基于物聯(lián)網的城市交叉路段交通信號智能控制方法

韓 貝，盧 磊

（榆林學院信息工程學院，陜西榆林 719000）

信號采集系統(tǒng)可以完成簡單交通信號的采集工作，但由于城市不同路段交通信號的變化時間不同，在對交叉路段交通信號采集時，系統(tǒng)的各個組件同時工作，給系統(tǒng)造成極大的工作負載，另一方面系統(tǒng)本身處理負載能力差[1]，結果導致系統(tǒng)運行效率低，交叉路段交通信號采集精度低。閆飛等[2]構建了一種非線性交通流排隊模型，并設計了交叉口信號的迭代學習控制策略。通過對交叉口信號的迭代學習控制，均衡處理交叉口各進口道的車輛排隊長度。劉智敏等[3]提出了基于改進深度強化學習的單交叉口交通信號控制方法。構建實時車輛數變化量的獎勵函數，跟蹤交叉口交通狀態(tài)的動態(tài)變化過程。上述方法雖然實現了信號采集和控制，但是由于城市交叉路段交通信號變換的復雜性，將其應用于城市交叉路段交通信號控制中，需要進一步優(yōu)化采集效果。物聯(lián)網技術對于信號采集工作具有便利性、易維護性、可擴展性、高效性，只要在信號覆蓋的有限網絡內，物聯(lián)網技術都可以對其進行采集，并且物聯(lián)網技術的實質是利用信號的接入點完成數據采集，具有一定的規(guī)律性，具有高程度的數據采集完整性。綜上所述，該文引用物聯(lián)網技術提出基于物聯(lián)網的城市交叉路段交通信號智能控制方法。

1 硬件設計

該文設計的城市交叉路段交通信號采集系統(tǒng)硬件由處理器、傳感器、嵌入器和信號采集器組成。系統(tǒng)的硬件結構如圖1 所示。

圖1 采集系統(tǒng)硬件結構

1.1 處理器

該文的處理器采用開發(fā)版本的FL2440 微處理器，該處理器成本低但是性能高，在信號采集[4-5]領域被廣泛應用。FL2440 微處理器結構如圖2 所示。

圖2 FL2440微處理器結構

根據圖2 可知，FL2440 微處理器的核心采用Thume 和ARM 雙指令集規(guī)則，具有超高的節(jié)能性。ARM54385 內核的存儲空間為16 kB。該處理器還具備主頻為400 MHz 的MMU、外模模塊、256 M Nand-flash 的開發(fā)版、不同類型的Type-C 接口、高溫散熱器，每個器件相互協(xié)助，構建一個高性能的微處理器。該文采用的核心板為飛凌嵌入式FL2440 核心板，FL2440 微處理器的內置芯片為GF-5825，該芯片對于交通信號數據幀具有高效識別能力，使所提方法的采集效率得到保證。處理器配置出口RFID天線[6-8]，保證處理器的識別速度達到205 個/s，處理器的極限輸出功率為35.5 dBm，有效工作頻段為840～960 MHz，適用于普遍的信號傳遞范圍。

1.2 傳感器

為了達到實時采集城市交叉路段交通信號的要求，該文采用YHSG-86G 的傳感器識別一定區(qū)域內的交通信號傳感節(jié)點[9-10]，為系統(tǒng)的交通信號采集提供一定的條件基礎。YHSG-86G 的傳感器將信號放大電路、轉換器、信號校驗器以及串并行接口集成于一體，主要優(yōu)點是傳感器基于傳統(tǒng)的傳感器的反應速度快、靈敏度高，并且耗能低，具有一定的抗干擾能力[11-12]，適應交通信號的采集工作。傳感器示意圖如圖3 所示。

圖3 傳感器示意圖

YHSG-86G 的傳感器采用雙通道通信數字模式輸出，其對交通信號節(jié)點的識別精度為4%，傳感器的工作原理是通過SCK、DATA 兩個信號特征量完成的，SCK 信號的任務是同步處理器和傳感器之間的交通信號信息[13-14]，防止出現重復采集或者遺漏采集的狀況。傳感器接口示意圖如圖4 所示。

圖4 傳感器接口示意圖

YHSG-86G 的傳感器的防護等級為IP67，工作電流為4～20 mA，電壓為12～24 VDA，負載電流為200 A，傳感器的耐沖擊強度為500 m/s，豎直、水平、三維方向各一次。

1.3 嵌入器

嵌入器是一款輔助硬件設備工作的設備，通過拓展HDMI 接口的方式，實現網關與服務器的連接，提高信號傳輸速率。HDMI 接口擁有高清顯示的功效，其電路帶有5 Gbps 的傳輸帶寬，通過物聯(lián)網技術能夠連接數與模，實現數字信號的傳輸。該文設計嵌入器的目的是協(xié)助處理器、信號采集器、傳感器的工作，完成所提方法的驅動。嵌入器結構如圖5 所示。

圖5 嵌入器結構

嵌入器的優(yōu)點是具有實時性、內核設備簡單但是性能高、具有較好的可靠性和穩(wěn)定性。嵌入器采用固態(tài)硬盤存儲，使其運行頻率達到360 GHz，保證系統(tǒng)的效率，嵌入器具備三路HDMI 信號與一路HDMI 信號自動切換功能，對交通信號具有降噪處理功能。信號的自動切換能夠確保自由選擇信號輸出類型，使其信號源不會受到干擾，始終保持信號高保真輸出。另外，嵌入器識別交通信號的采樣頻率為96 kHz，為了配合嵌入器的工作需要和系統(tǒng)工作流程，嵌入器邊緣設計了多個光纖輸入輸出口，帶寬頻率為25 MHz，統(tǒng)一將采集到的交通信號節(jié)點以5VP 格式輸出。嵌入器電路圖如圖6 所示。

圖6 嵌入器電路圖

1.4 信號采集器

信號采集器是硬件區(qū)域的核心器件，該文采用GH89S 信號采集器提高系統(tǒng)對交通信號的采集效率。采集信號的突出優(yōu)勢是所有采集接口都采用RS-232 串口規(guī)格，其串口是一種高速率低成本的通信接口類型，用于連接信號采集器和硬件區(qū)域的其他設備。GH89S 信號采集器內部設有多個終端節(jié)點，用來存儲采集的交通信號，存儲空間為8+128 GB，采集器的采集核心為32 位的ARM CPU，采集模式為6 核心12 進程方式，自動緩沖交通信號，提高采集效率。GH89S 信號采集器的光刻為67 nm，其載波采集誤差低于5%，根據交通信號類型不同，自動調節(jié)采集模式，合理地分配采集資源，節(jié)省信號采集的能耗開銷。數據采集器的碼元速率采集誤差優(yōu)于1×10-4。

2 交通信號智能控制

為了使物聯(lián)網技術能夠穩(wěn)定地實現各種信息的傳遞，該文設計了一個規(guī)劃原理去規(guī)范物聯(lián)網技術，使其具有較高的應用性，規(guī)劃原理內容是將計劃采集的交通信號數據分別存儲在記錄條中，每類交通信號存在每一條記錄中，具有一致性。然后將交通信號按照類型切割為多個模糊集，并依次設定唯一的隸屬度，按照交通信號屬性對不同類型的交通信號進行分類排序，設置各記錄屬于對應劃分的隸屬度分別是0 或1，再將全部隸屬度的數據集當成新數據集，通過模糊關聯(lián)規(guī)則方法[15-16]對其進行挖掘。具體物聯(lián)網技術模糊支持度計算公式如下：

其中，n表示數據采集的個數；X表示待采集的交通信號數據類型；P表示交通信號個數；B表示數據信息的隸屬度；xj表示第j個記錄在bt上的隸屬度，其有效范圍為B＞D；為避免忽略交通信號數據之間的聯(lián)系關系度，將物聯(lián)網技術復雜化，因此借助模糊置信度，提高物流網技術交通信號采集數據的關系度，具體公式如下：

其中，dt表示其他模糊置信度。

通過對以上物聯(lián)網技術原理的分析和功能介紹，結合交通信號采集系統(tǒng)硬件區(qū)域的設備功能介紹，交通信號智能控制的工作流程如圖7 所示。

圖7 交通信號智能控制流程

1）首先，傳感器初始化需要初始化交叉路段交通信號數據采集區(qū)域的傳感通信節(jié)點，硬件區(qū)域的處理器將所有的交通信號節(jié)點信息進行分類，將分類結果傳遞到嵌入器內。

2）嵌入器首先接收分類的交通信號數據節(jié)點，然后調用物聯(lián)網技術，根據分類類型深度挖掘交通信號數據，得到額外的信號節(jié)點，最終嵌入器將所有的交通信號節(jié)點附加一個標識屬性，有利于交通信號數據的采集。

3）交通信號采集器依據各個信號標識，通過物聯(lián)網技術的模糊聚類方法，采集有效區(qū)域內的交通信號數據[17]，并存儲在存儲器內，以待調用。

3 實驗研究

為了驗證該文所提的基于物聯(lián)網的城市交叉路段交通信號智能控制方法的有效性，與傳統(tǒng)系統(tǒng)進行實驗對比，選用的傳統(tǒng)系統(tǒng)分別為文獻[2]交通信號迭代學習控制方法、文獻[3]交通信號深度強化學習控制方法。設定實驗參數如表1 所示。

表1 實驗參數

根據上述實驗參數，選用所提方法和傳統(tǒng)系統(tǒng)進行對比實驗，實驗中使用的實際交通信號的初始采樣頻率為48 kHz，將初始采樣信號的采樣頻率降至200 Hz，能有效地分析0～100 Hz 頻段內的線譜信號，并將50 個采樣點作為訓練數據，50 個采樣點作為測試數據。

該文所設計的信號采集系統(tǒng)分別采用了傳統(tǒng)的信號采集系統(tǒng)和原信號采集系統(tǒng)，50 個采樣點的頻譜圖實驗結果如圖8所示。

圖8 50個采樣點的頻譜圖

由圖8 可知，在信號規(guī)模比較小的情況下，傳統(tǒng)的文獻[2]方法以及文獻[3]方法得到的信號頻譜的線譜信號較少，顯示清晰度較低。而所提方法的信號頻率清晰度更高，性能更好。采集速度實驗結果如表2 所示。

表2 采集速度實驗結果

分析表2 可知，在相同時間內，所提方法采集的數量要優(yōu)于對比方法。在信號規(guī)模較小的情況下，對比方法采集到的線譜信號較少，而所提方法采集到的線譜信號組分則清晰可見，說明所提方法在復雜環(huán)境下具有較好的信號采集性能。在復雜環(huán)境下，系統(tǒng)完成信號采集的過程在一定程度上被簡化，消除了外部復雜環(huán)境的干擾因素，從而提高了城市交叉路段交通信號控制效果。

4 結束語

該文首先分析所提方法硬件區(qū)域設計的處理器、傳感器、嵌入器以及信號處理器，然后根據交通信號采集系統(tǒng)的功能設計交叉路段交通信號控制方法，最后將以上的分析內容進行合理調用，得出城市交叉路段交通信號智能控制工作流程，達到該文研究的目的。