（控制理论与控制工程专业论文）基于感应式车辆检测技术的交通自适应控制研究.pdf

龌嚣大学硪圭学靛论文 摘要 缓枣遴路交逶餐能控铡技本爨当嚣控制颁域帮交通工程领域静研究热点之 一。隆羞人工絮毙、叁动控露技本、诗葵橇技术积逶谶技术的避速发袋，新浆毽 论和研究成果不断如现，芳已在实际工程应用中显示爨巨大熬威力裁发震潜力。 由于城市交通系统本身严重非线性、随机性、时交性、不确定性的特点，数 学模型的建立非常困难，一些传统的城市道路交邋信号控制方法效果并不理想。 模糊控制是一种无需数学模型的控制方法，它能模仿有经验的交警指挥交通时的 思路，达到很好的控制效果。 本文应用模糊控制原理，设计了一种考虑车辆等待长度的单交叉口多相位交 通自适应控稍策略。该策略把队长作为控制目标，综合考虑相邻相位上的等待车 辆，戳诧来决定各相位的绿时分配。车辆的队长信息由车辆检测卡实时提供，提 遗了采曩蠲期熬定技本静检测卡设计原疆，并给崮了完整的软硬件设计。 本文的主要贡献毒： l 、程总结国内处城市主淡交通控案l 系统特点瓣基继上，提惑了避应予中匿 城市发展的功自模块化的智能交通控制系统，系绞霹鸯适应鼹口等待车辆馋况进 行交通参数优化，提高车辆通行效率。 2 、提出了采用周期羧定技术的车辆检测卡设计原理，与传统的采用倍频技 术的梭测产品相比，提高了系统恶劣工作环境下的稳定性，且检测精度最高可达 o 0 1 。给出了该检测卡详细的软硬件设计方案。 3 、建立了一个面向控制的单交叉路口宏观动态确定性交通流模型。在此基 稿上，设计了一种根据各相位车辆等待长度进行绿时分配的单路口多相位交通信 号好感应摸襁整镄繁貉，仿真缩票证臻该算法有效缩短了车辆延误时间。 关键字：环形线圈车辆检测器城市交道控制系统单交叉口模糊控制自 适应控制 浙江大学颟士学位论文 a b s 仃a c t i n 把l l i g e n tc o n 的lt c c h n i q u ef o ru r b a nr o a d w a yt r a 衢ci sa ni m p o 咖tt o p i ci n c o n 廿0 ld o m a i na n dt r a m ce n g i n e e r i n gd o m ；湎w i 血t h ef 缸td 州e i o p m e n to fa n m c i a l i n t 蠢l 谵e n e e 簿1 ) ，靠聪静m a 畦cc o n 黝l ，e o m p 靛t e f 鑫n de o m m u 蕺i e a 圭主。珏t h 珏 唾u e s ，m 8 娃y n e wt h e 碰e sa n dr e s e a f c h 础i e v 啪e n t sh a v eb e e np u b l i s h c di i lr e c e n ty e 戤a n dt b e 打 a p p l i c a t i o n si ne r 培i n e e r i n gh a v e8 h o w nt r e m e n d o u sp o w e r sa l l dh u g op o t e n t i a l s e 睢et o 像eh e 8 v l yn o n l i n e a 毛s t o c h a s 矗c ，t i m e v l f 主a n ta n du n e e r | | ： l 镰e h a f a c t e 蠢s t i c s ， l 珏a 搬e m a t i c a lm o 如lo f u 搀a n 拄a 燃cs y s t e mi 8v e 搿d i 爨e u l t ，s o m et r a d 掘o n a lm e 幽o d s c a l ln o tg e ti d e a le f 佗c t h o w e v e 1 _ ，f i l z z yc o n t r o lc a l lh a v eag o o dp e r f o r m 趾c eb y s i m u l 嚣t i n gm a n n e dd e c i s i o np f o c e s s 谢斑o u tm a 斑e m a t i c a lm o 曲l i n g 狐越sp 簪e fw ep r e s 蹦tam u l t i 掣豫s e 拓撼cl i 垂le o n 咖ls 拄a l e g yb a s e do n 幽e 1 e n g mo ft h ew a i t i n gq u e u ea c c o r d i n g _ of u z z yc o n t r o lm e o 啦i nt h i ss t r a t e g y ，协e l e n g mo fq u e u ei sr e g a r d e da sm ec o n 仃o lo b j e c ta n d 也el e n g 啦o fq u e u eo nt h e e 。珏垃辨。璐p h s ei s 疆s e d 协d c t e 黼i 珏。搬el i m 主端曩a 珏。弱ei n 如赫a 重主o no f 谯el 髓g 如 i s p r o 、矗d e db yv e ：h i c l ed e t e c t i n gc a r d ，a n dt h ei d e ao ff i x e dp e r i o dt e c h n o l o g yi s p r e s e n t e d ，w e 砒s og i v em ed e s i g no f h a r d w a f ea 娃ds o 黼a f eo fm i sc a r d t h em a j nc o 删b u t i o n so f m i s p 印e ra r e ： 1 b ys 啪m a f i z i l l gt l l oc h a r a c t e r i s t i c so fm o d e mu r b a nt r a 伍cc o n t r o ls y s t e m s 蠢叩t e dw 主d 蘸y 强e 耋主e sh o m e 鞘d 蠢鑫d ，am k l 娥z 醴i 蕺专e l l i g e 靛t 翻熊ee o 珏黝l s y s t e mw h i c hi ss u i t 曲l ef o r 出ed e v e l o p m e n to fc h i i l e s ec i t i e si sp r e s e n t e d nc a n i m p r 0 v e 仃a m ce 硒c i e n c ya c c o r d i n gt ot b ew a i t i n gq u e u eo f t h ei n t e r 8 e c t i o n 2 铀ei d e 鑫o f 羲x e dp 麟。dt e e 抽o l o g y 蠡) rt 瓢v 靠i e l e & t 。e 专主n 夸铋缱主s 辫珏t e d 。 c o m p a r e dw i t hm 埘i t i o n a ld e t e c t i n gp r o d u c t i o 赫sa d c p t e d 丘q 1 | e n c yd i v i d e dm e t h o d ， s y s t e m ss t a b i i i t yl l i l d e rp o o fw o r k i n gc o n d i t i o n si si m p r o v e d ，a n dt h eo 0 1 d 稚砧t i 。na c e u 豫e y 逸a e 魏i 州e d + 糯ed e s i 咎o f 魏鑫蟋w 觥e 娃ds o f 礴a 糟薛锚s 髓f 蘸 s 舀v e n 3 w ed 。v e l o pa m a c r o s c o p i cd y n 锄i cd e t e 姗i n i s t i ct r a m cn o wm o d e lf o rc o n 竹0 1 i i 浙江大学硕士学诬论文 f u r 懒e m o r c ，am 落矗p h a s e 仃a 硪cl i 曲tc o n t r o ls 口a t e g yi sp r o p o s e d w 班e hd e t e n n i n e s 也e 娃n 抽gp l 秘b a s e do n 氇el e 蛙辨ho f t h ew 疵l g 零l e u eo fe v e f yp 蛔s e 。s i 越m a 蠡。璐 s h o wi t s9 0 0 de f r e c to ns h o n e n i n gd e l a yt i m e k e y w o r d s ：l o o p ； v e h i c l 。 d e t e c t o r ；u r b a n 廿a m cc o n t r o l s y s t e m ；s i n 西e i n t o r s e c t i o n ；f u z 列c o n t r o l ；s e l f _ a d a p t i v ec o n 仕o l i i i 第一章绪论 第一章绪论 本章首先概述了城市道路控制系统的发展历史，简要介绍了现今国内外城市 的主流交通控制系统的结构及各自的优缺点。对交通控制方法的基本类型进行了 分析，然后着重论述了交通控制系统中的交通事件检测技术，详细介绍了不同车 辆检测器的原理，并对各自的优缺点进行了比较。 1 1 城市道路交通控制技术的发展历史 城市道路交通自动控制技术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1 8 5 0 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，拉丌了城市交通控制的序幕“1 ， 1 8 6 8 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的通行，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。1 9 1 4 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 号灯已经相差无几。1 9 2 6 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“1 。 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 交通流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、 随机变化增强，采用以往那种单一模式的“固定配时”方式已不能满足客观需要， 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。除了多时段多方案定时控制的使用，为了避免各交叉路口之间 “各自为政”的孤立控制方式对交通流造成的频繁停车，还必须把相邻的交叉路 口作为一个系统来统一地加以控制。1 9 1 7 年，在美国盐湖市开始使用联动式信 号系统，把六个交叉路口作为一个系统，以人工方式加以集中控制。1 9 2 2 年， 美国休斯顿市建立了一个同步系统，它以一个交通亭为中心控制十二个交叉路 第一啦绪论 口。1 9 2 8 年，上述系统经过改进，形成“灵活步进式”定时系统；由于它简单、 可靠、价格硬宜，狠快在荚国推广普及。这种系统以后不断改进、完善，成为当 今戆协谩控囊l 系统。 2 0 世纪3 0 年代初，先是美困，以后在英翻开始使用车辆感应式信号控制器， 它可以自动测量目前各方向的车流量，然后根据车流量实时控制各方向的信号 灯。鼓瑟寿效减少车辆在交叉盈豹对瀚延误。警嚣馁惩懿车辆检澜器是气动橡蔽 管检测器。车辆感应控制的这一特点刺激了车辆检测器技术的发腥。继气动橡皮 管式梭测器之后，菌达、超声波、光电、地磁、电磁、微波、红外以及环形线圈 等梭溅器相继润整。 计算机技术的啦现为交遥控制技术的发鼹注入了耨的溪力，1 9 5 2 年，美垦秘 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 对方案鲁动邈择式倍号灯控镧，葡加拿大多伦多市子1 9 6 4 年完成了计算机控制信 号灯的实用化，建立了一囊出i 剐6 5 0 型计莫槐控制鲍交逶痿号掺调控制系统，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 制技术发震静里程碑“1 。 馋睫羞城奉交遥售号控裁系统瓣逐速发鬣。大键试谖翻，要曼驽遘懿蔫城薅彳 管理水平，不仅仅依靠硬件设备的更新和改进，还必须同时在控制逻辑和方法上 有所突破。1 9 6 7 年，英国运输与道路实验室( t r r l ) 成功开发出t r a n s y t ( t r a f f i c t w o 棘s t 毡d yt o o l s ) 交通控铡系统，磊来又在零r 磷s 疆静罄疆主开发了 s c 0 0 t ( s p l i tc y c l ea n do f f s e t0 p t i m i z a t i o nt e c h n i q u e ) 系统。澳大利旺在7 0 年代术也开发了基于配时方案实时选择方法来实现路网协调控制的s c a t ( s y d n e y g o o 砖i n a t e da d a 嚣i v e 羊r a f f je 鹾e 镰。固系统。这些系统经在西方国家麓城市 网络交通中取褥了成功的应用“1 。 进入2 0 世纪8 0 年代后期，随着城市化进程的加快和汽车的普及，城市交通拥 挤、毽塞现象离趋瑟亿，囱j 毙弓| 发酌事蔽、噪声和环境污染已成为嗣益严重的社 会间题，交邋阀题成为困扰世界各国的酱遍性难题。人们黠交通系绞的拨模复杂 性和开放性特征有了更深一层的认识，并开始意识到单独考虑车辆戚道路方面很 难从秘本上解决交通稍挤现象，只有把鼯口闯交通流运行与倍号控制的藕合作用 综合考虑，且赋以现代的各种毫毅技本方可彩窳瀵除窍关闫题。予是，管糍交遴 第一章缝论 系统( i 稿) 应运瑟生“1 ，并得期逐猛发震。除在技术葙功能上褥蜀增强帮完善 的s c o o t 和s c a t s 以外，s t r e a m 、焖t i 。n 、r t j r r a c s 、s u r f 2 o 、p r o d ￥n 靼u t o p i a 等新代城市交通控制系统相继推出并投入应用。 可隘说，在近百年的发展中，道路交通信号控耐系统经历了无感应控帝l 至l 肖 感瘦控铡、手凌控铡到自动控裁霉到髫缝控劁、单点控刊( 点控) 翻予线控制( 线 控) 褥到区域控制( 面控) 的过程。 1 2 当今国内外的主要道路交通控制系统 当今，已有一批先进的城市道路交通控制系统在世界范围内得到了广泛的应 用。 从系绞结秘上分，鸯榘孛式诗算秘控制系统( 按裁孛一熬诗舞极楚璎道路翔 上的所有信息，并向各路口发出控制指令) 釉分布式计算机控制系统( 由中央、 地区、路【= 】控制三级组成，各级电脑负责自己控制区域并执行上一级的控制指 令) 。麸系统控制模式上分，鸯静态系统( 校据历雯交逶流数据饶讫信号配时) 和动态系统( 根据检测器适时采集的交通流数据优化信号配时) 。从系统功能上 看则兼有监视、控制和诱导功能。 1 2 1 国外主要道路交通控制系统 当前世界各国广泛使用的墩具代袋性且具有实效性的城市道路交遇信号控 制系统主要有英国的s c o o t 、澳大利距的s c a t s 等如”7 “。 一、澳大韵泛s c 艇s 系统 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 ) 系统 是澳大利亚于7 0 年代末开发的。s c a t s 系统采用先进的计算机网络技术，呈计 算梳分垂逡狯形式。s c 斌s 系统酶技术特征： ( 1 ) 控制模式：地区级，联枫，中央挫利，联枫与脱机冠聪进行。 ( 2 ) 系统目标：饱和度最大及通过带宽度最大。 ( 3 ) 参数特征：在预先确定的多个绿倍磁、两麓、相位差遗释台遥的参数。 第一章绪论 ( 4 ) 寻优方法：无实时交通模型，比较选择法。 s c a t s 系统充分体现了计算机网络技术的突出优点，结构易于更改，控制 方案容易变换。但s c a t s 系统也几个明显不足：第一、s c a t s 系统实为一种方 案选择系统，限制了配时参数的优化程度；第二、s c a t s 系统过分依赖计算机 硬件，移植能力差；第三、选择控制方案时，无实时信息反馈。 二、英国s c o o t 系统 s c o o t ( s p l i tc y c l e0 f f s e t0 p t i m i z a t i o nt e c h n i o u e ) 系统由英 国道路研究所在t r a n s y t 系统的基础上采用自适应控制方法，经过八年的研 究于1 9 8 0 年提出的动态交通控制系统。由于采用实时控制，具有明显优于静态 系统的效果，已被许多国家采用。 s c 0 0 t 系统的主要技术特征： ( 1 ) 控制模式：联机实时模式，即动态模式。 ( 2 ) 系统目标：费用最小为优化目标。 ( 3 ) 参数特征：绿信比、周期、相位差均通过建立优化数学模型计算。 ( 4 ) 寻优方法：小步长渐进寻优方法。 实践表明，s c o o t 系统有一个灵活、准确的实时交通模型，不仅能够预测交 通情况且能适应交通条件的变化，s c o o t 系统的不足主要有：第一、相位不能 自动增减，任何路口只能有固定的相序；第二、独立的控制子区的划分不能自动 完成，只能人工完成；第三、安装调试困难，对用户的技术要求过高。 1 2 2 国内主要道路交通控制系统 近年来，国内许多学者及研究机构也在交通建模与控制方面作了大量的研究 工作，并将研究成果应用于交通控制系统，建立了一些比较优秀的交通控制系统。 其中比较具有代表性的是公安部交通管理研究所h t _ u t c 交通控制系统。 h | u t c 交通控翩系统 h t - u t c 交通控制系统是由公安部交通管理研究所、电子部第二十八研究所 和同济大学在2 0 世纪9 0 年代初联合推出的我国第一个具有自主知识产权的城市 交通控制系统，是当前国内应用最成熟的城市交通控制系统。 h t - u t c 交通控制系统的主要功能特点： 第一章绪论 ( 1 ) 采用三缀控制结构：路口控制级、隧域控制级和中央控制级。 ( 2 ) 交通信号控翩参数的优他控制功能：系统其有实时自适应、固定配时 接翻功糍。实辩鸯逶应按镧谤号配辩方案峦 楚纯算法较 串实时生藏。鬻定鬣辩控 划信号配对方案馒赐的是近期实时是适嫩优化缝果，并确囊较好交通效盏黪配时 方案。 ( 3 ) 特殊控制功能：系统具有绿波控制、单点控制、指定相位等满足实际 交通需求的特殊控笳。 ( 4 ) 系统燕稷：辩系统软、醚箨工作状态耪故障情溅避行全嚣簸视。 王 嚣罄t e 交遥控利系统是毽内藏翔懿闯最久、功戆毙鞍宠善豹一今交逶控裁 累统。系统性能价格比提对引进系统比较优越，但掇对于豳内诲多中小型城市仍 然是一个价格偏高的系统，因此主要还是较多地应用在国内的一些大城市中，如 北京和上海地区的许多繁华路口采用了该系统。 1 3 城市道路交通控制的基本类型 城审遵爨交逶控潮( 狳城市快速公黪帮城市闻离速公路) 觚不同瓣焦度胃醵 划分成不同嬲基本类型， 1 3 1 按控制区域几何特襁瑚分 可分为单个交叉口的控制( “点控制”) 、交通干线的协调控制( “线控制”) 阻及区域交叉口的网络控制( “面控制”) 。 ( 一) 单个交叉日的控镪 当某个交叉日与其稽邻的交叉口相鼷较远时，可以利丽一台信号控制嚣独立 揆制其信号交他，露不考虑与穗邻潞墨懿谤调关系，蔟主要控铡参数怒瘸裁长帮 缳信比。必须考虑的嚣个重要因素楚车辆延误鄹交叉口的遇行熊力，在理想的情 况下，希望总延误时间最小和使交叉口的通行能力得到最大的刹用。 ( 二) 交通于线的协调控翻 对含有多个交叉西鹩城市交通干线遴行锖号控铺，使浴干线行驶鹃车辆尽可 第一章绪论 能地在每个交叉口少遇红灯，从而使车队连续通行，交通干线协调控制时相邻的 交叉口之间信号变化必须遵循一定的规律，即绿灯起始时间保持某个恒定的时间 差相位差。为使相位差在每个信号周期都保持恒定，这些相邻的各个交叉口 都必须共用相同的信号周期。 ( 三) 交通踊络的协调控翩 对城市中某个区域的交叉口( 1 个以上) 进行信号控制，根据需要，系统的 控制目标可以有所不同，所以它的目标函数可以用网络的总延误和停车率的加权 和表示，也可以用平均车队长度或总的油耗作为系统的目标函数。同干线协调控 制一样，交通网络协调控制的三个控制参数也是周期、绿信比和相位差。就其实 质而言，干线协调控制只是网络协调控制的一种特例。 1 3 2 按控制原理划分 按控制原理划分可分为定时控制、感应控制和自适应控制三种类型。 ( 一) 定嘲控翻 交通信号按事先设定的配时方案运行，这种控制方式以历史交通流数据为依 据，通过找出每个f 1 周和时日的不同交通流变化规律，用人工方法或计算机仿 真预先准备好不同日周和不同时间区段内使用的配时方案，将这些方案存储在 信号控制器或中心计算机中。配时方案可用不同方式调用。通常可用日历钟在规 定的时间表的控制下选用对应的方案，也可以按车辆检测器测量的实际交通要求 选用合适的方案。 t 二) 感直控锄 相位的绿灯时间的长短和时间顺序根据车辆检测器测量的交通流数据调整， 以适应交通的随机变化的控制方式，比定时控制有更大的灵活性。感应控制适用 于饱和度较低的或各向交通流相差较大的交叉口的控制，特别是交通流没有明显 的变化规律，随机性较强的时候，效果特别明显。 当各向交通流接近其允许的通行能力时，绿灯时间经过调整必然要接近各方 向允许的最大绿灯时间，这与定时控制并无区别。由此可见，感应控制方式与定 时控制方式一样是有条件限制的，预先要认真地分析其可行性和预期的效果。 ( 三) 自适应控锄 第一章绪论 把交遴系统撂为一个不确定性的系统，能够连续测量其炊态，如车滚量、停 车次数、延误时间、排队长度等，逐渐了解和掌握对象，根据交通流的动态随机 变化而自动地调整信号控制参数，使控制系统自动地适应交通流，从而保证不论 环境如何变化，均可使控制效果达到最优或次优。邋种控制方式就是自适应交通 控制方式。 l 。3 3 接控制思想划分 按控制思想划分，可分为被动式控制和主动式控制。 ( 一) 被动式筏镪交通信号控稻系绕 交通信号怒被动地控制交通流窝仡，控翻总怒涛蔽在道路上的交遥为主俸， 选取适当豹控翩方案( 或控翻参数) 或袋糖实辩生藏控镧方案( 或控裁参数) 控 裁落号变纯，镬之逯应交递豹鬟求。表露上番交逶蹩受蘩号攒撂鹣，瑟实质上交 通接号则是根撼交通需求两变化的。兹露讲的交通馕号控制都属于这样熟控制系 统。 t 二) 主旗式靛裁交通自动纯路径诱导系统 交通自动化路径诱导系统能根据司机所在的位置和行驶的目的地等信息，给 出优化的行驶路径和丰富的交通信息，对所拄区域内行驶的车辆发出指令和忠 告。这种系统静特点建挹人、车、蹋综合起来考虑，并遴过车辆诱等来改善路面 交逶系统，稼蹙交逶隧塞瓣发生，减少车辆在道路上懿避留露阔，并最终实瑗交 逯滚在区域内邀鼹系统熬合理均匀分枣，麸露预防交运融塞款发生。蓬罄近几年 来微处理撄和邋讽技术的高速发展，为交通自动化路径诱导系统的应用提供了实 践的可能性，具有广阔的发展前景。 1 4 车辆检测器的分类与分析 个完整的交通控制系统馐要有一个准确、可撵的信息采集和监控蘸统，它 将来自底层的实时数据收集起来，准确、迅速地通过高速信息传输网送交后台进 行分析和处理，新的控制决策樽重新下载到各控制器中进行交通参数的优化。交 7 第一章绪论 逶控刽泵绞豹交逶薅怠采集聚壅车辆捡潮嚣寒蜜壤戆。 现有的车辆检测器依共安装方式可归纳为两大类“”m 1 ： 1 路面铺设式( p a v e b a s ev e h i c l ed e t e o t i o n ，p b v d ) 将车辆检测器铺 设于路蕊波埋置于镳甄下方采收集交通资料，类戳蠢：压电式( p i e z o e l e c t r i e ) 、 繇形线霾式( 0 0 0 pd e t e e t o r ) 、遣磁式( 黥g n e t o 凇t e r ) 及磁力式( 融g n e i e ) 等。 2 非接触式( n o n i n t r u s i v e ) ：将车辆检测器架设于道路上方戏路边来搜 集交通资料，类型有：声纳忒( a c o u s t i ce f f e c t ) 、超声波式( u l t r a s o n i c ) 、微 波式( m i c r o w a v e ) 、图像式( v i d e oi m a g ep r o c e s s i n 曲及红外线式( i n f r a r e d ) 等。 滚下奔缓最豢被镬弱熬届秘硷溅器类型： i 磁力式( 融a g n e t i c ) ( 1 ) 被动磁力式( p a s s i v om a g n e t i c ) 被动磁力式车辆检测器爨翻鼹线圈装设于路露下，线翻本身并不产生磁场， 瑟巅矮谶球掰产生磁爨，佟麓感应车辆的嚣素，囊牮辆透过时对磁场产生酶编移 输出电聪信号以检测车辆，通过内部灵敏度的设定调整，一般可检测1 3 车道， 并检测小的机动车辆和摩托。只有当车速大于4 8 8 4 k m h 时，才能探测到车辆， 所以此种梭测器不适用于低遗送装设。 ( 2 ) 主凌磁力式强e t i v e 漱g n e t o 臻e t e r ) 主动磁力式车辆检测器为利用高导磁性的通电线圈装设于路面下，当车辆通 过时，通过磁场变化测得车辆之存在。因测量用的磁场由线圈产生，敝称为主动 磁力式车辆检测器。磁力式检测器并不需要破坏铺蕊，可以装设在桥粱等地方。 襞点：铬菝毒，重量轻，安装不嚣疆蓼路瑟；凌筢嚣太专溺较謦支持手提诗 算机现场处理数据，数据也可存贮传感器内事荫处理。 缺点：鞭实现车型目标识别，需要有庞大的车形图像数据库和更大容量、运 算速度的计算机。 2 趣声波式t b i t a s 。n i e ) 超声波式车辆检测器，由趟声探头和检测单元组成，利用超声波反射时问差 的变化来检测车流量、车高及占有率等参数。车滤及车长的检测原理同环形线圈 第一章缝论 式，都是莉甭车辆通过两只传感器的时间差求得，车型判别可利用车高及车速求 彳导。其装设方式有离架上空式( 瞻e 曲e a dt y p e ) 及侧射式姻i d ef i r et y p e ) 两种。 其中侧射式无法检测车惩，且不适用于甄车邀以上的路段。 优点：体积小，价格便宜，安装维修便易，主要表现为誉破坏路露，不封闭 车道，不受路面施工和变形影响；使用寿命长，可以移动，更换检测地点。 缺点：检测精发低。检测域为锥形，无法适应车鳌和车辆高度的交纯，存在 车辆相互遮挡时的漏检阅题。严重捆按时，误报率也较大；撬干扰能力骣，8 级 黻上大风使检测声束产生漂移，无法正常检测。 3 。强波雷达式车辆检溺器蕊i c r o w 8 v e 髓d 醴d e t e c t o r s ) 雷达检测器主要由发射器、接收器、收发的天线与运算单元( 信号处理爨) 构成。主要原淫为利弼雷达天线发射出电磁波，当有物体( 车辆) 经过时，则会将 波反射回来，再妇霉达检测器接收并计算鲑瑗。 现薯亍运用于交遥管理功能上的微波雷达式车辆检测器可分为两稀型式：一种 为多普勒式( d o p p l e r ) ，另钋一静为时间差式( t r u ep r e s e n c e ) 检测器。多普勒式 检测器在检测范阐肉发送出固定频率的电磁波，再由传回之频谱推熙比车速。恧 时阙蓑式检测器，主要壤理系发射一黼微波( 髓e q u e n c y m o d u l a t e d c o n t i n u o u sw a v e ，期c w ) ，通过车辆反射微波计算其阀的对阂差，求得车辆与检 测器的距离。 优点：，多车道检测，一台检测器可完成多车道交通流的同时监测；全天候工 作，能穿透褥滴、浓雾和大雪丽不受影确：测速为菲多普勒式，安装秆的弯曲度 和振动不影响检测质量，因此，大风下2 正豢王l 乍；使用方便，安装维修不封闭 车道，不破坏路面，运行模式由软件决定，便于扩展井级：漏检率低，厦米波接 触大型车车矮透缘嚣才，边缘成为一个副天线，使徽波荐次发射形成绕射现象，仍 可测出紧靠在大车旁的，j 、车。 缺点：传输频率受管制；车长辩识精度低，占道车测量糖度低。 4 红钤线式( i n f e d ) ( 1 ) 主动式红外线车辆检测器 主动式红外检测的原理为：半导体激光器或光电二极管发送级外光束，在搬 9 第一章绪论 同的红外光辐射下，反射物的大小、材料和结构不同，反射能量就不一样。车体 表面反射能量大于路面，接收器接收不同的反射能量成为区分车辆和道路的标 志。沿车道方向在给定的距离装两个探头，可检测包括车长在内的交通参数。 ( 2 ) 被动式红外线车辆检测器 被动式红外线车辆检测器没有发射器只有接收器，接受器感受路面和车辆以 红外波长为主的辐射能量。通过无车和有车时接受器感受到的检测区域内辐射能 量的差异来分辨车辆的存在和通过，也能检测车速和占有率。空气中的水气、雾、 雨、水及下雪等会对此类检测器的精准度带来影响。 优点：抗干扰能力好，红外波长能穿透雨雾，路面温度变化对检测精度无影 响；功率消耗低，交流5 0 0 m w 。 缺点：浓雾、大雨和大雪会严重影响工作，无法在这些气候条件下进行检测。 5 强像式( v i d e 0i m a g ep r o c e s s i n 0 图像式车辆检测器由闭路电视摄影机、终端控制器和图像处理器等设备组 成。技术原理为以图像处理器分析由闭路电视摄影机所拍摄的数字化图像，用算 法对图傀初步处理，去掉多余信息。接着对图像进行分区。按一定算法对各分区 图像处理，提取特征信息。根据特征信息进行车辆计数、分类。根据相邻图片计 算车速，最后在拍摄区域内跟踪所辨识出的车辆。 优点 阻碍交通 缺点 够的亮度 功能强大图像直观，易于增添检测项目；多道检测、安装及维修不会 受环境干扰。受恶劣气候影响( 雨、雾、雪) ，夜间要求为路面提供足 检测精度一般，价格高。 6 医电式( p i e z o e l e c t r i c ) 压电式车辆检测器的工作原理为压电效应，有套管形压电聚合体p ，其内外 均镀以两层金属层，形成一条可弯曲变形的压电电缆。当沿径向施加外力时，在 两金属层表面产生相反的电荷，电荷量与外力成正比，因此当有车辆经过检测器 时，每通过一根车轴，就会出现一个脉冲。以此来检测车辆，同时也可检测车辆 轴数和车载。车速的测量同环形线圈式。 优点：性能良好、可靠性高、安装简单 第一章绪论 缺点：不能检测静止车辆；车速检测精度不高。 7 ，声纳式( a c o u s ti c ) 车辆检漉器 声纳式车辆检测器利用安装于车道上方的两个数组声纳器来接收路面各式 车辆所发出的声音，再利用所接收到的音波做频谱分析，因各型车辆的引擎及轮 距各有不同，所发出的音波频谱亦有差异，经由分析频谱的差异，可测得车流量、 车种、平均车速及占有率等资料。因利用音波之频谱分析测得各类数据，故于车 速极低时仍有相当好之表现，但路面需宽整平坦，仅适用于高快速道路。 优点：可识别特殊车辆。 缺点：需要去掉环境噪声。 8 ，环形线飘式( l o o pd e t e c t o r ) 环形线圈车辆检测器以金属环形线圈埋设于路面下，车辆经过时，车身铁磁 材料影响会影响线圈的电感量发生变化，由此可测出该车道是否有车辆经过，同 时利用车辆通过两组环形线圈的时间差，求得车速及车长，再在此基础上统计出 车流量、占有率等其他交通流数据。利用车长也可做车型分类。 各式车辆检测器之中，以环形线圈式使用最广、历史最久，也被认为是价格 低廉、准确度高，且使用积累了较多的经验，超声波式也在一些国家有十余年的 使用历史；其余如微波式、红外线式及图像式等属于较新产品，实际工程经验并 不多。虽然环形线圈检测器有其安装不方便的缺憾，但是，由于它具有检测参数 精确度高、适应性强、可靠性高、漏检率低、使用寿命长、性能价格比合适等诸 多优点，这种检测器仍然是目前用于高速公路控制系统最广泛、效果也较好的一 种车辆交通信息检测设备。考虑到实际开发难度和系统对稳定性和精确度的要求， 研究组采用环形线圈车辆检测器作为自适应交通控制算法的等待车辆队长信息 的采集设备。 第一章绪论 1 _ 5 论文的立题依据与主要内容 1 5 1 立题依据 交通是城市经济活动的命脉，对城市经济发展、人民生活水平的提高起着十 分重要的作用。但随着城市化速度的加快，机动车日益普及，人们在享受机动车 带来的巨大便利的同时，也面临着交通拥挤的困惑。单纯的依靠修建新的道路设 旌，不仅受到巨额资余和城市空间的严格限制，其效果也是有限的。因此在现有 的道路的条件下，提高交通控制和管理水平，合理使用现有交通设施，充分发挥 其功能，是解决交通问题的有效方法之一。 目前国内大部分的交通信号控制系统来源于英目的s c 0 0 t ( s p l i tc y c l ea n d 0 f s e to p t i m i z a t i o nt e c h n i q u e ) 系统、澳大利亚的s c a t ( s y d n e yc o o r d i n a t e d a d 印t i v et r a m c ) 系统和日本的京三系统，均采用定时控制和自适应控制。实践证 明，这些系统不仅不适应于中国的混合道路交通情况，且无法适应于连续流与间 断流的协调控制、公交优先控制，更无法适应于中国城市发展智能交通系统的需 要“”。而国内研究和生产智能交通系统产品的研究机构还不多，只有少数几家 公司( 上海三全、厦门恒深、深圳神州交通和北京中智交通等) 推出这种产品，且 都处于起步阶段，产品在技术和质量上都有待提高。因此面对我国飞速发展的道 路交通建设对智能交通产品的巨大需求，针对有中国交通特点的智能交通产品和 交通信号控制策略进行研究，打破国外技术的垄断，使之能对于中国的城市交通 进行行之有效的控制，最大限度地提高其通行能力及交通安全，不仅具有巨大的 经济效益，同时具有更大的社会效益。 1 5 2 主要内容 论文主要内容如下： 第一章是综述部分，概述了城市道路控制系统的发展历史和现今国内外城市 的主流交通控制系统的结构及特点。从不同的角度对城市道路交通控制方法进行 了分类。着重论述了交通事件检测技术中不同车辆检测器的原理，并对各自的优 缺点进行了比较。 第一章绪论 第二章为智能交通控制系统综述部分。介绍了研究组提出的智能交通控制系 统的总体结构及各个组成部分的功用和联系，简要描述了已完成的交通控制器的 软硬件实现和几种常用的交通控制算法原理。 第三章为车辆检测器系统阐述部分。概述了研究组车辆检测器系统的构成及 各模块的功能和结构，描述了交通信息由检测卡检测到处理器单元数据处理的过 程。阐述了各种交通流参数的计算方法，最后给出了车辆检测器与上位机及交通 控制器之间详细的通讯协议。 第四章为车辆检测卡实现部分，通过对感应式车辆检测卡检测原理的阐述， 提出了周期整定技术的车辆检测卡设计原理，并详细描述了检测卡各模块的具体 硬件实现和软件设计流程。 第五章为自适应控制算法研究部分，指出了一些常用交通控制算法的不足， 提出了可根据车辆检测卡输出提供的各相位车辆等待长度来考虑相位绿时分配 时间的单交叉口交通自适应控制算法，详细阐述了算法的思想和原理，并进行了 仿真，证明了该算法的优越性。 第六章为结束语部分。对全文进行了概括性的总结，并指出了研究工作需进 一步改进和完善的内容。 第二章智能交通控制系统 第二章智能交通控制系统 针对目前国内交通控制问题的特点，研究组提出了一种适用于我国中小城市 的智能交通控制系统，系统由车辆检测器、交通控制器及网络通讯模块组成，可 与交通控制中心构成完整的分级控制的城市道路交通控制体系，本章对系统各部 分的功用及相互间的联系进行了叙述，并简要描述了已完成的交通控制器的软硬 件实现扣几种常用的交通控制算法原理。 2 1 智能交通控制系统的结构体系 研究组提出的多相位智能交通控制系统采用功能模块化的设计方案，通过合 图2 1 城市交通控制系统结构 保证适量投资的基础上，构建既满足自己当前需求又符合长远发展的交通信号控 4 第二章智能交通控制系统 制系统。 系统采用功能模块化设计，既可单独使用，进行最基本的多时段多相位配时 控制；也可以结合感应式车辆检测器实现自适应感应控制；如果再配置网络通讯 模块，可将多个路口控制器联网到控制中心，通过中心控制软件实现远程联网控 制。构建在多相位智能交通系统上完整的城市交通控制系统结构如图2 1 所示。 2 1 1 交通控制中心 交通控制中心通过互联网及无线通讯方式( g p r s 与c d m a ) 与各路口交通 控制系统进行通讯，接收各路口的图像及数据。控制中心对各种数据进行处理并 保存，完成对各交通路口的视频监控、控制器的参数全局优化设置以及交通信息 的发布等工作。控制中心同时还需要处理道路的交通事故、闯红灯处理以及车辆 的管理。 2 1 2 智能交通控制系统 各路口的多相位智能交通控制系统负责道路交通信号灯的控制、交通流数据 和图像的采集并与控制中心进行通讯，给控制中心提供交通图像与数据，并接收 控制中心的参数设置以及发布的交通信息“”。 ( 1 ) 两络通讯模块 网络通讯模块收集来自交通摄像机的道路图像数据及闯红灯抓拍结果，通过 标准r s 2 3 2 瓜s 4 8 5 接口与交通路口控制器及车辆检测器进行通讯，并通过以太 网接口或无线通讯接口向控制中心传送图像与交通流数据，同时也接收控制中心 对交通控制器的参数设置与发布的交通信息。 网络通讯模块采用先进的a r m 9 核处理器以及嵌入式实时操作系统，并具 有一定容量的存储系统( n o r f l a s h 、n a n d f 1 a s h 及s d r a m ) ，可存储一定 数量的图像及交通数据，从而保证了整个系统的通讯过程的畅通及准确。 ( 2 ) 多相位智能交通控翩器 多相位智能交通控制器是交通控制算法的执行机构，完成以下功能：道路交 通信号灯控制；完成与通讯模块、车辆检测器、倒计时牌与交通指示牌的通讯； 提供交通摄像机的抓拍控制信号。 第二章智能交逶控制系统 多相位智能交通控制器采用硬件可裁剪设计，用户可以根据实际的需求构建 经济的交通控制器，以充分利用硬件资源。控制器运行参数可通j 过液晶手持终端 或个人电脑进行设置，如果酉已置网络通讯模块则可以远程进行参数设置。控制器 蟊板蜜时指示路口交透信号灯情况，l = l 及特蠢豹延长线手控按键设计，方便交逶 管理爱遴行交逶路翻躲警溪。 ( 3 ) 车辆检灏器 率辆检测器是交通控制和管理的“耳目”，高质量的车辆检测器是实现交通 实时控制的关键。 _ 睾壤捡溺器采爱惑趣线囊式捡溅技术，遴j 霪瓣终逶诿壤缓涛懿墨懿交逶量、 平均窀遮、车道占有率等掰史交通数据上传给控制中心，为该踌口建立一个完善 的交通流数据库，以便在爿乏来建立具有更好交通效益的配时方案。同时，车辆检 测器为交通控制器提供实时车辆通过检测信息，是该路口控制器执行感应控制算 法秘爨逶应控制算法酶姣攥。 2 2 多相位智能交通控制器 多稷位骜熊交遥控毒撩主要锋对单交义鼹爨设计豹交邋控制设计，霉对袤毒 嚣j e 鞠个方向的辊动车遵、菲机动车道跌疑入行道，丽霄包括辘瀚牵道的左转、 直行和裔转车道的交通流j 歉行控制，共可控制2 0 组交通信号灯，具有4 0 种相位 设置，1 6 种周期预案，4 8 个时段定义，且每个灯组，每个相位，每个周期每个 时段都可以单独定义。 2 2 1 多相位智能交遥控制器硬件结构 多相位智能交通控制器基本硬件结构主要由主控模块、电源模炔、面板模块、 通讯按田模块、车辆检测器接口模块以及功率输出反馈模块，如圈2 之所示。 1 6 第二章智能交通控制系统 率输出爱缓臻率输出反馈功率壤逡菠馕磅率辕鑫爱镶 模块模块模块 模块 ej ij j 主控模块 j 逶 ； i 接西车辆检测器接墨 瞻源模块 蔼顿横块 模块模块 图2 2 彩相位智能交通控制器基本结构 主控制模块是交通控制算法的执行机构，功率输出反馈模块实现对交通信号 嚣戆驱动及荚狡态麓反续。瑟投模块为震户提供夷好豹入毒趸接叠平台，缓控翻器 的操作简单、盛示直观。车辆捻测器接口模块接收来自车辆检测器的实时车辆到 达信息，提供主控模块实现半感成控制和全感应控制的依据。通讯按口模块扩展 了四个异步通讯接口，完成与网络通讯模块、车辆梭测器、倒计时牌以及交通指 示薅戆通蘩。奄源模块为整个攘铡器提供稳定豹+ 5 v 誊滚电源，傈诬系绞豹可靠 工作。 2 2 2 多相位智能交通控制软件设计 控刽器熬够支持五秘控截舞法：定羯鲠控制、半戆盛控铡、全感应控测、绿 渡带控制和露适应控铡。8 静萄逸工作模式，实蕊对各秘交逶路日最後攘髑。同 时具备绿冲突故障和电路故障检测功能，能在故障情况下实行降级处理，在保证 交通安全的情况下，使路口保持最大的通行量。 多相位镶能交通控制器的熏程序流程如图2 3 掰示，系统上电后，程净首先 进嚣系绞鳃鼹鼓障捡溺，露戆像餐矮参数，牙媲瓠行震户设定豹工终臻袋，并楚 理各种系统中断。 第二章智能交遵控铡系统 蕊2 3 控翻器主趱序滚程 多相位智能交通控制器同时具有故障降级处理机制，以防止系统的部分信号 灯电路出现故障而导致路网交通控制的混乱，从而保证有序的道路通行能力。 故障降级处理机制的软件设计流程如图2 4 所示。 系统莰学菜一摇莹之麓，蓠先硷溺当蔻穗缀是否存在绿洚突，渗存在鞠遴牙 绿冲突处理。经过处理的执行参数运行时将不会造成绿冲突，但系统会纪录故障 信息，并给出相应警告，提醒用户输入合理的逶行参数。相位执行期间，系统对 信号灯状态进行实时监测，防止信号灯发生故障而造成交通的混乱。 第二章智能交通控制系统 2 3 交通控制算法 图2 - 4 故障降级处理程序流程 控制器可支持定周期控制、绿波带控制、半感