【文章內(nèi)容簡(jiǎn)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(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。對(duì)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(shí)際行車過(guò)程中出現(xiàn)的情況，還存在缺點(diǎn)：兩車道的車輛輪流放行時(shí)間相同且固定， 在十字路口，經(jīng)常一個(gè)車道為主干道，車輛較多，放行時(shí)間應(yīng)該長(zhǎng)些；另一車道為副干道，車輛較少，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)往的車流量，通過(guò)車流量來(lái)決定紅綠燈的點(diǎn)亮?xí)r間。當(dāng)前比較流行的車流量檢測(cè)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(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(dòng)調(diào)整時(shí)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(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)。特殊緊急車輛通行采用實(shí)時(shí)中斷完成。車流量變大時(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。 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）。可以說(shuō)模糊控制器是一種語(yǔ)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(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)?。╪egative small） ZE零（zero）PS正?。╬ositive） 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(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(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)綠燈方向車輛較少，紅燈方向車輛積壓。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）綠燈方向車流量——單位時(shí)間通過(guò)道口的車輛數(shù)量。2）紅燈方向排隊(duì)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(gè)傳感器。紅燈期間排隊(duì)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(lái)的車輛。返端傳感器與道口距離100米，假設(shè)車輛平均長(zhǎng)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(duì)等候車輛數(shù)”的論域?yàn)椋?20），它將分為三個(gè)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(shí)間延時(shí)tsn2）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)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(zhǎng)G8少中T長(zhǎng)G9少少T長(zhǎng)其中，規(guī)定T短=30s、T中=40s、T長(zhǎng)=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(gè)方向上均有左行、直行和右行三個(gè)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(gè)周期，循環(huán)執(zhí)行。在實(shí)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(guò)馬路，故在一定的時(shí)間內(nèi)會(huì)使右轉(zhuǎn)綠燈跳變?yōu)榧t燈，以便于行人過(guò)馬路。在本次設(shè)計(jì)中，我們?cè)谥毙熊囕v通過(guò)的一段時(shí)間內(nèi)，同時(shí)也使行人過(guò)馬路。，這種狀態(tài)可以在一定的時(shí)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(shí)器每秒鐘通過(guò)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(diǎn)亮情況；由8255A的PC口顯示每個(gè)燈的點(diǎn)亮?xí)r間。，當(dāng)有急行車需要通過(guò)時(shí)，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(guò)后，系統(tǒng)恢復(fù)正常。本系統(tǒng)增加了每次綠燈時(shí)間車流量檢測(cè)的功能，由此改變下一周期時(shí)的綠燈持續(xù)時(shí)間，采用手動(dòng)開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)，具體見(jiàn)車輛檢測(cè)電路部分。3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 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（）