基于无线传感器网的智能交通信号控制设计

摘要：为了控制车辆在交叉路口顺畅通行，提出了一种基于无线传感器网的智能交通信号控制设计。利用传感器节点收集的交通信息，结合多Agent的协同方法，在不同的时段采用不同的路口控制模式，控制终端根据采集到的交通信息自适应地控制车辆通行时间，实现了交通信号灯的无线智能控制，从而提高车辆通行效率，实现交通信号控制的智能化、网络化。
关键词：无线传感器网；多Agent；路口控制模式；智能交通

    为了缓解交通压力，降低修路资金投入，减少车辆延误，节能减排，建设和谐的交通环境，设计智能交通信号控制是建设资源节约型社会的必然选择。
    现有交通信号控制系统主要分为两类：定时控制和感应式控制。定时控制不能根据车辆的流量自适应地动态调节延时时间，可能会造成车辆延误时间长及不必要的拥塞等情况：感应式控制可以根据车流的状态采用不同的控制模式，但目前的研究大部分只能单独地控制某一点，并不能实时、多点、联测、联动的控制。
    本文设计了一种基于无线传感器网的智能交通控制，利用传感器节点采集交通信息，智能交通控制终端根据采集到的交通信息，选择合适的路口控制模式，调整各交叉路口的绿信比，协调干线各路口周期的确定和各路口之间的相位差，自适应地控制车辆通行时间，从而保证车辆通行质量，实现交通信号控制的智能化、网络化。

1 路口控制模式
    传统的路口控制模式是定时控制，先进的路口控制模式有模糊控制、绿波带模式、夜间模式和急停模式。模糊控制模式是根据随机的车辆流量智能完成模糊增减交通信号控制时间。绿波带模式在单向车辆高峰期时，将各个路口间红绿灯起始点亮时间延宕一定量来保证车辆一路畅行。夜间控制模式可在夜晚车辆流量为零负荷的状态使用，仅使用黄灯警示开车司机，减少能源和时间的消耗。急停模式可为紧急车辆开辟通行空间，在紧急车辆方向开启绿灯，别的方向开启红灯。本设计提出在不同的时段采用不同的控制模式，在9：00～11：30，14：30～17：30和20：30～24：00时段采用模糊控制模式；在5：30～9：00，11：30～14：30和17：30～20：30时段采用绿波带模式；在0：00～5：30时段采用夜间控制模式；在检测到紧急车辆时采用急停控制模式。具体时段的设置可以根据具体的区域或车辆流量，由信号机重设或修改。选择多种控制模式可以实现交通控制的合理化，从实际上缓解交通路口的压力。

2 智能交通控制设计
2．1 基于多Agent的智能交通控制模型
    多Agent系统(MAS)一直是人工智能领域的研究热点，MAS具有主动性、层次性、动态性和可操作性等优点田。在MAS中，协作不仅能提高单个Agent以及由多个Agent所形成系统的整体行为性能，增强Agent与多Agent系统解决问题的能力，还能使系统具有更好的灵活性。国内外研究表明。与传统建模方法(如还原论方法、归推理方法等)相比，MAS建模可以较好地刻画复杂系统特性。MAS建模主要用于表现复杂情况(个体有复杂的、不同的行为，并存在交互)，多Agent复杂适应系统的建模是复杂系统建模的一种重要方法，多Agent间的交互和协作是多个Ag-ent个体在开放、动态环境下，在资源有限的情况下实现多个目标的关键。
    交通信号控制系统是一个典型的复杂大系统，具有时变、非线性等特点，它是由许许多多关系密切而复杂的不同领域、不同功能的子系统按不同层次综合集结而成的。目前，各种交通子系统接自身的优化目标运作，不考虑与其他系统的集成与协作，使得交通系统难以达到最优。综合分析与协调各交通子系统，是智能交通的发展趋势。本文构建了基于多Agent的智能交通控制模型，控制模型如图1所示。

    图1中，智能交通控制模型中各Agent的功能如下：
    1)交通管理Agent  帮助建立起其他Agem之间的通讯链接，还负责系统管理多Agent的增加和删除等。
    2)数据管理Agent  数据采集Agent利用传感器节点对路面的车辆流量等状态向量信息进行采集；数据处理Agent将收集到的车辆信息数据进行计算处理，计算出各交叉路口交通控制的各种控制向量；数据传输Agent向智能交通控制数据库传输数据，并与其他数据源进行交流；数据备份与恢复Agent将智能交通控制数据库中的数据进行备份和还原。
    3)智能交通控制Agent  时刻确定Agent获取控制时间段；模式选择Agent生成路口控制模式；控制方法Agent将控制任务分解，发送给绿信比Agent、相位差Agent、周期Agent、综合控制Agent，完成单个控制向量的单独控制或多个控制向量的综合控制，同时它还负责从综合控制Agent那里得到最后的控制结果并输出给相应用户。绿信比Agent、相位差Agent、周期Agent是完成控制任务的主体，进行绿信比、相位差和周期控制，然后将结果送给综合控制Agent。综合控制Agent获取绿信比、相位差和周期控制Agent的输出结果并利用综合控制方法将结果汇总，汇总得出各交叉路口智能控制值，生成交叉路口智能控制汇总数据报表，并将最终结果发送给控制执行Agent。控制执行Agent对各交叉路口智能控制结果进行执行。
2．2 基于无线传感器网的交通信号控制
    无线传感网是集计算机、通信、网络、智能计算、传感器、嵌入式系统、微电子等多个领域交叉综合的新兴学科，它将大量多种类传感器节点(传感、采集、处理、收发、网络于一体)组成自治的无线网络，实现对物理世界的动态协同感知。它能实时、动态获得物理世界的传感信息，并且将相关信息与通讯主干网融合，实现了现有的计算机网络虚拟世界向真实物理世界的延伸，改变了人类和自然界交互的方式。
    无线传感器网络用于构建交通信息系统具有以下优点：1)其无线自组、泛在协同的特点使系统布设和维护十分方便，可以降低用户成本，布设和维护时不会影响车辆的正常行驶，便于提高交通信息采集系统的可扩展性；2)规模的分布式监测和协同计算技术在能力上优于传统的单点或局部监测技术。
    在交通信号控制中，需进行信息采集、处理、传输，控制模式选择，控制结果输出执行等操作。传感器节点是构成无线传感器网的基本要素，具有信息采集、信息处理和无线通信功能，它们既是数据包传输的发起者，也是数据包的转发者。针对多路口交通信号灯控制系统，采用三层WSN组织结构，第1层为信息采集层，负责采集各路口车辆信息；第2层为控制层，负责调整各交叉路口的绿信比；第3层为协调层，负责协调干线各路口周期的确定和各路口之间的相位差。多路口交通信号灯控制系统WSN组织结构如图2所示。

    相邻路段的信息采集节点组成信息采集层，路口交通信号灯控制节点组成控制层。信息采集层和控制层传感器节点自组织成簇：交通信号灯控制节点作为簇首，信息采集节点作为簇成员。簇首负责采集簇内信息采集节点的数据，进行数据融合，并与相邻簇首节点进行通信；簇成员节点负责路面车辆信息的采集。从簇首节点中，选取一个节点作为汇聚节点，汇聚节点与控制中心组成协调层。汇聚节点以多跳的方式与各簇首节点通信，收集各路口车流量信息，将数据送到控制中心，控制中心进行综合处理，协调各路口工作。
    信息采集节点负责路面车流信息的采集，基于RFID技术进行车辆检测，在车辆前挡风玻璃上粘贴RFID标签，在交叉路口四个方向的红绿灯前50～70 m安装RFID读写器，并调整信号灯控制器软件，检测交叉路口附近的车辆流量，采集到车辆数据后，将此数据信息以多跳通信的方式传递给交通信号控制节点，经数据融合后传递给汇聚节点；汇聚节点收集各路口车流量信息，控制中心根据设定的目标(如通行量最大、平均候车时间最短等)运用智能控制方法计算出最佳方案，并输出给各路口交通信号控制节点，控制车辆的通行与禁止，实现多路口的协调控制。

3 结论
    本文构建了基于多Agent的智能交通控制模型，提出了一种基于无线传感器网的智能交通控制部署，利用传感器节点采集交通信息，交通信号控制节点进行数据融合，并将数据传送给控制中心，控制中心进行综合处理，选择合适的路口控制模式，调整各交叉路口的绿信比，协调干线各路口周期的确定和各路口之间的相位差，自适应地控制车辆通行时间，从而保证车辆通行质量，实现交通信号控制的智能化、网
络化。