基于RFID技術的城市交通信號優化控制

李寧 范燕

摘 要：本文分析造成目前城市交通擁擠的原因和交通信號的控制方法,結合RFID的特性,提出基于RFID技術和自適應調節算法的城市交通信號優化控制方法,實現根據相鄰交叉路口的車流量實時調整信號燈的時間,以緩解城市的交通阻塞。

關鍵詞：RFID技術；城市交通信號；優化控制

中圖分類號：C35文獻標識碼： A

引言

一、RFID技術簡述

1、RFID的概念及其工作原理

無線射頻識別(RadioFrequencyIdentification簡稱RFID)經過射頻信號作非觸摸式自動辨認并獲取有用信息。射頻辨認商品體積小，可附著在需區分實體上，以非觸摸方法快速讀取貯存信息。一般來說，RFID體系由讀寫器、電子標簽和數據辦理體系三個構成。讀寫器讀寫電子標簽信息，經過網絡與其他計算機通訊，獲取電子標簽信息，并進而解說及數據辦理。電子標簽由RED芯片和天線構成，每個芯片含僅有辨認碼，表示電子標簽所附著物體。數據辦理體系完結數據信息存儲及辦理，可由簡略小型數據庫擔任，也可集成RFID辦理模塊的大型ERP數據庫辦理軟件。

工作原理：標簽進人磁場接收讀寫器發出射頻信號，憑感應電流能量發送在芯片存儲的信息或主動發送某一頻率信號，讀寫器讀取信息并解碼，送至數據管理系統進行處理。其目的是讓所有的物品都與網絡連接在一起,方便識別和管理。

2、RFID的特性

讀寫速度快：傳統條碼、IC卡等辨認技能一次只掃描一條記載，而RFID非觸摸方法及無方向性需要，標簽一進入磁場，解讀器即時讀取其間信息，幾毫秒就可完結一次讀寫。防抵觸機制使之可一起處理多個標簽，完成批量辨認，每秒一起最多可辨認50個，能在運動中辨認；形狀多樣、體積?。篟FID讀取時不受形狀與尺度約束，不需為讀取精度而配合紙張固定尺度和打印質量。此外，其標簽往小型化與多樣化開展，可用于不一樣商品；環境習慣能力強：RFID對水、油、藥品等的抗污性強，RFID在私自也可讀取數據；可重復使用：RFID為電子數據，可反復被覆寫收回標簽重復使用；穿透性好，無障礙閱覽：即使被掩蓋，RFID也可穿透木材、紙張和塑料等非金屬或非通明原料，作穿透性通訊。不過其關于鐵質金屬就無法通訊；數據回憶容量大：容量隨回憶標準開展而擴展，將來物品所需帶著資料愈來愈大，對卷標所能擴充容量需要也添加，而RFID不會受到約束；安全性高：RFID按世界統一電子商品代碼的編碼制在出廠前就固化在芯片中的，不重復、不行仿制。數據可加密，扇區可獨立一次確定，并根據用戶需要確定重要信息，難仿冒、難侵入。

二、RFID在城市道路交通管理中的應用

RFID技能在城市道路交通中使用廣泛，如高速路收費系統、公交卡、自行車辦理、車輛證照信息辦理、泊車場辦理、不停車收費等，可記載車輛詳細信息、行駛路線及是不是超出營運范圍，還可用RFID技能計算交通流量，供給交通精確數據，為交通規劃供給精確依據，保證城市道路交通曉暢有序。

1、公交一卡通

RFID技術在公共交通領域應用最為廣泛的就是公交一卡通，如深圳深圳通、香港八達通、廣州羊城通等，其中，香港八達通可搭乘香港所有地鐵、火車、公共汽車、輕軌、小型巴士、輪渡等。

2、公共交通管理與調度

RFID技術在公共交通管理和調度上也有著廣泛的使用，如上海市公共汽車到、離站信息管理，裝置在站臺顯示屏顯示公車輛行將抵達與行將起程稱號、位置及時刻。杭州公交優先系統，對疾速公交一號線路上31個燈控路口裝置RFID設備，當公交車駛近路口200米時RFID就能讀到公交車信息，并在信號操控設備合作下，調理紅綠燈時刻確保公交先行。

3、電子不停車收費(ETC)

電子不停車收費體系運用RFID技能，通過路側天線與車載電子標簽之間專用短程通訊，不需司機泊車和其他收費員采納操作，主動完結收費過程。不停車收費涉及交通基礎設施出資回收，是緩解收費站交通堵塞的有用手法，可削減大量的收費卡運用，為此，不少國家都優先投入不停車收費體系且活躍推行，如香港，廣東粵通卡等，其間香港體系從1992年起在港十多條主要公路干線及隧道上進行不停車收費，每天為香港20多萬帶有RFID不泊車收費卡的用戶供給服務。

4、智能停車場管理

智能車場體系能有用、準確、智能的對進出停車場的體系車輛和非體系車輛的數據信息辨認、收集、記載并按需上傳、處理，并可經過相應人工干預進行彌補，防止非正常事件影響。當車輛駛入/出門禁天線通信區時，天線以微波通訊的方法與進行雙向數據交換，從電子車卡上讀取車輛的有關信息，在司機卡上讀取司機的有關信息，自動辨認電子車卡和司機卡并辨別車卡是否有用和司機卡的合法性，車道操控電腦顯示與該電子車卡和司機卡一一對應的車牌號碼及駕駛員等材料信息;車道操控電腦自動將經過時刻、車輛和駕駛員的有關信息存入數據庫中，車道操控電腦依據讀到的數據進行判別完成通行和收費辦理。

三、RFID的應用分析

車輛定位：經過“車聯網”，斷定車輛進入的部分區間，定位精度取決于RFID閱讀器裝置密度；道路導航：依據事前選定道路，在抵達某要害路口前一路口，經過信息發布通知車輛應準備在某行車道行進或某出口駛出；智能信號燈操控：經過裝置在路口的RFID閱讀器可探測并核算出兩個紅綠燈間交通流，智能核算紅燈或綠燈分配時刻。一起，經過對公交車輛種類辨認，可完成公交優先的交通信號操控；城市中間區域交通流量操控：經過裝置的路口的RFID閱讀器，自動核算出進入城中間車輛的行進長度，按長度不停車收費，降低市中間交通壓力；超速正告：依據兩閱讀器區間車輛經過時刻，核算車輛行進速度。假如超速，經過信息發布對該車輛進行布告或正告；實時流量計算：依據兩閱讀器區間車輛經過量，實時進行某路段車流量計算。如流量超范圍，可進行相應正告發布及進入約束；毛病布告：如某路段因意外或例行保護需暫時封閉，可在該路段之前路口，對車輛進行布告；擁堵程度布告：經過公交站臺顯現設備，布告行將抵達的車輛已有乘客數或擁堵程度。乘客可聯系其他車輛位置，挑選等候與否；交通狀況信息轉達：經過車內顯現設備轉達從交通基礎設施提供者所收到的交通狀況信息，照實時速度、實時流量、毛病布告等。

四、城市智能交通信號控制系統概述

智能交通信號控制系統是采用高效的現代信息技術改造傳統的運輸系統，統計分析交通樞紐的實時交通流量，在此基礎上利用交通軟件和模型確定恰當的交叉口紅綠燈配時方案，以此高效優化整個交通路網。其特點主要有：兼容性，該系統能夠同時與相同標準內的各種型號、廠商的交通信號控制器相連接；實用性，該系統使用的應用軟件、技術、設備能夠符合各種城市的交通信號控制需求，且使用、建設、維護都非常簡便。如現在使用的中文圖形操作和交互界面，友好、直觀，容易操作，能夠及時提供在線幫助；開放性，該系統使用了互通互聯的拓撲結構設計，能夠滿足于未來各種功能擴展；先進性，該系統利用了最先進的信息技術和決策系統，并充分考慮未來發展需要；可靠性，該系統具有容錯、自動檢測、自動恢復、報警等功能。信號機總體上來說包括人機接口、網絡通信、中央控制器、RTC實時時鐘、故障檢測、功率驅動等部分。

1、城市智能交通信號控制措施

1.1交通信號燈控制的方式

交通路口是城市交通網中路途通行才能的關鍵所在,對交通路口實施科學的辦理操控是智能交通操控工程的重要研究課題。平常日子中的交通阻塞大部分是因為交通路口實踐通行才能不足形成的。緣由主要有兩個方面:一方面是路途計劃設計的路段通行才能已不能滿意當前的交通最大需求;另一方面是交通路口選用的信號操控戰略欠好,形成實踐通行才能下降,車輛延誤時間長,泊車次數太多,乃至不必要的擁塞等不合理表象。經過改進交通信號操控戰略來進步交通路口實踐通行才能,是交通信號操控中需求處理的疑問。傳統的交通信號配時算法有守時算法和分時段守時算法兩種。守時算法中交通信號燈延時時間是固定的,算法簡略,沒有考慮各行車方向的車流量,在交叉路口簡單呈現一方紅燈車輛很多排隊等候,一方綠燈卻無車通行或少數車通行后有剩余時間較長等表象,簡單形成不必要延誤;分時段守時算法將一天分紅幾個固守時段,依據經歷斷定各時段配時,各時段的運行特性與守時算法一樣,算法實時性差,不能滿意現代交通的要求。當前,全球都在研討交通信號的智能操控。例如,自適應操控方規律把交通體系看作一個不確定體系,經過丈量狀況量,如車流量、停車次數、延誤時刻和排隊長度等,進行反饋完成信號配時的動態優化調整。在全球范圍內廣泛應用的交通信號操控體系包含澳大利亞的SCATS體系、英國的SCOOT體系等。SCATS體系歸于計劃挑選式操控體系,每個交叉口配時計劃依據子體系的全體需求進行挑選,上海運轉著該體系。而SCOOT體系歸于計劃生成式實時自適應操控體系,選用小步長漸進尋優的辦法,接連實時地調整綠信比、周期和時差三個參數,北京引進了該體系。該體系的不足之處是選用集中式操控構造,難以完成較大區域的操控。還有近幾年來全國一些大城市實施的潮汐式可變信號燈，潮汐可變式車道等等都是為了減輕交通壓力而設。在根據RFID的城市交通信號操控辦理體系中,經過安裝在交通路口的讀卡器,能夠實時地讀出經過各交通路口的各行車方向的車流量,聯系交通信號燈操控器,能夠主動剖析路況,進行智能調控。

1.2基于RFID技術的交通信號組成

將RFID技術應用于城市交通訊號控制辦理體系中,構成一個智能化的交通辦理體系,該體系首要包含RFID電子車牌、遠距離RFID讀卡器、通訊網絡、數據庫渠道、中心辦理體系服務器。其根本構成是:在每輛車上裝置一張RFID卡,在數據庫辦理體系中將該卡的ID號與對應的車牌號進行相關,形成電子車牌;在城市交通路口的每個行車方向裝置一套遠距離RFID讀卡器,并對每一個讀卡器進行編號,編號的辦法與路口的編號一致,讀卡器以及交通訊號燈控制器通過網絡連接到長途的中心辦理體系服務器。當前,RFID標簽體積小,裝置辦法包含直接張貼物體外表、懸掛或鉚釘固定等,操作簡略且不影響整車的外觀作用,一起RFID卡的報價對比低價,通常在幾元到1～2百元之間,用戶對比容易接受,這樣保證整個體系實施可能性大。

五、智能交通信號燈控制系統

1、設計目標

在交通路口紅綠燈前各方向車道安裝車流強度采集設備，該設備主要采用RFID技術工作。對通過的機動車安裝車載電子標簽，動態監控車流量。通過無線網絡，實現機動車輛、監控節點和控制中心之間相互交換信息。采用自適應算法，以各車道交通強度為依據，自動控制信號燈變換，減少車輛等待時間。

2、參數輸入與鍵盤模塊

此模塊為了使系統及時顯示運行狀態和運行時間倒計時等信息，運用了八個七段數碼管，三個數碼管用于倒計時裝置，四個數碼管用于時間顯示裝置，另外一個數碼管用于倒計時和時間之間的分隔符。其選用具有驅動和鎖存功能的CH454芯片用于掃描鍵盤和驅動數碼管，其利用I2C總線完成與LPC2378控制器的數據交換。由于I2C總線使用較少的信號線且傳輸質量可靠，因此在交通信號機的設計中得到廣泛應用。按照信號機功能要求，該模塊分別設置了減小鍵、復位鍵、功能鍵、手動鍵、增加鍵、翻頁鍵、退格鍵、確認鍵八個主要操作鍵。增加鍵和減小鍵主要用于對各項功能設定進行切換；退格鍵用于功能設定的修改；翻頁鍵用于下一功能的設定；功能鍵完成對主要功能的設定；復位鍵是在信號機出現功能紊亂的情況下一鍵恢復為初始狀態；手動鍵是在緊急狀況下對信號燈進行手動控制。該模塊的主要功能是輸入控制和參數命令，為信號機提供顯示正確的運行方案信息，為用戶提供優質的人機交互方式，從而使信號機容易操作。

3、車流量信息采集與統計

交通信號燈控制系統的核心是基于RFID技術的車流量數據采集設備。在交叉路口每個車道設立緩沖區，為一個先入先出的線性隊列，停車線前200m為緩沖區入口，停車線為緩沖區出口，該長度200m的隊列作為車流量數據采集區域。緩沖區入口和出口分別設置一個RFID閱讀器。入口RFID閱讀器執行通行車輛數加操作，即每通過一輛機動車，車輛數加一；出口RFID閱讀器執行通行車輛數減操作，即每通過一輛機動車，車輛數減一。任意時刻緩沖區數據即為該方向等待放行的車輛數。當某一相位綠燈亮之前，系統將等待通過車輛數發送至控制節點，作為判斷當前交通強度和決定下一周期通行時間的依據。

4、通訊接口模塊

通信模塊主要完成與系統上位機的雙向通訊工作，其主要采用以局域網絡為基礎的通訊方式，利用管線接口完成與上位機的數據傳輸和共享。通訊模塊內部擁有一個多功能的以太網MAC控制器，該控制可以利用告訴的DMA硬件實現系統性能的優化。利用媒體獨立接口管理串行總線將使用RMIII的片外以太網與以太網模塊進行連接，通過相關電路和物理層接口芯片就可以完成通信功能?，F代通訊接口模塊中主要采用DM9161A以太網收發器，其具有成本低、功耗低、波形穩定等特點。RJ45采用網絡隔離變壓器與DM9161A進行連接，網絡隔離變壓器具有隔離高電壓、抑制雜波、修復波形、傳輸信號、匹配阻抗等作用。

5、數據發送

利用數據發送功能，可以把上位機完成的對運行方案的修改信息及時傳輸到信號機中。數據方案的修改主要通過優化方案和設置方案的過程實現。在通信機制的傳輸中，將數據發送設定在true的發送位置，上位機就會將數據傳輸到信號機中。數據發送完成后，發送位置會自動轉換為false，這樣就實現了一次數據傳輸的周期。

7、顯示界面

顯示界面的主要功能是盡量直觀詳盡的顯示信號機的不同控制方式和運行狀態，以幫助操作者熟悉和了解路口信號機的狀態。其顯示內容主要包括兩方面

在主界面打開后，其可以按照不同區域狀況顯示不同的區域地圖，所有已建成的路口都會在地圖上顯示。通過單擊相應的左鍵，可以進入不同的子界面，也可以在地圖上刪除或添加路口，并將路口信息動態保存到固定的文件夾中，確保再次啟動時信息數據不會丟失。子界面的左半部分用于倒計時和系統參數顯示。倒計時部分用于顯示信號機向上位機發送的每一次倒計時信息，同時還可以顯示目前運行的方案號信息。系統參數按鈕用于獲得信號機的相位信息、系統參數和時段表信息。子界面的右半部分用于路口狀態的實時顯示。其采用局部重繪機制，對信號燈方案中間部分發生變化的情況進行重繪，而不對其他部分進行重繪，以此防止由于界面重繪造成界面閃爍問題。

8、設置監控中心

在交警部門的交通指揮中心設置大型機架式服務器，實現對交通信號燈的遠程控制。交通指揮中心擁有最高權限，可控制交通信號燈的工作模式，在現有方案和新方案之間切換，以保證升級到新方案之后系統的平穩過渡，不會出現繼承性問題。另外，本方案可配合現有的交通檢測手段（高清攝像頭、測速雷達、傳感器），通過有線或無線網絡，將采集到的車輛信息（車牌號碼、車輛類型、車輛所有者、車輛通過時間、車輛年檢情況等）發送給服務器存檔，為城市智能交通的其他領域如交通指揮調度、車輛交通信息統計、交通肇事追逃、交通信息誘導等提供原始數據信息。

結束語

利用基于RDIF的交通信號控制系統能適時調整信號燈,實現信號燈的優化控制,有效緩解交通堵塞壓力。但是,本算法在以下幾個方面做了簡化,使得模型與實際情況還有一定差距,包括:在車流量的測定時,本文只考慮了相鄰的兩個路口,主要是為了簡化實驗,但在實際應用中,應該需要考慮更多的相鄰路口情況,這樣需要采用快速搜索算法,以便能及時反饋車流量的情況;排除左轉彎和有行人通過的現象,若是增加這些控制,系統的復雜程度將會增加。如何根據行人和行車的整體流量控制信號燈、多個路口車流量的相互制約控制等,將是進一步研究的工作。

參考文獻

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