基于模糊控制原理的智能交通信號控制系統(tǒng)的設(shè)計

張濤, 張文平, 王炎

(華北科技學院，河北 三河 065201)

基于模糊控制原理的智能交通信號控制系統(tǒng)的設(shè)計

張濤, 張文平, 王炎

(華北科技學院，河北 三河 065201)

為了解決交通擁擠問題，根據(jù)不同方向的車輛流量合理地安排交通路口通行時間，設(shè)計了一種采用模糊控制原理的智能交通信號控制系統(tǒng)。詳細給出交通信號模糊控制器的結(jié)構(gòu)原理和設(shè)計結(jié)果。并設(shè)計以AT89C51單片機為主控制器的交通信號控制系統(tǒng)，用以驗證設(shè)計的模糊控制器。系統(tǒng)采用模糊控制原理對交通信號進行智能調(diào)整，實現(xiàn)根據(jù)車流量自動調(diào)整不同方向交通信號的點亮時間和通行時間。模糊控制器的設(shè)計過程與仿真結(jié)果表明：模糊控制原理是完成智能自動調(diào)整交通信號的理論基礎(chǔ)，并具有實際的應用價值。

模糊控制；交通信號；智能調(diào)節(jié)；單片機系統(tǒng)；仿真設(shè)計

0 引 言

隨著我國經(jīng)濟社會的快速發(fā)展，車輛數(shù)量的猛增導致城市的交通面臨著嚴峻的考驗，城市的交通問題日益嚴重。

當前，在城市每個交叉路口安裝使用的交通信號控制系統(tǒng)，是一種定時控制交通信號的方式，即不考慮各個方向的實際車輛流量而定時進行交通信號的切換。這種方法在交通流量大或各個方向交通流量不平衡時，將會形成車流量較大方向的通行時間較短、而車流量較小方向的通行時間較長的現(xiàn)象，從而造成交通路口通行不暢，形成交通擁堵。

為了能夠根據(jù)不同方向的車輛流量而合理地調(diào)整該方向的通行時間，本文設(shè)計一種采用模糊控制原理的智能交通信號控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)能夠根據(jù)車輛流量的實時變化，及時合理地調(diào)整不同方向的通行時間，從而能夠大大提高道路交叉路口的通行效率，有效地解決交通擁堵情況[1-2]。

1 系統(tǒng)控制方案設(shè)計

模糊控制(Fuzzy Control)是一種模仿人的大腦對模糊信息進行判斷的控制方法，具有能夠根據(jù)外界參數(shù)的變化而不斷進行自身調(diào)整的能力，因此是一種智能自適應控制策略。

根據(jù)交通路口的實際情況，可采用單變量二維模糊控制器對交通信號進行智能調(diào)節(jié)控制。定義模糊控制器的輸入分別為南北方向的車輛流量和東西方向的車輛流量，模糊控制器的輸出則為下一個時間段內(nèi)某個方向的車輛通行時間。

基于模糊控制原理的智能交通信號控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。其中nb為南北方向的車輛流量檢測值，dx為東西方向的車輛流量檢測值，它們構(gòu)成模糊控制器的精確輸入值；t為下一時段需要調(diào)整的通行時間，它為模糊控制器的精確輸出值；NB、DX、T則分別為精確值nb、dx、t的模糊變量值。圖中虛線框內(nèi)為模糊控制器，其主要由模糊化運算環(huán)節(jié)、模糊判決環(huán)節(jié)、清晰化運算環(huán)節(jié)等三個部分組成[3-4]。

圖1 智能交通信號控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖

2 模糊控制器設(shè)計

2.1 輸入變量定義及其模糊化

設(shè)計的模糊控制器共有兩個輸入變量，分別為南北方向車輛流量和東西方向車輛流量。現(xiàn)以南北方向車輛流量輸入為例進行設(shè)計說明，東西方向車輛流量輸入與此類似，不再贅述。

在東西方向綠燈通行、南北方向紅燈禁行期間，設(shè)南北方向等待通行的車輛累計流量的取值范圍為[0，51]輛。其中數(shù)值51是指南北方向等待通行的車輛累計最大數(shù)目，該數(shù)值可以根據(jù)道路交通的實際情況而進行具體確定。

論域是語言變量的量化檔數(shù)，將南北方向等待通行車輛的論域確定為12檔，即論域為{-5，-4，-3，-2，-1，-0，+0，+1，+2，+3，+4，+5}，建立南北方向輸入變量與論域轉(zhuǎn)換對照表，如表1 所示[5]182,[6]21。

表1 南北方向輸入變量與論域轉(zhuǎn)換對照表

為南北方向輸入語言變量選取8個語言值：NB(很少)、NM(較少)、NS(少)、N0(偏少)、P0(偏多)、PS(多)、PM(較多)、PB(很多)。根據(jù)交叉路口交通流量的實際情況，建立南北方向輸入變量的賦值表，如表2所示。表中第一行中的各元素表示輸入變量的論域；第一列中的各元素表示模糊語言變量值；各行與各列的交叉點值則表示模糊語言變量值與輸入變量論域之間的隸屬度值。

表2 南北方向輸入變量的賦值表

2.2 輸出變量定義及其模糊化

模糊控制器的輸出變量為下一時段的通行時間。此處以下一個時間段內(nèi)南北方向通行時間為例進行設(shè)計說明，再下一個時間段內(nèi)東西方向通行時間與此類似，不再贅述。

在下一個時間段內(nèi)，設(shè)南北方向綠燈通行(東西方向紅燈禁行)的時間取值范圍為[0，60]秒。其中，數(shù)值0是指南北方向綠燈通行的最小時間，數(shù)值60是指南北方向綠燈通行的最大時間，這兩個數(shù)值均可以根據(jù)道路交通的實際情況而進行具體確定。

將南北方向綠燈通行時間的論域確定為11檔，即論域為{-5，-4，-3，-2，-1，0，+1，+2，+3，+4，+5}，建立南北方向輸出變量與論域轉(zhuǎn)換對照表，如表3 所示[5]182,[6]21。

為南北方向輸出語言變量選取7個語言值：NB(很少)、NM(較少)、NS(少)、0(正常)、PS(多)、PM(較多)、PB(很多)。根據(jù)交叉路口交通流量的實際情況，建立南北方向輸出變量的賦值表，如表4所示。表中第一行中的各元素表示輸出變量的論域；第一列中的各元素表示模糊語言變量值；各行與各列的交叉點值則表示模糊語言變量值與輸出變量論域之間的隸屬度值。

表3 南北方向輸出變量與論域轉(zhuǎn)換對照表

表4 南北方向輸出變量的賦值表

2.3 模糊推理

模糊推理是模糊控制器模仿人的大腦做出模糊判斷的過程，模糊推理的具體形式為模糊控制規(guī)則表。

模糊控制器的輸入分別為南北方向車輛流量和東西方向車輛流量，它們均有8個模糊語言值，因而模糊控制器共有64條模糊控制規(guī)則。這些模糊控制規(guī)則決定了模糊控制器的輸出變量，即下一個時間段內(nèi)某個方向的車輛通行時間的模糊語言變量值。

表5為下一個時間段內(nèi)某個方向的車輛通行時間的模糊控制規(guī)則表。表中，第一行中的各元素表示南北方向車輛流量輸入的模糊語言變量值；第一列中的各元素表示東西方向車輛流量輸入的模糊語言變量值；各行與各列的交叉點值則表示下一個時間段內(nèi)某個方向車輛通行時間的模糊語言變量值[5]182-183,[6]21-22。

表5 車輛通行時間的模糊控制規(guī)則表

通過模糊推理運算，能夠得到下一個時間段內(nèi)某個方向的車輛通行時間的模糊語言變量輸出值。再采用加權(quán)平均值方法，將該模糊語言變量輸出值進行清晰化運算，即可最終確定下一個時間段內(nèi)某個方向的車輛通行的精確時間。

3 交通信號控制系統(tǒng)設(shè)計

3.1 系統(tǒng)概述

為驗證前述設(shè)計的模糊控制器，設(shè)計一種基于單片機的交通信號控制系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，通過程序設(shè)計來實現(xiàn)模糊控制器的功能，進而驗證模糊控制器設(shè)計的正確性和可行性。

該交通信號控制系統(tǒng)主要包括電源模塊、主控制器系統(tǒng)模塊、車輛流量檢測模塊、顯示電路接口模塊、東西方向顯示電路、南北方向顯示電路等部分。

車輛流量檢測模塊用于實時檢測不同方向的車輛流量，用于計算等待通過車輛的數(shù)目。顯示電路接口模塊用于驅(qū)動兩個方向的紅色、黃色、綠色交通信號點亮，以及兩個方向的顯示器顯示通行的倒計時時間[7]。

3.2 主控制器系統(tǒng)模塊

主控制器系統(tǒng)模塊由主控制器(CPU)、復位電路、晶振電路等組成，它是交通信號控制系統(tǒng)的控制核心裝置。

在本設(shè)計中，主控制器選用AT89C51型號的單片機。單片機的XTAL1、XTAL2端口之間接石英晶體振蕩電路；RST端口接復位電路；P3.2端口接緊急停止按鍵。

當按下緊急停止按鍵時，此時東西方向、南北方向的紅色均被點亮，所有顯示器均顯示“-”字樣，表示該交通路口不允許任何車輛通過。

3.3 車輛流量檢測模塊

為自動調(diào)整各個方向交通信號的點亮時間和通行時間，需要實時對各個方向的車輛流量進行檢測累加。此處采用按鍵模擬檢測車輛流量，如圖2所示。

在每個方向上，近處和遠處分別設(shè)置1個按鍵，四個方向上共設(shè)置8個按鍵。按鍵被按下一次，表示通過一輛車輛。“東近”按鍵表示對近處通過東向交通路口的車輛進行檢測計數(shù)，“東遠”按鍵表示對遠處進入東向交通路口的車輛進行檢測計數(shù)，二者之差即為東向交通路口當前等待通過車輛的數(shù)目。其它按鍵的功能與此類似。

圖2 車輛流量檢測模塊

3.4 顯示電路模塊

交通信號控制系統(tǒng)需要顯示通行指示燈和倒計時時間，使用LED顯示器和LCD顯示器均可滿足顯示要求。

為簡化顯示電路的設(shè)計，將南向、北向的通行指示燈和倒計時時間合并在一處，將東向、西向的通行指示燈和倒計時時間合并在一處。為使顯示效果直觀，南北方向分別設(shè)置紅色指示燈及倒計時時間、綠色指示燈及倒計時時間、黃色指示燈及倒計時時間；東西方向分別設(shè)置紅色指示燈及倒計時時間、綠色指示燈及倒計時時間、黃色指示燈及倒計時時間。

3.5 運行流程

基于模糊控制原理的智能交通信號控制系統(tǒng)的運行流程如下：

(1)單片機系統(tǒng)上后進行初始化，完成端口設(shè)置等功能。

(2)點亮東西方向綠色信號燈和南北方向紅色信號燈，顯示倒計時時間30秒。

(3)在此期間，檢測計算南北方向等待通行的車輛累計數(shù)目。

(4)點亮東西方向黃色信號燈，點亮南北方向紅色信號燈，顯示倒計時時間5秒。

(5)在此期間，調(diào)用模糊控制表，計算下一時間段內(nèi)南北方向綠燈的通行時間。

(6)點亮南北方向綠色信號燈，點亮東西方向紅色信號燈，按照第(5)計算的南北方向綠燈通行時間顯示倒計時時間。

(7)點亮南北方向黃色信號燈，點亮東西方向紅色信號燈，顯示倒計時時間5秒。

(8)在此期間，調(diào)用模糊控制表，計算下一時間段內(nèi)東西方向綠燈的通行時間。

(9)點亮東西方向綠色信號燈，點亮南北方向紅色信號燈，按照第(8)計算的東西方向綠燈通行時間顯示倒計時時間。

(10)返回至第(4)步，循環(huán)往復。

4 仿真驗證

為驗證模糊控制器設(shè)計內(nèi)容的正確性和可行性，本設(shè)計采用Proteus軟件對交通信號控制系統(tǒng)進行仿真模擬。

基于模糊控制原理的智能交通信號控制系統(tǒng)的仿真運行結(jié)果如圖3所示，圖中顯示的是南北方向紅燈禁行、東西方向綠燈通行的情況。交通信號控制系統(tǒng)的全部模塊內(nèi)容較多，為簡化圖形，圖中只給出了紅色、黃色、綠色交通信號和顯示器等部分的仿真結(jié)果，而去除了主控制器系統(tǒng)模塊、按鍵模塊等其它模塊的仿真結(jié)果[8-9]。

圖3 交通信號控制系統(tǒng)的仿真結(jié)果

5 結(jié)束語

為能夠根據(jù)不同方向道路的車輛流量而實時調(diào)整不同方向道路的通行時間，本文設(shè)計了一種采用模糊控制原理的智能交通信號控制系統(tǒng)。該智能交通信號控制系統(tǒng)充分利用模糊控制具有自適應控制的優(yōu)點，靈活地根據(jù)實際情況來調(diào)整交通路口的通行時間，變固定通行時間為可變通行時間，最大限度地發(fā)揮交通路口的通行效率，更好地解決了交通擁堵問題。

為了驗證模糊控制器設(shè)計的合理性和可行性，本文設(shè)計了基于AT89C51單片機的交通信號控制系統(tǒng)，使用Proteus軟件對所設(shè)計的交通信號控制系統(tǒng)進行了仿真計算。仿真結(jié)果表明：模糊理論原理是完成智能自動調(diào)整交通信號的一種有效控制策略，可以提高道路交叉路口的使用效率，為智能交通系統(tǒng)的實現(xiàn)提供了一條新途徑。

在校本科學生參與了該系統(tǒng)的設(shè)計過程和本論文的寫作過程，不僅提高了學生將理論知識應用于實踐開發(fā)的能力，而且培養(yǎng)了學生的科技創(chuàng)新能力[10]。

[1] 張濤．自動化專業(yè)實驗實習指導教程[M]．徐州：中國礦業(yè)大學出版社，2015．

[2] 張濤．自動化專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(論文)指導教程[M]．北京：煤炭工業(yè)出版社，2013．

[3] 張濤，潘玉民．自動控制系統(tǒng)實驗實踐教程[M]．北京：煤炭工業(yè)出版社，2010．

[4] 潘新民，王燕芳．微型計算機控制技術(shù)[M]．2版.北京：電子工業(yè)出版社，2011．

[5] 張海英，余臻，陳燕萍．模糊控制在智能交通燈監(jiān)控系統(tǒng)中的應用[J]. 計算機技術(shù)與發(fā)展,2008, 18(3)：181-183.

[6] 趙晨，胡福喬，施鵬飛. 基于模糊邏輯的交通信號控制[J]. 電氣自動化, 2002, 24(5):20-22.

[7] 嚴震，汪洪亮，張濤. 基于單片機的交通信號燈控制系統(tǒng)的設(shè)計及其仿真[J]. 教育科學博覽,2015,17(4):256-258.

[8] 張濤. GPS模塊和89C52控制器的授時與定位裝置設(shè)計制作[J]. 電氣自動化,2015, 37(5)：115-117.

[9] 張濤. 基于單片機的瓦斯?jié)舛葯z測報警裝置的設(shè)計與仿真[J]. 煤炭工程,2014, 46(3):128-130.

[10] 張濤. 自動化專業(yè)學生的實踐能力與創(chuàng)新精神的培養(yǎng)機制[J]. 教育科學博覽,2012,14(12):23-26.

Design of an Intelligent Traffic Signal Control System Based on Fuzzy Control Principle

Zhang Tao, Zhang Wenping, Wang Yan

(North China Institute of Science and Technology, Sanhe Hebei 065201, China)

To solve the problem of traffic congestion, this paper designs an intelligent traffic signal control system adopting fuzzy control principle which can reasonably arrange transit time at crossroads according to vehicle flow in different directions. Structural principle and design result of the fuzzy controller for traffic signal are given in detail. It further designs a traffic signal control system using AT89C51 single chip microcomputer as main controller to verify the fuzzy controller designed. The system adopts the principle of fuzzy control in its intelligent adjustment of traffic signal and automatically adjusts the light time and transit time of traffic signal in different directions according to vehicle flow. The design process and simulation result of the fuzzy controller show that fuzzy control principle is the theoretical basis for intelligent automatic adjustment of traffic signal and has practical application value.

fuzzy control; traffic signal； intelligent control； single chip microcomputer system；simulation design

中央高校基本科研業(yè)務(wù)費資助項目(3142015100);國家級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目(201411104020);華北科技學院教研基金資助項目(HKJY201410)

10.3969/j.issn.1000-3886.2016.05.005

TP273+.4

A

1000-3886(2016)05-0015-03

張濤(1972-)，男，黑龍江拜泉人，阜新礦業(yè)學院學士，遼寧工程技術(shù)大學碩士，浙江大學博士，華北科技學院自動化系教授、工程師、主任。研究方向：自動控制、計算機控制系統(tǒng)、煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)。

定稿日期: 2016-05-23