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摘要：随着我国经济的飞速发展，交通堵塞问题已经成为制约经济发展的因素之一，智能化的交通控制系统的需求越来越高。针对目前交通信号机多采用定时控制或感应控制，难以实现真正意义上的交通参数动态优化，提出一种基于TMS320C6713DSP的自适应智能交通信号机的设计方案;由于选用了高速浮点处理器件，该系统可进行在线动态优化以实现自适应控制;文章详细介绍了系统组成和工作原理，并给出了具体的软硬件设计方案;使用结果表明，这种智能交通信号机系统性能稳定可靠，功能较强，可以方便地实现交通网络协调控制。
关键词：自适应；智能交通；信号机；系统设计
1、前言
城市化进程的加快，使得ITS备受关注，而自适应交通信号控制系统也已成为ITS的发展趋势。目前我国普遍应用的是定时控制系统，它根据以往的交通情况，按统计规律预先设定信号周期和绿灯时间等参数，在整个运行过程中，参数始终不变，而实际交通情况是不断变化的，往往与设计时不同，特别是当道路交通流量发生波动时，出现城市交通拥挤、车辆受阻排队难以清除、车辆延误时间增大等现象。
2、系统硬件设计
由于车流具有连续运动的特点，一个周期结束时的车辆排队长度不但与本信号周期的信号控制参数(周期与绿信比)和车辆到达情况有关，而且要受前一个信号周期结束时各个方向车道的延误排队车辆的影响，同时它又影响着下一个信号周期结束时各车道上的延误排队车辆数，本系统设计时充分考虑了这种信号周期间存在的车流耦合关系，采用一套独立的算法，推导出当前信号控制所应采用的参数值，然后去控制信号灯的变化。
自适应控制需要考虑因素较多，且考虑到绿信比这一优化参数为浮点数，为了保证实时性、准确性，系统采用高速浮点DSP器件TMS320C6713作为中央处理单元。考虑到目前使用的感应线圈检测需要破坏路面，故系统设计时采用图像技术来进行交通信息采集。
图1为自适应交通信号控制机原理结构。系统采用模块化设计，主要包括基于TMS320C6713的主控板，应急电路，人机接口与显示模块，基于图像的交通量采集模块，驱动锁存电路及其他外围电路等。系统内部采用总线传输，克服了现有信号机一旦成品，就不能任意更改灯色输出路数、相位数等的缺陷，提高了信号机的通用性和可扩展性。
图1智能交通信号机原理结构
系统总体设计思路如下:图像检测模块对CCD获取的现场图像进行处理，提取车辆的排队长度等车流量信息，发送给主控板，由主控板根据各路口的信息实时计算出合适的配时方案，实现交叉路口信号的实时控制;或者通过通信模块将交叉路口各个方向的车流量信息实时传送到区域上位机，由上位机根据区域内各路口车流量信息进行区域信号优化，并将各交叉路口的配时方案又通过通信模块下送到主控板中，由主控板执行信号配时方案，实现区域内多个交叉路口交通信号的综合实时优化控制。主要功能模块如下。
2.1主控板
信号控制机采用嵌入式硬件结构，主控板是通用的。由于自适应控制需要考虑的因素较多，致使主控板需要执行繁重的通信和算法处理，对处理器的通信和运算速度有很高的要求，TMS320C6713能满足这些要求。C6713采用了修正的哈佛总线结构，VLIW指令，具有8级流水线，指令周期小，程序运行快，2400/1800MIPS/MFLOPS的执行速度，从而保证了系统的实时性;多个处理单元，硬件乘法器，使得C6713的运算处理能力可以满足系统数据实时处理的要求;近16个通用IO端口，使得C6713具有了其他DSP芯片(如C5000系列)所不具备的强大的控制能力，从而可以协调控制诸多模块协同工作。由于C6713可以运行在250MHz，因此可以满足很多智能交通算法的需求。
2.2异步串行接口电路及通信模块设计
为了提高通用性，使信号机适应各种不同的环境(距离影响，成本高低，地域等)，与外部通信部分既可通过光纤、双绞线、电力线作为介质，也可以无线通信方式进行。通过光纤通信时，选用MAX3232作为电平转换芯片，与McBSP1端口相连，外接光端机。若现场实际适合使用双绞线传输，则采用LonWorks总线进行。选用Echelon公司的FT3150芯片，外接耦合电路便可以实现双绞线传输。利用电力线作为传输介质时，将Neuron3150芯片与C6713的1个扩展串口通道相连，通过收发器及耦合电路，将传输信息耦合到电力线上。
2.3基于图像的交通量检测模块
现有交通信号控制系统的交通量检测器一般采用环形线圈，安装时要进行道路挖掘或路口的改造，以及埋设地下管线等工作，必须关闭车道，经常给人们带来不便;同时它检测参数比较少，对混合交通流难以进行较准确的检测，又不能实现多车道覆盖检测、跨越车道线检测等。因此该系统中我们采用一个独立的基于TMS320VC5402DSP的图像检测系统来进行交通量采集。它可同时进行交通参数检测、停车车辆检测、车辆排队检测、自动事故检测，相当于复用了4种检测器的功能，实现多种检测。通过它检测的信息可以定时的传送给交通信号机主控板以及上位控制机。
2.4上位控制机
通过上位控制机可以实现一个区域交通的集中管理与调度，用于接收各种控制信息，向各信号机发布指令，汇总交通信息并进行运算、分析和处理。由于上位机需要实时和多个路口完成数据通信，在程序开发中主要考虑并行性和实时性的要求。另外，上位机中要进行多路口信号的优化，因此，其本身的优化和配置也非常重要。为了达到理想的交通控制效果，在上位机中还设置有专用的数据库，用来存放交通数据信息、实时的和历史的控制参数和状态数据等信息，以备记录、分析之用。
3、系统软件设计
城市交通控制的目标是实现信号周期、绿信比和相位差的最优化，减少路网内车辆在路口的停车等待时间，以期达到最大的通行效率，这是系统软件设计时应该考虑的问题。结合系统实时采集到的车流数据，系统计算并生成各路口的配时方案表，通过通信网络实时下传至各路口信号机，控制灯色的变化。信号机系统程序采用C语言编写，系统软件采用模块化设计方法，整个程序由系统主程序、初始化程序、定周期控制模块、多时段控制模块、自适应控制模块、黄闪控制模块、以及区域联网控制模块等构成。系统上电后，先进行初始化，检测输入开关量，完成控制模式的确定，并建立控制方案。
选择自适应控制时，主控制器向图像采集板的DSP发出中断申请，图像采集板对CCD拍摄的图像进行处理，调用提取交通量信息子程序，得到交通量信息，向主控制器申请中断，主控制器响应中断请求，并通过LonWorks网络得到交通量信息。主控制器利用存储在FLASH中的上一控制周期的控制信息以及本周期内的交通量信息，采用交通信号动态控制优化算法，进行参数优化，最终得到优化的周期、绿信比、相位差等控制参数，再利用系统内部总线将其传输给应急电路，应急电路进行绿冲突检测，检测无误后传输给驱动电路，信号灯即按相应的参数配时工作。为了进一步提高系统抗干扰能力，软件设计时采用了指令冗余、软件陷阱及软件看门狗等一系列软件抗干扰技术。
4、结语
引进国外先进的交通控制系统，在国内混合流严重的交通状况下，并不能完全适应。因此，开发适合我国国情的城市交通区域控制系统，已成为我国交通控制领域的重要课题。实验结果表明，所研制的区域控制的智能交通信号机系统具有多种功能选择，运行性能良好，稳定可靠。
参考文献
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