自适应的智能交通信号机系统设计

自适应的智能交通信号机系统设计

为实现图1中的各项功能，信号机系统硬件设计采用C8051F020单片机作为主控制器，完成系统的任务管理和事件调度以及执行各种离线优化控制算法。信号机的整体硬件结构如图2所示。

图2 智能交通信号机硬件结构框图

主控模块以C8051F020单片机为控制核心，该芯片时钟频率达25 MHz，具有64个I/O口，1个SPI、1个I2C和 2个串口，64 KB FLASH程序存储空间，128 Byte非易失性存储空间，4 096+256 Byte片上RAM，5个16 bit定时器， 2个外部中断和1个可编程看门狗定时器，因此，采用该芯片无需扩展I/O口，即可实现48路灯色输出、重要数据永久保存、人机接口、信号机状态检测、故障处理和以太网通信控制等功能。

车流检测子系统主要完成车流数据收集，采用实时模糊控制方法计算出下一相位灯色信号方案和配时方案，并利用其串口与C8051F020的第2个串口进行多机通信。 容错控制模块是主控模块的硬件“热备份”，具有用户预先设置的20种灯色控制方案，当主控模块出现故障不能正常工作时，该模块将自动行使系统控制权，执行预设的 20种控制方案之一，确保灯色信号能够继续正常输出。当主控模块恢复正常功能时，系统控制权又自动地移交给主控模块。该模块还接收从绿冲突和绿不一致检测模块反馈回来的8路绿灯检测信号，用于进行绿灯异常判断。当出现绿冲突和绿不一致时，该模块迅速切断主控制器输出的灯色信号，并控制信号灯组进入黄闪状态。

系统中选用高精度、小体积的M41T0M6E时钟芯片向系统提供时间信息，键盘接口电路采用ZLG7290芯片，实现4×8

的小键盘控制，其接口方式均为I2

C总线方式。LCD显示模块采用串行接口的CM320240，该模块实时显示时间、方案、时段、控制模式和信号机状态等信息。

系统输出驱动模块采用高可靠固态继电器将灯色控制信号进行功率放大后可直接驱动信号灯组。

每个输出驱动模块提供8路灯色控制信号，分别用于行车指示、人行指示和单车指示。根据实际需要，系统输出最

多可由6个输出驱动模块组成，

由软件设置实现48路灯色组合输出。

系统以太网通信由1枚独立嵌入式控制器ENC28J60和1个集成脉冲变压器的网口实现，其传输速率最高可达

10 Mb/s。

由于C8051F020的系统电压与以太控制器的工作电压一致，均为3.3 V，控制线与单片机SPI接口连接非常方便和友好，具体连接情况如表1所示。

表1 以太控制器与单片机SPI接口对应表

ENC28J60 /CS SO SI SCK

C8051F020 NSS/P0.5 MOSI/P0.4 MISO/P0.3 SCK/P0.2

绿冲突和绿不一致检测模块完成绿灯信号采集与电平转换，直接采集信号绿灯的工作状态，经过降压、整流、光电耦合处理，经系统总线将绿灯检测信号反馈给容错控制模块中的绿灯异常逻辑判断电路，以便进行下一步处理。

系统保护模块主要用于整个信号控制系统过压、欠压保护，直接对系统输入电压进行采样，经过整流、降压、比较、光电隔离以及异或处理后，向主控制器提供过压或欠压信号，以便电压异常时系统能够及时处理、保护信号机核心部件。

此外，系统还考虑了防雷击保护措施，通过在系统输入端子对地接入压敏电阻来实现。

3 系统软件设计

系统软件采用C51语言设计，模块化设计方法。根据系统功能要求，主控系统软件分为1个主程序模块和10个子程序模块，即系统初始化、与交通流检测系统通信处理、闪光控制、手动控制、以太网联网控制、容错控制、感应控制、多时段控制、定时控制和异常处理；交通流检测系统软件分为1个主程序模块和3个子程序模块，即车流检测计数、信号配时方案优化和与主控系统通信，本文主要介绍信号配时方案优化模块设计思想及其仿真结果。

4 模糊控制器设计

4.1 信号配时模糊控制思想[4-5]

在多相位中, 每一相交通信号配时由该相主队列、主队列所在方向最近10 s车辆到达数、后继相主队列三者决定。所谓主队列是一个相位2个方向中车辆等待数较大的等待队列；最近10 s车辆到达数是用于对后继车流量进行预估。设主队列、车辆到达数、后继相主队列分别为q, a和qs，则绿灯时长e是q, a和qs的函数，即e=fc(q,a,qs)，其中，fc是个三维模糊控制器；q, a和qs是其输入；e是其输出。

控制过程如下：将精确输入量(q, a和qs)进行模糊量化处理变成模糊量，运用知识库中模糊控制规则，进行模糊推理得到模糊控制量，再经清晰化处理转为精确量e*，考虑到交通系统动态随机性，为避免仿真结果出现极端的情况，系统

采取优化输出结果k**

e e减去当前信号方案的绿灯时长e0(即

Δe=k*e e* e0)，并将该差值乘以当前相主队列的饱和度s(即为Δe s)，作为当前相位优化后绿灯时间增量，将其通

过串口送入主控板并修改当前配时表。

4.2 模糊量化处理

设输入变量q∈[0,Qlimit]的论域为Q，Q={0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10}，在论域Q上定义5个模糊子集，{很短，短，中，长，很长}，简记为{VS,S,M,L,VL}。输入变量a, qs和输出变量e模糊量化处理方法相同，分别在其论域上定义5个模糊子集，如表2所示。

经过多次实验，输入变量各模糊子集的隶属函数取高斯型曲线，输出比较光滑。输出变量各模糊子集的隶属函数用三角形表示。由于q, qs总是为直行队长，另一个是左行队长，

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