交通信號燈自動識別技術(shù)的研究分析 通信工程專業(yè)

交通信號燈自動識別技術(shù)的研究摘要中國不僅是城市道路等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)速度最快的國家，也是交通需求增長最快的國家。特別是近年來，機動車數(shù)量迅速增加，導(dǎo)致交通問題越來越嚴(yán)重，傳統(tǒng)的車輛管理方法越來越難以有效管理。目前道路車輛監(jiān)控技術(shù)主要是圖像或視頻識別，這種非法視頻采集技術(shù)和電子相機監(jiān)控技術(shù)在實際應(yīng)用中存在一定的不足。自動識別技術(shù)為實現(xiàn)車輛信息數(shù)字化、車輛識別自動化、車輛管理智能化提供了良好的前端信息平臺，已逐步應(yīng)用于鐵路車輛自動識別、道路車輛識別、集裝箱識別、停車場管理等交通領(lǐng)域。本文以城市道路車輛為研究對象，通過在車輛上安裝RFID電子標(biāo)簽，在城市道路交叉口和路段安裝讀取裝置，自動識別車輛通過，最后基于模糊控制理論進(jìn)行仿真實驗，從而檢驗其可行性，如果可行，這樣可以限制駕駛員的違法行為，實現(xiàn)對車輛的監(jiān)控，完善城市道路車輛監(jiān)控手段，彌補現(xiàn)有道路監(jiān)控技術(shù)的漏洞，提高城市道路交通的效率，從而減少交通擁堵，減少車輛通過交叉口的延誤時間。關(guān)鍵字：交通信號燈；自動識別；智能化；監(jiān)控

AbstractChinaisnotonlythefastestgrowingcountryinurbanroadinfrastructureconstruction,butalsothefastestgrowingcountryintrafficdemand.Especiallyinrecentyears,thenumberofmotorvehicleshasincreasedrapidly,whichleadstomoreandmoreserioustrafficproblems.Thetraditionalmethodofvehiclemanagementismoreandmoredifficulttomanage.Atpresent,roadvehiclemonitoringtechnologyismainlyaboutimageorvideorecognition.Suchillegalvideocollectiontechnologyandelectroniccameramonitoringtechnologyhavesomedeficienciesinpracticalapplication.Automaticidentificationtechnologyprovidesagoodplatformfortherealizationofinformationfrontvehicleinformationdigitization,vehicleidentificationautomation,intelligentvehiclemanagement,hasbeengraduallyappliedinrailwayvehicleautomaticidentification,roadvehicleidentification,containeridentification,parkingandtrafficmanagementfield.Basedoncityroadvehicleastheresearchobject,throughtheinstallationofRFIDelectroniclabelonthevehiclemountedreadingdeviceinthecityroadintersectionandroad,automaticrecognitionofthevehiclethroughwhichbasedonfuzzycontroltheoryandsimulationexperimenttotestitsfeasibility,iffeasible,suchviolationscanlimitthedriver,toachievecontrolofthevehicleperfectcity,roadvehiclemonitoringmeans,makeuptheexistingroadmonitoringtechnologyvulnerabilities,enhancetheefficiencyofcityroadtraffic,soastoreducetrafficcongestion,reducethedelaytimeofvehiclesthroughtheintersection.Keyword:trafficsignallamp;automaticrecognition;intelligent;monitoring

目錄TOC\o"1-3"\h\u323141緒論 4259731.1選題背景及意義 4159831.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及進(jìn)展 4289101.2.1國外研究現(xiàn)狀 494351.2.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀 5234982、自動識別技術(shù) 5245862.1自動識別技術(shù)簡介 5134602.2自動識別系統(tǒng)的一般模型 6158123、識讀器軟件設(shè)計 7198963.1識讀器工作方式配置 770463.2識讀器參數(shù)設(shè)置 8308653.3識讀器功能 940334、交通信號燈自動識別仿真 10312734.1交通信號控制的基本概念 10149004.2模糊控制理論 1137754.2.1模糊控制的知識 11235024.2.2實現(xiàn)模糊控制的步驟 12149744.3十字路口模型描述 1369184.4十字路口交通信號模糊控制器的設(shè)計 14228104.4.1確定輸入、輸出變量 14162634.4.2隸屬度函數(shù)曲線以及修正算法 15110544.4.3模糊控制規(guī)則的制定 16185934.4.4模糊推理 17224024.5系統(tǒng)仿真及結(jié)果分析 187136總結(jié) 1918352參考文獻(xiàn) 2013748附錄 2117085致謝 251緒論1.1選題背景及意義隨著工業(yè)的發(fā)展，人們的生活水平日益提高，人類社會人口的迅速增長，汽車作為主要的交通工具，在剛被制造出來的時候就給人類帶來了優(yōu)勢和便利，相反，汽車給現(xiàn)代人帶來了很多麻煩，如交通擁堵、交通事故、環(huán)境污染等。為了解決上述問題，發(fā)達(dá)國家于20世紀(jì)80年代開始研究智能交通系統(tǒng)。（IntelligentTrafficSystem，簡稱ITS），智能交通系統(tǒng)是指將傳感器技術(shù)、先進(jìn)的信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、自動識別技術(shù)、綜合交通管理控制系統(tǒng)等計算機處理技術(shù)應(yīng)用于交通管理系統(tǒng)中，從而形成一種信息、智能、社會化的系統(tǒng)。21世紀(jì)是更加智能化的世紀(jì)，隨著人工智能和圖像處理技術(shù)的不斷發(fā)展，人類通過高科技對智能交通系統(tǒng)進(jìn)行研究，作為智能交通系統(tǒng)研究的一個重要分支，輔助駕駛系統(tǒng)是目前國內(nèi)外研究的熱點，也是智能發(fā)展的必然研究方向，作為輔助駕駛系統(tǒng)最關(guān)鍵的部分是智能車輛識別交通標(biāo)志，交通標(biāo)志包括道路標(biāo)志和以上道路標(biāo)志，例如用人行橫道標(biāo)記的路面、車輛駕駛標(biāo)記、指示標(biāo)記等。、道路上方標(biāo)明警示標(biāo)志、警示標(biāo)志、交通信號燈、導(dǎo)向標(biāo)志等。、對道路標(biāo)志進(jìn)行自動檢測和識別，并將其狀態(tài)告知駕駛員或系統(tǒng)，協(xié)助駕駛員或系統(tǒng)行駛。作為輔助駕駛系統(tǒng)的一個分支，交通信號自動識別的研究目前正處于其研究的瓶頸，因為目前的研究大多是針對圓形交通燈的檢測與識別，對箭頭形交通燈識別的研究不多，基于自動識別技術(shù)的交通信號技術(shù)還沒有人研究。交通信號自動識別的設(shè)計對于減少交通事故具有重要的實用價值。它是智能設(shè)計的體現(xiàn)，智能車輛交通燈的自動識別可以為駕駛員或系統(tǒng)提供交通信息，它可以在短時間內(nèi)對交通信號做出快速響應(yīng)，這是做不到的，尤其是面對醉酒的駕駛員可以避免更多的紅燈，這樣，交通事故發(fā)生的概率就會大大降低，以保證行車安全，避免交通事故的發(fā)生。因此這種設(shè)計具有非常重要的研究價值，如果我們能夠很好地在我們的現(xiàn)實生活中開發(fā)和應(yīng)用，并推廣使用，其影響是不可估量的。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及進(jìn)展1.2.1國外研究現(xiàn)狀1868年第一個氣體信號在英國倫敦的誕生標(biāo)志著交通信號在城市道路控制中的應(yīng)用開始。1913年，美國俄亥俄州開始控制交通信號燈，這是世界上第一個控制交通信號燈的國家。1926年，美國芝加哥市開始采用交通燈控制方案進(jìn)行單個交通流，在每個十字路口都有唯一的交通燈，只能實現(xiàn)最簡單的控制功能。1963年，加拿大第一個交通信號控制系統(tǒng)誕生，該系統(tǒng)采用IBM650計算機，通過集中協(xié)調(diào)感應(yīng)控制實現(xiàn)對交通信號的控制。目前，世界上許多國家在城市交通的智能控制中采用了許多不同的系統(tǒng)。。在這其中應(yīng)用頻率最高和效果最好的有英國TRANSYT（TrafficNetworkStudyTools）交通控制系統(tǒng)，英國的SCOOT（SplitCycleandOffsetOptimizationTechnique）交通控制系統(tǒng)和澳大利亞的SCAT（SydneyCoordinatedAdaptiveTrafficMethod）交通控制系統(tǒng)。1.2.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀與許多發(fā)達(dá)國家相比，我國對城市交通控制系統(tǒng)的研究還不是很早，但隨著經(jīng)濟和社會的不斷發(fā)展，國家越來越重視城市交通控制系統(tǒng)的研究。以下是中國交通信號控制在過去幾十年的發(fā)展概況：20世紀(jì)70年代末，北京開始使用DJs130計算機實現(xiàn)主干道的協(xié)調(diào)控制，并開始研究交通控制問題。20世紀(jì)80年代以來，國家開始以交通管制研究為目的，改善城市中心區(qū)的交通擁擠狀況；另一方面，采用引進(jìn)與開發(fā)相結(jié)合的策略，采用適合我國道路交通狀況的交通控制系統(tǒng)。20世紀(jì)90年代，隨著智能交通系統(tǒng)(ITS)的開展(理論與應(yīng)用相關(guān)，并收到了良好的效果，同時，設(shè)備與支撐子系統(tǒng)以及智能交通系統(tǒng)的成功開發(fā)，交通管理與控制流程等許多產(chǎn)品在實踐中得到了廣泛的應(yīng)用，也取得了良好的效益?？紤]到交通信號控制機在交通控制系統(tǒng)中的地位，多年來許多學(xué)者在這一領(lǐng)域進(jìn)行了廣泛而深入的研究。到21世紀(jì)初，曹程濤根據(jù)我國混合交通流的特點，設(shè)計了一種基于AVR128單片機的智能交通信號系統(tǒng)。該信號具有硬件自檢和軟件抗干擾功能，可實現(xiàn)單點自適應(yīng)控制和區(qū)域協(xié)調(diào)控制。根據(jù)2009-2010年中國道路交通信號市場研究報告，總結(jié)了中國道路交通信號技術(shù)的發(fā)展趨勢：1、內(nèi)部構(gòu)件接口將標(biāo)準(zhǔn)化；2.與控制中心集成成為趨勢；3.嵌入式硬件平臺和開放操作系統(tǒng)將得到更廣泛的應(yīng)用；4、建成交通信號控制系統(tǒng)集成平臺和交通管理綜合信息平臺。2、自動識別技術(shù)2.1自動識別技術(shù)簡介在現(xiàn)實生活中，各種活動或時間都會產(chǎn)生這樣或那樣的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)包括人力、物力和財力，涵蓋從原材料采購到產(chǎn)品生產(chǎn)和銷售的所有方面。這些數(shù)據(jù)的收集和分析對生產(chǎn)和生活決策具有重要意義。沒有這些數(shù)據(jù)的支持，生產(chǎn)和決策將是空話，缺乏現(xiàn)實基礎(chǔ)。在信息系統(tǒng)的早期開發(fā)中，相當(dāng)一部分?jǐn)?shù)據(jù)處理是手工輸入的。這不僅增加了數(shù)據(jù)量和勞動強度，而且導(dǎo)致數(shù)據(jù)的高誤碼率，失去了實時性。為了解決這些問題，人們研究和開發(fā)了多種自動識別技術(shù)，人們從繁重的重復(fù)性但非常不準(zhǔn)確的人工勞動中解脫出來，提高了系統(tǒng)信息的實時性和準(zhǔn)確性，從而為生產(chǎn)的實時調(diào)整、財務(wù)匯總和正確決策提供了正確的參考。自動識別技術(shù)是一種通過計算機系統(tǒng)、可編程邏輯控制器或其它微處理設(shè)備輸入非鍵盤數(shù)據(jù)的技術(shù)。它是信息數(shù)據(jù)自動識別、讀取和自動輸入計算機的重要方法和手段。它是以計算機技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展為基礎(chǔ)的綜合性科學(xué)技術(shù)。近幾十年來，自動識別技術(shù)在世界范圍內(nèi)發(fā)展迅速。初步形成了以RFID技術(shù)、條形碼技術(shù)、磁卡技術(shù)、光學(xué)字符識別技術(shù)和集計算機、光學(xué)、機電、通信技術(shù)為一體的高新技術(shù)學(xué)科。在日常生活中，有很多自動識別技術(shù)的例子。條形碼識別技術(shù)在超市購物中的應(yīng)用。銀行卡消費或取款，目前采用磁條技術(shù)，未來將采用CPU卡(聯(lián)系IC卡)；手機采用CPU卡技術(shù)；傳真、掃描、復(fù)印等是利用光學(xué)字符識別技術(shù)；公交IC卡、住宅門禁、辦公門禁等經(jīng)常采用非接觸式IC卡技術(shù)。這是自動識別技術(shù)在生活中應(yīng)用的一個例子?？梢哉f，自動識別技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入了人們的工作和生活。自動識別技術(shù)是在計算機和通信技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一門綜合性科學(xué)技術(shù)。它是信息數(shù)據(jù)自動采集和輸入計算機的重要方法和手段?？傊?，自動識別技術(shù)是一種高度自動化的信息數(shù)據(jù)采集技術(shù)。自動識別技術(shù)的興起，使數(shù)據(jù)采集快速準(zhǔn)確，解決了計算機數(shù)據(jù)輸入速度慢、錯誤率高等“瓶頸”問題。因此，它被認(rèn)為是一項革命性的高科技，很快被人們所接受。近年來，自動識別技術(shù)在世界范圍內(nèi)發(fā)展迅速，形成了集計算機、光、磁、物理、機電、通信技術(shù)于一體的條形碼技術(shù)、磁條磁卡技術(shù)、IC卡技術(shù)、光學(xué)字符識別技術(shù)、射頻識別技術(shù)等多種生物識別技術(shù)的高新技術(shù)學(xué)科。自動識別技術(shù)具有以下特點:(1)精度:自動數(shù)據(jù)采集，大大減少人為誤差。(2)高效:數(shù)據(jù)采集快速，信息交換可實時進(jìn)行。(3)兼容性:基于計算機技術(shù)的自動識別技術(shù)，可以與信息管理系統(tǒng)無縫連接。2.2自動識別系統(tǒng)的一般模型一般來說，在信息系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)采集(識別)完成了系統(tǒng)的原始數(shù)據(jù)采集工作，解決了人工數(shù)據(jù)輸入速度慢、錯誤率高、勞動強度大、工作簡單、重復(fù)性差等問題，為計算機信息處理提供了一種快速準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)采集和輸入手段。因此，自動識別技術(shù)作為一項革命性的高新技術(shù)，迅速被人們所接受。自動識別技術(shù)通過中間件或接口(包括軟件和硬件)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)胶笈_處理計算機，后臺處理計算機對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理或處理，為人們提供有用的信息。一種完整的自動識別計算機管理系統(tǒng)包括自動識別系統(tǒng)(AIDS)、應(yīng)用接口(API)或中間件和應(yīng)用軟件。即自動識別系統(tǒng)完成系統(tǒng)的采集和存儲，應(yīng)用系統(tǒng)軟件對自動識別系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行應(yīng)用處理；所述應(yīng)用程序接口軟件提供所述自動識別系統(tǒng)與應(yīng)用系統(tǒng)軟件之間的通信接口，所述通信接口包括數(shù)據(jù)格式，將所述自動識別系統(tǒng)獲取的數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)換為所述應(yīng)用軟件系統(tǒng)能夠識別利用的信息并進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。自動識別系統(tǒng)的一般模型如圖2-1所示。圖2-1自動識別系統(tǒng)模型在圖2-1中，自動識別系統(tǒng)的前端部分，可以使用不同的自動識別技術(shù)來自動采集數(shù)據(jù)，這些不同的自動識別技術(shù)包括條形碼技術(shù)、射頻識別技術(shù)、磁條技術(shù)、各種生物技術(shù)等。：中間件或數(shù)據(jù)接口部分根據(jù)不同的自動識別技術(shù)具有不同的配置模式；對于應(yīng)用軟件系統(tǒng)，存在最大的通用性。例如，對于資產(chǎn)管理系統(tǒng)，可以采用條形碼技術(shù)和射頻識別技術(shù)進(jìn)行資產(chǎn)自動管理，系統(tǒng)后端的應(yīng)用部分可以完全通用。本文主要通過讀者識別對象，然后通過模糊控制理論仿真實驗，從而檢驗其可行性。3、識讀器軟件設(shè)計3.1識讀器工作方式配置軟件實現(xiàn)通信協(xié)議及SDK函數(shù)將在附錄給出識讀器工作方式配置程序如下如圖3-1所示：圖3-1參數(shù)配置程序運行界面工作模式參數(shù)分為主從工作模式、定時工作模式和觸發(fā)工作模式。主從式工作模式是指閱讀器的操作完全通過主機來操縱工作模式，主從式工作模式下，閱讀器的工作參數(shù)設(shè)置相對簡單。應(yīng)用系統(tǒng)采用主從式工作模式，可以使用閱讀器SDK開發(fā)應(yīng)用軟件。定時工作模式是識讀器根據(jù)設(shè)定的時間間隔周期性地識別標(biāo)簽的工作模式。識讀器實現(xiàn)標(biāo)簽ID數(shù)據(jù)過濾功能。如果選擇了ID相鄰判別，則識讀器每次重新識別標(biāo)簽ID數(shù)據(jù)，與先前的有效標(biāo)簽ID數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，如果相同，則丟棄識別標(biāo)簽的ID數(shù)據(jù)，如果不同，則將其識別為新的有效標(biāo)簽ID數(shù)據(jù)。如果未選擇ID相鄰判別，則由標(biāo)識符ID數(shù)據(jù)標(biāo)識的標(biāo)識符是有效數(shù)據(jù)。觸發(fā)方式是指識讀器平時不識別標(biāo)簽，只有在外部觸發(fā)源觸發(fā)的情況下，才開始標(biāo)簽識別。在觸發(fā)源被有效觸發(fā)情況下，識讀器根據(jù)時間間隔開始識別標(biāo)簽，在觸發(fā)信號被取消且自動關(guān)機延遲時間被延遲之后，識讀器停止定時識別標(biāo)簽。采用識讀器觸發(fā)工作模式，可以降低識讀器的工作功率。3.2識讀器參數(shù)設(shè)置識讀器參數(shù)設(shè)置程序如圖3-2所示：圖3-2識讀器參數(shù)設(shè)置界面功率設(shè)置:閱讀器RF功率值設(shè)置，有效功率范圍為0-150，功率值越大，閱讀器與標(biāo)簽之間的通信距離越有效。功率值可根據(jù)應(yīng)用要求適當(dāng)調(diào)整。同步設(shè)置:閱讀器實現(xiàn)同步功能，當(dāng)多個小范圍的閱讀器同時使用時，同步功能可以使閱讀器工作更加協(xié)調(diào)。同步功能通過485接口實現(xiàn)。同步功能分為主機同步和自同步，閱讀器通過485總線連接，當(dāng)有計算機或控制器連接到總線時，應(yīng)選擇主機同步，在這種情況下，主機負(fù)責(zé)定時廣播同步命令。當(dāng)沒有主機時，應(yīng)選擇自同步模式，讀取之間完成同步。識讀方式:識讀方式分為單卡和多卡兩種方式。單卡模式，識讀器有效范圍只有單卡標(biāo)簽，可以選擇單卡模式。多卡模式下，采用防碰撞算法進(jìn)行標(biāo)簽id識別，多卡識別可以識別讀取器有效范圍內(nèi)的多個標(biāo)簽。跳頻設(shè)置:讀取器可以在固定頻率或跳頻下工作。固定頻率是指閱讀器與標(biāo)簽進(jìn)行固定頻率的通信，用戶可以從頻率下拉列表中選擇一個頻點；跳頻是指讀取器和標(biāo)簽之間以選定的頻率序列進(jìn)行通信。用戶可以選擇讀取器跳頻或固定操作模式。天線設(shè)置:本系列閱讀器可根據(jù)型號不同分為單通道和多通道。對于多路閱讀器，可根據(jù)閱讀器外部天線的實際情況和應(yīng)用要求選擇相應(yīng)的工作天線。3.3識讀器功能該演示程序?qū)崿F(xiàn)了標(biāo)簽識別、標(biāo)簽讀取、標(biāo)簽寫入、標(biāo)簽數(shù)據(jù)鎖定和標(biāo)簽數(shù)據(jù)查詢鎖定狀態(tài)等功能。圖3-3是識讀器功能演示的界面。圖3-3演示程序識讀器功能示意界面（1）ID識別功能單卡標(biāo)識:識讀器有效范圍內(nèi)只有一張標(biāo)簽時，可以選擇單卡標(biāo)識。多卡識別:使用防碰撞算法識別標(biāo)簽的id。多卡識別可以識別讀取器有效范圍內(nèi)的多個標(biāo)簽。讀取次數(shù):連續(xù)的單個卡或多個卡標(biāo)識標(biāo)簽的數(shù)量。間隔時間:兩個連續(xù)標(biāo)簽標(biāo)識之間的間隔，當(dāng)讀數(shù)設(shè)置大于1時，間隔時間有效，否則忽略間隔時間設(shè)置。（2）讀標(biāo)簽功能讀取地址:讀取標(biāo)記內(nèi)存內(nèi)容的起始字節(jié)地址，該地址的有效值為0-255。讀取長度:需要讀取的標(biāo)記內(nèi)存內(nèi)容的字節(jié)長度。寫入標(biāo)簽功能寫入地址:寫入標(biāo)簽存儲器內(nèi)容的字節(jié)地址，地址有效值為12-2550寫入數(shù)據(jù):要寫入標(biāo)簽存儲器的數(shù)據(jù)。鎖定標(biāo)簽和查詢標(biāo)簽鎖定狀態(tài)功能鎖定地址:標(biāo)簽存儲器的字節(jié)地址，地址有效值為12-255。當(dāng)鎖定地址被設(shè)置時，可以對標(biāo)簽指定的地址的存儲器內(nèi)容執(zhí)行鎖定操作和鎖定狀態(tài)查詢操作。4、交通信號燈自動識別仿真4.1交通信號控制的基本概念只有正確理解和學(xué)習(xí)交通信號控制的基本概念和術(shù)語，才能制定合理的控制方案，優(yōu)化交叉口的信號配時參數(shù)。下面簡要介紹與交通控制相關(guān)的一些參數(shù)。信號相位:信號相位是一個周期的信號狀態(tài)或控制狀態(tài)序列，在該周期中，一個或多個業(yè)務(wù)流可以通過相同的信號顏色顯示獲得相應(yīng)的通行權(quán)。根據(jù)交通信號顯示的時序安排對其時序進(jìn)行劃分。不同的控制狀態(tài)可以顯示不同的燈顏色組合集，導(dǎo)致不同的信號相位。信號周期:信號燈發(fā)生變化，信號燈按照設(shè)定的相序信號運行一個周期的時間，即綠色、黃色、紅色三種光的時間之和?？紤]到行人和司機的情緒，信號周期通常要求在180秒內(nèi)。車輛延誤:車輛通過十字路口或路段的時間與正常駕駛時通過相同距離的時間之差。排隊長度:在十字路口停車線后等待通過的車輛數(shù)量或排隊車輛沿此方向占用的路段長度。4.2模糊控制理論4.2.1模糊控制的知識1965年，美國科學(xué)家L.A.Zadeh于1965年發(fā)表了題為“fuzzyset”的論文，提出了模糊控制理論。模糊理論建立在模糊集合（fuzzyset，模糊集合是以一定程度具備某種特性元素的全體）和模糊邏輯（fuzzylogic）的基礎(chǔ)上，引入了隸屬函數(shù)（membershipfunction）的概念來描述介于“屬于”和“不屬于”的中間過渡過程，使得每個元素不僅以“0”或“1"，并且還以一定的介于“0”和“1”之間的程度屬于某一集合。在理論上隸屬函數(shù)描述了論域內(nèi)所有元素屬于模糊集的強度。模糊控制是智能控制的重要組成部分。實際上，它也是一種人工智能控制，即基于人類語言規(guī)則的控制。它不依賴于對象的數(shù)學(xué)模型，通過對模糊信息的處理可以實現(xiàn)對復(fù)雜對象的良好控制，并且當(dāng)對象的參數(shù)或結(jié)構(gòu)發(fā)生一定程度的變化時仍然可以保持良好的控制，具有良好的魯棒性。動態(tài)性能好，系統(tǒng)參數(shù)變化影響??；其缺點是穩(wěn)態(tài)精度不高。典型的模糊控制系統(tǒng)原理方框圖如下所示：圖4-1模糊控制系統(tǒng)原理示意圖從上圖可以看出，模糊控制器具有兩個輸入:一個是受控過程的靈敏輸出，另一個是設(shè)定點輸入。被控系統(tǒng)的調(diào)節(jié)量輸入作為模糊控制器的輸出。在知識庫的基礎(chǔ)上，模糊控制器由模糊、模糊推理和去模糊三部分組成。4.2.2實現(xiàn)模糊控制的步驟1、首先定義輸入/輸出變量2、定義輸入輸出變量的模糊條件由于模糊控制器的輸入是非模糊的，因此在進(jìn)行模糊推理時，需要將其轉(zhuǎn)化為模糊量。在模糊控制中，輸入量本身也稱為語言變量，其值是語言值或模糊集。大多數(shù)語言變量的定義都是在坐標(biāo)系中繪制語言值的隸屬函數(shù)。在模糊處理過程中，您可以完成以下功能：（1）論域變換在模糊控制器中，輸入變量的真實宇宙必須轉(zhuǎn)換為其內(nèi)部宇宙。該過程通過將輸入變量乘以基于其真實宇宙的縮放因子來實現(xiàn)。如果內(nèi)部宇宙是離散的，則其論域為{0，±整數(shù)}，若內(nèi)部論域是連續(xù)的，則其論域為{1，1}。（2）模糊化經(jīng)過論域變換后，輸入變量仍然是普通變量，然后分別定義模糊集，并在其內(nèi)部論域上定義每個模糊集的隸屬函數(shù)。根據(jù)隸屬度函數(shù)的定義，計算各模糊集的輸入變量的隸屬度。通過這個過程，普通變量的值可以轉(zhuǎn)化為模糊變量的值，從而完成模糊化工作。輸入變量的值由內(nèi)部宇宙中的公共值確定，經(jīng)過模糊化之后變成為[0，1]區(qū)間內(nèi)的隸屬度。1、模糊推理模糊推理是根據(jù)語言變量的定義對輸入變量進(jìn)行模糊化后的下一個過程。模糊推理包括條件聚合、推理和累加。模糊推理首先計算控制率中各規(guī)則的滿足度(條件聚合)，然后根據(jù)條件的滿足度推導(dǎo)(推導(dǎo))規(guī)則輸出的大小，最后將所有規(guī)則的輸出疊加得到總模糊輸出結(jié)果?？刂埔?guī)則的條件部分由模糊算子連接的多個子條件組成。在計算出條件滿足度后，如果在模糊邏輯中使用b規(guī)則，條件部分滿足度也會對模糊規(guī)則的結(jié)論產(chǎn)生一定的影響。常見的方法有最大最小法（max-min-inference）和最大乘積法（max-pIDd-inference）。2、去模糊化模糊推理得到的模糊輸出必須轉(zhuǎn)換為非模糊值輸出才能用于調(diào)節(jié)過程。常用的去模糊方法有面積重心法和平均最大值法。在區(qū)域重心法中，非模糊量的輸出是模糊多邊形區(qū)域的重心，而在平均最大值法中，非模糊量的輸出是模糊輸出最大值的平均值。4.3十字路口模型描述交叉口在城市道路交通中起著非常重要的作用，因此采取措施使車輛順利通過交叉口是非常重要的。交通燈的控制直接影響到整個交通的暢通。本文以交通燈為控制對象，在排除行人、非機動車和交叉口周圍存在的地下通道和立交橋的影響下，實現(xiàn)交通的智能控制。十字路口的示意圖如圖4-2所示：圖4-2十字路口示意圖十字路口由東、南、西、北四個方向組成，每個方向有直、左、右三條車道。在每個入口車道上嵌入兩個車輛檢測器，以形成檢測區(qū)，一個位于停車線上，用于檢測車道上車輛離開次數(shù)；另一個位于離停車線約80m-100m處，用于檢測到達(dá)車輛的數(shù)量。檢測器實時檢測交叉口各車道的交通流量，并在獲取交通流量信息后向模糊控制器提供必要的數(shù)據(jù)。我國《交通法》規(guī)定，在不考慮行人的情況下，交叉口右轉(zhuǎn)交通流量不會影響其他方向的交通流量。因此，該模型在信號和相位安排上沒有考慮右轉(zhuǎn)交通流的影響。本文的十字路口采用四相位控制：東西直行一東西左轉(zhuǎn)一南北直行一南北左轉(zhuǎn)，如圖4-3所示。圖4-3十字路口四相位示意圖4.4十字路口交通信號模糊控制器的設(shè)計目前，許多學(xué)者正在研究模糊控制理論并將其應(yīng)用于許多不同的領(lǐng)域。同時，模糊控制理論也顯示出其獨特的優(yōu)勢。在交通信號控制中，許多學(xué)者構(gòu)造了許多不同的語言變量和模糊控制器。它們通常使用當(dāng)綠燈信號時進(jìn)入的車輛數(shù)量、當(dāng)紅燈信號時等待的車輛數(shù)量或紅燈信號的持續(xù)時間等。作為輸入變量，綠光信號的持續(xù)時間作為輸出變量。但研究中沒有考慮交叉口的交通擁堵問題，因此對于交通擁堵問題，他們的結(jié)論是不正確的。此外，如果存在交通擁堵，交叉口交通必然會出現(xiàn)車輛滯留的情況，導(dǎo)致交通流過飽和。如果某個交叉口的車輛發(fā)生滯留，必然會使交叉口下游的綠燈信號丟失，即當(dāng)前交叉口綠燈保持亮，但沒有車輛通過。因此，如果發(fā)生交通堵塞，則當(dāng)前使用的交通控制器在不考慮使用交通控制的情況下不能很好地處理上述情況。為了解決這一擁塞問題，本文采用了一種等分模糊交通控制器，即模糊控制器語言變量的隸屬函數(shù)大小和形狀相同，然后采用隸屬函數(shù)修正算法。采用聚類算法對模糊推理系統(tǒng)的輸入輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，設(shè)計了一種更加精確的模糊控制器。該模糊控制器通過合理改變交通燈的顯示方式，實現(xiàn)交通燈的智能控制，減少交通擁堵，減少車輛通過交叉口的延誤時間。。4.4.1確定輸入、輸出變量目前，交叉口模糊控制主要采用以下兩種控制策略來控制相位，一種是相位變化控制方式；另一種非相位控制模式，對于前者來說，雖然在一定程度上可以提高信號利用率，減少車輛延誤，但由于人們的固定思維和目前常用的傳統(tǒng)控制模式的影響，如果變相的交通，一旦駕駛員的注意力不特別集中，就會導(dǎo)致交通事故的發(fā)生，所以本文采用了非相位控制策略。智能交通控制系統(tǒng)的實質(zhì)是模擬一個有經(jīng)驗的交警在復(fù)雜的交通條件下，指揮各車道的車輛行為。實現(xiàn)這一目標(biāo)的具體手段是調(diào)整交叉口各階段的綠燈時間，因為本文重點研究了如何處理可能產(chǎn)生擁堵的交叉口，因此，本文采用的判斷依據(jù)是，系統(tǒng)的輸入變量是當(dāng)前階段的車輛數(shù)量、紅燈信號持續(xù)時間和該路段的交通擁堵情況，即當(dāng)前交叉口的車輛數(shù)量，不包括當(dāng)前階段的車輛；輸出變量當(dāng)前相位的綠色時間。(1)在使用這種模糊控制方法之前，本文假定以下兩種情況是正確的:(2)傳感器能夠準(zhǔn)確檢測出交叉口擁堵；(3)黃色信號燈的持續(xù)時間由當(dāng)前交叉口的寬度和車隊長度決定。模糊控制器的輸入如下：當(dāng)前相位的等待通行的車輛數(shù)、紅燈信號的持續(xù)時間以及后續(xù)第一個相位的等待車輛數(shù)，其變化范圍為[[0，50]，論域為，定義其模糊子集為{很短，短，中，長，很長}，簡記為VS（VerySmall），S（Small），M（Medium），L（Large）和VL（VeryLarge）；輸出為當(dāng)前相位的綠燈時間，其變化范圍為[0，50]，論域為E，定義其模糊子集為{很短、短、中、長、很長}，簡記為VS（VerySmall），S（Small），M（Medium），L（Large）和VL（VeryLarge）。輸出變量分為直行和左轉(zhuǎn)，其中直行的時間范圍是[]，左轉(zhuǎn)的時間范圍[]，則直行的量化因子為=（）/10，左轉(zhuǎn)的量化因子為=（)/10。其中，是直行綠燈時間最小值，是直行綠燈時間的最大值，、是左轉(zhuǎn)綠燈時間的最小值和最大值。4.4.2隸屬度函數(shù)曲線以及修正算法三角形隸屬函數(shù)曲線具有形狀簡單、計算工作量小、節(jié)省存儲空間、輸入值變化等特點，適合于簡單計算，與其他隸屬函數(shù)相比具有較大的靈敏度。因此，本文的輸入輸出變量采用大小和形狀相同的三角形隸屬函數(shù)，隸屬度曲線如圖4-4所示。三角形隸屬函數(shù)雖然有很多優(yōu)點，但由于采用了相同大小和形狀的隸屬函數(shù)，當(dāng)控制范圍超過一定范圍時，控制性能會下降。因此，使用以下方法進(jìn)行更正。圖4-4隸屬度曲線圖其中：get_input_data()是輸入數(shù)據(jù)，get_output_data()是輸出數(shù)據(jù)，eval()利用（式1）對數(shù)據(jù)輸入輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行計算。fitness=，其中分子是輸入/輸出數(shù)據(jù)，分母是輸入/輸出數(shù)據(jù)集的基數(shù)（式1）delete_inconsistent()是刪除不滿足輸入輸出規(guī)則的數(shù)據(jù)，clustering()是指使用K-均值算法減少輸入輸出數(shù)據(jù)并且返回當(dāng)前數(shù)據(jù)值，make_newes_FLC()修改當(dāng)前數(shù)據(jù)并且執(zhí)行“clustering()”后返回。4.4.3模糊控制規(guī)則的制定根據(jù)交通控制理論和交叉口控制的實際經(jīng)驗，制定了具體的模糊控制規(guī)則?？刂撇呗圆捎谩癷f-then”的形式。對于模糊控制規(guī)則，條件部分由and算子連接的子條件組成，控制規(guī)則的一般形式是：這里，分別是論域上定義的模糊子集。根據(jù)當(dāng)前階段等待通過的車輛數(shù)量、紅燈信號持續(xù)時間和后續(xù)第一階段等待通過的車輛數(shù)量判斷當(dāng)前階段的綠燈時間。例如，如果當(dāng)前交通階段的等待車輛的數(shù)量是vs，紅燈信號的持續(xù)時間是vs，并且后續(xù)第一階段的等待車輛的數(shù)量是vs，則當(dāng)前階段的綠燈時間也將很小，用模糊子集表示為vs。其模糊控制規(guī)則如表4-1所示：表4-1模糊控制規(guī)則表4.4.4模糊推理在模糊邏輯中，“if-then”都表示了輸入與輸出之間的模糊關(guān)系；，并且分別對應(yīng)一條模糊條件語句，的隸屬函數(shù)為：（式2）由于所有的控制規(guī)則是用or算子聯(lián)接即：（式3）R的隸屬函數(shù)是：（式4）由此可得輸出：（式5）E的隸屬函數(shù)是：（式6）上述過程得到的結(jié)果是模糊子集，但在實際控制過程中，只有精確的控制量才能作用于被控對象。因此，為了將模糊子集轉(zhuǎn)化為精確的控制量，本文采用平均最大值法來實現(xiàn)抗模糊化過程，得到綠燈時間的精確控制量，再通過下列公式將它轉(zhuǎn)換成為實際控制量e，實現(xiàn)對控制對象進(jìn)行控制的目的。（式7）（式8）4.5系統(tǒng)仿真及結(jié)果分析為了模擬實際交叉口的交通狀況，采用二項式分布隨機數(shù)來描述交通流，即到達(dá)交叉口停車線的車輛數(shù)量服從二項式分布。本文利用MATLAB進(jìn)行仿真實驗，將通過當(dāng)前交叉口的車輛數(shù)量和車速按照一定的規(guī)則分為五個等級，由于在制定模糊規(guī)則時，車輛數(shù)最大值是200，因此以50為臨界值劃分車輛的層次，則有40±10，80±10，120±10，160±10和200±10，車速的層次為lOkm/h，20km/h，3Okm/h，40km/h和5Okm/h。信號周期設(shè)定為100秒，每次仿真時間為20min。交通流仿真過程：1、首先將輸入變量進(jìn)行初始化，它們分別為：(1)當(dāng)前階段等待通行的車輛數(shù)量，它是由二項分布隨機數(shù)產(chǎn)生的，同時它也受綠燈時間的影響；(2)紅燈信號的持續(xù)時間，因為在交通管制中，信號周期是固定的，而本文的模糊輸出是綠燈時間，所以我們應(yīng)該不斷地修改它；(3)等待下一個第一階段的車輛數(shù)量，這是短期交通流量預(yù)測的結(jié)果。(4)送入模糊控制器進(jìn)行處理，得到當(dāng)前相位的綠燈時間；(5)分別計算左綠燈時間和直綠燈時間；(6)計算當(dāng)前階段結(jié)束后通過的車輛數(shù)量。本文采用延遲時間作為衡量控制器性能的標(biāo)準(zhǔn)。延遲時間是以一輛車在該路口等待1秒作為基本單位，即如果在該路口等待車輛的數(shù)量是s輛，平均在該路口等待的時間為t秒，則在該路口的車輛延誤為st秒。實驗結(jié)果如圖3-5及3-6所示，分別對不同車輛速度下以及不同車輛數(shù)的情況下，采用不同的控制手段下的延遲時間，其中是定時信號控制器，是采用了修正算法的模糊控制器，是未進(jìn)行修正的模糊控制器。圖3-5不同車速下的延遲時間圖3-6不同的車輛數(shù)下的延遲時間從上圖可以看出，本文所采用的模糊控制方法在任何時候都不會優(yōu)于傳統(tǒng)的定時控制方法，但隨著車輛流量和車速的增加，模糊控制的性能優(yōu)勢逐漸體現(xiàn)出來。總結(jié)本文首先簡要介紹了國內(nèi)外交通燈自動識別的背景和現(xiàn)狀，分析了存在的問題，提出了智能信號系統(tǒng)的自動識別技術(shù)。交通流信息由識讀器采集，針對道路交通系統(tǒng)的非線性、時延和不確定性等特點，采用模糊理論對交叉口進(jìn)行控制。輸入/輸出變量采用相同大小和形狀的隸屬函數(shù)，簡化了問題。為了提高輸出的靈敏度，引入隸屬度函數(shù)校正算法對隸屬度函數(shù)進(jìn)行校正。利用聚類算法對模糊推理系統(tǒng)的輸入輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，使模糊控制器的控制效果更加準(zhǔn)確。同時對模糊控制器進(jìn)行了仿真。結(jié)果表明，隨著交通流量和車速的增加，模糊控制器的優(yōu)勢非常明顯，可以減少交通擁堵，縮短車輛通過交叉口的延誤時間。鑒于本人的研究深度、實驗設(shè)備的局限性以及城市交通變化情況的不確定性，本文的智能信號控制系統(tǒng)仍處于非常簡單的城市交通信號控制研究水平。該系統(tǒng)在實際應(yīng)用中沒有充分考慮各種可能因素的影響，而是提出了一種相對簡單的控制策略和設(shè)計思路。模擬中使用的數(shù)據(jù)與交叉口的實際交通流數(shù)據(jù)存在一定的差距。如果能夠獲得更多真實的交通流數(shù)據(jù)，控制效果將更加真實。參考文獻(xiàn)徐世文.交通信號燈故障自動檢測系統(tǒng)研究[J].城市建設(shè)理論研究:電子版,2011(22).王豪.交通信號燈識別技術(shù)方法的研究[D].東北大學(xué),2013.張歡歡,金琳,黃平平,等.基于RFID檢測技術(shù)的交通信號燈實時控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計[J].中國水運(下半月),2010,10(11):83-84.彭祖勝.交通標(biāo)志和信號燈實時檢測與識別技術(shù)研究[D].重慶大學(xué),2012.金濤.復(f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、Length一需要讀標(biāo)簽的字節(jié)長度、ID一識別的標(biāo)簽ID返回值、Value一讀取的標(biāo)簽存儲器內(nèi)容返回值4,DrfReadSingleTagO函數(shù)原型:DrfReadSingleTagO(HANDLEhCom,unsignedintTagType,unsignedchar*Id,unsignedcharAddr,unsignedcharLength,unsignedchar*value)功能說明:讀取指定標(biāo)簽的存儲器內(nèi)容