【文章內(nèi)容簡介】 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(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(zhǔn)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(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(bǔ)了相序固定的缺點，但同時也存在一些不足。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)計模型和經(jīng)典算法。但城市交通系統(tǒng)是一個復(fù)雜的、隨機(jī)性很強(qiáng)的巨型系統(tǒng)，要想建立實用性較強(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)行交叉口信號燈控制能取得比定時控制與感應(yīng)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(yīng)該長些；另一車道為副干道，車輛較少，放行時間應(yīng)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(yīng)用CPLD實現(xiàn)交通信號燈控制器的設(shè)計，有應(yīng)用PLC設(shè)計實現(xiàn)對交通燈控制系統(tǒng)，同時還有應(yīng)用單片機(jī)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(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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)控制交通燈系統(tǒng)。采用AT89S51單片機(jī)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(jī)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(dá)到最大的車流量，即達(dá)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?xí)r間。當(dāng)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(dāng)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(fù)以前的狀態(tài)。根據(jù)以上介紹。 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(xué)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。，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。，模糊控制器的輸入是系統(tǒng)的偏差量e，在計算機(jī)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(fù)大（negative big） NM負(fù)中(negative medium)NS負(fù)?。╪egative small） ZE零（zero）PS正小（positive） PM正中（positive medium）PB正大（positive big） 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)模糊語言變量值的過程，此相應(yīng)語言變量值均由對應(yīng)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(xué)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(dá)，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(qiáng)，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(fù)雜的，是高度非線性的、隨機(jī)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(yīng)用的浪費(fèi)，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(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(dāng)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。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。 紅綠燈期間車輛數(shù)的隸屬函數(shù)（3） 輸出及其模糊分類 1）南北向綠燈時間延時tsn2）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(dāng)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)XYTG1多多T短G2多中T短G3中多T短G4多少T中G5中中T中G6中少T中G7中少T長G8少中T長G9少少T長其中，規(guī)定T短=30s、T中=40s、T長=55s。 十字路口車輛通行模式十字路口交通流在東南西北四個方向上均有左行、直行和右行三個車道車流。為了確保交通的井然有序，分別設(shè)定為SSSS4，交通燈以這四種狀態(tài)為一個周期，循環(huán)執(zhí)行。在實際生活中，一般的右行車道是總閃綠燈的，但是為了便于行人過馬路，故在一定的時間內(nèi)會使右轉(zhuǎn)綠燈跳變?yōu)榧t燈，以便于行人過馬路。在本次設(shè)計中，我們在直行車輛通過的一段時間內(nèi)，同時也使行人過馬路。，這種狀態(tài)可以在一定的時間內(nèi)達(dá)到較大的車流量，效率特別高。 交通燈的四種狀態(tài)其中：S1：東西方向人行道禁止，南北方向人行道通行；東西方向紅燈，南北方向直行綠燈。S2：東西方向右轉(zhuǎn)綠燈，南北方向右轉(zhuǎn)綠燈，南北方向左轉(zhuǎn)綠燈。S3：南北方向人行道禁止，東西方向人行道通行；南北方向紅燈，東西方向直行綠燈，S4：南北方向右轉(zhuǎn)綠燈，東西方向右轉(zhuǎn)綠燈，東西方向左轉(zhuǎn)綠燈 交通燈的工作原理 本系統(tǒng)由AT89S51單片機(jī)控制，由8051單片機(jī)的定時器每秒鐘通過P0口向8255A的數(shù)據(jù)口發(fā)送信息，由單片機(jī)的P1口和P2口顯示紅綠燈的點亮情況；由8255A的PC口顯示每個燈的點亮?xí)r間。，當(dāng)有急行車需要通過時，按下此按鈕，產(chǎn)生中斷，系統(tǒng)使東西方向和南北方向所有燈都為紅燈，當(dāng)急行車通過后，系統(tǒng)恢復(fù)正常。本系統(tǒng)增加了每次綠燈時間車流量檢測的功能，由此改變下一周期時的綠燈持續(xù)時間，采用手動開關(guān)實現(xiàn)，具體見車輛檢測電路部分。3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計 單片機(jī)最小系統(tǒng)外圍電路單片機(jī)的最小系統(tǒng)包括電源（地），晶振（）