【正文】 沙火車站北邊。特別是營盤路與車站北路相交的十字路口，經(jīng)常造成堵車，是此次交通疏導(dǎo)工程的重點(diǎn)。本文根據(jù)交叉路口交通信號(hào)控制系統(tǒng)的要求，采用車輛計(jì)數(shù)傳感器以及單片機(jī)為核心的硬件電路，總結(jié)交通警察指揮交通的經(jīng)驗(yàn)，運(yùn)用模糊控制理論，實(shí)現(xiàn)了交叉路口交通信號(hào)模糊控制系統(tǒng)。當(dāng)前我國大多數(shù)城市的平均行車速度已降至 20km/h 以下，同時(shí)，由于車輛速度過慢、尾氣排放增加，使得城市的空氣質(zhì)量進(jìn)一步惡化。采用智能交通系統(tǒng)的交叉口具有兩大優(yōu)點(diǎn):首先，有效提高交通運(yùn)輸效益，使交通擁擠降低 20%，延誤損失減少 1025%，車禍降低 5080%，油料消耗減少 30%。交叉路口城市機(jī)動(dòng)車輛的不斷增加，使得車輛堵寨現(xiàn)象越來越嚴(yán)重，當(dāng)前大部分城市仍然采用的定時(shí)控制十字路口交通燈的控制方法。傳統(tǒng)的控制一般是采用模型控制或預(yù)先人為地設(shè)定多套方案，由于道路上的車流量具有較大的隨機(jī)性，所實(shí)施的相位控制也應(yīng)隨車流量的不同而相應(yīng)變化，但是交通警察在實(shí)際的交通指揮中可以根據(jù)實(shí)際情況來控制交通，如果東西方向的車流量大，則其放行時(shí)間長。模糊控制理論在交通系統(tǒng)中的應(yīng)用模仿了交警的控制經(jīng)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)智能控制，可以使車輛等待延誤時(shí)間最小，因此基于模糊控制理論的交叉路口信號(hào)燈控制系統(tǒng)的研究對(duì)解決交叉路口車輛堵塞有重要的現(xiàn)實(shí)意義。人們逐漸意識(shí)到交通信號(hào)對(duì)城市通行能力的重要作用，并著手研究交通信號(hào)對(duì)車輛出入交叉口的控制。其發(fā)展方向可通過四個(gè)角度進(jìn)行劃分:從系統(tǒng)的控制范圍來看，可分為單點(diǎn)信號(hào)控制、干道信號(hào)控制以及區(qū)域信號(hào)協(xié)調(diào)控制。從系統(tǒng)的控制方法來看，由最先的固定式信號(hào)控制，發(fā)展到感應(yīng)式信號(hào)控制，再到自適應(yīng)信號(hào)控制。 國外交通信號(hào)控制系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀 作為工業(yè)革命的發(fā)源地的英國首先意識(shí)到交叉口在城市交通中的樞紐地位以及交通信號(hào)對(duì)交叉口通行能力的重要作用。這次創(chuàng)舉標(biāo)志著交通信號(hào)燈的問世。 汽車行業(yè)的迅猛發(fā)展，傳統(tǒng)的手動(dòng)控制信號(hào)燈已難以滿足交叉口的通行需求。英國人于 1926 年設(shè)計(jì)了一種機(jī)械式交通信號(hào)燈，并安裝在 wolfverhampton 街口使用。這種機(jī)械式紅綠燈在歷史上首次實(shí)現(xiàn)了對(duì)交通信號(hào)的自動(dòng)控制，標(biāo)志著城市交通控制系統(tǒng)的誕生。隨著對(duì)道路交通、交叉口通行規(guī)律的深入研究，人們意識(shí)到對(duì)各個(gè)交叉口的孤立控制違背了城市交通系統(tǒng)的整體性，與車流在交通系統(tǒng)中時(shí)空連續(xù)性相矛盾。但是，該系統(tǒng)仍然是屬于手動(dòng)控制范疇。自此，交通信號(hào)控制系統(tǒng)在美國蓬勃發(fā)展起來。美國丹佛市在 1952 年將模擬電子計(jì)算機(jī)引入交通信號(hào)控制系統(tǒng)中。這種系統(tǒng)一經(jīng)面世就在美國得到了廣泛關(guān)注，十年期間就建立了一百多個(gè)類似的系統(tǒng)。1960 年，加拿大將數(shù)字電子計(jì)算機(jī)應(yīng)用于多倫多市的區(qū)域交通信號(hào)控制，這是世界上第一個(gè)中心是交通信號(hào)控制系統(tǒng)。加拿大的大型城市交通信號(hào)控制系統(tǒng)的運(yùn)行成功促使了世界各大城市建立了類似的城市道路中心式交通控制系統(tǒng)。其二，優(yōu)化過程，調(diào)節(jié)信號(hào)配時(shí)方案以達(dá)到運(yùn)行指標(biāo)最優(yōu)狀態(tài)。傳統(tǒng)的交通信號(hào)控制均采用了離線配時(shí)的控制方式。因此，交通信號(hào)的實(shí)時(shí)在線控制應(yīng)運(yùn)而生，其核心為:采用車輛檢測(cè)器實(shí)時(shí)采集交叉路口車流數(shù)據(jù)，根據(jù)采集的數(shù)據(jù)在線優(yōu)化信號(hào)配時(shí)參數(shù)。歐盟于 2022 年提出了合作性車路基礎(chǔ)設(shè)施一體化系統(tǒng)，該計(jì)劃耗資 4400 萬歐元，主要目的是涉及、開發(fā)和測(cè)試為了實(shí)現(xiàn)車輛之間通信以及車輛與附近的路邊基礎(chǔ)設(shè)施之間通信所需的技術(shù)，旨在提高旅客和貨物的移動(dòng)性以及道路交通運(yùn)輸系統(tǒng)的效率。日本政府目前正在著手研發(fā)4 / 36SMARTWAY 智能交通系統(tǒng)，計(jì)劃用 5 年的時(shí)間在重要道路上覆蓋路況認(rèn)知傳感器、構(gòu)建智能汽車系統(tǒng)、智能道路系統(tǒng)、車路間協(xié)調(diào)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)交通信息的實(shí)時(shí)發(fā)布。因此，如何在現(xiàn)有的交通設(shè)施的條件下，采用合理的交通控制手段，保證交通的暢通運(yùn)行是我國交通信號(hào)控制領(lǐng)域的研究目標(biāo)。該領(lǐng)域早期的研究方向定位于定時(shí)控制，通過建立精確的數(shù)學(xué)模型反應(yīng)交叉口交通狀況，并根據(jù)模型確定信號(hào)配時(shí)方案以及綠信比等信號(hào)控制參數(shù)。由于信號(hào)相位、配時(shí)方案等參數(shù)既定，不能跟隨交通量的變化，導(dǎo)致交叉口常存在綠燈方向無車輛通行，而紅燈方向等待車輛較多的情況，降低了通行率。模糊邏輯算法在交通信號(hào)控制系統(tǒng)中應(yīng)用較為廣泛。該方法中，給定了綠燈最短時(shí)間，并且通過檢測(cè)器檢測(cè)綠燈方向的等待車輛，模糊控制器根據(jù)等待車輛調(diào)節(jié)綠燈的延長時(shí)間并決定是否切換相位。沈國江等人采用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制方法，并根據(jù)分散控制的原則對(duì)整個(gè)城市區(qū)域的交叉口信號(hào)燈進(jìn)行控制。文中根據(jù)分散控制的原理，對(duì)每個(gè)交叉口建立一個(gè)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器，分別進(jìn)行優(yōu)化控制，而相鄰的交叉口的信號(hào)周期相互平衡。1997 年，陳洪和陳森發(fā)提出了一種多級(jí)模糊控制結(jié)構(gòu)用于單路口信號(hào)燈的控制，該方法將影響路口車流的因素進(jìn)行分類劃級(jí)，其中兩個(gè)關(guān)鍵相位車流的數(shù)量以及綠燈延遲時(shí)間被設(shè)定為多級(jí)模糊結(jié)構(gòu)的一級(jí)變量，而非關(guān)鍵車流的數(shù)量一級(jí)綠燈延遲時(shí)間作為二級(jí)變量。采用實(shí)際數(shù)據(jù)對(duì)該模糊控制器進(jìn)行仿真，其結(jié)果也表明了該方法的有效性[24]。5 / 36近年來，其他算法在信號(hào)控制系統(tǒng)中也得到了廣泛應(yīng)用。該方法根據(jù)美國聯(lián)邦高級(jí)公路管理局的交通模擬管理軟件設(shè)置信號(hào)時(shí)間，采用遺傳算法模擬交通網(wǎng)絡(luò)，獲得延遲時(shí)間，并以此作為對(duì)應(yīng)染色體的適應(yīng)度評(píng)價(jià)值。采用該方法對(duì)三個(gè)路口的信號(hào)燈進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，仿真結(jié)果證實(shí)了其能有效地聯(lián)動(dòng)控制路口信號(hào)燈的變化。該方法結(jié)合了感應(yīng)算法和改進(jìn)的 TOD 算法的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)用性強(qiáng)，對(duì)兩相位、三相位以及四相位的路口均適用，在不改變交叉口硬件設(shè)施的條件下，改善了交通狀況蔣忠遠(yuǎn)、宋文等人提出了一種基于增廣 Petri 網(wǎng)絡(luò)的交通信號(hào)控制系統(tǒng)。龍建成等以動(dòng)態(tài)隨機(jī)用花均衡環(huán)境作為研究背景，將元胞傳輸模型引入交叉口信號(hào)控制系統(tǒng)中，建立固定信號(hào)配時(shí)方法和動(dòng)態(tài)信號(hào)配時(shí)方法，協(xié)調(diào)控制交叉口各方向車輛通行狀況。通過仿真對(duì)比試驗(yàn)證明了該改進(jìn)的路段關(guān)聯(lián)計(jì)算模型能準(zhǔn)確描述交叉口交通狀況，給出最佳通行方案。該模型綜合考慮了交叉口的各種交通需求，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)交叉口交通指標(biāo)的單一性所產(chǎn)生的信號(hào)控制方法的缺陷。該模型采用三層 BP 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)路口車輛到達(dá)率，以交通流飽和度理論為基礎(chǔ)利用模糊控制器調(diào)整交又口綠燈信號(hào)時(shí)間。這些對(duì)象的存在使得傳統(tǒng)的控制方法難以滿足各個(gè)領(lǐng)域?qū)刂葡到y(tǒng)的響應(yīng)速度、穩(wěn)定性、適應(yīng)能力以及精讀的要求。1965 年，加州大學(xué)的 zadeh 教授基于人類的主觀意識(shí)的研究提出了“模糊” 這一概念，并給出了模糊集的定義，開創(chuàng)了模糊控制理論的先河。由于模糊集、模糊理論的出現(xiàn)，使得“多” 、 “少”、6 / 36“高”、 “矮”這些概念性的語言能直接通過數(shù)學(xué)公式表示，并且由計(jì)算機(jī)處理，從而對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)做出更加符合實(shí)際的邏輯描述和決策方案。城市道路中各個(gè)時(shí)段的車輛數(shù)量的“多 ”、 “少”以及紅綠燈時(shí)間的“長” 、 “短”都屬于模糊概念。Pappis 與 Mamdani 在 1977 年將模糊邏輯控制方法引入城市單向路口的信號(hào)控制中，開創(chuàng)了交通信號(hào)模糊邏輯控制的新紀(jì)元。該控制器具有三個(gè)輸入量和一個(gè)輸出量。輸出變量則是綠燈的延長時(shí)間。早期的模糊控制理論僅應(yīng)用于孤立的交叉路口，因此仍不能滿足整個(gè)城市道路作為一個(gè)整體的交通系統(tǒng)的控制需求。該控制系統(tǒng)含有兩個(gè)模糊邏輯控制器，其中一個(gè)管理兩個(gè)交叉口車輛的獨(dú)立行使，另外一個(gè)則用于管理兩個(gè)路口的相位差。此后，模糊控制算法在城市交通控制領(lǐng)域中蓬勃發(fā)展起來。1998 年，Porche 等人設(shè)計(jì)了一種自適應(yīng)的交通信號(hào)模糊邏輯控制方案，該方案采用多層控制的方式，有效解決了城市交通網(wǎng)絡(luò)交叉口車輛等待延時(shí)問題。2022 年，SaziMurat 一種單交叉口的模糊控制方法，該控制方法主要完成兩項(xiàng)控制任務(wù):其一，控制綠燈延時(shí)時(shí)間。該方法的仿真實(shí)驗(yàn)表明其能有效減少交叉口的車輛延誤時(shí)間。該控制器的根據(jù)當(dāng)前相位的主列隊(duì)、最近 10 秒車輛到達(dá)數(shù)量以及后繼相位的主列隊(duì)來調(diào)節(jié)路口信號(hào)時(shí)間。丁金婷和吳國忠采用模糊控制的方法對(duì)交叉口進(jìn)行控制，并選擇 PLC 實(shí)現(xiàn)了單路口交通信號(hào)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)。采集不同交通狀況下的 15 組交叉口數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，方正結(jié)果表明了該方法能能減少交叉口的延誤率和停車次數(shù)，縮短通行時(shí)間，改善了交叉口的交通環(huán)境。2）設(shè)計(jì)能動(dòng)態(tài)檢測(cè)道口車流量的系統(tǒng)，使十字路口的紅綠燈能通過模糊控制原理根據(jù)車流量的大小自動(dòng)改變紅綠燈的顯示時(shí)間。4）設(shè)計(jì)系統(tǒng)應(yīng)用程序以及各功能模塊子程序。2）通過模糊控制進(jìn)行車流量自動(dòng)檢測(cè)功能，并達(dá)到準(zhǔn)確和有效作用。4）系統(tǒng)框圖和詳細(xì)原理圖，并對(duì)各部分進(jìn)行詳細(xì)說明。8 / 362 模糊控制器的設(shè)計(jì) 模糊控制理論簡介模糊數(shù)學(xué)誕生于 1965 年，它的創(chuàng)始人是美國的自動(dòng)控制專家（）教授，他首先提出了隸屬度函數(shù)來描述模糊概念，并創(chuàng)立了模糊集合論，為模糊學(xué)奠定了基礎(chǔ)。模糊控制在一定程度上模仿了人的控制過程，其中包含了人的控制經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)。因此它是一種智能控制的方法。模糊控制是模糊集合理論應(yīng)用的一個(gè)重要方面。包括交通路口的控制。日本在國內(nèi)建立了專門的模糊控制研究所，日本仙臺(tái)一條地鐵的控制系統(tǒng)采用了模糊控制的方法取得了很好的效果。 模糊控制器的基本結(jié)構(gòu)和組成模糊控制器主要由圖 21 中四部分組成：圖 21 模糊控制器的基本結(jié)構(gòu)9 / 36（1）模糊化這部分的作用是將輸入的精確量轉(zhuǎn)換成模糊化量。模糊化的具體過程所下：i）首先對(duì)輸入量進(jìn)行處理以變成模糊控制器要求的輸入量。iii）將已經(jīng)變換到論域范圍的輸入量進(jìn)行處理，使原先精確的輸入量變成模糊量，并對(duì)相應(yīng)的模糊集合來表示。它通常由數(shù)據(jù)庫和模糊控制規(guī)則庫量部分組成。ii）規(guī)則庫包含了用模糊語言變量的一系列控制規(guī)則。（3）模糊推理模糊推理是模糊控制器的核心，它具有模擬人的基于模糊概念的推理能力。（4）清晰化清晰化的作用是將模糊推理得到的控制量（模糊量）變換為實(shí)際用于控制的清晰量。ii）將表示在論域范圍的清晰量經(jīng)尺度變換成實(shí)際的控制量。車流檢測(cè)裝置安放在各十字路口東西、南北道路方向?qū)崟r(shí)檢測(cè)車道車流信息。圖 31 系統(tǒng)原理框圖在本設(shè)計(jì)方案中，首先對(duì)系統(tǒng)各路口的車輛計(jì)數(shù)器對(duì)車輛計(jì)數(shù)，并傳送給單片機(jī)，單片機(jī)依據(jù)模糊控制理論進(jìn)行處理后來控制紅綠燈延時(shí)時(shí)間，并把紅綠燈延長時(shí)間通過8279 送到 LED 顯示。 單片機(jī)控制器的設(shè)計(jì) 單片機(jī)的選型1）MicroChip 單片機(jī):MicroChip 單片機(jī)的主要產(chǎn)品是 PIC16C 系列和 17C 系列 8 位單片機(jī)，CPU 采用RISC 結(jié)構(gòu)，分別僅有 33，35，58 條指令，采用 Harvard 雙總線結(jié)構(gòu)，運(yùn)行速度快，低工作電壓，低功耗，較大的輸入輸出直接驅(qū)動(dòng)能力，價(jià)格低，一次性編程，用量大，檔次低，消費(fèi)電子產(chǎn)品，電訊通信，智能儀器儀表，汽車電子，金融電子，工業(yè)控制不同領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用，PIC 系列單片機(jī)在.11 / 36這里以 PIC18F452 為例PIC18F452 外設(shè)功能①高灌/拉電流 :25mA/25mA。③定時(shí)器 1 模塊 :16 位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。④定時(shí)器 3 模塊： 16 位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器。2 個(gè)捕捉/ 比較/PWM 模塊。⑦16 位比較模塊，最大分辨率為 100ns(TCY)。最大 PWM 頻率:當(dāng) 8 位分辨率為 156kHz，10 位分辨率為 39kHz。I2CTM 主從模式?？捎棉D(zhuǎn)換睡眠?？删幊痰碗妷簷z測(cè)(PLVD)?？删幊糖穳簭?fù)位。閃存 /數(shù)據(jù) EEPROM 的保存時(shí)間:40 年，在軟件控制下自行編程。省電的休眠模式 圖 32 PIC18F452 管腳功能圖12 / 362）凌陽單片機(jī):中國臺(tái)灣凌陽科技股份有限公司()至力于 8 位和 16 位機(jī)的開發(fā).SPMC65 系列單片機(jī)是凌陽主推產(chǎn)品，采用 8 位 SPMC65CPU 內(nèi)核，并圍繞這個(gè)通用的 CPU 內(nèi)核，形成了不同的片內(nèi)資源的一系列產(chǎn)品。16 位微處理器 SPMC75 系列單片機(jī)集成了多種功能模塊：多功能 I/O 口、串行口、ADC、定時(shí)計(jì)數(shù)器等常硬件模塊，以及能產(chǎn)生電機(jī)驅(qū)動(dòng)波形的 PWM 發(fā)生器、多功能的捕獲比較模塊、BLDC 電機(jī)驅(qū)動(dòng)專用位置偵測(cè)接口、兩相增量編碼器接口等特殊硬設(shè)，主要用于變頻馬達(dá)驅(qū)動(dòng)控制。13 / 36圖 33 SPMC75F2313A 管腳功能圖3）89S52 單片機(jī)AT89S52 是 一 種 低 功 耗 、 高 性 能 CMOS8 位 微 控 制 器 ， 具 有 8K 在 系 統(tǒng) 可 編 程Flash 存 儲(chǔ) 器 。 片 上Flash 允 許 程 序 存 儲(chǔ) 器 在 系 統(tǒng) 可 編 程 ， 亦 適 于 常 規(guī) 編 程 器 。AT89S52 具 有 以 下 標(biāo) 準(zhǔn) 功 能 ： 8k 字 節(jié) Flash， 256 字 節(jié) RAM， 32 位 I/O 口 線 ，看 門 狗 定 時(shí) 器 ， 2 個(gè) 數(shù) 據(jù) 指 針 ， 三 個(gè) 16 位 定 時(shí) 器 /計(jì) 數(shù) 器 ， 一 個(gè) 6 向 量 2 級(jí) 中 斷 結(jié) 構(gòu) ，全 雙 工 串 行 口 ， 片 內(nèi) 晶 振 時(shí) 鐘 電 路 另 外 ， AT89S52 可 降 至 0Hz 靜 態(tài) 邏 輯 操 作 ， 支 持2 種 軟 件 可 選 擇 節(jié) 電 模 式 。 掉 電 保 護(hù) 方 式 下 ， RAM 內(nèi) 容 被 保 存 ， 振 蕩 器 被 凍 結(jié) ， 單片 機(jī) 一 切 工 作 停 止 ， 直 到 下 一 個(gè) 中 斷 或 硬 件 復(fù) 位 為 止 。 AT89S52 是一種帶 8K 字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器，高性能 CMOS微處理器。由于將多功能 8 位14 / 36CPU 和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中