2.3　智能交通信号控制系统

2.3.1　智能交通信号控制系统概述

智能交通信号控制系统是ITS的一个重要组成部分。交通系统具有较强的非线性、模糊性和不确定性，是一个典型的分布式系统，而且具有多信息来源、多传感器的特点，用传统的理论与方法很难对其进行有效的控制。

（1）交通信号控制的发展趋势

城市各交叉路口处的交通流是相互关联的，并且是非确定性的，因此智能化和集成化是城市交通信号控制系统的发展趋势和研究前沿。把先进的智能控制技术、信息融合技术、交通预测技术与交通管理技术结合起来进行点线面的协调控制，代表着城市交通信号控制系统的发展方向，而针对交通系统规模复杂性特征的控制结构和针对城市交通瓶颈问题并代表智能决策的阻塞处理则是智能交通控制优化管理的关键和突破口。

现代交通控制系统已不单单是对交叉口信号灯进行控制，而是集交叉口信号灯控制和现代城市高速公路交通控制以及城市混合交通流于一体的混合型交通，实现区域信号控制和城市高速公路集成控制。若只依赖被动、微观和静态的传统模式的控制策略显然不能满足城市交通的需求，必须突破传统信号控制的研究方法。

控制思想上，要由被动控制向主动自适应控制发展；

控制技术上，要借助于现代科学技术向智能化、集成化发展；

控制规模上，要由微观、中观控制向宏观、微观结合的控制发展；

控制模式上，要由静态控制向动态诱导控制发展。

总之，要充分运用系统思维和方法，研发城市先进交通管理系统的硬件技术和软件技术。

综合系统应具有友好的用户界面，它由交通信号控制系统、交通诱导系统、车辆违章摄像系统、电视监视系统、车辆违章信息处理系统、车辆事故报警信息管理系统、警员巡更管理系统等组成，各子系统之间要相互协调。它们通过综合系统主干网实现数据共享和联动控制，从而达到最佳控制效果。

（2）基于实时预测技术的智能交通信号控制系统

基于实时预测技术的智能交通信号控制系统，通过充分利用控制、系统工程、交通工程、通信等方面的最新技术，基于交通流预测模型与算法预先获得交通流的必要信息，并对其提前作出及时有效的响应，提供相应的信号控制策略，使系统能主动应对网络交通流的动态变化，提高城市交通网络的容量（通行能力）。其主要内容包括：

① 路口级相位控制优化系统，在路口级主要根据测得的交通流参数及各种约束条件，预测若干秒内路口各方向的车流量，进行路口交通控制；

② 子网络协调控制系统，预测若干分钟内网络内车队的运动状况，建立路口间的协调约束；

③ 网络交通负荷估计与预测系统，预测若干分钟、小时或一天内的通行能力、旅行时间、路网拥堵情况等，提供与智能交通其他子系统的接口；

④ 在线中观交通仿真系统，实现子网络交通负荷的估计与预测，并用于路口处不同方向车队间的冲突解决方案的在线实时评估；

⑤ 混合车流与标准小汽车车流间动态折算系数的确定。

（3）大数据时代交通信号控制

目前，人们正在寻找人工智能技术与前端设备的应用结合点，如智能交通信号控制，典型代表企业包括滴滴和阿里。滴滴交通云可以融合传统交通采集设备数据、互联网轨迹数据，实现主动信号优化、精确区域控制及全面效果评价的智能化信号控制。阿里“互联网＋信号灯”融合移动互联网的数据以及交警自有数据，将多种信息融汇在一起优化信号配时方案。

传统信号控制系统与互联网信号控制系统的差异体现在：前者的数据来源于周边有限的采集设备，如视频、线圈、雷达等，探测范围非常有限；而后者的数据来源于基于手机定位计算得到的交通流数据，该类数据可以实时精准地统计全路网各个节点、路段的交通流量及流向。此外，互联网信号控制系统不仅能够利用人工智能技术、网络流算法优化信号配时方案，而且可以评价路口信号配时方案的运行效果及对周边区域交通的影响。

过去传统的交通信号控制多集中于基于路口交通流参数确定信号控制方案。目前，信号控制技术的突破方向有：

① 交通信息采集手段的突破，从原有的基于“点”的“单一”方式到基于“区域”的“多源”方式，实现汽车电子标识、互联网车辆定位数据、视频、地磁、雷达等多种交通数据的融合互补；

② 智能载体的突破，从原有前端信号控制器的智能化到上端中心的智能化，不仅能够实现单点的信号控制，更可以实现干道控制甚至区域控制；

③ 评价方法的突破，从原有的基于饱和度、停车次数、排队长度、信号延误、效率系数等指标评价单点信号控制方案的好坏到单点信号配时对周边区域的交通影响评估。

2.3.2　基于RFID的交通信号灯智能控制系统

基于射频识别（radio frequency identification，RFID）的交通信号智能控制系统利用RFID技术实现车辆、阅读器之间的通信控制及实时的车辆流量监控，利用交通信号灯智能控制算法实现不同时间段和流量情况下交通信号灯的不同设置以自动适应不同的交通状况。该智能控制系统能够有效疏导交通流量，缓解交通拥堵现象，提高城市道路的通行能力，并能大幅降低汽车空转和行驶时间，减少尾气排放量，降低城市用于扩宽道路等方面的开支。

（1）交通信号灯智能控制系统的总体架构和工作原理

① 总体架构　基于RFID的交通信号灯智能控制系统主要包括机动车辆终端子系统、RFID射频子系统、交通信号灯监控中心和交通信号灯子系统4个部分。系统总体架构图如图2-7所示。

② 工作原理　有源电子标签工作的能量由电池提供，可以在电池更换前一直通过设定频段外发信息，其识别距离较长，识别稳定性好，而且读取速度快，因此本系统的机动车辆上采用的是有源电子标签。在RFID标签进入路口阅读器范围内时，便可和范围内的RFID阅读器通信，将标签中存储的车辆基本信息传输到阅读器中，阅读器的车辆流量记录模块会自动加1，当车辆驶出阅读器范围时，记录模块减1，以此反复，RFID读写器便可记载下某时间段内所通过的机动车辆的总数，并将此数据传输到交通信号灯监控中心，监控中心便可以依据车辆流量，自动调整信号灯的变换周期，以达到智能控制的目的。比如，某个路口在上下班高峰期车流量特别大，智能交通信号灯控制系统可以智能调整信号灯以延长绿灯时间或者把双向同时放行变为单向放行；而在交通平峰和低峰期间，系统可以根据目前的车流量，实现主干道的绿波控制，减少绿灯损失和停车次数，使道路更畅通。交通信号灯智能控制系统工作流程如图2-8所示。

（2）机动车辆终端子系统

机动车辆终端子系统由RFID标签、车载控制模块、GPRS通信模块、语音提示模块和声光报警模块组成。在交通信号灯智能控制系统中，每个机动车辆上都要装载由交通管理部门统一发放的RFID电子标签，为了加大通信距离，该系统采用的是有源电子标签，当配备有源电子标签的机动车辆进入路边RFID阅读器范围内时，便可被唤醒并开始通信；车载控制模块可以将交通信号灯控制中心和RFID阅读器传输过来的指令进行识别和转换，并在信号灯转换时负责激活语音提示模块对机动车辆进行语音提醒；声光报警模块可以在机动车辆出现闯红灯等违规行为时，负责发出声光报警，提示路上行人和车辆避让；GPRS通信模块主要实现机动车辆与交通信号灯控制中心的信息传输。

当机动车辆在等待道路上的指示灯时，GPRS通信模块可以和交通信号灯子系统进行通信，根据指示灯剩余时间由STC89c52控制模块控制语音提示模块对驾驶员进行实时语音提醒；当机动车辆不按信号灯指示行驶时，STC89c52控制模块会控制声光报警模块会发出报警，提醒周围行人和车辆注意躲避，同时将识别的车辆信息通过GPRS通信模块传输到交通信号灯监控中心。在本系统中，机动车辆的车载控制模块选用STC89c52单片机，机动车辆终端子系统结构如图2-9所示，工作流程如图2-10所示。

（3）RFID射频子系统

RFID射频子系统由RFID标签阅读器及天线模块、车辆流量记录模块、GPRS通信模块组成。在城市的道路交叉路口，信号灯上游的适当位置安装固定式RFID阅读器，当装有RFID标签的机动车辆进入RFID阅读器天线范围内时，RFID标签便可被激活并与阅读器进行通信，同时，内置在RFID阅读器内的车辆流量记录模块会自动加1，并记录下路口处的车辆总数和单位时间内机动车辆的驶入频率，当车辆驶出该阅读器范围时，记录模块会自动减1；GPRS通信模块主要用于RFID阅读器与交通信号灯

监控中心以及周围其他的RFID阅读器进行通信。

安装RFID有源标签的机动车辆进入RFID阅读器范围内时，便可实现与RFID阅读器的智能识别、通信以及机动车流量的记录。RFID读写器将规定时间段内的车辆数目通过GPRS通信模块传输到交通信号灯监控中心，交通信号灯监控中心便可根据车流量对信号灯作出智能控制。RFID射频子系统的工作流程如图2-11所示。

（4）交通信号灯监控中心

交通信号灯监控中心使用Web服务器使机动车驾驶员可以在任何一台接入互联网的计算机上查询机动车不按信号灯指示通行的历史信息；使用数据库服务器存储和管理机动车辆、信号灯、RFID阅读器、RFID标签的基本信息；使用GIS模块动态实时地将地图数据与信号灯、机动车辆的实际位置结合起来；使用4G通信模块实现机动车辆与交通信号灯控制中心的信息传输；使用GPRS通信模块实现RFID阅读器、交通信号灯与交通信号灯控制中心的信息传输；使用机动车辆终端管理模块实现对机动车辆的管理与控制；使用交通信号灯管理模块实现对交通信号灯的管理与控制。

① 交通信号灯监控中心功能结构　交通信号灯监控中心基于Windows 7操作系统，使用Java进行开发，主要的功能结构图如图2-12所示。

② 交通信号灯智能控制算法　监控中心可以依据信号灯智能控制算法自动设置信号灯的变换周期，以达到智能控制的目的。该算法依据车辆流量记录模块记录的车辆数目和时间片ΔT的商即单位时间内通过交叉路口的机动车辆频率信息对交通信号灯实施优化设置，不同的频率采用不同的时间周期，以此提高交叉路口机动车辆的通行能力，缓解交通拥堵。

交通信号灯智能控制系统存在大量机动车并发的情况，因此该系统属于实时并发系统，系统的目标是车辆通过的成功率高、道路利用率高、系统吞吐量大、平均周转时间短、响应时间快、保证截止时间、良好的容错性和扩展性。因此，为了使所有的并发车辆在比较理想的时间内得到响应且都能成功通过，提高系统的并发处理能力，根据车辆通行频率，将交叉路口的车流量划分为高峰期、平峰期和低峰期三种情况，分别采用不同的控制算法。

a．在车辆流量处于平峰期时，即f（车辆总数目/ΔT）在阈值范围内，采用时间片轮转调度算法，即系统根据先来先服务算法，将所有的要通过交叉路口的车辆按方向排成若干个就绪队列，设置每隔一定的时间片ΔT（如60s）产生一次中断，变换交通信号灯的颜色，尽量保证路口处的车辆都拥有均等的通行能力。

if（nt＝ ＝0）
{
r->n＝complete；
complete＝r；
r->statu s＝‘c’；
r＝NULL；
if（prep！＝NULL）
下辆车通行；
}
else
if（ΔT＝ ＝0）{
r->n＝0；
if（prep！＝NULL）
{
run->state＝‘b’；
另一个方向车辆通行
}

b．在车辆处于低峰期时，即f<阈值，采用绿波带算法一一根据道路机动车辆行驶的速度和路口间的距离，自动设置信号灯的点亮时间差，使得从车辆遇到第一个绿灯开始，通过计算两个路口的时间间隔，计算任意时刻点任意路口的红绿灯时间，根据此时间，分析红绿灯状态，以保证若车辆根据规定速度行驶，之后都会遇到绿灯。

c．在车辆处于高峰期时，可分为不同的情况：

if（两个通行方向的f均>阈值，根据两个方向的pri值，决定响应的次序）
{
if（pri1>pri2）
　pri1方向的车辆通行完毕，pri2方向车辆通行；
　else
　pri2方向的车辆通行完毕，pri1方向车辆通行；
}
if（仅单一方向，如dir1方向的f>阈值）
{
延长dir1方向的路灯时间一个时间片；
　检测双方向的车辆流量；
　if（dir1流量>dir2流量）
延长dir1方向的路灯一个时间片；
　else
　dir2方向绿灯亮；
}

pri的值由等待截止时间、等待时间、估计通过时间和当前时间4个因素决定，计算方法如下：

pri＝

其中，pri为响应比；s为等待时间；et为估计通过时间；jz为等待截止时间；ct为当前时间。

（5）小结

基于RFID的交通信号灯智能控制系统可以合理配置红绿灯通行时间，有效协调各个方向通行的车流量，避免部分车辆等候时间、停留时间过长，提高车辆的通行速度；还可以记录不按交通信号灯指示行驶的车辆，为交通管理部门提供有力的证据，严惩一些交通违规者。实验结果表明，系统可以使城市路网的运行效率、平均车速明显提高。

2.3.3　基于CAN总线的智能交通控制系统

大部分城市使用的交通信号控制器采用固定时间的调度策略。这种调度策略对于车流量均衡的路口调度效率较高，但对于车流量变化较大的路口调度效率较低。基于CAN总线的智能交通控制系统通过地磁检测器采集路口车流量信息，以此作为交通配时参考数据，根据车流量智能分配通行时间，提高了通行效率。

（1）系统方案

基于总体的设计要求，提出了如图2-13所示的系统整体设计方案。该系统方案主要包括主控模块、4个驱动模块、硬件黄闪模块、车流量采集模块、DSP处理器和上位机通信软件等。此方案能够很好地满足设计要求，主控板提供以太网接口，方便连接上位机通信软件，4个驱动模块可以提供16组信号输出，在系统出现故障时，系统转为硬件黄闪状态，可以保证道路安全畅通。DSP处理器主要作用是对图像采集模块采集到的车辆图像进行处理以及使用神经网络控制算法进行车辆通行时间的预测。整个系统的设计采用模块化的设计思想，方便故障模块的更换。

① 主控模块

a．模块整体　主控模块使用STM32F103ZET6微处理器，最多可以提供5个串口便于与外设进行通信，同时支持CAN2.0B接口，方便主控模块与驱动模块之间的通信。主控模块负责连接、控制其他模块，在整个控制系统中起重要作用。由于系统功能的需要，在主控模块上添加了多种接口。

ⅰ.三路串行接口　一个串口连接蓝牙模块；另一路串行接口接GPS模块，用以为信号机授时；剩下的一个串口留作调试使用。

ⅱ.一个485接口　用来接收来自图像采集模块的车流量信息。

ⅲ.CAN通信接口　用来与驱动模块进行通信。

b．主控板最小系统电路　主控板最小系统电路是保证STM32F103ZET6微处理器能够运行的必不可少的电路，主要包括电源供电电路、振荡电路、复位电路、JTAG调试电路等。

ⅰ.电源供电电路　STM32F103ZET6微处理器的供电电压为3.3V，系统外部提供的电压为5V，需要使用稳压电路提供给主控模块所需电压。这里选择使用AMS11173.3稳压器。

ⅱ.振荡电路　振荡电路是整个电路工作的基础，为整个电路提供基准的频率。在对STM32任何功能模块进行编程时，都要先打开其对应的时钟控制器，这样的操作可以很好地控制芯片的功耗。同时，也可以在有处理任务时增大系统时钟频率，提高处理效率，在没有处理任务时降低系统时钟，减小系统功耗。图2-14为振荡电路原理图。

ⅲ.复位电路　为了使整个系统始终工作在正常的状态下，在主控模块和驱动模块中都加入了复位电路。具体原理图如图2-15所示。MCU配置一个定时器输出接口接到WDI引脚，如果此接口一直固定保持高电平或低电平，则1.6s以后SP706SEN内部的看门狗定时器就会溢出并使/WDO输出低电平，同时/MR输出低电平信号使MCU复位。在正常运行时，MCU及时地产生翻转信号，俗称“喂狗”，确保微处理器不复位。同时它集成了上电复位、掉电复位等功能，并具有手动复位功能。

ⅳ.JTAG调试电路　STM32F103ZET6微处理器支持在线调试功能，很大程度上方便了硬件编程工作。通过对编写的程序进行单步调试，能够很容易找到程序编写的错误位置，提高编程效率。图2-16为JTAG调试电路，图中网络标号均为STM32F103ZET6微处理器的引脚。

c. GPS模块与蓝牙模块　GPS模块的主要作用是为主控模块提供基准时间以及具体的位置信息。GPS模块为单独设计的可插接电路，其通过串口与主控模块通信。

d. CAN接口电路　CAN接口电路使用CTM1051A通用CAN隔离收发器。图2-17为CAN通信模块原理图。由图中可以看出，组成CAN通信的电路很简单，STM32F103ZET6微处理器的CAN_TX和CAN_RX引脚直接连接到CTM1051A的对应引脚上就可以实现CAN通信，通信速率最高可以达到1Mb/s。

② 驱动模块

a．驱动模块软件　每个驱动模块负责1个路口的所有信号灯的驱动。系统每个驱动模块可以驱动12路信号灯。驱动模块对于信号灯的控制主要依赖于从主控模块接收到的控制命令。驱动模块通过CAN总线从主控模块接收控制命令后，解析出符合本模块地址信息的相关参数，并立即将参数运用到驱动系统中。通过这种方式能够实现4个驱动模块动作的同步。

b．驱动控制电路　驱动模块采用的微处理器芯片是STM32F103系列芯片中的STM32F103RBT6处理器。该小容量处理器的封装为LQFP64，完全能够满足驱动板的设计要求。本系统设计中，单个驱动模块可以控制12路通道，系统设计有4个驱动模块，一共可以控制48路通道，可以充分满足现在交通路口的行车需求。下面就驱动板中的具体控制电路选择一路进行说明。电路原理图如图2-18所示。

信号灯驱动电路是一个典型的MOC3061系列光电双向可控硅驱动电路。当2号脚为低电平时，光耦导通，双向可控硅导通，此时LIN与LOUT处于导通状态；相反，当2号脚为高电平时，光耦不导通，此时LIN与LOUT处于断开状态。其中R1为限流电阻，使输入的电流控制为15mA。R2为双向可控硅的门极电阻，可提高抗干扰能力。R3为触发双向可控硅的限流电阻。R4电阻与C1电容组成浪涌吸收电路，防止浪涌破坏双向可控硅。

③ 硬件黄闪模块　为了保证系统的正常运行，除了上面叙述过的复位电路以外，系统还设置了硬件黄闪模块用以应对系统出现的故障。复位电路能够在系统软件出现异常的情况下，重启软件程序；如果重启软件程序也不能解决软件异常则启动硬件黄闪模块。它的主要控制功能是以1s为周期闪烁4个路口的所有黄色信号灯，提醒车辆驾驶员减速慢行、注意交通安全。图2-19为硬件黄闪模块原理图。

（2）系统软件

主控模块在整个系统中处于核心位置，其主要负责接收DSP处理器发送来的各个路口预测通行时间。其次主控模块通过CAN总线统一控制4个驱动模块协调工作。在整个工作过程中，主控模块不断向硬件黄闪模块发送脉冲信号，使硬件黄闪模块处于休眠状态；否则系统将进入硬件黄闪状态。对于上位机发送的信息，主控模块通过网络接口进行接收处理。具体的程序流程图如图2-20所示。

（3）系统联调与测试

为了简化模块之间的电路连接，使通信信号更稳定可靠，主控模块与4个驱动模块采用欧式插座统一连接到一块电路板上，此电路板上有CAN通信总线、电源线等。对于信号机的远程控制需求，编写了适用于信号机的上位机软件。通过对整个系统的联合调试，交通灯控制系统实现了固定时间方式的运行。

由于整个系统还未安装到交通路口采集交通流量数据，在系统智能配时方案测试时采用上位机软件模拟车流量采集模块向主控模块发送车辆信息。配时方案采用四相位方式，通行周期设置为120s。上位机向信号机发送4个方向的车辆数，信号机根据车辆数智能分配路口通行时间。表2-2为智能配时时间与车辆数关系表。实验表明，智能信号机能够根据车流量信息智能分配路口通行时间。