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青岛科技大学研究生学位论文 自适应交通信号机的设计 摘要 近年：采，先进的城 i 交通控制系统鹌i 世界上得到了迅速的发展私童用。 力藏，它可以大大地提高道路交通的效率和安全性；另一方面，智能交通扭i 用对国民经济地持续稳定发展和社会经济效益地全面提高起着很重要地擤j | 。 本文以青岛海信网络科技股份有限公司地智能交通重点研发项目为依托。 针对我国混合交通地实际状况，深入狡证了城市交通信号控制系统的整体设计 寿龚，功能划分，交通 i 号配时等交通控制系统中的关键技术，本文主要研宠 。q 释如下： 首先，本文分析了因外几种典型的先进智能交通信号控制系统，介绍了它 们的特点及在我国的应用状况并找出了【! 们不适合我国交通状况的根源。衽此 撼础上，提出了适合我国混合交。次况的自适应交通信号控制系统的整体订：“ j 安：及实现的功能。 其次根据设计方案的要求，详细介绍了自适应交通信号控制系统簖硬琶 设计，其中主要介绍了关键插板控制板的设计，并重点讲述了采用1 呲c “。 公司生产的c o l d f i r e 系列微处理器m c f 5 2 7 2 进行c p u 核心板设计的过程。 然后，根据交通控制理论及设计的f ；号机的控制功能，选用wh ( j 汀一 ：，；le m 公司的v x w o r k s 嵌入式澡作系统，使用c + + 语言进行控制方案的竣仁波 计，给出了程序流程图。 最后，本文详细阐述了设计过程中用到的部分算法，及方案切换时的，f 滑 过渡算法。 本文所设计的自适应交通控制系统已经在淄博等地进行了实地匣羽，远荐 状况良好，取得了很好的控制效果。对t ：我国城市交通信号控制系统的酬务荭 建。j 建设具有很好的参考和实用价值。 关键词：交通信号控制m c f 5 2 7 2v x w o r t s 嵌入式操作系统平滑过渡算法 自适应交通信号机的设计 t h ed e s i g no f a d a p t i v e t r a f f i cs i g n a lc o n t r o ls y s t e m a b s t r a c t i nr e c e n t y e a r s ，t h e a d v a n c e d t r a n s p o r t a t i o n c o n t r o ls y s t e mg e t s r a p i d d e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o na l lo v e rt h ew o r i d ，o no n eh a n d ，i tc a ni m p r o v et h e e f f i c i e n c ya n ds a f e t yo ft h et r a n s p o r t a t ! o ns y s t e m ；o nt h eo t h e rh a n d ，t h ea p p l i c a t i 。n i 、| 帆in l e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o r ls y s t e mp l a y sa 1i ：n p o r t a n tr o l ei nt h ec o n t i n u o u sa a d s t a b l ed e v e l o p m e n to f n a t i o n a le c o n o m ya n dt h es o c i c t ye c o n o m i cb e n e f i t i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h ew h o l ed e s i g ns c h e m e ，t h ef u n c t i o nc o m p a r t m e n t a l i z a t i o n a n dt h et r a f f i cl i g h ts i g n a lt i m es e t t i n gt e c h n o l 0 9 2 ，a r ed e e p l yd i s c u s s e d ，a c c o r d i n g1 0 t h ea c t a a im i x e dt r a f f i cs t a t u s c o m b i n i n gw i t t h ed e v e l o p e dw o r ko fq i n g d a o h ，：= | = ：n e t w o r kt e c h n o l o g ) 7c ol ，n 啊l ；m a i nc o n t e n to ft h i st h e s i si s & ： 矗_ m 、i n g ： f i r s t l y , s e v e r a lt y p i c a la d v a n c e di m e l l i g e n tt r a f f i cs i g n a lc o n t r o ls y s t e m sa n d t h e i rc h a r a c t e r i s t i c sa r ei n t r o d u c e d a c c o r d i n gt oa p p l i c a t i o no f t h e s es y s t e m sj 显o t l f cc 】m 1 t va n do u ra c t u a lt r a f f i cc i r c u m s t a n c e ，t h eu n s u i t a b i l i t yi so b v i o u s o nt h eb a s e “【jc s e t h ea d a p t i v et 饿啊( ：s i g r m li ：o r ( ：r o lus t e r nw h i c hi ss u i t a b l ef o r0 1 2 a c t u a ! m i x e dt r a f f i ci sp u tf o r w a r d s e c o n d l y , t h eh a r d w a r ed e s i g ni s i n t r o d u c e di nd e t a i l ，a c c o r d i n gt ot h ed c s i g n s c h e i n e t h ek e yp a r to ft h es y s t e mi st h ec o n ：o lb o a r d t h ec p u o ft h ec c i n t r o j ) o ：t r c i sm c f 5 2 7 2w h i c hi sh e l o n gt c c o l d f i r es e r i a lm i c r o p r o c e s s o rp r o d u c e db y m 吨 ! o l e h ed e s i g no fc p uc o r db o 舢dw i t hm c f 5 2 7 2i sm a i n l yd e s c r i b e d t h i r d l y , h o wt od e s i g n e dt h es o f t w a r eo f t h es i g n a lc o n t r o ls y s t e mw i t hc + 十i n t h ee m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e mv x w o r k sw h i c hi st h ep r o d u c to fw i n dr i v e ri s d i s c u s s e d a n dt h ep r o g r a mf l o wc h a r ti g i v e n 。 儿 奇岛科牲，大学研。宅生学位论文 a 1 = i js t 蛐to f 也e 州gc 3 1 伽1 ：jmt t t is3 r s t e md e s i g na i df i l es l l l c 0 f l ti t 二t 1 1 a t ；“t h r rdj r i n gt h em - 2 t h o d ss 、i o i l8 r oe x ：m i m e d t h ea d a p t i v et r a f f i cc o n t r o ls y s i c md e s i g n e di nt h i sd i s s e r t a t i o ni sn ( j wu s ij 一h 圳t o oc k y , a n di tw o r k sw e q t h e ( 、o r t r o le 6 i ；c ti sg o o d t h i sd e s i g r ! h a s 弦：1 d i “ o ! ：r a c t i c - ：t v a l u ei nt h ed e v , ：k t t n “f * l ta l l , s ：c o n s t r u c t i o no ft h et r a f f i cs i , ! r l a jc c m ；、s 1 i 】1 k e l 一w o r d s ：t r a f f i cd g n a i ：( ) l l t r l ) l ，m c f 5 2 7 2 ，e m b e d d e 、lo p e m t i a i 3 “斌! r ，：) ：皿k s s m o o t ht r a n s i ：i c na l g c l t 一1 ： 青岛科技大学研究生学位论文 1 1 引言 第一章绪论 随着经济的4 i 断发展，汽车工业飞j 扯兴起，从而促进了城市交通的不新芡 展，城市道路及高速公路的不断建设，使交通日益繁荣。自2 0 世纪以来，交通 拥挤、道路堵塞，以及因此而引起的社会经济损失、空气与噪声污染，日益严 蘑地困扰着世界上几乎每一个大城市。我国经济的快速发展带来机动车辆的急 i 增长，城市交通管理面临严峻挑战，弘二多大城市里普遍出现了交通紧张的毪 面。交通搠堵f l 益严重、交通事故频繁发生，行车难、乘车难、走路难已成为 日益严重的社会问题。解决城市交通拥堵等一系列问题的根本途径有两条， 是增加城市交通基础设施的投资，包括一般道路、高架路、地铁和轻轨等的建 没；二是加强城市的交通控制与管理，通过应用先进的技术，如建立先逆9 芝 i 基信号控制系统，建设：圯进的公交系统，充分挖掘现有交通基础设施的潜j i ：_ f ， 第一种方式所需的投资是十分巨大的，修建一条城市高架路的工程造价通常在 几亿到几十亿人民币。第二种方式所需的投资就小得多，先进的城市交通信号 控制系统可以有效地缓解交通拥堵，从而减少的因交通堵塞带来的经济损失， 我国虽然近年来道路长度和面积的增长率越来越高，但是这样的速度还是垃；f i 匕车辆的增长速度。另：外随着我国城市化进程的加速，大中城市的居民出仁次 数也会逐年增加，并且出行方式逐渐由公交向个体交通方式( 自行车、私家车) 转移。这些情况无疑加剧了交通的拥挤程度。所以光靠修建道路不可能改善城 市交通。因此加强城市交通管理和控制是解决城市交通问题的重要有效途径。 交通灯信号控制系统作为城市交通控制的重要方式之一已有一百多年历史，欤 最初的手动控制到自动控制，交通信号由固定周期到可变周期，系统控错j z ，式 由点控到线控和面控，从无车辆柃测器到有车辆检测器，不断发展的先进的交 通控制系统有效缓解了交通拥堵的问题，为人们带来了巨大的社会经济效葡。“： 自适应交通信号机的设计 1 ，2 智能交通系统和城市交通智能信号控制系统 1 2 1 智能交通系统 锚。能交通系统( i m e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m s ) 简称i t s 。早在3 0 多套 强射, k q ：l 就提出了智能交通的概念，不过对i t s 进行系统研究则始于8 0 年代 ”。、 起刨i t s 研究工作始于英国、法国、德国等欧洲国家，由于i t s 对城市建设、 城市交通与经济发展的重要性日益明显，世界各地的许多国家和地区也相继开 展了对i t s 的研究工作。尤其在美国、欧洲、日本等工业化国家成立了全国性 的i t s 发展协调组织，统- - , 韦t j 定研究开发计划并投入大量经费，已取得重要成 疑心 智能交通系统是为了全面有效地解决交通发展中出现的问题而提出的，是 随着现代高科技的发展以及交通需求，并以监控为主体的交通工程的基础上发 展起来的。它广义上包括交通系统的规划、设计、实施以及智能化的运营管理； 獍义j 二则主要指交通运输管理和组织，其实质是采用现代高新技术对传统的交 通运输系统进行改造而形成的一种新型现代交通系绑。“。具体地说，i t s 是将 先进的信息技术、传感器技术、数据芝信技术、自动控制技术、运筹学、图像 分析技术、计算机网络以及人工智能等有效的综合运用于整个交通管理体系， 在系统工程的综合集成思想指导下，建立起种在大范围内、全方位发挥作嗣 n 勺实时、准确、高效的运输综合体系口“j 。 1 2 2 城市交通智能信号控制系统 交通信号控制从空间关系上可划分为单路口控制( 也称为点控) 、干道控制 ( 也称为线控) 、区域控制( 也称为面控) 。从控制原理上可把交通控制分为定时控 制、感应控制和自适应控制【叭。点控方式适用于相邻信号机距离较远、线控没 有太大效果时，或因各相位交通需求变动显著，其交叉口的周期长和绿信比的 独立控制比线控更有效的情况。线控方式是将一条道路延长线上几个信号机在 时间上相互联系起来进行信号控制。面控的控制对象是城市或城市的某个区域 j ：有交叉口的交通信号，面控方式是将控制弼象区域内全部交通信号的监控 2 青岛科技大学研究生学位论文 作为一个交通控制中心管理下的整体控制系统。它是单点信号、干道信号科， 络信号系统综合控制的集成。感应控制是对单路口而言，某相位的绿灯时间恨 据车流量的变化而改变。自适应交通控制系统属于最先进的第三代交叉h 控制 系统【川，通常把一个区域的交通网络作为一个不确定性系统，实时连续测最其 状态数据，如车流量、停车次数、延误驴间、队列长度等，逐渐了解和掌握对 象，通过计算机对各信号计时进行优化，把它们与希望的动态特性进行 ：筏， 并根据差值改变系统的可调参数= 产生一个配时方案，从而保证不论研境如阿 变化，均可使控制效果达到最优或次优j 。 1 2 2 1 国外交通信号系统的发展状况 交通信号控制系统的发展非常迅速，至今已开发并应用了多种先进的n 适 应交通控制系统，并在世界许多国家得以应用。如s c o o t 系统5 1 2 1 ，悉尼办调 自适应交通系统( s c a t s ) 1 3 】，洛杉矶自适应交通控制系统( l a a t c s ) 1 1 4 1 等。 1 2 2 1 1s c , o o t 系统 s c o o t ( s p l i t ，c y c l e a n d o f f s e t o p t i m i z a t i o n t e c l m i q u e ：绿信比、周期和相 位差优化技术) 的研究始于1 9 7 3 年，是由英国运输研究所在t r a n s y t 基础上研 制的自适应控制系统 1 2 , 15 。s c o o t 系统是基于模型的自适应系统，它采用：f r a n s y t 的一些原理，由埋设在夺v 路口上游的车辆检测器检测车辆驶出悄；：a ， 根据车队离散模型预测f 游车辆到达情班。根据延误三角形理论。”3 ，计算乍辘 延误和排队长度，并以此为优化目标，计算绿信比、周期长、相位差小步距调 整后的目标函数值，选取目标函数值最小的控制参数，从而优化整个交通网络 各路口的信号灯配时方案，并通过区域交通控制应用软件对信号灯进行控告j 【| f = 。 s c o o t 安装在中心计算机上，基本由交通预测模型和配时参数优化两部磐组 成。交通预测模通过上游的检测器检测宴时交通数据并根据车队离散模犁预溅 f 游车辆到达情况。配时参数优化模块使用爬山法启发式搜索策略用小步长澎 进寻优法通过调整绿信比、相位差和周期长，最小化延迟和停车次数。优化模 块包含三个优化部分：周期优化部分、绿信比优化部分和相位差优化部分：周 甥优化计算网络中关键路口的最佳周期嘲长。绿信比优化部分在所计算。吩周甥 时长的基础上为每个路u 分配绿信比，框位差优化部分计算各路口的相啦差。 自适应交通信号机的设计 这些参数的计算和实行是不断进行的并且在需要的时候修改系统中的参数设 置。由于s c o o t 系统是从固定配时协调控制系统演变而来的，它的设备配置除包 括固定配时系统的几乎全套设备之外，主要增加了车流实时检测设备及检测数 据的反锁系统。英国的许多城市，包括伦敦在内，几乎都是在原有固定配时控 制系统的基础上引入s c o o r r 系统的。 s c o o t 经历了三十多年的发展，功能不断增加，但是仍然存在着一些不足 之处：交通模型的建立需要大量的路网几何尺寸和交通流数据，因而费时费力； 绿信比的优化依赖于对饱和度的估算并且以小步长变化对其进行调整，因此有 可能不足以及时响应每个周期的交通需求i ”j 。 i 2 2 1 2 悉尼协调自适应交通系统( s c a t s s c a t s ( s y d n e yc o - o r d i n a t e da d a p t i v et r a f f i cs y s t e m ) 起初是为澳大利亚 新南威尔士道路交通局研发用于悉尼和澳大利亚的其它城市的 1 8 】。目前该 系统已应用于世界上5 0 多个城市。s c a t s 系统类似于s c o o t 系统，通过调节 一司则时长、绿信比和相位差来响应实时交通需求，使整个交通系统中的停车次 数和延迟达到最小。与s c o o t 系统不同的是，s c a t s 没有使用交通模型，本 质上是一种实时方案选择系统，它拥有一个方案库，根据获得的交通数据在方 案库中选择合适的方案，可以粗略的认为s c a t s 是一种反馈控制系统【1 9 】。 s ( ：叮s 分为两层控制体系：战略层和战术层! “。在战略层，“子系统”或多这 1 0 个交叉路口构成的交通网络由区域计算机控制进行协调信号计时。这些子系 统可以相互连接构成一个更大的系统使用相同的信号周期时长。在战略控制层 可以根据所选则的控制方案设置相位差和信号周期时长以响应当前的交通饱和 程度。在战术层，根据区域计算机的战略控匍 要求对交叉路口信号参数进行优 b；通行需求小于平均水平时战术控制允许提前中止绿灯信号，当某相位没 有需求时可以完全跳过该相位的绿灯计时( 即该相位没有绿灯信号) ，多出来的 绿灯时间添加到主要相位的绿灯时间上或加到下绿灯相位时间上。s c a t s 支 待四种运行模式，第一种模式是“标准模式”，它具有完整的交通响应功能。第 ：种模式为“降级模式”，当计算机或通讯出现故障时执行多时段方案。第三种 ，瓤k 为“单点控制模式”，具有感应控制功能。第四种模式下路口各通道信号灯 进行黄闪或红闪。s c a t s 系统也存在许多的不足由于未使用交通模型，因而限 制了配时方案的优化过程。另外，因为s c a t s 系统通过检测器的占用时间来 4 青岛科技大学研究生学位论文 检测交通饱和程度，检测器不能夏分车流高速通过情况( 当大量机动车高迹通 过时检测器占用时问会较长) 和道路堵塞情况。当路口等待队列过长并堵塞上 游路口时，s c a t s 系统无法处理这种交通堵塞口”。 1 1 。2 我国城市交通信号控制系统的状洌 我国对智能交通系统的研究起步较晚，但经过几年的不懈努力，在某些领 域作了许多工作，取得了一定的成果。 我国在八十年代开始引进国外较先进的交通信号控制系统，如北京、大连、 成都引入了英国的s c o o t 系统，卜海、沈阳、广州引进了澳大利亚的s c k f s 系统。深圳、无锡引进7 日本的金山系统。s c o o t 、s c a t s 和k y o s a n 这些 系统都是针对以机动车为主的交通特征开发的。目前我国大多数城市道路都是 人车混行，自行车与机动车混行，而且巨行车流的放行几乎都是和机动擎能放 行同时开始，导致许多国外成熟的信号控制系统不适应中国的混合交通状满； 在中国往往达不到应有的效果。比如：s c o o t 系统是在中央控制机根据j _ 淤j # 流到达情况来预测车辆到达下游的情况，中国多数城市两个路口之间存在搿车 流的大量横向干扰，车流在行驶过程中几乎无规律性可言，难以用模型准磷预 测下游车流到达情况；s c a t s 系统采用方案选择，这些配时方案需要人工调查 生成，而中国城市在飞速发展，交通状况不断变化，配好的方案，无法适融睫 速变化的路口实际交通情况叫j 。 基于混合交通引发的e l 益严重的问题，国内许多学者近年来开始了对灌合 交通的研究，并取得了一些成果。我国智能交通系统的发展蓬勃兴起，自适应 交通控制系统是智能交通系统的核心内霜之一，是智能交通系统中其它子二系统 的基础，是智能交通系统建设的几个首要建设内容之一，同时也是城市空通控 制现代化建设内容。目f 讨吉林大学已经”发出具有自主知识产权的城市交通h 适应面控系统软件，达到可以实际工程应用的程度( 2 3 1 。 1 1 2 1m i t c o 交通信号控制系统 m i t c o 交通信号控制系统是由e 海宝康公司研发的，以解决中国混台交通司 题为目标，控制模型针对中国混合交通特点，建立非机动车和行人交通控制模 型，具有行人过街触发式感应控制、行人过街多时段控制和行人过街协调控制 自适应交通信号机的设计 模型，能够根据实际交通情况灵活调整配时方案。 m i t c 0 的关键在于两点，即控制模式采用集散控制，控制策略采取分型优化。 分琴! 优化是根据中国城市交通的特点，对交通流进行了分型简化，从而使得系 统誓效、普适。m i t c 0 根据路口交通流量大小，将其划分为离散流、小流量、c i 流量和大流量四种类型，分别采用不同的控制方式。路口交通处于离散流时， 随机性很大，采用单点自适应感应控制( 定义每个通行状态的最大绿t m a x 、最 0 、绿t m i m 平d a t 步长) 或者定义黄阿控制( 特殊时段) ；而小流量时变化较连续， 采鞭单点优化控制；中流量适合多路口的协调控制( 如绿波带控制和两三个路 ；j 之间的优化) ；大流量容易导致堵塞，采用交叉口群控制和重点优先的脱机多 时段方案。 m i t c 0 采用集散控制模式，分型优化控制策略。分型优化是根据中国城市交 道的特点，对交通流进行了分型简化，从而使得系统高效、普适。m i t c 0 系统控 制攥型将机动车交通流划分为四种状态：离散流、小流量、中流量和大流量， 。霄司的流量类型采取不同的控制方式。u i t c 0 系, 统中各信号机对交通信息进行检 测，根据路口交通流状态对各相关路段和路口作分型决策，对不同类型的路口 采用不同的控制方式，而大部分的控制方案则由信号机根据路口所处的流量状 况自行生成。例如当路口交通处于离散流时，随机性很大，采用单点自适应感 j 、髓i 制或者定义黄闪控制( 特殊时段) ；而小流量时变化较连续，采用单点优化 控制；中流量适合多路口的协调控制( 如绿波带控制和两三个路口之间的优化) ： 大流量容易导致堵塞，采用交叉口群控制和重点优先的脱机多时段方案。控制 中心与路口机功能划分明确，控制中心确定系统及子区的交通控制战略，对所 控路口只作宏观决策，包括确定予区的结合和分离、控制子区的控制方式，确 定于区内机动车交通流、非机动车和行人交通流通行权的分配权重，确定路口 的绿灯时长限制，调整子区内所有路口的公共信号周期和路口之间的相位差。 路口机分析路口的实时交通流，确定路口的绿信比，不考虑与其他路口之间的 后号协调。路口机可以存储最近一周的交通流量和控制方案，并对历史方案作 优化，路口机同时对感应控制参数实时优化，确定单点控制的最优控制方式私j 墨刮参数。 i 2 进行城市智能交通信号控制研究的意义 随着社会的发展，交通问题尤其是城市交通问题越来越成为影响经济与社 6 青岛科技大学研究生学位论文 会发展的重要因素，因此建立有效的城市交通控制系统成为一种必然。我国的 城市交通问题已经成为制约城市发展的瓶颈，采取先进的交通控制系统要强造 在眉睫，建立城市交通控制系统的主要薏义在于： 规范道路交通环境。通过糸统化的道路交通工程设计，规范道路的渠弘 交通信号和交通标志分布，均衡路网的交通分布。 安装标准、稳定可靠及功能灵活的交通控制设备和系统，满足各种交通 控制的需求。 系统运行时可连续准确的采集大量现场交通数据，通过对交通数据的采 集、存储和处理不仅直接用于交通控制，还可为交通指挥调度和城市 交通规划提供科学依据。 从区域乃至全局进行实时优化交通控制，缓解交通压力，减少交通事故， 降低交通污染，提高现有道路的通行能力。 根据公安部、建设部“畅通工程”酗要求，地级以上城市必须建设交通控 制中心，对城市交通进行科学有效的管理。建设交通控制系统是解决城市交通 问题的需求，是保持城市形象的需求，更是城市交通智能化管理的需求。拔匿 城市发展速度很快，城市交通处于不断变化中，主要表现在： ( 1 ) 城市发展速度快，导致交通结桷发生变化。 ( 2 ) 交通量迅猛发展，导致交通需球发生变化。 ( 3 ) 交通设施改造，导致交通条件发生变化。 因此，基本上没有哪一个城市的交通状况趋于稳定状态，这就要求交通控 制系统便于扩充和升级。加之我国城市类型多种多样，既有大城市、特大城市 和超大城市，又有中等城市和小城市，才同城市对交通控制系统有不同砖- n - d 3 层次，这就要求交通控制系统必须多元化。要想开发出适合我国国情的自适瞳 交通控制系统，避免现有系统的缺点，就必须从城市交通分析入手，深入砑究 我国城市交通的特点，从而提高系统的针对性和适用性。 1 3 本论文研究的主要内容 本论文介绍了自适应智能交通控制系统的构成以及此系统中重要组成部分 自适应信号机的设计。主要研究t - ：控板的硬件设计和协调式自适赢信号 机部分控制方案的实现方法并绘山了控制方案中绿信比、信号周期时常等参数 的计算方法和平滑过渡算法。 7 自适应交通信号机的设计 戳l 譬l 言 第二章自适应信号机系统总体设计 由于目前我国的交通状况以混合交通为主”，国外的先进的自适应交通信 号控制系统主要是针对发达国家的机动车为主的交通状况，因此不适应我国的 圈瓤往往达不到预期的控制效果。要想开发出适合我国国情的自适应交通挎 圳系终，避免现有系统的缺点，就必须从城市交通分析入手，深入研究我国城 市交通的特点，依据混合交通流理论和混合交通控制理论进行研发设计，从而 提高系统的针对性和适用性。 本文所研究的基于微处理器控制的交通信号控制机是针对我国混合交通状 ；圮；j 制的集中协调式信号机，是自适应交通控制系统中交通信号控制、流量数 猫采集的重要组成部分，具有较强的控制和通信功能。硬件电路和软件设计都 采用了模块化没计的思想。 2 2 我国的城市交通状况 混台交通是我国城市交通的显著特点，机动车、非机动车、行人相互干扰 严重。尤其是在交叉口，混合交通是造成交叉口通行秩序混乱的主要原因。混 合交通的存在，致使交叉口饱和流量和通行能力降低，使得我国绝大部分城市 的交通控制系统的效能没有得到充分发挥，甚至效率低下。 ：1 e 台交通是指各种交通工具或各种交通工具与行人共用同一单幅道路的交 通现象。通常分为三种情况：一是不同种类机动车的混合交通；二是机动车和 非机动车的混合交通；三是机动车、非机动车与行人的混合交通“1 。通常我们 所说的混合交通是指后两种情况。其中，机动车与非机动车的混合交通是我国 城市交通的主要特征，尤其是机动车与自行车在交叉口的混合通行状况更是各 城市砭通管理的一大难点，主要表现在机动车与自行车在交叉口的冲突所带来 的闯题，如通行能力下降、交通事故增加等”6 。 8 青岛科技大学硼：吃生学位论文 尽管混合交通现象在我国普遍存在，但是经研究发现，城市道路上的交通 流仍然具有明显的规律性，具体表现在三个方面：时间性、系统性和相关性。 交通流的相关性主要表现在三个方面：时间相关性、空间相关性和事件相关陛， 时间相关性是指所有交叉口的交通状态随时问的变化规律具有相似性。空问相 关性是指某些交叉1 ：3 ( 可能距离很远) 的交通状态变化具有很强的一致性，变 化过程极其类似。交通流的生成具有很豫的聚集特征，其聚集过程为：街苍一 支路一干路，表现出显著的系统性，城可中所有的交通流是一个统一体。事件 相关性是指交通流点线面运动的相关性。 2 。3 自适应交通控制系统概述 智能化的自适应交通控制系统，以兰l ；时控制方式工作。控制系统构成如图 2 一i 所示，分为三个等级：第一级为中! 把控制服务器，它通过区域控制服务器 与路口信号机相连接。第二级为区域控制服务器，第三级为路口信号机1 2 7 , 2 8 , 2 9 - 。 幽2 - 1 控制系统构成 f i g 2 - 1s t r u c t u r eo fl h ec o n t r o ls y s t e m 如果控制区域较大，中央控制服务器下可以设置多台区域控制服务器；如 果控制区域较小，中央控制服务器下则可以只设台区域控制服务器，或者将 中央控制服务器和区域控制服务器的功能合并。当系统采用了集中协调式信号 机时，集中协调式自适应信号机具有相当于区域控制服务器的控制作用。在不 设交通控制中心时，集中协调式自适应信号机可以代替控制中心的部分功能。 9 自适应交通信号机的设计 实现简单的协调控制。中央控制服务器是控制系统的最高层是系统的核心，主 要负责数据管理、交通状况分析、交通状况预测和人工干预方案下载。数据管 理功能可以记录各个时刻或时段的交通数据，以方便日后对交通历史数据的查 询和 _ 矗看交通运行情况。交通状况分析分三个层次进行：宏观分析、中观分析、 微观分析，是交通管理的重要组成部分。宏观分析以整个路网为研究对象，分 析控制区域内所有信号交叉口的交通状态。中观分析以交叉口为研究对象，分 析簿一个交叉口交通状态的变化规律。微观分析以检测器为研究对象，分析每 一捡测器所检测的信息的变化规律。交通状况预测包括宏观交通状态预测、中 ，t i j 暑蔓通状态预测、微观交通状态预测。宏观预测以整个路网为对象，预测路网 交通状态的总体变化趋势。中观预测以交叉 j 为对象，预测每一个交叉口交通 状态的变化趋势。微观预测以检测器为对象，预测检测器检测信息的变化趋势。 其中微观交通状态预测是交通控制方案优化的直接依据，宏观预测和中观预测 是交通管理的内容。区域控制服务器是控制系统的中间层，是自适应交通控制 ，j 能买现的主体+ 主要功能包括：数据管理、控制子区划分、饱和流量计算、 交通强度计算、周期时长优选、绿信比计算、相位差计算和人工干预方案下载。 信号机是控制系统的底层，是交通控制功能的执行单元和基础交通信息的处理 单元，其主要任务是：及时收集各来车方向车辆检测器提供的车流信息，定期 上报中央控制服务器和区域控制服务器；通过与中央控制服务器、区域控制服 务器的通讯，服从全局的协调管理，并根据本路口实际交通流情况自行实时决 策本路 j 的信号交换。集中协调式信号机的作用相当于区域控制服务器，可以 驱动和协调所控区域内的其他信号机，实现线协调控制的功能。 2 4 集中协调式自适应信号机 集中协调式自适应信号机是自适应交通控制系统中交通信号控制、流量数 据采集的重要组成部分。它的功能强大，具有多种控制方式。集中协调式自适 应信号机可以在系统协调下执行控制中心下发的控制方案和关灯、闪光、全红、 ：车动涉进等控制指令；也可以在无中心控制的条件下进行信号机单点自主时段 控制：信号机运行时可连续准确地采集大量现场交通数据，并将现场数据实时 的传输到控制中心，控制中心通过对交通数据的采集、存储和处理，不仅可以 直接用于交通控制，还可以为交通指挥调度和城市交通规划提供准确科学的量 化依据；同时，可以通过对信号机手动控制面板操作，执行应急的闪光、全红 1 0 青岛科技大学研究生学位沦文 和手动步进等控制指令。 集中协调式信号机具有多种控制方式。控制方式基本可分为协调控毛i 、孤 立控制和其他控制。信号机的控制方式分为协调控制、孤立控制和其它控制。 坼调控制是指通过协调各个需要协调控制交叉口的控制方案，从而使车辆班绿 波形式通过各协调控制交叉口的控制方型：，主要包括：无电缆线协调控制、确 电缆线协调控制、主从式线协渊控制、系统线协调控制；孤立控制是捐信号机 和j 二级控制机( 或者别的信号机) 没有联系( 或者有联系但不需要线| 力。调时j 的控制方式，主要包括：手动控制、单点定周期、单点多时段、单点优化、单 点方案选择、单点全感应、单点半感应几种控制方式：其他控制指行人过篱控 制。由于短时间内交通状态变化一般不大，连续两次方案配时参数( 周期时长、 掴位差) 变化应该较小，因此采用平滑逛渡方法，使各方案转换达到、1 王稳过攫。 集中协调式信号机不仅适用于设有检测器交叉口的信号控制，还适用于以下两 种情况： ( 1 ) 投资有艰，信号交义口较少，：e 需区域控制服务器的地区。 ( 2 ) 偏僻控制子区，代替区域控制服务器进行子区内协调控制。 2 4 1 硬件设计概述 集中协调式自适应信号机的硬件板卡主要包括控制板、通讯板、i o 接： 一皈、 相位驱动板、检测器板电源模蜘、手动及显示面板、供电与保护单元、融一 黄闪器。从系统的町维护性及系统的可靠性上二考虑，采用模块化结构设试一，将 信号机分成四个部分：6 u 机箱、3 u 机箱、手动显示操作单元、供电与保护单砣： 信号机的结构与构成如图2 2 所示。6 u 机箱中包括电源模块、控制板、通讯板、 i o 接口板、相位驱动板等。3 u 机箱中二j ：要包括车检模块。保护与供电部分包 括防雷模块、漏电保护模块、供电主回踺模块。 一控制板 控制单元主要完成交通控制策略的实现。控制单元由c p u 模块、一 个r s 2 3 2 接口、一个r s 一4 8 5 接口、1 0 0 i o m 以太网接口、数字输入输出 模块( t 要连接来自车检器和行八按钮的开关量输入、以及连接主供吧 回路切换控制能继电器等) 和特殊控制信号接口、连接外部模块的接：i ( 连接相位控制驱动模块、通讯楼块、i o 接口模块) 。同时还包括电溅 转换模块用于产生3 3 v 电源用丁其他模块使用。 自适应交通信号机的设计 一一二一：4 - ：；- 一 罔旧罔圈闰 图2 - 2 信号机结构与构或示意图 f i g 2 - 2s t r u c t u r eo f t h es i g n a lc o n t r o l l e r 一相位驱动板 相位控制驱动模块主要由可控硅，f 关电路( 或固态继电器) 组成 通过电网电压驱动交通信号，一块板叮控制4 个相位1 2 路信号输出。 1 2 青岛科技大学研究生学位论文 该板包括两路快速熔断状态监视电路，1 2 路输出状态监视电路( 电压监 视、电流监视) 过零检测电路和信号隔离电路、黄灯切换电略等，每台 交通信号机最多可装4 块相位控制驱动插件。 相位驱动单元主要实现以下j 力能：输出信号锁存及输出监视、仨弓 封锁、红黄闪选择、故障输入及滤波控制、信号灯状态确认、信号船驱 动及驱动检测。 相位控制驱动模块还应具有对浪涌电压抑制功能，以实现信号机内 部电路、信号灯的保护。 采用红、黄、绿i 种颜色l e ) 对每相位的驱动状态进行实时指：i i ， 检测器板 车辆检测器板主要用于各种交通信息检测和采集，包括车流量、道 路占有率、车辆平均速度、即时速度、交通堵塞检测和车辆排队长度等 信息，以作为实时自适应控制和感应控制的依据。在现阶段的丌发叶：卜 要以感应线圈为主，馈线距离为：3 0 0 米左右，输出到接口板的信号应为 开关量信号。 埋设在道路上的环形线圈作为检测器板调谐电路中的一个电感 i 件，与检测器板的振荡回路一起形成l c 谐振，当车辆通过时，也就是 环形线圈中间或周围有铁制品存在时，由于铁磁材料的高导磁率，牦会 使线幽中单位电流产生的磁通链剧增，从而导致线圈电感值发生微小变 化，进而改变i j c 谐振的频率，由此检测车辆通过与否，环形线圈埋设 于道路上做为检测车辆的传感器，馈线用来将环形线圈接到车辆检测器 电路。锁相环电路与环形线圈一逗构成l c 振荡，达到其谐振点并将i 振荡的波形转化为单片机可以接i5 的方波，送入可编程逻辑器俨刖z ， e p l d 产生中断并将频率信号送入单片机的定时计数器电路，通过记录 l c 振荡谐振频率，然后对记录的数据进行处理，并将处理后得垂的车辆 信息通4 8 5 通讯口输出。检测板的设计原理图如图2 3 所示。 1 3 自适应交通信号机的设计 图2 - 3 检测器板原：里图 f i g2 - 3t h e o r yd i a g r a mo f t h ed e t e c t o rc i r c u i tb o a r d 一硬件黄闪器 主要实现在信号机出现故障时能够有硬件黄闪器提供闪烁的供电 信号驱动黄灯闪烁。闪烁餍期为一秒。同时该板提供一组+ 1 2 v 电源驱动 黄闪切换继电器。 一i o 接口板 i 0 接口板用于连接检测器、行人请求装置等，连接信号为开关量 信号。输入输出信号具有隔离电路，j l 防止对内部电路的干扰等。 通信板 通信板主要包括：1 0 0 l o _ i 以太睡接口、u s b 、标准的串行通信接! i ( 3 组r s 2 3 2 、1 组r s 4 8 5 、l 组f s k m o d e i d 、l 组r s 2 3 2 4 8 5 可配置) 。调 制解调器电路，可以实现以f s k 方式、1 2 0 0b i t s 速率，通过普通电 活专线进行2 4 线制、半全双工数箍；通信。同时每种通讯端口均采取 隔离、保护措簏。通讯板与控制板之闷通过并行总线进行数据交互。采 用l e d 对每组通讯接口的通讯状态进行实时指示。 电源模块 电源组件主要给控制部分和通信部分的各种模块提供工作电源，共 包括二组电源，组为5 v 和+ 1 2 v ，一组为+ t 2 v 。 供电与保护 主供电回路包括漏电保护、防雷保护模块以及控制灰度、黄闪切换 的供电回路等电路。提供2 路带保险和触电保护的2 2 0 v 5 a 交流电源插 喳供检修等使用。主供电回路示意图如图2 4 所示。 1 4 青岛科技大学研! ；生学位论文 a n b e rr e dg r e e n 翻2 4 主供i u 目路示意图 f i g 2 4t h es k e t c hc h a r to f t h em a i np o w e rs u p p l yc i r c u i t 2 4 2 软件设计概述 控制功能 信号机提供关灯、闪光( 黄闪或者黄红闪) 、手动步进、单点j i ? 司瑚、 单点感应、单点优化、单点方案选择、无电缆线控、有电缆线控、系统 线控、警卫路线( 动态绿波) 和行人过街等控制方式。 在系统控制状态下，信号机可以根据控制中心的系统命令执行相应 的优化方案或干预控制。当与控制中心通信出现故障时，信号； ! l u 以自 动降级到单点自主方式运行。 当控制参数或时段发生变化时，信号机能通过平滑技术来探i = e j 2 ：行 周期正常过渡。 当检查到参数错误时，信号机可进入降级模式f 进行运行，点到参 数恢复正确为止。 一存储功能 自适应交通信号机臼7 没计 可存储8 个交叉口的配置数据 每个路口可存储相位表1 张，最多可定义1 6 个相位。 每个路口可存储相位冲突表1 张，最多可以定义1 6 个相位的冲 突关系 每个路口可存储灯控端口表l 张，最多可以定义1 6 个相位端口。 每个路口可存储检测器表1 张，最多可以定义4 8 个检测器或者 行人过街按钮。 每个路口可存储调度计划表1 张，最多可以定义1 个所有曰汁 划、7 个星期计划和3 2 个特殊日计划。 每个路口可存储时段表1 6 张，每张时段表最多可以定义4 8 个 时段，每个时段可以定义不同的控制方式和控制方案。 每个路口可存储方案表1 张，最多以可定义3 2 个方案。 每个路口可存储阶段配时表3 ：! 张，每张阶段配时表最多可定义 1 6 个阶段的放行关系和配时。 1 0 每个路口还存储一般参数、优化参数和降级方案参数各1 张。 检测功能 检测功能主要是指对信号机的硬件状态、运行参数进行检测，并对 出现的故障进行处理，包括以下内容： 1 硬件初始化、自检和故障记录。 2 ，参数的有效性检测，如果参数出现错误，进入降级方式下运行。， 3 实时检测手控装置的当前状态。 4 每一个灯组的灯电流检测、灯电压检测、保险丝故障检测。 5 每一个灯组输出状态的完整性监视。 6 对于灯色输出进行绿冲突检测，如果出现绿冲突，立即自动切 断绿灯信号输出通道，并转入闪光控制方式。 显示功能 显示功能由手持控制面板完成，二i ：要包括现场运行状态的查看、修 改部分特征参数以及查看故障信息等操作。通过手动控制面板可完成以 下功能： 1 显示信号机的当前运行状态。 2 显示信号机的当前故障状态。 3 显示信号机的当前通信状态。 1 6 1 2 3 4 5 6 7 8 9 青岛科技大学研究生学位论文 4 显示或修改信号机的日期和时间。 5 显示或改变信号机的当前控制方式。 6 显示或修改路口的一般参数。 7 显示或修改路口的控制方案。 8 显示或修改路口的时段表。 手动控制显示面板是信号机人机交互的重要组成部分，以通过对按 键的操作来实现对信号机的控制，可以在不使用信号机维护工具的隅况 下对信号机进行一些简单的控制和监视。通过手动控制显示面板的操作 对信号机当前的运