杜瑞雪，丁洪偉，梁竹關，保利勇，何 敏

(云南大學 信息學院,云南 昆明 650091)

目前，私家車的擁有量呈爆炸式增長的趨勢，造成城市交通擁堵嚴重。傳統(tǒng)意義上的紅綠燈控制方式，控制時間固定，導致道路的有效利用時間浪費，影響了通行效率，已經(jīng)不能滿足私家車擁有量日益劇增的需要[1]。為了解決這個問題，智能交通系統(tǒng)(intelligence transportation system，ITS)應運而生[2-3]。智能交通系統(tǒng)將各種先進科學技術綜合運用到交通系統(tǒng)上，能極大地緩解實際生活中的交通壓力，減少交通事故，提高車輛通行率[4]。

本文提出了一種基于FPGA的門限輪詢控制模型的智能交通燈控制系統(tǒng)，基于FPGA硬件平臺，以Verilog HDL編程語言設計實現(xiàn)交通燈的智能控制。由車輛檢測器檢測到通過路口的車輛到達率，根據(jù)變化的車流量信息，利用輪詢模型計算相對應車輛的平均等待時間，依據(jù)交通規(guī)則及輪詢理論，所得到的平均等待時間即為交通燈的綠燈時間長度。編程結果應用在Quartus II軟件平臺中，依據(jù)所檢測到的不同到達率實時調整交通燈的紅綠燈時長[5]，最終實現(xiàn)交通燈的智能控制。

1 設計思路

系統(tǒng)主要實現(xiàn)了以門限輪詢控制模型為理論基礎的智能交通燈控制。以十字路口的車輛交通狀況為依據(jù)，實現(xiàn)主支干道的紅綠燈狀態(tài)轉換與倒計時設計；依據(jù)輪詢控制理論，將檢測到的車流量作為控制參數(shù)，設計實現(xiàn)紅綠燈的時長隨車輛到達率的變化而智能改變；使用FPGA對模型進行設計實現(xiàn)。

1.1 交通燈系統(tǒng)設計

1.1.1交通燈系統(tǒng)控制規(guī)則

在十字路口，分為南北和東西方向，要求兩個方向各設置一組指示燈(紅燈、黃燈和綠燈)。兩方向共用一組數(shù)碼管，數(shù)碼管采用BCD編碼形式以倒計時方式顯示紅、綠、黃3種燈的顯示時間，其中南北方向的紅燈顯示時間為東西方向的綠燈顯示時間和黃燈顯示時間之和，東西方向顯示時間同理。示意圖如圖1所示。

圖1 交通燈系統(tǒng)控制規(guī)則

1.1.2交通燈系統(tǒng)狀態(tài)

實際生活中，在十字路口，通常會有一方路口車流量較多而另一方車流量較少的情況，車流量較多的路口通常設為主干道，綠燈時長較長；車流量較少的路口通常設為支干道，綠燈時長較短。現(xiàn)設南北方向為主干道。根據(jù)交通燈的工作規(guī)律，交通燈南北和東西方向狀態(tài)分配如表1所示。

表1 交通燈南北和東西方向狀態(tài)分配表

兩個方向的工作狀態(tài)轉換順序分別為：

1)南北方向為綠燈→黃燈→紅燈，再轉為綠燈，依此循環(huán)；

2)東西方向為紅燈→綠燈→黃燈，再轉為紅燈，依此循環(huán)；

顯示時間規(guī)律：南北方向(東西方向)紅燈時間=東西方向(南北方向)綠燈時間+東西方向(南北方向)黃燈時間。

1.1.3交通燈的狀態(tài)轉換

在系統(tǒng)設計中，智能交通燈工作狀態(tài)由有限狀態(tài)機FSM表示[6]，由表1可知，系統(tǒng)主要有4個狀態(tài)，用state表示，取值為0～3。交通燈系統(tǒng)南北方向的狀態(tài)轉換圖如圖2所示。

圖2 交通燈南北方向狀態(tài)轉換圖

圖2中，lamp為對應各個狀態(tài)的輸出，lamp=001時表示綠燈亮，lamp=010時表示黃燈亮，lamp=100時表示紅燈亮。東西方向的狀態(tài)轉換圖同理可得。

圖2中，temp為對應狀態(tài)下顯示時間倒計時結束的標志，為0表示倒計時結束，該狀態(tài)對應的顯示時間到。

初始化完成后，系統(tǒng)開始工作。當temp為0時，控制狀態(tài)轉換，系統(tǒng)從狀態(tài)state=0開始，實現(xiàn)對交通燈的狀態(tài)顯示控制。0狀態(tài)開始時，lamp=001，南北方向對應綠燈狀態(tài)，此時東西方向為紅燈。0狀態(tài)完成后，會跳轉到下一個狀態(tài)，每個狀態(tài)對應一種燈的顯示。狀態(tài)在系統(tǒng)控制下不斷跳轉，直到回到state=0繼續(xù)下一次狀態(tài)的更新。當temp為1時，設置為倒計時顯示，當這一方向上的對應燈倒計時結束，狀態(tài)發(fā)生變化，繼續(xù)下一狀態(tài)燈的時間倒計時，直到回到state=0開始下一輪的狀態(tài)轉換。

1.2 輪詢控制系統(tǒng)的應用

智能交通燈根據(jù)檢測到的車流量數(shù)據(jù)得到車輛到達率，通過門限服務輪詢系統(tǒng)理論計算得到排隊平均等待時間，不同的車輛到達率計算出不同的平均等待時間，即不同的交通燈紅綠燈時長，以此不斷調整通行時間，實時改變路口的紅綠燈時長，提高道路通行效率。

1.2.1系統(tǒng)基本結構

系統(tǒng)由信號源和控制顯示模塊構成，其基本結構框圖如圖3所示。信號源模塊中包括車流量檢測模塊、中央控制模塊和數(shù)據(jù)輸出模塊；控制顯示模塊由FPGA控制模塊和顯示模塊構成。

圖3 系統(tǒng)基本結構

車流量檢測模塊由環(huán)形線圈組成，在十字路口的各個方向上埋放用來感應車輛的環(huán)形線圈。車輛通過時，線圈中電路的電感量將發(fā)生變化，通過變化的電感量得到車輛通過時的脈沖信息；中央控制模塊接收到上傳的脈沖信息后進行統(tǒng)計分析，獲取車流量數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)輸出模塊將車流量數(shù)據(jù)輸出，得到車輛到達率。輪詢系統(tǒng)模型根據(jù)車輛到達率通過 MATLAB編程仿真計算出相應的平均等待時間，將平均等待時間所對應的交通燈時間長度導入到FPGA系統(tǒng)中，系統(tǒng)根據(jù)得到的數(shù)據(jù)調整交通燈計時時間，最終在數(shù)碼管中顯示[7]。

1.2.2輪詢系統(tǒng)模型

輪詢系統(tǒng)模型在排隊過程中隊列的到達過程和服務時間均是隨機過程，它可根據(jù)計算機收集處理的數(shù)據(jù)對十字路口進行建模分析。十字路口分為南北和東西兩個路口，則可被認為是一個二相位交叉路口。依據(jù)輪詢模型，十字路口交通燈控制系統(tǒng)可視為一個雙隊列單服務器門限服務輪詢系統(tǒng)。其中，信號燈為服務器，兩相位路口中的車道相當于緩沖隊列，車道中的車輛可被視為服務對象，車輛按照作為服務器的信號燈所制定的規(guī)則通過路口，路口的車流量即車輛的到達率控制紅綠燈等待時長，紅綠燈按照服務規(guī)則對車輛依次服務[8-9]。

1.2.3雙隊列單服務器門限服務輪詢系統(tǒng)

智能交通燈控制系統(tǒng)可看作是一個雙隊列單服務器門限服務輪詢系統(tǒng)[10]，如圖4所示。圖中，主干道的車輛到達率λ1較高，支干道車輛到達率λ2較低，到達率代表單位時間到達的車輛數(shù)目；β為智能交通燈系統(tǒng)的服務率，在本系統(tǒng)中設β為0.5，表示路口每通過一輛車需要2s時間；以黃燈的顯示時間作為本交通系統(tǒng)的轉換率，設為γ，γ=5表示黃燈顯示時間長度為5s。

圖4 雙隊列單服務器門限服務輪詢系統(tǒng)模型

1.2.4系統(tǒng)排隊模型和操作方式

本智能交通控制系統(tǒng)由一個服務器和兩個隊列組成，兩個隊列由服務器依照秩序查詢服務。排隊服務系統(tǒng)是一個離散時間狀態(tài)下的求解過程，因此時間軸以時隙τ為單位時間[11-12]。

1)假設。

④隊列的空間容量足夠大，車輛到達數(shù)不會超過排隊空間。

tn+1時刻系統(tǒng)的狀態(tài)變量的概率母函數(shù)為：

i=1，2，，N

(1)

2)平均等待時間。

定義gi(j)為在tn時刻第i號隊列車輛開始接受服務時，第j號隊列到達的車輛數(shù)，通過對概率母函數(shù)求一階導數(shù)可得：

(2)

定義隨機變量xj,xk的聯(lián)合矩為gij,k，通過對概率母函數(shù)求二階導可得：

定義E(W)為路口平均等待時間，則關系式如下：

式中，ρ=βλ。

1.3 系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

1.3.1FPGA控制系統(tǒng)模塊設計

在進行車流量檢測之后，實時檢測數(shù)據(jù)存儲在中央控制器中，存儲后的數(shù)據(jù)利用門限服務輪詢模型實時統(tǒng)計處理，然后輸入到FPGA系統(tǒng)中進行設計實現(xiàn)。

根據(jù)實際情況，控制電路使用秒級單位。因此FPGA系統(tǒng)控制電路部分主要包括分頻模塊、紅綠燈數(shù)據(jù)處理模塊、FIFO模塊、控制模塊以及顯示模塊，如圖5所示。

圖5 FPGA控制系統(tǒng)模塊設計

1)分頻模塊。

設置系統(tǒng)時鐘為2MHz，分頻模塊將輸入的2MHz基準信號轉換為1Hz，以此為激勵時鐘作為后續(xù)控制模塊的時鐘源，驅動模塊工作。

2)數(shù)據(jù)處理模塊。

將得到的車流量數(shù)據(jù)利用門限輪詢模型進行統(tǒng)計分析，分別得到車輛到達率，計算出紅綠燈的等待時長，數(shù)據(jù)儲存到ROM模塊中，通過計數(shù)器讀取。

3)紅綠燈FIFO模塊。

FIFO模塊分為同步FIFO模塊和異步FIFO模塊，本系統(tǒng)因是同步時鐘電路，則使用同步FIFO模塊，以此來控制相同時鐘下的數(shù)據(jù)讀出。

4)控制模塊。

控制模塊主要控制南北和東西方向的紅綠燈倒計時時間，倒計時結束時輸出反饋信號到FIFO模塊，當下次信號到來時讀取下一個數(shù)據(jù)。其中主要用到狀態(tài)機，實現(xiàn)路口交通燈工作順序的自動切換。

5)顯示模塊。

采用BCD編碼模式，主要為南北和東西方向路口六個燈的狀態(tài)顯示和倒計時時間。

1.3.2MATLAB控制設計與實現(xiàn)

根據(jù)前面的理論分析，設置交通燈系統(tǒng)的隊列數(shù)N=2，服務率β=0.5，交通燈系統(tǒng)的轉換率γ=5，交通燈系統(tǒng)的車輛到達率為λ，基于車輛到達率來計算理論平均等待時間，通過MATLAB設計實現(xiàn)，得到結果如表2所示。

表2 到達率與等待時間對應表

從表2可以看出，車輛的到達率越高，等待時間越長，二者之間呈非線性增長。當南北方向的到達率λ=0.91時，對應等待時間為25s，即南北方向的綠燈時長為25s，本系統(tǒng)中轉換率設為γ=5，則東西方向等待時長為30s，即紅燈時長為30s。

2 實驗結果與分析

本系統(tǒng)采用QUARTUSII軟件進行仿真設計，用VerilogHDL編程，實現(xiàn)智能交通燈的設計。其中，為了更契合實際交通情況，時鐘需經(jīng)過分頻，實現(xiàn)秒級單位。系統(tǒng)工作時鐘clk1周期為50μs；rst是復位信號，高電平正常工作；clk_out是分頻后周期為1s的時鐘工作信號源，得到的仿真結果如圖6所示。

圖6 交通燈控制系統(tǒng)時序仿真圖

圖6中，green是通過檢測得到的車輛到達率，利用輪詢模型計算得到的南北方向的綠燈時長，當?shù)竭_率λ=0.93時，對應的等待時間為32s，即南北方向綠燈時長有32s允許車輛通過，由于系統(tǒng)轉換時間γ=5，則與之相對的東西方向的紅燈等待時長為37s；當車輛到達率λ=0.9時，相對應的南北方向的綠燈時長就減少為22s，東西向的紅燈等待時間相應轉變?yōu)?7s，路口車輛繼續(xù)智能調節(jié)；當?shù)竭_率λ=0.92時，南北方向車輛通過時長加長到28s，對應的東西方向紅燈時間增長到33s。車輛到達率的數(shù)據(jù)存儲在綠燈的ROM存儲模塊中，通過FIFO模塊控制讀出到FPGA的控制模塊，進入交通燈倒計時和信號顯示；ctcn為綠燈的計數(shù)時間;red為東西方向的紅燈等待時長；ctcn1為紅燈的計數(shù)時間；lampa和lampb分別為南北方向和東西方向交通燈的紅綠黃燈的狀態(tài)顯示，其中狀態(tài)1代表綠燈，狀態(tài)2代表黃燈，狀態(tài)4代表紅燈，東西方向同理；counta和countb分別為南北和東西方向三燈的時間倒計時，和上述綠燈紅燈時間相一致。當南北方向lampa=1，即南北方向為綠燈，對應到達率λ=0.92時，南北方向車輛通過的綠燈時長為28s，中間轉換時間黃燈為5s，此時lampa=2，對應東西方向紅燈時長33s倒計時，lampb=4。南北方向的綠燈和黃燈的總時長等于東西方向的紅燈時長，與前面理論相一致，交通燈的顯示狀態(tài)與倒計時計數(shù)器的工作狀態(tài)相吻合，符合交通規(guī)律。在得到的仿真圖中可以看出電路存在延遲，但是不影響設計的實現(xiàn)和結果的分析，本設計要實現(xiàn)的智能交通燈系統(tǒng)的智能調節(jié)性能得到驗證。

4 結束語

本設計基于FPGA設計平臺，主要實現(xiàn)了十字路口交通燈的智能調節(jié)設計，以雙隊列單服務器門限輪詢服務模型作為理論基礎，將檢測到的車流量進行統(tǒng)計分析，得到車輛到達率，按照門限服務規(guī)則對紅綠燈顯示時間進行配時，實現(xiàn)路口車流量多時綠燈時長延長，車流量少時綠燈時長縮短的實時控制狀態(tài)，最后在QUARTUSII軟件平臺上，完成對系統(tǒng)功能的編程控制設計。實驗證明，在FPGA的系統(tǒng)平臺上，采用門限輪詢服務模型，交通燈能實現(xiàn)對紅綠燈顯示時長的智能調節(jié)，提高路口車輛通行效率。