【文章內(nèi)容簡介】 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設施的方法，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、數(shù)據(jù)通訊傳輸技術、電子傳感技術、電子控制技術及計算機處理技術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，每個交叉口設有唯一的交通燈，適用于單一的交通流。從此，交通控制技術和相關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，隨著計算機技術和自動控制技術的發(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和設備。這些現(xiàn) 代化設備技術加上控制理論和現(xiàn)代化科學管理技術，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)的總體方案設計與分析 交通燈總體設計的描述 目前設計交通燈的設計方案有很多，有應用 CPLD 實現(xiàn)交通信號燈控制器的設計，有應用 PLC 設計實現(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，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)的設計要求。用單片機設計不但涉及簡單，而且成本低。用其設計的交通燈能滿足要求，所以本文采用單片機設計十字路口的交通燈。 本系統(tǒng)設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）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)要求設計，該系統(tǒng)具有電路簡單，設計方便，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）。可以說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，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)共設置了 8 個傳感器。傳感器的設置如圖 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)的設計關系、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 —— 修正法設計，與設計者的經(jīng)驗有密切關系。 [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 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