交通灯控制系统文献综述

文献综述 摘要： 交通控制系统是近现代社会随着物流、出行等交通发展产生的一套独特的 公共管理系统。要保证高效安全的交通次序，除了制定一系列的交通规则，还 必须通过一定的科技手段加以实现。本文在对目前交通控制进行深入分析的基 础上，介绍了交通控制的发展及研究现状，同时提出了目前交通控制仍然存在 的问题以及将来的发展趋势，比较了 PLC 和单片机控制的交通灯系统的优缺点， 并阐述了单片机交通控制系统的主要研究内容。 关键词：交通控制 道路交通 单片机 前言： 随着人口快速的增多，交通工具爆炸性的发展，以及道路资源有限性，交 通控制就应运而生，在人类的生活、工作环境中，交通扮演着极其重要的角色， 人们的出行都无时无刻与交通息息相关。自 18 世纪工业革命以来，工业发展带 动整个交通运输的发展，从而催生了单独的交通控制学问与管理机构。 交通控制系统是近现代社会随着物流、出行等交通发展产生的一套独特的 公共管理系统。要保证高效安全的交通次序，除了制定一系列的交通规则，还 必须通过一定的科技手段加以实现。现代人类科学技术，特别是电子科技的发 展和成熟能比较好的解决系统建立中软硬件方面要求的科技难题。目前交通控 制方面的研究能完全实现自动智能化，甚至将整个区域整合成一个统一的系统 范围，还能根据正常时段以及突发时段的情况进行科学的自动调整。交通对于 社会的工业发展和人类的生活生产中有着十分重要的意义。随着单片机和传感 器技术的迅速发展，自动检测领域发生了巨大的变化，交通监控方面的研究有 了明显的进展，并且必将以其优异的性能比，逐步取代传统的交通控制措施。 正文 1.交通控制系统的发展 城市进路交通自动控制系统的发展是以城市交通信号控制技术为前导，与 汽车工业并行发展的。在其各个发展阶段，由于交通的各种矛盾不断出现，人 们总是尽可能地把各个历史阶段当时的最新科技成果应用到交通自动控制中来， 从而促进了交通自动控制技术的不断发展。 早在 1850 年，城市交叉口处不断增长的交通就引发了人们对安全和拥堵 的关注。世界上第一台交通自动信号灯的诞生，拉开了城市交通控制的序幕， 1868 年，英国工程师纳伊特在伦敦威斯特敏斯特街口安装了一台红绿两色的煤 气照明灯，用来控制交叉路口马车行，但一次煤气爆炸事故致使这种交通信号 灯几乎销声匿迹了近半个世纪。1914 年及稍晚一些时候，美国的克利夫兰、纽 约和芝加哥才重新出现了交通信号灯，它们采用电力驱动，与现在意义上的信 号灯己经相差无几。1926 年英国人第一次安装和使用自动化的控制器来控制交 通信号灯，这是城市交通自动控制的起点。 早期的交通信号灯使用“固定配时”方式实行自动控制，这种方式对于早 期交通量不大的情况曾起过一定的作用。但随着汽车工业的发展、交通流量增 加、随机变化增流强，采用以往那种单一模式的“固定配时”方式己不能满足 客观需要，于是一种多时段多方案的信号控制器开始出现并逐步取代了传统的 只有一种控制方案的控制器 20 世纪 30 年代初，美国最早开始用车辆感应式信号控制器，之后是英国，当 时使用的车辆检测器是气动橡皮管检测器。车辆感应控制器的特点是它能根据 检测器测量的交通流量来调整绿灯时问的长短，使绿灯时间更有效地被利用， 减少车辆在交叉口的时问延误，比定时控制方式有更大的灵活性。车辆感应控 制的这一特点刺激了车辆检测器技术的发展。继气动橡皮管式检测器之后，雷 达、超声波、光电、地磁、电磁、微波、红外以及环形线圈等检测器相继问世。 当今在城市道路交通自动控制、交通监测和交通数据采集系统中，应用最广的 是环形线圈车辆检测器。超声波检测器主要在日本等少数国家得到广泛应用。 计算机技术的出现为交通控制技术的发展注入了新的活力，更是实现了以 一个城市或者更大地域，而非简单的一个路口的交通总体控制系统。1952 年， 美国科罗拉多州丹佛市首次利用模拟计算机和交通检测器实现了对交通信号机 网的配时方案自动选择式信号灯控制，而加拿大多伦多市于 1964 年完成了计算 机控制信号灯的实用化，建立了一套由 IBh1650 型计算机控制的交通信号协调 控制系统，成为世界上第一个具有电子数字计算机城市交通控制系统的城市。 这是道路交通控制技术发展的里程碑。 可以说，在近百年的发展中，道路交通信号控制系统经历了手动到自动， 从固定配时到灵活配时，从无感应控制到有感应控制，从单点控制到干线控制， 从区域控制到网络控制的长远过程。交通控制研究的发展，旨在解决人类交通 因需求的增多而日益繁重带来的问题，局限于进路建设的暂时不足和交通工具 的快速增长，就要使更多的车辆安全高效的利用有限的道路资源，避免因无序 和抢行等无控制原因造成的不必要阻塞甚至瘫痪，另外，针对整个交通线路车 辆的多少实时调整和转移多条线路的分流也十分必要。 交通网络是城市的动脉，象征着一个城市的工业文明水平。交通关系着人 们对于财产、安全和时间相关的利益。具有优良科学的交通控制技术对资源物 流和人们出行都是十分有价值的，保证交通线路的畅通安全，才能保证出行舒 畅，物流准时到位，甚至是生命通道的延伸。 2.国内外交通控制技术研究现状 当前世界各国广泛使用的最具代表性却有实施的城市道路交通信号控制系 统有英国的 TRANSYT 与 SCOOTS 交通控制系统和澳大利亚的 SCATS 系统。 在信号机的发展历程中，自适应理论一直受到各研究机构的欢迎，比如上 面所述的 SCOOTS 和 SCATS 系统。最近几年，国外仍偏向于引进自适应理论来对 交通信号控制系统进行研制，特别是美国有十几个大学或研制机构正在研制自 适应交通信号控制系统，具有代表性的有美国亚利桑那大学研制的 RHODES。 我国交通领域的发展起步较晚，基本是从新中国建国之后，随着各方面的 条件的成熟以及社会发展的要求，才建立及健全交通控制系统的，主要引用国 外的交通控制系统。各级交通管理部门通过技术引进和自主创新，在中国部分 大中城市里，摒弃旧有的控制方式，一些先进的控制技术得到应用。虽然在整 体规模和层次上与世界发达国家还有不少差距，但部分领域技术水平已处于世 界先进位置。目前，我国交通控制系统己不单单是对交叉口信号灯进行控制， 而是集交叉口信号的控制和干线控制以及现代城市高速公路交通控制于一体的 混合型交通，实现区域信号控制和城市高速公路集成控制。 3.交通控制存在的问题 目前，城市交通控制还存在如下问题: (1)随着城市机动车增长速度加快的同时，城市道路建设规模也在加大，我 国城市普遍存在进路密度，进路面积率偏低的问题，这是我国城市尤其是大城 市进路交通出现问题的一个重要原因。我国城市道路的密度只有 6. 8k.每平方 千米，而在 20 世纪 80 年代，世界发达国家就己到达 20km 每平方千米。20 世 纪 90 年代，我国部分城市道路面积率，北京为 5.9%，上海为 6.4%，而国外东 京为 13.8%，巴黎为 25%普遍高于我国。近几年，国家虽不断加大城市道路建 设的力度，但仍赶不上车辆的增长速度，且与世界其他国家相比，差距仍很大。 (2)出租车以及公交的发展运营情况并不尽如人意，虽然车辆和线路长度增 长，但运营速度成了瓶颈，新增的运力被运输效率低下所抵消。 (3)交通管理方面水平还欠发展，随着交通需求越来越旺盛，而我国城市中 小交通管理和交通安全的现代化设施却做得不足。在车辆、道路和交通管理系 统，城市交通信号控制系统，城市交通管制中应用人工智能技术、信息采集和 信息提供技术等方面都与发达国家有很大差距。近几年，虽然有部分城市研究 和引进一些国外先进的交通信号管理系统，但是由于交通管理设施不足等原因， 我国交通事故率居高不下。城市车流行驶速度逐年下降，目前不少城市交通运 量年年增长，但运输速度普遍下降，这都源于交通通行不佳。 针对我国城市交通运输的现状和存在的问题，应采取如下对策:借鉴国外城 市交通管理的先进经验，强调建立城市交通管理体制的重要性，提出加强城市 交通研究的交通规划，建立稳定的交通基础设施建设的资金出道，实行公交优 先政策，建立先进的交通信息系统等。 4.交通控制系统的发展方向 综合分析国内外先进的城市交通控制系统，结合我国城市道路及交通的实 际情况，同时也对今后城市交通与道路建设的发展的前瞻性考量，我国道路智 能交通控制系统的发展模式应具有如下功能： (1)多模式化。首先从系统结构上吸收集中式 SCOOT、分布式 SCAT 等智能 交通系统的长处，在控制范围内各个区域采用灵活可转换的系统结构，使系统 结构根据交通流的区域变化而改变。此外，充分根据不同地区实时交通情况， 对路口能力最大、延迟时间最短等作为遴选不同系统的参考标准。 (2)智能化。随着信息技术的高度发展，作为道路交通控制系统所承担的工 作不仅仅是对交通流的引导，更承担了诸如为车辆提供道路交通信息的职能， 利用对车辆的 CPS 诱导，使道路通行更加顺畅。 (3)最优化。随着计算机技术和优化理论的发展，模型算法的求解和交通模 型的建立就有可能获得最优解并建立最佳模型。当我们建立整个交通路网的动 态交通分配模型和整体优化模型并求最优解，从而达到对路口的控制参数进行 调整进而实现某个地域范围内对交通流进行动态协调控制就成为可行口 (4)规整化。任何控制系统部是立足于具体的道路和交通条件，所以采用道 路的方法和疏导交通流的方法对控制系统会有很大的参考作用.我国在建立完整 的道路交通控制系统之前，必须针对进路状况和交通流做出若干种交通疏导预 案和进路使用预案，从而使交通和进路更加规整。 (5)通用性和模块化。根据计算科学的发展，我国在制定和实施智能交通控 制系统时必须在硬件设计和软件编程上采用通用化和模块化，有利于将来的逐 步升级和换代。 5.交通灯控制系统方案比较 交通控制系统有许多方案:PLC 交通控制系统、单片机交通控制系统等。 (1) PLC 具有以下特点 PLC (Programmable Logic Controller)可编程逻辑控制器，是工业控制 计算机。采用梯形图、助记符、功能图等编程语言，完成逻辑运算、顺序控制、 记数、定时、计算及模拟量处理等功能。具有光电隔离的输入输出端子，可代 替大量的定时器、记数器、继电器，具有极高的可靠性。通过各种扩展模块， 可增加输入/输出点数，增加模拟量功能如可直接接热电偶等，增加通信功能及 特殊通信协议等，具有较高的使用灵活性。PLC 包括操作系统及强电的光电隔 离的输入/输出，方便应用并具有极高的可靠性与抗干扰能力、扩展能力及使用 方便性。但是相对于它强大的功能而言，价格也是十分昂贵的。 (2)单片机具有以下特点 单片计算机是将电子计算机的基本环节，如:CPU，存储器，总线，输入输 出接口等，采用集成电路技术集成在一片硅基片上。由于单片计算机体积很小 (仅手指般大小)，功能强(控制功能强大、指令简单等)，它还具有抗干扰性强、 可靠性高、电磁辐封小、更新换代速度慢等优点，因而广泛用于电子设备中作 控制器之用。 城市交通是一个高度综合而又复杂的问题，必须从政策、机构、体制、管 理、收费价格、基础设施建设和投资各个方面同时入手解决。单片机具有抗干 扰性强、可靠性高、电磁辐射小等优点，但是它的价格相对于 PLC 来说就便宜 的多。因此，本文中采用单片机作为交通灯控制系统。 6.单片机交通控制系统主要研究的内容 基于整个交通控制系统的发展情况，本设计主要进行如下方面的研究:用智 能、集成，且功能强大的单片机芯片为控制中心，设计出一套十字路口的交通 控制系统，以指挥该路口的实时通行状态。本设计中将采用 8051 系列单片机交 通控制系统实现多时段多相位的交通控制目的。 8051 单片机的交通灯控制系统由 8051 单片机、交通灯显示、车流量检 测及调整、紧急处理、时间模式手动设置等模块组成。系统除基本交通灯功能 外，还具有通行时问手动设置、可倒计时显示、急车强行通过、车流量多时段 调整、多相位、交通异常状况判别及处理等相关功。 本设计主要做了以下几方面的工作: (1)确定系统交通控制的总体设计，包括:十字路口具体的通行禁行方案设 计以及系统应拥有的各项功能。本设计除了有信号灯状态控制能实现基本的交 通功能，还增加了倒计时显示提示等。基于实际情况，又要求了对车流量多时 段调整模拟功能，多相位，紧急状况处理盲人提示音和键盘可设置等强大功能。 (2)控制系统硬件电路设计，包括 CPU、存储器、显示电路等模块的选择及 连接，大体分配各个器件及模块的基本功能要求。 (3)软件系统的设计，对于本系统，拟采用单片机汇编语言编写，目前己对 单片机内部结构和工作情况做了充足的研究，了解定时器，中断以及延时原理。 结论 城市交通是一个高度综合而又复杂的问题，必须从政策、机构、体制、管 理、收费价格、基础设施建设和投资各个方面同时入手解决。我国城市经济和 社会的高速发展使得社会对交通的需求急剧增加，也对此提出了严峻的挑战。 要保证高效安全的交通秩序，除了制定一系列的交通规则，还必须通过一定的 科技手段加以实现。本文在对目前交通控制进行深入分析的基础上，运用实时 调整智能化控制的实现技术，拟将实时调整车辆通行时问的算法与单片机控制 作用相结合，提出多时段多相位控制的单片机交通控制系统，来实现基本交通 灯功能、倒计时显示、车流量多时段调整、多相位、急车强行通过、通行时间 手动设置等功能，实现多时段多相位控制的以 AT89C51 为基础的单片机交通控 制系统。 参考文献： 1 张毅刚，彭喜元，董继成.单片机原理及应用M.北京:高等教育出版社，2003 2 周立功.增强型 80C51 单片机速成与实战M.北京航空航天大学出版社 2004.5 3 雷丽文等.微机原理与接口技术M.北京：电子工业出版社，1997.2 4 周航慈，单片机应用程序设计技术 M.北京:航空航天大学出版社，1991 5 胡汉才.单片机原理及其接口技术 M.清华大学出版，1996 6 蔡美琴.MCS-51 系列单片机系统及其应用M.高等教育出版社 2004.2 7 付家才.单片机控制工程实践技术M.化学工业出版社，2004.5 8 潘新民.微型计算机控制技术 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