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关于工程和科技新兴趋势的第二次国际会议 ICETET-09
基于嵌入式系统的智能交通灯控制器的设计
希尔帕S.查万（Walke）1，R. S. Deshpande3博士，J. G. Rana2
- 学者，机械工程师（电子系）
- 教授兼系主任，电子工程系
贾瓦哈拉尔·尼赫鲁工程学院，奥兰加巴德，马哈拉施特拉邦，印度
- 院长，教授，电子工程系，工学和管理G H Raisoni教育基金会学院
查斯，阿迈德那格尔，印度
{电子邮件地址：E-mail id :shilpa.walke@rediffmail.com, raj.deshpande@yahoo.co.in, jaideeprana2003@yahoo.co.i}
摘要：目前的交通灯控制器基于单片机和微处理器，这些交通灯控制器因为使用了预定义的计算硬件收到限制，这些根据程序制定的功能没有在实时基础上修改的灵活性。由于绿色、黄色、和红色信号的时间间隔是固定的，因此等待的时间会更长，汽车需要的燃料更多。为了让交通灯控制更有效率，我们开发了称作“智能交通控制器”新兴的技术。这使得传感网络与嵌入式技术一同使用，每个路口红绿灯的时间长短将智能地取决于所有相邻道路的总的交通情况。因此优化交通信号灯开关可以增加道路容量和交通流量。GSM手机界面还被用来提供给那些希望获得关于拥挤道路的最新交通位置的用户，对汽车司机来说在通堵塞的情况下走另外一条路是非常有用的，是这个项目一个独特的特征。各种性能评估的标准是平均等待时间、汽车走的平均距离、在一个交叉路口的绿灯开关频率和使用GSM手机短讯服务的高效紧急模式操作和令人满意的操作。智能交通的控制器的性能是和固定模式交通灯控制器相比较的。可以发现所推荐的智能交通灯控制器比传统的控制器在减少等待时间方面更有效率，汽车行驶的平均距离更多和在紧急模式和GSM界面有效的操作。因此，该设计系统有着简单的结构，快速的相应时间和用户友好性以及可以进一步扩展的视野。
关键字：智能交通灯控制器、嵌入式系统、绩效评估、基于单片机的系统
一、介绍
快速的交通系统和快速的运输系统是任何一个国家经济发展的神经，所有发达国家都有一个发达的交通系统在公路、铁路和天空中有着有效的交通控制。商品、工业产品、人力和机械的运输是影响任何一个国家工业发展的关键因素。管理不善和交通拥堵会导致长时间的等待、资源和财力的损失。因此，拥有一个快速的、经济的、有效的交通控制系统对国家的发展来说是极度必要的。
城市交通监视和控制逐渐成为许多国家的面对的一个主要问题。随着道路上车辆数目逐渐增加，交通监管机构必须找到克服这个问题的新的方法[1-4]。采取的措施就是在城市中发展新的道路和建立立交桥，修建几个环路比如内环路、中环路和外环路，引入城市列车例如光快速运输（轻轨）、单轨轨道，在高峰时段限制城市里的大车辆，发展复杂的交通监测和控制系统。越来越多的道路使用者和当前基础设施提供的有限资源导致了不断增加的出行时间[5,6]。
改善当前交通系统的的交通流量和交通安全的一种方法是应用对路边基础设施和车辆的自动化和智能控制方法。交通研究的目标是优化运输人员和物品流动。随着道路使用者数量的持续增加和当前基础设施提供的有限的资源，交通的智能控制在未来将成为一个非常重要的问题。
典型的传统交通灯控制器的问题如下:
- 严重的交通堵塞
随着道路上的车辆逐渐增加，大城市严重的交通拥堵已大幅增加。这通常发生在主要路口，一般是在早上上班时间之前和晚上下班之后。这个问题的主要影响是增加了人们在路上浪费的时间。这个问题的解决方法是通过不同的程序在不同的路口设置不同的时间延迟。交通量大的路口比交通量低的路口有更长的时间延迟。此操作要求正常模式[8]。
- 没有车流，但仍然需要等待
在某些路口，有时候即使没有车流，但人们仍需要等待，因为交通灯仍保在红灯的预设时间段，道路使用者需要等到红灯变成绿灯。如果他们闯了红灯，他们必须支付罚款。这个问题的解决方案是开发一个系统可以检测到每个道路上的交通流并设置相应信号灯的时间。此外，同步的流量信号在相邻路口也是必要的[9]。
- 应急车别困在交通堵塞中
通常，堵车时。应急车辆比如救护车、消防车、警车等会被困住，特别是在交通灯路口，这是因为人们在等待交通灯变成绿色。这是非常关键的问题，因为它可能使紧急情况变得复杂从而牵涉生活。
- 缺乏给用户的交通信息
现在的交通系统无法提供包括拥堵道路和在堵车情况下可用的替换路线等交通信息。
在提出的的智能交通灯控制器中，现有控制器所有的这些限制都被消除了。智能交通灯控制器被提议的项目使用了嵌入式系统（单片机89C51），而且还有着有效控制、手机的GSM界面和快速的响应时间等优势。固定时间交通灯存在的问题在该项目中被完全消除了。
这个项目的主要目标是设计一个程序和实现智能交通灯系统的硬件以适用于现实生活的安装启用。这个项目也旨在设计一个安全高效的交通流，来分配正确的路线和减少路上的延迟或等待时间。通过增加繁忙道路上绿灯时间和减少非繁忙道路上红灯的时间来减少交通堵塞。汽车司机可以通过查询她的GSM手机得到关于道路堵塞和可供替换的路线信息。红外线发光二极管（IR-LED）发射器和接收器用来测量交通流量。简而言之，这个项目是一个实时的、可用GSM的和智能的交通灯控制器。
本文的组织结构如下：第二节简要研究过去的交通控制器设计的文献。所推荐的ITLC模型在第三节中给出设计、硬件和软件的细节在本节中解释。第四节中处理该系统和传统固定时间交通灯控制器的性能评估。本节中讨论各种性能的测量。最后在第五节中结束了论文，提出了结论、商业化的项目和该系统的前景。
- 文献调查
路上交通管理已经成为一个严重的问题，需要一个有效的交通管理技术来减少等待和出行时间，节约能源和金钱。为了缓解这个问题，大量的方法和途径已经在文献中提出[10]。它包括基于学习现模糊和神经网络学习方法的规则。在本节中提出了文献中建议的对交通控制问题的各种解决方案以及它们的优缺点。
使用专门系统的交通灯控制器使用一组给定的规则来决定下一步行动。在交通控制中，这样一个工作可以改变一些控制参数。Finder和Stapp 描述一个通过交通光学专门系统连接的道路网络[11]。对于每一个交通灯控制器，一整套规则可以通过分析每个规则激发的频率和已经成功的来优化。系统甚至可以学习新的规则。作者表明，他们的系统可以改善性能，但是他们必须做一些简化假设来避免过多的计算。Tavladakis和Voulgaris使用了一个简单的预测来描述交通灯控制器[12]。在当前周期中做的测量被用来为下一个周期测试几种可能的设置，能使车辆排队时间最短的设置将被执行。系统似乎是高度自适应的。因为它只使用一个周期的数据，不能处理好交通流强烈波动。在这种情况下，系统适应过快将导致性能变差。Liu 介绍了一种克服波动问题的方法（1,13）。在一个交叉路口两侧的交通检测器和车辆识别是用来测量一个路口的车辆延时。这是使用过滤功能消除随机波动来预估计平均延迟时间。控制系统不仅试图使总延迟最小化，而且还试图使与平均延迟的总偏离最小化。因为让车辆等待很长时间不再是有利的，即使让它通过了也会增加总的等待时间，这里介绍的是一种公平。
Tan描述了对一个单路口的模糊逻辑控制器应该模仿人类智慧（14）。各种状态的顺序是预先确定的，但是如果在某一个方向没有交通流量控制器可以跳过一个状态。到达和等待车辆的数量被量化成模糊变量，比如多量、中量、少量。在实验中，模糊逻辑控制器显示的比固定控制器和车辆驱动控制器更灵活，让交通流动更加顺畅，减少等待时间。控制器的一个缺点是依赖为模糊变量预先设置的量化值。如果总的交通量变化可能导致系统失败。此外，这个系统只是测试了一个单向路口。Lee等人研究了在控制多个路口时的模糊逻辑使用（15）。Chol等人也使用模糊逻辑控制器应用在应对交通拥挤时。与固定的模糊逻辑交通灯控制器比较显示，这种加强可能导致在非常拥挤的情况下有更大的交通流。
然而，在大多数复杂的情况是有数量很多的通道，也许不仅只有一个而是多个交叉路口还有掺有铁路。使用包含层次结构的模糊方法和应用插值来降低复杂性是有意义的（17）。
Taale等人比较使用进化算法进化策略为在荷兰的一个使用常见交通灯控制器的一个模拟十字路口进化交通灯控制器（遥控武器战C-controller）。他们发现两个系统类似的结果。不幸的是他们没有在多个耦合的十字路口尝试他们的系统。由于动态交通网络节点是更复杂的，为他们学习或创建控制器可以显示额外的有趣的行为和研究问题(18)。
Thorpe使用交通光学价值函数第一个研究了对交通灯控制的强化学习，我们使用的是基于汽车的一种方法。Thorpe使用基于价值函数的红绿灯神经网络预测所有汽车在路口的等待时间。这意味着，Thorpe的交通灯控制器必须处理大量的状态，在那种情况下学习时间和方差可能相当大。此外，Thorpe使用其他形式的RL,SARSA有效跟踪，而我们使用基于模型的RL。
Roozemond描述了一个对交通灯控制的智能代理架构（20）。智能交通信号代理（ITSAs）和道路段代理（RSAs）视图去执行自己的任务并达到局部最优。一个或多个权威代理为了总体性能可以与ITSAs和RSAs组进行联系。所有代理的行动取决于信念、欲望和能力，没有现有的结论。
从上面的讨论可以很明显地看出，设计一个同时满足所有标准的交通灯控制器是一项复杂的任务。不过考虑上面每一个列出的一般限制，每个方案都有一定的优缺点（19、20），所以仍然有空间去设计一个在大多数方面都有改进的性能、在各种交通情况都有最佳工作状态的更好的交通灯控制器。研究工作做了这样一个事情，它尝试提出一种新的基于以结合GSM方法为基础的驱动汽车的交通控制方案。
上面提到的所有方案有一个共同的缺陷就是它们适用于道路的主要路口。他们认为在特定交叉路口的堵塞状况可以在那条特定的道路上缓解问题。作为一个整体，在每一个单独的十字路口提供交通管制员是不能解决城市的交通问题的。一个综合的方法能在所有相关联的路口合并适当的同步信号对计算信号的时间来说是至关重要的。为此在每个路口之间必须建立恰当的通信并且必须有适当的消息发送给汽车的司机们。例如考虑一下，一条路上发生了交通堵塞，而据此10公里的地方有个人正朝着这条路的方向开车。一个智能系统必须通知这个人发生的事情并且也应该告诉他备选的路线以免浪费时间。在这个项目中，我们正在实现通知汽车司机关于堵车的情况和快速运输的替换路线。道路上的情况可以通过司机的个人GSM手机设置传达给他们，这将帮助他们选择合适的路线使延迟时间最少。
- 提出的模型
图1显示了智能交通灯控制器的操作。在这幅图中字母A到F表示连接。在道路上安装红外传感器来检测车辆。在每一条道路上安装传感器来检测车辆的有无。这个系统作为ITLC单元的一个输入。这个输入信号表示每条道路上车辆的长度。ITLC单元通过考虑每条道路上车辆的长度生成对红、绿、橙信号的输出信号并监控它们的时间。手机用户请求拥塞状态时相同的信息会发送给他们。如果在路口的一个汽车司机通过GSM手机给ITLC单元发送短信，这个司机将会受到关于道路拥堵状况的消息。这种情况下，它将会告知交叉点A是拥堵的和这个时候最好的选择路线是经过路口E的路线1.除了上面的以外，在紧急模式下，出现像救护车、消防车和警车等车辆，将改变信号让这些车辆快速和便利地行使。考虑图1，如果一辆紧急车辆正在通过路线A-B-C-F,穿越这条路线的道路上的信号将立即用红灯来是这些路线上的车辆停止。这是一个非常重要的功能，它在紧急情况下是非常有用的。
嵌入式系统有简易、用户友好、轻松可编程和GSM手机界面设备等有点，ITLC 的基本操作可以通过它来实现。在我们的模型中，使用Microcontroller89c51AT来实现基本的操作。选择这个单片机的主要原因是易于编程、有足够数量的输入输出线、大小可控的RAM和ROM以及简单的结构。框图模型如图2所示。系统的模型是AT89c51单片机。额外的端口和多路复用器用来为外部信号通信。另外的RAM和ROM用于存储系统程序和应用程序。框图包括微控制器、输入装换矩阵、串行通信接口、GSM接口、实时时钟1307、时钟电路、继电器驱动ULN2003、LED接口电路。
来自传感器集的信号将被应用到输入开关电路。这些来自传感器的信号将以对应于车辆有无的数字信号的形式存在。这些来自每个车道的数字信号将被传送到单片机的输入端口，在这里单片机将确定每个车道的车辆长度。这些信息是单片机的输入来确定各种定时信号。为了保持等待时间最少，通过计算机来计算四个路口的开关时间。这些信号将被应用到两个包括ULN2003的继电器驱动程序。这些继电器驱动程序是档位转换器和电流放大器。继电器驱动程序的输出应用在每个路口的红、绿、橙信号LED显示。集成电路24C61用于I2C接口。伴随着每个信号将提供一个液晶显示器。液晶显示器只有在它将显示信号灯变为绿色剩下的时间使显示，它显示了一辆车在一个特定的路口需要等待的时间。在实际中使用好的定制LED将在更远的距离处也是可见的。
单片机使用汇编语言编程。用单独的例程分别编写输入部分、继电器驱动程序、液晶显示、GSM接口。所有例程都和系统的主要逻辑综合在一起，用来确定每个路口的时间间隔。
- 绩效评估
使用的绩效评估的标准是车辆的平均等待时间、车辆行驶的距离、在紧急模式下的操作、恰当的剩余时间显示、信号切换频率、GSM手机接收短信的满意工作等。和传统的固定时间交通灯控制器一起做性能评估。下面将提到这些。
-
车辆的平均等待时间lt;
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