ D 轉(zhuǎn)換器將測(cè)量 的結(jié)果由模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，傳給單片機(jī)。單片機(jī)能通過程序運(yùn)算得到兩條通道車流量的大小來控制路口各方向的紅綠燈時(shí)長，并由 LED 顯示。以一個(gè)周期向傳感器取一次數(shù)據(jù)。 信息采集主要是對(duì)路口各方向的車流量進(jìn)行采集。因?yàn)殛P(guān)系到哪個(gè)方向通行時(shí)間長，哪個(gè)方向通行時(shí)間短。目前大多采用光學(xué)或壓力傳感器，以確定每個(gè)路口在一定時(shí)間段車輛通過的次數(shù)。本設(shè)計(jì)采用比例的方法利用光學(xué)原理只計(jì)算出需比較兩個(gè)相對(duì)通行路口車流量的比值即可。 設(shè)計(jì)車流量傳感器，一個(gè)對(duì)準(zhǔn)東西方向取樣，另一個(gè)對(duì)南北方向取樣，分別取得兩個(gè)代表東西和南北方向車 流量 a 和 b。用單片機(jī)巡回檢測(cè)，并將他們進(jìn)行比較。若二者相等則按一定時(shí)間間隔交替導(dǎo)通。若 ab 進(jìn)入 a 方向綠燈時(shí)長程