基于物聯(lián)網(wǎng)的城市交叉路段交通信號(hào)智能控制方法

韓 貝，盧 磊

（榆林學(xué)院信息工程學(xué)院，陜西榆林 719000）

信號(hào)采集系統(tǒng)可以完成簡(jiǎn)單交通信號(hào)的采集工作，但由于城市不同路段交通信號(hào)的變化時(shí)間不同，在對(duì)交叉路段交通信號(hào)采集時(shí)，系統(tǒng)的各個(gè)組件同時(shí)工作，給系統(tǒng)造成極大的工作負(fù)載，另一方面系統(tǒng)本身處理負(fù)載能力差[1]，結(jié)果導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行效率低，交叉路段交通信號(hào)采集精度低。閆飛等[2]構(gòu)建了一種非線性交通流排隊(duì)模型，并設(shè)計(jì)了交叉口信號(hào)的迭代學(xué)習(xí)控制策略。通過對(duì)交叉口信號(hào)的迭代學(xué)習(xí)控制，均衡處理交叉口各進(jìn)口道的車輛排隊(duì)長(zhǎng)度。劉智敏等[3]提出了基于改進(jìn)深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)的單交叉口交通信號(hào)控制方法。構(gòu)建實(shí)時(shí)車輛數(shù)變化量的獎(jiǎng)勵(lì)函數(shù)，跟蹤交叉口交通狀態(tài)的動(dòng)態(tài)變化過程。上述方法雖然實(shí)現(xiàn)了信號(hào)采集和控制，但是由于城市交叉路段交通信號(hào)變換的復(fù)雜性，將其應(yīng)用于城市交叉路段交通信號(hào)控制中，需要進(jìn)一步優(yōu)化采集效果。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)于信號(hào)采集工作具有便利性、易維護(hù)性、可擴(kuò)展性、高效性，只要在信號(hào)覆蓋的有限網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)都可以對(duì)其進(jìn)行采集，并且物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的實(shí)質(zhì)是利用信號(hào)的接入點(diǎn)完成數(shù)據(jù)采集，具有一定的規(guī)律性，具有高程度的數(shù)據(jù)采集完整性。綜上所述，該文引用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)提出基于物聯(lián)網(wǎng)的城市交叉路段交通信號(hào)智能控制方法。

1 硬件設(shè)計(jì)

該文設(shè)計(jì)的城市交叉路段交通信號(hào)采集系統(tǒng)硬件由處理器、傳感器、嵌入器和信號(hào)采集器組成。系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 采集系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

1.1 處理器

該文的處理器采用開發(fā)版本的FL2440 微處理器，該處理器成本低但是性能高，在信號(hào)采集[4-5]領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。FL2440 微處理器結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 FL2440微處理器結(jié)構(gòu)

根據(jù)圖2 可知，F(xiàn)L2440 微處理器的核心采用Thume 和ARM 雙指令集規(guī)則，具有超高的節(jié)能性。ARM54385 內(nèi)核的存儲(chǔ)空間為16 kB。該處理器還具備主頻為400 MHz 的MMU、外模模塊、256 M Nand-flash 的開發(fā)版、不同類型的Type-C 接口、高溫散熱器，每個(gè)器件相互協(xié)助，構(gòu)建一個(gè)高性能的微處理器。該文采用的核心板為飛凌嵌入式FL2440 核心板，F(xiàn)L2440 微處理器的內(nèi)置芯片為GF-5825，該芯片對(duì)于交通信號(hào)數(shù)據(jù)幀具有高效識(shí)別能力，使所提方法的采集效率得到保證。處理器配置出口RFID天線[6-8]，保證處理器的識(shí)別速度達(dá)到205 個(gè)/s，處理器的極限輸出功率為35.5 dBm，有效工作頻段為840～960 MHz，適用于普遍的信號(hào)傳遞范圍。

1.2 傳感器

為了達(dá)到實(shí)時(shí)采集城市交叉路段交通信號(hào)的要求，該文采用YHSG-86G 的傳感器識(shí)別一定區(qū)域內(nèi)的交通信號(hào)傳感節(jié)點(diǎn)[9-10]，為系統(tǒng)的交通信號(hào)采集提供一定的條件基礎(chǔ)。YHSG-86G 的傳感器將信號(hào)放大電路、轉(zhuǎn)換器、信號(hào)校驗(yàn)器以及串并行接口集成于一體，主要優(yōu)點(diǎn)是傳感器基于傳統(tǒng)的傳感器的反應(yīng)速度快、靈敏度高，并且耗能低，具有一定的抗干擾能力[11-12]，適應(yīng)交通信號(hào)的采集工作。傳感器示意圖如圖3 所示。

圖3 傳感器示意圖

YHSG-86G 的傳感器采用雙通道通信數(shù)字模式輸出，其對(duì)交通信號(hào)節(jié)點(diǎn)的識(shí)別精度為4%，傳感器的工作原理是通過SCK、DATA 兩個(gè)信號(hào)特征量完成的，SCK 信號(hào)的任務(wù)是同步處理器和傳感器之間的交通信號(hào)信息[13-14]，防止出現(xiàn)重復(fù)采集或者遺漏采集的狀況。傳感器接口示意圖如圖4 所示。

圖4 傳感器接口示意圖

YHSG-86G 的傳感器的防護(hù)等級(jí)為IP67，工作電流為4～20 mA，電壓為12～24 VDA，負(fù)載電流為200 A，傳感器的耐沖擊強(qiáng)度為500 m/s，豎直、水平、三維方向各一次。

1.3 嵌入器

嵌入器是一款輔助硬件設(shè)備工作的設(shè)備，通過拓展HDMI 接口的方式，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)與服務(wù)器的連接，提高信號(hào)傳輸速率。HDMI 接口擁有高清顯示的功效，其電路帶有5 Gbps 的傳輸帶寬，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)能夠連接數(shù)與模，實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)的傳輸。該文設(shè)計(jì)嵌入器的目的是協(xié)助處理器、信號(hào)采集器、傳感器的工作，完成所提方法的驅(qū)動(dòng)。嵌入器結(jié)構(gòu)如圖5 所示。

圖5 嵌入器結(jié)構(gòu)

嵌入器的優(yōu)點(diǎn)是具有實(shí)時(shí)性、內(nèi)核設(shè)備簡(jiǎn)單但是性能高、具有較好的可靠性和穩(wěn)定性。嵌入器采用固態(tài)硬盤存儲(chǔ)，使其運(yùn)行頻率達(dá)到360 GHz，保證系統(tǒng)的效率，嵌入器具備三路HDMI 信號(hào)與一路HDMI 信號(hào)自動(dòng)切換功能，對(duì)交通信號(hào)具有降噪處理功能。信號(hào)的自動(dòng)切換能夠確保自由選擇信號(hào)輸出類型，使其信號(hào)源不會(huì)受到干擾，始終保持信號(hào)高保真輸出。另外，嵌入器識(shí)別交通信號(hào)的采樣頻率為96 kHz，為了配合嵌入器的工作需要和系統(tǒng)工作流程，嵌入器邊緣設(shè)計(jì)了多個(gè)光纖輸入輸出口，帶寬頻率為25 MHz，統(tǒng)一將采集到的交通信號(hào)節(jié)點(diǎn)以5VP 格式輸出。嵌入器電路圖如圖6 所示。

圖6 嵌入器電路圖

1.4 信號(hào)采集器

信號(hào)采集器是硬件區(qū)域的核心器件，該文采用GH89S 信號(hào)采集器提高系統(tǒng)對(duì)交通信號(hào)的采集效率。采集信號(hào)的突出優(yōu)勢(shì)是所有采集接口都采用RS-232 串口規(guī)格，其串口是一種高速率低成本的通信接口類型，用于連接信號(hào)采集器和硬件區(qū)域的其他設(shè)備。GH89S 信號(hào)采集器內(nèi)部設(shè)有多個(gè)終端節(jié)點(diǎn)，用來存儲(chǔ)采集的交通信號(hào)，存儲(chǔ)空間為8+128 GB，采集器的采集核心為32 位的ARM CPU，采集模式為6 核心12 進(jìn)程方式，自動(dòng)緩沖交通信號(hào)，提高采集效率。GH89S 信號(hào)采集器的光刻為67 nm，其載波采集誤差低于5%，根據(jù)交通信號(hào)類型不同，自動(dòng)調(diào)節(jié)采集模式，合理地分配采集資源，節(jié)省信號(hào)采集的能耗開銷。數(shù)據(jù)采集器的碼元速率采集誤差優(yōu)于1×10-4。

2 交通信號(hào)智能控制

為了使物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)能夠穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)各種信息的傳遞，該文設(shè)計(jì)了一個(gè)規(guī)劃原理去規(guī)范物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，使其具有較高的應(yīng)用性，規(guī)劃原理內(nèi)容是將計(jì)劃采集的交通信號(hào)數(shù)據(jù)分別存儲(chǔ)在記錄條中，每類交通信號(hào)存在每一條記錄中，具有一致性。然后將交通信號(hào)按照類型切割為多個(gè)模糊集，并依次設(shè)定唯一的隸屬度，按照交通信號(hào)屬性對(duì)不同類型的交通信號(hào)進(jìn)行分類排序，設(shè)置各記錄屬于對(duì)應(yīng)劃分的隸屬度分別是0 或1，再將全部隸屬度的數(shù)據(jù)集當(dāng)成新數(shù)據(jù)集，通過模糊關(guān)聯(lián)規(guī)則方法[15-16]對(duì)其進(jìn)行挖掘。具體物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)模糊支持度計(jì)算公式如下：

其中，n表示數(shù)據(jù)采集的個(gè)數(shù)；X表示待采集的交通信號(hào)數(shù)據(jù)類型；P表示交通信號(hào)個(gè)數(shù)；B表示數(shù)據(jù)信息的隸屬度；xj表示第j個(gè)記錄在bt上的隸屬度，其有效范圍為B＞D；為避免忽略交通信號(hào)數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系關(guān)系度，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)復(fù)雜化，因此借助模糊置信度，提高物流網(wǎng)技術(shù)交通信號(hào)采集數(shù)據(jù)的關(guān)系度，具體公式如下：

其中，dt表示其他模糊置信度。

通過對(duì)以上物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)原理的分析和功能介紹，結(jié)合交通信號(hào)采集系統(tǒng)硬件區(qū)域的設(shè)備功能介紹，交通信號(hào)智能控制的工作流程如圖7 所示。

圖7 交通信號(hào)智能控制流程

1）首先，傳感器初始化需要初始化交叉路段交通信號(hào)數(shù)據(jù)采集區(qū)域的傳感通信節(jié)點(diǎn)，硬件區(qū)域的處理器將所有的交通信號(hào)節(jié)點(diǎn)信息進(jìn)行分類，將分類結(jié)果傳遞到嵌入器內(nèi)。

2）嵌入器首先接收分類的交通信號(hào)數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)，然后調(diào)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，根據(jù)分類類型深度挖掘交通信號(hào)數(shù)據(jù)，得到額外的信號(hào)節(jié)點(diǎn)，最終嵌入器將所有的交通信號(hào)節(jié)點(diǎn)附加一個(gè)標(biāo)識(shí)屬性，有利于交通信號(hào)數(shù)據(jù)的采集。

3）交通信號(hào)采集器依據(jù)各個(gè)信號(hào)標(biāo)識(shí)，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的模糊聚類方法，采集有效區(qū)域內(nèi)的交通信號(hào)數(shù)據(jù)[17]，并存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器內(nèi)，以待調(diào)用。

3 實(shí)驗(yàn)研究

為了驗(yàn)證該文所提的基于物聯(lián)網(wǎng)的城市交叉路段交通信號(hào)智能控制方法的有效性，與傳統(tǒng)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比，選用的傳統(tǒng)系統(tǒng)分別為文獻(xiàn)[2]交通信號(hào)迭代學(xué)習(xí)控制方法、文獻(xiàn)[3]交通信號(hào)深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)控制方法。設(shè)定實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表1 所示。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)參數(shù)，選用所提方法和傳統(tǒng)系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中使用的實(shí)際交通信號(hào)的初始采樣頻率為48 kHz，將初始采樣信號(hào)的采樣頻率降至200 Hz，能有效地分析0～100 Hz 頻段內(nèi)的線譜信號(hào)，并將50 個(gè)采樣點(diǎn)作為訓(xùn)練數(shù)據(jù)，50 個(gè)采樣點(diǎn)作為測(cè)試數(shù)據(jù)。

該文所設(shè)計(jì)的信號(hào)采集系統(tǒng)分別采用了傳統(tǒng)的信號(hào)采集系統(tǒng)和原信號(hào)采集系統(tǒng)，50 個(gè)采樣點(diǎn)的頻譜圖實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。

圖8 50個(gè)采樣點(diǎn)的頻譜圖

由圖8 可知，在信號(hào)規(guī)模比較小的情況下，傳統(tǒng)的文獻(xiàn)[2]方法以及文獻(xiàn)[3]方法得到的信號(hào)頻譜的線譜信號(hào)較少，顯示清晰度較低。而所提方法的信號(hào)頻率清晰度更高，性能更好。采集速度實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2 所示。

表2 采集速度實(shí)驗(yàn)結(jié)果

分析表2 可知，在相同時(shí)間內(nèi)，所提方法采集的數(shù)量要優(yōu)于對(duì)比方法。在信號(hào)規(guī)模較小的情況下，對(duì)比方法采集到的線譜信號(hào)較少，而所提方法采集到的線譜信號(hào)組分則清晰可見，說明所提方法在復(fù)雜環(huán)境下具有較好的信號(hào)采集性能。在復(fù)雜環(huán)境下，系統(tǒng)完成信號(hào)采集的過程在一定程度上被簡(jiǎn)化，消除了外部復(fù)雜環(huán)境的干擾因素，從而提高了城市交叉路段交通信號(hào)控制效果。

4 結(jié)束語(yǔ)

該文首先分析所提方法硬件區(qū)域設(shè)計(jì)的處理器、傳感器、嵌入器以及信號(hào)處理器，然后根據(jù)交通信號(hào)采集系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)交叉路段交通信號(hào)控制方法，最后將以上的分析內(nèi)容進(jìn)行合理調(diào)用，得出城市交叉路段交通信號(hào)智能控制工作流程，達(dá)到該文研究的目的。