交通信號(hào)燈優(yōu)化控制＊

閆東宇，邢雙云，操峻巖，廉甘霖

（沈陽(yáng)建筑大學(xué)，遼寧 沈陽(yáng) 110168）

隨著我國(guó)信息技術(shù)的發(fā)展，交通信息的獲取也越來(lái)越多樣，比如通過(guò)分析城市道路交通流量變化的特點(diǎn)，提出一種基于數(shù)據(jù)融合的監(jiān)測(cè)方法；基于不同相位的動(dòng)態(tài)最小時(shí)間需求，并以相位通行需求時(shí)間為研究對(duì)象，以動(dòng)態(tài)相位時(shí)間差為狀態(tài)轉(zhuǎn)換控制目標(biāo)，建立了單路口交通信號(hào)燈的動(dòng)態(tài)智能控制方法。然而，這些方法均未涉及到自動(dòng)采集動(dòng)態(tài)影像、處理與分析路口交通流量信息的核心。

就以往的信息傳感技術(shù)而言，目前，大多數(shù)城市交通信號(hào)燈控制方法基本上還是采用感應(yīng)線圈等設(shè)備來(lái)獲取交通信息。由于這種交通量檢測(cè)設(shè)備需要埋設(shè)在道路下面，使得安裝與維護(hù)都很不方便，成本高、抗干擾性差、感應(yīng)范圍極為有限，難以普遍推廣，加之其能力十分有限，僅僅能檢測(cè)出車(chē)道上現(xiàn)有車(chē)輛的數(shù)量。所以，本文針對(duì)交通信息的獲取、分析、處理以及反饋進(jìn)行了改進(jìn)，不同于以往單一的模糊控制，將其靠人工分析的部分改為智能分析，加之“電子警察”應(yīng)用的日益普及，在城市的許多交叉路口早已裝配了采集交通流量的攝像裝置，雖然設(shè)下“電子警察”的設(shè)計(jì)初衷是用于人工監(jiān)控，但我們不妨將其與交通信號(hào)燈的控制系統(tǒng)相連接，并將CCD攝像傳感技術(shù)應(yīng)用其中，讓信號(hào)燈的轉(zhuǎn)換完全依靠科學(xué)的人工智能。

本項(xiàng)目的研究結(jié)果綜合考慮了各個(gè)車(chē)道的排隊(duì)長(zhǎng)度以及車(chē)輛通過(guò)路口所需的時(shí)間，從而決定綠燈時(shí)間的分配，更接近人的決策，又不失科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)性，能有效地對(duì)平面交叉口進(jìn)行控制。

1 預(yù)備知識(shí)

模糊控制，是采用由模糊數(shù)學(xué)語(yǔ)言描述的控制規(guī)則來(lái)操縱系統(tǒng)工作的一種非線性控制方式，不需要建立精準(zhǔn)的數(shù)學(xué)模型，它靠結(jié)合人的思維和經(jīng)驗(yàn)來(lái)實(shí)現(xiàn)交通的控制。模糊控制的特點(diǎn)是既有系統(tǒng)化的理論，又有大量的實(shí)際應(yīng)用背景。在傳統(tǒng)的控制領(lǐng)域中，控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模式的精確與否是影響控制優(yōu)劣的關(guān)鍵，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)的信息越詳細(xì)，則越能達(dá)到精確控制的目的。模糊控制對(duì)于復(fù)雜和難以精確描述的系統(tǒng)有著很好的處理效果。

模糊綜合評(píng)價(jià)法是一種基于模糊數(shù)學(xué)的綜合評(píng)標(biāo)方法。該綜合評(píng)價(jià)法根據(jù)模糊數(shù)學(xué)的隸屬度理論把定性評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)化為定量評(píng)價(jià)，即用模糊數(shù)學(xué)對(duì)受到多種因素制約的事物或?qū)ο筮M(jìn)行總體評(píng)價(jià)。它具有結(jié)果清晰、系統(tǒng)性強(qiáng)的特點(diǎn)，能較好地解決模糊、難以量化的問(wèn)題，適合各種非確定性問(wèn)題的解決。其特點(diǎn)是評(píng)價(jià)結(jié)果不是絕對(duì)地肯定或否定，而是以一個(gè)模糊集合來(lái)表示。

CCD是電荷耦合器件的簡(jiǎn)稱(chēng)，它使用一種高感光度的半導(dǎo)體材料制成，能把光線轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器芯片轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)壓縮以后由相機(jī)內(nèi)部的閃速儲(chǔ)存器或內(nèi)置硬盤(pán)卡保存，可以輕而易舉地把數(shù)據(jù)傳輸給計(jì)算機(jī)，并借助于計(jì)算機(jī)的處理手段根據(jù)需要和想像來(lái)修改圖像。CCD的工作原理是被攝物體反射光線到CCD器件上，CCD根據(jù)光的強(qiáng)弱積聚相應(yīng)的電荷，從而產(chǎn)生與光電荷量成正比的弱電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)濾波、放大處理等操作，通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路輸出一個(gè)能表示敏感物體光強(qiáng)弱的電信號(hào)或標(biāo)準(zhǔn)的視頻信號(hào)。

2 單個(gè)交叉路口優(yōu)化控制

對(duì)城市中單個(gè)交叉路口的信號(hào)燈進(jìn)行控制，實(shí)質(zhì)就是尋找最佳信號(hào)周期和兩交叉方向的綠信比，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的檢測(cè)和分析我們得出結(jié)論：在車(chē)流量極小的情況下，信號(hào)周期應(yīng)盡量短，但一般不小于50 s，以免車(chē)輛來(lái)不及通過(guò)路口；在交通車(chē)流量很大的情況下，信號(hào)周期要盡可能的長(zhǎng)，但一般不超過(guò)180 s，避免行人或司機(jī)等待時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。

2.1 計(jì)算CCD攝像頭的位置

為了解決以往的只能靠埋在地下的磁線圈確定道路車(chē)輛多少的問(wèn)題，以及改進(jìn)這種只靠車(chē)輛數(shù)來(lái)決定變換交通燈的情況。我們決定使用CCD攝像傳感技術(shù)來(lái)替代地下埋線圈的情況，確定CCD攝像頭位置的過(guò)程為：將世界坐標(biāo)系中的Z軸與直行/左轉(zhuǎn)行車(chē)為分界線重合且方向?yàn)檐?chē)輛行駛的正方向，設(shè)為0，以停車(chē)線與車(chē)輛行駛方向分界線的交點(diǎn)設(shè)置成原點(diǎn)，軸與停車(chē)線重合且以行車(chē)的左側(cè)為正方向。每個(gè)CCD均根據(jù)計(jì)算機(jī)圖像坐標(biāo)系像素點(diǎn)坐標(biāo)（U，V）和世界坐標(biāo)系空間三維坐標(biāo)（X，Y，X）之間的關(guān)系標(biāo)定其內(nèi)、外參數(shù)值。建立如圖1的坐標(biāo)系，并在信號(hào)燈處放置CCD電子傳感攝像頭。

圖1 CCD攝像頭的位置

2.2 連接所有的CCD攝像頭并設(shè)計(jì)功能

將此路段的所有CCD傳感攝像頭系統(tǒng)進(jìn)行連接，將每個(gè)路口的CCD傳感攝像頭的傳感功能相連接，檢測(cè)出各個(gè)車(chē)道的實(shí)時(shí)車(chē)流量，車(chē)的平均速度以及車(chē)輛所在車(chē)道，反饋到信號(hào)處理器中，計(jì)算出此刻等紅燈車(chē)輛通過(guò)道口所需時(shí)間。根據(jù)確定的各個(gè)相位最短綠燈時(shí)間Gmin和最長(zhǎng)綠燈時(shí)間Gmax，從而確定最小信號(hào)周期Tmin和最大信號(hào)周期Tmax，給獲得通行權(quán)的當(dāng)前相位i以最小的綠燈時(shí)間Gi，min.在此時(shí)間內(nèi)測(cè)定該交叉口的車(chē)輛信息為：當(dāng)前綠燈相位車(chē)輛的排隊(duì)長(zhǎng)度（實(shí)際排隊(duì)長(zhǎng)度與潛在排隊(duì)長(zhǎng)度之和）Li和當(dāng)前紅燈相位上各車(chē)道中的最大車(chē)輛排隊(duì)長(zhǎng)度Lmax，計(jì)算兩者的比值q作為輸入變量。

模糊化模塊的作用是將CCD攝像頭傳感的精確數(shù)值輸入變量，通過(guò)定義在其論域上的隸屬度函數(shù)計(jì)算出其屬于各模糊集合的隸屬度，從而將其轉(zhuǎn)化成為一個(gè)模糊變量，最終決定綠燈或者紅燈的開(kāi)啟。對(duì)于輸入的變量，假設(shè)其論域上定義了“短”“長(zhǎng)”兩個(gè)模糊集合，對(duì)于輸出變量，在其論域上定義了“紅燈亮”“綠燈亮”。

2.3 模糊評(píng)價(jià)函數(shù)的定義

如果Li為0，或Li＜v（v＞0），v為某一給定值，根據(jù)資料將其設(shè)定為10，且qi＞e（e＞0），e為某一給定值，根據(jù)資料將其設(shè)定為5，或累計(jì)綠燈時(shí)間已達(dá)最大綠燈時(shí)間，將下一次通行權(quán)分配給車(chē)輛排隊(duì)長(zhǎng)度最大的車(chē)道所在的相位。如果不滿足所設(shè)定的條件，由兩個(gè)輸入變量得到當(dāng)前相位綠燈延時(shí)△Gi，則綠燈時(shí)間延長(zhǎng)△Gi.

這種經(jīng)過(guò)△Gi時(shí)間后重新確定綠燈時(shí)延的方法可以使綠燈時(shí)長(zhǎng)分配根據(jù)路口的實(shí)際交通流量，有一定的自適應(yīng)能力，保證了通行機(jī)會(huì)的均等性和通行分配時(shí)間的合理性，縮短了延誤時(shí)間，其基本控制結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 基本控制結(jié)構(gòu)圖

我們將模理論應(yīng)用到了青年大街上進(jìn)行實(shí)地測(cè)量，將上述控制算法加載于現(xiàn)有的“電子警察”系統(tǒng)中。CCD攝像頭采用MV-VS142FM/FC高分辨率工業(yè)數(shù)字CCD攝像機(jī)，采用連續(xù)采集圖像的方式。該系列型號(hào)攝像機(jī)以IEEE1394作為輸出通信協(xié)議，直接輸出數(shù)字圖像信號(hào)且信號(hào)穩(wěn)定，CPU資源占用少，一臺(tái)嵌入式系統(tǒng)同時(shí)連接多臺(tái)攝像機(jī)，適合交通路口的車(chē)流圖像信息采集。同時(shí)，模糊控制也完全適應(yīng)于“電子警察”，判斷出的結(jié)果也基本準(zhǔn)確。

本文中的算法與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)勢(shì)：①能夠?qū)徊媛房诘能?chē)流狀況及其車(chē)輛排隊(duì)長(zhǎng)度進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)，包括右轉(zhuǎn)、直行、左轉(zhuǎn)三種行車(chē)方向的車(chē)輛排隊(duì)長(zhǎng)度；②結(jié)合了模糊控制之后，更加清晰、快速地對(duì)路況作出反應(yīng)，為最終實(shí)現(xiàn)城市智能交通提供科學(xué)的信息基礎(chǔ)。

3 結(jié)論

通過(guò)將模糊控制技術(shù)與CCD攝像傳感技術(shù)相結(jié)合，解決了現(xiàn)有交通信息獲取單一的靠在地下埋感應(yīng)線圈的方法缺陷。通過(guò)CCD攝像傳感技術(shù)可以實(shí)時(shí)地接收路況信息，包括車(chē)流長(zhǎng)度、車(chē)流速度，然后通過(guò)信號(hào)處理器計(jì)算出此刻車(chē)流通過(guò)路口所需的時(shí)間，將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)侥：刂破髦校儆赡：刂破鳑Q定哪個(gè)路口應(yīng)該通行，最終實(shí)現(xiàn)交通信號(hào)燈的優(yōu)化控制。

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