毕业设计—基于PLC的交通信号灯.doc

中北大学2009届毕业设计说明书第1页共39页1引言城市的快速发展，机动车拥有量的增长，给交通带来了许多问题，如交通拥堵、交通事故频发等。作为城市交通命脉的道路阻塞会使整个城市交通陷入瘫痪。完善路网来缓解交通拥挤不是短时间所能解决的，目前急需做的是进一步挖掘路网的潜力并改善交通现状，特别是改善交通信号控制。可见，研制一种高效的智能交通控制系统是很有必要的，因此，城市交通的智能控制目前已成为国内外交通工程界研究的热点领域之一，最大程度地提高十字路口的通行能力，为经济的发展和人民生活提供一个安全、畅通、高效的交通环境已成为必然1。1.1交通信号灯的产生自从有铁路以来，就出现了为沿某段轨道行驶的列车显示是否安全的信号了。1868年，发明家J·P·奈特产生了将这些信号应用在道路的想法。他在伦敦的议会大楼外设置了第一个交通信号。它们像铁路信号一样有一个倾侧臂，并且将红色和绿色的煤气灯组合起来供夜晚使用的。然而，当某个信号灯发生爆炸并炸死了一名警察后，这个计划就告吹了。由于汽车的发明以及交通量的不断增加，交通信号日益成为一种需要，特别是在美国。20世纪初，阿尔弗雷德·贝尼施开发出一种红绿灯系统，并且在俄亥俄州的克利夫兰进行了第一批安装。4年后，在设置于纽约的交通灯上又增加了第3种颜色琥珀色。1925年，交通信号重新出现在英国。1926年英国人首次采用自动化的交通信号控制器来控制交通信号灯。早期使用的交通信号灯对于安全疏导交叉口的车辆交通起到了良好的作用，但因为其固定的周期长和红绿灯时间控制效果不佳，随着城市交通的飞速发展，交叉口处的交通冲突也越来越复杂。早期使用的交通信号灯越来越难以胜任日趋复杂的交通控制任务了。同时，随着人类科学技术水平的不断提高，相应地产生了符合多种时间分离方法的多样化的现代化交通信号灯，学者们也提出了一些信号控制方案，例如定时控制、感应控制等2。1930年，美国盐湖市开始使用联动式信号系统，该系统把相邻的几个交叉路口作为一个整体，以人工方式集中控制，这种控制系统也就是当今协调控制系统的雏形。随着传感器技术的发展，交通感应路口控制机开始在美国使用，这种控制机当时只用在单个交叉路口，其最大优点是能根据交通检测器测量的交通数据来调整交通控制方案，随着计算机的发展，1963年，加拿大多伦多市建立了一套由JBM650型计算机控制的交通信中北大学2009届毕业设计说明书第2页共39页号系统是基于模糊逻辑的路口交通灯控制算法，这是道路交通控制技术发展的里程碑。该系统第一次把计算机技术用于交通控制，大大提高了控制系统的性能和水平。到80年代初，世界上己有大约250个的城市建立了区域交通控制系统，对城市交通进行整体集中控制。1969年英国学者设计的区域控制系统优化程序TRANSYT(TrafficNetworkStudyTools)被世界各国广泛采用，对交通控制系统的发展起到了促进作用。1979年英国道路和运输研究所研制成功了SCOOT系统，与此同时澳大利亚推出了SCAI系统。这些实时自适应控制系统的诞生在交通控制发展史上是一个伟大的创举，他们可以根据检测器测量的实时交通数据，联机生成配时方案，同时不断修正控制参数，以适应交通流的动态随机变化，因此有较高的控制精度和较好的响应速度。这些系统己经在发达国家的城市网络交通控制中获得了成功的应用。随着智能控制技术的发展，学者们提出了一些智能控制的方法，如模糊控制、神经网络控制和遗传算法等。这些技术的应用都不同程度的缩减了车辆延误、提高了道路的通行能力、改善了交通环境3。现代交通信号常常由电脑来控制。电脑与道路底下的交通检测器相连接，监视交通流量并测算出改变灯光的最佳时间。1.2国内外交通问题的现状在国外，特别是西方国家，由于经济发展的较快，早在60年代，交通问题便日渐突出。据一项对美国主要城市交通状况的调查结果，在1982年至2000年间，美国城市在上下班高峰期间的交通堵塞状况不断加剧，由交通堵塞造成的时间和汽油浪费而带来的经济损失每年高达680亿美元。一位在美国市区驾车上班者在2000年全年平均在路上遇到塞车的时间长达62小时。根据欧美的经验，交通拥挤造成负面影响中，交通事故、汽油过量和时间成本约各占三成4。我国，由于经济发展相对较晚，汽车拥有量相对较少，在改革开放前及初期，这一问题并不严重，但随着我国经济的飞速发展，机动车辆的增多，在80年代中期，特别是进入90年代以来，我国的交通状况日渐恶化，交通拥挤日益严重，特别是一些大中城市，交通拥挤己成为制约城市经济发展的瓶颈。以北京市为例，交通问题己成为影响城市正常功能发挥和城市可持续发展的一个全局性问题。城区主要道路的平均负荷度高达95%以上。交通拥挤的加剧，不仅造成巨额的经济损失，发展严重甚至会导致城市功能的瘫痪。交通拥挤不仅使交通延误增大，行车速度降低，带来时间损失，而且低速行驶增加耗油量，导致燃料费用增加、能源的浪费；汽车尾气排放增加而造成环境质量恶中北大学2009届毕业设计说明书第3页共39页化，据科学家测定，大气中所含一氧化碳的75%、碳氢化合物和氮氧化合物的50%来源于汽车的排放。据统计北京市仅来自汽车排放的尾气中的一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化合物分别占北京大气污染物的63%、73%和22%，是北京大气中的主要污染源；因交通问题而引起的环境问题同样己成为人类社会的公害之一。此外，交通拥挤使交通事故增多，而交通事故的发生又造成交通拥挤加剧，从而形成恶性循环。几十年来，尽管世界各国采取了各种各样的对策，但城市交通问题一直没有很好地解决，在长期的实践中，人们逐渐认识到，仅仅依靠单纯的修建道路，无法满足日益增长的交通压力，特别是在交通问题严重的市区，由于建筑格局己比较固定，进行大的道路建设往往是不可能的，在这种情况下，利用现代化的计算机、通信、控制等手段解决交通问题成为必然的选择5。1.3解决城市交通的有效途径发展智能化交通传统交通信号控制策略存在的主要问题：目前的交通信号控制方法主要包括定时信号控制和感应式信号控制方法。其中，定时信号控制作为较为简单的信号控制方法，同时控制效果也较差。对于感应式信号控制，特别是应用较为广泛的区域感应式信号控制系统，如SCO0T、SCATS等，比定时信号控制来说是交通信号控制上的一大进步，在很大程度上有效地减小了交通拥挤，大大提高了交通控制能力，为现代城市进行交通控制作出了重要贡献。然而，这些系统本身所固有的缺陷，往往又很难真正满足交通控制的需要，与理论上的控制效果相差较远。从80年代以来，我国北京、上海、深圳、沈阳等城市先后从国外分别引进了该类系统，由于系统本身所存在的上述问题，加之我国车流组成复杂，各种类型的车辆相互混杂，并且存在着自行车流与机动车相互干扰等的特殊情况，因此，控制效果更不理想。随着现代科技的快速发展，计算机技术、控制理论和控制方法的不断发展，人们对交通控制技术提出了更高的要求。采用新的人工智能技术进行交通控制，己成为现代交通控制发展的必然的要求。城市交通矛盾的日益突出，已开始影响城市的发展，为了解决这个问题，专家提出了许多建议，如限制私人购车，增加道路宽度，建立交桥，发展城市轨道交通等等。这些措施和办法虽然短期内也能缓解交通压力，但从长远来看，城市的空间毕竟是有限的，这些办法除了需要大量的资金支持外，还要付出惨重的代价。特别是像北京这样的著名历史文化古城，一味地扩展路面，不仅使古建筑和古迹遭到破坏，也破坏了城市独有特中北大学2009届毕业设计说明书第4页共39页征。那么解决城市拥堵的最科学又行之有效的途径在哪里呢？最行之有效的良方或许就是大力发展智能化交通。智能化交通系统是将先进的信息技术、电子通讯技术、自动控制技术、计算机技术以及网络技术等综合运用于整个交通运输，从而实现运输方式和交通管理的现代化。智能化交通管理体系在国外已经有了40多年的发展历史，是目前发达国家普遍采用的交通管理方式，这种方式是在发达的交通网络基础上，应用卫星定位系统，对所辖区域的交通流量实施有效控制，使有限的交通网络功能得到充分合理的利用，极大发挥城市的载体功能。20世纪90年代中期后，欧、美发展智能化交通明显加快。主张采用智能交通系统的人士说，这种技术将大大提高交通效率而节省大量的燃料和时间；除此之外，智能交通系统能够减少交通事故，减少因事故造成的部分经济损失。此外，发展智能交通对交通安全、节省能源、城市环保等方面还有无穷妙用6。1.4智能交通系统1.4.1智能交通系统背景随着城市交通的不断发展和汽车化进程的加快，导致了交通拥挤加剧，交通事故频发，交通环境恶化。当前，交通问题已成为世界范围内制约城市发展的棘手问题，人们对交通需求的持续增长和交通设施供给之间的矛盾日益突出。解决这一矛盾，一方面措施是加大交通基础设施建设，提高交通供给水平；另一个措施是改善城市布局，实施有效的交通管理，抑制交通需求。无疑，缓解交通问题的最直接和最有效办法是进行大量道路建设以满足高速增长的交通需求。但从资金、土地和城市可持续发展的战略角度来看，通过无限制修建道路来满足交通需求并不可行。与此同时，通过限制车辆增加以达到削减交通需求的目的，也受到客观因素的制约而无法取得满意的效果。事实上，由于交通系统是一个相当复杂的大系统，无论单独从车辆方面考虑还是从道路方面考虑，都很难从根本上解决问题。此外，交通对能源的消耗和对城市环境的污染问题日益为人们所关注，其严重性为人们所认识。在这种交通背景下，从系统的观点出发，把车流辆和道路综合起来考虑，运用各种高科技技术系统地解决道路交通问题的思想就应运而生了，这就是智能交通系统。智能交通系统是现代交通管理与控制中更先进和更高级的形式，代表了现代交通管理的更高水平。智能交通系统是一种大范围、全方位发挥作用的实时、准确、高效的综合交通管理系统，是检测技术、计算机技术、通信技术和控制技术等信息技术在交通管理与控制中北大学2009届毕业设计说明书第5页共39页中综合应用的体现。智能交通系统的主要目标可以概括为：保障交通安全、提高交通效率、改善城市环境、降低能源消耗。智能交通系统的主要功能体现在智能化地收集交通信息及其他各类相关信息加以分析处理，并将注释的信息反馈给系统的操作者或驾驶员。借助于这样的交通信息，系统操作者和车辆驾驶员能迅速做出反应，采取适当的行动，使交通状况得到改善5。1.4.2现有智能交通控制的不足智能控制能够适应交通系统复杂多变的局面，可获得比传统的定时控制、感应式控制方法更好的控制效果，必将成为未来交通控制的主要形式。但在控制策略的运用与理解上仍存在着许多不足之处。因此，如何在交通控制中更充分地发挥模糊控制的特点，还需要进一步深入地研究。当前基于模糊控制的智能交通控制研究的主要不足之处表现在：（1）主要局限于简单交叉口单向车流的研究。（2）大多仅考虑两个方向的直行交通流，而忽略左转车流的影响。（3）进行模糊控制时，模糊变量的选取比较简单，不能综合考虑各条车道、不同行驶方向交通流的差异变化。（4）决策过程也不能完全体现交警进行信号控制的实际状况。（5）信号相位的选择单一、灵活性差，虽然有些系统也进行了多相位控制策略的研究，但却不具备灵活的相位转换能力7。1.4.3智能交通系统的发展趋势随着城市交通的发展，交通量的增大，多相位路口的信号控制将逐渐成为主流，所以今后研究的重点将是多相位控制。可以通过模拟有经验的交通警察指挥多相位交叉口的经验，得出多相位控制的基本原理：在某一相位放行的过程中除了尽快消除当前通行的车队队长外，还需要不断观察下一相位车道上的车队长度，综合考虑是否把通行权交给下一个相位。因此把队长作为控制目标，综合考虑各车道上的队长，以此决定绿灯信号分配的方法更接近人的决策过程8。神经网络能够通过学习给定的有经验的训练集生成映射规则，但在网络中映射规则是不可见和难于理解的。而模糊理论没有学习和适应能力，使用者难以确定和校正模糊规则。随着交通控制技术智能化的不断提高，神经网络控制与模糊控制的交叉综合是90年代智能控制的研究热点，利用模糊控制与神经网络控制等智能控制技术进行交叉口信中北大学2009届毕业设计说明书第6页共39页号灯控制能取得比定时控制与感应控制更好的效果，将是今后单交叉口信号灯控制的主要研究方向。在交通控制中，配时方案的优化是非常关键的一步。传统的数学方法还无找到它的全局最优解。遗传算法是一种基于自然选择和进化的搜索技术，因而在优化领域有着广泛的应用。当然，将模糊、神经网络、遗传算法等多种智能控制方法综合集成，将是今后智能控制发展的一个方向。深人开展这种多学科的交叉综合研究，将有助于智能控制理论的发展，使智能控制的理论及应用研究更为深人，更有实际价值。面向中国城市交通情况和功能需求，开发研究新一代的实时自适应控制与管理系统，成为中国城市交通控制系统发展的必由之路。自适应控制系统被认为实用性最强、是发展先进的交通管理系统(ATMS)的最佳基础。因此，自适应交通控制系统将是未来一个阶段交通控制系统的发展方向。对于单点控制，当交叉口处于过饱和或者近饱和状况时，无论多么智能的控制系统也将无能为力，仍然需要交通警察的指挥来疏导交通。问题在于超长排队会导致交叉口的瘫痪，仅靠单个路口来尽快消散排队是不可能的。城市交通控制研究的新发展还体现在城市交通网络的各个方面：区域交通信号灯和城市高速公路匝道口的新的控制方法上；实现区域和高速公路的集成控制；采用动态路由导航与交通网络控制结合；实现先进车辆控制系统AVCS为主的智能运输系统(ITS)；实现ATMS和ATIS为主的城市多智能体交通控制系统；以及一些辅助的交通策略如道路自动计费、公共交通优先权等。从城市交通控制的发展历史和未来社会对城市交通的要求来看，实现城市整体交通网络智能化控制将是发展的必然。智能交通系统的未来研究方向应更重视人的能动性，提供各种各样的信息，从不同的方案中选择最符合实际情况的一种。因此，智能交通系统的最终目标是以信息技术为基础的实时、准确、高效的综合管理系统，使人、车、路密切地配合，和谐的统一。1.5本文的主要研究内容由于交通流量是时变的、非线性的，具有较大的随机性，并且很难建立精确的数学模型，所以本文设计了一种根据前后车流量来决定信号灯配时的模糊控制系统，其主要内容如下:（1）对十字路口交通信号灯控制问题、智能控制系统组成等进行描述。（2）设计模糊控制系统。（3）学习三菱公司FX2N系列PLC的原理以及程序设计。中北大学2009届毕业设计说明书第7页共39页（4）在PLC上编程实现此模糊控制系统。（5）完成硬件电路的焊接。