楊 楠,段沛博,肖 軍
(東北大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院實(shí)驗(yàn)中心,遼寧 沈陽 110819)
隨著工業(yè)和相關(guān)技術(shù)的發(fā)展汽車制造成本不斷降低,汽車價(jià)格也不斷下降,越來越多的家庭都擁有了汽車。汽車數(shù)量的增加,不僅加重了交通擁堵問題,汽車排放的尾氣也對空氣產(chǎn)生了嚴(yán)重的影響,會降低城市交通的運(yùn)行效率[1]。僅依靠道路擴(kuò)建和城市改造無法有效地解決城市交通擁堵問題,可通過交通信號燈控制方法改善并緩解城市交通擁堵現(xiàn)象[2]。通過協(xié)調(diào)控制可以對城市的交通網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化,進(jìn)而改善城市道路擁堵狀態(tài)。在此背景下,對交通信號燈混雜控制方法進(jìn)行分析和研究具有重要意義。
李興華[3]等人對曼哈頓式網(wǎng)絡(luò)的影響因素進(jìn)行分析,根據(jù)分析結(jié)果獲取最優(yōu)比例因子,利用最優(yōu)比例因子建立NS-BML模型,實(shí)現(xiàn)交通信號燈的控制,該方法無法獲取在某時(shí)間段內(nèi)車輛通過交通路口的流量,導(dǎo)致車輛在交通路口的延誤時(shí)間較長。賴建輝[4]將交通信號控制機(jī)構(gòu)和深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合,構(gòu)建智能體,通過DTSE方法用二維矩陣代替交通狀態(tài),二維矩陣由車輛速度和車輛位置信息構(gòu)成,采用深度學(xué)習(xí)方法獲取交通狀態(tài),并以此為依據(jù)對交通信號燈進(jìn)行控制,該方法沒有構(gòu)建城市交通網(wǎng)絡(luò)模型,無法獲取交通路口的實(shí)際情況,導(dǎo)致車輛在交通路口的停車次數(shù)較高。
為了解決上述方法中存在的問題,提出誘導(dǎo)條件下基于Multisim的交通信號燈混雜控制方法。
在誘導(dǎo)條件下,構(gòu)建城市交通網(wǎng)絡(luò)模型[5],通過該模型了解交通路口的實(shí)際車流量情況,為交通信號燈的混雜控制提供相關(guān)依據(jù)。
為了在誘導(dǎo)條件下實(shí)現(xiàn)交通信號燈的混雜控制,將道路n中的飽和車流量Sn,交叉口的損耗時(shí)間T1、循環(huán)次數(shù)Nj和轉(zhuǎn)彎車流量率vn,n+1都設(shè)置為常數(shù)。
通過下式描述信號燈在周期T中的約束
(1)
式中,N代表的是通行需求度。
采用下式約束綠燈在交叉口的時(shí)間
(2)
設(shè)qn代表車輛在通行道中的流量,可通過下式計(jì)算得到
(3)
式中,pn(k)描述的是車輛從道路n中流出的數(shù)量。
設(shè)置擾動矢量en(k),用ΔT表示周期間隔,此時(shí)可通過下式描述車流在路段中的狀態(tài)方程
(4)
式中,S(k)描述的是車輛在連續(xù)路段中允許通過的最大數(shù)量;u(k)描述的是交通信號周期內(nèi)綠燈閃爍的時(shí)間。
為了適用于所有路段,需要對上式進(jìn)行普遍化處理,獲得最終車流狀態(tài)方程
x(k+1)=Ax(k)+Bu(k)+e(k)
(5)
式中,B,A分別描述的是控制輸入矩陣和狀態(tài)矩陣;x(k)描述的是車流狀態(tài)矢量。
將激光傳感節(jié)點(diǎn)安裝在車道停車線中,獲取車輛進(jìn)入車道的信息,在交通路口中對不同車道中的車輛進(jìn)行編號,構(gòu)成集合W={1,2,…,n},在交通路口中車道對應(yīng)的編號可用集合V={1,2,…,m}描述,設(shè)hij(t)代表的是t時(shí)刻車輛交通路口j車道、i相位中的車輛排隊(duì)長度;gij(t)代表的是車輛在交通路口延誤的時(shí)間;cij(t)代表的是車輛在交通路口滯留的平均時(shí)間。
將交通路口的路況信息作為模糊集的輸入變量,用H表示平均滯留時(shí)間對應(yīng)的模糊集;用C表示車輛長度對應(yīng)的模糊集,根據(jù)控制規(guī)律獲得模糊集H、C之間存在的模糊關(guān)系η:H∧C→N[6]。
根據(jù)模糊關(guān)系η,利用車輛在交通路口滯留的平均時(shí)間cij(t)和車輛在交通路口的排隊(duì)長度hij(t)對交通路口中車輛的實(shí)際需求度nij(t)進(jìn)行計(jì)算。
交通路口中車輛排隊(duì)的等候長度可用語言變量h進(jìn)行描述;交通路口中車輛的滯留時(shí)間用語言變量c表示;在交通路口中車輛對應(yīng)的實(shí)際需求度可用語言變量n′描述,其對應(yīng)的模糊集合分別如下
(6)
此時(shí)模糊關(guān)系可以表示為ηij=ηij(Hi∧Cj→Nij)=(Hi,Cj,Nij)。
用h′表示t0時(shí)刻車輛在交通路口的排隊(duì)長度;用c′表示t0時(shí)刻車輛在交通路口的滯留時(shí)間,在誘導(dǎo)條件下,通過模糊原理計(jì)算車輛在交通路口t0時(shí)刻的實(shí)際通行需求度N′=h’c′η。
此時(shí)誘導(dǎo)條件下的模糊規(guī)則如下
(7)
在singleton的基礎(chǔ)上模糊化處理傳感數(shù)據(jù)[7,8]
(8)
式中,ξij描述的是交通路況信息與模糊規(guī)則之間的匹配程度,即傳感數(shù)據(jù)對應(yīng)的匹配度。
設(shè)置精確輸入量,h0、c0分別代表的是車輛在交通路口的排隊(duì)長度和滯留時(shí)間,此時(shí)傳感數(shù)據(jù)在t0時(shí)刻的匹配度為ξij=Hi(h0)∧Cj(c0)。
用Li描述待通過車輛在交通路口的車頭間距;用li描述通行車輛在交通路口的車長;用di描述激光控制節(jié)點(diǎn)與停車線之間存在的距離,此時(shí)可計(jì)算車道中的最大車隊(duì)長度hmax=di/(Li+li)。
設(shè)置交通路口的時(shí)間步長為1s,在t1時(shí)刻,等待通過交通路口的車輛長度為hij(t1),其計(jì)算公式如下:
(9)
(10)
假設(shè)車輛在1s內(nèi)均勻地到達(dá)交通路口,此時(shí)存在ck’ij(t1)=kij(t1)/2。
根據(jù)上述過程,獲得車輛在交通路口t1時(shí)刻的總延誤時(shí)長eij
(11)
誘導(dǎo)條件下基于Multisim的交通信號燈混雜控制方法,利用Multisim軟件根據(jù)上述獲取的交通狀態(tài)設(shè)計(jì)控制器,對交通信號燈進(jìn)行混雜控制。
3.2.1 秒脈沖發(fā)生器設(shè)計(jì)
通過定時(shí)器電路根據(jù)周期T≈0.7(R1+2R2)C設(shè)計(jì)秒信號輸出脈沖發(fā)生器,具體電路如圖1所示。
圖1 秒脈沖信號發(fā)生器
不發(fā)生變化的電阻R2可通過5k線性電位器rw和47k線性電阻串聯(lián)代替。在輸入控制電路中電阻R2的主要作用是對輸出電位器中存在的線性電位器rw進(jìn)行調(diào)試,縮短輸出控制脈沖在電路中的工作周期。
3.2.2 狀態(tài)控制器設(shè)計(jì)
對狀態(tài)控制器進(jìn)行設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)不同工作狀態(tài)的切換,信號燈在交通路口中的狀態(tài)及其對應(yīng)的編碼如下:
1)用s0表示信號燈中支紅燈和主綠燈的閃爍亮;
2)用s1表示信號燈中支紅燈的閃爍,主紅燈亮;
3)用s2表示信號燈中支綠燈亮、主紅燈閃爍亮;
4)用s3表示信號燈中支黃燈亮、主紅燈亮以及主紅燈閃爍。
3.2.3 三色燈連接設(shè)計(jì)
控制器的輸出狀態(tài)決定了信號燈的狀態(tài),計(jì)算各電子信號燈在交叉路口中的邏輯真值函數(shù)
(12)
(13)
(14)
式中,R、Y、G分別代表的是主干信號燈中的紅燈、黃燈和綠燈;r、y、g分別代表的是支干道信號燈中的紅燈、黃燈和綠燈;Q1、Q2均代表的是狀態(tài)控制輸出。
控制器的燈光二極管顯示電路如圖2所示。
圖2 燈管二極管顯示電路
3.2.4 倒計(jì)時(shí)部分設(shè)計(jì)
對交通信號燈控制器中的定時(shí)器進(jìn)行設(shè)計(jì):
1)將5s、20s、30s時(shí)間設(shè)置在定時(shí)器中,將其作為控制器的定時(shí)要求[9];
2)通過兩片CD4029組建減法計(jì)數(shù)器;
3)減法計(jì)數(shù)器通過兩只發(fā)光二極管和兩片74LS00實(shí)現(xiàn)時(shí)間譯碼顯示[10];
4)通過74LS245對時(shí)間常數(shù)進(jìn)行設(shè)定,并將3、25、30三個數(shù)字設(shè)置在減法計(jì)數(shù)器中。
為了驗(yàn)證誘導(dǎo)條件下基于Multisim的交通信號燈混雜控制方法的整體有效性,需要對其進(jìn)行相關(guān)測試。
測試過程中的車輛到達(dá)率如表1所示。
表1 車輛到達(dá)率
對交通路口的車流量進(jìn)行預(yù)測,可以提高交通信號燈的控制效果,采用誘導(dǎo)條件下基于Multisim的交通信號燈混雜控制方法對不同時(shí)間下交通路口的車流量進(jìn)行預(yù)測,并將預(yù)測結(jié)果與實(shí)際結(jié)果進(jìn)行對比,測試結(jié)果如圖3所示。
圖3 交通流量預(yù)測結(jié)果
對圖3進(jìn)行分析可知,采用誘導(dǎo)條件下基于Multisim的交通信號燈混雜控制方法預(yù)測得到的車流量與實(shí)際交通路口的車輛流量基本相符,表明所提方法在信號控制過程中可準(zhǔn)確地完成車流量的預(yù)測,為后續(xù)交通信號燈的控制提供相關(guān)依據(jù)。
分別采用誘導(dǎo)條件下基于Multisim的交通信號燈混雜控制方法、文獻(xiàn)[3]方法和文獻(xiàn)[4]方法對信號燈進(jìn)行控制,對比不同方法的車輛延誤時(shí)間,車輛在交通路口的延誤時(shí)間越短,表明方法對交通信號燈控制的效果越好,不同方法的控制結(jié)果如圖4所示。
圖4 不同方法的延誤時(shí)間
根據(jù)圖4中的數(shù)據(jù)可知,采用所提方法對交通信號燈進(jìn)行控制時(shí),車輛在交通路口的延誤時(shí)間均控制在5s以內(nèi),采用文獻(xiàn)[3]方法對交通信號燈進(jìn)行控制時(shí),車輛在交通路口的延誤時(shí)間在15s上下波動,采用文獻(xiàn)[4]方法對交通信號燈進(jìn)行控制時(shí),車輛在交通路口的延誤時(shí)間在10s上下波動。通過對比所提方法、文獻(xiàn)[3]方法和文獻(xiàn)[4]方法的測試結(jié)果可知,所提方法對交通信號燈進(jìn)行控制時(shí),交通路口的車輛延誤時(shí)間最短,驗(yàn)證了所提方法的控制性能,因?yàn)樗岱椒▽煌ㄐ盘枱艨刂浦埃瑯?gòu)建了城市交通網(wǎng)絡(luò)模型,根據(jù)城市交通網(wǎng)絡(luò)模型,對車輛在交通路口的狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測,根據(jù)預(yù)測結(jié)果對交通信號燈進(jìn)行控制,降低了車輛的延誤時(shí)間。
將停車次數(shù)作為指標(biāo),對所提方法、文獻(xiàn)[3]方法和文獻(xiàn)[4]方法進(jìn)行測試,車輛在交通路口的停車次數(shù)越少,交通路口的通行效果越好,表明方法的控制效果好,不同方法的停車次數(shù)如圖5所示。
圖5 車輛在不同時(shí)間段內(nèi)的停車次數(shù)
分析圖5可知,采用所提方法對交通信號燈進(jìn)行控制時(shí),車輛1小時(shí)內(nèi)在交通路口的平均停車次數(shù)均在4次以內(nèi),采用文獻(xiàn)[3]方法對交通信號燈進(jìn)行控制時(shí),在50min時(shí)刻下車輛在交通路口的停車次數(shù)高達(dá)10次,采用文獻(xiàn)[4]方法對交通信號燈進(jìn)行控制時(shí),在30min時(shí)刻下車輛在交通路口的停車次數(shù)高達(dá)8次,對比所提方法、文獻(xiàn)[3]方法和文獻(xiàn)[4]方法的測試結(jié)果進(jìn)行分析可知,采用所提方法進(jìn)行信號燈控制時(shí),車輛在交通路口的平均次數(shù)較低,因?yàn)樗岱椒ǜ鶕?jù)交叉路口的實(shí)際車流量,通過Multisim軟件設(shè)計(jì)交通信號燈控制器,利用控制器實(shí)現(xiàn)交通信號燈的控制,減少車輛在交叉路口停車的次數(shù),提高了所提方法的整體有效性。
城市交通擁塞問題在城市化進(jìn)程不斷加快的背景下越來越嚴(yán)重,國內(nèi)外專家和學(xué)者對交通控制技術(shù)進(jìn)行研究時(shí),發(fā)現(xiàn)對城市道路進(jìn)行操作和控制的難度較高,城市交通狀況在交通量不斷增加的情況下難以得到改善。在交通系統(tǒng)中交通信號燈屬于重要構(gòu)成部分,對其進(jìn)行有效控制,可以緩解并改善交通擁塞問題。
目前交通信號燈控制方法的有效性較差,無法降低車輛在交通路口的等待時(shí)間和停車次數(shù),提出誘導(dǎo)條件下基于Multisim的交通信號燈混雜控制方法,在城市交通網(wǎng)絡(luò)模型的基礎(chǔ)上采用Multisim軟件設(shè)計(jì)控制器,實(shí)現(xiàn)交通信號燈的控制,降低了車輛在交通路口的等待時(shí)間和停車次數(shù),解決了傳統(tǒng)方法的不足,并加以改善,緩解了城市交通擁塞問題。