劉胤哲

（山東 濟寧 272000）

由于機動車的不斷普及，在各大城市十字路口經(jīng)常出現(xiàn)等紅燈的擁堵現(xiàn)象。很多時候我們會看到一種情況：紅燈方向的車道車輛數(shù)量比較多，而綠燈通行的車道車流量卻很少。某一方向出現(xiàn)擁堵，而車流量與紅綠燈狀況不相適應(yīng)，導(dǎo)致了交通的進一步擁堵。

20世紀70年代末，澳大利亞成功研制了“悉尼自適應(yīng)交通控制系統(tǒng)（SCATS）”，該系統(tǒng)能夠根據(jù)紅外測距改變各相位綠燈時間，但靈活度不夠，控制策略欠佳。2015年，英國推出了SCOOT系統(tǒng)，采用了視頻攝像技術(shù)，根據(jù)檢測器得到的實時數(shù)據(jù)，對子區(qū)和路網(wǎng)的信號配時進行優(yōu)化。但其實用性和可靠性之間存在矛盾。

目前智能紅綠燈的應(yīng)用不夠，但交通擁堵狀況嚴重，亟需一種能夠智能控制紅綠燈的系統(tǒng)。本文采用智能紅綠燈系統(tǒng)，根據(jù)車流量多少合理地調(diào)控紅綠燈時間的長短，就能減少一個周期內(nèi)十字路口前排隊的車輛數(shù)，從而很好地緩解堵車的問題，還能進一步減少碳排放。

1 監(jiān)測車流量原理

本方案設(shè)計在距離十字路口交通燈前方60m處地下一前一后相聚8米埋置2個電磁感應(yīng)線圈，前一個線圈旁有一個計時器，后一個線圈旁邊有一個計數(shù)器。兩個電感線圈相互通信，預(yù)先在電磁感應(yīng)線圈中通上電流，從而計算出流量，如圖1所示。由于當有大的金屬物（汽車）通過電感線圈時，空間介質(zhì)發(fā)生變化引起了電磁場B的變化，根據(jù)安培力的計算公式F=BIL，所以當力傳感器測得力發(fā)生變化時，就代表有汽車經(jīng)過這個方向的十字路口。

圖1 電感線圈埋布示意圖

力的變化作為有汽車經(jīng)過電感線圈的路面時的輸入信號，再將此信號通過信號轉(zhuǎn)換裝置輸出一個脈沖電壓，使得開關(guān)S抖動一次，此脈沖電壓即可輸入到計數(shù)器，使得計數(shù)器中的數(shù)量加1，如圖2所示。參考紅綠燈標準時長，計時器只需要顯示“分”、“秒”，用4片中規(guī)模計數(shù)器，各為十六進制計數(shù)器，都選用74LS161集成塊來實現(xiàn)，采用反饋清零法，如圖2所示。計數(shù)器則采用采用74193，經(jīng)過功能擴展，可連接成任意模M的計數(shù)器，根據(jù)實際路口的車輛最大數(shù)量來具體的確定所需的模M的值。

當有車經(jīng)過了這兩個電感線圈時，計時器會顯示出相距的時間，系統(tǒng)則會判斷出車速，計數(shù)器則會測出這段時間內(nèi)通過的車輛數(shù)。

圖2 車輛數(shù)監(jiān)測原理圖

2 基于單片機的車流量計算分析

2.1 單片機控制原理

單片微型計算機（單片機）就是將微處理器（CPU）、存儲器、I/O接口電路和相應(yīng)實時控制器件集成在一塊芯片上的芯片級微型計算機。

單片機底層控制可分為兩個模塊：車輛流量數(shù)據(jù)采集與通訊模塊和信號燈的控制模塊。各十字路口的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)通過通信線路（總線）傳送至單片機系統(tǒng)，單片機產(chǎn)生各信號燈的控制信號。接著單片機將各信號燈的控制信號反饋回信號燈中，信號燈就按要求進行合適的時間走動了。對單片機本身進行初始化，對中斷，定時器等參數(shù)做出定義，啟動紅綠燈進行工作，監(jiān)測是否存在觸發(fā)的車輛信號并進行車輛計數(shù)，同時監(jiān)測是否存在主程序?qū)刂瓢暹M行的調(diào)用。在采集車輛信號后對單位時間內(nèi)的車輛變動情況進行分析，按照網(wǎng)絡(luò)最大流算法對控制時間進行優(yōu)化，智能地處理各路口的通行時間。系統(tǒng)在人行道上安裝了緊急按鈕，具有優(yōu)先權(quán)，人行道上發(fā)生了突發(fā)事件，只要按一下緊急按鈕，5秒鐘后此通道即可通行；緊急事故通過后，又恢復(fù)到正常的狀態(tài)?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 單片機控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 系統(tǒng)控制策略

整個系統(tǒng)的控制策略可以采用集總式或分布式控制。

集總式控制是將所有路口數(shù)據(jù)通過光纜傳輸?shù)揭慌_大型主機終端，并進行整體調(diào)控。

該控制策略的優(yōu)點如下：后臺整體調(diào)控，具有強大的可視性。在一些特殊情況下，例如重要人物經(jīng)過、救護車緊急救援、交通警察捉拿嫌犯，都可以起到很大的作用，而且不會影響到其他正常時間的交通。缺點如下：數(shù)據(jù)傳輸來回約有一秒延遲；一旦終端被黑客入侵，整個系統(tǒng)將會崩潰，城市交通將會癱瘓，在非常時段將是黑客對主線城市進行攻擊的重要手段。相比較分布式而言，單個大型主機在系統(tǒng)規(guī)模到達一定程度時成本較高，且計算能力要求很高，正常檢視也需要不少人力。

分布式控制是在每個路口安置一套處理系統(tǒng)，互不連接，互不干擾。

該控制策略的優(yōu)點如下：基本上沒有延遲問題。性價比比大型主機更好，總的計算能力比單個大型主機更強。如果一個機器崩潰，整個系統(tǒng)還可以運轉(zhuǎn)，就安全而言，可靠性更高。更重要的是，和集總式相比，僅給系統(tǒng)增加一些處理機就可以解決需求擴大的問題。缺點如下：不能對特殊事件進行整體的調(diào)控處理，不具有宏觀可視性，且網(wǎng)絡(luò)易飽和。

3 結(jié)語

本方案的創(chuàng)新點如下：

（1）利用地感線圈很精確地檢測出車輛數(shù)；

（2）利用計時器和單片機準確計算出車流量；

（3）控制模塊采用單芯片微控制器，各功能模塊均在IC芯片基礎(chǔ)上進行開發(fā)，各模塊和IC芯片之間以近距離的總線方式相連；

（4）微控制器能夠及時地對各種信號進行相應(yīng)處理。

本方案通過引入網(wǎng)絡(luò)最大流算法優(yōu)化了各個路口的控制通行時間，并且利用計時器和計數(shù)器測出了車的流量，探討了系統(tǒng)分別采用集總式和分布式控制策略的優(yōu)劣性。

智能紅綠燈系統(tǒng)成本少，效益高，能夠減少等待耗油，節(jié)能減排，符合時代發(fā)展要求。能緩解各大城市交通問題及引發(fā)的環(huán)境問題，符合低碳經(jīng)濟的理念。