基于云模型的單路口交通信號(hào)智能控制系統(tǒng)研究

羅金玲

摘 要：針對(duì)當(dāng)前城市路口交通信號(hào)易發(fā)生擁堵的現(xiàn)象，設(shè)計(jì)出了交通信號(hào)智能控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)首先對(duì)云模型的定義、正態(tài)云模型和云發(fā)生器進(jìn)行了分析；其次對(duì)單路口交通信號(hào)的建模和智能算法進(jìn)行了研究；最后從總體流程、硬件、軟件對(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)的分析研究。文章對(duì)于系統(tǒng)設(shè)計(jì)和交通規(guī)劃都具有一定的積極意義。

關(guān)鍵詞：云模型；交通信號(hào)；智能算法；交通規(guī)劃

中圖分類(lèi)號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2015）11-00-02

0 引 言

隨著城市人口和車(chē)輛的增多，城市交通問(wèn)題受到人們?cè)絹?lái)越多的關(guān)注，交通的通暢與否已經(jīng)影響到人們的生活質(zhì)量和工作效率。道路交通是一門(mén)綜合性非常強(qiáng)的系統(tǒng)工程，提高城市的交通效率可以通過(guò)擴(kuò)寬和修建道路來(lái)完成，但是城市里的土地資源有限，道路不可能無(wú)止境地修建，所以，可以通過(guò)智能交通信號(hào)來(lái)管理整個(gè)交通系統(tǒng)，使道路上車(chē)輛的行駛更加科學(xué)、安全。

1 云模型

1.1 云模型的定義

在當(dāng)前社會(huì)中，有許多的不確定問(wèn)題和事件，通過(guò)數(shù)據(jù)提取技術(shù)將它們的隨機(jī)性和模糊性提取出來(lái)，再利用模糊數(shù)學(xué)理論對(duì)其進(jìn)行分析，從而得到一個(gè)評(píng)估近似的結(jié)果。這也是人與機(jī)器本質(zhì)的區(qū)別，在學(xué)習(xí)和認(rèn)知過(guò)程中，存在著大量的模糊概念，需要人們不斷地對(duì)其進(jìn)行判斷、評(píng)價(jià)和學(xué)習(xí)。

1995年，我國(guó)李德毅院士在對(duì)不確定性問(wèn)題的研究過(guò)程中，提出了如何處理定性概念與定量描述過(guò)程中使用不確定轉(zhuǎn)換模型，即云模型。云模型是建立在正態(tài)分布的基礎(chǔ)上，可以較清晰地描述和表示模糊數(shù)學(xué)中數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，具有隨機(jī)性和穩(wěn)定傾向性的特點(diǎn)。在當(dāng)前的工業(yè)控制、組合優(yōu)化、圖像處理、信號(hào)控制、經(jīng)濟(jì)調(diào)控等社會(huì)生活和生產(chǎn)領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用。

1.2 正態(tài)云模型

在概率統(tǒng)計(jì)學(xué)中，正態(tài)分布是最常見(jiàn)的分布，有方差和均值兩個(gè)常用參數(shù)，其幾何模型和使用符合人類(lèi)社會(huì)發(fā)展規(guī)律，應(yīng)用比較廣泛。正態(tài)云是在正態(tài)分布的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的散點(diǎn)云模型。

正態(tài)云的定義如下：一個(gè)定量論域X={x}，其中A是X上的一個(gè)定性概念，那么對(duì)于x都有一個(gè)穩(wěn)定傾向隨機(jī)數(shù)，即x是A上的隨機(jī)實(shí)現(xiàn)。X對(duì)于A滿(mǎn)足公式（1），則稱(chēng)為x在論域X上的正態(tài)云。

（1）

不同參數(shù)的正態(tài)云生成的正關(guān)圖像是不同的，其中分布是正態(tài)的，取值是不確定的，每個(gè)云滴的映射也不同，隨著云滴增加，云的特性表現(xiàn)更加明顯。為了實(shí)現(xiàn)云模型計(jì)算，需要三個(gè)參數(shù)，分別是期望Ex、熵En、超熵He，這三個(gè)參數(shù)在云模型中的關(guān)系如圖1所示。

圖1 正態(tài)云模型

1.3 正態(tài)云發(fā)生器

正態(tài)云發(fā)生器是將定性概念和數(shù)據(jù)分布規(guī)律互相轉(zhuǎn)化的模型。分為正態(tài)云發(fā)生器和逆向云發(fā)生器兩種。正向云發(fā)生器是通過(guò)云模型參數(shù)生成符合正態(tài)分布的云滴的模型，即由期望Ex、熵En、超熵He推出云滴μ（x）的過(guò)程，而逆發(fā)生器是將云團(tuán)轉(zhuǎn)化為定性概念的模型。

2 單路口建模與優(yōu)化

2.1 單路口建模

當(dāng)前，我國(guó)的交通信號(hào)主要采用紅、黃、綠三色，在單路口建模以前，需要對(duì)幾個(gè)常用的術(shù)語(yǔ)進(jìn)行描述：

（1）周期

信號(hào)燈在紅黃綠三種顏色間不斷交替，當(dāng)前我國(guó)大部分城市采用的都是紅綠燈定時(shí)的方案，周期是綠、黃、紅燈時(shí)間相加起來(lái)的總和。

（2）車(chē)輛滯留量

在單個(gè)路口，允許等待紅綠燈的最大車(chē)輛數(shù)目。

（3）綠信比

綠燈時(shí)間和周期的比例。

（4）相位

在一個(gè)路口，當(dāng)車(chē)輛行駛向同一方向行進(jìn)稱(chēng)為一相，路口的車(chē)輛可能同時(shí)有多相行駛，相位越多，代表當(dāng)前的交通秩序越好。

當(dāng)?shù)缆烦霈F(xiàn)擁堵現(xiàn)象時(shí)，就會(huì)有交警在路口指揮交通，這使得交通信號(hào)具有了智能性。如果交通信號(hào)燈在沒(méi)有交警的情況下能夠智能地對(duì)車(chē)輛進(jìn)行引導(dǎo)，可以節(jié)省大量的警力。

在單個(gè)交叉路口的規(guī)劃中，需要在路口盡可能多地通過(guò)車(chē)輛，同時(shí)根據(jù)實(shí)際情況有效地改變綠信比，使得車(chē)輛滯留量多的路段延長(zhǎng)綠燈時(shí)間，從而避免該路段的堵塞。單交叉路口規(guī)劃建模如圖2所示。

圖2 單交叉路口規(guī)劃建模

單路口規(guī)劃的數(shù)學(xué)模型計(jì)算出來(lái)的最大車(chē)輛通過(guò)量f（t）如公式（2）所示：

（2）

為了保證每個(gè)相位的相對(duì)公平，其中ti的時(shí)間和不能超過(guò)120秒，每個(gè)時(shí)間相位ti的時(shí)間不能少于10秒，pi為一分鐘內(nèi)通過(guò)的車(chē)輛數(shù)。

2.2 智能算法

交通信號(hào)能夠隨著車(chē)流輛的多少而自行設(shè)置紅綠燈的時(shí)間，因此交通信號(hào)具有智能分析能力，本文將遺傳算法應(yīng)用到交通信號(hào)控制中，使信號(hào)燈能夠根據(jù)不同的交通情況自行進(jìn)行處理。

遺傳算法是借鑒“優(yōu)勝劣汰，適者生存”的自然法則而產(chǎn)生的隨機(jī)搜索算法，是當(dāng)前最流行的智能算法，主要經(jīng)過(guò)群體初始化、數(shù)據(jù)編碼、對(duì)信息進(jìn)行編碼、選擇及交叉運(yùn)算，經(jīng)過(guò)變異后設(shè)置終止條件，進(jìn)而得到最優(yōu)解的過(guò)程。

3 交通信號(hào)智能控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)總體流程

根據(jù)交通的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)的系統(tǒng)要具有實(shí)時(shí)性、靈活性、智能性和獨(dú)立性的特點(diǎn)，通過(guò)照相設(shè)備和傳感器獲取車(chē)流量信息，對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并分析，經(jīng)過(guò)遺傳算法與交通特點(diǎn)相結(jié)合生成適當(dāng)?shù)目刂撇呗?，并生成相?yīng)的信號(hào)控制系統(tǒng)對(duì)信號(hào)燈的變化進(jìn)行管理，達(dá)到合理分配交通流量的目的。其總體流程如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)總體流程

3.2 硬件設(shè)計(jì)

采用LPC2378作為整個(gè)系統(tǒng)的中央處理器，將檢測(cè)器、鍵盤(pán)與LED顯示、輸出、異常處理、上位機(jī)、模擬顯示設(shè)備與之相連，可以有效地收集道路的交通數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)的完整采集和輸出。其硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

3.3 軟件設(shè)計(jì)

軟件是整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)算的關(guān)鍵，管理著相關(guān)數(shù)據(jù)信息在設(shè)備上的輸入和輸出，確保不同設(shè)備之間的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交流，并進(jìn)行智能化計(jì)算，確保得出最優(yōu)的紅綠燈運(yùn)行時(shí)間，達(dá)到智能控制的要求。其核心代碼如下：

int sj，i，j；

float Addhe=0；

float p；

for（sj=0；sj

{

Addhe+=diedai[sj].fitness；

}

for（sj=0；sj

{

diedai[sj].rfitness=diedai[sj].fitness/Addhe；

}

diedai[0].shihe=diedai[0].rfitness；

for（sj=1；sj

{

diedai[sj].shihe=diedai[sj.shihe+diedai[sj].rfitness；

}

for（i=0；i

{

p=rand（）%1000/1000.0；

if（p

{

newdiedai[i]=diedai[0]；

}

else

{

for（j=0；j

if（p>=diedai[j].shihe&&p

newdiedai[i]=diedai[j+1]；

}

}

for（i=0；i

diedai[i]=newdiedai[i]；

4 結(jié) 語(yǔ)

本文對(duì)單路口交通信號(hào)智能控制系統(tǒng)進(jìn)行研究，在當(dāng)前社會(huì)中，交通問(wèn)題已經(jīng)成為困擾每個(gè)城市發(fā)展的重要問(wèn)題，解決交通難題可以提高市民的生活品質(zhì)和提升城市的品質(zhì)。本文結(jié)合云模型和遺傳算法使交通信號(hào)的控制具有智能化，實(shí)時(shí)緩解了交通擁堵的運(yùn)行狀況。

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