基于模糊控制原理的智能交通信号控制系统的设计

张涛, 张文平, 王炎

(华北科技学院，河北 三河 065201)

基于模糊控制原理的智能交通信号控制系统的设计

张涛, 张文平, 王炎

(华北科技学院，河北 三河 065201)

为了解决交通拥挤问题，根据不同方向的车辆流量合理地安排交通路口通行时间，设计了一种采用模糊控制原理的智能交通信号控制系统。详细给出交通信号模糊控制器的结构原理和设计结果。并设计以AT89C51单片机为主控制器的交通信号控制系统，用以验证设计的模糊控制器。系统采用模糊控制原理对交通信号进行智能调整，实现根据车流量自动调整不同方向交通信号的点亮时间和通行时间。模糊控制器的设计过程与仿真结果表明：模糊控制原理是完成智能自动调整交通信号的理论基础，并具有实际的应用价值。

模糊控制；交通信号；智能调节；单片机系统；仿真设计

0 引 言

随着我国经济社会的快速发展，车辆数量的猛增导致城市的交通面临着严峻的考验，城市的交通问题日益严重。

当前，在城市每个交叉路口安装使用的交通信号控制系统，是一种定时控制交通信号的方式，即不考虑各个方向的实际车辆流量而定时进行交通信号的切换。这种方法在交通流量大或各个方向交通流量不平衡时，将会形成车流量较大方向的通行时间较短、而车流量较小方向的通行时间较长的现象，从而造成交通路口通行不畅，形成交通拥堵。

为了能够根据不同方向的车辆流量而合理地调整该方向的通行时间，本文设计一种采用模糊控制原理的智能交通信号控制系统。该控制系统能够根据车辆流量的实时变化，及时合理地调整不同方向的通行时间，从而能够大大提高道路交叉路口的通行效率，有效地解决交通拥堵情况[1-2]。

1 系统控制方案设计

模糊控制(Fuzzy Control)是一种模仿人的大脑对模糊信息进行判断的控制方法，具有能够根据外界参数的变化而不断进行自身调整的能力，因此是一种智能自适应控制策略。

根据交通路口的实际情况，可采用单变量二维模糊控制器对交通信号进行智能调节控制。定义模糊控制器的输入分别为南北方向的车辆流量和东西方向的车辆流量，模糊控制器的输出则为下一个时间段内某个方向的车辆通行时间。

基于模糊控制原理的智能交通信号控制系统的结构框图如图1所示。其中nb为南北方向的车辆流量检测值，dx为东西方向的车辆流量检测值，它们构成模糊控制器的精确输入值；t为下一时段需要调整的通行时间，它为模糊控制器的精确输出值；NB、DX、T则分别为精确值nb、dx、t的模糊变量值。图中虚线框内为模糊控制器，其主要由模糊化运算环节、模糊判决环节、清晰化运算环节等三个部分组成[3-4]。

图1 智能交通信号控制系统的结构框图

2 模糊控制器设计

2.1 输入变量定义及其模糊化

设计的模糊控制器共有两个输入变量，分别为南北方向车辆流量和东西方向车辆流量。现以南北方向车辆流量输入为例进行设计说明，东西方向车辆流量输入与此类似，不再赘述。

在东西方向绿灯通行、南北方向红灯禁行期间，设南北方向等待通行的车辆累计流量的取值范围为[0，51]辆。其中数值51是指南北方向等待通行的车辆累计最大数目，该数值可以根据道路交通的实际情况而进行具体确定。

论域是语言变量的量化档数，将南北方向等待通行车辆的论域确定为12档，即论域为{-5，-4，-3，-2，-1，-0，+0，+1，+2，+3，+4，+5}，建立南北方向输入变量与论域转换对照表，如表1 所示[5]182,[6]21。

表1 南北方向输入变量与论域转换对照表

为南北方向输入语言变量选取8个语言值：NB(很少)、NM(较少)、NS(少)、N0(偏少)、P0(偏多)、PS(多)、PM(较多)、PB(很多)。根据交叉路口交通流量的实际情况，建立南北方向输入变量的赋值表，如表2所示。表中第一行中的各元素表示输入变量的论域；第一列中的各元素表示模糊语言变量值；各行与各列的交叉点值则表示模糊语言变量值与输入变量论域之间的隶属度值。

表2 南北方向输入变量的赋值表

2.2 输出变量定义及其模糊化

模糊控制器的输出变量为下一时段的通行时间。此处以下一个时间段内南北方向通行时间为例进行设计说明，再下一个时间段内东西方向通行时间与此类似，不再赘述。

在下一个时间段内，设南北方向绿灯通行(东西方向红灯禁行)的时间取值范围为[0，60]秒。其中，数值0是指南北方向绿灯通行的最小时间，数值60是指南北方向绿灯通行的最大时间，这两个数值均可以根据道路交通的实际情况而进行具体确定。

将南北方向绿灯通行时间的论域确定为11档，即论域为{-5，-4，-3，-2，-1，0，+1，+2，+3，+4，+5}，建立南北方向输出变量与论域转换对照表，如表3 所示[5]182,[6]21。

为南北方向输出语言变量选取7个语言值：NB(很少)、NM(较少)、NS(少)、0(正常)、PS(多)、PM(较多)、PB(很多)。根据交叉路口交通流量的实际情况，建立南北方向输出变量的赋值表，如表4所示。表中第一行中的各元素表示输出变量的论域；第一列中的各元素表示模糊语言变量值；各行与各列的交叉点值则表示模糊语言变量值与输出变量论域之间的隶属度值。

表3 南北方向输出变量与论域转换对照表

表4 南北方向输出变量的赋值表

2.3 模糊推理

模糊推理是模糊控制器模仿人的大脑做出模糊判断的过程，模糊推理的具体形式为模糊控制规则表。

模糊控制器的输入分别为南北方向车辆流量和东西方向车辆流量，它们均有8个模糊语言值，因而模糊控制器共有64条模糊控制规则。这些模糊控制规则决定了模糊控制器的输出变量，即下一个时间段内某个方向的车辆通行时间的模糊语言变量值。

表5为下一个时间段内某个方向的车辆通行时间的模糊控制规则表。表中，第一行中的各元素表示南北方向车辆流量输入的模糊语言变量值；第一列中的各元素表示东西方向车辆流量输入的模糊语言变量值；各行与各列的交叉点值则表示下一个时间段内某个方向车辆通行时间的模糊语言变量值[5]182-183,[6]21-22。

表5 车辆通行时间的模糊控制规则表

通过模糊推理运算，能够得到下一个时间段内某个方向的车辆通行时间的模糊语言变量输出值。再采用加权平均值方法，将该模糊语言变量输出值进行清晰化运算，即可最终确定下一个时间段内某个方向的车辆通行的精确时间。

3 交通信号控制系统设计

3.1 系统概述

为验证前述设计的模糊控制器，设计一种基于单片机的交通信号控制系统。在该系统中，通过程序设计来实现模糊控制器的功能，进而验证模糊控制器设计的正确性和可行性。

该交通信号控制系统主要包括电源模块、主控制器系统模块、车辆流量检测模块、显示电路接口模块、东西方向显示电路、南北方向显示电路等部分。

车辆流量检测模块用于实时检测不同方向的车辆流量，用于计算等待通过车辆的数目。显示电路接口模块用于驱动两个方向的红色、黄色、绿色交通信号点亮，以及两个方向的显示器显示通行的倒计时时间[7]。

3.2 主控制器系统模块

主控制器系统模块由主控制器(CPU)、复位电路、晶振电路等组成，它是交通信号控制系统的控制核心装置。

在本设计中，主控制器选用AT89C51型号的单片机。单片机的XTAL1、XTAL2端口之间接石英晶体振荡电路；RST端口接复位电路；P3.2端口接紧急停止按键。

当按下紧急停止按键时，此时东西方向、南北方向的红色均被点亮，所有显示器均显示“-”字样，表示该交通路口不允许任何车辆通过。

3.3 车辆流量检测模块

为自动调整各个方向交通信号的点亮时间和通行时间，需要实时对各个方向的车辆流量进行检测累加。此处采用按键模拟检测车辆流量，如图2所示。

在每个方向上，近处和远处分别设置1个按键，四个方向上共设置8个按键。按键被按下一次，表示通过一辆车辆。“东近”按键表示对近处通过东向交通路口的车辆进行检测计数，“东远”按键表示对远处进入东向交通路口的车辆进行检测计数，二者之差即为东向交通路口当前等待通过车辆的数目。其它按键的功能与此类似。

图2 车辆流量检测模块

3.4 显示电路模块

交通信号控制系统需要显示通行指示灯和倒计时时间，使用LED显示器和LCD显示器均可满足显示要求。

为简化显示电路的设计，将南向、北向的通行指示灯和倒计时时间合并在一处，将东向、西向的通行指示灯和倒计时时间合并在一处。为使显示效果直观，南北方向分别设置红色指示灯及倒计时时间、绿色指示灯及倒计时时间、黄色指示灯及倒计时时间；东西方向分别设置红色指示灯及倒计时时间、绿色指示灯及倒计时时间、黄色指示灯及倒计时时间。

3.5 运行流程

基于模糊控制原理的智能交通信号控制系统的运行流程如下：

(1)单片机系统上后进行初始化，完成端口设置等功能。

(2)点亮东西方向绿色信号灯和南北方向红色信号灯，显示倒计时时间30秒。

(3)在此期间，检测计算南北方向等待通行的车辆累计数目。

(4)点亮东西方向黄色信号灯，点亮南北方向红色信号灯，显示倒计时时间5秒。

(5)在此期间，调用模糊控制表，计算下一时间段内南北方向绿灯的通行时间。

(6)点亮南北方向绿色信号灯，点亮东西方向红色信号灯，按照第(5)计算的南北方向绿灯通行时间显示倒计时时间。

(7)点亮南北方向黄色信号灯，点亮东西方向红色信号灯，显示倒计时时间5秒。

(8)在此期间，调用模糊控制表，计算下一时间段内东西方向绿灯的通行时间。

(9)点亮东西方向绿色信号灯，点亮南北方向红色信号灯，按照第(8)计算的东西方向绿灯通行时间显示倒计时时间。

(10)返回至第(4)步，循环往复。

4 仿真验证

为验证模糊控制器设计内容的正确性和可行性，本设计采用Proteus软件对交通信号控制系统进行仿真模拟。

基于模糊控制原理的智能交通信号控制系统的仿真运行结果如图3所示，图中显示的是南北方向红灯禁行、东西方向绿灯通行的情况。交通信号控制系统的全部模块内容较多，为简化图形，图中只给出了红色、黄色、绿色交通信号和显示器等部分的仿真结果，而去除了主控制器系统模块、按键模块等其它模块的仿真结果[8-9]。

图3 交通信号控制系统的仿真结果

5 结束语

为能够根据不同方向道路的车辆流量而实时调整不同方向道路的通行时间，本文设计了一种采用模糊控制原理的智能交通信号控制系统。该智能交通信号控制系统充分利用模糊控制具有自适应控制的优点，灵活地根据实际情况来调整交通路口的通行时间，变固定通行时间为可变通行时间，最大限度地发挥交通路口的通行效率，更好地解决了交通拥堵问题。

为了验证模糊控制器设计的合理性和可行性，本文设计了基于AT89C51单片机的交通信号控制系统，使用Proteus软件对所设计的交通信号控制系统进行了仿真计算。仿真结果表明：模糊理论原理是完成智能自动调整交通信号的一种有效控制策略，可以提高道路交叉路口的使用效率，为智能交通系统的实现提供了一条新途径。

在校本科学生参与了该系统的设计过程和本论文的写作过程，不仅提高了学生将理论知识应用于实践开发的能力，而且培养了学生的科技创新能力[10]。

[1] 张涛．自动化专业实验实习指导教程[M]．徐州：中国矿业大学出版社，2015．

[2] 张涛．自动化专业毕业设计(论文)指导教程[M]．北京：煤炭工业出版社，2013．

[3] 张涛，潘玉民．自动控制系统实验实践教程[M]．北京：煤炭工业出版社，2010．

[4] 潘新民，王燕芳．微型计算机控制技术[M]．2版.北京：电子工业出版社，2011．

[5] 张海英，余臻，陈燕萍．模糊控制在智能交通灯监控系统中的应用[J]. 计算机技术与发展,2008, 18(3)：181-183.

[6] 赵晨，胡福乔，施鹏飞. 基于模糊逻辑的交通信号控制[J]. 电气自动化, 2002, 24(5):20-22.

[7] 严震，汪洪亮，张涛. 基于单片机的交通信号灯控制系统的设计及其仿真[J]. 教育科学博览,2015,17(4):256-258.

[8] 张涛. GPS模块和89C52控制器的授时与定位装置设计制作[J]. 电气自动化,2015, 37(5)：115-117.

[9] 张涛. 基于单片机的瓦斯浓度检测报警装置的设计与仿真[J]. 煤炭工程,2014, 46(3):128-130.

[10] 张涛. 自动化专业学生的实践能力与创新精神的培养机制[J]. 教育科学博览,2012,14(12):23-26.

Design of an Intelligent Traffic Signal Control System Based on Fuzzy Control Principle

Zhang Tao, Zhang Wenping, Wang Yan

(North China Institute of Science and Technology, Sanhe Hebei 065201, China)

To solve the problem of traffic congestion, this paper designs an intelligent traffic signal control system adopting fuzzy control principle which can reasonably arrange transit time at crossroads according to vehicle flow in different directions. Structural principle and design result of the fuzzy controller for traffic signal are given in detail. It further designs a traffic signal control system using AT89C51 single chip microcomputer as main controller to verify the fuzzy controller designed. The system adopts the principle of fuzzy control in its intelligent adjustment of traffic signal and automatically adjusts the light time and transit time of traffic signal in different directions according to vehicle flow. The design process and simulation result of the fuzzy controller show that fuzzy control principle is the theoretical basis for intelligent automatic adjustment of traffic signal and has practical application value.

fuzzy control; traffic signal； intelligent control； single chip microcomputer system；simulation design

中央高校基本科研业务费资助项目(3142015100);国家级大学生创新创业训练计划项目(201411104020);华北科技学院教研基金资助项目(HKJY201410)

10.3969/j.issn.1000-3886.2016.05.005

TP273+.4

A

1000-3886(2016)05-0015-03

张涛(1972-)，男，黑龙江拜泉人，阜新矿业学院学士，辽宁工程技术大学硕士，浙江大学博士，华北科技学院自动化系教授、工程师、主任。研究方向：自动控制、计算机控制系统、煤矿安全生产监控系统。

定稿日期: 2016-05-23