基于RFID技术的城市交通信号优化控制

李宁 范燕

摘 要：本文分析造成目前城市交通拥挤的原因和交通信号的控制方法,结合RFID的特性,提出基于RFID技术和自适应调节算法的城市交通信号优化控制方法,实现根据相邻交叉路口的车流量实时调整信号灯的时间,以缓解城市的交通阻塞。

关键词：RFID技术；城市交通信号；优化控制

中图分类号：C35文献标识码： A

引言

一、RFID技术简述

1、RFID的概念及其工作原理

无线射频识别(RadioFrequencyIdentification简称RFID)经过射频信号作非触摸式自动辨认并获取有用信息。射频辨认商品体积小，可附着在需区分实体上，以非触摸方法快速读取贮存信息。一般来说，RFID体系由读写器、电子标签和数据办理体系三个构成。读写器读写电子标签信息，经过网络与其他计算机通讯，获取电子标签信息，并进而解说及数据办理。电子标签由RED芯片和天线构成，每个芯片含仅有辨认码，表示电子标签所附着物体。数据办理体系完结数据信息存储及办理，可由简略小型数据库担任，也可集成RFID办理模块的大型ERP数据库办理软件。

工作原理：标签进人磁场接收读写器发出射频信号，凭感应电流能量发送在芯片存储的信息或主动发送某一频率信号，读写器读取信息并解码，送至数据管理系统进行处理。其目的是让所有的物品都与网络连接在一起,方便识别和管理。

2、RFID的特性

读写速度快：传统条码、IC卡等辨认技能一次只扫描一条记载，而RFID非触摸方法及无方向性需要，标签一进入磁场，解读器即时读取其间信息，几毫秒就可完结一次读写。防抵触机制使之可一起处理多个标签，完成批量辨认，每秒一起最多可辨认50个，能在运动中辨认；形状多样、体积小：RFID读取时不受形状与尺度约束，不需为读取精度而配合纸张固定尺度和打印质量。此外，其标签往小型化与多样化开展，可用于不一样商品；环境习惯能力强：RFID对水、油、药品等的抗污性强，RFID在私自也可读取数据；可重复使用：RFID为电子数据，可反复被覆写收回标签重复使用；穿透性好，无障碍阅览：即使被掩盖，RFID也可穿透木材、纸张和塑料等非金属或非通明原料，作穿透性通讯。不过其关于铁质金属就无法通讯；数据回忆容量大：容量随回忆标准开展而扩展，将来物品所需带着资料愈来愈大，对卷标所能扩充容量需要也添加，而RFID不会受到约束；安全性高：RFID按世界统一电子商品代码的编码制在出厂前就固化在芯片中的，不重复、不行仿制。数据可加密，扇区可独立一次确定，并根据用户需要确定重要信息，难仿冒、难侵入。

二、RFID在城市道路交通管理中的应用

RFID技能在城市道路交通中使用广泛，如高速路收费系统、公交卡、自行车办理、车辆证照信息办理、泊车场办理、不停车收费等，可记载车辆详细信息、行驶路线及是不是超出营运范围，还可用RFID技能计算交通流量，供给交通精确数据，为交通规划供给精确依据，保证城市道路交通晓畅有序。

1、公交一卡通

RFID技术在公共交通领域应用最为广泛的就是公交一卡通，如深圳深圳通、香港八达通、广州羊城通等，其中，香港八达通可搭乘香港所有地铁、火车、公共汽车、轻轨、小型巴士、轮渡等。

2、公共交通管理与调度

RFID技术在公共交通管理和调度上也有着广泛的使用，如上海市公共汽车到、离站信息管理，装置在站台显示屏显示公车辆行将抵达与行将起程称号、位置及时刻。杭州公交优先系统，对疾速公交一号线路上31个灯控路口装置RFID设备，当公交车驶近路口200米时RFID就能读到公交车信息，并在信号操控设备合作下，调理红绿灯时刻确保公交先行。

3、电子不停车收费(ETC)

电子不停车收费体系运用RFID技能，通过路侧天线与车载电子标签之间专用短程通讯，不需司机泊车和其他收费员采纳操作，主动完结收费过程。不停车收费涉及交通基础设施出资回收，是缓解收费站交通堵塞的有用手法，可削减大量的收费卡运用，为此，不少国家都优先投入不停车收费体系且活跃推行，如香港，广东粤通卡等，其间香港体系从1992年起在港十多条主要公路干线及隧道上进行不停车收费，每天为香港20多万带有RFID不泊车收费卡的用户供给服务。

4、智能停车场管理

智能车场体系能有用、准确、智能的对进出停车场的体系车辆和非体系车辆的数据信息辨认、收集、记载并按需上传、处理，并可经过相应人工干预进行弥补，防止非正常事件影响。当车辆驶入/出门禁天线通信区时，天线以微波通讯的方法与进行双向数据交换，从电子车卡上读取车辆的有关信息，在司机卡上读取司机的有关信息，自动辨认电子车卡和司机卡并辨别车卡是否有用和司机卡的合法性，车道操控电脑显示与该电子车卡和司机卡一一对应的车牌号码及驾驶员等材料信息;车道操控电脑自动将经过时刻、车辆和驾驶员的有关信息存入数据库中，车道操控电脑依据读到的数据进行判别完成通行和收费办理。

三、RFID的应用分析

车辆定位：经过“车联网”，断定车辆进入的部分区间，定位精度取决于RFID阅读器装置密度；道路导航：依据事前选定道路，在抵达某要害路口前一路口，经过信息发布通知车辆应准备在某行车道行进或某出口驶出；智能信号灯操控：经过装置在路口的RFID阅读器可探测并核算出两个红绿灯间交通流，智能核算红灯或绿灯分配时刻。一起，经过对公交车辆种类辨认，可完成公交优先的交通信号操控；城市中间区域交通流量操控：经过装置的路口的RFID阅读器，自动核算出进入城中间车辆的行进长度，按长度不停车收费，降低市中间交通压力；超速正告：依据两阅读器区间车辆经过时刻，核算车辆行进速度。假如超速，经过信息发布对该车辆进行布告或正告；实时流量计算：依据两阅读器区间车辆经过量，实时进行某路段车流量计算。如流量超范围，可进行相应正告发布及进入约束；毛病布告：如某路段因意外或例行保护需暂时封闭，可在该路段之前路口，对车辆进行布告；拥堵程度布告：经过公交站台显现设备，布告行将抵达的车辆已有乘客数或拥堵程度。乘客可联系其他车辆位置，挑选等候与否；交通状况信息转达：经过车内显现设备转达从交通基础设施提供者所收到的交通状况信息，照实时速度、实时流量、毛病布告等。

四、城市智能交通信号控制系统概述

智能交通信号控制系统是采用高效的现代信息技术改造传统的运输系统，统计分析交通枢纽的实时交通流量，在此基础上利用交通软件和模型确定恰当的交叉口红绿灯配时方案，以此高效优化整个交通路网。其特点主要有：兼容性，该系统能够同时与相同标准内的各种型号、厂商的交通信号控制器相连接；实用性，该系统使用的应用软件、技术、设备能够符合各种城市的交通信号控制需求，且使用、建设、维护都非常简便。如现在使用的中文图形操作和交互界面，友好、直观，容易操作，能够及时提供在线帮助；开放性，该系统使用了互通互联的拓扑结构设计，能够满足于未来各种功能扩展；先进性，该系统利用了最先进的信息技术和决策系统，并充分考虑未来发展需要；可靠性，该系统具有容错、自动检测、自动恢复、报警等功能。信号机总体上来说包括人机接口、网络通信、中央控制器、RTC实时时钟、故障检测、功率驱动等部分。

1、城市智能交通信号控制措施

1.1交通信号灯控制的方式

交通路口是城市交通网中路途通行才能的关键所在,对交通路口实施科学的办理操控是智能交通操控工程的重要研究课题。平常日子中的交通阻塞大部分是因为交通路口实践通行才能不足形成的。缘由主要有两个方面:一方面是路途计划设计的路段通行才能已不能满意当前的交通最大需求;另一方面是交通路口选用的信号操控战略欠好,形成实践通行才能下降,车辆延误时间长,泊车次数太多,乃至不必要的拥塞等不合理表象。经过改进交通信号操控战略来进步交通路口实践通行才能,是交通信号操控中需求处理的疑问。传统的交通信号配时算法有守时算法和分时段守时算法两种。守时算法中交通信号灯延时时间是固定的,算法简略,没有考虑各行车方向的车流量,在交叉路口简单呈现一方红灯车辆很多排队等候,一方绿灯却无车通行或少数车通行后有剩余时间较长等表象,简单形成不必要延误;分时段守时算法将一天分红几个固守时段,依据经历断定各时段配时,各时段的运行特性与守时算法一样,算法实时性差,不能满意现代交通的要求。当前,全球都在研讨交通信号的智能操控。例如,自适应操控方规律把交通体系看作一个不确定体系,经过丈量状况量,如车流量、停车次数、延误时刻和排队长度等,进行反馈完成信号配时的动态优化调整。在全球范围内广泛应用的交通信号操控体系包含澳大利亚的SCATS体系、英国的SCOOT体系等。SCATS体系归于计划挑选式操控体系,每个交叉口配时计划依据子体系的全体需求进行挑选,上海运转着该体系。而SCOOT体系归于计划生成式实时自适应操控体系,选用小步长渐进寻优的办法,接连实时地调整绿信比、周期和时差三个参数,北京引进了该体系。该体系的不足之处是选用集中式操控构造,难以完成较大区域的操控。还有近几年来全国一些大城市实施的潮汐式可变信号灯，潮汐可变式车道等等都是为了减轻交通压力而设。在根据RFID的城市交通信号操控办理体系中,经过安装在交通路口的读卡器,能够实时地读出经过各交通路口的各行车方向的车流量,联系交通信号灯操控器,能够主动剖析路况,进行智能调控。

1.2基于RFID技术的交通信号组成

将RFID技术应用于城市交通讯号控制办理体系中,构成一个智能化的交通办理体系,该体系首要包含RFID电子车牌、远距离RFID读卡器、通讯网络、数据库渠道、中心办理体系服务器。其根本构成是:在每辆车上装置一张RFID卡,在数据库办理体系中将该卡的ID号与对应的车牌号进行相关,形成电子车牌;在城市交通路口的每个行车方向装置一套远距离RFID读卡器,并对每一个读卡器进行编号,编号的办法与路口的编号一致,读卡器以及交通讯号灯控制器通过网络连接到长途的中心办理体系服务器。当前,RFID标签体积小,装置办法包含直接张贴物体外表、悬挂或铆钉固定等,操作简略且不影响整车的外观作用,一起RFID卡的报价对比低价,通常在几元到1～2百元之间,用户对比容易接受,这样保证整个体系实施可能性大。

五、智能交通信号灯控制系统

1、设计目标

在交通路口红绿灯前各方向车道安装车流强度采集设备，该设备主要采用RFID技术工作。对通过的机动车安装车载电子标签，动态监控车流量。通过无线网络，实现机动车辆、监控节点和控制中心之间相互交换信息。采用自适应算法，以各车道交通强度为依据，自动控制信号灯变换，减少车辆等待时间。

2、参数输入与键盘模块

此模块为了使系统及时显示运行状态和运行时间倒计时等信息，运用了八个七段数码管，三个数码管用于倒计时装置，四个数码管用于时间显示装置，另外一个数码管用于倒计时和时间之间的分隔符。其选用具有驱动和锁存功能的CH454芯片用于扫描键盘和驱动数码管，其利用I2C总线完成与LPC2378控制器的数据交换。由于I2C总线使用较少的信号线且传输质量可靠，因此在交通信号机的设计中得到广泛应用。按照信号机功能要求，该模块分别设置了减小键、复位键、功能键、手动键、增加键、翻页键、退格键、确认键八个主要操作键。增加键和减小键主要用于对各项功能设定进行切换；退格键用于功能设定的修改；翻页键用于下一功能的设定；功能键完成对主要功能的设定；复位键是在信号机出现功能紊乱的情况下一键恢复为初始状态；手动键是在紧急状况下对信号灯进行手动控制。该模块的主要功能是输入控制和参数命令，为信号机提供显示正确的运行方案信息，为用户提供优质的人机交互方式，从而使信号机容易操作。

3、车流量信息采集与统计

交通信号灯控制系统的核心是基于RFID技术的车流量数据采集设备。在交叉路口每个车道设立缓冲区，为一个先入先出的线性队列，停车线前200m为缓冲区入口，停车线为缓冲区出口，该长度200m的队列作为车流量数据采集区域。缓冲区入口和出口分别设置一个RFID阅读器。入口RFID阅读器执行通行车辆数加操作，即每通过一辆机动车，车辆数加一；出口RFID阅读器执行通行车辆数减操作，即每通过一辆机动车，车辆数减一。任意时刻缓冲区数据即为该方向等待放行的车辆数。当某一相位绿灯亮之前，系统将等待通过车辆数发送至控制节点，作为判断当前交通强度和决定下一周期通行时间的依据。

4、通讯接口模块

通信模块主要完成与系统上位机的双向通讯工作，其主要采用以局域网络为基础的通讯方式，利用管线接口完成与上位机的数据传输和共享。通讯模块内部拥有一个多功能的以太网MAC控制器，该控制可以利用告诉的DMA硬件实现系统性能的优化。利用媒体独立接口管理串行总线将使用RMIII的片外以太网与以太网模块进行连接，通过相关电路和物理层接口芯片就可以完成通信功能。现代通讯接口模块中主要采用DM9161A以太网收发器，其具有成本低、功耗低、波形稳定等特点。RJ45采用网络隔离变压器与DM9161A进行连接，网络隔离变压器具有隔离高电压、抑制杂波、修复波形、传输信号、匹配阻抗等作用。

5、数据发送

利用数据发送功能，可以把上位机完成的对运行方案的修改信息及时传输到信号机中。数据方案的修改主要通过优化方案和设置方案的过程实现。在通信机制的传输中，将数据发送设定在true的发送位置，上位机就会将数据传输到信号机中。数据发送完成后，发送位置会自动转换为false，这样就实现了一次数据传输的周期。

7、显示界面

显示界面的主要功能是尽量直观详尽的显示信号机的不同控制方式和运行状态，以帮助操作者熟悉和了解路口信号机的状态。其显示内容主要包括两方面

在主界面打开后，其可以按照不同区域状况显示不同的区域地图，所有已建成的路口都会在地图上显示。通过单击相应的左键，可以进入不同的子界面，也可以在地图上删除或添加路口，并将路口信息动态保存到固定的文件夹中，确保再次启动时信息数据不会丢失。子界面的左半部分用于倒计时和系统参数显示。倒计时部分用于显示信号机向上位机发送的每一次倒计时信息，同时还可以显示目前运行的方案号信息。系统参数按钮用于获得信号机的相位信息、系统参数和时段表信息。子界面的右半部分用于路口状态的实时显示。其采用局部重绘机制，对信号灯方案中间部分发生变化的情况进行重绘，而不对其他部分进行重绘，以此防止由于界面重绘造成界面闪烁问题。

8、设置监控中心

在交警部门的交通指挥中心设置大型机架式服务器，实现对交通信号灯的远程控制。交通指挥中心拥有最高权限，可控制交通信号灯的工作模式，在现有方案和新方案之间切换，以保证升级到新方案之后系统的平稳过渡，不会出现继承性问题。另外，本方案可配合现有的交通检测手段（高清摄像头、测速雷达、传感器），通过有线或无线网络，将采集到的车辆信息（车牌号码、车辆类型、车辆所有者、车辆通过时间、车辆年检情况等）发送给服务器存档，为城市智能交通的其他领域如交通指挥调度、车辆交通信息统计、交通肇事追逃、交通信息诱导等提供原始数据信息。

结束语

利用基于RDIF的交通信号控制系统能适时调整信号灯,实现信号灯的优化控制,有效缓解交通堵塞压力。但是,本算法在以下几个方面做了简化,使得模型与实际情况还有一定差距,包括:在车流量的测定时,本文只考虑了相邻的两个路口,主要是为了简化实验,但在实际应用中,应该需要考虑更多的相邻路口情况,这样需要采用快速搜索算法,以便能及时反馈车流量的情况;排除左转弯和有行人通过的现象,若是增加这些控制,系统的复杂程度将会增加。如何根据行人和行车的整体流量控制信号灯、多个路口车流量的相互制约控制等,将是进一步研究的工作。

参考文献

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