应用逻辑门电路理论分析城市交通问题
张帅
1（鲁东大学 交通学院 烟台 264025）
摘要：本文将逻辑门电路理论应用到了城市交通之中,对城市交通问题进行初步分析。 关键词：逻辑门电路 城市交通 真值表 卡诺图
Try using the logic gate circuit theory to synthetically analyze
the urban traffic
Zhang Shuai 1
(College of Transportation, Ludong University,Yantai 264025)
Abstract：This article applies the logic gate circuit theory to analyze the urban traffic at the first step.Key words：Logic gate circuitUrban trafficTruth tableKarnaugh map
0前言
随着社会的进步、经济的腾飞、科技的发展,城市化进程不断加快,而影响城市交通问题的因素也日益增多并且更加多样化、复杂化。中等城市一般拥有几百个十字路口以及数万车辆,且分布广阔,什么时候出现交通问题具有不确定性。
如何对具有不确定性等特点的城市交通系统进行有效控制,是一件不容易的事情。道路扩展了,车辆增多了,而交通控制却往往滞后于城市的发展。如何解决城市交通拥挤、十字路口行走的安全、红绿的指挥等,这些都是影响城市交通的亟待解决的问题,一旦解决好了,对城市交通控制将更加科学化、智能化。交通是城市经济活动的命脉,对城市经济发展生活水平提高起着十分重要的作用[1]。 在城市交通控制中,有很多研究得到了广泛的应用,但由于交通问题具有一定的偶然性、随机性,实际控制效果仍需改进。为此,本文引入了逻辑门电路的理论来解决城市交通问题的思路,为城市交通问题的解决及开展预测方法的研究,提出新的方法。
1逻辑代数基本理论
逻辑代数又称布尔代数或开关代数,它是用代
数的形式来研究逻辑问题的一种数学工具,其变量可以用字母A、B、C、D等来表示,并称为逻辑变量,但它所表示的是电路上的开关接通还是断开,逻辑判断的结果是真还是假,某种结论是正确还是错误,某事物存在还是不存在等等两种可能性,因此逻辑变量只有两个取值,一般用1和0来表示。因为逻辑变量的取值只有两个,所以把这种逻辑称为二值逻辑,在二值逻辑中,1和0只是一种符号的代表,没有数量的含义,无大小、正负之分。若干逻辑变量之间的相互联系就反映为数学上的几种运算关系,逻辑代数的基本运算有“与”运算、“或”运算及“非”运算三种,由这三种运算可以组成复杂的逻辑运算,这些运算可以采用逻辑门的形式来表示[2-3]。假设存在A、B、C、D等逻辑变量,进行逻辑运算的结果为F,其逻辑关系及逻辑门形式如表1。
更为复杂的逻辑运算,如“同或”、“异或”等,本文将不再列出。
在数字逻辑门电路理论中,若给定一个逻辑函数表达式,可以通过真值表法、代数法或卡诺图法将其化简为最简逻辑表达式。而实践也证明,运用数字逻辑门电路原理进行交通预测及控制是可行的。
收稿日期：2007-06-29 作者简介：张帅（1986-），男，本科生。研究方向：机械设计制造及其自动化。E-mail:386322305@qq.com
表1 逻辑关系及逻辑门
Table
1The Logical Relation And the Logical Gates
2逻辑代数基本方法
数字逻辑门电路的设计,是将输入组合根据不同要求转换为输出信息,化简逻辑函数最常用的方法是代数化简法、真值表法和卡诺图法。代数化简法就是利用逻辑代数的公理、定理、规则对函数表达式进行逻辑变换,可以化成最小项之和或者最大项之积的形式;真值表是一种由逻辑变量的所有可能取值组合及其对应的逻辑函数值所构成的表格;图形化了的真值表称为卡诺图。卡诺图基本方法为:根据逻辑函数中变量的数目画出卡诺图;在卡诺图对应位置的方框内填1(或0),其余方框内填0(或1);所有填1(或0)的方框所合成区域就是逻辑函数的卡诺图。下面以图1为例进行说明。在卡诺图上合并最小项是通过画圈进行的,即把相邻的“1”小方块圈在—起,写出该圈所对应的乘积项,然后把这些乘积项相“或”即得最简“与或”式。已知 F(A,B,C) =∑m(0,1,3,5) +∑d(2,6)
则其卡诺图如图1所示。
通过卡诺图,得出逻辑函数化简结果为：
F(A,B,C)=非A+非B*C
通过本例可以得出卡诺图化简的指导原则:N变量卡诺图中的每个单元都有N个逻辑相邻的单元;单元可以被合并为大小为2,4,8,„,2K的组;每个被合并组中包含的所有单元都对一些变量有相同的值;合并尽可能多的单元,这将导致组所对应的项内字母的个数最少;尽可能用最少的组覆盖所有的最小项,这将导致结果中包含最少的积项;应该从最“孤立”单元开始;忽略没有被选定的无关项。正是这些不确定的无关项,在实际的交通分析及预测中,要注意灵活取舍[4]。
图1 逻辑函数卡诺图
Fig.1The Logical Function Karnaugh Map
数字逻辑实例应用
→丙→丁。当车辆在规定时间内同时到达出口,只允许优先级高的车辆通过,分析如何输出信号。假设三种车辆分别以变量A、B、C、D表示,相应的输出信号分别为F
1、F
2、F
3、F4,根据数字逻辑相关理论可以划出信号输入输出真值表,如表2所示：
让我们先来看一个简单的实例:假设某车站出口规定,车辆可分为特快车辆型甲、快车辆型乙、普通车辆型丙及慢车辆型丁，车辆优先顺序是甲→乙
表2输入输出真值表
3由真值表可以得出算式:
F1=A F2=非A*B
F3=非A*非B*C F4=非A*非B*非C* D
根据算式可以进行电路设计。
实际上,城市交通中最难控制的就是十字路口车辆及人员问题,例如:交通路口在夜间一般是无民警值班的,可以根据数字逻辑门电路理论设计一个电路控制红绿黄灯按一定时序自动切换(如:红灯50s→黄灯5s→绿灯60s→黄灯5→红灯50s→„„,或者按其它时序变化),我们可以根据具体条件和要求来选择不同的控制门、译码器、触发器、二极管、电阻等来设计控制电路。
现给出具体条件如下:要求设计十字路口红绿灯控制电路,使两条交叉道路上的车辆交替运行,通行时间为60s,红绿灯变换之间要用黄灯缓冲5s。
下面给出分析内容。
设交叉道路为A和B,有四种状态:A通B禁、A通B缓、A禁B通、A禁B缓,状态转换是由控制器来进行的,用变量S表示控制器的四种状态:S0(00)、S1(01)、S2(10)、S3(11)。增加三个变量TL、TY、ST,含义为:TL示车道绿灯亮的时间间隔为60S,定时到,TL=1,否则,TL=0;TY表示黄灯亮的时间间隔为5秒,定时到,TY=1,否则,TY=0;ST表示定时到,控制器发出状态转换信号,开始下个工作状态
[5]
的定时。控制器的状态转换如表3所示。
表3 控制器状态转换表
Table 3Controller State Truth Conversion Table
4结语
本文阐述了利用数字逻辑门电路理论及函数化简、真值表、卡诺图等方法来分析城市交通问题的思路。
这个学年就要结束了。在这个学年里，老师为我们的学习付出了许多心血，我们也为自己的学习洒下了许多辛勤的汗水。回顾一下过去，刚来到鲁东大学报到的那一天还历历在目，怪不得人们常说日月如梭，光阴荏苒呀！总结一下这个学年的各方面情况，大概可以归纳以下几个要点。
一、在学习上，比起中学有了很大的进步，学习刻苦，态度端正，能够适当的阅读一些课外书；但是在学习方法和能力上有些欠缺，在今后的学习中需要改进。
二、在生活上，我基本上可以和同学们友好相处，和睦共处，互帮互爱，自己的事情自己做，形成独立自理自立的良好品德。
三、在娱乐上，我觉得我收获最大就是学会了滑旱冰，在娱乐的基础上还可以锻炼身体。
四、在活动上，我表现的比较积极。我加入众多社团，丰富了我的社会经验和与人际交往的能力。
五、在工作上，我同时在院团委领导下的学生会、启探文学社任职，并且在班里任学习委员，锻炼自己的组织交际能力,还深刻地感受到团队合作的精神及凝聚力。更加认真负责对待团队的任务。以便使自己成为一个全面发展的高素质大学生，从各个方面锻炼和提高自己，使自己在将来激烈的社会竞争中立于不败之地。
六、在思想上，认真学习马列主义毛泽东思想，学习邓小平建设有中国特色的社会主义理论，学习
江泽民“三个代表”重要讲话，学习“两会”精神，积极改造自己的世界观、人生观、价值观。我在本学年取得了到鲁东大学党校学习的资格，并顺利毕业。
总之，过去的一年，是不断学习、不断充实的一年，是积极探索、逐步成熟的一年。我要发扬优点，改正缺点，不能再浪费一分一秒，特别是在星期天的时间里，要及时总结归纳一周里学的东西，作好笔记。针对自己的专业，多到图书馆看专业书和案例，拓宽自己的知识面和增加看问题的深度，同时还要多跟任课老师沟通，不懂就问，戒除害羞的习惯。大学生活是很宝贵的，我不愿意平平淡淡地过这几年，我要好好珍惜这难得的读书机会，努力读书，为自己的大学生活增添丰富美丽的色彩。 参考文献
1.徐慰慈.城市交通规划论[M].上海:同济大学出版社,1998
2.段新文,李宗领.电子技术基础实验[M].西安:陕西师范大学出版社,2000.40-50
3.唐介.电工学(少学时)[M].北京:高等教育出版社,2005
4.卢毅,赖杰.VHDL与数字电路设计[M].北京:科学出版社,2001.35-48
5.肖秋生,徐慰慈.城市交通规划[M].北京:人民交通出版社,1990.31-46
