邵志坤 鞏舜妹

宿州學(xué)院資源與土木工程學(xué)院 安徽 宿州 234000

引言

隨著城市道路運行需求量不斷升級，道路車流量的不斷增加致使道路資源供不應(yīng)求，以及資源分配不均致使的資源浪費等問題，造成固定信號燈配時方案已經(jīng)無法滿足交叉路口的運行需求。高速發(fā)展的互聯(lián)網(wǎng)科技為許多領(lǐng)域提供廣闊的發(fā)展前景，在信息化時代的轉(zhuǎn)型時期，計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及人工神經(jīng)算法的發(fā)展，為道路運營供不應(yīng)求狀況提供先進地解決方法[1-2]。通過計算機的數(shù)據(jù)處理、控制，與人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法所具備的學(xué)習(xí)能力，可以為道路進行智能配時，最大程度提高道路運行效率。同時結(jié)合先進的計算機網(wǎng)絡(luò)算法，為因車輛輸入而無法預(yù)測的道路管控領(lǐng)域，提供了強有力的技術(shù)支持。單片機強大的數(shù)據(jù)傳輸及控制能力，為設(shè)計提供系統(tǒng)控制以及連接平臺。嵌入系統(tǒng)設(shè)計賦予單片機可實現(xiàn)的整體控制能力。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法提供數(shù)據(jù)處理功能。結(jié)合圖像采集設(shè)備以及信號顯示機等外圍設(shè)施實現(xiàn)智能化道路信號燈指示連接[3]。綜合各個系統(tǒng)所提供的技術(shù)手段，連接組成完整的智能信號控制平臺，從而實現(xiàn)道路交通燈的智能化設(shè)計。

1 系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用分析

1.1 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是模擬人的思維方式對事物進行一系列邏輯推理的過程，通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在計算機中應(yīng)用可以使計算機可以像人類大腦一樣智能處理外接信息，以此對外界信息的智能化處理使得計算機的輸出內(nèi)容更具現(xiàn)實意義[4]。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法是通過學(xué)習(xí)之后才能運行的，首先對外界輸入信號通過與給定權(quán)值的組合，輸出至神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的隱含層，輸出信號稱為隱含層的神經(jīng)元強度，同時隱含層信號作為單個神經(jīng)元經(jīng)過函數(shù)的激活和閾值處理最終由輸出層輸出信號，將輸出層信號同期望輸出值做對比，并結(jié)合誤差要求確定輸出信號是否滿足要求，如果輸出信號滿足誤差要求則結(jié)束算法運行，得到相應(yīng)的輸出信號。如果輸出信號不滿足誤差要求，則需對輸出信號以及對應(yīng)的誤差信息進行反向的輸入，并重新定義算法中相應(yīng)的閾值、非線性函數(shù)以及權(quán)值，并以此形式通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)反復(fù)處理直至輸出信號滿足誤差要求。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法類似于人類的形象（直觀）思維，相對于普通的計算機具有很強的學(xué)習(xí)以及自適應(yīng)能力，此外神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對未執(zhí)行過的樣本數(shù)據(jù)擁有較好預(yù)測能力和控制能力，對于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法最重要的是算法過程類似于人類腦力探索過程，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通過學(xué)習(xí)來處理接收到的數(shù)據(jù)，不同的輸入量都對應(yīng)一個輸出值，不同的輸入量對應(yīng)不同算法結(jié)果，因此相較于編寫程序算法神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法更適用于處理模糊輸入量算法情況[5]。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法學(xué)習(xí)已有相鄰交叉口人工配時數(shù)據(jù)檢測算法穩(wěn)定性。學(xué)習(xí)后的算法處理數(shù)據(jù)的能力非常穩(wěn)定，可總結(jié)出神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法具備極強的數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)適應(yīng)能力。

1.2 單片機

單片機（Microcontrollers）是一種集成電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器CPU、隨機存儲器RAM、只讀存儲器ROM、多種 I/O 口和中斷系統(tǒng)、定時器計數(shù)器等功能（小部分還包括顯示驅(qū)動電路、脈寬調(diào)制電路、模擬多路轉(zhuǎn)換器、A/D 轉(zhuǎn)換器等電路）集成到一塊硅片上構(gòu)成的一個小而完善的微型計算機系統(tǒng)[6]。由于單片機體積小且功能完整，因此被廣泛用于工業(yè)等控制領(lǐng)域。

1.3 MATLAB工具箱

MATLAB又名矩陣工作室，是由美國mathworks出品的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件，廣泛用于算法開發(fā)、矩陣運算、數(shù)據(jù)可視化處理、圖像處理以及信號處理，對許多領(lǐng)域提供了近乎完美的仿真環(huán)境?，F(xiàn)在很多領(lǐng)域的科學(xué)家提出了仿真工具箱即MATLAB工具箱，就是利用MATLAB作為信息處理數(shù)據(jù)庫來提供仿真數(shù)據(jù)進而結(jié)合MATLAB工具箱實現(xiàn)多種技術(shù)的實現(xiàn)。MATLAB工具箱可以運用很多算法作為理論基礎(chǔ)例如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、圖像處理、最優(yōu)化控制等30多種工具箱。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)的過程中會涉及大量的數(shù)據(jù)運算以及矩陣運算，因此運用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為MATLAB工具箱的理論基礎(chǔ)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)階段可以直接應(yīng)用MATLAB數(shù)據(jù)庫中所儲存的數(shù)據(jù)并得出神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的激活算法，從而對激活函數(shù)記憶保存。因此在使用的過程中可以直接調(diào)用數(shù)據(jù)庫中的記憶函數(shù)，以此實現(xiàn)智能控制系統(tǒng)的原理仿真。

2 系統(tǒng)原理及設(shè)計實現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)原理綜述

本文所設(shè)計動態(tài)信號配時系統(tǒng)，在道路口已有的視頻監(jiān)控等硬件設(shè)計基礎(chǔ)上，加設(shè)硬件設(shè)備單片機及其嵌入算法MATLAB等軟件。在選定道路口中心外（無線局域網(wǎng)的有限范圍內(nèi)），在已有的道路設(shè)施基礎(chǔ)之上，只需在選定中心位置安裝單片機，并利用Wi-Fi接法裝置連接視頻檢測裝置同時有線數(shù)據(jù)連接至道路管控中心。如果當(dāng)架設(shè)中心需同時間處理的信息量大于30次/塊，則選擇將劃分的區(qū)域塊二次劃分避免信息量處理重復(fù)率過高而導(dǎo)致計算的偏差。完成硬件檢測裝置架設(shè)后，按圖像接收檢測，車流量信息處理傳輸，算法處理信號配時，交通指示燈執(zhí)行實時配時命令完成交叉信號燈的實時控制。

2.2 系統(tǒng)設(shè)計實現(xiàn)

2.2.1 硬件設(shè)施

2.2.1.1 系統(tǒng)核心模塊。MATLAB圖像處理以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法作為嵌入系統(tǒng)，單片機作為連接中樞，使嵌入算法處理系統(tǒng)的單片機成為整個系統(tǒng)的控制中心以及數(shù)據(jù)處理中心。單片機將接收到的圖像信息傳輸至MATLAB進行數(shù)字化信息處理，分析得出的數(shù)字信息反饋回單片機并作為輸入信號開始執(zhí)行算法系統(tǒng)命令，通過歷史數(shù)據(jù)記憶學(xué)習(xí)的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法系統(tǒng)處理單片機輸入的數(shù)據(jù)信息最終輸出信號燈配時對應(yīng)語言信息，經(jīng)過學(xué)習(xí)記憶的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法再次接收到數(shù)據(jù)信號時處理速度遠高于零數(shù)據(jù)時的信息處理速度，同時通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法本身的記憶性以及自適應(yīng)性同時可以保證圖像數(shù)據(jù)處理誤差較大時保證道路有效控制運行。最終單片機進行數(shù)據(jù)整合以及語言信號轉(zhuǎn)換后將信號輸至信號燈顯示系統(tǒng)。

嵌入系統(tǒng)與單片機的結(jié)合形成中央控制中心，嵌入系統(tǒng)運用典型的CPU處理器，單片機內(nèi)部的嵌入系統(tǒng)主體應(yīng)用控制程序，編寫程序執(zhí)行先后順序以及數(shù)據(jù)傳輸方向。

2.2.1.2 視頻圖像檢測模塊。車流量監(jiān)測模塊同時由圖像收集以及圖像處理兩大模塊組成，一是路段監(jiān)錄執(zhí)行部分，二是中央計算處理部分。其中路段監(jiān)錄執(zhí)行部分主要是由一個CCD攝像機與路段基礎(chǔ)設(shè)施組成；中央計算處理部分主要包括：數(shù)字化器/格式化器、微處理器、接口、鍵盤、電源等組成在到路口已廣泛安裝攝像頭的基礎(chǔ)之上對道路口車流量信息進行采集。通過到路口的攝像頭在第一次黃燈亮起是對道路口進行抓拍，所收集到的圖像信息傳送至單片機并通過單片機的嵌入系統(tǒng)命令MATLAB處理圖像數(shù)據(jù)，在黃燈結(jié)束后將計算出的信號燈配時通過單片機輸出至LED信號燈顯示系統(tǒng)，紅燈結(jié)束之后第二次黃燈亮起時重復(fù)圖像的采集和處理。其中MATLAB通過對采集到的圖像與記憶零車流量時道路灰度對比，通過嵌入設(shè)備的處理統(tǒng)計車流量的數(shù)據(jù)信息以此實現(xiàn)道路車流量信息的實時采集。

2.2.2 信號接收、發(fā)送及處理。視頻圖像檢測器中的CCD攝像機架設(shè)在正對道路中央的上空9.2～15m處，當(dāng)?shù)缆飞蠜]有車輛運動時，即CCD攝像機PC端屏幕圖像對比差在控制閾值范圍內(nèi)時，單位分割單元的視頻檢測器保持靜默狀態(tài)；當(dāng)有車輛行駛時，圖像對比差值超過控制閾值，檢測器會自動開始記錄道路上的車輛運行，通過數(shù)字化器與微處理器的編譯會產(chǎn)生相應(yīng)車輛的速度信息[1]，并以電信號的形式進入電路進行整形放大和編碼處理，再由遠程信號發(fā)射模塊將信號發(fā)射出去，由中央處理中心進行接收和編譯，并向電腦導(dǎo)入一個數(shù)值，隨后進行速度趨勢與路口信號配時方案的計算。

2.2.3 系統(tǒng)預(yù)警設(shè)計。系統(tǒng)整體的運行次序由圖像采集系統(tǒng)開始，并以信號指示機正確顯示結(jié)束，MATLAB圖像處理、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法處理為中間數(shù)據(jù)處理程序，完成整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理輸入及輸出等。為保證系統(tǒng)的正常運行，單片機嵌入系統(tǒng)同時設(shè)計負反饋系統(tǒng)，嵌入系統(tǒng)中運用if語言來判斷負反饋程序是否執(zhí)行。各系統(tǒng)正常執(zhí)行及輸出此時單片機只運行正反饋系統(tǒng)，不運行if后的程序語言。部分系統(tǒng)出現(xiàn)線路或系統(tǒng)故障時導(dǎo)致數(shù)據(jù)輸入但未能輸出時，單片機未正常接收數(shù)據(jù)，無數(shù)據(jù)時不激發(fā)單片機進行控制數(shù)據(jù)處理此時不滿足正反饋的執(zhí)行條件，下一步程序執(zhí)行if后的負反饋程序，負反饋程序執(zhí)行之后單片機接收信號并反饋回自身修復(fù)系統(tǒng)執(zhí)行修復(fù)命令，完成系統(tǒng)修復(fù)。系統(tǒng)程序無法修復(fù)時則將數(shù)據(jù)反饋至人工網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)中心，進行人工系統(tǒng)數(shù)據(jù)修復(fù)或更換。且在系統(tǒng)修復(fù)過程中單片機無數(shù)據(jù)信號指示LED信號控制機時信號燈，將仍使用上次的記憶數(shù)據(jù)保證信號的正常控制，保證道路正常通行。通過單片機嵌入系統(tǒng)反饋程序檢測系統(tǒng)運行狀況，保證系統(tǒng)整體運行實現(xiàn)。

3 系統(tǒng)實地評估設(shè)計

3.1 干線選擇

為驗證基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的智能信控設(shè)計的實地應(yīng)用效果，因此選擇合適的實地干線對智能信控設(shè)計進行實地化的數(shù)據(jù)考量，特取安徽省宿州市人民路工作日的道路運行數(shù)據(jù)進行實地化智能信控配時方案仿真設(shè)計。宿州市人民路作為宿州市市區(qū)的主要干道之一，東南方向銜接市區(qū)中心，道路北向連接宿州市迎賓大道且于京臺高速相通，同時也是市區(qū)與郊區(qū)交通主要動脈之一。所選道路現(xiàn)為雙向六車道，全長大約5.3公里，道路運營狀況具備代表性，例如時段性堵車等。

3.2 道路運行評估

在道路運行的智能控制領(lǐng)域，對智能信號等控制方法的評估指標(biāo)一般有行程時間指數(shù)TTI，延誤時間指數(shù)（與自由流時間相比或與實際時間相比），道路嚴重擁堵里程比例或排隊長度，行程停車次數(shù)等作為評估指標(biāo)。其中行程時間、延誤時間、排隊長度、停車次數(shù)均從出行者角度在平均狀況下的相對的行駛時長。

所建立評估模型如下式1、式2。

綜合各類研究指標(biāo)適用情況適用范圍，此處選擇行程時間、停車次數(shù)以及交通延誤時間三個指標(biāo)作為本文智能信號燈配時控制的評價指標(biāo)，并提出設(shè)計方法進行驗證。

3.2.1 行程時間。分析實地測評數(shù)據(jù)，整體數(shù)據(jù)分析時可以得出明顯的結(jié)論：相比傳統(tǒng)信號燈控制下的道路行車時間，本文所設(shè)計的智能信號燈控制方式所需的行程時間在每個實驗時間短均有時間節(jié)省，對某天工作日人民路來往車輛通行時間的具體跟蹤調(diào)查。其中本文所設(shè)計的信號燈配時從上午8:30至中午11:30總行程時間縮短304s,其中上班高峰時段行程時間指數(shù)下降了10.5%至11.7%，班高峰時段道路行程時間指數(shù)下降了5.9%至8.6%，并且全時段的行程時間指數(shù)最底下降了5.4%。由此得出行程時間指標(biāo)的評價結(jié)果：實施本文方案后人民路上南北道路車輛總行程時間有很大程度的節(jié)省。

3.2.2 交通延誤。交通延誤是指道路上行駛車輛在非可控或可控因素所產(chǎn)生的道路或車輛阻礙而損失的時間，是衡量道路運行能力的重要依據(jù)，同時也作為本文設(shè)計方案的重要依據(jù)。交通延誤由于造成行車延誤的原因等不同可分為：行車延誤、運行延誤、停車延誤、排隊延誤以及引道延誤等。本文對行駛過程中的延誤主要考慮由道路以及控制方式導(dǎo)致的車輛停車延誤以及排隊延誤，由于駕駛員自身的行車延誤在當(dāng)前路段的發(fā)生率很小因此駕駛員自身的行車認為均在正常運行狀態(tài)下。

為更好地體現(xiàn)智能信號燈控制的優(yōu)點，本文采用智能信號燈控制方案與傳統(tǒng)信號燈控制方案下道路交通延誤的時間對比的方法。優(yōu)化后的道路交通延誤時間明顯縮短，傳統(tǒng)控制方案下道路延誤時間308.3s，優(yōu)化方案下道路運行延誤時間187.5s，平均交通延誤時間減少120.8s，因此在道路控制方面智能信號燈控制明顯體現(xiàn)出對道路控制的高效性。

3.2.3 停車次數(shù)。在城市道路運行控制系統(tǒng)中，道路行駛車輛的停車次數(shù)反應(yīng)道路車流的通暢度同時也是反映道路是否擁擠的評價方法以及指標(biāo)。本文對所選的實驗路段上運行車輛進行實時跟蹤調(diào)查記錄車輛的平均運行時間以及停車次數(shù)?？梢缘贸鲇缮弦唤徊婵谶\行至下一交叉口所需的運行時間呈現(xiàn)相同的下降趨勢，停車次數(shù)由自南向北的4次減少為1次，自北向南由3次減少為1次，總體統(tǒng)計的車流信息由7次減少至3次，由此可得出結(jié)論：智能信號燈控制方案減少道路行車過程的停車次數(shù)，道路通暢程度明顯提升。

3.3 駕駛員評估

在城市道路設(shè)計評估中，駕駛員的心理活動同樣是車輛行駛過程中非常重要的參考因素。人是整個交通系統(tǒng)中最重要的組成部分，在道路運行設(shè)計中充分考慮行車中駕駛員的心理活動是非常重要的，通過上文對行程時間、交通延誤時間以及停車次數(shù)對智能信號燈控制下的道路運行狀況進行了實地評估，現(xiàn)通過對所選干線的行車駕駛員對優(yōu)化前后行車過程的滿意程度以及心理狀態(tài)進行調(diào)查訪問并統(tǒng)計。

隨機選擇300長經(jīng)過實驗路段上下班的人作為調(diào)查對象，可得出在優(yōu)化方案下，機動車駕駛員的滿意度更高，因此對道路安全也有很大的程度的保障。

4 結(jié)束語

目前，在信息化高速發(fā)展的新時代，傳統(tǒng)城市也正逐漸向智能化海綿城市轉(zhuǎn)型。環(huán)保型、高效率、經(jīng)濟化等詞匯也成為未來城市的標(biāo)志性標(biāo)簽。道路交叉口的智能化大大提升了城市發(fā)展空間，道路運行能力的提升為社會發(fā)展提供了基礎(chǔ)條件。通過交叉口指揮配時智能化，可以達到：

通過快速的發(fā)展智能交通一方面可以改善道路交通環(huán)境，另一方面還增加了道路交通系統(tǒng)的容量。

可以有效提高行車速度，減少行車延誤，提高受控區(qū)域的道路服務(wù)水平，進而提高地區(qū)路網(wǎng)的通行能力。

改善交通環(huán)境，減少交通事故和環(huán)境污染。智能交通可以及時的反饋事故信息，減少了損失和傷害；在使用過程中還減少了對能源的需求；在保護環(huán)境和提高空氣質(zhì)量方面做出巨大貢獻。

綜上所述，運用先進的車輛通行指揮系統(tǒng)，可以為交通擁堵問題等問題提供優(yōu)良的解決方案。