上海市浦东新区规划建筑设计有限公司 上海 201204
摘要：近年来，为持续优化城市管理与服务水平，切实改善市民生活质量，国家逐年加大智慧城市建设力度，而智能交通信号控制系统作为智慧城市的重要组成部分，系统设计直接影响智慧城市的发展进程，具有重要的现实意义。因此，本文对城市智能交通信号系统进行深层次研究，提出系统开发设计策略，为智慧城市建设提供参考。
关键词：城市智能交通；信号控制系统；开发设计
一、城市智能交通信号控制系统概述
1、系统构成
城市智能交通信号控制系统结构由信号控制、通信设备、交通信号灯等终端设备、控制系统、传感器等部分组成，可以将控制系统拆分为软件结构与硬件结构两大类，由软件结构实现人机交互功能，由硬件结构实现绝大多数的控制功能与数据分析处理任务。同时，也可将系统拆分为三个层级，自上至下分别为中心控制层、区域控制层与路口控制层，各层级间保持稳定通信状态。其中，路口控制层负责完采集整理所处区域交通路口的现场监测信号，控制终端设备执行信号控制指令。区域控制层负责完成辖区内各处交通路口协调控制与设备运行监测任务，实时反馈终端设备故障信息。中心控制层统筹开展城市交通信号控制与调度管理工作，制定与下达调度计划，基于数据运算分析结果掌握实时路况，为用户提供应用服务，如在用户界面上集中显示调度信息，提供按键输入查询与数据库历史数据检索等服务。
2、系统特征
城市智能交通信号控制系统是依托神经网络、模糊控制与人工智能等先进技术构建的控制系统，有着极高的智能化与自动化程度，同时具备定时控制、远程控制、自动控制、人工手动控制等多种控制方式，本质上是一种用于多元化控制与保障交通安全的综合管理系统。
与传统控制方式相比，城市智能交通控制系统具有良好的兼容性、实用性、开放性特征。以实用性特征为例，智能控制系统具备多项控制方式，可根据外部环境与城市交通调度管理需求，快速调整至适当的控制方式，确保系统使用功能在不同应用场景中得到充分发挥。例如，在交通警察未及时到达现场时，系统经串行总线与后台管理中心保持连接，自总线持续反馈现场交通路况与监测信号，基于逻辑运算结果，自动制定与下达控制指令，在无人工干预条件下完成交通指挥与疏导任务。
3、关键技术与智能控制理论基础
3.1模糊控制技术
模糊控制技术是模拟人类思维方式进行逻辑运算分析的非线性技术手段，根据系统运行期间实时产生与持续采集的动态信息，基于模糊集合论与逻辑推理来描述系统动态。在城市智能交通信号控制系统中，模糊控制技术的主要使用功能为精确量模糊化、输出信息反模糊化与模糊推理三种。以输出信息反模糊化使用功能为例系统组合采取最大隶属度法与加权平均法等方法，实施模糊化逆向过程，将模糊集反向推导转换至精确量信息，提供指定控制指令的信息依据。
3.2神经网络控制技术
神经网络控制技术是模仿人类神经网络行为特征，实现并行处理信息功能的一种技术手段，也可将其视作为一种信息处理算法模型，在神经网络中分布着庞大节点，各节点之间保持着紧密连接状态，网络模型由前进网络与反馈网络两部分组成。其中，前进网络凭借非线性函数重复复合结果来完成信息处理任务，反馈网络通过无向完备图来显示信息处理状态，具备优异的学习性能，可以根据神经元间的学习行为来强化系统的环境适应能力与联想记忆能力，负责对系统运行期间产生的期望值与输出值进行对比分析，根据分析结果调整控制权值。以神经网络控制技术在交通流预测场景中的应用为例，在多层感知网络中构建I/O样本问题，采取梯度下降法，导入迭代运算公式，在增加问题可调参数的同时获取准确解算结果，完成复杂函数输出任务，准确预测未来一段时间各处交通路口的交通流量。
二、城市智能交通信号控制系统的开发设计策略
1、确定控制类型
贴近城市交通信号的实际控制需求，在系统中开发多元化的控制方式，如此，在系统运行期间，自动对实时运行状况与交通信号控制需求进行判定，基于程序运行准则，自动切换至相应控制方式。例如，提前在系统中预设配时方案，系统切换至定时控制方式，实施对应时间段的配时方案。其次，开发感应控制方式，持续对现场监测信号进行采集分析，如根据车流量实时变量来调整调度计划，避免出现交通流拥堵问题。最后，开发自适应控制方式，系统对实际的输出值与希望值进行对比分析，准确判断城市智能交通信号控制系统的动态特性，基于差值对单项或多项可调参数加以调整，确保交通信号系统可以有效适应不同环境，维持最优运行状态。
2、器件选型设计
准确预测城市智能交通信号系统的实际控制需求，将其作为硬件设备的选型依据，避免系统在运行期间因器件型号选择不当而出现运行故障。以控制系统中的嵌入式处理器和存储器装置的选型设计为例。首先，从采购成本、逻辑运算量、I/O引脚数、最大时钟频率等多个维度进行综合分析，从中选择综合评分较优的嵌入式处理器，如搭载Altera公司推出的Stratix II系列芯片的嵌入式处理器，该款处理器具有较强的数字信号处理能力与I/O能力，具有79040个逻辑单元。其次，从采购价格、存取速度、数据存储容量等角度进行分析，要求存取速度与外围电路速度保持匹配状态。例如，在某城市智能交通信号控制系统中，组合配置256Kx16位SRAM存储器与1Mx16bit的FLASH存储器。
3、设计语言与开发平台选择
一方面，根据系统硬件描述方式、电路规模与设计思路来选择适当的设计语言，如使用VHDL硬件描述语言，这一预言具有系统层次结构表现直观、可读性强、仿真语句以及库函数丰富、移植性优异、设计效率高的优势，可以在系统开发设计期间直观展示存在的错误。另一方面，根据系统设计要求选择开发平台环境，如采取Altera公司研发的Quartusll软件，该款集成开发平台具有界面简化、操作便捷、工具完善的优势，设计人员既可以使用软件中自带的工具，还可以在软件中导入Synplify Pro等第三方仿真工具，以此来满足不同场景下的系统设计需要。
4、智能控制模块设计
将模块结构拆分为分频、外部LCD倒计时、内部控制计时、数据计算、状态控制、时间配置等子模块，单独子模块保持独立运行状态，依次将传感器与MCU模块输入的数据信息导入各子模块，获取输出值，如将传感器数据导入时间分配模块来输出红灯、绿灯、黄灯的分配时间，再将输出值导入倒计时子模块，执行倒计时操作并显示剩余时间。
5、读写控制模块设计
读写控制模块由空闲状态、写状态1-2与读状态四种状态组成，在智能交通信号控制系统中，负责基于时序命令执行读写操作，由地址模块向帧存储器导入交通数据，再将经过处理后的数据导入至读写控制模块，联动运行启动控制器与读写控制器模块完成读操作，配合写使能信号、片选信号以及输出使能信号执行数据写入以及读取操作。同时，读写控制器模块还具备状态判断功能，根据时钟上升沿情况来判断进入状态。
结语：
综上所述，为缓解城市交通拥堵矛盾，发挥交通设施的使用性能，优化城市道路交通管控调度水平，必须认识到智能交通信号控制系统的应用价值，深入研究系统构成、技术组成与结构特征，贴近实际控制需求树立起正确的设计开发思路，在建设开发与实用化过程中不断调整完善城市智能交通信号控制系统。
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