張濤, 張文平, 王炎

(華北科技學(xué)院，河北 三河 065201)

基于模糊控制原理的智能交通信號(hào)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

張濤, 張文平, 王炎

(華北科技學(xué)院，河北 三河 065201)

為了解決交通擁擠問(wèn)題，根據(jù)不同方向的車(chē)輛流量合理地安排交通路口通行時(shí)間，設(shè)計(jì)了一種采用模糊控制原理的智能交通信號(hào)控制系統(tǒng)。詳細(xì)給出交通信號(hào)模糊控制器的結(jié)構(gòu)原理和設(shè)計(jì)結(jié)果。并設(shè)計(jì)以AT89C51單片機(jī)為主控制器的交通信號(hào)控制系統(tǒng)，用以驗(yàn)證設(shè)計(jì)的模糊控制器。系統(tǒng)采用模糊控制原理對(duì)交通信號(hào)進(jìn)行智能調(diào)整，實(shí)現(xiàn)根據(jù)車(chē)流量自動(dòng)調(diào)整不同方向交通信號(hào)的點(diǎn)亮?xí)r間和通行時(shí)間。模糊控制器的設(shè)計(jì)過(guò)程與仿真結(jié)果表明：模糊控制原理是完成智能自動(dòng)調(diào)整交通信號(hào)的理論基礎(chǔ)，并具有實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值。

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

0 引 言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，車(chē)輛數(shù)量的猛增導(dǎo)致城市的交通面臨著嚴(yán)峻的考驗(yàn)，城市的交通問(wèn)題日益嚴(yán)重。

當(dāng)前，在城市每個(gè)交叉路口安裝使用的交通信號(hào)控制系統(tǒng)，是一種定時(shí)控制交通信號(hào)的方式，即不考慮各個(gè)方向的實(shí)際車(chē)輛流量而定時(shí)進(jìn)行交通信號(hào)的切換。這種方法在交通流量大或各個(gè)方向交通流量不平衡時(shí)，將會(huì)形成車(chē)流量較大方向的通行時(shí)間較短、而車(chē)流量較小方向的通行時(shí)間較長(zhǎng)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(chē)輛流量而合理地調(diào)整該方向的通行時(shí)間，本文設(shè)計(jì)一種采用模糊控制原理的智能交通信號(hào)控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)能夠根據(jù)車(chē)輛流量的實(shí)時(shí)變化，及時(shí)合理地調(diào)整不同方向的通行時(shí)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(jì)

模糊控制(Fuzzy Control)是一種模仿人的大腦對(duì)模糊信息進(jìn)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(jìn)行自身調(diào)整的能力，因此是一種智能自適應(yīng)控制策略。

根據(jù)交通路口的實(shí)際情況，可采用單變量二維模糊控制器對(duì)交通信號(hào)進(jìn)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(chē)輛流量和東西方向的車(chē)輛流量，模糊控制器的輸出則為下一個(gè)時(shí)間段內(nèi)某個(gè)方向的車(chē)輛通行時(shí)間。

基于模糊控制原理的智能交通信號(hào)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(chē)輛流量檢測(cè)值，dx為東西方向的車(chē)輛流量檢測(cè)值，它們構(gòu)成模糊控制器的精確輸入值；t為下一時(shí)段需要調(diào)整的通行時(shí)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(yùn)算環(huán)節(jié)、模糊判決環(huán)節(jié)、清晰化運(yùn)算環(huán)節(jié)等三個(gè)部分組成[3-4]。

圖1 智能交通信號(hào)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖

2 模糊控制器設(shè)計(jì)

2.1 輸入變量定義及其模糊化

設(shè)計(jì)的模糊控制器共有兩個(gè)輸入變量，分別為南北方向車(chē)輛流量和東西方向車(chē)輛流量?，F(xiàn)以南北方向車(chē)輛流量輸入為例進(jìn)行設(shè)計(jì)說(shuō)明，東西方向車(chē)輛流量輸入與此類(lèi)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(chē)輛累計(jì)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(chē)輛累計(jì)最大數(shù)目，該數(shù)值可以根據(jù)道路交通的實(shí)際情況而進(jìn)行具體確定。

論域是語(yǔ)言變量的量化檔數(shù)，將南北方向等待通行車(chē)輛的論域確定為12檔，即論域?yàn)閧-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(duì)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(duì)照表

為南北方向輸入語(yǔ)言變量選取8個(gè)語(yǔ)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(shí)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(yǔ)言變量值；各行與各列的交叉點(diǎn)值則表示模糊語(yǔ)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(shí)段的通行時(shí)間。此處以下一個(gè)時(shí)間段內(nèi)南北方向通行時(shí)間為例進(jìn)行設(shè)計(jì)說(shuō)明，再下一個(gè)時(shí)間段內(nèi)東西方向通行時(shí)間與此類(lèi)似，不再贅述。

在下一個(gè)時(shí)間段內(nèi)，設(shè)南北方向綠燈通行(東西方向紅燈禁行)的時(shí)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(shí)間，數(shù)值60是指南北方向綠燈通行的最大時(shí)間，這兩個(gè)數(shù)值均可以根據(jù)道路交通的實(shí)際情況而進(jìn)行具體確定。

將南北方向綠燈通行時(shí)間的論域確定為11檔，即論域?yàn)閧-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(duì)照表，如表3 所示[5]182,[6]21。

為南北方向輸出語(yǔ)言變量選取7個(gè)語(yǔ)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(shí)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(yǔ)言變量值；各行與各列的交叉點(diǎn)值則表示模糊語(yǔ)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(duì)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(guò)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(chē)輛流量和東西方向車(chē)輛流量，它們均有8個(gè)模糊語(yǔ)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(gè)時(shí)間段內(nèi)某個(gè)方向的車(chē)輛通行時(shí)間的模糊語(yǔ)言變量值。

表5為下一個(gè)時(shí)間段內(nèi)某個(gè)方向的車(chē)輛通行時(shí)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(chē)輛流量輸入的模糊語(yǔ)言變量值；第一列中的各元素表示東西方向車(chē)輛流量輸入的模糊語(yǔ)言變量值；各行與各列的交叉點(diǎn)值則表示下一個(gè)時(shí)間段內(nèi)某個(gè)方向車(chē)輛通行時(shí)間的模糊語(yǔ)言變量值[5]182-183,[6]21-22。

表5 車(chē)輛通行時(shí)間的模糊控制規(guī)則表

通過(guò)模糊推理運(yùn)算，能夠得到下一個(gè)時(shí)間段內(nèi)某個(gè)方向的車(chē)輛通行時(shí)間的模糊語(yǔ)言變量輸出值。再采用加權(quán)平均值方法，將該模糊語(yǔ)言變量輸出值進(jìn)行清晰化運(yùn)算，即可最終確定下一個(gè)時(shí)間段內(nèi)某個(gè)方向的車(chē)輛通行的精確時(shí)間。

3 交通信號(hào)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)概述

為驗(yàn)證前述設(shè)計(jì)的模糊控制器，設(shè)計(jì)一種基于單片機(jī)的交通信號(hào)控制系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，通過(guò)程序設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)模糊控制器的功能，進(jìn)而驗(yàn)證模糊控制器設(shè)計(jì)的正確性和可行性。

該交通信號(hào)控制系統(tǒng)主要包括電源模塊、主控制器系統(tǒng)模塊、車(chē)輛流量檢測(cè)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(chē)輛流量檢測(cè)模塊用于實(shí)時(shí)檢測(cè)不同方向的車(chē)輛流量，用于計(jì)算等待通過(guò)車(chē)輛的數(shù)目。顯示電路接口模塊用于驅(qū)動(dòng)兩個(gè)方向的紅色、黃色、綠色交通信號(hào)點(diǎn)亮，以及兩個(gè)方向的顯示器顯示通行的倒計(jì)時(shí)時(shí)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(fù)位電路、晶振電路等組成，它是交通信號(hào)控制系統(tǒng)的控制核心裝置。

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

當(dāng)按下緊急停止按鍵時(shí)，此時(shí)東西方向、南北方向的紅色均被點(diǎn)亮，所有顯示器均顯示“-”字樣，表示該交通路口不允許任何車(chē)輛通過(guò)。

3.3 車(chē)輛流量檢測(cè)模塊

為自動(dòng)調(diào)整各個(gè)方向交通信號(hào)的點(diǎn)亮?xí)r間和通行時(shí)間，需要實(shí)時(shí)對(duì)各個(gè)方向的車(chē)輛流量進(jìn)行檢測(cè)累加。此處采用按鍵模擬檢測(cè)車(chē)輛流量，如圖2所示。

在每個(gè)方向上，近處和遠(yuǎn)處分別設(shè)置1個(gè)按鍵，四個(gè)方向上共設(shè)置8個(gè)按鍵。按鍵被按下一次，表示通過(guò)一輛車(chē)輛?！皷|近”按鍵表示對(duì)近處通過(guò)東向交通路口的車(chē)輛進(jìn)行檢測(cè)計(jì)數(shù)，“東遠(yuǎn)”按鍵表示對(duì)遠(yuǎn)處進(jìn)入東向交通路口的車(chē)輛進(jìn)行檢測(cè)計(jì)數(shù)，二者之差即為東向交通路口當(dāng)前等待通過(guò)車(chē)輛的數(shù)目。其它按鍵的功能與此類(lèi)似。

圖2 車(chē)輛流量檢測(cè)模塊

3.4 顯示電路模塊

交通信號(hào)控制系統(tǒng)需要顯示通行指示燈和倒計(jì)時(shí)時(shí)間，使用LED顯示器和LCD顯示器均可滿(mǎn)足顯示要求。

為簡(jiǎn)化顯示電路的設(shè)計(jì)，將南向、北向的通行指示燈和倒計(jì)時(shí)時(shí)間合并在一處，將東向、西向的通行指示燈和倒計(jì)時(shí)時(shí)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(jì)時(shí)時(shí)間、綠色指示燈及倒計(jì)時(shí)時(shí)間、黃色指示燈及倒計(jì)時(shí)時(shí)間；東西方向分別設(shè)置紅色指示燈及倒計(jì)時(shí)時(shí)間、綠色指示燈及倒計(jì)時(shí)時(shí)間、黃色指示燈及倒計(jì)時(shí)時(shí)間。

3.5 運(yùn)行流程

基于模糊控制原理的智能交通信號(hào)控制系統(tǒng)的運(yùn)行流程如下：

(1)單片機(jī)系統(tǒng)上后進(jìn)行初始化，完成端口設(shè)置等功能。

(2)點(diǎn)亮東西方向綠色信號(hào)燈和南北方向紅色信號(hào)燈，顯示倒計(jì)時(shí)時(shí)間30秒。

(3)在此期間，檢測(cè)計(jì)算南北方向等待通行的車(chē)輛累計(jì)數(shù)目。

(4)點(diǎn)亮東西方向黃色信號(hào)燈，點(diǎn)亮南北方向紅色信號(hào)燈，顯示倒計(jì)時(shí)時(shí)間5秒。

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

(6)點(diǎn)亮南北方向綠色信號(hào)燈，點(diǎn)亮東西方向紅色信號(hào)燈，按照第(5)計(jì)算的南北方向綠燈通行時(shí)間顯示倒計(jì)時(shí)時(shí)間。

(7)點(diǎn)亮南北方向黃色信號(hào)燈，點(diǎn)亮東西方向紅色信號(hào)燈，顯示倒計(jì)時(shí)時(shí)間5秒。

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

(9)點(diǎn)亮東西方向綠色信號(hào)燈，點(diǎn)亮南北方向紅色信號(hào)燈，按照第(8)計(jì)算的東西方向綠燈通行時(shí)間顯示倒計(jì)時(shí)時(shí)間。

(10)返回至第(4)步，循環(huán)往復(fù)。

4 仿真驗(yàn)證

為驗(yàn)證模糊控制器設(shè)計(jì)內(nèi)容的正確性和可行性，本設(shè)計(jì)采用Proteus軟件對(duì)交通信號(hào)控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真模擬。

基于模糊控制原理的智能交通信號(hào)控制系統(tǒng)的仿真運(yùn)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(hào)控制系統(tǒng)的全部模塊內(nèi)容較多，為簡(jiǎn)化圖形，圖中只給出了紅色、黃色、綠色交通信號(hào)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(hào)控制系統(tǒng)的仿真結(jié)果

5 結(jié)束語(yǔ)

為能夠根據(jù)不同方向道路的車(chē)輛流量而實(shí)時(shí)調(diào)整不同方向道路的通行時(shí)間，本文設(shè)計(jì)了一種采用模糊控制原理的智能交通信號(hào)控制系統(tǒng)。該智能交通信號(hào)控制系統(tǒng)充分利用模糊控制具有自適應(yīng)控制的優(yōu)點(diǎn)，靈活地根據(jù)實(shí)際情況來(lái)調(diào)整交通路口的通行時(shí)間，變固定通行時(shí)間為可變通行時(shí)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(wèn)題。

為了驗(yàn)證模糊控制器設(shè)計(jì)的合理性和可行性，本文設(shè)計(jì)了基于AT89C51單片機(jī)的交通信號(hào)控制系統(tǒng)，使用Proteus軟件對(duì)所設(shè)計(jì)的交通信號(hào)控制系統(tǒng)進(jìn)行了仿真計(jì)算。仿真結(jié)果表明：模糊理論原理是完成智能自動(dòng)調(diào)整交通信號(hào)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(shí)現(xiàn)提供了一條新途徑。

在校本科學(xué)生參與了該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程和本論文的寫(xiě)作過(guò)程，不僅提高了學(xué)生將理論知識(shí)應(yīng)用于實(shí)踐開(kāi)發(fā)的能力，而且培養(yǎng)了學(xué)生的科技創(chuàng)新能力[10]。

[1] 張濤．自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)實(shí)習(xí)指導(dǎo)教程[M]．徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2015．

[2] 張濤．自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)指導(dǎo)教程[M]．北京：煤炭工業(yè)出版社，2013．

[3] 張濤，潘玉民．自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)實(shí)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(jì)算機(jī)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(yīng)用[J]. 計(jì)算機(jī)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(hào)控制[J]. 電氣自動(dòng)化, 2002, 24(5):20-22.

[7] 嚴(yán)震，汪洪亮，張濤. 基于單片機(jī)的交通信號(hào)燈控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及其仿真[J]. 教育科學(xué)博覽,2015,17(4):256-258.

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

[9] 張濤. 基于單片機(jī)的瓦斯?jié)舛葯z測(cè)報(bào)警裝置的設(shè)計(jì)與仿真[J]. 煤炭工程,2014, 46(3):128-130.

[10] 張濤. 自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)學(xué)生的實(shí)踐能力與創(chuàng)新精神的培養(yǎng)機(jī)制[J]. 教育科學(xué)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?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)資助項(xiàng)目(3142015100);國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(201411104020);華北科技學(xué)院教研基金資助項(xiàng)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(xué)院學(xué)士，遼寧工程技術(shù)大學(xué)碩士，浙江大學(xué)博士，華北科技學(xué)院自動(dòng)化系教授、工程師、主任。研究方向：自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)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