基于物联网的城市交叉路段交通信号智能控制方法

2024-03-11韩贝，卢磊

电子设计工程 2024年5期

韩贝，卢磊

（榆林学院信息工程学院，陕西榆林 719000）

信号采集系统可以完成简单交通信号的采集工作，但由于城市不同路段交通信号的变化时间不同，在对交叉路段交通信号采集时，系统的各个组件同时工作，给系统造成极大的工作负载，另一方面系统本身处理负载能力差[1]，结果导致系统运行效率低，交叉路段交通信号采集精度低。闫飞等[2]构建了一种非线性交通流排队模型，并设计了交叉口信号的迭代学习控制策略。通过对交叉口信号的迭代学习控制，均衡处理交叉口各进口道的车辆排队长度。刘智敏等[3]提出了基于改进深度强化学习的单交叉口交通信号控制方法。构建实时车辆数变化量的奖励函数，跟踪交叉口交通状态的动态变化过程。上述方法虽然实现了信号采集和控制，但是由于城市交叉路段交通信号变换的复杂性，将其应用于城市交叉路段交通信号控制中，需要进一步优化采集效果。物联网技术对于信号采集工作具有便利性、易维护性、可扩展性、高效性，只要在信号覆盖的有限网络内，物联网技术都可以对其进行采集，并且物联网技术的实质是利用信号的接入点完成数据采集，具有一定的规律性，具有高程度的数据采集完整性。综上所述，该文引用物联网技术提出基于物联网的城市交叉路段交通信号智能控制方法。

1 硬件设计

该文设计的城市交叉路段交通信号采集系统硬件由处理器、传感器、嵌入器和信号采集器组成。系统的硬件结构如图1 所示。

图1 采集系统硬件结构

1.1 处理器

该文的处理器采用开发版本的FL2440 微处理器，该处理器成本低但是性能高，在信号采集[4-5]领域被广泛应用。FL2440 微处理器结构如图2 所示。

图2 FL2440微处理器结构

根据图2 可知，FL2440 微处理器的核心采用Thume 和ARM 双指令集规则，具有超高的节能性。ARM54385 内核的存储空间为16 kB。该处理器还具备主频为400 MHz 的MMU、外模模块、256 M Nand-flash 的开发版、不同类型的Type-C 接口、高温散热器，每个器件相互协助，构建一个高性能的微处理器。该文采用的核心板为飞凌嵌入式FL2440 核心板，FL2440 微处理器的内置芯片为GF-5825，该芯片对于交通信号数据帧具有高效识别能力，使所提方法的采集效率得到保证。处理器配置出口RFID天线[6-8]，保证处理器的识别速度达到205 个/s，处理器的极限输出功率为35.5 dBm，有效工作频段为840～960 MHz，适用于普遍的信号传递范围。

1.2 传感器

为了达到实时采集城市交叉路段交通信号的要求，该文采用YHSG-86G 的传感器识别一定区域内的交通信号传感节点[9-10]，为系统的交通信号采集提供一定的条件基础。YHSG-86G 的传感器将信号放大电路、转换器、信号校验器以及串并行接口集成于一体，主要优点是传感器基于传统的传感器的反应速度快、灵敏度高，并且耗能低，具有一定的抗干扰能力[11-12]，适应交通信号的采集工作。传感器示意图如图3 所示。

图3 传感器示意图

YHSG-86G 的传感器采用双通道通信数字模式输出，其对交通信号节点的识别精度为4%，传感器的工作原理是通过SCK、DATA 两个信号特征量完成的，SCK 信号的任务是同步处理器和传感器之间的交通信号信息[13-14]，防止出现重复采集或者遗漏采集的状况。传感器接口示意图如图4 所示。

图4 传感器接口示意图

YHSG-86G 的传感器的防护等级为IP67，工作电流为4～20 mA，电压为12～24 VDA，负载电流为200 A，传感器的耐冲击强度为500 m/s，竖直、水平、三维方向各一次。

1.3 嵌入器

嵌入器是一款辅助硬件设备工作的设备，通过拓展HDMI 接口的方式，实现网关与服务器的连接，提高信号传输速率。HDMI 接口拥有高清显示的功效，其电路带有5 Gbps 的传输带宽，通过物联网技术能够连接数与模，实现数字信号的传输。该文设计嵌入器的目的是协助处理器、信号采集器、传感器的工作，完成所提方法的驱动。嵌入器结构如图5 所示。

图5 嵌入器结构

嵌入器的优点是具有实时性、内核设备简单但是性能高、具有较好的可靠性和稳定性。嵌入器采用固态硬盘存储，使其运行频率达到360 GHz，保证系统的效率，嵌入器具备三路HDMI 信号与一路HDMI 信号自动切换功能，对交通信号具有降噪处理功能。信号的自动切换能够确保自由选择信号输出类型，使其信号源不会受到干扰，始终保持信号高保真输出。另外，嵌入器识别交通信号的采样频率为96 kHz，为了配合嵌入器的工作需要和系统工作流程，嵌入器边缘设计了多个光纤输入输出口，带宽频率为25 MHz，统一将采集到的交通信号节点以5VP 格式输出。嵌入器电路图如图6 所示。

图6 嵌入器电路图

1.4 信号采集器

信号采集器是硬件区域的核心器件，该文采用GH89S 信号采集器提高系统对交通信号的采集效率。采集信号的突出优势是所有采集接口都采用RS-232 串口规格，其串口是一种高速率低成本的通信接口类型，用于连接信号采集器和硬件区域的其他设备。GH89S 信号采集器内部设有多个终端节点，用来存储采集的交通信号，存储空间为8+128 GB，采集器的采集核心为32 位的ARM CPU，采集模式为6 核心12 进程方式，自动缓冲交通信号，提高采集效率。GH89S 信号采集器的光刻为67 nm，其载波采集误差低于5%，根据交通信号类型不同，自动调节采集模式，合理地分配采集资源，节省信号采集的能耗开销。数据采集器的码元速率采集误差优于1×10-4。

2 交通信号智能控制

为了使物联网技术能够稳定地实现各种信息的传递，该文设计了一个规划原理去规范物联网技术，使其具有较高的应用性，规划原理内容是将计划采集的交通信号数据分别存储在记录条中，每类交通信号存在每一条记录中，具有一致性。然后将交通信号按照类型切割为多个模糊集，并依次设定唯一的隶属度，按照交通信号属性对不同类型的交通信号进行分类排序，设置各记录属于对应划分的隶属度分别是0 或1，再将全部隶属度的数据集当成新数据集，通过模糊关联规则方法[15-16]对其进行挖掘。具体物联网技术模糊支持度计算公式如下：

其中，n表示数据采集的个数；X表示待采集的交通信号数据类型；P表示交通信号个数；B表示数据信息的隶属度；xj表示第j个记录在bt上的隶属度，其有效范围为B＞D；为避免忽略交通信号数据之间的联系关系度，将物联网技术复杂化，因此借助模糊置信度，提高物流网技术交通信号采集数据的关系度，具体公式如下：

其中，dt表示其他模糊置信度。

通过对以上物联网技术原理的分析和功能介绍，结合交通信号采集系统硬件区域的设备功能介绍，交通信号智能控制的工作流程如图7 所示。

图7 交通信号智能控制流程

1）首先，传感器初始化需要初始化交叉路段交通信号数据采集区域的传感通信节点，硬件区域的处理器将所有的交通信号节点信息进行分类，将分类结果传递到嵌入器内。

2）嵌入器首先接收分类的交通信号数据节点，然后调用物联网技术，根据分类类型深度挖掘交通信号数据，得到额外的信号节点，最终嵌入器将所有的交通信号节点附加一个标识属性，有利于交通信号数据的采集。

3）交通信号采集器依据各个信号标识，通过物联网技术的模糊聚类方法，采集有效区域内的交通信号数据[17]，并存储在存储器内，以待调用。

3 实验研究

为了验证该文所提的基于物联网的城市交叉路段交通信号智能控制方法的有效性，与传统系统进行实验对比，选用的传统系统分别为文献[2]交通信号迭代学习控制方法、文献[3]交通信号深度强化学习控制方法。设定实验参数如表1 所示。

表1 实验参数

根据上述实验参数，选用所提方法和传统系统进行对比实验，实验中使用的实际交通信号的初始采样频率为48 kHz，将初始采样信号的采样频率降至200 Hz，能有效地分析0～100 Hz 频段内的线谱信号，并将50 个采样点作为训练数据，50 个采样点作为测试数据。

该文所设计的信号采集系统分别采用了传统的信号采集系统和原信号采集系统，50 个采样点的频谱图实验结果如图8所示。

图8 50个采样点的频谱图

由图8 可知，在信号规模比较小的情况下，传统的文献[2]方法以及文献[3]方法得到的信号频谱的线谱信号较少，显示清晰度较低。而所提方法的信号频率清晰度更高，性能更好。采集速度实验结果如表2 所示。

表2 采集速度实验结果

分析表2 可知，在相同时间内，所提方法采集的数量要优于对比方法。在信号规模较小的情况下，对比方法采集到的线谱信号较少，而所提方法采集到的线谱信号组分则清晰可见，说明所提方法在复杂环境下具有较好的信号采集性能。在复杂环境下，系统完成信号采集的过程在一定程度上被简化，消除了外部复杂环境的干扰因素，从而提高了城市交叉路段交通信号控制效果。