【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 值和實(shí)用價(jià)值。把智能控制引入到城市交通控制系統(tǒng)中，未來(lái)的城市交通控制系統(tǒng)才能適應(yīng)城市交通的發(fā)展 [1]。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，該研究具有巨大的現(xiàn)實(shí)意義。 國(guó)內(nèi)外交通燈研究的發(fā)展概況 隨著經(jīng)濟(jì)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(zhǎng)，城市交通網(wǎng)絡(luò)中交通擁擠日益嚴(yán)重，道路運(yùn)輸所帶來(lái)的交通擁堵、交通事故和環(huán)境污染等負(fù)面效應(yīng)也日益突出，逐步成為經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展中的全球性共同問(wèn)題。交通問(wèn)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(wèn) 題愈加突出。為了解決車(chē)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(chē)輛的增加；二是增加供給，也就是修路。但是這兩個(gè)辦法都有其局限性。交通是社會(huì)發(fā)展和人民生活水平提高的基本條件，經(jīng)濟(jì)的發(fā)展必然帶來(lái)出行的增加，而且在我國(guó)汽車(chē)工業(yè)正處在起步階段的時(shí)期，因此限制車(chē)輛的增加不是解決問(wèn)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(lái)越突出的今天，面對(duì)越來(lái)越擁擠的交通，有限的源和財(cái)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(lái)滿(mǎn)足日益 增長(zhǎng)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(jìn)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(jì)算機(jī)處理技術(shù)等有效的集成運(yùn)用于整個(gè)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(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、高效的綜合交通運(yùn)輸管理系統(tǒng)。對(duì)城市交通流進(jìn)行智能控制，可以使道路暢通，提高交通效率。合理進(jìn)行交通控制可以對(duì)交通流進(jìn)行有效的引導(dǎo)和調(diào)度，使交通保持在一個(gè)平穩(wěn)的運(yùn)行狀態(tài)，從而避免或緩和交通擁擠狀況，大大提高交通運(yùn)輸?shù)倪\(yùn)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(guò)對(duì)交叉路口交通信號(hào)的智能控制，達(dá)到優(yōu)化路口交通流的目的 [2]。 交通系統(tǒng)作為一個(gè)時(shí)變的、具有隨機(jī)性的復(fù)雜系統(tǒng)，傳統(tǒng)的人為設(shè)定多種方案或是建立各種預(yù)測(cè)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(guó)倫敦燃汽信號(hào)燈的問(wèn)世，標(biāo)志著城市交通控制的開(kāi)始。 1913年，在美國(guó)俄亥俄州的 Cleveland市出現(xiàn)了世界上最早的交通信號(hào)控制。 1926年美國(guó)的芝加哥市采用了交通燈控制方案，每個(gè)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(duì)環(huán)境的影響。 進(jìn)入 20世紀(jì) 70年代，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展，以及交通流理論的不斷完善，交通運(yùn)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(lái)越先進(jìn)，形成了一批商水平有實(shí)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(yùn)用到交通控制上，通過(guò)建立規(guī)則庫(kù)或是專(zhuān)家系統(tǒng)對(duì)各種交通狀況進(jìn)行模糊控制，并取得了很好的效果。近年來(lái)，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(cè)器，還使用了新型檢測(cè)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(xué)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(xué)者投身到交通控制的研究中，在交通信號(hào)控制領(lǐng)域提出了一些新方法、新思路。如靜態(tài)多段配時(shí)控制、準(zhǔn)動(dòng)態(tài)多段配時(shí)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(luò)控制，網(wǎng)絡(luò)路由控制等。模糊交通控制已經(jīng)成為了交通信號(hào)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(jìn)行控制，運(yùn)算速度雖然比較快，但沒(méi)有自學(xué)習(xí)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(shí)際交通流狀況的一致性 ，影響了綠燈時(shí)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(shí)間的利用率，彌補(bǔ)了相序固定的缺點(diǎn)，但同時(shí)也存在一些不足。例如目前應(yīng)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(jì)模型和經(jīng)典算法。但城市交通系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的、隨機(jī)性很強(qiáng)的巨型系統(tǒng)，要想建立實(shí)用性較強(qiáng)的數(shù)學(xué)模型是十分困難。利用模糊控制智能控制技術(shù)進(jìn)行交叉口信號(hào)燈控制能取得比定時(shí)控制與感應(yīng)控制更好的效果，是今后單交叉路口信號(hào)燈控制的主要研究方向 [3]。 目前，國(guó)內(nèi)的交通燈一般設(shè)在十字路門(mén)，在醒目位置用紅、綠、 黃三種 顏色的指示燈。加上一個(gè)倒計(jì)時(shí)的顯示計(jì)時(shí)器來(lái)控制行車(chē)。對(duì)于一般情況下的安全行車(chē)，車(chē)輛分流尚能發(fā)揮作用，但根據(jù)實(shí)際行車(chē)過(guò)程中出現(xiàn)的情況，還存在缺點(diǎn)：兩車(chē)道的車(chē)輛輪流放行時(shí)間相同且固定， 在十字路口，經(jīng)常一個(gè)車(chē)道為主干道，車(chē)輛較多，放行時(shí)間應(yīng)該長(zhǎng)些；另一車(chē)道為副干道，車(chē)輛較少，放行時(shí)間應(yīng)該短些。 2 系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)與分析 交通燈總體設(shè)計(jì)的描述 目前設(shè)計(jì)交通燈的設(shè)計(jì)方案有很多，有應(yīng)用 CPLD 實(shí)現(xiàn)交通信號(hào)燈控制器的設(shè)計(jì)，有應(yīng)用 PLC 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)對(duì)交通燈控制系統(tǒng)，同時(shí)還有應(yīng)用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)交通燈設(shè)計(jì)的方法。針對(duì)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(jī)控制技術(shù)，采用軟件和硬件結(jié)合的方案，以及一些改進(jìn)措施，實(shí)現(xiàn)可以根據(jù)各道路口車(chē)流量來(lái)自動(dòng)調(diào)節(jié)通行時(shí)間的交通燈控制系統(tǒng)。 由于 AT89S51 單片機(jī)自帶有 2個(gè)定時(shí)計(jì)數(shù)器， 5個(gè)中斷源，能滿(mǎn)足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。用單片機(jī)設(shè)計(jì)不但涉及簡(jiǎn)單，而且成本低。用其設(shè)計(jì)的交通燈能滿(mǎn)足要求，所以本文采用單片機(jī)設(shè)計(jì)十字路口的交通燈。 本系統(tǒng)設(shè)計(jì)是基于模糊控制理論的單片機(jī)控制交通燈系統(tǒng)。采用 AT89S51單片機(jī)作控制器。根據(jù)實(shí)際生活中十字路口紅綠燈交替變換的特點(diǎn)，本系統(tǒng)的硬件電路主要由單片機(jī)控制電 路、車(chē)流量檢測(cè)電路以及時(shí)間和紅綠燈顯示電路。為了使十字路口在最短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到最大的車(chē)流量，即達(dá)到最佳的性能和最高的效率，我們采用在各個(gè)路口檢測(cè)過(guò)往的車(chē)流量，通過(guò)車(chē)流量來(lái)決定紅綠燈的點(diǎn)亮?xí)r間。當(dāng)前比較流行的車(chē)流量檢測(cè)器件就是一種自感式的車(chē)輛傳感器。它的工作原理是當(dāng)車(chē)輛經(jīng)過(guò)傳感器時(shí)，引起其自感的變化?？紤]到畢業(yè)設(shè)計(jì)的資金和時(shí)間問(wèn)題，本系統(tǒng)采用一種手動(dòng)的操作方式，即車(chē)流量的檢測(cè)電路用撥斷開(kāi)關(guān)代替。 本系統(tǒng)結(jié)合生活實(shí)際，主要實(shí)現(xiàn)人行道、車(chē)輛直行、車(chē)輛左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)、緊急 情況處理、根據(jù)車(chē)流量自動(dòng)調(diào)整時(shí)間等功能。紅燈亮表示 車(chē)輛、行人禁止通行，綠燈亮表示車(chē)輛行人可以通過(guò)。通行倒計(jì)時(shí)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(dòng)態(tài)動(dòng)態(tài)掃描，以節(jié)省端口數(shù)。特殊緊急車(chē)輛通行采用實(shí)時(shí)中斷完成。車(chē)流量變大時(shí)，可通過(guò)模糊控制結(jié)果（本系統(tǒng)中采用撥斷開(kāi)關(guān)）來(lái)改變十字路口的各個(gè)方向的通車(chē)時(shí)間，使交通更順暢，減少堵塞。按以上系統(tǒng)要求設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)具有電路簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)方便，耗電較少，可靠性高等特點(diǎn)。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(gè)終端來(lái)恢復(fù)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(jī)控制系統(tǒng)鎖存器看 門(mén) 狗擴(kuò)展CPU并行接口時(shí) 間顯 示交 通 燈顯 示緊 急 車(chē) 輛 通 行車(chē) 輛 傳 感 器 或 多路 開(kāi) 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(jì) 模糊控制能避開(kāi)對(duì)象的數(shù)學(xué)模型（微分、狀態(tài)、傳遞函數(shù)等）?？梢哉f(shuō)模糊控制器是一種語(yǔ)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(xiàn)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(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中它具有確定值數(shù)字量。經(jīng)過(guò)模糊化處理，用模糊語(yǔ)言 E 來(lái)描述偏差，若以 T（ E）記作 E 的語(yǔ)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(fù)大（ negative big） NM 負(fù)中 (negative medium) NS負(fù)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(duì) 象語(yǔ) 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(yīng)模糊語(yǔ)言變量值的過(guò)程，此相應(yīng)語(yǔ)言變量值均由對(duì)應(yīng)的隸屬度來(lái)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(gè)多維模糊條件語(yǔ)句，構(gòu)成規(guī)則庫(kù)；小前提是一個(gè)模糊判斷句，又稱(chēng)事實(shí)。以已知的規(guī)則庫(kù)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(guò)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(guò)程 [4]。 與傳統(tǒng)的控制器相比，模糊控制有以下特點(diǎn)： （ 1）適用于不易獲得精確數(shù)學(xué)模型的被 控對(duì)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(yàn)或知識(shí)。 （ 2）模糊控制是一種語(yǔ)言變量控制器，其控制規(guī)則只用語(yǔ)言變量形式定性的表達(dá)，構(gòu)成了被控對(duì)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(lái)描述的；在現(xiàn)代控制領(lǐng)域中，則用狀態(tài)方程來(lái)描述。 （ 3）系統(tǒng)的魯棒性強(qiáng)，尤其適用于非線(xiàn)性、時(shí)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(guó)內(nèi)使用的紅綠燈都是固定的工作時(shí)間，并且自動(dòng)切換。紅燈時(shí)間和 綠燈時(shí)間是根據(jù)道口東西向和南北向的車(chē)流量。利用統(tǒng)計(jì)方法確定的。但是，實(shí)際上不同時(shí)刻的車(chē)輛流通狀況是十分復(fù)雜的，是高度非線(xiàn)性的、隨機(jī)的，還經(jīng)常受人為因素的影響。采用定時(shí)控制經(jīng)常造成道口有效時(shí)間應(yīng)用的浪費(fèi)，出現(xiàn)綠燈方向車(chē)輛較少，紅燈方向車(chē)輛積壓。在人工控制時(shí)，交通警察不斷地觀察十字道口兩個(gè)方向的車(chē)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(dòng)紅綠燈管理中達(dá)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(dòng)態(tài)模型是很難用數(shù)字方式表達(dá)的，交警的判斷決策過(guò)程也 難用簡(jiǎn)單的程序?qū)崿F(xiàn)，所以我們采用模糊控制來(lái)解決自動(dòng)紅綠燈的最佳控制問(wèn)題。 （ 1）工作原理 根據(jù)前面對(duì)模糊控制器的介紹，實(shí)現(xiàn)紅綠燈模糊控制必須解決以下幾個(gè)問(wèn)題： 1）對(duì)當(dāng)前十字道口的交通狀況的檢測(cè)。 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(jì)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(hào)。 （ 2）系統(tǒng)采集兩個(gè)輸入量 1）綠燈方向車(chē)流量 —— 單位時(shí)間通過(guò)道口的車(chē)輛數(shù)量。 2）紅 燈方向排隊(duì)等候車(chē)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(gè)傳感器。傳感器的設(shè)置如圖 所示。 紅燈期間排隊(duì)等候的車(chē)輛數(shù)量有兩部分構(gòu)成， 其一為上次綠燈期間遺留下來(lái)的車(chē)輛。返端傳感 器與道口距離 100 米，假設(shè)車(chē)輛平均長(zhǎng)度為 n, 則 N 內(nèi)可能滯留的車(chē)輛最大數(shù)量為 N/n,如 20 輛， 因此，變量“紅燈方向排隊(duì)等候車(chē)輛數(shù)”的論域 為（ 020），它將分為三個(gè)模糊子集：少、 中、 多，其從屬度函數(shù)設(shè)計(jì)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(guò) 道 口 車(chē) 輛 數(shù)4 8 1 21 62 0Y紅 燈 期 間 排 隊(duì) 等 候 車(chē) 輛 數(shù) 圖 紅綠燈期間車(chē)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(lèi) 1）南北向綠燈時(shí)間延時(shí) tsn 2）東西向紅燈延時(shí)時(shí)間 tew 現(xiàn)有紅綠交通燈自動(dòng)系統(tǒng)設(shè)定綠燈時(shí)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(shí)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(shí)間，其二為根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)，由模糊邏輯決策的延時(shí)，最大延時(shí)時(shí)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(shí)間間隔為 3055 秒。 由此，綠燈時(shí)間延時(shí) tsn、 tew的論域定義為（ 020），將其分三個(gè)模糊子集：T 長(zhǎng) 、 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(jì)關(guān)系、整個(gè)系統(tǒng)的控制效果與性能，需要根據(jù)對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)的要求，采用試探 —— 修正法設(shè)計(jì)，與設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)有密切關(guān)系。 [6] （ 4）模糊規(guī)則的確定 此系統(tǒng)有兩個(gè)輸入和一個(gè)輸出。在沒(méi)有任何數(shù)據(jù)資料的情況下，我們只能根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)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(zhǎng) 少 T 中 T 長(zhǎng) T 長(zhǎng) 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