畢潤(rùn)東，高　博

（四川大學(xué)微電子技術(shù)省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都610064）

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基于FPGA的交通信號(hào)燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

畢潤(rùn)東，高博*

（四川大學(xué)微電子技術(shù)省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都610064）

摘要：為了使交通信號(hào)燈系統(tǒng)針對(duì)車流量變化做出有效應(yīng)對(duì)，設(shè)計(jì)了一種智能交通信號(hào)燈控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)結(jié)合道路傳感器反饋的車流信息，采用有限狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)了交通信號(hào)燈全感應(yīng)自適應(yīng)控制方案，得到最優(yōu)信號(hào)燈轉(zhuǎn)化和時(shí)間分配。該系統(tǒng)采用FPGA設(shè)計(jì)，結(jié)合成都科華北路復(fù)雜交通路口車輛統(tǒng)計(jì)信息，對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行仿真和驗(yàn)證。結(jié)果表明，該系統(tǒng)能減少17.550%的車輛平均延誤時(shí)間，保障交通順暢，提高了效率。

關(guān)鍵詞：智能控制系統(tǒng)；交通信號(hào)燈控制；FSM；FPGA；Verilog HDL

現(xiàn)代城市中十字路口車流量大，而交通控制因素中的信號(hào)燈時(shí)間分配和狀態(tài)轉(zhuǎn)化不合理是交通系統(tǒng)效率低的主要原因。因此信號(hào)燈配時(shí)和狀態(tài)轉(zhuǎn)化的最佳選擇成為國(guó)內(nèi)外研究的重點(diǎn)。目前信號(hào)燈系統(tǒng)配時(shí)方案和狀態(tài)轉(zhuǎn)化的主要方法有：（1）時(shí)間分配基于模糊算法或遺傳算法［1-2］，但是實(shí)際運(yùn)用中當(dāng)不同車道內(nèi)的車輛出現(xiàn)非線性增長(zhǎng)時(shí)，調(diào)節(jié)精度較差［3］。（2）信號(hào)燈狀態(tài)轉(zhuǎn)化基于車流量［4］，但是時(shí)間分配不合理。另外信號(hào)燈系統(tǒng)的硬件受限于單片機(jī)，ASIC兩種設(shè)備：（1）單片機(jī)控制能力好，但是端口有限，工作不夠穩(wěn)定［5］。（2）ASIC體積小，性能穩(wěn)定，卻不能更新，成本較高，設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)［6］。

針對(duì)以上問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種基于FPGA的智能交通控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)兼顧信號(hào)燈狀態(tài)轉(zhuǎn)化和配時(shí)，將狀態(tài)分為正常，上下班高峰期，深夜車少等3種方案，能實(shí)現(xiàn)有車才綠燈，特定時(shí)間特定狀態(tài)，同時(shí)根據(jù)車輛排隊(duì)長(zhǎng)度和無(wú)車綠燈停止兩個(gè)配時(shí)調(diào)節(jié)機(jī)制，實(shí)現(xiàn)合理配時(shí)。另外由于該系統(tǒng)外接傳感器較多，相應(yīng)狀態(tài)控制復(fù)雜，因此利用FPGA在IO接口數(shù)、低功耗、性能穩(wěn)定等方面的優(yōu)勢(shì)，采用有限狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)，使該系統(tǒng)設(shè)計(jì)方便，易于實(shí)現(xiàn)［6-7］。

1　系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1道路基本情況

根據(jù)成都市科華北路實(shí)地考察，其路況為南北向道路是進(jìn)出城方向，也是主干道，東西向道路是環(huán)線支路。路口車輛流動(dòng)性大，道路復(fù)雜，在各路口設(shè)置水泥基壓電探測(cè)器感應(yīng)路口是否有車等待［8］，T1，T3，T5，T7是直行路口探測(cè)器，T2，T4，T6，T8是左轉(zhuǎn)路口探測(cè)器。另外在所有路的直行路和轉(zhuǎn)彎路分別在離路口30 m，40 m，50 m處安裝探測(cè)器用來(lái)探測(cè)對(duì)應(yīng)路段內(nèi)是否有車排隊(duì)［9］，如圖1所示。

圖1　道路基本情況

1.2交通系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)

設(shè)有綠燈的狀態(tài)為主要狀態(tài)，則交通系統(tǒng)一共有6個(gè)主要狀態(tài)，分別是S0到S5。如圖2所示：箭頭代表車行方向。

圖2　信號(hào)燈主要狀態(tài)

由于白天和晚上車流量較大，深夜車流量極小，因此設(shè)計(jì)分為正常，上下班高峰期，深夜車少等3種信號(hào)燈狀態(tài)方案，其中正常情況和上下班高峰期是結(jié)合傳感器實(shí)現(xiàn)狀態(tài)依次跳變，而深夜情況實(shí)現(xiàn)狀態(tài)任意跳變。具體如下：

①正常情況信號(hào)燈在S0到S3之間依次循環(huán)。

②上下班高峰期上班高峰：7：00~9：00在狀態(tài)S3和S0之間增加狀態(tài)S4，而且S4狀態(tài)之后的S4_1_1只有L6轉(zhuǎn)彎方向變?yōu)辄S燈3 s，接下來(lái)S4_1_2只有L6轉(zhuǎn)彎方向變?yōu)榧t燈2 s，L5一直保持綠燈，最后進(jìn)入S0狀態(tài)；下班高峰期：17：00~19：00在S3和S0之間增加S5，之后狀態(tài)上同理。

③深夜情況0：00~6：00當(dāng)所有路口都有車或者都無(wú)車時(shí)（T1到T8全為1或0），按照S0到S3之間依次循環(huán)。而當(dāng)一些路口無(wú)車時(shí)按照以下規(guī)律：

（a）信號(hào)燈狀態(tài)在S0~S5之間選擇；

（b）當(dāng)前狀態(tài)綠燈結(jié)束時(shí)，對(duì)應(yīng)路段30 m內(nèi)有車，當(dāng)前狀態(tài)綠燈保持除非其他路段有車等待；

（c）判斷順序是S0—S1—S2—S3—S4—S5—S0，當(dāng)前狀態(tài)結(jié)束時(shí)，從當(dāng)前狀態(tài)開(kāi)始按判斷循序判斷，下一個(gè)狀態(tài)是對(duì)應(yīng)路段有車的狀態(tài)。比如狀態(tài)S2結(jié)束時(shí)，按S3—S4—S5—S0—S1循序判斷；

（d）S4和S5之后的狀態(tài)與正常情況下的轉(zhuǎn)化相同，與高峰期轉(zhuǎn)化不同（即深夜增加S4_2_1和S4_2_2，以及S5_2_1和S5_2_2）。

1.3信號(hào)燈時(shí)間分配

正常情況的4個(gè)狀態(tài)S0到S3的信號(hào)燈時(shí)間：信號(hào)燈的基本綠燈時(shí)間都是30 s，之后是黃燈3 s。從一個(gè)主要狀態(tài)到下一個(gè)主要狀態(tài)有2 s的所有信號(hào)燈都是紅燈。高峰期兩個(gè)狀態(tài)S4和S5信號(hào)燈時(shí)間：同一路段同一方向直行和轉(zhuǎn)彎綠燈同時(shí)亮，持續(xù)15 s。針對(duì)復(fù)雜的車流情況，進(jìn)行交通時(shí)間調(diào)節(jié)如下：

①由車排隊(duì)長(zhǎng)度調(diào)節(jié)綠燈時(shí)間，不論是直行路還是轉(zhuǎn)彎路都符合如下規(guī)律：

（a）一般情況車排隊(duì)長(zhǎng)度在第一個(gè)排隊(duì)探測(cè)器以內(nèi)，即排隊(duì)長(zhǎng)度在30 m以內(nèi)，綠燈時(shí)間是30 s基本時(shí)間。

（b）輕度擁堵排隊(duì)長(zhǎng)度在40 m以內(nèi)大于30 m，綠燈時(shí)間是40 s。

（c）擁堵排隊(duì)長(zhǎng)度在50 m以內(nèi)大于40 m，綠燈時(shí)間是50 s。

（d）當(dāng)在正常情況下，有且僅有主干道南路或北路中一條路，直行和轉(zhuǎn)彎同時(shí)出現(xiàn)擁堵時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入對(duì)應(yīng)的上班或下班高峰期情況。比如，只有北路的直行和轉(zhuǎn)彎同時(shí)出現(xiàn)擁堵時(shí)，進(jìn)入下班高峰期情況。這樣可以極大地解決同路段車道相對(duì)方向車流量不均衡帶來(lái)的效率不高問(wèn)題。

（e）將要綠燈的兩條路，綠燈時(shí)間由排隊(duì)長(zhǎng)度的最大值決定。如南路直行排隊(duì)在30 m以內(nèi)，北路直行排隊(duì)在50 m以內(nèi)，則S0狀態(tài)綠燈時(shí)間為50 s。

（f）這個(gè)調(diào)節(jié)機(jī)制只對(duì)正常情況和高峰期的四個(gè)基本狀態(tài)適用。

②無(wú)車綠燈停止機(jī)制：

在當(dāng)前狀態(tài)為綠燈的路段，同時(shí)綠燈的兩條路30 m處排隊(duì)探測(cè)器測(cè)得30 m內(nèi)都無(wú)車時(shí)，綠燈停止。比如，S0狀態(tài)南路和北路的直行是綠燈，同時(shí)測(cè)得南路和北路直行30 m內(nèi)無(wú)車，綠燈馬上停止。但是若只有一條路30 m內(nèi)無(wú)車，綠燈持續(xù)。這一機(jī)制只對(duì)正常情況和高峰期4個(gè)基本狀態(tài)，以及深夜情況6個(gè)狀態(tài)適用。

2　交通燈系統(tǒng)有限狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)

根據(jù)以上方案，系統(tǒng)共22個(gè)狀態(tài)，如圖3所示。其中6個(gè)主狀態(tài)（S0到S3是基本狀態(tài)，S4，S5是高峰期狀態(tài)），6個(gè)主狀態(tài)中信號(hào)燈不是綠燈就是紅燈。6個(gè)主狀態(tài)之間是2個(gè)中間態(tài)，一個(gè)是表示之前的主狀態(tài)綠燈變3 s黃燈，一個(gè)表示2 s全紅燈安全狀態(tài)。在沒(méi)有跳變的情況下，狀態(tài)自循環(huán)。

輸出紅綠燈控制信號(hào)為RYG，R代表紅燈，Y代表黃燈，G代表綠燈，且1表示對(duì)應(yīng)燈亮，0表示對(duì)應(yīng)燈滅。圖3中狀態(tài)下數(shù)值代表信號(hào)燈L1到L8的輸出控制信號(hào)。如在南北直行通行S0狀態(tài)時(shí)，L1和L5綠燈，狀態(tài)機(jī)輸出信號(hào)001，用數(shù)字“1”表示，其他紅燈輸出信號(hào)100，用“4”表示，因此S0下數(shù)字為14441444。另外黃燈輸出信號(hào)010，用“2”表示。

圖3　狀態(tài)圖

3　狀態(tài)機(jī)的硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)描述如圖4所示。其中端口定義如下：

①clk：1hz時(shí)鐘輸入，作為系統(tǒng)的時(shí)鐘。

②res：復(fù)位信號(hào)。

③times（1：0）：深夜，上下班高峰，正常3種情況輸入指令。比如輸入為00代表整個(gè)系統(tǒng)是按深夜情況執(zhí)行狀態(tài)轉(zhuǎn)化。

④n，s，w，e（6：1）：北，南，西，東路段車輛排隊(duì)長(zhǎng)度探測(cè)器輸入信號(hào)。與圖1對(duì)應(yīng)，比如n（1）=1時(shí)，代表北路直行方向30 m內(nèi)有車等待，s（5）=0時(shí)，代表南路左轉(zhuǎn)方向40 m到30 m內(nèi)無(wú)車等待。

⑤t（8：1）：路口是否有車探測(cè)器輸入信號(hào)。比如，t（1）=1代表北路直行路口有車等待。

⑥L1，L2，L3，L4，L5，L6，L7，L8（2：0）：北路，東路，南路和西路的直行和左轉(zhuǎn)彎信號(hào)燈。比如L1=100，010或者001，分別表示北路直行方向紅燈，黃燈，綠燈，L2代表北路左轉(zhuǎn)方向信號(hào)燈。

⑦C1，C2，C3，C4，C5，C6，C7，C8（7：0）：分別代表北路，東路，南路和西路的直行和左轉(zhuǎn)的倒計(jì)時(shí)顯示。

設(shè)計(jì)由Verilog HDL語(yǔ)言描述，狀態(tài)采用獨(dú)熱碼編碼，應(yīng)用三段式有限狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)［10］，以Altera公司EP2C35F672C6作為實(shí)現(xiàn)載體，占用了211個(gè)LUT單元。

圖4　HDL模型控制器

4　系統(tǒng)仿真和驗(yàn)證

4.1系統(tǒng)仿真

圖5是在正常情況下的仿真結(jié)果，結(jié)果表明：在各路口一直都有車，車輛排隊(duì)長(zhǎng)度30 m以內(nèi)時(shí)，在S1狀態(tài)綠燈15 s時(shí)（圖5中50 s），滿足綠燈停止條件，之后恢復(fù)每個(gè)路口都有車，車輛排隊(duì)長(zhǎng)度一直在30 m以內(nèi)?？梢?jiàn)系統(tǒng)從一個(gè)基本狀態(tài)到另一個(gè)基本狀態(tài)依次跳變，且在S1綠燈15 s后，南北左轉(zhuǎn)無(wú)車情況下綠燈停止。實(shí)現(xiàn)了S0到S3之間4個(gè)主狀態(tài)之間的依次循環(huán)跳變。

圖6仿真結(jié)果表明：在上班高峰期，且每個(gè)路口一直都有車，車輛排隊(duì)長(zhǎng)度30 m以內(nèi)的情況。在圖中140 s處，實(shí)現(xiàn)了從S0到S34個(gè)基本狀態(tài)的跳變以后，主狀態(tài)變?yōu)樯习喔叻迤跔顟B(tài)S4，實(shí)現(xiàn)了主狀態(tài)在S0到S4之間依次循環(huán)跳變。

圖7仿真結(jié)果表明：在深夜情況下的仿真結(jié)果，當(dāng)只有T1和T5，T3和T7有車，且都是輕度擁堵（有車路口都是40 m內(nèi)有車等待），因此綠燈時(shí)間都是40 s（初始態(tài)S0任然是30 s綠燈）?？梢?jiàn)主狀態(tài)實(shí)現(xiàn)了僅在S0和S22個(gè)之間的依次跳變，而系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了有車才綠燈和根據(jù)車輛排隊(duì)長(zhǎng)度配時(shí)。

圖5　正常情況

圖6　上班高峰期情況

圖7　深夜情況

4.2系統(tǒng)驗(yàn)證

以科華路口南路直行車道為樣本，分別在下午3點(diǎn)和凌晨0點(diǎn)多次調(diào)查取平均值，可以得到南路直行車流量分別為845輛每小時(shí)和567輛每小時(shí)。根據(jù)韋伯斯特模型法［11］，計(jì)算出傳統(tǒng)系統(tǒng)和本文新系統(tǒng)的車輛平均延誤時(shí)間，結(jié)果如表1所示。表1的分析結(jié)果表明新系統(tǒng)相對(duì)于傳統(tǒng)系統(tǒng)在車輛平均延誤時(shí)間上有所下降。當(dāng)車流量極小時(shí)和車流量較大時(shí)，新系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)更明顯。

表1　新系統(tǒng)與傳統(tǒng)系統(tǒng)比較

5　結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一款新型智能交通信號(hào)燈控制系統(tǒng)。與現(xiàn)有的交通系統(tǒng)不同，該系統(tǒng)增加車流探測(cè)器，基于現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯器件，采用有限狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)三種信號(hào)燈狀態(tài)轉(zhuǎn)化方案和兩種信號(hào)燈時(shí)間分配調(diào)節(jié)機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了針對(duì)交通復(fù)雜路口的高效智能控制。仿真與驗(yàn)證結(jié)果表明，當(dāng)車流量達(dá)到567輛每小時(shí)時(shí)，該系統(tǒng)較傳統(tǒng)系統(tǒng)減少了車輛17.550%的平均延誤時(shí)間。

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畢潤(rùn)東（1993-），男，漢族，四川宜賓，四川大學(xué)微電子技術(shù)省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，本科，主要研究方向?yàn)榧呻娐吩O(shè)計(jì)，bi?rundong_scu@163.com；

高博（1975-），男，漢族，四川成都，四川大學(xué)微電子技術(shù)省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，副教授，博士，研究方向?yàn)榧呻娐沸酒O(shè)計(jì)和生物醫(yī)學(xué)成像等，gaobo@scu.edu.cn。

收稿日期：2015-03-28修改日期：2015-04-22

中圖分類號(hào)：TP332.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1005-9490（2016）01-0229-06