【文章內(nèi)容簡介】 值和實用價值。把智能控制引入到城市交通控制系統(tǒng)中，未來的城市交通控制系統(tǒng)才能適應城市交通的發(fā)展 [1]。從長遠來看，該研究具有巨大的現(xiàn)實意義。 國內(nèi)外交通燈研究的發(fā)展概況 隨著經(jīng)濟的發(fā)展，城市現(xiàn)代化程度不斷提高，交通需求和交通量迅速增長，城市交通網(wǎng)絡中交通擁擠日益嚴重，道路運輸所帶來的交通擁堵、交通事故和環(huán)境污染等負面效應也日益突出，逐步成為經(jīng)濟和社會發(fā)展中的全球性共同問題。交通問題已經(jīng)日益成為世界性的難題，城市交通事故、交通阻塞和交通污染問 題愈加突出。為了解決車和路的矛盾，常用的有兩種方法：一是控制需求，最直接 的辦法就是限制車輛的增加；二是增加供給，也就是修路。但是這兩個辦法都有其局限性。交通是社會發(fā)展和人民生活水平提高的基本條件，經(jīng)濟的發(fā)展必然帶來出行的增加，而且在我國汽車工業(yè)正處在起步階段的時期，因此限制車輛的增加不是解決問題的好方法。而采取增加供給，即大量修筑道路基礎(chǔ)設(shè)施的方法，在資源、環(huán)境矛盾越來越突出的今天，面對越來越擁擠的交通，有限的源和財力以及環(huán)境的壓力，也將受到限制。這就需要依靠除限制需求和提供道路設(shè)施之外的其他方法來滿足日益 增長的交通需求。 交通系統(tǒng)正是解決這一矛盾的途徑之一。智能交通系統(tǒng)是將先進的信息技術(shù)、數(shù)據(jù)通訊傳輸技術(shù)、電子傳感技術(shù)、電子控制技術(shù)及計算機處理技術(shù)等有效的集成運用于整個地面交通管理系統(tǒng)而建立的一種在大范圍內(nèi)、全方位發(fā)揮作用的實時、準確、高效的綜合交通運輸管理系統(tǒng)。對城市交通流進行智能控制，可以使道路暢通，提高交通效率。合理進行交通控制可以對交通流進行有效的引導和調(diào)度，使交通保持在一個平穩(wěn)的運行狀態(tài)，從而避免或緩和交通擁擠狀況，大大提高交通運輸?shù)倪\行效率，還可以減少交通事故，增加交通安全，降低污染程度，節(jié)省能 源消耗，本文就是通過對交叉路口交通信號的智能控制，達到優(yōu)化路口交通流的目的 [2]。 交通系統(tǒng)作為一個時變的、具有隨機性的復雜系統(tǒng)，傳統(tǒng)的人為設(shè)定多種方案或是建立各種預測模型均比較困難。城市交通控制研究的起源比較早。 1868年，英國倫敦燃汽信號燈的問世，標志著城市交通控制的開始。 1913年，在美國俄亥俄州的 Cleveland市出現(xiàn)了世界上最早的交通信號控制。 1926年美國的芝加哥市采用了交通燈控制方案，每個交叉口設(shè)有唯一的交通燈，適用于單一的交通流。從此，交通控制技術(shù)和相關(guān)的控制算法得到了發(fā)展和改善，提高了交 通控制的安全性、有效性，并減少了對環(huán)境的影響。 進入 20世紀 70年代，隨著計算機技術(shù)和自動控制技術(shù)的發(fā)展，以及交通流理論的不斷完善，交通運輸組織與優(yōu)化理論和技術(shù)水平不斷提高，控制手段越來越先進，形成了一批商水平有實效的城市道路交通控制系統(tǒng)。早在 1977年， Pappis等人就將模糊控制運用到交通控制上，通過建立規(guī)則庫或是專家系統(tǒng)對各種交通狀況進行模糊控制，并取得了很好的效果。近年來，歐美日本等相繼建立了智能交通控制系統(tǒng)。在這些系統(tǒng)中，大部分都在路口附近安裝磁性環(huán)路檢測器，還使用了新型檢測器等技術(shù)和設(shè)備。這些現(xiàn) 代化設(shè)備技術(shù)加上控制理論和現(xiàn)代化科學管理技術(shù)，使得交通控制系統(tǒng)日益完善。隨著一些研究控制理論的學者投身到交通控制的研究中，在交通信號控制領(lǐng)域提出了一些新方法、新思路。如靜態(tài)多段配時控制、準動態(tài)多段配時控制、最優(yōu)控制、大系統(tǒng)遞階控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡控制，網(wǎng)絡路由控制等。模糊交通控制已經(jīng)成為了交通信號控制的主流方向之一。 雖然模糊控制能有效處理模糊信息，但是產(chǎn)生的規(guī)則比較粗糙，利用規(guī)則表查表進行控制，運算速度雖然比較快，但沒有自學習功能。而且這些研究有些以相序固定為前提。不能保證相序與實際交通流狀況的一致性 ，影響了綠燈時間的利用率。有些研究則提出了可變相序的模糊控制方法，提高了綠燈時間的利用率，彌補了相序固定的缺點，但同時也存在一些不足。例如目前應用比較好的交通系統(tǒng)： SCOOT(經(jīng)典交通系統(tǒng) )，他們都是主要采用統(tǒng)計模型和經(jīng)典算法。但城市交通系統(tǒng)是一個復雜的、隨機性很強的巨型系統(tǒng)，要想建立實用性較強的數(shù)學模型是十分困難。利用模糊控制智能控制技術(shù)進行交叉口信號燈控制能取得比定時控制與感應控制更好的效果，是今后單交叉路口信號燈控制的主要研究方向 [3]。 目前，國內(nèi)的交通燈一般設(shè)在十字路門，在醒目位置用紅、綠、 黃三種 顏色的指示燈。加上一個倒計時的顯示計時器來控制行車。對于一般情況下的安全行車，車輛分流尚能發(fā)揮作用，但根據(jù)實際行車過程中出現(xiàn)的情況，還存在缺點：兩車道的車輛輪流放行時間相同且固定， 在十字路口，經(jīng)常一個車道為主干道，車輛較多，放行時間應該長些；另一車道為副干道，車輛較少，放行時間應該短些。 2 系統(tǒng)的總體方案設(shè)計與分析 交通燈總體設(shè)計的描述 目前設(shè)計交通燈的設(shè)計方案有很多，有應用 CPLD 實現(xiàn)交通信號燈控制器的設(shè)計，有應用 PLC 設(shè)計實現(xiàn)對交通燈控制系統(tǒng)，同時還有應用單片機實現(xiàn)對交通燈設(shè)計的方法。針對道路擁擠，交叉 路口經(jīng)常出現(xiàn)擁堵的現(xiàn)象，我們提出利用單片機控制技術(shù)，采用軟件和硬件結(jié)合的方案，以及一些改進措施，實現(xiàn)可以根據(jù)各道路口車流量來自動調(diào)節(jié)通行時間的交通燈控制系統(tǒng)。 由于 AT89S51 單片機自帶有 2個定時計數(shù)器， 5個中斷源，能滿足系統(tǒng)的設(shè)計要求。用單片機設(shè)計不但涉及簡單，而且成本低。用其設(shè)計的交通燈能滿足要求，所以本文采用單片機設(shè)計十字路口的交通燈。 本系統(tǒng)設(shè)計是基于模糊控制理論的單片機控制交通燈系統(tǒng)。采用 AT89S51單片機作控制器。根據(jù)實際生活中十字路口紅綠燈交替變換的特點，本系統(tǒng)的硬件電路主要由單片機控制電 路、車流量檢測電路以及時間和紅綠燈顯示電路。為了使十字路口在最短的時間內(nèi)達到最大的車流量，即達到最佳的性能和最高的效率，我們采用在各個路口檢測過往的車流量，通過車流量來決定紅綠燈的點亮時間。當前比較流行的車流量檢測器件就是一種自感式的車輛傳感器。它的工作原理是當車輛經(jīng)過傳感器時，引起其自感的變化?？紤]到畢業(yè)設(shè)計的資金和時間問題，本系統(tǒng)采用一種手動的操作方式，即車流量的檢測電路用撥斷開關(guān)代替。 本系統(tǒng)結(jié)合生活實際，主要實現(xiàn)人行道、車輛直行、車輛左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)、緊急 情況處理、根據(jù)車流量自動調(diào)整時間等功能。紅燈亮表示 車輛、行人禁止通行，綠燈亮表示車輛行人可以通過。通行倒計時顯示采用 LED 數(shù)碼管，通行指示燈采用發(fā)光二極管， LED 顯示采用動態(tài)動態(tài)掃描，以節(jié)省端口數(shù)。特殊緊急車輛通行采用實時中斷完成。車流量變大時，可通過模糊控制結(jié)果（本系統(tǒng)中采用撥斷開關(guān)）來改變十字路口的各個方向的通車時間，使交通更順暢，減少堵塞。按以上系統(tǒng)要求設(shè)計，該系統(tǒng)具有電路簡單，設(shè)計方便，耗電較少，可靠性高等特點。緊急情況用外部中斷 INTO 控制，緊急情況結(jié)束后，再發(fā)一個終端來恢復以前的狀態(tài)。 根據(jù)以上介紹，得到系統(tǒng)硬件框圖如圖 所示。 單片機控制系統(tǒng)鎖存器看 門 狗擴展CPU并行接口時 間顯 示交 通 燈顯 示緊 急 車 輛 通 行車 輛 傳 感 器 或 多路 開 關(guān)最 小 系 統(tǒng) 外 圍 接口 電 路 圖 系統(tǒng)硬件框圖 交通燈控制系統(tǒng)的工作原理 十字路口調(diào)度系統(tǒng)模糊控制器的設(shè)計 模糊控制能避開對象的數(shù)學模型（微分、狀態(tài)、傳遞函數(shù)等）?？梢哉f模糊控制器是一種語言變量的控制器。模糊控制系統(tǒng)的示意圖如圖 所示，圖中，虛線框中為模糊控制器。其中 yr為系統(tǒng)設(shè)定值， y為系統(tǒng)輸出值，它們都是清晰量。 e和 ui也是清晰量， E和 U是模糊量。從圖 可看出，模糊控制器的輸入是系統(tǒng)的偏差量 e，在計算機控制系統(tǒng)中它具有確定值數(shù)字量。經(jīng)過模糊化處理，用模糊語言 E 來描述偏差，若以 T（ E）記作 E 的語言集合，則有 T（ E） =（ NB,NM,NS,ZE,PS,PM,PB） 上式表示將 E 分為 7段，其中： NB負大（ negative big） NM 負中 (negative medium) NS負小（ negative small） ZE 零（ zero） PS正?。?positive） PM 正中（ positive medium） PB正大（ positive big） 模 糊 化 模 糊 推 理 清 晰 化 對 象語 言 規(guī) 則yreyui 圖 模糊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu) （ 1） 模糊化 模糊化是將模糊控制器輸入量的確定值轉(zhuǎn)換為相應模糊語言變量值的過程，此相應語言變量值均由對應的隸屬度來定義。 （ 2） 模糊推理 模糊推理包括三部分：大前提、小前提和結(jié)論。大前提是多個多維模糊條件語句，構(gòu)成規(guī)則庫；小前提是一個模糊判斷句，又稱事實。以已知的規(guī)則庫和輸入變量為依據(jù)，基于模糊變換推出新的模糊命題作為結(jié)論的過程叫做模糊推理。 （ 3）清晰化 清晰化是將模糊推理后得到的模糊集轉(zhuǎn)換為用作控制的數(shù)字值的過程 [4]。 與傳統(tǒng)的控制器相比，模糊控制有以下特點： （ 1）適用于不易獲得精確數(shù)學模型的被 控對象，其結(jié)構(gòu)參數(shù)不是很清楚或難以求得，只要求掌握操作人員或領(lǐng)域?qū)＜业慕?jīng)驗或知識。 （ 2）模糊控制是一種語言變量控制器，其控制規(guī)則只用語言變量形式定性的表達，構(gòu)成了被控對象的模糊模型。在經(jīng)典控制中，系統(tǒng)模型是用傳遞函數(shù)來描述的；在現(xiàn)代控制領(lǐng)域中，則用狀態(tài)方程來描述。 （ 3）系統(tǒng)的魯棒性強，尤其適用于非線性、時變、滯后系統(tǒng)的控制 [5]。 路口管理系統(tǒng)模糊控制器 一般情況下，紅綠燈設(shè)在十字路口或在多干道德岔口上，目的是為了調(diào)整岔口的交通秩序。而且，目前國內(nèi)使用的紅綠燈都是固定的工作時間，并且自動切換。紅燈時間和 綠燈時間是根據(jù)道口東西向和南北向的車流量。利用統(tǒng)計方法確定的。但是，實際上不同時刻的車輛流通狀況是十分復雜的，是高度非線性的、隨機的，還經(jīng)常受人為因素的影響。采用定時控制經(jīng)常造成道口有效時間應用的浪費，出現(xiàn)綠燈方向車輛較少，紅燈方向車輛積壓。在人工控制時，交通警察不斷地觀察十字道口兩個方向的車輛密度和流速，并由此決定是否切換紅綠燈，以保證最佳的道路交通控制狀態(tài)。 用常規(guī)閉環(huán)控制技術(shù)，在自動紅綠燈管理中達到人工控制的最佳狀態(tài)是十分 困難的，這是由于十字路口交通動態(tài)模型是很難用數(shù)字方式表達的，交警的判斷決策過程也 難用簡單的程序?qū)崿F(xiàn)，所以我們采用模糊控制來解決自動紅綠燈的最佳控制問題。 （ 1）工作原理 根據(jù)前面對模糊控制器的介紹，實現(xiàn)紅綠燈模糊控制必須解決以下幾個問題： 1）對當前十字道口的交通狀況的檢測。 2）輸入量的模糊化：確定每一輸入量的論域，模糊子集和從屬函數(shù)。 3）輸出量及其模糊化：輸出量論域、模糊子集和從屬度函數(shù)。 4）設(shè)計將輸入映照到輸出的模糊規(guī)則。 決定被激活的模糊規(guī)則的組合方式和清晰化處理，生成精確的輸出控制信號。 （ 2）系統(tǒng)采集兩個輸入量 1）綠燈方向車流量 —— 單位時間通過道口的車輛數(shù)量。 2）紅 燈方向排隊等候車輛數(shù)。 為了采集上述數(shù)據(jù)，在十字道口的四側(cè)共設(shè)置了 8 個傳感器。傳感器的設(shè)置如圖 所示。 紅燈期間排隊等候的車輛數(shù)量有兩部分構(gòu)成， 其一為上次綠燈期間遺留下來的車輛。返端傳感 器與道口距離 100 米，假設(shè)車輛平均長度為 n, 則 N 內(nèi)可能滯留的車輛最大數(shù)量為 N/n,如 20 輛， 因此，變量“紅燈方向排隊等候車輛數(shù)”的論域 為（ 020），它將分為三個模糊子集：少、 中、 多，其從屬度函數(shù)設(shè)計如圖 所示。 2406 8 1 01從 屬 度少中多X少 中多從 屬 度10綠 燈 期 間 通 過 道 口 車 輛 數(shù)4 8 1 21 62 0Y紅 燈 期 間 排 隊 等 候 車 輛 數(shù) 圖 紅綠燈期間車輛數(shù)的隸屬函數(shù) 北圖 傳感器的設(shè)置 （ 3） 輸出及其模糊分類 1）南北向綠燈時間延時 tsn 2）東西向紅燈延時時間 tew 現(xiàn)有紅綠交通燈自動系統(tǒng)設(shè)定綠燈時間為常值，通常每一秒方向綠燈 35秒?，F(xiàn)將每一方向綠燈時間分為兩部分，其一為固定的 35 秒。作為道口狀態(tài)參數(shù)采集時間，其二為根據(jù)當前狀態(tài)，由模糊邏輯決策的延時，最大延時時間是隨著道口交通情況而變化的，上限為 20 秒，結(jié)果每一方向綠燈時間間隔為 3055 秒。 由此，綠燈時間延時 tsn、 tew的論域定義為（ 020），將其分三個模糊子集：T 長 、 T 中 、 T 短 。 輸入量和輸出量的論域、模糊子集、從屬度函數(shù)的設(shè)計關(guān)系、整個系統(tǒng)的控制效果與性能，需要根據(jù)對整個控制系統(tǒng)的要求，采用試探 —— 修正法設(shè)計，與設(shè)計者的經(jīng)驗有密切關(guān)系。 [6] （ 4）模糊規(guī)則的確定 此系統(tǒng)有兩個輸入和一個輸出。在沒有任何數(shù)據(jù)資料的情況下，我們只能根據(jù)經(jīng)驗設(shè)計其模糊規(guī)則 [7]。其結(jié)構(gòu)如表 21所示。 表 21 模糊規(guī)則結(jié)構(gòu)表 X Y 多 中 少 多 T 短 T 短 T 中 中 T 短 T 中 T 長 少 T 中 T 長 T 長 根據(jù)以上得模糊規(guī)則圖，可以得出 9 條模糊 規(guī)則，我們把它記為 9種狀態(tài)，如表 22 所示。 表 22 9種模糊狀態(tài) 狀態(tài) X Y T G1 多 多 T