基于無線傳感器網(wǎng)的智能交通信號控制設(shè)計

摘要：為了控制車輛在交叉路口順暢通行，提出了一種基于無線傳感器網(wǎng)的智能交通信號控制設(shè)計。利用傳感器節(jié)點收集的交通信息，結(jié)合多Agent的協(xié)同方法，在不同的時段采用不同的路口控制模式，控制終端根據(jù)采集到的交通信息自適應(yīng)地控制車輛通行時間，實現(xiàn)了交通信號燈的無線智能控制，從而提高車輛通行效率，實現(xiàn)交通信號控制的智能化、網(wǎng)絡(luò)化。
關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)；多Agent；路口控制模式；智能交通

    為了緩解交通壓力，降低修路資金投入，減少車輛延誤，節(jié)能減排，建設(shè)和諧的交通環(huán)境，設(shè)計智能交通信號控制是建設(shè)資源節(jié)約型社會的必然選擇。
    現(xiàn)有交通信號控制系統(tǒng)主要分為兩類：定時控制和感應(yīng)式控制。定時控制不能根據(jù)車輛的流量自適應(yīng)地動態(tài)調(diào)節(jié)延時時間，可能會造成車輛延誤時間長及不必要的擁塞等情況：感應(yīng)式控制可以根據(jù)車流的狀態(tài)采用不同的控制模式，但目前的研究大部分只能單獨地控制某一點，并不能實時、多點、聯(lián)測、聯(lián)動的控制。
    本文設(shè)計了一種基于無線傳感器網(wǎng)的智能交通控制，利用傳感器節(jié)點采集交通信息，智能交通控制終端根據(jù)采集到的交通信息，選擇合適的路口控制模式，調(diào)整各交叉路口的綠信比，協(xié)調(diào)干線各路口周期的確定和各路口之間的相位差，自適應(yīng)地控制車輛通行時間，從而保證車輛通行質(zhì)量，實現(xiàn)交通信號控制的智能化、網(wǎng)絡(luò)化。

1 路口控制模式
    傳統(tǒng)的路口控制模式是定時控制，先進的路口控制模式有模糊控制、綠波帶模式、夜間模式和急停模式。模糊控制模式是根據(jù)隨機的車輛流量智能完成模糊增減交通信號控制時間。綠波帶模式在單向車輛高峰期時，將各個路口間紅綠燈起始點亮?xí)r間延宕一定量來保證車輛一路暢行。夜間控制模式可在夜晚車輛流量為零負荷的狀態(tài)使用，僅使用黃燈警示開車司機，減少能源和時間的消耗。急停模式可為緊急車輛開辟通行空間，在緊急車輛方向開啟綠燈，別的方向開啟紅燈。本設(shè)計提出在不同的時段采用不同的控制模式，在9：00～11：30，14：30～17：30和20：30～24：00時段采用模糊控制模式；在5：30～9：00，11：30～14：30和17：30～20：30時段采用綠波帶模式；在0：00～5：30時段采用夜間控制模式；在檢測到緊急車輛時采用急?？刂颇Ｊ?。具體時段的設(shè)置可以根據(jù)具體的區(qū)域或車輛流量，由信號機重設(shè)或修改。選擇多種控制模式可以實現(xiàn)交通控制的合理化，從實際上緩解交通路口的壓力。

2 智能交通控制設(shè)計
2．1 基于多Agent的智能交通控制模型
    多Agent系統(tǒng)(MAS)一直是人工智能領(lǐng)域的研究熱點，MAS具有主動性、層次性、動態(tài)性和可操作性等優(yōu)點田。在MAS中，協(xié)作不僅能提高單個Agent以及由多個Agent所形成系統(tǒng)的整體行為性能，增強Agent與多Agent系統(tǒng)解決問題的能力，還能使系統(tǒng)具有更好的靈活性。國內(nèi)外研究表明。與傳統(tǒng)建模方法(如還原論方法、歸推理方法等)相比，MAS建?？梢暂^好地刻畫復(fù)雜系統(tǒng)特性。MAS建模主要用于表現(xiàn)復(fù)雜情況(個體有復(fù)雜的、不同的行為，并存在交互)，多Agent復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)的建模是復(fù)雜系統(tǒng)建模的一種重要方法，多Agent間的交互和協(xié)作是多個Ag-ent個體在開放、動態(tài)環(huán)境下，在資源有限的情況下實現(xiàn)多個目標(biāo)的關(guān)鍵。
    交通信號控制系統(tǒng)是一個典型的復(fù)雜大系統(tǒng)，具有時變、非線性等特點，它是由許許多多關(guān)系密切而復(fù)雜的不同領(lǐng)域、不同功能的子系統(tǒng)按不同層次綜合集結(jié)而成的。目前，各種交通子系統(tǒng)接自身的優(yōu)化目標(biāo)運作，不考慮與其他系統(tǒng)的集成與協(xié)作，使得交通系統(tǒng)難以達到最優(yōu)。綜合分析與協(xié)調(diào)各交通子系統(tǒng)，是智能交通的發(fā)展趨勢。本文構(gòu)建了基于多Agent的智能交通控制模型，控制模型如圖1所示。

    圖1中，智能交通控制模型中各Agent的功能如下：
    1)交通管理Agent  幫助建立起其他Agem之間的通訊鏈接，還負責(zé)系統(tǒng)管理多Agent的增加和刪除等。
    2)數(shù)據(jù)管理Agent  數(shù)據(jù)采集Agent利用傳感器節(jié)點對路面的車輛流量等狀態(tài)向量信息進行采集；數(shù)據(jù)處理Agent將收集到的車輛信息數(shù)據(jù)進行計算處理，計算出各交叉路口交通控制的各種控制向量；數(shù)據(jù)傳輸Agent向智能交通控制數(shù)據(jù)庫傳輸數(shù)據(jù)，并與其他數(shù)據(jù)源進行交流；數(shù)據(jù)備份與恢復(fù)Agent將智能交通控制數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進行備份和還原。
    3)智能交通控制Agent  時刻確定Agent獲取控制時間段；模式選擇Agent生成路口控制模式；控制方法Agent將控制任務(wù)分解，發(fā)送給綠信比Agent、相位差A(yù)gent、周期Agent、綜合控制Agent，完成單個控制向量的單獨控制或多個控制向量的綜合控制，同時它還負責(zé)從綜合控制Agent那里得到最后的控制結(jié)果并輸出給相應(yīng)用戶。綠信比Agent、相位差A(yù)gent、周期Agent是完成控制任務(wù)的主體，進行綠信比、相位差和周期控制，然后將結(jié)果送給綜合控制Agent。綜合控制Agent獲取綠信比、相位差和周期控制Agent的輸出結(jié)果并利用綜合控制方法將結(jié)果匯總，匯總得出各交叉路口智能控制值，生成交叉路口智能控制匯總數(shù)據(jù)報表，并將最終結(jié)果發(fā)送給控制執(zhí)行Agent?？刂茍?zhí)行Agent對各交叉路口智能控制結(jié)果進行執(zhí)行。
2．2 基于無線傳感器網(wǎng)的交通信號控制
    無線傳感網(wǎng)是集計算機、通信、網(wǎng)絡(luò)、智能計算、傳感器、嵌入式系統(tǒng)、微電子等多個領(lǐng)域交叉綜合的新興學(xué)科，它將大量多種類傳感器節(jié)點(傳感、采集、處理、收發(fā)、網(wǎng)絡(luò)于一體)組成自治的無線網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)對物理世界的動態(tài)協(xié)同感知。它能實時、動態(tài)獲得物理世界的傳感信息，并且將相關(guān)信息與通訊主干網(wǎng)融合，實現(xiàn)了現(xiàn)有的計算機網(wǎng)絡(luò)虛擬世界向真實物理世界的延伸，改變了人類和自然界交互的方式。
    無線傳感器網(wǎng)絡(luò)用于構(gòu)建交通信息系統(tǒng)具有以下優(yōu)點：1)其無線自組、泛在協(xié)同的特點使系統(tǒng)布設(shè)和維護十分方便，可以降低用戶成本，布設(shè)和維護時不會影響車輛的正常行駛，便于提高交通信息采集系統(tǒng)的可擴展性；2)規(guī)模的分布式監(jiān)測和協(xié)同計算技術(shù)在能力上優(yōu)于傳統(tǒng)的單點或局部監(jiān)測技術(shù)。
    在交通信號控制中，需進行信息采集、處理、傳輸，控制模式選擇，控制結(jié)果輸出執(zhí)行等操作。傳感器節(jié)點是構(gòu)成無線傳感器網(wǎng)的基本要素，具有信息采集、信息處理和無線通信功能，它們既是數(shù)據(jù)包傳輸?shù)陌l(fā)起者，也是數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)者。針對多路口交通信號燈控制系統(tǒng)，采用三層WSN組織結(jié)構(gòu)，第1層為信息采集層，負責(zé)采集各路口車輛信息；第2層為控制層，負責(zé)調(diào)整各交叉路口的綠信比；第3層為協(xié)調(diào)層，負責(zé)協(xié)調(diào)干線各路口周期的確定和各路口之間的相位差。多路口交通信號燈控制系統(tǒng)WSN組織結(jié)構(gòu)如圖2所示。

    相鄰路段的信息采集節(jié)點組成信息采集層，路口交通信號燈控制節(jié)點組成控制層。信息采集層和控制層傳感器節(jié)點自組織成簇：交通信號燈控制節(jié)點作為簇首，信息采集節(jié)點作為簇成員。簇首負責(zé)采集簇內(nèi)信息采集節(jié)點的數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)融合，并與相鄰簇首節(jié)點進行通信；簇成員節(jié)點負責(zé)路面車輛信息的采集。從簇首節(jié)點中，選取一個節(jié)點作為匯聚節(jié)點，匯聚節(jié)點與控制中心組成協(xié)調(diào)層。匯聚節(jié)點以多跳的方式與各簇首節(jié)點通信，收集各路口車流量信息，將數(shù)據(jù)送到控制中心，控制中心進行綜合處理，協(xié)調(diào)各路口工作。
    信息采集節(jié)點負責(zé)路面車流信息的采集，基于RFID技術(shù)進行車輛檢測，在車輛前擋風(fēng)玻璃上粘貼RFID標(biāo)簽，在交叉路口四個方向的紅綠燈前50～70 m安裝RFID讀寫器，并調(diào)整信號燈控制器軟件，檢測交叉路口附近的車輛流量，采集到車輛數(shù)據(jù)后，將此數(shù)據(jù)信息以多跳通信的方式傳遞給交通信號控制節(jié)點，經(jīng)數(shù)據(jù)融合后傳遞給匯聚節(jié)點；匯聚節(jié)點收集各路口車流量信息，控制中心根據(jù)設(shè)定的目標(biāo)(如通行量最大、平均候車時間最短等)運用智能控制方法計算出最佳方案，并輸出給各路口交通信號控制節(jié)點，控制車輛的通行與禁止，實現(xiàn)多路口的協(xié)調(diào)控制。

3 結(jié)論
    本文構(gòu)建了基于多Agent的智能交通控制模型，提出了一種基于無線傳感器網(wǎng)的智能交通控制部署，利用傳感器節(jié)點采集交通信息，交通信號控制節(jié)點進行數(shù)據(jù)融合，并將數(shù)據(jù)傳送給控制中心，控制中心進行綜合處理，選擇合適的路口控制模式，調(diào)整各交叉路口的綠信比，協(xié)調(diào)干線各路口周期的確定和各路口之間的相位差，自適應(yīng)地控制車輛通行時間，從而保證車輛通行質(zhì)量，實現(xiàn)交通信號控制的智能化、網(wǎng)
絡(luò)化。