智能紅綠燈在城市中的應(yīng)用探討

劉胤哲

（山東 濟(jì)寧 272000）

由于機(jī)動(dòng)車(chē)的不斷普及，在各大城市十字路口經(jīng)常出現(xiàn)等紅燈的擁堵現(xiàn)象。很多時(shí)候我們會(huì)看到一種情況：紅燈方向的車(chē)道車(chē)輛數(shù)量比較多，而綠燈通行的車(chē)道車(chē)流量卻很少。某一方向出現(xiàn)擁堵，而車(chē)流量與紅綠燈狀況不相適應(yīng)，導(dǎo)致了交通的進(jìn)一步擁堵。

20世紀(jì)70年代末，澳大利亞成功研制了“悉尼自適應(yīng)交通控制系統(tǒng)（SCATS）”，該系統(tǒng)能夠根據(jù)紅外測(cè)距改變各相位綠燈時(shí)間，但靈活度不夠，控制策略欠佳。2015年，英國(guó)推出了SCOOT系統(tǒng)，采用了視頻攝像技術(shù)，根據(jù)檢測(cè)器得到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，對(duì)子區(qū)和路網(wǎng)的信號(hào)配時(shí)進(jìn)行優(yōu)化。但其實(shí)用性和可靠性之間存在矛盾。

目前智能紅綠燈的應(yīng)用不夠，但交通擁堵?tīng)顩r嚴(yán)重，亟需一種能夠智能控制紅綠燈的系統(tǒng)。本文采用智能紅綠燈系統(tǒng)，根據(jù)車(chē)流量多少合理地調(diào)控紅綠燈時(shí)間的長(zhǎng)短，就能減少一個(gè)周期內(nèi)十字路口前排隊(duì)的車(chē)輛數(shù)，從而很好地緩解堵車(chē)的問(wèn)題，還能進(jìn)一步減少碳排放。

1 監(jiān)測(cè)車(chē)流量原理

本方案設(shè)計(jì)在距離十字路口交通燈前方60m處地下一前一后相聚8米埋置2個(gè)電磁感應(yīng)線(xiàn)圈，前一個(gè)線(xiàn)圈旁有一個(gè)計(jì)時(shí)器，后一個(gè)線(xiàn)圈旁邊有一個(gè)計(jì)數(shù)器。兩個(gè)電感線(xiàn)圈相互通信，預(yù)先在電磁感應(yīng)線(xiàn)圈中通上電流，從而計(jì)算出流量，如圖1所示。由于當(dāng)有大的金屬物（汽車(chē)）通過(guò)電感線(xiàn)圈時(shí)，空間介質(zhì)發(fā)生變化引起了電磁場(chǎng)B的變化，根據(jù)安培力的計(jì)算公式F=BIL，所以當(dāng)力傳感器測(cè)得力發(fā)生變化時(shí)，就代表有汽車(chē)經(jīng)過(guò)這個(gè)方向的十字路口。

圖1 電感線(xiàn)圈埋布示意圖

力的變化作為有汽車(chē)經(jīng)過(guò)電感線(xiàn)圈的路面時(shí)的輸入信號(hào)，再將此信號(hào)通過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)換裝置輸出一個(gè)脈沖電壓，使得開(kāi)關(guān)S抖動(dòng)一次，此脈沖電壓即可輸入到計(jì)數(shù)器，使得計(jì)數(shù)器中的數(shù)量加1，如圖2所示。參考紅綠燈標(biāo)準(zhǔn)時(shí)長(zhǎng)，計(jì)時(shí)器只需要顯示“分”、“秒”，用4片中規(guī)模計(jì)數(shù)器，各為十六進(jìn)制計(jì)數(shù)器，都選用74LS161集成塊來(lái)實(shí)現(xiàn)，采用反饋清零法，如圖2所示。計(jì)數(shù)器則采用采用74193，經(jīng)過(guò)功能擴(kuò)展，可連接成任意模M的計(jì)數(shù)器，根據(jù)實(shí)際路口的車(chē)輛最大數(shù)量來(lái)具體的確定所需的模M的值。

當(dāng)有車(chē)經(jīng)過(guò)了這兩個(gè)電感線(xiàn)圈時(shí)，計(jì)時(shí)器會(huì)顯示出相距的時(shí)間，系統(tǒng)則會(huì)判斷出車(chē)速，計(jì)數(shù)器則會(huì)測(cè)出這段時(shí)間內(nèi)通過(guò)的車(chē)輛數(shù)。

圖2 車(chē)輛數(shù)監(jiān)測(cè)原理圖

2 基于單片機(jī)的車(chē)流量計(jì)算分析

2.1 單片機(jī)控制原理

單片微型計(jì)算機(jī)（單片機(jī)）就是將微處理器（CPU）、存儲(chǔ)器、I/O接口電路和相應(yīng)實(shí)時(shí)控制器件集成在一塊芯片上的芯片級(jí)微型計(jì)算機(jī)。

單片機(jī)底層控制可分為兩個(gè)模塊：車(chē)輛流量數(shù)據(jù)采集與通訊模塊和信號(hào)燈的控制模塊。各十字路口的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)通信線(xiàn)路（總線(xiàn)）傳送至單片機(jī)系統(tǒng)，單片機(jī)產(chǎn)生各信號(hào)燈的控制信號(hào)。接著單片機(jī)將各信號(hào)燈的控制信號(hào)反饋回信號(hào)燈中，信號(hào)燈就按要求進(jìn)行合適的時(shí)間走動(dòng)了。對(duì)單片機(jī)本身進(jìn)行初始化，對(duì)中斷，定時(shí)器等參數(shù)做出定義，啟動(dòng)紅綠燈進(jìn)行工作，監(jiān)測(cè)是否存在觸發(fā)的車(chē)輛信號(hào)并進(jìn)行車(chē)輛計(jì)數(shù)，同時(shí)監(jiān)測(cè)是否存在主程序?qū)刂瓢暹M(jìn)行的調(diào)用。在采集車(chē)輛信號(hào)后對(duì)單位時(shí)間內(nèi)的車(chē)輛變動(dòng)情況進(jìn)行分析，按照網(wǎng)絡(luò)最大流算法對(duì)控制時(shí)間進(jìn)行優(yōu)化，智能地處理各路口的通行時(shí)間。系統(tǒng)在人行道上安裝了緊急按鈕，具有優(yōu)先權(quán)，人行道上發(fā)生了突發(fā)事件，只要按一下緊急按鈕，5秒鐘后此通道即可通行；緊急事故通過(guò)后，又恢復(fù)到正常的狀態(tài)。控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 單片機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 系統(tǒng)控制策略

整個(gè)系統(tǒng)的控制策略可以采用集總式或分布式控制。

集總式控制是將所有路口數(shù)據(jù)通過(guò)光纜傳輸?shù)揭慌_(tái)大型主機(jī)終端，并進(jìn)行整體調(diào)控。

該控制策略的優(yōu)點(diǎn)如下：后臺(tái)整體調(diào)控，具有強(qiáng)大的可視性。在一些特殊情況下，例如重要人物經(jīng)過(guò)、救護(hù)車(chē)緊急救援、交通警察捉拿嫌犯，都可以起到很大的作用，而且不會(huì)影響到其他正常時(shí)間的交通。缺點(diǎn)如下：數(shù)據(jù)傳輸來(lái)回約有一秒延遲；一旦終端被黑客入侵，整個(gè)系統(tǒng)將會(huì)崩潰，城市交通將會(huì)癱瘓，在非常時(shí)段將是黑客對(duì)主線(xiàn)城市進(jìn)行攻擊的重要手段。相比較分布式而言，單個(gè)大型主機(jī)在系統(tǒng)規(guī)模到達(dá)一定程度時(shí)成本較高，且計(jì)算能力要求很高，正常檢視也需要不少人力。

分布式控制是在每個(gè)路口安置一套處理系統(tǒng)，互不連接，互不干擾。

該控制策略的優(yōu)點(diǎn)如下：基本上沒(méi)有延遲問(wèn)題。性?xún)r(jià)比比大型主機(jī)更好，總的計(jì)算能力比單個(gè)大型主機(jī)更強(qiáng)。如果一個(gè)機(jī)器崩潰，整個(gè)系統(tǒng)還可以運(yùn)轉(zhuǎn)，就安全而言，可靠性更高。更重要的是，和集總式相比，僅給系統(tǒng)增加一些處理機(jī)就可以解決需求擴(kuò)大的問(wèn)題。缺點(diǎn)如下：不能對(duì)特殊事件進(jìn)行整體的調(diào)控處理，不具有宏觀可視性，且網(wǎng)絡(luò)易飽和。

3 結(jié)語(yǔ)

本方案的創(chuàng)新點(diǎn)如下：

（1）利用地感線(xiàn)圈很精確地檢測(cè)出車(chē)輛數(shù)；

（2）利用計(jì)時(shí)器和單片機(jī)準(zhǔn)確計(jì)算出車(chē)流量；

（3）控制模塊采用單芯片微控制器，各功能模塊均在IC芯片基礎(chǔ)上進(jìn)行開(kāi)發(fā)，各模塊和IC芯片之間以近距離的總線(xiàn)方式相連；

（4）微控制器能夠及時(shí)地對(duì)各種信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)處理。

本方案通過(guò)引入網(wǎng)絡(luò)最大流算法優(yōu)化了各個(gè)路口的控制通行時(shí)間，并且利用計(jì)時(shí)器和計(jì)數(shù)器測(cè)出了車(chē)的流量，探討了系統(tǒng)分別采用集總式和分布式控制策略的優(yōu)劣性。

智能紅綠燈系統(tǒng)成本少，效益高，能夠減少等待耗油，節(jié)能減排，符合時(shí)代發(fā)展要求。能緩解各大城市交通問(wèn)題及引發(fā)的環(huán)境問(wèn)題，符合低碳經(jīng)濟(jì)的理念。