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★中國海洋大學(xué)劉昌灝

摘要：隨著城市車輛的逐漸增多，交通擁堵問題日趨突出。而在大多數(shù)情況下，由于交通信號燈時間難以及時隨路況進(jìn)行調(diào)整，加之不同路段的車流量不均勻，必將加劇城市道路擁堵的現(xiàn)象。為此，本文設(shè)計(jì)了一種城市智能交通系統(tǒng)。一方面，通過電感式傳感器，實(shí)時監(jiān)測車流量，利用STM32單片機(jī)獲取并整合相關(guān)數(shù)據(jù)，再根據(jù)自適應(yīng)算法，動態(tài)調(diào)整信號燈時間的長短；另一方面，基于蟻群算法，通過對城市各個路口各個方向車流量等信息的采集，轉(zhuǎn)換，比較與分析，結(jié)合某一車輛當(dāng)前的規(guī)劃路徑，向車輛發(fā)送路徑推薦方案。

關(guān)鍵詞：智能交通；STM32；電感式傳感器；8255A；自適應(yīng)算法；蟻群算法

1 引言

我國政府十分重視和支持智能交通技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，為加快高新技術(shù)在傳統(tǒng)行業(yè)的應(yīng)用，科技部自1996年開始組織了一系列智能交通技術(shù)國際交流和合作，支持和推進(jìn)國內(nèi)智能交通技術(shù)的研究和開發(fā)^[1]。在我國多部門的協(xié)同努力下，智能交通技術(shù)取得了較為顯著的發(fā)展。但在絕大多數(shù)的情況下，城市的交通信號燈不能及時地跟隨著車流量的變化而進(jìn)行時間長度上的調(diào)整；同時，交通信號燈系統(tǒng)和車輛之間缺乏較為緊密的實(shí)時信息交互，僅僅依靠當(dāng)前普遍采用的人力疏導(dǎo)進(jìn)行指揮，難以較好地緩解交通壓力。

為了較好地解決人們在現(xiàn)代化社會中遇到的交通問題，結(jié)合現(xiàn)形勢下我國交通領(lǐng)域面臨的難題，本文基于STM32單片機(jī)系統(tǒng)及幾種交通控制領(lǐng)域的智能算法，外加其他諸多模塊，設(shè)計(jì)一種城市智能交通系統(tǒng)。

2 城市智能交通系統(tǒng)的總體構(gòu)思

在每個交通路口安裝一個STM32F103模塊，一方面，單片機(jī)通過收集、整理、分析、轉(zhuǎn)換各路傳感器采集得到的數(shù)據(jù)，及時調(diào)整路口不同方向綠燈的時間長度；另外一方面，借助該款單片機(jī)的定時器，GPIO及USART/UART等外部設(shè)備，可以向?qū)?yīng)的計(jì)算機(jī)定時更新發(fā)送該路口各個方向的車流量信息，各個計(jì)算機(jī)將數(shù)據(jù)整理匯總到主計(jì)算機(jī)當(dāng)中，在車輛連接網(wǎng)絡(luò)的情況下，將主計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)同步到車輛上，結(jié)合該車輛的目的地等信息，可以向車輛提供新的行駛方案，從而既可以讓車輛躲避擁堵路段，又可以讓城市各個路段車流量趨于平均。

對于采集車流量大小，采用LDC1000電感式傳感器。在距離交通路口的停止線一定區(qū)域內(nèi)安裝該模塊，每個模塊將采集的信號傳輸給對應(yīng)的單片機(jī)，單片機(jī)處理分析后動態(tài)調(diào)整信號燈時長并繼續(xù)向計(jì)算機(jī)傳送相關(guān)信息。

信號燈顯示及其驅(qū)動模塊，采用可編程并行接口芯片8255A驅(qū)動LED紅、黃、綠三種顏色的燈的亮滅，以及控制7段共陰極數(shù)碼管，在紅黃綠燈時長不足10秒時倒計(jì)時顯示時間。

根據(jù)上述設(shè)計(jì)思路，系統(tǒng)的總體架構(gòu)如下圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

3 系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)

3.1 單片機(jī)的選擇型號及其介紹

本系統(tǒng)采用STM32F103系列單片機(jī)系統(tǒng)，它是基于ARM架構(gòu)的32位Cortex-M3CPU，其最高工作頻率為72MHz，同時，還支持單周期乘法和硬件除法。除此之外，其上還包括兩個通用DMA，64KB大小的內(nèi)部SRAM，512KB大小的內(nèi)部Flash，F(xiàn)SMC模塊以及總線矩陣。STM32F103系列單片機(jī)上包含多種外設(shè)，如多達(dá)11個定時器，UART及USART，SPI，ADC及DAC模塊，以及多路通用I/O接口。

基于此，此類單片機(jī)系統(tǒng)適用于快速、大量處理和分析各種信號和數(shù)據(jù)的場合，同時，此類單片機(jī)還具有低功耗、高性能等特點(diǎn)。結(jié)合軟件進(jìn)行編程，可以實(shí)現(xiàn)控制及人機(jī)交互等功能。鑒于本系統(tǒng)的功能，采用該類別的單片機(jī)進(jìn)行控制。

3.2 LDC1000電感傳感器檢測部分

LDC1000是一種基于電磁感應(yīng)原理的電感傳感器，根據(jù)麥克斯韋的理論，當(dāng)該傳感器上通入一個交變電流加在繞制的金屬線圈上的時候,在周圍必將產(chǎn)生交變電磁場,如果在線圈周圍存在金屬物體的時候,金屬物體表面將產(chǎn)生渦流，這個渦流產(chǎn)生的感應(yīng)電磁場同金屬線圈產(chǎn)生的電磁場的方向相反，渦流的大小與金屬的距離、大小、成分密切相關(guān)，當(dāng)傳感器位于金屬材質(zhì)的附近時,便會使傳感器的值發(fā)生變化^[2]。根據(jù)這種變化，便可以間接檢測附近金屬存在的相關(guān)情況。

當(dāng)車輛通過時，由于電磁感應(yīng)，會產(chǎn)生感應(yīng)電流。車輛越多，這個感應(yīng)電流就會越大，感應(yīng)電流的大小可以間接反映路段車速的快慢及路面車輛的空間占有率情況。根據(jù)傳回給單片機(jī)的電流大小，通過軟件編程算法計(jì)算分析車流量大小。

3.3 可編程并行接口芯片8255A驅(qū)動部分

Intel8255A是一款通用可編程的并行輸入/輸出接口芯片，由數(shù)據(jù)總線緩沖器，數(shù)據(jù)端口A、B、C，A和B兩組控制電路以及讀寫控制邏輯電路組成。Intel8255A可作為連接CPU數(shù)據(jù)總線和外部設(shè)備之間的橋梁,使用較為方便。通過軟件編寫程序，可以實(shí)現(xiàn)用戶需要的功能，通用性較強(qiáng)。Intel8255A接口芯片有3路并行輸入/輸出端口，對應(yīng)的引腳均為三態(tài)數(shù)據(jù)引腳，可通過編程方法設(shè)置3個端口的輸入/輸出狀態(tài)。Intel8255A芯片的C端口，既可以作為數(shù)據(jù)端口也可以作為控制端口，方便實(shí)現(xiàn)對于位的控制。Intel8255A芯片的工作方式分別為基本輸入/輸出、選通輸入/輸出和雙向輸入/輸出方式，在與CPU的數(shù)據(jù)總線傳送數(shù)據(jù)時可以選擇無條件傳送方式、查詢傳送方式和中斷傳送方式的任意一種^[3]。

一般情況下，交通路口在4個行車方向上均需要信號燈顯示及倒計(jì)時顯示，因此，在每個路口的各個方向上安裝一片8255A芯片，4塊芯片由安裝在本路口的STM32單片機(jī)驅(qū)動。

3.4 硬件在單一路口安裝位置模擬圖

由于信號燈的時序，相序設(shè)計(jì)需要依據(jù)城市不同地點(diǎn)的交通情況進(jìn)行變動，在此，我們只考慮一種比較常見的情況，在這種情況下，右轉(zhuǎn)車輛右轉(zhuǎn)彎可以不受交通紅燈限制，故在圖中省略標(biāo)出，只考慮直行和左轉(zhuǎn)的車道，為了方便研究，這里簡化處理，東西南北各只有一個直行車道和一個左轉(zhuǎn)車道。

Intel8255A驅(qū)動模塊和顯示模塊均安裝在交通燈內(nèi)部，STM32F103單片機(jī)及其對應(yīng)計(jì)算機(jī)在后臺安裝，這里省略標(biāo)出。

LDC1000電感傳感器安裝在每個方向的每個車道從停止線開始到其往后的40m處的區(qū)域內(nèi)，通過檢測感應(yīng)電流大小綜合判斷車輛的數(shù)目及速度等參數(shù)。根據(jù)上述描述，具體的模擬圖如圖2所示。

圖2 硬件安裝模擬圖

4 系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法及其軟件設(shè)計(jì)

4.1 系統(tǒng)的動態(tài)配時

系統(tǒng)的動態(tài)配時方面的實(shí)現(xiàn)主要是基于自適應(yīng)算法。自適應(yīng)控制方法通常包括兩類：一是在線生成式，即通過車輛檢測器，實(shí)時采集交通量數(shù)據(jù)，在線求解最佳信號配時方案，然后進(jìn)行信號控制，該方法能夠及時響應(yīng)交通流的隨機(jī)變化，控制效果好，但實(shí)現(xiàn)復(fù)雜；二是方案選擇式系統(tǒng)，根據(jù)不同的交通流，事先求解出各種配時方案，儲存在中心計(jì)算機(jī)內(nèi)，系統(tǒng)運(yùn)行時按實(shí)時采集的交通量數(shù)據(jù)，選取最適用的配時方案，實(shí)施信號控制^[4]。根據(jù)以上分析，結(jié)合LDC1000傳感器模塊，采用第一類控制方法。

圖3一種典型的十字路口交通流分布

一個典型的十字路口交通流分布如圖3所示^[5]。假設(shè)交通信號燈由圖中4個信號相位組成，按照圖中的順序進(jìn)行切換循環(huán)。初始化的信號燈周期長度及各個信號相位的綠燈時間由過往歷史大數(shù)據(jù)分析整合得出。在此基礎(chǔ)上，東西南北4個方向共8處LDC1000模塊檢測到的感應(yīng)電流大小通過算法轉(zhuǎn)換成能夠反映該車道上車流量大小的物理量。

系統(tǒng)每隔一定的時間采集東西南北4個方向共8處LDC1000模塊檢測到的感應(yīng)電流值，并進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，逐級傳輸?shù)街饔?jì)算機(jī)和車載計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中。同時，單片機(jī)比較不同相位對應(yīng)的兩車道車流量大小之和，若最大處對應(yīng)的相位恰為綠燈，則控制驅(qū)動模塊，根據(jù)算法延長當(dāng)前相位的綠燈時長；若最大處對應(yīng)的相位不為綠燈，則根據(jù)算法縮短其他相位的綠燈時長，以期在保證其他相位車輛綠燈通過率的情況下，最快切換到當(dāng)前相位。該部分的流程圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)動態(tài)配時流程圖

4.2 車輛規(guī)劃更新路徑

為車輛規(guī)劃更新路徑的實(shí)現(xiàn)方法，主要是基于蟻群算法。蟻群算法（ant colony optimization，ACO）是通過觀察螞蟻覓食路徑選擇過程而啟發(fā)的路徑優(yōu)化算法^[6]。在車輛行駛過程當(dāng)中，司機(jī)可以根據(jù)個人需要，自主選擇是否開啟路徑重新規(guī)劃。開啟后，根據(jù)4.1中傳輸?shù)玫降臄?shù)據(jù)，當(dāng)車輛位于圖2區(qū)域2位置的時候，車載計(jì)算機(jī)優(yōu)先分析車輛在通過當(dāng)前路口之后可能通過的第二路口的車流量情況，若檢測出其中某一處或幾處車流量超過閾值，則車載計(jì)算機(jī)給出提示，自動避開；否則，則根據(jù)從城市各個路口的圖2位置1處實(shí)時獲得的車流量大小，基于軟件編寫的程序，判斷是否需要切換行駛路徑。該部分的流程圖如圖5所示。

圖5 規(guī)劃更新路徑流程圖

5 結(jié)語

本文構(gòu)思并給出了一種城市智能交通系統(tǒng)，既實(shí)現(xiàn)了對車流量的實(shí)時監(jiān)測以及信號燈時長的動態(tài)調(diào)整，又為每一車輛動態(tài)規(guī)劃一條合適的線路，從而避開擁堵路段，還能讓城市各路段的車流量趨于平均。

由于本設(shè)計(jì)方案僅僅是基于一種較為常見的交通路口形式而構(gòu)建的模型，不具有普遍意義。從另外一個角度來講，路徑重新規(guī)劃及調(diào)整信號燈時長與否還需要通過設(shè)定一定的閾值，通過判斷相關(guān)內(nèi)容的差異是否達(dá)到閾值，再決定是否需要進(jìn)行更改。此外，本文的傳感器選擇仍然需要進(jìn)一步的檢驗(yàn)，方能應(yīng)用到系統(tǒng)之中。

由于本系統(tǒng)給出的設(shè)計(jì)是將城市道路交通網(wǎng)絡(luò)與車輛有機(jī)聯(lián)系在了一起，具有一定的人機(jī)交互意義，但具體的實(shí)現(xiàn)方案，還需要進(jìn)一步設(shè)計(jì)軟件并普及應(yīng)用。

綜上，本文的設(shè)計(jì)方案可以為城市交通的改進(jìn)提供一種全新的思路，為今后城市智能交通的改善與升級指明了一種明確的方向。

作者簡介：

劉昌灝（2002-），男，山東濟(jì)寧人，現(xiàn)就讀于中國海洋大學(xué)，從事智能交通方向的研究。

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摘自《自動化博覽》2022年10月刊