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文摘…………………………………………………………………………………………………………..1
文 摘 攀枝花江南二路的交通堵拥现象一直围绕着政府和广大市民，是一个急需要解决的棘手的问题。于是在对攀枝花市江南二路交通灯设计的准备工作中，就江南二路上的建工路口、竹湖园路口、机场路口一线600米路段的交通现状进行实地考察后设计了四种方案，它们分别是：基于RTOS的智能交通灯的设计、智能交通监控系统、智能交通路口控制器、交通信号自适应模糊控制器。在比较了方案的设计、软件硬件的实施、模块的建立、算法的优化和对实际路况的比较和研究，给出了最优方案。
关键词 实时操作；智能交通监控；智能运输系统；模糊算法
随着社会经济的不断发展和人们生活水平的普遍提高，整个社会对交通运输的需求日益增加。虽然世界各国政府已经或是正在大量投入财力于交通基础设施的建设，但交通状况恶化及其伴生的安全事故、空气污染等一系列问题越来越困扰着有关的政府当局。交通运输对经济发展的制约作用不同程度地普遍存在于每个国家/地区，如何解决大城市周围地区交通拥挤和堵塞现象几乎成了最为棘手的难题之一。
交通量的持续增长是造成这种状况的最根本原因，而传统的解决途径主要有两个：一是加大交通基础设施建设的投入，但资金、土地等稀缺资源的有限性又是不可回避的问题，道路基础设施是不可能无限扩展的；另一个就是限制交通流量，主要是通过法律和行政的手段实现。这又分两个方面：一是控制车辆出行，如按车牌单、双号分别行驶，或是鼓励和发展公共交通，减少私家车的使用，美国等西方国家早在很多年前已在一些交通繁忙路段实施鼓励两人以上的车辆优先行驶的规定；再就是控制汽车保有量，以高额的税、费甚至控制上牌等来限制汽车数量的发展。这些方法短期可以奏效，但有失公平、合理。如何更有效地使用现有交通运输网络就是人们试图寻找更好地解决上述问题的重要途径之一。人们希望通过增加技术含量的方法提高现有道路的利用率，提高道路交通的安全程度和道路使用的舒适性，所以对智能交通灯的设计和采纳做了相当多的研究与建模。也给出了许多的方案和系统供大家探讨，我们这次所面队的攀枝花江南二路的交通状况有着很大的特殊性以及设计的缺陷,如:丁字路居多,路的车道少,加上近年来攀枝花的私人拥有车辆数目的不断上涨,以前的交通路况已经不能适应新情况下的交通情况了,所以出现了交通路口经常性的交通拥堵,为了解决和改善这种交通拥堵的问题,而又不改变路况的情况下,就提出了用交通灯来控制车辆的流动,控制路段有:机场路口、竹湖园路口、建工路口，此三段路是交通的繁华路段。
1 基于RTOS的智能交通灯设计方法的介绍
1.1 方案的基本介绍：
此方案介绍一种基于车流量变化动态调节时间的智能交通灯的设计方法；在进行流量统计的同时，对违章情况进行监测；根据模糊算法分配各车道的绿灯时间，实现车流动态调节。分析其中存在的多种任务，用传统的前后台编程方法实现难度较大，使用实时操作系统可简化程序设计，并使程序具有良好的可读性、可维护性和可移植性。
目前绝大部分交通灯其时间都是设定好的，不管是车流高峰还是低谷，红绿灯的时间都固定不变；还有一些交通灯能根据简单划分的时间段来调整时间，但控制起来都不是很灵活，这使得城市车流的调节不能达到最优。本方案所述设计正是针对这一弊端进行了改进，根据实时车流量对各路口的绿灯时间进行动态调节，大大加强了其灵活性和实时性；软件编程采用了实时操作系统RTX51，在确保实时性要求的同时，简化了复杂的软件设计工
作1.3 方案的详细内容
分别用1、2、3、4表明四个流向的主车道，用a、b、c、p分别表示各主车道的左行车道、直行车道、右行车道以及人行横道。通过分析很容易得知，除了四个右行车道外，在同一时间，最多只能有两个车道通行，如1a、1b通行时，其它车道都会被阻断。所以在设计红绿灯时，可以两两组合，共有四组（如la-1b、2a-2b、3a-3b、4a-4b）；而各车道的红灯时间和人行横道通停时间都由这四个组合的绿灯窗口时间决定。本文将以广泛采用的图2所示的通行顺序来讲述智能交通灯的设计。
本系统硬件上采用上位机和下位机设计，其中下位机四个，均采用AT89C52单片机，分别控制图2所示的四个组合。AT89C52单片机具有MCS-51内核，片内有8KB Flash、256字节RAM、6个中断源、1个串行口、最高工作频率可达24MHz，完全可以满足本系统的需要。
上位机和下位机之间的串行通信采用RS-485标准接口。在通信频率为9600bps的情况下，有效通信距离可达2.1km。
软件设计中，采用RTX51小型实时操作系统。它是一个专用于8051系列处理器的多任务实时操作系统，能使用四个任务优先权完成同时存在时间片轮转调度和抢先的任务切换，并可以简化那些复杂而且时间要求严格的工程软件设计工作。
(1)下位机设计
以控制1a-1b-3c-4c-2p组合的下位机为例说明。
下位机外接动态车辆检测电路、LED和数码相机。各下位机通过对车辆检测电路定时扫描，读取各车道当前信息，判断是否有车通过；LED显示各车道方向箭头及剩余时间；数码相机则对违章车辆进行抓拍。
动态车辆检测电路结构如图2所示。
埋设在各车道安全线前方路面下的环形线圈传感器与振荡器匹配，形成一定频率的周期信号。该信号经施密特整形电路转化为脉宽信号后可作为计数脉冲。当有车辆通过该环形线圈时，线圈磁场发生变化，从而导致计数脉冲数量的变化。将100ms时间内没有车通过时的频率计数作为基准计数Base，实际计数为Num。当NumBase>0时，就可判定有车辆通过。
下面是下位机中多任务的分析与实现。
① 初始化任务
初始化串行接口，并开始全部其它任务。最后删除自身，因为初始化只需要一次。
② 数据采集任务
每隔100ms顺次读取四个车道（1a、1b、3c、4c）动态车辆检测电路的信息，判断Num-Base是否大于0。若为真，则置相应Flag为1，否则置0（Flash表示某一车道有无车辆通过的标识）。令FLAG1、flag1分别标志1a车道上一次和本次的检测结果。若FLAG1-flag1=1，则表明有车通过（同样，可以令FLAG2、flag2标识1b车道，FLAG3、flag3标识3c车道、FLAG4、flag4标识4c车道前后两次的检测结果）。若任一车道有车通过，则向流量统计及违章监测任务发送信号。程序如下：
void job2()_task_job2{
while(1){
读取车辆检测电路信息，通过判断给flag1、flag2、flag3、flag4赋值；
if(FLAG1-flag1==1||FLAG2-flag2==1||FLAG3-flag3==1||FLAG4-flag4=1) //若某一车道有车通过
{
记录有车通过的车道；
os_send_signal(job3);//向流量统计与违章监测任务发出信号
}
FLAG1=flag1;FLAG2=flag2;FLAG3=flag3;FLAG4=flag4； //当前标识位成为前一标识位
各计数器恢复初值；
os_wait(100ms)；
}
}
③ 流量统计与违章监测任务
在接收到任务2发来的信号后，根据其提供的车道记录及该车道的当前显示情况，实现流量统计或违章监测的功能。
void job3()_task_job3{
while(1){
os_wait(K_SIG,0,0);
if(1a||1b车道有车通过){
if(当前为红灯)启动数码相机抓拍，并读取实时时钟当前时间；
else N1++; //在绿灯持续时间内对通过车辆计数
}
else若当前为红灯，启动数码相机抓拍，并读取时间。3c、4c违章监测
}
}
④ 显示任务
在外接的LED上分别显示四个车道方向箭头和人行横道的红绿灯，以及1a-1b车道剩余时间。最初的窗口时间由上位机给定。该显示值每秒钟刷新一次。
Void job4()_task_job4{
t1=T1; //T1为上位机给定绿灯窗口时间
while(1){
各路口方向箭头、人行横道红绿灯显示及1a、1b车道剩余时间（t1）显示；
os_wait(1000ms)； //1s刷新
t1--;
if(t1==0)
{os_create_task(job6); //若时间到，创建通信任务
os_delete_task(job4)；} //删除显示任务
}
}
⑤ 看门狗复位任务
定期对看门狗进行复位，表明程序正常运行。
⑥ 通信任务
当时间到时，根据当前情况进行红绿灯显示切换若1a、1b当前为绿灯，则时间到后通知上位机，并将统计的车流量经串行口传送给上位机，由上位机触发下一组绿灯显示；右1a、1b当前为红灯，则时间到后等待上位机触发信号。这样由上位机统一调度，可以避免各下位机各自为政所造成的时间差。由于通信任务对时间特性的要求很高，所以应将通信任务设为高优先级。
Void job6()_task_job6_prority_1{
if(绿灯时间间到){
V1=N1*60/(2*T1); //N1表示1a、2b车道在T1时间内通过的车辆总和，V1为该绿灯周期内两个车道平均每分钟车流量
将V1值传送上位机；
N1清0；
1a、1b、3c、2p转红色显示；
}
if(红灯时间到){
os_wait(K_SIG,0,0)； //等待上位机信号
根据上位机计算数据更新T1；
1a、1b、4c、2p转绿色显示；
}
os_create_task(job4); //创建显示任务
os_delete_task(job6); //删除自身
}
(2)上位机设计
上位机主要完成人机交互的功能。它外接一个字符型LCD显示器和键盘。LCD显示器在睡眠状态下显示各路口的当前绿灯窗口时间。当有键盘响应时，作相应的辅助显示。
在本方案中系统的键盘采用9按键输入。当主车道上有紧急车辆（如警车、消防车或急救车等）要求通行时，可以按下此键。
在本方案中系统设定了6种功能选项：4个主车道的绿灯窗口时间调节选项、手动/自动操作模式切换选项以及违章记录查询选项。这6项功能，可以通过按功能键进行切换。
下面是上位机中多任务的分析与实现。
① 初始化任务
初始化串行接口及各车道组合的绿灯窗口时间（20s），并开始其它任务，最后删除自身。
② 键盘扫描任务
利用顺序查询的方式，定时对键盘进行扫描，判断是否有按键被按下。若有，则判断是哪个键被按下，并向任务3发出信号。
void job2_task_job2{
while(1){
扫描键盘；
if(有键被按下){
判断是哪个键；
os_send_signal(job3);
}
os_wait(10ms);
}
}
③ 键盘处理任务
若在初始情况下按下功能键，则进入6个功能项。再次按下功能键，则在这6个功能项之间进行切换；若按下的是确定键，则创建相应功能项所定义的任务。在任何情况下按下紧急通行键，将创建紧急通行任务。
④ 显示任务
当键盘扫描任务在一定的时间内没有检测到输入信号时，将LCD转入睡眠状态，面板显示各车道组合的当前绿灯窗口时间。若该窗口时间由于任务5被更新，当有按键被按下时，则根据按键情况作相应的辅助显示。
⑤ 时间自动调节任务
在自动操作模式下，每隔10min，对各下位机上传的各车道组合的车流量进行分析，根据模糊算法确定各车道组合的最优时间分配。
分别用V1、V2、V3、V4表示1a-1b、2a-2b、3a-3b、4a-4b四个车道组合当前每分钟平衡车流量，t1、t2、t3、t4表示各自绿灯窗口时间，则绿灯时间分配如表1所列。
表1 绿灯时间分配表
|
Vi(i=1～4) |
Vi≤5 |
5<5i≤10 |
10<Vi≤15 |
15<Vi≤20 |
Vi>20 |
|
ti/S |
15 |
20 |
25 |
30 |
35 |
不难理解，每一组合的红灯窗口时间等于其它三个组合的绿灯窗口时间之和。为了避免某一组车道等待的时间过长，当有两个以上的车道组合的每分钟平衡车流量都大于15时，将它们的绿灯时间都定为30s。这样，最长的等待时间不超过90s。
⑥ 时间手动调节任务
每按一下“+键”，将当前车道组合的绿灯窗口时间加1，按“-键”则减1。当按确定键后，则当前设定时间被保存到变量Ti中。
⑦ 手动/自动切换任务
当切换到自动操作模式时，创建任务5，并发出信号使任务3中“主车道绿灯窗口时间调节”功能项不可选。当切换到手动操作模式时，删除任务5，并解除时间调节功能项的限制。
⑧ 违章查询任务
读取各个位机的违章记录，包括违章车道和违章时间，并在LCD上显示出来。违章车辆的图像信息可由数码相机获取。
⑨ 紧急通行任务
当紧急通告键被按下时，该任务被创建。任务首先保存当前各车道组合的绿灯窗口时间，然后强制有紧急情况的车道组合绿灯显示、其它车道组合红灯显示，以保障紧一辆顺序通行。延时10s后，恢复以前的顺序显示。由于该任务时间特性要求很高，所以应将其优先级设为2，高于通信任务。最后删除自身。
⑩ 看门狗复位任务以及通信任务
看门狗复位任务是定期对看门狗进行复位，表明程序正常运行。
通信任务是当某一下位机因绿灯时间到而触发串行口中断后，该取该下位机的当前车流量Vi，并触发控制下一车道组合的下位机进行绿灯显示；同时，将更新的绿灯窗口时间ti(i=1～4)赋给各下位机，从而实现对车流量的动态调节。由于该任务时间特性要求较高，将其优先级设为1。
本系统结构简单，操作方便；既可现场控制，又可远程控制；拥有手动和自动两种控制模式，具有一定的智能性；能根据现场状况，合理地调节车流，对优化城市交通具有一定的意义。
另外，利用RTX51实时操作系统提供的系统特征，可以简化多任务程序设计，满足多个任务的时间特性要求，可完成前后台编程方法难以完成的编程任务。同时基于实时多任务操作系统，可以将各任务进行细分包装，使各任务保持相对独立；能有效改善程序结构，便于模块化处理，使程序的可读性、可维护性和可移植性都得到进一步的提高。
2.1 方案的基本介绍：
本方案简要介绍了智能交通系统及智能交通系统的一个组成部分——交通监控系统，并用具体应用案例——使用研祥EIP平台为主控制系统的交通监控系统来说明其是如何组成的。
利用智能运输系统(ITS)来提高道路的利用率、道路交通的安全程度和道路使用的舒适性，已成为未来交通运输的发展方向。所谓智能运输系统，就是集信息处理、通讯、控制、以及高科技的电子技术等最新的科研成果，应用于交通运输网络中。它与传统的交通管理系统一个最显著的区别是，将服务对象的重点由以往的管理者转向道路使用者，即用先进的科技手段向道路用户提供必要的信息和便捷的服务，以减少交通堵塞，从而达到提高道路通过能力的目的。另外，从系统论的角度来看，ITS将道路管理者、用户、交通工具及设施有机地结合起来并纳于系统之中，提高了交通运输网络这个大系统的运行效率。
ITS系统的功能包括以下几个主要方面：信息提供、安全服务、计收使用费和减少交通堵塞等。系统向道路管理者和用户提供的主要是道路交通情况的实时信息及相关的其它信息，如天气等；而安全服务的内容则有危险警告、人车事故预防、行车辅助等，它们通过不同的方式来帮助减少交通事故；费用收取主要是以电子方式自动地向用户收取道路使用费或车辆停放费等。
交通监控系统作为智能交通系统的一个组成部分，在保证城市交通安全、畅通方面发挥着巨大的作用。
本方案所述的交通监控系统是一个由三级监控系统组成的具有高性能、多方面的检测手段，直观的数字检测显示、图像监视，完善的紧急电话报警功能，以及能及时、动态地发布警示、诱导信息的监控系统，对该系统作了较详细的介绍。
2.3 方案的详细内容
该交通监控系统由三级监控系统构成：
(1)各类外场设备自身所形成的相对独立的检测交通流和气象状况的监测子系统，发布各种警示和诱导信息的显示子系统，相对独立设立的紧急电话报警子系统以及观察道路交通情况的闭路电视监视子系统；
(2)5个监控分中心负责管辖各自区段的外场设备，采集数字和图像信息，接受和发布各种控制命令及传输各类数字和图像信息的分系统；
(3)1个监控中心，接受各分中心监控系统传输的各类数字和图像信息，监视全路段的交通运行情况，向分中心发布各种控制命令。由此形成一个自下而上能传递各类交通、气象、紧急电话信息和图像，发布各种交通指挥信息的较完善的交通监控网络系统。
⑴ 车辆检测器(VD)
全线共设置了96套车辆检测器，每套车辆检测器有4个环行线圈。当车辆通过埋设在路面下的环行线圈，车辆检测器检测出通过该车道的车流量、车辆速度、车辆占有率等。
车辆检测器包括控制单元和磁性线圈二部分。其中控制单元有数据处理微型计算机、检测单元和通信控制单元；磁性线圈采用双线圈工作模式。
车辆检测器的主要参数：
车辆检测精度98%
车速检测精度0～250km/h±5%
车辆占有率精度95%
磁性线圈寿命＞3年
⑵ 能见度检测器(VS)
在5个监控分中心的管辖段内各设置了1套能见度检测器，用以检测道路的能见度状况。fumosensTMⅥ型能见度检测测器有二个发射器和二个接收器，发射光源为高亮度红色光源，散射角度为35°，检测范围为20～20000m。
⑶ 气象检测器(WS)
在水网地区(苏州)和丘陵地区(镇江)各布设了1套气象检测器。气象检测器除可以检测风力和风向、大气温度和湿度以及路面温度和湿度外，还可以给出路面结冰预报。气象检测器由气象站和通信控制单元组成。
气象检测器的主要参数为：
风速0～50m/s
风向0°～360°
大气温度-30℃～+60℃±0.3℃
大气湿度0～100%±5%
路面温度-35℃～+65℃±0.5℃
路面湿度湿、盐可测干、湿和不同等级湿度
路面结冰黑冰、白冰或单晶体冰-20℃～０℃±0.1℃
⑷ 闭路电视摄象机(CCTV)
沿线设置了36台闭路电视摄象机，用来监视重点地段交通状况。
⑸ 可变限速标志(CSLS)
设置了36块光纤式可变限速标志，显示40、60、80、100、120km/h限速指示。限速显示既可以固定，也可以是跳闪的，并可进行8级自动和人工调光控制。另外，为了保证该设备工作的可靠性，还采用了双光源自动切换技术。光源为卤素钨丝灯，使用寿命800h。光纤孔视角为6°，可满足道路使用者以100km/h速度行驶时在250m以外确认显示数字。
⑹ 可变情报板(CMS)
在主要出口匝道前设置了29块高亮度LED可变情报板，其中采用双行文字显示的8块设置在某些重要的出口匝道前。可变情报板可显示各种图像和文字，通告各种交通情况和气象信息，发布交通指令，保证交通行车安全。所显示的图像和文字既可以事先编制、存储在可变情报板控制器内，也可在可变情报板计算机上随时进行编制再发布。
双行的可变情报板显示尺寸为8161.16×1577.48mm，由13936(52×268)个像素组成，每个像素由9个(6绿3红)LED发光管组成；单行的可变情报板显示尺寸为11030×950mm，由6624(24×276)个像素组成，每个像素由16个(12绿4红)LED发光管组成。红、绿二色的LED管可以显示红、绿、黄三种色彩的图像和文字，显示亮度可以进行8级自动和人工调光控制。可变情报板的显示视角为30°，正常可视距离为360m。
⑺ 紧急电话分机(ET)
按每公里一对的原则，在高速公路二侧设置了紧急电话分机258对，为道路使用者提供单向呼叫、双向通话服务。紧急电话分机的音量为90dB，失真小于3%，电源为免维护充电电池。
监控分中心设有大屏幕投影系统、监控分中心计算机系统、闭路电视监控系统和紧急电话系统。
(1) 大屏幕投影系统
投影仪将计算机信号或闭路电视图像投放到投影屏上，彩色图形服务器对大屏幕投影系统进行管理。投影屏上可显示本监控中心所管辖路段的交通况、气象信息、紧急电话分机工作状态，以及所发出的各种指令。该系统还采用了先进的带移位锁定的视频移位控制技术，用以消除阴极射线记忆效应，有效地延长了投影屏的使用寿命。
(2) 计算机系统
计算机系统主要由主服务器、交通监控计算机、通信计算机、彩色图形计算机、紧急电话主机系统、可变情报板计算机及一些辅助设备组成。其中：
① 主服务器负责本地局域网的管理，采集和处理各种交通监控数据及图像信息，以及外场设备运行状态，并且作为数据库服务器，存储各类有关信息，分析各类交通、气象信息，提出交通监管方案。
采用研祥EIP（嵌入式智能平台）硬件产品，产品参数如下：
IPC-8621/FSC-1715VN/CPUPIV/内存 256M/ 硬盘 300G
② 交通监控计算机负责执行交通监控软件，按照HIOCC算法判别交通拥挤、事故等状况，管理各外场监控设备的运行，统计分析各类数字信息，并提供报告。
采用研祥EIP（嵌入式智能平台）硬件产品，产品参数如下：
IPC-8621/FSC-1717VN/CPUPIV/内存 256M/ 硬盘 40G
③ 彩色图形计算机负责将各种数据和信息经过处理在图形界面上显示。
采用研祥EIP（嵌入式智能平台）硬件产品，产品参数如下：
IPC-8621/FSC-1717VN/CPUPIV/内存 256M/ 硬盘 40G
④ 通信计算机负责本地局域网与下端外场设备、上端监控主中心的双向通信，并与本辖区紧急电话系统和收费系统进行通信。
⑤ 紧急电话主机系统负责管辖本区段内的紧急电话分机。紧急电话主机可控制256台紧急电话分机，其呼叫分机排队数量最多达6个；可以识别任一呼叫分机的编号，并在监视器和投影屏上显示其位置；通过通信电缆线对紧急电话分机的充电电池进行充电。紧急电话主机系统和紧急电话分机构成了ET-Ⅱ型紧急电话系统。
⑥ 可变情报板计算机主要用来控制可变情报板，监视可变情报板的显示状况和工作状态；编辑显示内容；和交通监控计算机进行信息交换，发布工作指令等。
(3) 闭路电视监控系统
各监控分中心将本辖区的外场闭路电视摄象机通过视频矩阵切换器与监控分中心的监控室内的闭路电视监视器一一对应连接，实施24h监控。当一个报警信号发出时，经过编程的视频矩阵切换器自动将报警图像切换至控制台上的监视器，并进行录象。
2.4 监控中心系统
监控中心设有大屏幕投影系统、计算机系统和闭路电视监控系统。
大屏幕投影仪由彩色背投式投影仪和120"投影屏组成。
计算机系统主要由主服务器、交通监控计算机、通信计算机、彩色图形计算机及一些辅助设备组成。
采用研祥EIP（嵌入式智能平台）硬件产品，产品参数如下：
主服务器：IPC-8621/FSC-1715VN/CPUPIV/内存 256M/ 硬盘 300G
交通监控计算机：IPC-8619/FSC-1715VN/CPUPIV/内存 256M/ 硬盘 40G
通信计算机：IPC-8621/FSC-1713VNA/CPUPIV/内存 256M/ 硬盘 40G
彩色图形计算机：IPC-8621/FSC-1717VN/CPUPIV/内存 256M/ 硬盘 40G
监控中心有12台闭路电视监视器通过视频矩阵切换器与全路段的外场闭路电视摄象机实行1∶3对应切换，对各主要路段实施24h监控。监控中心采用的是视频矩阵切换器，经过编程使其具有选择图像信号的优先权。
2.5 监控系统软件和监控系统网络
(1)监控中心和分中心的系统操作平台为美国微软公司的WindowsNT系统，软件编程语言为VisualC++，采用微软公司的SQL数据库管理系统。监控软件主要模块的功能为计算机系统管理、监控设备管理、采集和传输信息、分析和处理信息、显示和打印管理等。
(2)监控系统的网络结构为：监控分中心局域网与外场远程终端设备的通信网络，6个局域网(一个监控主中心局域网，五个监控分中心局域网)经由一个远程网相连，局域网为10Base-T的以太网结构，远程网为155Mb/s的SDH传输系统。
从目前试运行的效果来看是相当不错的，基本达到了预期目的。它不仅增强了高速公路的运行速度和行车安全性，提高了运营效益，而且创造了具大的社会效益。相信随着今后全国高速公路通车里程的不断增加，以及计算机技术的不断提高，公路监控技术的不断完善，山东省高速公路的运营水平将会再上一个台阶。
本方案介绍了TCS-0602智能交通路口控制器的硬件结构及软件结构，该控制器首次将32位处理器和Uclinux操作系统应用到智能交通领域，建立了一种开放式的软硬件体系，目前支持五种交通控制算法，将在一些城市进行试运行。
智能交通要求路口向控制中心实时提供图像和数据信息，并能够独立执行一些复杂的算法。但是目前国内的路口交通控制器大多采用单片机作为处理器，只能执行定时算法，以ＲＳ２３２或者ＲＳ４８５作为通讯方式，根本无法满足智能交通对于路口控制器的要求；而国外的路口控制器（如西门子公司的２０７０和美国的ＥＡＧＬＥ）不能适合中国国情，且价格昂贵，操作不方便。因此研究开发出适合中国国情、性能价格比高的路口控制器成为一项特别紧迫的任务。
本方案开发的ＴＣＳ－０６０２智能交通路口控制器满足了国内智能交通发展的要求。本文将从路口控制器在智能交通中的作用、ＴＣＳ－０６０２的硬件体系、软件体系和最后的运行结果四个方面来说明。
3.2 智能交通路口控制器在智能交通中的作用
智能交通网络结构如图3所示。当网络正常工作时，共享数据库通过光缆收集控制器预处理过的图像和数据信息，在控制中心通过相应的数学模型进行预测、诱导和控制，然后将控制参数下载到智能交通路口控制器，由它控制交通指示牌和交通信号灯，来实现整个系统的最优控制策略。当智能交通路口控制器不能跟控制中心通讯的时候，它可以根据当地检测到的交通流量和历史数据的数学模型进行基于该路口的局域最优控制。当发生事故和其它特殊情况时，还可以通过手动实现路口的控制。所以在智能交通中，智能交通路口控制器是一个收集数据和实现控制的平台。
它需要完成以下任务：（１）与控制中心通过光缆进行通讯；（２）执行交通控制算法；（３）接收摄像机图像；（４）与微波检测仪通讯；（５）与地感线圈通讯；（６）控制交通信号灯；（７）控制交通指示牌。
3.3 智能交通路口控制器的硬件体系结构
智能交通控制器需要执行繁重的通讯和算法处理，对处理器的通讯和运算速度有很高的要求，摩托罗拉公司的ＭＰＣ８２４５能够满足这些要求。ＭＰＣ８２４５具有强大的通讯和运算能力，可以通过ＴＩ１６Ｃ５５４等串口芯片扩展多个ＲＳ２３２串口，和多个外设通过串口进行通讯，可以连接多达４个ＰＣＩ设备，还可以通过以太网或者电话线进行网络通讯。由于ＭＰＣ８２４５可以运行在３００ＭＨｚ，因此可以满足很多智能交通算法的需求。
智能交通控制器硬件框图如图4所示，ＭＰＣ８２４５扩展了３２Ｍ ＳＤＲＡＭ和４Ｍ ＦＬＡＳＨ存储器，其中，４Ｍ ＦＬＡＳＨ用来存储Ｌｉｎｕｘ内核和应用程序,３２Ｍ的ＳＤＲＡＭ在系统运行的时候存储Ｌｉｎｕｘ的内核和应用程序。违章抓拍控制器通过ＰＣＩ总线接口芯片ＰＬＸ９０３０接入ＭＰＣ８２４５，系统可以兼容各种不同的违章抓拍控制器，通过编写不同的驱动程序来实现。以太网控制器通过以太网接口芯片ＣＳ８９００Ａ接入ＭＰＣ８２４５，可以接入Ｉｎｔｅｒｎｅｔ，加入光线接口就可以实现光纤通讯。通过ＭＰＣ８２４５的ＵＡＲＴ口扩展了一片１６Ｃ５５４，扩展出了四个串口，分别接入液晶控制器、交通灯控制器、交通指示牌控制器和传感器。液晶控制器用来设定或者修改智能路口控制器控制参数，而且还可以通过手动直接控制交通灯。交通灯的控制是直接控制交通灯，接收来自ＭＰＣ８２４５的参数设定，比如路口数、红绿灯时间等，并控制交通灯。交通指示牌是用来提供交通信息的大屏幕，ＭＰＣ８２４５接收来自控制中心的交通信息，并将这些信息送到交通指示牌控制器，显示在大屏幕上，用来疏导交通。检测设备在目前交通控制中的作用越来越重要，各种检测设备不但种类繁多，而且新产品不断涌现
因此ＴＣＳ－０６０２预留了包括串口在内的多种接口方式。
3.4 智能交通路口控制器的软件体系
作者开发的智能交通路口控制软件建立在Ｕｃｌｉｎｕｘ操作系统之上。Ｌｉｎｕｘ内核是一种源码开放的操作系统，采用模块化的设计。在此只保留了必需的功能模块，删除了冗余的的功能模块，并对内核重新编译，从而使系统运行所需的硬件资源显著减少。因此将其应用于智能交通路口控制器的设计，具有代码量小、运行消耗系统资源少、可靠性高等优点，适应了智能交通路口控制器对于操作系统的要求。
智能交通控制器应用软件由四个通讯协议模块和五个算法模块构成。四个通讯模块分别是：违章处理协议、控制中心通讯协议、串口通讯协议和流量数据采集协议。五种控制算法模块分别是：定时控制模块、感应控制模块、多时段控制模块、黄闪控制模块和绿波带控制模块。图３给出了基于Ｕｃｌｉｎｕｘ的智能路口交通控制器的软件工作流程。
下面说明整个系统的工作流程。系统上电后， Ｕｃｌｉｎｕｘ启动，设置ＣＰＵ主频工作方式、ＰＬＬ，进行串口波特率设置、初始化堆栈，将ＦＬＡＳＨ中的数据段ＣＯＰＹ到ＲＡＭ中指定位置上，跳到第一片ＲＡＭ的０位置开始执行。如果是９０３０的中断，系统调用违章抓拍系统的通讯协议，获取违章车牌号；如果是８９００Ａ的中断，系统调用控制中心的通讯协议，获得控制中心的控制信息；如果是串口中断，系统再查询是１６Ｃ５５４的哪个串口的中断，然后调用相应的协议；如果是时钟中断，就给传感器发出控制指令，或者给红绿灯控制器发出控制指令，或者给交通指示牌发出相应的控制信息。不管是什么中断发生，都要调用五种算法中正在运行的算法来重新计算参数。ＴＣＳ－０６０２智能交通路口控制器于２００２年１２月通过国家鉴定，并将在一些城市进行试运行。该系统的创新在于将嵌入式处理器和实时操作系统结合起来应用于智能交通领域，在软、硬件方面都是开放式的结构，软件目前可以支持五种控制算法，并且可以扩充。硬件可以支持ＲＳ２３２、ＲＳ４８５、ＰＣＩ、ＲＪ４５和ＵＳＢ接口设备。实际运行结果表明，ＴＣＳ－０６０２智能交通路口控制器设计合理、运行可靠，完全可以替代国外的同类产品。
ＴＣＳ－０６０２智能交通路口控制器于２００２年１２月通过国家鉴定，并将在一些城市进行试运行。该系统的创新在于将嵌入式处理器和实时操作系统结合起来应用于智能交通领域，在软、硬件方面都是开放式的结构，软件目前可以支持五种控制算法，并且可以扩充。硬件可以支持ＲＳ２３２、ＲＳ４８５、ＰＣＩ、ＲＪ４５和ＵＳＢ接口设备。实际运行结果表明，ＴＣＳ－０６０２智能交通路口控制器设计合理、运行可靠，完全可以替代国外的同类产品。
4 交通信号自适应模糊控制器方案的介绍
人工智能理论用于控制系统的研究是目前备受关注的研究课题之一，其中很多研究将模糊控制用于路口信号的控制，虽然模糊控制器对于用语言信息描述的复杂系统能够起到满意的控制作用，但在具体仿真过程中，模糊逻辑规则的选取，模糊输入变量的选择将对控制器的结果起到重要的作用。改变输入变量和模糊规则，将对仿真结果影响很大，当二者选取不合适时，仿真结果不甚理想，甚至比传统的感应控制器更差。
自适应模糊系统是具有学习算法的模糊逻辑系统，即自适应模糊系统保持了模糊控制器的优势，通过学习，利用实时数据信息对控制器的参数进行调整，能够自动产生新的模糊规则，具有适应控制系统实时变化的能力。在目前已有的研究中，自适应模糊逻辑控制用于城市交通信号控制的研究尚未见文献报道，仅仅依靠有限的模糊规则对路口信号进行配时，不能实时有效地响应实际车流量变化，因而限制了模糊控制器的作用。
本模型将自适应模糊系统用于城市交通信号控制，通过系统性能指标即路口车辆的延迟和停车次数来改变输入变量值，以产生新的控制器的模糊规则，路口信号配时对性能指标的改善非常明显，本模型通过模糊关系矩阵对控制系统进行稳定性的分析，分析表明在车流以大流量随机到达的情况下，自适应模糊信号控制系统能够保持良好的稳定性。
4.2 自适应模糊控制器的设计
在城市交通路口信号控制中，信号周期是一系列基本交通信号组合的循环时间，而信号相位是信号周期中具有通行权的一组车流通过路口的持续通行时间，根据路口几何状况和车流量信息可设置多个信号相位。通过给具有通行权的车流设置绿灯相位，而与其冲突的其他车流设置为红灯相位来进行路口信号控制，实现了路口车流在时间上的优化分配。
本模型通过红绿灯相位的车流和信号信息，设计出交通信号自适应模糊控制器，如图6所示，控制器由绿灯相位增益模块，红灯相位损失模块、绿灯时间延长模块和自适应律学习模块组成
设计绿灯相位增益模块的目的是为了得到绿灯相位释放车辆的增益指数，增益是相对信号路口红灯相位的等候车辆所产生的损失而言，绿灯相位释放车辆是没有延迟和停车而顺畅通过路口的收益。
图6 城市交通路口信号自适应模糊控制器原理
输入输出变量：输入变量为绿灯相位车辆的释放数g-wait(0-30veh/相位)、绿灯相位车辆的增长率g-vate(0-8veh/15s/车辆)，输出变量为绿灯相位增益指数g-index(0-5).
控制原理：绿灯相位车辆的释放数越多，增长率越大；反之，绿灯相位车辆释放数越少。增长率越少，绿灯相位增益越小，模糊规则如表1所示。
表1 绿灯相位增益模块模糊规则表
|
g-index
g-rate |
g-wait |
|
零 |
小 |
较小 |
中 |
较中 |
大 |
较大 |
|
零 |
零 |
零 |
零 |
小 |
小 |
中 |
中 |
|
小 |
零 |
零 |
小 |
小 |
中 |
中 |
大 |
|
中 |
小 |
小 |
中 |
中 |
中 |
大 |
很大 |
|
大 |
小 |
中 |
中 |
中 |
大 |
很大 |
很大 |
|
很大 |
中 |
中 |
中 |
大 |
很大 |
很大 |
很大 |
设计红灯损失模块的目的是为了得到红灯相位等候车辆的损失指数，即由于车辆等候而产生的延迟和停车损耗程度。
输入输出变量：输入变量为（等候车辆数最大的）红灯相位车辆的等待数r-wait(0-30veh/相位)，红灯相位车辆的增长率r-rate(0-8veh/15s/车道)；输出变量为红灯相位指数r-index(0—5).
控制原则：等待数越多，增长率越大，红灯相位指数损失越大；反之等待数越少，增长率越少，红灯相位损失指数越小。
表2 红灯相位损失模块模糊规则表
|
r-index
r-rate |
r-wait |
|
零 |
小 |
较小 |
中 |
大 |
很大 |
|
零 |
零 |
零 |
零 |
小 |
中 |
中 |
|
小 |
零 |
小 |
小 |
中 |
中 |
大 |
|
中 |
小 |
小 |
中 |
中 |
大 |
很大 |
|
大 |
小 |
中 |
中 |
大 |
很大 |
很大 |
|
很大 |
中 |
中 |
大 |
很大 |
很大 |
很大 |
4.2.3 绿灯相位延长时间模块
设计绿灯相位延长时间模块的目的是根据红绿灯相位车辆的增益指数和损失指数，得到当前绿灯相位的延长时间。若延长时间为零则控制器自动进行相位切换，等候车辆损失指数最大的为红灯相位转为绿灯相位。
输入输出变量：输入变量为红灯相位运行时间r-time(0—60s)红灯相位损失指数与绿灯相位增益指数之差rg-index;输出变量为绿灯相位的延长时间g-extend(0—20s).
控制原理：红灯相位运行时间长，指数差越大，绿灯相位的延长时间越小；红灯相位运行时间越短。指数差越小，绿灯相位的延长时间越大。
表3 绿灯相位延长时间模块模糊规则
|
g-extend
r_time |
rg-index |
|
负大 |
负中 |
负小 |
零 |
正大 |
正中 |
正小 |
|
零 |
很大 |
很大 |
大 |
中 |
中 |
中 |
小 |
|
小 |
很大 |
很大 |
大 |
大 |
中 |
中 |
小 |
|
较小 |
很大 |
很大 |
大 |
中 |
中 |
中 |
零 |
|
中 |
很大 |
大 |
中 |
中 |
小 |
零 |
零 |
|
较中 |
大 |
中 |
小 |
小 |
零 |
零 |
零 |
|
大 |
中 |
小 |
小 |
零 |
零 |
零 |
零 |
|
较大 |
零 |
零 |
零 |
零 |
零 |
零 |
零 |
并对绿灯时间延长子控制器的模糊规则进行校正。
校正原则：在损失D较小的情况下。尽量保持绿灯相位的通行；在同等情况下，尽量保持红灯相位车辆延迟最小。
表4 自适应律模块的模糊规则表
|
C
D |
E |
|
负大 |
负小 |
零 |
正小 |
正小 |
|
小 |
负大 |
负大 |
负小 |
正小 |
正大 |
|
较小 |
负大 |
负小 |
正小 |
正大 |
正大 |
|
中 |
负小 |
正小 |
正大 |
正大 |
正大 |
|
大 |
正小 |
正大 |
正大 |
正大 |
正大 |
|
很大 |
正大 |
正大 |
正大 |
正大 |
正大 |
自适应模糊控制器各变量的隶属函数的选取
模糊控制器的隶属函数都取高斯2型，这是因为相对三角形隶属函数而言，高斯2型曲线形状变化较缓，稳定性好，另外，根据交通路口信号配时的实际情况，输出响应对灵敏度要求较低，在仿真实验中采用高斯2型，能得到更好的信号配时。
4.3 稳定性分析
5.1 攀枝花江南二路交通基本情况
江南二路是攀枝花市主干道之一，其交通路线比较特殊，没有十字路只有丁字路而且加上在建市之初没有考虑到城市交通的发展，所以一般都是4车道所以在交通日趋发达的今天已经不能满足通车的要求了，所以常常在上班堵车，为了缓解和协调车流情况，特别在江南二路的机场路、竹湖路、和建环路安装交通灯对车流进行控制，以便更好的调整交通堵塞的状况。
(1) 全部路段分布情况
现场路况和管理设施设置形式
就目前建工、竹湖园、环卫路三路口交通流量情况看：三路口支路方向的交通流量差别很大，机场路刚建好，交通流暂时不大，但随着机场的投入使用，机动车流量会很快增加；建工路比临江路交通量缩减一些；临江路以北道路据介绍说要与滨江大道相接，到时肯定会成为一条交通主干道。从现在的情况看，三个路口分别设置信号灯（单点控制），可能解决目前的交通秩序和堵拥问题，但随着机场路和临江路交通量的增大，新的问题肯定会出现，因为三个路口相距太近。因此，为了适应交通发展的需要，该道路三个路口信号灯的设置，宜采用信号放行联动的方式；信号机箱设在竹湖园路口；
湖园路西口人因行过街地道晚上关闭，而建工路口至竹湖园段又处商业、文化繁华地段，因此，该路口北进口、东进口应设置人行时间，以确保行人安全过街；
湖园路口监视系统，以随时掌握该路口交通及其他社会状况；
卫路口（机场路口）江南二路方向设机动车闯红灯违章自动抓拍系统，以督促驾驶员严守信号灯的规定；
议在建工路口至环卫路口，沿江南二路方向地面设置线圈感应装置，随时监测路段的交通流量，通过信号处理而自动调整路口信号灯放行时间，以减少不必要的红灯等候；
行横道灯灯杆采用立柱或附着；机动车信号灯采用悬臂式灯杆；
动车信号灯采用φ400LED灯，人行横道灯采用φ300LED；
可以看出江南二路的交通情况的复杂。
第一：基本上都是丁字路，没有十字路。
第二：交通路道的通车量基本上都是4车道，通车困难。
由于考虑到交通成本，所以基本上排除了前面两种方案；对于后两种方案我们考虑的问题则是算法的优化，目前最优算法是模糊控制，也是现代交通所发展的方向，其算法相对简单，建模更容易实现，具体的方案在合作者的论文中体现。
1 苏奎，杨冰.世界智能运输发展状况及我国的.国外公路,1998
2 美国自动化公路即将开通.参考消息,1997
3 陈俊,宫鹏.实用地理信息系统.天津:科学出版社,1998
4 陆化普.解析城市交通.北京:中国水利水电出版社,2001
5 中国智能运输系统体系框架研究总报告.交通部公路科学研究所,2001
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