2.3　智能交通信號控制系統

2.3.1　智能交通信號控制系統概述

智能交通信號控制系統是ITS的一個重要組成部分。交通系統具有較強的非線性、模糊性和不確定性，是一個典型的分布式系統，而且具有多信息來源、多傳感器的特點，用傳統的理論與方法很難對其進行有效的控制。

（1）交通信號控制的發展趨勢

城市各交叉路口處的交通流是相互關聯的，并且是非確定性的，因此智能化和集成化是城市交通信號控制系統的發展趨勢和研究前沿。把先進的智能控制技術、信息融合技術、交通預測技術與交通管理技術結合起來進行點線面的協調控制，代表著城市交通信號控制系統的發展方向，而針對交通系統規模復雜性特征的控制結構和針對城市交通瓶頸問題并代表智能決策的阻塞處理則是智能交通控制優化管理的關鍵和突破口。

現代交通控制系統已不單單是對交叉口信號燈進行控制，而是集交叉口信號燈控制和現代城市高速公路交通控制以及城市混合交通流于一體的混合型交通，實現區域信號控制和城市高速公路集成控制。若只依賴被動、微觀和靜態的傳統模式的控制策略顯然不能滿足城市交通的需求，必須突破傳統信號控制的研究方法。

控制思想上，要由被動控制向主動自適應控制發展；

控制技術上，要借助于現代科學技術向智能化、集成化發展；

控制規模上，要由微觀、中觀控制向宏觀、微觀結合的控制發展；

控制模式上，要由靜態控制向動態誘導控制發展。

總之，要充分運用系統思維和方法，研發城市先進交通管理系統的硬件技術和軟件技術。

綜合系統應具有友好的用戶界面，它由交通信號控制系統、交通誘導系統、車輛違章攝像系統、電視監視系統、車輛違章信息處理系統、車輛事故報警信息管理系統、警員巡更管理系統等組成，各子系統之間要相互協調。它們通過綜合系統主干網實現數據共享和聯動控制，從而達到最佳控制效果。

（2）基于實時預測技術的智能交通信號控制系統

基于實時預測技術的智能交通信號控制系統，通過充分利用控制、系統工程、交通工程、通信等方面的最新技術，基于交通流預測模型與算法預先獲得交通流的必要信息，并對其提前作出及時有效的響應，提供相應的信號控制策略，使系統能主動應對網絡交通流的動態變化，提高城市交通網絡的容量（通行能力）。其主要內容包括：

① 路口級相位控制優化系統，在路口級主要根據測得的交通流參數及各種約束條件，預測若干秒內路口各方向的車流量，進行路口交通控制；

② 子網絡協調控制系統，預測若干分鐘內網絡內車隊的運動狀況，建立路口間的協調約束；

③ 網絡交通負荷估計與預測系統，預測若干分鐘、小時或一天內的通行能力、旅行時間、路網擁堵情況等，提供與智能交通其他子系統的接口；

④ 在線中觀交通仿真系統，實現子網絡交通負荷的估計與預測，并用于路口處不同方向車隊間的沖突解決方案的在線實時評估；

⑤ 混合車流與標準小汽車車流間動態折算系數的確定。

（3）大數據時代交通信號控制

目前，人們正在尋找人工智能技術與前端設備的應用結合點，如智能交通信號控制，典型代表企業包括滴滴和阿里。滴滴交通云可以融合傳統交通采集設備數據、互聯網軌跡數據，實現主動信號優化、精確區域控制及全面效果評價的智能化信號控制。阿里“互聯網＋信號燈”融合移動互聯網的數據以及交警自有數據，將多種信息融匯在一起優化信號配時方案。

傳統信號控制系統與互聯網信號控制系統的差異體現在：前者的數據來源于周邊有限的采集設備，如視頻、線圈、雷達等，探測范圍非常有限；而后者的數據來源于基于手機定位計算得到的交通流數據，該類數據可以實時精準地統計全路網各個節點、路段的交通流量及流向。此外，互聯網信號控制系統不僅能夠利用人工智能技術、網絡流算法優化信號配時方案，而且可以評價路口信號配時方案的運行效果及對周邊區域交通的影響。

過去傳統的交通信號控制多集中于基于路口交通流參數確定信號控制方案。目前，信號控制技術的突破方向有：

① 交通信息采集手段的突破，從原有的基于“點”的“單一”方式到基于“區域”的“多源”方式，實現汽車電子標識、互聯網車輛定位數據、視頻、地磁、雷達等多種交通數據的融合互補；

② 智能載體的突破，從原有前端信號控制器的智能化到上端中心的智能化，不僅能夠實現單點的信號控制，更可以實現干道控制甚至區域控制；

③ 評價方法的突破，從原有的基于飽和度、停車次數、排隊長度、信號延誤、效率系數等指標評價單點信號控制方案的好壞到單點信號配時對周邊區域的交通影響評估。

2.3.2　基于RFID的交通信號燈智能控制系統

基于射頻識別（radio frequency identification，RFID）的交通信號智能控制系統利用RFID技術實現車輛、閱讀器之間的通信控制及實時的車輛流量監控，利用交通信號燈智能控制算法實現不同時間段和流量情況下交通信號燈的不同設置以自動適應不同的交通狀況。該智能控制系統能夠有效疏導交通流量，緩解交通擁堵現象，提高城市道路的通行能力，并能大幅降低汽車空轉和行駛時間，減少尾氣排放量，降低城市用于擴寬道路等方面的開支。

（1）交通信號燈智能控制系統的總體架構和工作原理

① 總體架構　基于RFID的交通信號燈智能控制系統主要包括機動車輛終端子系統、RFID射頻子系統、交通信號燈監控中心和交通信號燈子系統4個部分。系統總體架構圖如圖2-7所示。

② 工作原理　有源電子標簽工作的能量由電池提供，可以在電池更換前一直通過設定頻段外發信息，其識別距離較長，識別穩定性好，而且讀取速度快，因此本系統的機動車輛上采用的是有源電子標簽。在RFID標簽進入路口閱讀器范圍內時，便可和范圍內的RFID閱讀器通信，將標簽中存儲的車輛基本信息傳輸到閱讀器中，閱讀器的車輛流量記錄模塊會自動加1，當車輛駛出閱讀器范圍時，記錄模塊減1，以此反復，RFID讀寫器便可記載下某時間段內所通過的機動車輛的總數，并將此數據傳輸到交通信號燈監控中心，監控中心便可以依據車輛流量，自動調整信號燈的變換周期，以達到智能控制的目的。比如，某個路口在上下班高峰期車流量特別大，智能交通信號燈控制系統可以智能調整信號燈以延長綠燈時間或者把雙向同時放行變為單向放行；而在交通平峰和低峰期間，系統可以根據目前的車流量，實現主干道的綠波控制，減少綠燈損失和停車次數，使道路更暢通。交通信號燈智能控制系統工作流程如圖2-8所示。

（2）機動車輛終端子系統

機動車輛終端子系統由RFID標簽、車載控制模塊、GPRS通信模塊、語音提示模塊和聲光報警模塊組成。在交通信號燈智能控制系統中，每個機動車輛上都要裝載由交通管理部門統一發放的RFID電子標簽，為了加大通信距離，該系統采用的是有源電子標簽，當配備有源電子標簽的機動車輛進入路邊RFID閱讀器范圍內時，便可被喚醒并開始通信；車載控制模塊可以將交通信號燈控制中心和RFID閱讀器傳輸過來的指令進行識別和轉換，并在信號燈轉換時負責激活語音提示模塊對機動車輛進行語音提醒；聲光報警模塊可以在機動車輛出現闖紅燈等違規行為時，負責發出聲光報警，提示路上行人和車輛避讓；GPRS通信模塊主要實現機動車輛與交通信號燈控制中心的信息傳輸。

當機動車輛在等待道路上的指示燈時，GPRS通信模塊可以和交通信號燈子系統進行通信，根據指示燈剩余時間由STC89c52控制模塊控制語音提示模塊對駕駛員進行實時語音提醒；當機動車輛不按信號燈指示行駛時，STC89c52控制模塊會控制聲光報警模塊會發出報警，提醒周圍行人和車輛注意躲避，同時將識別的車輛信息通過GPRS通信模塊傳輸到交通信號燈監控中心。在本系統中，機動車輛的車載控制模塊選用STC89c52單片機，機動車輛終端子系統結構如圖2-9所示，工作流程如圖2-10所示。

（3）RFID射頻子系統

RFID射頻子系統由RFID標簽閱讀器及天線模塊、車輛流量記錄模塊、GPRS通信模塊組成。在城市的道路交叉路口，信號燈上游的適當位置安裝固定式RFID閱讀器，當裝有RFID標簽的機動車輛進入RFID閱讀器天線范圍內時，RFID標簽便可被激活并與閱讀器進行通信，同時，內置在RFID閱讀器內的車輛流量記錄模塊會自動加1，并記錄下路口處的車輛總數和單位時間內機動車輛的駛入頻率，當車輛駛出該閱讀器范圍時，記錄模塊會自動減1；GPRS通信模塊主要用于RFID閱讀器與交通信號燈

監控中心以及周圍其他的RFID閱讀器進行通信。

安裝RFID有源標簽的機動車輛進入RFID閱讀器范圍內時，便可實現與RFID閱讀器的智能識別、通信以及機動車流量的記錄。RFID讀寫器將規定時間段內的車輛數目通過GPRS通信模塊傳輸到交通信號燈監控中心，交通信號燈監控中心便可根據車流量對信號燈作出智能控制。RFID射頻子系統的工作流程如圖2-11所示。

（4）交通信號燈監控中心

交通信號燈監控中心使用Web服務器使機動車駕駛員可以在任何一臺接入互聯網的計算機上查詢機動車不按信號燈指示通行的歷史信息；使用數據庫服務器存儲和管理機動車輛、信號燈、RFID閱讀器、RFID標簽的基本信息；使用GIS模塊動態實時地將地圖數據與信號燈、機動車輛的實際位置結合起來；使用4G通信模塊實現機動車輛與交通信號燈控制中心的信息傳輸；使用GPRS通信模塊實現RFID閱讀器、交通信號燈與交通信號燈控制中心的信息傳輸；使用機動車輛終端管理模塊實現對機動車輛的管理與控制；使用交通信號燈管理模塊實現對交通信號燈的管理與控制。

① 交通信號燈監控中心功能結構　交通信號燈監控中心基于Windows 7操作系統，使用Java進行開發，主要的功能結構圖如圖2-12所示。

② 交通信號燈智能控制算法　監控中心可以依據信號燈智能控制算法自動設置信號燈的變換周期，以達到智能控制的目的。該算法依據車輛流量記錄模塊記錄的車輛數目和時間片ΔT的商即單位時間內通過交叉路口的機動車輛頻率信息對交通信號燈實施優化設置，不同的頻率采用不同的時間周期，以此提高交叉路口機動車輛的通行能力，緩解交通擁堵。

交通信號燈智能控制系統存在大量機動車并發的情況，因此該系統屬于實時并發系統，系統的目標是車輛通過的成功率高、道路利用率高、系統吞吐量大、平均周轉時間短、響應時間快、保證截止時間、良好的容錯性和擴展性。因此，為了使所有的并發車輛在比較理想的時間內得到響應且都能成功通過，提高系統的并發處理能力，根據車輛通行頻率，將交叉路口的車流量劃分為高峰期、平峰期和低峰期三種情況，分別采用不同的控制算法。

a．在車輛流量處于平峰期時，即f（車輛總數目/ΔT）在閾值范圍內，采用時間片輪轉調度算法，即系統根據先來先服務算法，將所有的要通過交叉路口的車輛按方向排成若干個就緒隊列，設置每隔一定的時間片ΔT（如60s）產生一次中斷，變換交通信號燈的顏色，盡量保證路口處的車輛都擁有均等的通行能力。

if（nt＝ ＝0）
{
r->n＝complete；
complete＝r；
r->statu s＝‘c’；
r＝NULL；
if（prep！＝NULL）
下輛車通行；
}
else
if（ΔT＝ ＝0）{
r->n＝0；
if（prep！＝NULL）
{
run->state＝‘b’；
另一個方向車輛通行
}

b．在車輛處于低峰期時，即f<閾值，采用綠波帶算法一一根據道路機動車輛行駛的速度和路口間的距離，自動設置信號燈的點亮時間差，使得從車輛遇到第一個綠燈開始，通過計算兩個路口的時間間隔，計算任意時刻點任意路口的紅綠燈時間，根據此時間，分析紅綠燈狀態，以保證若車輛根據規定速度行駛，之后都會遇到綠燈。

c．在車輛處于高峰期時，可分為不同的情況：

if（兩個通行方向的f均>閾值，根據兩個方向的pri值，決定響應的次序）
{
if（pri1>pri2）
　pri1方向的車輛通行完畢，pri2方向車輛通行；
　else
　pri2方向的車輛通行完畢，pri1方向車輛通行；
}
if（僅單一方向，如dir1方向的f>閾值）
{
延長dir1方向的路燈時間一個時間片；
　檢測雙方向的車輛流量；
　if（dir1流量>dir2流量）
延長dir1方向的路燈一個時間片；
　else
　dir2方向綠燈亮；
}

pri的值由等待截止時間、等待時間、估計通過時間和當前時間4個因素決定，計算方法如下：

pri＝

其中，pri為響應比；s為等待時間；et為估計通過時間；jz為等待截止時間；ct為當前時間。

（5）小結

基于RFID的交通信號燈智能控制系統可以合理配置紅綠燈通行時間，有效協調各個方向通行的車流量，避免部分車輛等候時間、停留時間過長，提高車輛的通行速度；還可以記錄不按交通信號燈指示行駛的車輛，為交通管理部門提供有力的證據，嚴懲一些交通違規者。實驗結果表明，系統可以使城市路網的運行效率、平均車速明顯提高。

2.3.3　基于CAN總線的智能交通控制系統

大部分城市使用的交通信號控制器采用固定時間的調度策略。這種調度策略對于車流量均衡的路口調度效率較高，但對于車流量變化較大的路口調度效率較低。基于CAN總線的智能交通控制系統通過地磁檢測器采集路口車流量信息，以此作為交通配時參考數據，根據車流量智能分配通行時間，提高了通行效率。

（1）系統方案

基于總體的設計要求，提出了如圖2-13所示的系統整體設計方案。該系統方案主要包括主控模塊、4個驅動模塊、硬件黃閃模塊、車流量采集模塊、DSP處理器和上位機通信軟件等。此方案能夠很好地滿足設計要求，主控板提供以太網接口，方便連接上位機通信軟件，4個驅動模塊可以提供16組信號輸出，在系統出現故障時，系統轉為硬件黃閃狀態，可以保證道路安全暢通。DSP處理器主要作用是對圖像采集模塊采集到的車輛圖像進行處理以及使用神經網絡控制算法進行車輛通行時間的預測。整個系統的設計采用模塊化的設計思想，方便故障模塊的更換。

① 主控模塊

a．模塊整體　主控模塊使用STM32F103ZET6微處理器，最多可以提供5個串口便于與外設進行通信，同時支持CAN2.0B接口，方便主控模塊與驅動模塊之間的通信。主控模塊負責連接、控制其他模塊，在整個控制系統中起重要作用。由于系統功能的需要，在主控模塊上添加了多種接口。

ⅰ.三路串行接口　一個串口連接藍牙模塊；另一路串行接口接GPS模塊，用以為信號機授時；剩下的一個串口留作調試使用。

ⅱ.一個485接口　用來接收來自圖像采集模塊的車流量信息。

ⅲ.CAN通信接口　用來與驅動模塊進行通信。

b．主控板最小系統電路　主控板最小系統電路是保證STM32F103ZET6微處理器能夠運行的必不可少的電路，主要包括電源供電電路、振蕩電路、復位電路、JTAG調試電路等。

ⅰ.電源供電電路　STM32F103ZET6微處理器的供電電壓為3.3V，系統外部提供的電壓為5V，需要使用穩壓電路提供給主控模塊所需電壓。這里選擇使用AMS11173.3穩壓器。

ⅱ.振蕩電路　振蕩電路是整個電路工作的基礎，為整個電路提供基準的頻率。在對STM32任何功能模塊進行編程時，都要先打開其對應的時鐘控制器，這樣的操作可以很好地控制芯片的功耗。同時，也可以在有處理任務時增大系統時鐘頻率，提高處理效率，在沒有處理任務時降低系統時鐘，減小系統功耗。圖2-14為振蕩電路原理圖。

ⅲ.復位電路　為了使整個系統始終工作在正常的狀態下，在主控模塊和驅動模塊中都加入了復位電路。具體原理圖如圖2-15所示。MCU配置一個定時器輸出接口接到WDI引腳，如果此接口一直固定保持高電平或低電平，則1.6s以后SP706SEN內部的看門狗定時器就會溢出并使/WDO輸出低電平，同時/MR輸出低電平信號使MCU復位。在正常運行時，MCU及時地產生翻轉信號，俗稱“喂狗”，確保微處理器不復位。同時它集成了上電復位、掉電復位等功能，并具有手動復位功能。

ⅳ.JTAG調試電路　STM32F103ZET6微處理器支持在線調試功能，很大程度上方便了硬件編程工作。通過對編寫的程序進行單步調試，能夠很容易找到程序編寫的錯誤位置，提高編程效率。圖2-16為JTAG調試電路，圖中網絡標號均為STM32F103ZET6微處理器的引腳。

c. GPS模塊與藍牙模塊　GPS模塊的主要作用是為主控模塊提供基準時間以及具體的位置信息。GPS模塊為單獨設計的可插接電路，其通過串口與主控模塊通信。

d. CAN接口電路　CAN接口電路使用CTM1051A通用CAN隔離收發器。圖2-17為CAN通信模塊原理圖。由圖中可以看出，組成CAN通信的電路很簡單，STM32F103ZET6微處理器的CAN_TX和CAN_RX引腳直接連接到CTM1051A的對應引腳上就可以實現CAN通信，通信速率最高可以達到1Mb/s。

② 驅動模塊

a．驅動模塊軟件　每個驅動模塊負責1個路口的所有信號燈的驅動。系統每個驅動模塊可以驅動12路信號燈。驅動模塊對于信號燈的控制主要依賴于從主控模塊接收到的控制命令。驅動模塊通過CAN總線從主控模塊接收控制命令后，解析出符合本模塊地址信息的相關參數，并立即將參數運用到驅動系統中。通過這種方式能夠實現4個驅動模塊動作的同步。

b．驅動控制電路　驅動模塊采用的微處理器芯片是STM32F103系列芯片中的STM32F103RBT6處理器。該小容量處理器的封裝為LQFP64，完全能夠滿足驅動板的設計要求。本系統設計中，單個驅動模塊可以控制12路通道，系統設計有4個驅動模塊，一共可以控制48路通道，可以充分滿足現在交通路口的行車需求。下面就驅動板中的具體控制電路選擇一路進行說明。電路原理圖如圖2-18所示。

信號燈驅動電路是一個典型的MOC3061系列光電雙向可控硅驅動電路。當2號腳為低電平時，光耦導通，雙向可控硅導通，此時LIN與LOUT處于導通狀態；相反，當2號腳為高電平時，光耦不導通，此時LIN與LOUT處于斷開狀態。其中R1為限流電阻，使輸入的電流控制為15mA。R2為雙向可控硅的門極電阻，可提高抗干擾能力。R3為觸發雙向可控硅的限流電阻。R4電阻與C1電容組成浪涌吸收電路，防止浪涌破壞雙向可控硅。

③ 硬件黃閃模塊　為了保證系統的正常運行，除了上面敘述過的復位電路以外，系統還設置了硬件黃閃模塊用以應對系統出現的故障。復位電路能夠在系統軟件出現異常的情況下，重啟軟件程序；如果重啟軟件程序也不能解決軟件異常則啟動硬件黃閃模塊。它的主要控制功能是以1s為周期閃爍4個路口的所有黃色信號燈，提醒車輛駕駛員減速慢行、注意交通安全。圖2-19為硬件黃閃模塊原理圖。

（2）系統軟件

主控模塊在整個系統中處于核心位置，其主要負責接收DSP處理器發送來的各個路口預測通行時間。其次主控模塊通過CAN總線統一控制4個驅動模塊協調工作。在整個工作過程中，主控模塊不斷向硬件黃閃模塊發送脈沖信號，使硬件黃閃模塊處于休眠狀態；否則系統將進入硬件黃閃狀態。對于上位機發送的信息，主控模塊通過網絡接口進行接收處理。具體的程序流程圖如圖2-20所示。

（3）系統聯調與測試

為了簡化模塊之間的電路連接，使通信信號更穩定可靠，主控模塊與4個驅動模塊采用歐式插座統一連接到一塊電路板上，此電路板上有CAN通信總線、電源線等。對于信號機的遠程控制需求，編寫了適用于信號機的上位機軟件。通過對整個系統的聯合調試，交通燈控制系統實現了固定時間方式的運行。

由于整個系統還未安裝到交通路口采集交通流量數據，在系統智能配時方案測試時采用上位機軟件模擬車流量采集模塊向主控模塊發送車輛信息。配時方案采用四相位方式，通行周期設置為120s。上位機向信號機發送4個方向的車輛數，信號機根據車輛數智能分配路口通行時間。表2-2為智能配時時間與車輛數關系表。實驗表明，智能信號機能夠根據車流量信息智能分配路口通行時間。