基于Multisim的交通信號燈混雜控制方法仿真

楊 楠，段沛博，肖 軍

(東北大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院實(shí)驗(yàn)中心，遼寧 沈陽 110819)

1 引言

隨著工業(yè)和相關(guān)技術(shù)的發(fā)展汽車制造成本不斷降低，汽車價(jià)格也不斷下降，越來越多的家庭都擁有了汽車。汽車數(shù)量的增加，不僅加重了交通擁堵問題，汽車排放的尾氣也對空氣產(chǎn)生了嚴(yán)重的影響，會降低城市交通的運(yùn)行效率[1]。僅依靠道路擴(kuò)建和城市改造無法有效地解決城市交通擁堵問題，可通過交通信號燈控制方法改善并緩解城市交通擁堵現(xiàn)象[2]。通過協(xié)調(diào)控制可以對城市的交通網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)而改善城市道路擁堵狀態(tài)。在此背景下，對交通信號燈混雜控制方法進(jìn)行分析和研究具有重要意義。

李興華[3]等人對曼哈頓式網(wǎng)絡(luò)的影響因素進(jìn)行分析，根據(jù)分析結(jié)果獲取最優(yōu)比例因子，利用最優(yōu)比例因子建立NS-BML模型，實(shí)現(xiàn)交通信號燈的控制，該方法無法獲取在某時(shí)間段內(nèi)車輛通過交通路口的流量，導(dǎo)致車輛在交通路口的延誤時(shí)間較長。賴建輝[4]將交通信號控制機(jī)構(gòu)和深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，構(gòu)建智能體，通過DTSE方法用二維矩陣代替交通狀態(tài)，二維矩陣由車輛速度和車輛位置信息構(gòu)成，采用深度學(xué)習(xí)方法獲取交通狀態(tài)，并以此為依據(jù)對交通信號燈進(jìn)行控制，該方法沒有構(gòu)建城市交通網(wǎng)絡(luò)模型，無法獲取交通路口的實(shí)際情況，導(dǎo)致車輛在交通路口的停車次數(shù)較高。

為了解決上述方法中存在的問題，提出誘導(dǎo)條件下基于Multisim的交通信號燈混雜控制方法。

2 城市交通網(wǎng)絡(luò)模型

在誘導(dǎo)條件下，構(gòu)建城市交通網(wǎng)絡(luò)模型[5]，通過該模型了解交通路口的實(shí)際車流量情況，為交通信號燈的混雜控制提供相關(guān)依據(jù)。

為了在誘導(dǎo)條件下實(shí)現(xiàn)交通信號燈的混雜控制，將道路n中的飽和車流量Sn，交叉口的損耗時(shí)間T1、循環(huán)次數(shù)Nj和轉(zhuǎn)彎車流量率vn，n+1都設(shè)置為常數(shù)。

通過下式描述信號燈在周期T中的約束

(1)

式中，N代表的是通行需求度。

采用下式約束綠燈在交叉口的時(shí)間

(2)

設(shè)qn代表車輛在通行道中的流量，可通過下式計(jì)算得到

(3)

式中，pn(k)描述的是車輛從道路n中流出的數(shù)量。

設(shè)置擾動矢量en(k)，用ΔT表示周期間隔，此時(shí)可通過下式描述車流在路段中的狀態(tài)方程

(4)

式中，S(k)描述的是車輛在連續(xù)路段中允許通過的最大數(shù)量；u(k)描述的是交通信號周期內(nèi)綠燈閃爍的時(shí)間。

為了適用于所有路段，需要對上式進(jìn)行普遍化處理，獲得最終車流狀態(tài)方程

x(k+1)=Ax(k)+Bu(k)+e(k)

(5)

式中，B，A分別描述的是控制輸入矩陣和狀態(tài)矩陣；x(k)描述的是車流狀態(tài)矢量。

3 交通信號燈混雜控制

3.1 交通狀態(tài)預(yù)測

將激光傳感節(jié)點(diǎn)安裝在車道停車線中，獲取車輛進(jìn)入車道的信息，在交通路口中對不同車道中的車輛進(jìn)行編號，構(gòu)成集合W={1，2，…，n}，在交通路口中車道對應(yīng)的編號可用集合V={1，2，…，m}描述，設(shè)hij(t)代表的是t時(shí)刻車輛交通路口j車道、i相位中的車輛排隊(duì)長度；gij(t)代表的是車輛在交通路口延誤的時(shí)間；cij(t)代表的是車輛在交通路口滯留的平均時(shí)間。

將交通路口的路況信息作為模糊集的輸入變量，用H表示平均滯留時(shí)間對應(yīng)的模糊集；用C表示車輛長度對應(yīng)的模糊集，根據(jù)控制規(guī)律獲得模糊集H、C之間存在的模糊關(guān)系η：H∧C→N[6]。

根據(jù)模糊關(guān)系η，利用車輛在交通路口滯留的平均時(shí)間cij(t)和車輛在交通路口的排隊(duì)長度hij(t)對交通路口中車輛的實(shí)際需求度nij(t)進(jìn)行計(jì)算。

交通路口中車輛排隊(duì)的等候長度可用語言變量h進(jìn)行描述；交通路口中車輛的滯留時(shí)間用語言變量c表示；在交通路口中車輛對應(yīng)的實(shí)際需求度可用語言變量n′描述，其對應(yīng)的模糊集合分別如下

(6)

此時(shí)模糊關(guān)系可以表示為ηij=ηij(Hi∧Cj→Nij)=(Hi，Cj，Nij)。

用h′表示t0時(shí)刻車輛在交通路口的排隊(duì)長度；用c′表示t0時(shí)刻車輛在交通路口的滯留時(shí)間，在誘導(dǎo)條件下，通過模糊原理計(jì)算車輛在交通路口t0時(shí)刻的實(shí)際通行需求度N′=h’c′η。

此時(shí)誘導(dǎo)條件下的模糊規(guī)則如下

(7)

在singleton的基礎(chǔ)上模糊化處理傳感數(shù)據(jù)[7，8]

(8)

式中，ξij描述的是交通路況信息與模糊規(guī)則之間的匹配程度，即傳感數(shù)據(jù)對應(yīng)的匹配度。

設(shè)置精確輸入量，h0、c0分別代表的是車輛在交通路口的排隊(duì)長度和滯留時(shí)間，此時(shí)傳感數(shù)據(jù)在t0時(shí)刻的匹配度為ξij=Hi(h0)∧Cj(c0)。

用Li描述待通過車輛在交通路口的車頭間距；用li描述通行車輛在交通路口的車長；用di描述激光控制節(jié)點(diǎn)與停車線之間存在的距離，此時(shí)可計(jì)算車道中的最大車隊(duì)長度hmax=di/(Li+li)。

設(shè)置交通路口的時(shí)間步長為1s，在t1時(shí)刻，等待通過交通路口的車輛長度為hij(t1)，其計(jì)算公式如下：

(9)

(10)

假設(shè)車輛在1s內(nèi)均勻地到達(dá)交通路口，此時(shí)存在ck’ij(t1)=kij(t1)/2。

根據(jù)上述過程，獲得車輛在交通路口t1時(shí)刻的總延誤時(shí)長eij

(11)

3.2 信號燈控制

誘導(dǎo)條件下基于Multisim的交通信號燈混雜控制方法，利用Multisim軟件根據(jù)上述獲取的交通狀態(tài)設(shè)計(jì)控制器，對交通信號燈進(jìn)行混雜控制。

3.2.1 秒脈沖發(fā)生器設(shè)計(jì)

通過定時(shí)器電路根據(jù)周期T≈0.7(R1+2R2)C設(shè)計(jì)秒信號輸出脈沖發(fā)生器，具體電路如圖1所示。

圖1 秒脈沖信號發(fā)生器

不發(fā)生變化的電阻R2可通過5k線性電位器rw和47k線性電阻串聯(lián)代替。在輸入控制電路中電阻R2的主要作用是對輸出電位器中存在的線性電位器rw進(jìn)行調(diào)試，縮短輸出控制脈沖在電路中的工作周期。

3.2.2 狀態(tài)控制器設(shè)計(jì)

對狀態(tài)控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)不同工作狀態(tài)的切換，信號燈在交通路口中的狀態(tài)及其對應(yīng)的編碼如下：

1)用s0表示信號燈中支紅燈和主綠燈的閃爍亮；

2)用s1表示信號燈中支紅燈的閃爍，主紅燈亮；

3)用s2表示信號燈中支綠燈亮、主紅燈閃爍亮；

4)用s3表示信號燈中支黃燈亮、主紅燈亮以及主紅燈閃爍。

3.2.3 三色燈連接設(shè)計(jì)

控制器的輸出狀態(tài)決定了信號燈的狀態(tài)，計(jì)算各電子信號燈在交叉路口中的邏輯真值函數(shù)

(12)

(13)

(14)

式中，R、Y、G分別代表的是主干信號燈中的紅燈、黃燈和綠燈；r、y、g分別代表的是支干道信號燈中的紅燈、黃燈和綠燈；Q1、Q2均代表的是狀態(tài)控制輸出。

控制器的燈光二極管顯示電路如圖2所示。

圖2 燈管二極管顯示電路

3.2.4 倒計(jì)時(shí)部分設(shè)計(jì)

對交通信號燈控制器中的定時(shí)器進(jìn)行設(shè)計(jì)：

1)將5s、20s、30s時(shí)間設(shè)置在定時(shí)器中，將其作為控制器的定時(shí)要求[9]；

2)通過兩片CD4029組建減法計(jì)數(shù)器；

3)減法計(jì)數(shù)器通過兩只發(fā)光二極管和兩片74LS00實(shí)現(xiàn)時(shí)間譯碼顯示[10]；

4)通過74LS245對時(shí)間常數(shù)進(jìn)行設(shè)定，并將3、25、30三個數(shù)字設(shè)置在減法計(jì)數(shù)器中。

4 實(shí)驗(yàn)與分析

為了驗(yàn)證誘導(dǎo)條件下基于Multisim的交通信號燈混雜控制方法的整體有效性，需要對其進(jìn)行相關(guān)測試。

測試過程中的車輛到達(dá)率如表1所示。

表1 車輛到達(dá)率

對交通路口的車流量進(jìn)行預(yù)測，可以提高交通信號燈的控制效果，采用誘導(dǎo)條件下基于Multisim的交通信號燈混雜控制方法對不同時(shí)間下交通路口的車流量進(jìn)行預(yù)測，并將預(yù)測結(jié)果與實(shí)際結(jié)果進(jìn)行對比，測試結(jié)果如圖3所示。

圖3 交通流量預(yù)測結(jié)果

對圖3進(jìn)行分析可知，采用誘導(dǎo)條件下基于Multisim的交通信號燈混雜控制方法預(yù)測得到的車流量與實(shí)際交通路口的車輛流量基本相符，表明所提方法在信號控制過程中可準(zhǔn)確地完成車流量的預(yù)測，為后續(xù)交通信號燈的控制提供相關(guān)依據(jù)。

分別采用誘導(dǎo)條件下基于Multisim的交通信號燈混雜控制方法、文獻(xiàn)[3]方法和文獻(xiàn)[4]方法對信號燈進(jìn)行控制，對比不同方法的車輛延誤時(shí)間，車輛在交通路口的延誤時(shí)間越短，表明方法對交通信號燈控制的效果越好，不同方法的控制結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同方法的延誤時(shí)間

根據(jù)圖4中的數(shù)據(jù)可知，采用所提方法對交通信號燈進(jìn)行控制時(shí)，車輛在交通路口的延誤時(shí)間均控制在5s以內(nèi)，采用文獻(xiàn)[3]方法對交通信號燈進(jìn)行控制時(shí)，車輛在交通路口的延誤時(shí)間在15s上下波動，采用文獻(xiàn)[4]方法對交通信號燈進(jìn)行控制時(shí)，車輛在交通路口的延誤時(shí)間在10s上下波動。通過對比所提方法、文獻(xiàn)[3]方法和文獻(xiàn)[4]方法的測試結(jié)果可知，所提方法對交通信號燈進(jìn)行控制時(shí)，交通路口的車輛延誤時(shí)間最短，驗(yàn)證了所提方法的控制性能，因?yàn)樗岱椒▽煌ㄐ盘枱艨刂浦埃瑯?gòu)建了城市交通網(wǎng)絡(luò)模型，根據(jù)城市交通網(wǎng)絡(luò)模型，對車輛在交通路口的狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測，根據(jù)預(yù)測結(jié)果對交通信號燈進(jìn)行控制，降低了車輛的延誤時(shí)間。

將停車次數(shù)作為指標(biāo)，對所提方法、文獻(xiàn)[3]方法和文獻(xiàn)[4]方法進(jìn)行測試，車輛在交通路口的停車次數(shù)越少，交通路口的通行效果越好，表明方法的控制效果好，不同方法的停車次數(shù)如圖5所示。

圖5 車輛在不同時(shí)間段內(nèi)的停車次數(shù)

分析圖5可知，采用所提方法對交通信號燈進(jìn)行控制時(shí)，車輛1小時(shí)內(nèi)在交通路口的平均停車次數(shù)均在4次以內(nèi)，采用文獻(xiàn)[3]方法對交通信號燈進(jìn)行控制時(shí)，在50min時(shí)刻下車輛在交通路口的停車次數(shù)高達(dá)10次，采用文獻(xiàn)[4]方法對交通信號燈進(jìn)行控制時(shí)，在30min時(shí)刻下車輛在交通路口的停車次數(shù)高達(dá)8次，對比所提方法、文獻(xiàn)[3]方法和文獻(xiàn)[4]方法的測試結(jié)果進(jìn)行分析可知，采用所提方法進(jìn)行信號燈控制時(shí)，車輛在交通路口的平均次數(shù)較低，因?yàn)樗岱椒ǜ鶕?jù)交叉路口的實(shí)際車流量，通過Multisim軟件設(shè)計(jì)交通信號燈控制器，利用控制器實(shí)現(xiàn)交通信號燈的控制，減少車輛在交叉路口停車的次數(shù)，提高了所提方法的整體有效性。

5 結(jié)束語

城市交通擁塞問題在城市化進(jìn)程不斷加快的背景下越來越嚴(yán)重，國內(nèi)外專家和學(xué)者對交通控制技術(shù)進(jìn)行研究時(shí)，發(fā)現(xiàn)對城市道路進(jìn)行操作和控制的難度較高，城市交通狀況在交通量不斷增加的情況下難以得到改善。在交通系統(tǒng)中交通信號燈屬于重要構(gòu)成部分，對其進(jìn)行有效控制，可以緩解并改善交通擁塞問題。

目前交通信號燈控制方法的有效性較差，無法降低車輛在交通路口的等待時(shí)間和停車次數(shù)，提出誘導(dǎo)條件下基于Multisim的交通信號燈混雜控制方法，在城市交通網(wǎng)絡(luò)模型的基礎(chǔ)上采用Multisim軟件設(shè)計(jì)控制器，實(shí)現(xiàn)交通信號燈的控制，降低了車輛在交通路口的等待時(shí)間和停車次數(shù)，解決了傳統(tǒng)方法的不足，并加以改善，緩解了城市交通擁塞問題。