一種基于車輛擁堵狀況的智能交通燈系統(tǒng)

田川，華紅艷，劉淳，賈慶超，武曉芳（鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院電子通信工程系，鄭州450000）

一種基于車輛擁堵狀況的智能交通燈系統(tǒng)

田川，華紅艷，劉淳，賈慶超，武曉芳
（鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院電子通信工程系，鄭州450000）

提出了基于電磁地埋線圈的滯留車量數(shù)目測量、車流量檢測和無線通信組網(wǎng)方案—采用STC12C5A60S2單片機(jī)作為主控，SI4432作為無線通信模塊。闡述了道路擁堵狀況信息獲取的原理，介紹了滯留車輛和車流量檢測方法、系統(tǒng)硬件設(shè)計、軟件算法的邏輯思路。系統(tǒng)可以實現(xiàn)多路口交通燈能根據(jù)道路擁堵情況調(diào)節(jié)燈的亮滅時間及多路口協(xié)調(diào)控制調(diào)節(jié)。

擁堵；車流量；ITS

隨著社會的快速發(fā)展，城市汽車保有率日益升高，道路擁堵情況越來越嚴(yán)重，需要更先進(jìn)、智能化更高的交通控制系統(tǒng)來緩解擁堵狀況。本文主要探討如何對道路擁堵狀況進(jìn)行實時測量，并根據(jù)測量結(jié)果調(diào)整信號燈的亮滅時間。道路擁堵狀況有兩種情況：一是在道路通行狀態(tài)下，汽車車流量的大??；二是在禁止通行的狀態(tài)下，仍然滯留在車道上的車輛數(shù)目。所以若在交通燈的一個周期內(nèi)測得的車流量情況和滯留車輛數(shù)目，就可以得出一個實時性較高的道路擁堵狀況。目前測量車流量的方法大都是地埋式電磁線圈測量法，我們基于目前電磁線圈法做出了一些改進(jìn)，使其既可以檢測車流量，又可以檢測滯留車輛的數(shù)目，具體實時信息反饋之后經(jīng)過分析，用以調(diào)整交通燈時間并給出指示道路擁堵信息。

1　交通燈硬件控制

系統(tǒng)硬件設(shè)計如圖1所示。主控制器是STC12C5A60S2單片機(jī)，交通指示模塊由鎖存器、信號燈和數(shù)碼管構(gòu)成，儲存模塊由多塊E2PROM構(gòu)成，時鐘模塊由單片機(jī)晶振ds1302及其外部電路構(gòu)成，無線通信模塊由SI4432及其外部電路構(gòu)成，另外還有人機(jī)交互按鍵。

這部分是控制系統(tǒng)的外部設(shè)備，包括系統(tǒng)時鐘、數(shù)據(jù)暫存、手動按鍵控制和數(shù)據(jù)儲存等部分，實現(xiàn)了交通燈系統(tǒng)具體功能。為了節(jié)省I/O接口，根據(jù)交通指示信息一秒才變化一次的特點(diǎn)，交通燈及其倒計時運(yùn)用了鎖存器鎖存數(shù)據(jù)，使其一秒刷新一次；存儲設(shè)備利用了E2PROM，把一天分為24個時段，時段車流量在緩存變量中累加直到時段結(jié)束，并存儲在E2PROM中；系統(tǒng)時鐘利用了定時器加時鐘芯片1302的模式，定時器給出定時，時鐘芯片給出系統(tǒng)時間；按鍵控制則是手動按鍵直接控制一個交通燈的模式，設(shè)有硬性時間設(shè)定及鎖定、緊急狀況等按鍵對交通燈進(jìn)行直接的調(diào)節(jié)。

2　道路擁堵狀況信息獲取方案

2.1環(huán)形線圈檢測器工作原理

環(huán)形線圈車輛檢測器是一種基于電磁感應(yīng)原理車輛檢測器，它的傳感器是一個埋在路面下通有一定工作電流的環(huán)形線圈(一般為2m×1.5m)。當(dāng)車輛通過環(huán)形地埋線圈或停在環(huán)形地埋線圈上時，車身鐵質(zhì)切割磁力線，引起線圈回路電感量的變化。

其中，f為振蕩回路的頻率，L為環(huán)形線圈的總電感，C為等效總電容。檢測器通過檢測該電感量就可以檢測出車輛的存在，檢測這個電感變化量一般來說有兩種方式：一種是利用相位鎖存器和相位比較器，對相位的變化進(jìn)行檢測；另一種方式則是利用由環(huán)形地埋線圈構(gòu)成回路的耦合電路對其振蕩頻率進(jìn)行檢測[1]。

本文車流量測量采用對耦合回路的振蕩頻率進(jìn)行檢測電感變化的方式，利用單片機(jī)對耦合回路反饋電信號計數(shù)統(tǒng)計車流量。由于此法已較為成熟，所以在此不詳細(xì)介紹。

電磁線圈傳感部分電信號的處理方法是利用計數(shù)器檢測其振蕩頻率的變化判斷是否有車經(jīng)過。比如在地面10～20mm下，挖掘一個2m× 1.5m左右的溝槽，溝槽寬度約10cm，用導(dǎo)線沿溝槽繞若干圈，構(gòu)成電感線圈。通過地下溝道，用低阻導(dǎo)線將線圈的兩個節(jié)頭引到處理箱中。當(dāng)機(jī)動車輛通過線圈部分時，線圈電感量發(fā)生變化（經(jīng)實際測試，當(dāng)微型面包車和轎車處于線圈上方時，電感量將減少2～3%左右；卡車處于上方時，電感量的變化約是前者的一半左右）。線圈接入振蕩電路中，電感量的變化引起振蕩頻率變化。電感量減小，振蕩頻率增大，頻率變化的相對量基本上是電感量變化量的一半[2]。

2.2滯留車輛信息獲取

本文關(guān)于滯留車輛數(shù)目的解決辦法是：在一定長度的區(qū)域內(nèi)，鋪設(shè)多條電磁線圈感應(yīng)線，由電磁環(huán)形線圈的性質(zhì)可以知道，當(dāng)車輛通過環(huán)形地埋線圈或停在環(huán)形地埋線圈上時，車身鐵質(zhì)切割磁力線引起線圈回路電感量的變化。當(dāng)車輛通過時線圈檢測回路的電感變化和車輛停留在線圈上的變化情況顯然不同，比如電感變化的時間等。利用這些不同，通過寫入程序的算法分析，系統(tǒng)主控部分就可以大概地判斷出通過車輛和是否有車輛停留在線圈上方。

為了使車輛與線圈的位置關(guān)系不是通過線圈就是停留于線圈上方，必須對不在路口的線圈形狀做一些調(diào)整，使得磁感線圈感應(yīng)線變寬，測量為某一的區(qū)域，并依此區(qū)域為測量線代替原來的感應(yīng)線。

檢測區(qū)域為X米（如X預(yù)定為100）。將檢測區(qū)域分為若干檢測區(qū)，本文改進(jìn)的ITS面向城市街道路口，存在滯留檢測區(qū)域車輛分流情況，如商場、停車場。故在檢測區(qū)A、B感應(yīng)線中間，需添加適當(dāng)距離的感應(yīng)線，在一定程度上排除車輛分流產(chǎn)生的檢測誤差。我們將道路擁堵情況量化分級為三級制，即暢通、一般、擁堵三級狀態(tài)，如圖2示。

滯留車輛數(shù)目判斷：在紅燈時間用通過各條電磁線圈反饋此次紅燈時間段壓線車輛數(shù)目，來反饋各區(qū)域判斷前方區(qū)域的車輛數(shù)目，若堵車長度達(dá)到某條電磁線圈，此處數(shù)目將不會變化，此時還不能判定確實達(dá)到此處，因為無車時數(shù)目也不會變，因此需要進(jìn)一步判斷，由于通過車輛和滯留車輛產(chǎn)生的電感變化的差異，通過分析上次變化及和之后的線圈統(tǒng)計相對比就可以判斷車輛擁堵是否已經(jīng)達(dá)到了某一等級。

3　算法

這里先討論單個交通燈路口利用由傳感器接收到的數(shù)據(jù)，并由這些數(shù)據(jù)得到我們所需要的參數(shù)，通過對得到的參數(shù)再進(jìn)行分析和處理，得到所需結(jié)果數(shù)據(jù)，即信號燈亮滅時間長度。

系統(tǒng)會在一天的時間內(nèi)，記錄車流量及交通狀況，并劃分出時段做出統(tǒng)計，給出一個高峰低谷時段分布表，記錄在時段表數(shù)組里面。通過人工分析時段表，可以人為地給出一個在不同時段的不同人行橫道時間經(jīng)驗值供系統(tǒng)分析使用。

下面給出一種簡單的數(shù)學(xué)模型闡述算法原理。

為了簡化分析，我們只建立一個孤立的十字路口模型說明原理，如圖3所示是一孤立的十字路口，其中帶有腳標(biāo)的是各個路口車流方向，而大寫字母則代表該方向的人行橫道。

設(shè)一個交通周期T為不能同時亮的綠燈時間總和。我們暫不考慮右轉(zhuǎn)的情況，即不考慮a3，b3，c3，d3的情況。

設(shè)Tsi，i=1,2,3,4，分別為a1，b1，c1，d1的直行綠燈時間；設(shè)Tli，i=1,2,3,4，分別為a2，b2，c2，d2的左轉(zhuǎn)綠燈時間。

交通周期T的組成：

T=max（Ts1,Ts2）+max（Ts3,Ts4）+max（Tl1,Tl2）+ max（Tl3,Tl4）；

令t1=|Ts1-Ts2|，t2=|Ts3-Ts4|，t3=|Tl1-Tl2|，t4= |Tl3-Tl4|分別為同一方向直行綠燈可能存在的差值；

則T=min（Ts1,Ts2）+min（Ts3,Ts4）+min（Tl1,Tl2）+ min（Tl3,Tl4）+t1+t2+t3+t4；

設(shè)S為在一個交通周期內(nèi),積累的車隊的最大長度，因此設(shè)Sa、Sb、Sc、Sd是四個方向的滯留車輛長度（包括左轉(zhuǎn)和直行車道的數(shù)目），這個長度可以劃分為左轉(zhuǎn)滯留Sli和直行滯留Ssi，i=1,2,3,4；這個是本文系統(tǒng)可以測量的參數(shù)，測量方法在前文給出，通過測量得到的參數(shù)還有四個方向的直行車流量Cs1、Cs2、Cs3、Cs4；左轉(zhuǎn)車流量Cl1,Cl2,Cl3, Cl4。

變量假設(shè)完畢，算法里需要輸出的最終結(jié)果是單位時間內(nèi)總體滯留在路口的車輛最少，則有總式：

我們則需要的最佳情況即為F(T)最小的情況。

為了簡化分析，可以直接引用所測量到的車流量數(shù)據(jù)，所以這里采用了經(jīng)驗公式[3]：

其中Vε為等效車流量（輛/h），v為實際車流量（輛/h），v1為綠燈直行輛數(shù)（輛/h），v2為左轉(zhuǎn)車輛數(shù)（輛/h），n為有效車道數(shù)。

則下交通周期長度可由以下公式給出：

通過測量，上一周期四方向的滯留數(shù)目為S1l、S2l、S3l、S4l，本周期的則為S1t、S2t、S3t、S4t，其中每個均為此方向直行和左轉(zhuǎn)滯留數(shù)目的和，此周期某一方向的平均車輛增加速度設(shè)為Ui，i=1,2,3, 4；則Ui就是前一周期和本周期的滯留車輛數(shù)目之差對時間求平均值，即

Ui=（Sil-Sit）/(Tsi+Tli)，其中i=1,2,3,4。

設(shè)Txi為某方向下一周期綠燈總時間，即某方向下周期左轉(zhuǎn)綠燈時間和直行綠燈之和。

Sxi為某方向下一周期滯留增長數(shù)目，我們可以預(yù)測下一周期的路口的滯留車輛增長數(shù)目：

Sxi=Ui*Txi，其中i=1,2,3,4。

在此說明的是，這個預(yù)測并不是下一周期的數(shù)學(xué)模型的輸入值，該預(yù)測數(shù)目反應(yīng)的是我們對此交通路口車輛數(shù)目改變趨勢，是我們所期望達(dá)到的效果。顯然我們需要Sxi越小越好，即Ui越小越好（其中1對應(yīng)a方向，2對應(yīng)b方向，3對應(yīng)c方向，4對應(yīng)d方向）。

當(dāng)Ui<0的時候，這時候我們不對信號燈時間進(jìn)行調(diào)整，因為數(shù)量變化趨勢是總體減少的，但若車流量減少導(dǎo)致T的減少，則此時按比例縮減信號燈的時間，等待下周期判斷Ui的正負(fù)。

當(dāng)Ui>0的時候，這時候我們需要對時間調(diào)整，使得S最小。

由此可知，我們需要的S，可以由Sxi給出：

根據(jù)前面把一個交通周期分解為八個變量的方法，同樣的，可以將下個周期的時間分解為八個變量進(jìn)行計算。由于Tn的值已經(jīng)得出，所以下面就是八個變量的分配問題，為了簡化硬件設(shè)備其中左轉(zhuǎn)和直行的時間可以按滯留車輛數(shù)目比例折算。

約束條件：已經(jīng)根據(jù)經(jīng)驗知道，司機(jī)可以忍受的最大周期時間為140秒，故T≤140s[4]。

分析加入人行橫道后，

設(shè)Tri，i=1,2,3,4分別為a2,b2,c2,d2的右轉(zhuǎn)綠燈時間；

設(shè)TA,TB,TC,TD分別為四個人行橫道時間。

顯然TA=Ts1-Tr1,，TB,TC,TD與之類似。

故可得到TA≥0,TB≥0,TC≥0,TD≥0；

由于即使無車通過也要留出人行時間，故

t1≥max（TC,TD）；t2≥|TC-TD|；t3≥max（TA,TB）；t4≥|TA-TB|；

min（Ts1，Ts3）>max（Tc，Td）

min（Ts2，Ts4）>max（Ta，Tb）

在此，我們發(fā)現(xiàn)通過測量的得到的參數(shù)只有：Sa、Sb、Sc、Sd、v，通過經(jīng)驗得到的變量則有：v1、v2、TA、TB、TC、TD，因此就可以使用這些變量和參數(shù)作為接口，將數(shù)學(xué)模型在軟件中寫成函數(shù)形式，這樣就可以比較容易的替換使用這些參數(shù)更復(fù)雜但更加完善的數(shù)學(xué)模型。參照上文環(huán)形線圈采樣及滯留車輛信息獲取方案的模糊處理，通過基于STC12C5A60S2單片機(jī)的系統(tǒng)進(jìn)行上述算法處理。

4　無線通信網(wǎng)絡(luò)

基于STC12C5A60S2微處理器，設(shè)計了一種簡單的基于4432系列多通道嵌入式無線數(shù)傳模塊和單片機(jī)技術(shù)的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。Si4432芯片是Sili?con Labs公司推出的一款高集成度、低功耗、多頻段的EZ Radio PRO系列無線收發(fā)芯片。模塊提供了多頻段多信道以及網(wǎng)絡(luò)ID，來降低傳輸過程中的干擾以提高傳輸性能[5]。

使用一種自行擬定的通信協(xié)議算法實現(xiàn)多路口信息匯總處理和指令發(fā)送的組網(wǎng)（如圖4示）。由于我們事先已經(jīng)設(shè)定好了一套系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)選擇字，每一個節(jié)點(diǎn)對應(yīng)一個選擇字，系統(tǒng)上電后首先主機(jī)向主機(jī)覆蓋下的一級節(jié)點(diǎn)發(fā)送事節(jié)點(diǎn)選擇字，選中其中某一節(jié)點(diǎn)，主機(jī)等待接受，接著由選中的節(jié)點(diǎn)對主機(jī)發(fā)送此節(jié)點(diǎn)信息并接著對其覆蓋范圍下但不在主機(jī)覆蓋范圍下的二級節(jié)點(diǎn)再發(fā)送節(jié)點(diǎn)選擇字，以此類推至最底層某一節(jié)點(diǎn)，并由此節(jié)點(diǎn)傳輸此點(diǎn)數(shù)據(jù)層層發(fā)送回去，由此完成主機(jī)對所有節(jié)點(diǎn)的逐個訪問和收集，而主機(jī)發(fā)送一次節(jié)點(diǎn)選擇字后，所收集到的多條信息，由信息包字的某幾位判斷是哪一個節(jié)點(diǎn)的信息。主機(jī)依然由一個單片機(jī)組成。也可將單片機(jī)與PC機(jī)相連接，將數(shù)據(jù)傳送到PC機(jī)處理。

5　未來展望

關(guān)于ITS系統(tǒng)發(fā)展和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計，我們認(rèn)為未來的方向有五個：一是信息發(fā)布平臺，二是提高信息獲取精度，三是增多交通信息獲取種類，四是分析算法和數(shù)學(xué)模型的改進(jìn)，五是改進(jìn)通信網(wǎng)絡(luò)。

[1]曹成濤，徐建閩.基于壓電和線圈的交通參數(shù)檢測系統(tǒng)設(shè)計[D].廣州：華南理工大學(xué)交通學(xué)院，2007：2-13．

[2]孔德強(qiáng)，曲仕茹.環(huán)形線圈車輛檢測器的改進(jìn)設(shè)計[J].工業(yè)儀表與自動化裝置，2007，20(2):51-53．

[3]周商吾.交通工程[M].上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，1987：15-100．

[4]許剛.基于C8051和Si4432無線收發(fā)透明模塊設(shè)計與實現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2012（23）．

(責(zé)任編輯：趙建周）

A New Intelligent Transportation Systems Based on Vehicle Congestion

HUA Hong-yan，TIAN Chuan,LIU Chun,JIA Qing-chao,WU Xiao-fang
(Zhengzhou Institute of Aeronautical Industry Management,Zhengzhou 450000,China)

Article based on electromagnetic coils buried raised the number of measuring the amount of stranded vehicles and traffic detection and wireless communications networking solutions.Program uses STC12C5A60S2 MCU as the master,SI4432 as a wireless communication module.Paper describes the principles of road conges?tion information obtained,a brief introduction to the stranded vehicles and traffic detection method,system hard?ware design,software algorithms logical thinking in order to achieve multi-junction traffic lights can be adjusted according to road congestion lamp light off time and multi-junction coordinated control regulation.

stranded traffic;congestion;ITS

U491.51

A

1673-2928（2015）02-0031-04

2014-08-30

田川（1992-），男，河南中牟縣人，鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院電子通信工程系電子信息工程專業(yè)2011級本科生。