基于WPD-PSO-ESN的城市交通感應(yīng)信號(hào)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李靖豐

(西安交通工程學(xué)院 交通運(yùn)輸學(xué)院，西安 710300)

0 引言

交通擁堵問(wèn)題不僅僅存在于大城市，有些二線城市有時(shí)比一線城市更加擁擠，都市交通問(wèn)題日益凸顯[1]。城市交通問(wèn)題的日益嚴(yán)重，在一定的城市道路建設(shè)容量的前提下，道路擁堵現(xiàn)象也越來(lái)越明顯，人們的出行壓力也逐步增大[2]。為了實(shí)現(xiàn)基于實(shí)時(shí)交通狀態(tài)的交通信號(hào)控制，首先要解決的一個(gè)問(wèn)題就是精確控制城市交通感應(yīng)信號(hào)。

文獻(xiàn)[3]提出基于遞歸技術(shù)的自回歸模型和統(tǒng)計(jì)方法的城市交通感應(yīng)信號(hào)控制方法。通過(guò)有序聚類控制交通時(shí)段劃分，通過(guò)動(dòng)態(tài)遞歸策略識(shí)別最小損失值突變，得出最優(yōu)規(guī)劃方案。該方法能夠提升交通運(yùn)行效率，但易受外部條件干擾。短時(shí)車流變化是一個(gè)非平穩(wěn)、非線性隨機(jī)過(guò)程，其不僅與當(dāng)前監(jiān)測(cè)點(diǎn)前幾個(gè)時(shí)段交通流量有關(guān)，而且受上下游監(jiān)測(cè)影響，在雨雪天氣下更易發(fā)生交通事故，控制效果不佳。文獻(xiàn)[4]提出基于相位切換規(guī)則模型的交通信號(hào)控制方法。使用傳統(tǒng)耦合映射相關(guān)模型，結(jié)合時(shí)滯反饋信號(hào)控制器設(shè)計(jì)出了抑制交通擁擠、減少交通排放的控制方案。雖然該方案在抑制交通擁擠、減少二氧化碳排放方面效果良好，但需要額外的硬件支持，實(shí)用性及運(yùn)行效率較差。

為此，設(shè)計(jì)了基于WPD-PSO-ESN城市交通感應(yīng)信號(hào)控制系統(tǒng)。通過(guò)構(gòu)建WPD-PSO-ESN模型預(yù)測(cè)交通流量，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)交通控制。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)及原理

WPD-PSO-ESN是融合了小波包分解(wavelet packet decomposition,WPD)、粒子群優(yōu)化(particle swarm optimization,PSO)及回聲狀態(tài)網(wǎng)(echo state network,ESN)的一種算法，WPD能夠?qū)煌鲾?shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，將其分解為不同頻段的子序列，通過(guò)PSO算法檢測(cè)粒子信息，提高對(duì)交通流量信號(hào)控制的尋優(yōu)能力；最后，優(yōu)化ESN的參數(shù)，提高其泛化能力及預(yù)測(cè)精度。基于WPD-PSO-ESN城市交通感應(yīng)信號(hào)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)分為硬件部分及軟件算法，硬件部分包括控制器、采集器及多機(jī)通信接收發(fā)送器，實(shí)現(xiàn)交通流數(shù)據(jù)的采集及傳輸，軟件部分利用WPD-PSO-ESN算法實(shí)現(xiàn)交通感應(yīng)信號(hào)控制，其總體架構(gòu)如下。

基于WPD-PSO-ESN城市交通感應(yīng)信號(hào)控制系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。

該平臺(tái)的結(jié)構(gòu)分為4個(gè)層次，分別是數(shù)據(jù)收集層、數(shù)據(jù)分析層、應(yīng)用層和展示層。其中數(shù)據(jù)收集層和分析層是基于WPD-PSO-ESN模型存儲(chǔ)和處理交叉口交通數(shù)據(jù)的；應(yīng)用層是交通流量預(yù)測(cè)模型、交叉口信號(hào)控制模型集成模塊，為交通感應(yīng)提供信號(hào)控制決策條件；展示層是實(shí)時(shí)展示交通感應(yīng)信號(hào)控制結(jié)果模塊。

2 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，綜合考慮了系統(tǒng)可靠性、經(jīng)濟(jì)性要求，確定了如圖2所示的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

圖2 硬件結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)設(shè)計(jì)充分考慮到成本問(wèn)題，采用 PC作為上位機(jī)，PLC作為下位機(jī)，采用單片機(jī)作為傳感器信號(hào)采集裝置，組成現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)[5]。上位機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的集中監(jiān)控，以可視化人機(jī)操作為主界面，使用可編程控制器可靠性高，能夠在各種惡劣環(huán)境中進(jìn)行，并以此作為下位機(jī)進(jìn)行信號(hào)控制[6-8]。

下位機(jī)能實(shí)時(shí)讀取各種信號(hào)，邏輯判斷并計(jì)算控制量，控制交通感測(cè)信號(hào)，其還向上位機(jī)發(fā)送各種感應(yīng)信號(hào)及信號(hào)控制量以監(jiān)控交通流量[9]。作為底層數(shù)據(jù)采集和分析部分，單片機(jī)主要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)功能：一是逐個(gè)讀取每個(gè)通道傳感器值，將采集和處理的交通流量數(shù)據(jù)輸入到指定寄存器之中；二是接收 PLC發(fā)出的中斷信號(hào)后，通過(guò)串行通信將處理過(guò)的數(shù)據(jù)發(fā)送給PLC，并將其存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)寄存器之中[10-11]。

2.1 S7-226PLC控制器

以S7-226PLC為核心控制芯片，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)接收、方案制定。小型可編程控制器是由德國(guó)西門子公司57-200系列 PLC組成的小型可編程控制器，其強(qiáng)大功能得到了充分發(fā)揮，其優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：豐富指令集、操作方便，具有很強(qiáng)實(shí)時(shí)性，通信能力強(qiáng)，豐富擴(kuò)展模塊[12]。CPU采用了CPU226AC/DC/繼電器模塊，如圖3所示。

圖3 S7-226PLC控制器

該系統(tǒng)可將EM221數(shù)字輸入模塊與EM223組合24 VDC輸入/繼電器連接起來(lái)，擴(kuò)展 I/O點(diǎn)以滿足控制系統(tǒng)要求，57-226 PLC可以連接到248個(gè)數(shù)字 I/O點(diǎn)。程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間為26 K字節(jié)，采用 PID控制器具有獨(dú)立30kHz高速計(jì)數(shù)器和20 kHz高速脈沖輸出。RS485通信/編程端口2個(gè)，具備 PPI通信協(xié)議、MPI通信協(xié)議、自由通信功能，可方便地將 I/O終端整體移除，適用于對(duì)控制系統(tǒng)要求高。

2.2 AT89S51采集器

選擇由 ATMEL公司生產(chǎn)的 Flash系列8位單片機(jī)，以AT89S51為交通感應(yīng)信號(hào)采集設(shè)備，AT89S51單片機(jī)的主要包括：8031兼容MCS—51匯編語(yǔ)言，4k字節(jié)編程閃存(日常使用：1000寫/周期)、三級(jí)程序內(nèi)存安全鎖、128*8位內(nèi)部 RAM、32條可編程 I/O線。

圖4 AT89S51采集器

單片機(jī)AT89S51具有如下結(jié)構(gòu)：程序內(nèi)存在4 k字節(jié)的 Flash芯片上、隨機(jī)訪問(wèn)內(nèi)存(RAM)128字節(jié)的數(shù)據(jù)、32外部雙向輸入/輸出端口、中斷優(yōu)先級(jí)、16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器、時(shí)鐘振蕩器。采集和處理交通流數(shù)據(jù)，將采集器接收到的指令向S7-226PLC控制器發(fā)送數(shù)據(jù)信息。其特點(diǎn)是指揮系統(tǒng)豐富、規(guī)模小、可擴(kuò)展性強(qiáng)，被廣泛應(yīng)用于控制領(lǐng)域。

2.3 RS-485多機(jī)通信接收發(fā)送器

為了實(shí)現(xiàn)S7-226PLC和AT89S51之間通信功能，需要在S7-226上安裝單環(huán)自愈RS-485多機(jī)通信接收發(fā)送器，見(jiàn)圖5。

圖5 單環(huán)自愈RS-485多機(jī)通信接收發(fā)送器

485 D的 Bosch系統(tǒng)是單通道RS-232到2通道的轉(zhuǎn)換器，具有單回路自修復(fù)功能。RS-485總線可能是直的，也可能是彎的，但不是圓的，使用Bosch485D轉(zhuǎn)換器將一個(gè)RS-232轉(zhuǎn)換成兩個(gè)RS-485轉(zhuǎn)換函數(shù)，然后將兩個(gè)RS-485輸出分成兩個(gè)，在遠(yuǎn)端閉合。它是單回路自修復(fù)的RS-485網(wǎng)絡(luò)。在圖5中可以看到，盡管在圖中有兩條RS-485信號(hào)線(線 A和線 B)，但它們實(shí)際上是RS-485信號(hào)的環(huán)形，因此被稱為單環(huán)。自修復(fù)特征：當(dāng) RS-485信號(hào)線壞了，如連紅線和藍(lán)線都斷開(kāi)連接時(shí)，任何一個(gè)下位機(jī)信號(hào)仍然可以從沒(méi)有斷開(kāi)部分的線 A和線 B連接到A1、A2和B1、B2。

3 軟件程序設(shè)計(jì)

因?yàn)橄到y(tǒng)需要通過(guò)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)多種功能，所以程序非常復(fù)雜。若把所有功能模塊都編譯進(jìn)主程序中，不但會(huì)增加程序編寫難度，而且會(huì)大大延長(zhǎng)程序調(diào)試周期，系統(tǒng)工作效率下降。因此，在實(shí)際程序設(shè)計(jì)中，將功能模塊寫進(jìn)子程序，然后通過(guò)子程序命令，將有關(guān)各個(gè)子程序命令從主程序中檢索出來(lái)，并將這些子程序連接在一起，組成一個(gè)有機(jī)整體，實(shí)現(xiàn)城市交通感應(yīng)信號(hào)控制功能。主程序模塊主要功能包括：周期性掃描輸入信號(hào)，確定控制方式。

3.1 手動(dòng)、閃光控制模塊子程序設(shè)計(jì)

在模塊子程序中存在一個(gè)手動(dòng)控制模塊子程序和一個(gè)閃光控制模塊子程序，在手動(dòng)控制模式下，每次按下步進(jìn)鍵時(shí)，交通感應(yīng)信號(hào)控制會(huì)向前移動(dòng)一步，然后控制相應(yīng)的紅綠燈狀態(tài)。通過(guò)手動(dòng)控制，可以將交通信號(hào)燈以一定的速度固定在相應(yīng)狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)控制系統(tǒng)狀態(tài)檢測(cè)。

手動(dòng)、閃光控制模塊子程序流程如下所示：

首先判斷紅綠燈狀態(tài)，是否為綠閃情況？如果是，則直接控制系統(tǒng)程序；否則判斷是否需要切換按鈕。如果是，則該相位綠燈閃爍，如果不是，則直接控制系統(tǒng)程序；判斷綠燈閃爍時(shí)間是否達(dá)到5S？如果是，則轉(zhuǎn)到下一相位綠燈，否則直接控制系統(tǒng)程序。

3.2 WPD-PSO-ESN模型構(gòu)建與預(yù)測(cè)

建立了WPD-PSO-ESN交通流量預(yù)測(cè)模型，見(jiàn)圖6。

圖6 WPD-PSO-ESN交通流量預(yù)測(cè)模型

其基本原理是：首先利用 WPD將時(shí)間序列分解為低頻和高頻兩個(gè)部分，利用該方法可以得到低頻成分時(shí)間序列的相關(guān)信息，利用該高頻成分可以解決初始 ESN矩陣問(wèn)題；然后同時(shí)輸入低頻成分和高頻成分信號(hào)刺激回聲狀態(tài)網(wǎng)絡(luò)，采用PSO 算法對(duì)其參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以提高預(yù)測(cè)精度；最后利用狀態(tài)響應(yīng)信號(hào)線性組合逼近期望輸出。

采用 PSO算法優(yōu)化WPD-PSO-ESN模型參數(shù)，可有效地防止模型陷入局部最優(yōu)，從而提高模型預(yù)測(cè)精度。PSO算法優(yōu)化原理為：

設(shè)由n個(gè)粒子組成的種群：

S=(S1，S2，…，Sn)

(1)

其中第i個(gè)粒子為：

Si=(Si1，Si2，…，Sic)

(2)

其中：c表示搜索空間維數(shù)，假設(shè)第i個(gè)粒子優(yōu)化速度為：

Vi=(Vi1，Vi2，…，Vic)T

(3)

那么個(gè)體極值為：

Ri=(Ri1，Ri2，…，Ric)T

(4)

由此得到的種群極值為：

Rj=(Rj1，Rj2，…，Rjc)T

(5)

PSO算法優(yōu)化速度及位置更新計(jì)算公式為：

(6)

公式(6)中，ω表示慣性權(quán)重；a1、a2表示優(yōu)化過(guò)程中加速度因子；χ1、χ2表示[0,1]隨機(jī)數(shù)；k表示迭代次數(shù)；t表示優(yōu)化時(shí)間。

對(duì) PSO而言，粒子群收斂性改善是從慣性權(quán)重方面下手的，根據(jù)粒子變化狀態(tài)信息，設(shè)計(jì)自適應(yīng)調(diào)整策略，具體步驟如下所示：

1)初始化粒子群中a1、a2加速度因子、迭代次數(shù)、優(yōu)化時(shí)間及初始位置等各項(xiàng)參數(shù)；

2)ESN開(kāi)始學(xué)習(xí)，確定權(quán)重粒子最佳學(xué)習(xí)狀態(tài)；

3)調(diào)整個(gè)體極值為Ri(t)和種群極值Rj(t)；

4)根據(jù)公式(1)獲取最新優(yōu)化速度和位置；

5)將調(diào)整后的種群極值Rj(t)代入ESN開(kāi)始學(xué)習(xí)，獲取最佳學(xué)習(xí)時(shí)間，得到精準(zhǔn)更新位置；

6)判斷優(yōu)化次數(shù)是否達(dá)到最大，如果是，則進(jìn)行下一步，否則轉(zhuǎn)到step2；

7)輸出種群極值Rj(t)作為ESN最優(yōu)解，即為預(yù)測(cè)結(jié)果。

3.3 感應(yīng)信號(hào)控制流程設(shè)計(jì)

以交通流量預(yù)測(cè)結(jié)果為依據(jù)，分析交叉口的通行能力。將感應(yīng)器安裝在交叉口各入口處，根據(jù)各路口交通流量的實(shí)時(shí)變化情況，確定不同信號(hào)相位綠燈時(shí)間。圖7顯示了全感應(yīng)控制的基本流程。

圖7 感應(yīng)信號(hào)控制流程

從以上述流程圖可以確定控制思想是：在沒(méi)有車輛的主干道和二級(jí)公路上，感應(yīng)器處于一個(gè)固定的周期信號(hào)模式，至少有一個(gè)循環(huán)，一旦達(dá)到最低綠燈時(shí)間，就會(huì)進(jìn)入下一階段。該信號(hào)機(jī)通過(guò)判斷主干道的交通信號(hào)燈、交通標(biāo)線，確定最大綠燈時(shí)間。一旦達(dá)到最大時(shí)間后，強(qiáng)行轉(zhuǎn)換相位，使副路綠燈亮，獲得通行權(quán)。當(dāng)一輛車向一個(gè)方向駛來(lái)時(shí)，迎面開(kāi)來(lái)的那輛車會(huì)被綠光照亮。該感應(yīng)方式是以WPD-PSO-ESN交通流量預(yù)測(cè)模型為依據(jù)，在適當(dāng)?shù)慕徊婵陟`活地安排車輛通過(guò)權(quán)，能夠極大地提高車輛的通行效率。

4 實(shí)驗(yàn)分析

以某市某街道多個(gè)交叉口為實(shí)例，對(duì)基于WPD-PSO-ESN的城市交通感應(yīng)信號(hào)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理性，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證分析。

4.1 交叉路口及車輛設(shè)定

交叉路口相位設(shè)定，如圖8所示。

圖8 交叉路口相位設(shè)定

按照車輛在城市道路系統(tǒng)中的行駛過(guò)程，將車輛的行駛過(guò)程分為三個(gè)部分，行駛過(guò)程、入口行駛過(guò)程和交叉口行駛過(guò)程。兩個(gè)交叉路口間距離為1 500 m，進(jìn)口感應(yīng)和出口感應(yīng)線圈距離為150 m，不同車輛間距離不小于5 m，支線和干線飽和交通流量為1 500輛/h和2 000輛/h。

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，假定干線車流為西→東單向交通流，每個(gè)路口方向車輛具有相同長(zhǎng)度和寬度，且只有一條入口車道，設(shè)每輛車啟動(dòng)時(shí)平均綠燈損失時(shí)間為3 s，前后車通過(guò)停車線平均時(shí)間間隔為2 s。路面行駛過(guò)程是指車輛在非交叉口的道路基礎(chǔ)路段上行駛的過(guò)程，車輛將減速、加速、停車或被其它車輛超越，車輛將以鄰近變道速度行駛；進(jìn)入十字路口車道過(guò)程是車輛在感應(yīng)線圈探測(cè)范圍內(nèi)行駛，此過(guò)程中，車輛不能掉頭、不能超車，只能排隊(duì)向前行駛；在交叉路口行駛時(shí)，獲得通過(guò)權(quán)的車輛開(kāi)始快速向前行駛，并根據(jù)其各自的行駛軌跡完成轉(zhuǎn)向，這期間，車輛不準(zhǔn)超車。

4.2 交通流量統(tǒng)計(jì)

交叉口歷史平均交通流量統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。

依據(jù)表1所示統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，在西進(jìn)口b街左轉(zhuǎn)方向無(wú)車流量；東進(jìn)口b街三個(gè)轉(zhuǎn)向均無(wú)車流量，d街右轉(zhuǎn)方向無(wú)車流量；南進(jìn)口a街道左轉(zhuǎn)方向無(wú)車流量，b街三個(gè)轉(zhuǎn)向均無(wú)車流量，d街右轉(zhuǎn)方向無(wú)車流量；北進(jìn)口都有車流量。為了提高實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果精準(zhǔn)度，選擇北進(jìn)口c街道直行作為研究對(duì)象，該街道沒(méi)有出現(xiàn)無(wú)車流量現(xiàn)象，且車流量穩(wěn)定。

表1 交叉口歷史平均交通流量統(tǒng)計(jì)結(jié)果/輛

4.3 控制時(shí)序研究

根據(jù)交通流邏輯關(guān)系連接好系統(tǒng)設(shè)備，為了驗(yàn)證系統(tǒng)性能，對(duì)其進(jìn)行功能仿真，如圖9所示。

圖9 交流感應(yīng)信號(hào)燈控制時(shí)序圖

當(dāng)啟動(dòng)系統(tǒng)時(shí)，交通信號(hào)燈開(kāi)始工作，首先是南北通行，當(dāng)南進(jìn)口為紅燈，北進(jìn)口為綠燈時(shí)，綠燈亮25 s，并閃爍3 s，黃燈亮2 s，此時(shí)南進(jìn)口紅燈亮30 s。

分別使用文獻(xiàn)[3]方法、文獻(xiàn)[4]方法和基于WPD-PSO-ESN系統(tǒng)對(duì)北進(jìn)口c街道三個(gè)轉(zhuǎn)向車流量控制情況進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果如表2所示。

表2 三種系統(tǒng)車流量控制情況對(duì)比分析

由表2可知：使用文獻(xiàn)[3]方法在三次60 s循環(huán)情況下，通過(guò)北進(jìn)口c街道直行的車流量為292輛；使用文獻(xiàn)[4]方法的車流量共計(jì)為279輛；基于WPD-PSO-ESN系統(tǒng)車流量共計(jì)為310，與交叉口歷史平均交通流量統(tǒng)計(jì)結(jié)果一致，且在三次循環(huán)下通過(guò)車輛數(shù)較為穩(wěn)定，說(shuō)明系統(tǒng)信號(hào)感應(yīng)較為準(zhǔn)確，系統(tǒng)控制效果較為精準(zhǔn)。

5 結(jié)束語(yǔ)

在智能交通控制中，交通感知信號(hào)控制至關(guān)重要。為提高城市交通感知信號(hào)控制的精度，設(shè)計(jì)了基于WPD-PSO-ESN的城市交通感應(yīng)信號(hào)控制系統(tǒng)。采用WPD-PSO-ESN模型，實(shí)現(xiàn)了控制參數(shù)的調(diào)節(jié)。試驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)取得了良好的控制效果。人們?cè)絹?lái)越重視城市交通信號(hào)的誘導(dǎo)與智能化，為國(guó)家建設(shè)智慧城市提供了強(qiáng)有力的智能交通保障。

雖然該系統(tǒng)控制效果很好，但仍有一些方面需要改進(jìn)：

1)控制交通感應(yīng)信號(hào)，收集足夠多歷史數(shù)據(jù)，并進(jìn)行聚類分析，根據(jù)外界因素情況，適當(dāng)標(biāo)記訓(xùn)練數(shù)據(jù)，以增強(qiáng)系統(tǒng)的魯棒性。

2)信號(hào)自適應(yīng)控制對(duì)交叉口的交通流量采集能力有較高的要求。今后，可在車載通信網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下實(shí)現(xiàn)交叉口信號(hào)控制。

3)通過(guò)對(duì)粒子群學(xué)習(xí)與推理研究，進(jìn)一步深化多交叉口的協(xié)調(diào)控制，避免發(fā)生交通事故。