張書陽(yáng) 天津工業(yè)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院 陳佳琦 東北石油大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院

1 引言

隨著城市的發(fā)展其規(guī)模在不斷擴(kuò)大，交通也需要不斷的提高和改進(jìn)，交通的是否順暢已經(jīng)成為城市發(fā)展的一個(gè)重要因素。目前，伴隨著機(jī)動(dòng)車輛的不斷增加，尤其是十字路口的交通問(wèn)題頗為關(guān)鍵，嚴(yán)重的影響到城市交通安全。但是信號(hào)燈的時(shí)間并不是十分合理，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)一個(gè)方向積壓了很多車流量，另一個(gè)方向卻暢通無(wú)阻。基于大數(shù)據(jù)的最優(yōu)化交通問(wèn)題就是來(lái)解決當(dāng)前信號(hào)等待時(shí)間不均勻的問(wèn)題，從而最大化實(shí)現(xiàn)綠色環(huán)保的。

2 理論設(shè)計(jì)計(jì)算

由于我國(guó)的交通因出行日期，時(shí)間具有車輛多少隨機(jī)性強(qiáng)的特點(diǎn)，用精確的數(shù)學(xué)模型來(lái)描述比較困難，對(duì)單個(gè)路口紅燈等候時(shí)間的優(yōu)化顯得很重要。

對(duì)單個(gè)路口而言，當(dāng)交通需求較小車輛比較少時(shí)，信號(hào)周期則應(yīng)設(shè)置的短一些，但不少于一定秒數(shù)的綠燈時(shí)間（如果小于這個(gè)秒數(shù)車輛來(lái)不及通過(guò)路）。當(dāng)交通需求很小時(shí)，經(jīng)過(guò)觀察和計(jì)算為了保證車輛的最少通過(guò)時(shí)間經(jīng)過(guò)按最小周期運(yùn)行（20秒）。當(dāng)需求較大時(shí)，只能按比較大的時(shí)間周期進(jìn)行控制。這樣一個(gè)方向的車輛保證了足夠甚至更多的通行時(shí)間，但另一個(gè)方向的車輛產(chǎn)生了比較嚴(yán)重的車輛堵塞現(xiàn)象。所以設(shè)計(jì)單個(gè)紅綠燈路口的模糊控制算法變得十分必要且迫切。我將這個(gè)表達(dá)分為以下幾個(gè)步驟：第一步從第一個(gè)方向開始依次給四個(gè)方向分別指定最大綠燈時(shí)間；第二步先給一個(gè)方向的綠燈最短綠燈時(shí)間，記Δt＝20秒；第三步在Δt內(nèi)測(cè)得通行車道上的交通需求，設(shè)其為K；第四步若K小于某一給定的值r或累積綠燈時(shí)間，則將綠燈轉(zhuǎn)到下一方向同時(shí)返回第二步，如果不是那么繼續(xù)；第五步根據(jù)K值的大小來(lái)確定綠燈延長(zhǎng)時(shí)間Δt。如果K比較小則少量延長(zhǎng)綠燈時(shí)間，反之如果K比較大則多延長(zhǎng)綠燈時(shí)間，依據(jù)K值由此建立模糊控制規(guī)則。設(shè)延長(zhǎng)的綠燈時(shí)間為Δt，若＋ΔG≥70秒，則Δt＝70秒；否則該相位的綠燈時(shí)間為＋ΔG，回到第三步。用車輛等候長(zhǎng)度來(lái)表示交通需求，建立下述模糊控制規(guī)則。將測(cè)得的等候車輛長(zhǎng)度可看作模糊變量，其論域（單位是輛）為：S＝｛3，8，13，18，23｝，取5個(gè)語(yǔ)言值：（短（），較短（），中等），（較長(zhǎng)），（長(zhǎng)）。綠燈追加時(shí)間Δt及其對(duì)應(yīng)語(yǔ)言值｛10（少），20（較少），30（適中），40（較多），50（多）｝。根據(jù)模糊統(tǒng)計(jì)法（或者神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法）得出五個(gè)控制規(guī)則。由5條語(yǔ)言控制策略可組成單輸入單輸出語(yǔ)言控制策略，每條控制策略可用模糊關(guān)系矩陣表示。再求出兩者的模糊關(guān)系R（規(guī)則內(nèi)取交集，規(guī)則間取并集），再進(jìn)行模糊決策，其中模糊控制器的輸出為誤差向量和模糊關(guān)系的合成。

最后將模糊推理得到的模糊量進(jìn)行反模糊化，變換為應(yīng)用于交通信號(hào)燈中控制精確量，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)交通路口一個(gè)方向的綠燈時(shí)間的模糊控制。其中要遵頊“隸屬度度最大原則”進(jìn)行反模糊化。

當(dāng)然隨著通信技術(shù)的進(jìn)步，芯片成本的降低，我們可以把這個(gè)模糊控制系統(tǒng)升級(jí)為模糊自適應(yīng)PID系統(tǒng)。因?yàn)橄窠衲昴戏奖韧觐l發(fā)的大量降雨引發(fā)的洪水問(wèn)題，紅綠燈路口的等候規(guī)則（屬于非人為因素）就需要馬上修改。而自適應(yīng)控制運(yùn)用現(xiàn)代控制理論，使用云計(jì)算的方法通過(guò)穩(wěn)定的信道傳送給交通信號(hào)燈。具體操作是利用往年暴雨條件下（也可設(shè)置其他非人為因素）操作人員的參數(shù)正定經(jīng)驗(yàn)存入計(jì)算機(jī)中，這樣就實(shí)現(xiàn)了智能（模糊自適應(yīng)）PID控制器。這種控制器可以把模糊控制系統(tǒng)和先進(jìn)的專家系統(tǒng)相結(jié)合，使交通信號(hào)燈在面對(duì)人為因素（如消防車，救護(hù)車經(jīng)過(guò)）和非人為因素（冰雹洪水等）時(shí)，有了更加智能的應(yīng)對(duì)方法。

3 用單片機(jī)最小系統(tǒng)模擬

設(shè)計(jì)的最優(yōu)化交通信號(hào)燈系統(tǒng)分為三部分?；A(chǔ)數(shù)據(jù)采集依靠紅外線傳感器來(lái)統(tǒng)計(jì)上一次經(jīng)過(guò)的車輛。第二部分采用STC89C51單片機(jī)以及單片機(jī)最小系統(tǒng)算出下一次綠燈時(shí)間同時(shí)傳送給信號(hào)燈，第三部分通過(guò)信號(hào)燈來(lái)反映實(shí)際情況。本設(shè)計(jì)的控制部分由單片機(jī)+按鍵+發(fā)光二極管+共陽(yáng)數(shù)碼管+三極管設(shè)計(jì)而成?？梢允謩?dòng)設(shè)置東西、南北的倒計(jì)時(shí)時(shí)間、可以設(shè)置黃燈閃爍時(shí)間。采用四方向數(shù)碼管設(shè)計(jì)，更加符合真實(shí)的交通信號(hào)燈設(shè)計(jì)。同時(shí)通過(guò)紅外傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)車流量，通過(guò)在同期車流量和臨時(shí)車流量?jī)蓚€(gè)因素來(lái)共同決定下一時(shí)刻的紅綠燈時(shí)間長(zhǎng)度，減少車輛排隊(duì)等待時(shí)間，使問(wèn)題得到最優(yōu)化解決，最大程度減少車輛車輛等候時(shí)間。

使用紅外線探頭來(lái)測(cè)量上一次綠燈時(shí)車流量的多少，并自動(dòng)調(diào)節(jié)下一次綠燈的時(shí)間。有效的緩解了車輛等候時(shí)間，避免了擁堵。夜間模式是比較簡(jiǎn)單，使4個(gè)方向黃燈閃爍。當(dāng)消防車、救護(hù)車等特殊車輛通行時(shí)按下”緊急模式鍵”全部亮紅燈，待緊急車輛通過(guò)后，再恢復(fù)后。

設(shè)計(jì)的系統(tǒng)默認(rèn)是當(dāng)南北方向綠燈時(shí)間最開始為20s，當(dāng)車流量3到8之間時(shí)時(shí)間量增加10s，當(dāng)車流量8到13之間時(shí)時(shí)間量再次增加10s，當(dāng)車流量13到18之間時(shí)時(shí)間量再次增加10s，當(dāng)車流量18到23之間時(shí)時(shí)間量再次增加10s，當(dāng)車流量23以上時(shí)時(shí)間量增加到70s。車流量的增加根據(jù)模糊算法得到的參數(shù)是可以修改的。設(shè)計(jì)一個(gè)車輛數(shù)量的隸屬函數(shù)（使用的是模糊統(tǒng)計(jì)法）在｛3，8，13，18，23｝之內(nèi)按大小的順序劃分為五個(gè)等級(jí)即{短，較短，中等，較長(zhǎng)，長(zhǎng)}。采用五個(gè)三角形隸屬度函數(shù)來(lái)表達(dá)，從而建立一個(gè)模糊系統(tǒng)。具體來(lái)優(yōu)化綠燈時(shí)間，使增加的時(shí)間不在以10s為單位，更加優(yōu)化了等候時(shí)間。

4 結(jié)束語(yǔ)

交通信號(hào)燈系統(tǒng)具有較大的隨機(jī)性和不可控制的非人為因素影響，建立一個(gè)數(shù)學(xué)模型比較困難。而模糊控制方法適用于較大隨機(jī)可能性的城市交通系統(tǒng)的控制。在未來(lái)科技進(jìn)一步發(fā)展后還可以在原來(lái)的模糊控制基礎(chǔ)上升級(jí)為模糊自適應(yīng)PID系統(tǒng)。避免了科技升級(jí)帶來(lái)的資源二次浪費(fèi)。