田川，華紅艷，劉淳，賈慶超，武曉芳（鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院電子通信工程系，鄭州450000）

一種基于車(chē)輛擁堵?tīng)顩r的智能交通燈系統(tǒng)

田川，華紅艷，劉淳，賈慶超，武曉芳
（鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院電子通信工程系，鄭州450000）

提出了基于電磁地埋線圈的滯留車(chē)量數(shù)目測(cè)量、車(chē)流量檢測(cè)和無(wú)線通信組網(wǎng)方案—采用STC12C5A60S2單片機(jī)作為主控，SI4432作為無(wú)線通信模塊。闡述了道路擁堵?tīng)顩r信息獲取的原理，介紹了滯留車(chē)輛和車(chē)流量檢測(cè)方法、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)、軟件算法的邏輯思路。系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)多路口交通燈能根據(jù)道路擁堵情況調(diào)節(jié)燈的亮滅時(shí)間及多路口協(xié)調(diào)控制調(diào)節(jié)。

擁堵；車(chē)流量；ITS

隨著社會(huì)的快速發(fā)展，城市汽車(chē)保有率日益升高，道路擁堵情況越來(lái)越嚴(yán)重，需要更先進(jìn)、智能化更高的交通控制系統(tǒng)來(lái)緩解擁堵?tīng)顩r。本文主要探討如何對(duì)道路擁堵?tīng)顩r進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，并根據(jù)測(cè)量結(jié)果調(diào)整信號(hào)燈的亮滅時(shí)間。道路擁堵?tīng)顩r有兩種情況：一是在道路通行狀態(tài)下，汽車(chē)車(chē)流量的大?。欢窃诮雇ㄐ械臓顟B(tài)下，仍然滯留在車(chē)道上的車(chē)輛數(shù)目。所以若在交通燈的一個(gè)周期內(nèi)測(cè)得的車(chē)流量情況和滯留車(chē)輛數(shù)目，就可以得出一個(gè)實(shí)時(shí)性較高的道路擁堵?tīng)顩r。目前測(cè)量車(chē)流量的方法大都是地埋式電磁線圈測(cè)量法，我們基于目前電磁線圈法做出了一些改進(jìn)，使其既可以檢測(cè)車(chē)流量，又可以檢測(cè)滯留車(chē)輛的數(shù)目，具體實(shí)時(shí)信息反饋之后經(jīng)過(guò)分析，用以調(diào)整交通燈時(shí)間并給出指示道路擁堵信息。

1　交通燈硬件控制

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)如圖1所示。主控制器是STC12C5A60S2單片機(jī)，交通指示模塊由鎖存器、信號(hào)燈和數(shù)碼管構(gòu)成，儲(chǔ)存模塊由多塊E2PROM構(gòu)成，時(shí)鐘模塊由單片機(jī)晶振ds1302及其外部電路構(gòu)成，無(wú)線通信模塊由SI4432及其外部電路構(gòu)成，另外還有人機(jī)交互按鍵。

這部分是控制系統(tǒng)的外部設(shè)備，包括系統(tǒng)時(shí)鐘、數(shù)據(jù)暫存、手動(dòng)按鍵控制和數(shù)據(jù)儲(chǔ)存等部分，實(shí)現(xiàn)了交通燈系統(tǒng)具體功能。為了節(jié)省I/O接口，根據(jù)交通指示信息一秒才變化一次的特點(diǎn)，交通燈及其倒計(jì)時(shí)運(yùn)用了鎖存器鎖存數(shù)據(jù)，使其一秒刷新一次；存儲(chǔ)設(shè)備利用了E2PROM，把一天分為24個(gè)時(shí)段，時(shí)段車(chē)流量在緩存變量中累加直到時(shí)段結(jié)束，并存儲(chǔ)在E2PROM中；系統(tǒng)時(shí)鐘利用了定時(shí)器加時(shí)鐘芯片1302的模式，定時(shí)器給出定時(shí)，時(shí)鐘芯片給出系統(tǒng)時(shí)間；按鍵控制則是手動(dòng)按鍵直接控制一個(gè)交通燈的模式，設(shè)有硬性時(shí)間設(shè)定及鎖定、緊急狀況等按鍵對(duì)交通燈進(jìn)行直接的調(diào)節(jié)。

2　道路擁堵?tīng)顩r信息獲取方案

2.1環(huán)形線圈檢測(cè)器工作原理

環(huán)形線圈車(chē)輛檢測(cè)器是一種基于電磁感應(yīng)原理車(chē)輛檢測(cè)器，它的傳感器是一個(gè)埋在路面下通有一定工作電流的環(huán)形線圈(一般為2m×1.5m)。當(dāng)車(chē)輛通過(guò)環(huán)形地埋線圈或停在環(huán)形地埋線圈上時(shí)，車(chē)身鐵質(zhì)切割磁力線，引起線圈回路電感量的變化。

其中，f為振蕩回路的頻率，L為環(huán)形線圈的總電感，C為等效總電容。檢測(cè)器通過(guò)檢測(cè)該電感量就可以檢測(cè)出車(chē)輛的存在，檢測(cè)這個(gè)電感變化量一般來(lái)說(shuō)有兩種方式：一種是利用相位鎖存器和相位比較器，對(duì)相位的變化進(jìn)行檢測(cè)；另一種方式則是利用由環(huán)形地埋線圈構(gòu)成回路的耦合電路對(duì)其振蕩頻率進(jìn)行檢測(cè)[1]。

本文車(chē)流量測(cè)量采用對(duì)耦合回路的振蕩頻率進(jìn)行檢測(cè)電感變化的方式，利用單片機(jī)對(duì)耦合回路反饋電信號(hào)計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)車(chē)流量。由于此法已較為成熟，所以在此不詳細(xì)介紹。

電磁線圈傳感部分電信號(hào)的處理方法是利用計(jì)數(shù)器檢測(cè)其振蕩頻率的變化判斷是否有車(chē)經(jīng)過(guò)。比如在地面10～20mm下，挖掘一個(gè)2m× 1.5m左右的溝槽，溝槽寬度約10cm，用導(dǎo)線沿溝槽繞若干圈，構(gòu)成電感線圈。通過(guò)地下溝道，用低阻導(dǎo)線將線圈的兩個(gè)節(jié)頭引到處理箱中。當(dāng)機(jī)動(dòng)車(chē)輛通過(guò)線圈部分時(shí)，線圈電感量發(fā)生變化（經(jīng)實(shí)際測(cè)試，當(dāng)微型面包車(chē)和轎車(chē)處于線圈上方時(shí)，電感量將減少2～3%左右；卡車(chē)處于上方時(shí)，電感量的變化約是前者的一半左右）。線圈接入振蕩電路中，電感量的變化引起振蕩頻率變化。電感量減小，振蕩頻率增大，頻率變化的相對(duì)量基本上是電感量變化量的一半[2]。

2.2滯留車(chē)輛信息獲取

本文關(guān)于滯留車(chē)輛數(shù)目的解決辦法是：在一定長(zhǎng)度的區(qū)域內(nèi)，鋪設(shè)多條電磁線圈感應(yīng)線，由電磁環(huán)形線圈的性質(zhì)可以知道，當(dāng)車(chē)輛通過(guò)環(huán)形地埋線圈或停在環(huán)形地埋線圈上時(shí)，車(chē)身鐵質(zhì)切割磁力線引起線圈回路電感量的變化。當(dāng)車(chē)輛通過(guò)時(shí)線圈檢測(cè)回路的電感變化和車(chē)輛停留在線圈上的變化情況顯然不同，比如電感變化的時(shí)間等。利用這些不同，通過(guò)寫(xiě)入程序的算法分析，系統(tǒng)主控部分就可以大概地判斷出通過(guò)車(chē)輛和是否有車(chē)輛停留在線圈上方。

為了使車(chē)輛與線圈的位置關(guān)系不是通過(guò)線圈就是停留于線圈上方，必須對(duì)不在路口的線圈形狀做一些調(diào)整，使得磁感線圈感應(yīng)線變寬，測(cè)量為某一的區(qū)域，并依此區(qū)域?yàn)闇y(cè)量線代替原來(lái)的感應(yīng)線。

檢測(cè)區(qū)域?yàn)閄米（如X預(yù)定為100）。將檢測(cè)區(qū)域分為若干檢測(cè)區(qū)，本文改進(jìn)的ITS面向城市街道路口，存在滯留檢測(cè)區(qū)域車(chē)輛分流情況，如商場(chǎng)、停車(chē)場(chǎng)。故在檢測(cè)區(qū)A、B感應(yīng)線中間，需添加適當(dāng)距離的感應(yīng)線，在一定程度上排除車(chē)輛分流產(chǎn)生的檢測(cè)誤差。我們將道路擁堵情況量化分級(jí)為三級(jí)制，即暢通、一般、擁堵三級(jí)狀態(tài)，如圖2示。

滯留車(chē)輛數(shù)目判斷：在紅燈時(shí)間用通過(guò)各條電磁線圈反饋此次紅燈時(shí)間段壓線車(chē)輛數(shù)目，來(lái)反饋各區(qū)域判斷前方區(qū)域的車(chē)輛數(shù)目，若堵車(chē)長(zhǎng)度達(dá)到某條電磁線圈，此處數(shù)目將不會(huì)變化，此時(shí)還不能判定確實(shí)達(dá)到此處，因?yàn)闊o(wú)車(chē)時(shí)數(shù)目也不會(huì)變，因此需要進(jìn)一步判斷，由于通過(guò)車(chē)輛和滯留車(chē)輛產(chǎn)生的電感變化的差異，通過(guò)分析上次變化及和之后的線圈統(tǒng)計(jì)相對(duì)比就可以判斷車(chē)輛擁堵是否已經(jīng)達(dá)到了某一等級(jí)。

3　算法

這里先討論單個(gè)交通燈路口利用由傳感器接收到的數(shù)據(jù)，并由這些數(shù)據(jù)得到我們所需要的參數(shù)，通過(guò)對(duì)得到的參數(shù)再進(jìn)行分析和處理，得到所需結(jié)果數(shù)據(jù)，即信號(hào)燈亮滅時(shí)間長(zhǎng)度。

系統(tǒng)會(huì)在一天的時(shí)間內(nèi)，記錄車(chē)流量及交通狀況，并劃分出時(shí)段做出統(tǒng)計(jì)，給出一個(gè)高峰低谷時(shí)段分布表，記錄在時(shí)段表數(shù)組里面。通過(guò)人工分析時(shí)段表，可以人為地給出一個(gè)在不同時(shí)段的不同人行橫道時(shí)間經(jīng)驗(yàn)值供系統(tǒng)分析使用。

下面給出一種簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)模型闡述算法原理。

為了簡(jiǎn)化分析，我們只建立一個(gè)孤立的十字路口模型說(shuō)明原理，如圖3所示是一孤立的十字路口，其中帶有腳標(biāo)的是各個(gè)路口車(chē)流方向，而大寫(xiě)字母則代表該方向的人行橫道。

設(shè)一個(gè)交通周期T為不能同時(shí)亮的綠燈時(shí)間總和。我們暫不考慮右轉(zhuǎn)的情況，即不考慮a3，b3，c3，d3的情況。

設(shè)Tsi，i=1,2,3,4，分別為a1，b1，c1，d1的直行綠燈時(shí)間；設(shè)Tli，i=1,2,3,4，分別為a2，b2，c2，d2的左轉(zhuǎn)綠燈時(shí)間。

交通周期T的組成：

T=max（Ts1,Ts2）+max（Ts3,Ts4）+max（Tl1,Tl2）+ max（Tl3,Tl4）；

令t1=|Ts1-Ts2|，t2=|Ts3-Ts4|，t3=|Tl1-Tl2|，t4= |Tl3-Tl4|分別為同一方向直行綠燈可能存在的差值；

則T=min（Ts1,Ts2）+min（Ts3,Ts4）+min（Tl1,Tl2）+ min（Tl3,Tl4）+t1+t2+t3+t4；

設(shè)S為在一個(gè)交通周期內(nèi),積累的車(chē)隊(duì)的最大長(zhǎng)度，因此設(shè)Sa、Sb、Sc、Sd是四個(gè)方向的滯留車(chē)輛長(zhǎng)度（包括左轉(zhuǎn)和直行車(chē)道的數(shù)目），這個(gè)長(zhǎng)度可以劃分為左轉(zhuǎn)滯留Sli和直行滯留Ssi，i=1,2,3,4；這個(gè)是本文系統(tǒng)可以測(cè)量的參數(shù)，測(cè)量方法在前文給出，通過(guò)測(cè)量得到的參數(shù)還有四個(gè)方向的直行車(chē)流量Cs1、Cs2、Cs3、Cs4；左轉(zhuǎn)車(chē)流量Cl1,Cl2,Cl3, Cl4。

變量假設(shè)完畢，算法里需要輸出的最終結(jié)果是單位時(shí)間內(nèi)總體滯留在路口的車(chē)輛最少，則有總式：

我們則需要的最佳情況即為F(T)最小的情況。

為了簡(jiǎn)化分析，可以直接引用所測(cè)量到的車(chē)流量數(shù)據(jù)，所以這里采用了經(jīng)驗(yàn)公式[3]：

其中Vε為等效車(chē)流量（輛/h），v為實(shí)際車(chē)流量（輛/h），v1為綠燈直行輛數(shù)（輛/h），v2為左轉(zhuǎn)車(chē)輛數(shù)（輛/h），n為有效車(chē)道數(shù)。

則下交通周期長(zhǎng)度可由以下公式給出：

通過(guò)測(cè)量，上一周期四方向的滯留數(shù)目為S1l、S2l、S3l、S4l，本周期的則為S1t、S2t、S3t、S4t，其中每個(gè)均為此方向直行和左轉(zhuǎn)滯留數(shù)目的和，此周期某一方向的平均車(chē)輛增加速度設(shè)為Ui，i=1,2,3, 4；則Ui就是前一周期和本周期的滯留車(chē)輛數(shù)目之差對(duì)時(shí)間求平均值，即

Ui=（Sil-Sit）/(Tsi+Tli)，其中i=1,2,3,4。

設(shè)Txi為某方向下一周期綠燈總時(shí)間，即某方向下周期左轉(zhuǎn)綠燈時(shí)間和直行綠燈之和。

Sxi為某方向下一周期滯留增長(zhǎng)數(shù)目，我們可以預(yù)測(cè)下一周期的路口的滯留車(chē)輛增長(zhǎng)數(shù)目：

Sxi=Ui*Txi，其中i=1,2,3,4。

在此說(shuō)明的是，這個(gè)預(yù)測(cè)并不是下一周期的數(shù)學(xué)模型的輸入值，該預(yù)測(cè)數(shù)目反應(yīng)的是我們對(duì)此交通路口車(chē)輛數(shù)目改變趨勢(shì)，是我們所期望達(dá)到的效果。顯然我們需要Sxi越小越好，即Ui越小越好（其中1對(duì)應(yīng)a方向，2對(duì)應(yīng)b方向，3對(duì)應(yīng)c方向，4對(duì)應(yīng)d方向）。

當(dāng)Ui<0的時(shí)候，這時(shí)候我們不對(duì)信號(hào)燈時(shí)間進(jìn)行調(diào)整，因?yàn)閿?shù)量變化趨勢(shì)是總體減少的，但若車(chē)流量減少導(dǎo)致T的減少，則此時(shí)按比例縮減信號(hào)燈的時(shí)間，等待下周期判斷Ui的正負(fù)。

當(dāng)Ui>0的時(shí)候，這時(shí)候我們需要對(duì)時(shí)間調(diào)整，使得S最小。

由此可知，我們需要的S，可以由Sxi給出：

根據(jù)前面把一個(gè)交通周期分解為八個(gè)變量的方法，同樣的，可以將下個(gè)周期的時(shí)間分解為八個(gè)變量進(jìn)行計(jì)算。由于Tn的值已經(jīng)得出，所以下面就是八個(gè)變量的分配問(wèn)題，為了簡(jiǎn)化硬件設(shè)備其中左轉(zhuǎn)和直行的時(shí)間可以按滯留車(chē)輛數(shù)目比例折算。

約束條件：已經(jīng)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)知道，司機(jī)可以忍受的最大周期時(shí)間為140秒，故T≤140s[4]。

分析加入人行橫道后，

設(shè)Tri，i=1,2,3,4分別為a2,b2,c2,d2的右轉(zhuǎn)綠燈時(shí)間；

設(shè)TA,TB,TC,TD分別為四個(gè)人行橫道時(shí)間。

顯然TA=Ts1-Tr1,，TB,TC,TD與之類(lèi)似。

故可得到TA≥0,TB≥0,TC≥0,TD≥0；

由于即使無(wú)車(chē)通過(guò)也要留出人行時(shí)間，故

t1≥max（TC,TD）；t2≥|TC-TD|；t3≥max（TA,TB）；t4≥|TA-TB|；

min（Ts1，Ts3）>max（Tc，Td）

min（Ts2，Ts4）>max（Ta，Tb）

在此，我們發(fā)現(xiàn)通過(guò)測(cè)量的得到的參數(shù)只有：Sa、Sb、Sc、Sd、v，通過(guò)經(jīng)驗(yàn)得到的變量則有：v1、v2、TA、TB、TC、TD，因此就可以使用這些變量和參數(shù)作為接口，將數(shù)學(xué)模型在軟件中寫(xiě)成函數(shù)形式，這樣就可以比較容易的替換使用這些參數(shù)更復(fù)雜但更加完善的數(shù)學(xué)模型。參照上文環(huán)形線圈采樣及滯留車(chē)輛信息獲取方案的模糊處理，通過(guò)基于STC12C5A60S2單片機(jī)的系統(tǒng)進(jìn)行上述算法處理。

4　無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)

基于STC12C5A60S2微處理器，設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)單的基于4432系列多通道嵌入式無(wú)線數(shù)傳模塊和單片機(jī)技術(shù)的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。Si4432芯片是Sili?con Labs公司推出的一款高集成度、低功耗、多頻段的EZ Radio PRO系列無(wú)線收發(fā)芯片。模塊提供了多頻段多信道以及網(wǎng)絡(luò)ID，來(lái)降低傳輸過(guò)程中的干擾以提高傳輸性能[5]。

使用一種自行擬定的通信協(xié)議算法實(shí)現(xiàn)多路口信息匯總處理和指令發(fā)送的組網(wǎng)（如圖4示）。由于我們事先已經(jīng)設(shè)定好了一套系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)選擇字，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)一個(gè)選擇字，系統(tǒng)上電后首先主機(jī)向主機(jī)覆蓋下的一級(jí)節(jié)點(diǎn)發(fā)送事節(jié)點(diǎn)選擇字，選中其中某一節(jié)點(diǎn)，主機(jī)等待接受，接著由選中的節(jié)點(diǎn)對(duì)主機(jī)發(fā)送此節(jié)點(diǎn)信息并接著對(duì)其覆蓋范圍下但不在主機(jī)覆蓋范圍下的二級(jí)節(jié)點(diǎn)再發(fā)送節(jié)點(diǎn)選擇字，以此類(lèi)推至最底層某一節(jié)點(diǎn)，并由此節(jié)點(diǎn)傳輸此點(diǎn)數(shù)據(jù)層層發(fā)送回去，由此完成主機(jī)對(duì)所有節(jié)點(diǎn)的逐個(gè)訪問(wèn)和收集，而主機(jī)發(fā)送一次節(jié)點(diǎn)選擇字后，所收集到的多條信息，由信息包字的某幾位判斷是哪一個(gè)節(jié)點(diǎn)的信息。主機(jī)依然由一個(gè)單片機(jī)組成。也可將單片機(jī)與PC機(jī)相連接，將數(shù)據(jù)傳送到PC機(jī)處理。

5　未來(lái)展望

關(guān)于ITS系統(tǒng)發(fā)展和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，我們認(rèn)為未來(lái)的方向有五個(gè)：一是信息發(fā)布平臺(tái)，二是提高信息獲取精度，三是增多交通信息獲取種類(lèi)，四是分析算法和數(shù)學(xué)模型的改進(jìn)，五是改進(jìn)通信網(wǎng)絡(luò)。

[1]曹成濤，徐建閩.基于壓電和線圈的交通參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].廣州：華南理工大學(xué)交通學(xué)院，2007：2-13．

[2]孔德強(qiáng)，曲仕茹.環(huán)形線圈車(chē)輛檢測(cè)器的改進(jìn)設(shè)計(jì)[J].工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置，2007，20(2):51-53．

[3]周商吾.交通工程[M].上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，1987：15-100．

[4]許剛.基于C8051和Si4432無(wú)線收發(fā)透明模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2012（23）．

(責(zé)任編輯：趙建周）

A New Intelligent Transportation Systems Based on Vehicle Congestion

HUA Hong-yan，TIAN Chuan,LIU Chun,JIA Qing-chao,WU Xiao-fang
(Zhengzhou Institute of Aeronautical Industry Management,Zhengzhou 450000,China)

Article based on electromagnetic coils buried raised the number of measuring the amount of stranded vehicles and traffic detection and wireless communications networking solutions.Program uses STC12C5A60S2 MCU as the master,SI4432 as a wireless communication module.Paper describes the principles of road conges?tion information obtained,a brief introduction to the stranded vehicles and traffic detection method,system hard?ware design,software algorithms logical thinking in order to achieve multi-junction traffic lights can be adjusted according to road congestion lamp light off time and multi-junction coordinated control regulation.

stranded traffic;congestion;ITS

U491.51

A

1673-2928（2015）02-0031-04

2014-08-30

田川（1992-），男，河南中牟縣人，鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院電子通信工程系電子信息工程專業(yè)2011級(jí)本科生。