自适应的智能交通信号机系统设计

第35卷 V01．35 第7期 No．7 计算机 ComputerEngineering 2009年4月 April2009 ·工程应臌术与实现· 文章编号：loI肛—3428(2009)07__0220_一03文献标识码IA 中田分类号。TP273 自适应的智能交通信号机系统 肖业伟，郭雪蜂，黄辉先，盘宏斌 (湘潭大学信息工程学院，湘潭411105) 揞蔓：针对交通信号机难以实现真正意义卜交通信号动态优化的问题，提出一种基于双多点控制单元的自适应智能交通信号机系统，介 绍该系统的组成和工作原理，并给出具体的软硬件设计方案。系统采用实时模糊榨制方法，以交叉口平均车辆延误最小为优化目标，实现 信号机自适应控制。实验结果表明，该系统集成度高、功能强、性能稳定，易于实现区域协凋控制。 关健词：智能交通信号机；C8051F单片机；模糊控制；自适应控制 DesignofSelf-adaptiveIntelligentTrafficSignalMachineSystem XIAOYe-wei，GUOXue-feng，HUANGHui-xian，PANHong·bin (InstituteofInformationEngineering，XiangtanUniversity,Xiangtan411105) [AbstractlAimingattheproblemthatit isdifficulttoimplementthedynamicoptimizationforIrafficsignalintrafficsignalmachine．a selfadaptiveintelligenttr'a币csignalmachinesystembasedondualMultiControllerUnit(MCU)isproposed，andthestructureandoperating principleofwhichisintroducedclearly．Ⅱlispaperalsoexpatiatesthedesignofthesoftwareandhardw∞eofthesystem．TheoptimalobjOCtofthe systemIstominimizeaveragevehicledelaytorealizeself-adaptivecontrolwithreal—timefuzzymetheds．Experimentalresultsshowthissystemhas higherintegration，powerfulfunctions，reliableperformance，anditisconvenienttoachievethetrafficnetworkcoordinatedcontr01． [KeywordsIintelligenttrafficsignalmachine；C8051Fsinglechip；fuzzycontrol；self-adaptivecontrol 1概述 随着城市化进程加快，智能交通信号控制系统已成为城 市交通信号控制发展的必然趋势，国内在用信号机以单点定 时控制系统为主，该类信号机控制功能简单、方案单一川， 不能反映交通状态随机变化所产生的不同信号方案需求，另 外，部分大中城市采用感应控制、干线控制和联动控制12～1， 这3种方式均只对于干线与支线交通流相差较大时效果较 好，实质上并未对于信号控制全部优化。国外交通信号控制 研究起步较早，目前较成熟町靠的系统主要有澳大利亚的 SCAT系统，该系统呈分层递阶形式，充分利用计算机网络 技术，控制方案容易变换；英国的SCOOT系统，它是在 TRANSYT系统t：采用自适应控制方式的动态交通信号控制 系统，该系统采用小步长优化实时控制，能获得明显优于静 态系统的效果¨1，但由于其只针对国外交通情况较简单的环 境设计，因此难以适合于国内复杂混合交通信号控制。 为研制符合国内城市交通的复杂要求，同时具备智能化、 网络化特点的交通信号控制系统，本文提出一种基于嵌入式 片上系统单片机C805lF020的自适应智能交通信号机系统结 构及其工作原理，并给出具体的软硬件设计方案。系统采用 实时模糊控制方法，以交叉口平均车辆延误最小为优化目标， 提出以当前相的主队列、最近10s车辆到达数以及后继相的 主队列三者决定信号配时增量的方法，实现信号机的自适应 控制。 2系统硬件设计 城市交通枢纽信号控制需要联网协调控制，信号机必须 具有与区域服务器进行数据传输的通信功能。交通枢纽部分 绿灯信号不能同时出现(如交叉路I：1东西方向与南北方向放 一22伊一 行绿灯不能同时出现)，虽然软件设计中可以防范该冲突，但 从交通安全和硬件设计可靠性角度考虑，硬件设计中必须具 有绿冲突枪测，同时还要考虑软件输出绿灯信号与实际硬件 驱动绿灯信号不一致的检测。 为实现信号机与区域服务器通信及有关控制功能，信号 控制机中必须具有主控模块。实际应用中需要自动按照不同 方向车流量来调节周期和红绿灯开启时间长短(绿信比)，信 号机需要检测和处理多个交通流信号。考虑信号机在室外工 作，要能承受温度、湿度变化及雷击等恶劣环境的影响，设 计方案中有容错控制模块，即信号机主板出现损坏时，信号 机仍能按照预定工作方式正常工作。根据以上，智能交 通信号机系统原理框图如图1所示。 k熟，II驱数：1．．．1驱‰I愕辫J ? 3 3 ： I 系统内部总线 3 S ? ? ? 3 嚼 器忪鬟块 t拉模块8季簇囊绿冲突和绿不一致检测模块 圈1智鼍交置信号杌系统曩理框■ 基金项目：湖南省教育厅基金资助项目(06C844) 作者筒介：肖业伟(1977--)，男，讲师、硕士，主研方向：计算机控 制与应用，智能交通控制；郭雪峰，讲师、硕士；黄辉先，教授、 博士；盘宏斌，讲师、博士 收藕日捆：2008—09—10E-mail：yeexia02004@163．corn 万方数据 为实现图1中的各项功能，信号机系统硬件设计采用 C805lF020单片机作为丰控制器，完成系统的任务管理和事 件调度以及执行各种离线优化控制算法。信号机的整体硬件 结构如图2所示。 I备份电源l 叫信黜H瓣尝H藤上 ▲ ．_J l扭徽HIC 书玑篓窆一l键艋接口I． I ZLG72％l’螺 1⋯’’”””1 憔 ● ‘ 皋 -———一———一 CM32口02—40臣 七 m 光 信 12鞘 黯 行 C805IF320 华入LCD显示11 ●◆ 交通流扮测+电 悱 号 2 单片机系统 耦 J螽合 ．．．．．．．．J I．．．．．一 U 一因囤．陬司]孽l切换及显示r 7 怍一机电压犏一源l器N觥Cr'7制Nlp掣 异 电： 或l光纤模块l ．_—— 蚓 圈2智能交置信号机爱件结构框圈 主控模块以C8051F020单片机为控制核心，该芯片时钟 频率达25MHz，具有64个I／OEl，1个SPI、1个12C和 2个串口，64KBFLASH程序存储空间，128Byte非易失性 存储空间，4096+256Byte片上RAM，5个16bit定时器， 2个外部中断和1个可编程看门狗定时器，因此，采用该芯 片无需扩展I／O口，即可实现48路灯色输出、重要数据永久 保存、人机接I：1、信号机状态检测、故障处理和以太嘲通信 控制等功能。 车流枪测子系统主要完成车流数据收集，采用实时模糊 控制方法计算出下一相位灯色信号方案和配时方案，并利用 其串I=l与C8051F020的第2个串口进行多机通信。 容错控制模块是主控模块的硬件“热备份”，具有用户 预先设置的20种灯色控制方案，当主控模块出现故障不能正 常工作时，该模块将自动行使系统控制权，执行预设的 20种控制方案之一，确保灯色信号能够继续正常输出。当乇 控模块恢复正常功能时，系统控制权又自动地移交给主控模 块。该模块还接收从绿冲突和绿不一致检测模块反馈回来的 8路绿灯检测信号，用于进行绿灯异常判断。当出现绿冲突 和绿不一致时，该模块迅速切断主控制器输出的灯色信号， 并控制信号灯组进入黄闪状态。 系统中选用高精度、小体积的M41TOM6E时钟芯片向系 统提供时间信息，键盘接口电路采用ZLG7290芯片，实现4x8 的小键盘控制，其接U方式均为12c总线方式。LCD显示模 块采用串行接口的CM320240，该模块实时显示时间、方案、 时段、控制模式和信号机状态等信息。 系统输}n驱动模块采用高可靠固态继电器将灯色控制信 号进行功率放大后可直接驱动信号灯组。 每个输出驱动模块提供8路灯色控制信号，分别用于行 车指示、人行指示和单车指示。根据实际需要，系统输出最 多可由6个输出驱动模块组成，由软件没置实现48路灯色组 合输出。 系统以太网通信由1枚独竞嵌入式控制器ENC28J60和 1个集成脉冲变压器的嘲El实现，其传输速率最高可达 10Mb／s。由于C8051F020的系统电压与以太控制器的工作电 压一致，均为3．3v，控制线与单片机SPI接I：1连接非常方便 和友好，具体连接情况如表l所示。 袁i 以太控■器与单片机SPI接口对应衰 C805F020 NSS／P05 M()SI／P04 MIS—O／—P0二3 se型!!．! 绿冲突和绿不一致检测模块完成绿灯信号采集与电平转 换，直接采集信号绿灯的工作状态，经过降压、整流、光电 耦合处理，经系统总线将绿灯检测信号反馈给容错控制模块 中的绿灯异常逻辑判断电路，以便进行下一步处理。 系统保护模块主要用于整个信号控制系统过压、欠压保 护，直接对系统输入电压进行采样，经过整流、降压、比较、 光电隔离以及异或处理后，向主控制器提供过压或欠压信号， ．以便电压异常时系统能够及时处理、保护信号机核心部件。 此外，系统还考虑了防雷击保护，通过在系统输入 端子对地接入压敏电阻来实现。 3系统软件设计 系统软件采用C51语言设计，模块化设计方法。根据系 统功能要求，主控系统软件分为1个主程序模块和lO个子程 序模块，即系统初始化、与交通流检测系统通信处理、闪光 控制、手动控制、以太网联网控制、容错控制、感应控制、 多时段控制、定时控制和异常处理；交通流检测系统软件分 为1个主程序模块和3个子程序模块，即车流检测计数、信 号配时方案优化和与主控系统通信，本文主要介绍信号配时 方案优化模块设计思想及其仿真结果。 4模糊控制器设计 4．1信号配时模糊控剖思想一。1 在多相位中，每一相交通信号配时由该相主队列、主队 列所在方向最近10S车辆到达数、后继相主队列三者决定。 所谓丰队列是一个相位2个方向中车辆等待数较大的等待队 列；最近10s车辆到达数足用于对后继车流量进行预估。设 主队列、车辆到达数、后继相主队列分剐为q，a和q，，则绿 灯时长g是q，a和q，的函数，即e=，(口，a，q，)，其中，五是 个三维模糊控制器；q，口和q，是其输入；e是其输出。 控制过程如下：将精确输入量(q，a和吼)进行模糊量化处 理变成模糊鼍，运用知识库中模糊控制，进行模糊推理 得到模糊控制量，再经清晰化处理转为精确量e。，考虑到交 通系统动态随机性，为避免仿真结果出现极端的情况，系统 采取优化输出结果C·e+减去当前信号方案的绿灯时长eo(1ill △P=k：．e’一e。)，并将该差值乘以当前相主队列的饱和度 s(1jp为△口．5)，作为当前相位优化后绿灯时间增量，将其通 过串El送入主控板并修改当前配时表。 4．2模糊量化处理 设输入变量g∈【0，Qli。i。】的论域为Q，Q={0，1，2，3，4，5，6， 7，8，9，10}，在论域Q上定义5个模糊子集，{很短，短，中， 长，很长}，简记为{垤，s，M’L，儿l。输入变量a，q，和输出变 量e模糊量化处理方法相同，分别在其论域上定义5个模糊 子集，如表2所示。 经过多次实验，输入变量各模糊子集的隶属函数取高斯 型曲线，输出比较光滑。输出变量各模糊子集的隶属函数用 三角形表示。由于q，q，总是为直行队长，另一个是左行队长， —屯2l一 万方数据 交替变换，在论域上定义的模糊集隶属函数不同。输出变量 e有直行、左行之分，直行实际范围【gmin,g。。。】，如130，801， 左行实际范围lg。i。，g。。】，如[15，301，由论域到基本论域使用 不同的比例因子。 表2输入输出变量的论壤及模疆子集 4．3交通控制模糊规则选取 根据输入变量模糊区间划分，该三维模糊控制器的控制 规则理论上应该有5x5x5=125条，考虑到单片机系统容量 和处理速度，系统中对所有规则进行合并简化为45条。 交通控制规则一般形式如F： Ri：if(qisAi)and(aisBj)and(qsisCi)then(eisDi) 其中，Af’曰f，G，Df分别是论域Q，A，G，E上定义的模糊子集。 4．4模糊推理及反模糊化 模糊系统推理采用Madani推理，由前提条件“xoandYo andZo”和各条模糊规则“Aand尽andcf．÷Dj”可以得到 推理结果为 ％(P)2心(xo)^如(yo)^心(z0)A饧(P)，i=L2,⋯，45(1) 则最终推论结果为该45条结果的并集，即： ∥。(e)=∥p忙)V∥n(0v⋯V∥。(e) (2) 推理得出的结果是个模糊子集，其精确控制量需要解模 糊，本系统仿真采用藿心法(e[Jhn权平均法)进行反模糊化， 得到相应的精确控制量e+，即 o 己∥(et，。ei e’=生! (3) ∑∥(P，) i=I 由于计算出的精确控制量要对应实际控制值，因此需要 转换论域，得 e=《·e+ (4) 其中，巧为比例因子，且 《=(g一一g～)／10 (5) 4．5仿真结果 结合系统机硬件，用MATLAB7．1编写4相位12车道实 时模糊控制器的仿真程序。仿真参数如下：alimit=30，直行相 位【g。i。，g。。；】_f30，80】，左转相位[gIIli。，g。。，1_【15，30]。在交通 量中等时，设上游车辆到达率为Qr服从泊松分布，平均为 720pcu／h；在交通营较大时，Qc服从二项式分布，平均 l 100pcu／h，左转车占入口车辆的30％。在绿灯期间车辆离 开率分别为：直行st=O．65pcu／s，左转s2=0．65pcu／s。 采用模糊控制对各相位配时，优化目标为车辆平均延误， 优化参数为信号当前相有效绿灯时长，每次仿真100个周期， 前60个周期为交通量中等的情况，后40个周期为交通量较 大的情况，同时与定时控制方法进行比较，仿真结果 如图3所示。 —-222—一 ■3 100个月捆的车蔫平均燕谡仿真 从图3可以看出，当交通晕中等时，实时模糊优化控制 明显优于定时控制方法，车辆平均延误减少约15％；当交通 流较大时，由于交叉口的容量限制，实时模糊优化控制其效 果略有减少。 4．6模糊控钊器的软件实现 通过实验仿真证明，采用实时模糊控制优化交通信号配 时具有可行性和优越性，但如何将该算法应用到系统软件中 加以实现是关键。 考虑到单片机系统的处理速度和存储容量，如果直接将 上述算法应用于单片机系统，将难以达到实时处理的效果。 由模糊控制方法的特点，可将仿真实验得到的优秀模糊控制 表存于系统程序区间，系统在线优化时，只须将检测车流量 化输入，然后查表即可得输出控制量，并驱动信号灯，系统 软件设计即采用此方法，本文不再详述。 5结束语 本文提出一种基于双MCU的自适应智能交通信号机系 统的设计方案，系统采用实时模糊控制方法，以交叉13平均 车辆延误最小为优化目标，从而实现信号机自适应控制。系 统结构和设计思路充分借鉴了国外优秀信号机系统的优点， 并结合现代技术发展的要求，实现以太网传输通信方式，且 可实现光纤到信号机，其数据传输可靠性有了极大提高。 实验结果表明，该系统稳定、可靠，能实现在线优化， 其效果明显优于定时控制方法，能实现交通信号区域协调控 制和其他联网优化方法，为下一代信号机的研制奠定基础。 参考文献 【l】肖业伟．基于96单片机的智能交通信号机研制【J】．兵工自动化， 2004，23(4)：64-65． 【2】程海燕，史忠科．基于DSP的自适应智能交通信号机的研制【J】． 计算机测量与控制，2006，J4(10)：1340-1342． 【3】史忠科．一种智能交通信号控制机的设计与实现【J】．计算机应 用研究，2004，21(8)：145-147． 【41陈淑燕．单路I：1交通的多相位实时模糊控制【J】．系统工程理论 与实践，2003，l(1)：110-115． 【5】ChengWei，LiuXiaolan，ZhangWenfeng．AnOptimalAdaptive TrafficSignalControlAlgorithmforIntersectionsGrouplCl／／Proc． ofthe6thWorldCongressonIntelligentConwolandAutomation． Da／ian，China：【s．n．】，2006． 编辑陈文 万方数据