（控制理论与控制工程专业论文）基于fpga的交通信号模糊控制器的设计.pdf

，h 一 孽一 一 _ 蚺 u 。 瞻 0 v q ， ， ， t h e d e s i g no ff u z z yt r a f f i cs i g n a lc o n t r o l l e rb a s e do n b y p e n g x i n g b o b e ( x i h u au n i v e r s i t y ) 2 0 0 8 a t h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro f e n g i n e e r i n g l n c o n t r o lt h e o r ya n dc o n t r o le n g i n e e r i n g i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f l a n z h o uu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rc a oj i e m a y , 2 0 1 1 8 川7 5 58舢8洲1 a y upf u 一 “ 一 l 、 h 。 。 - 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 储躲彬皱 嗍川年f 月 学位论文版权使用授权书 7 日 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同 时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据 库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名： 导师签名： 日期：妒f 年月7 日 日凝鼠i i i 每6 聂1b 一j 啼 。 一 一 一 一 硕f ：学位论史 目录 摘要i j 6 l b s t r a c t i i 附图索引i i i 附表索引i v 第l 章绪论1 1 1 交通信号控制的研究背景1 1 2 国外交通信号控制发展历程及研究动态1 1 3 国内发展交通信号控制的现状及意义一5 1 4 论文的主要研究工作及组织结构6 1 4 1 本文的主要研究工作6 1 4 2 本文的组织结构6 1 5 本章小结7 第2 章交通信号控制的基本理论8 2 1 交通信号控制系统的基本参数8 2 2 常用的交通流信息检测方法8 2 3 现在比较流行的交通信号控制算法1 1 2 3 1 绿波带的控制算法1 1 2 3 2 定周期的控制算法11 2 3 3 半感应控制算法1 2 2 3 4 多相位全感应控制算法1 2 2 4 本章小结13 第3 章交通信号模糊控制的算法研究与设计1 4 3 1 智能交通控制系统的分类1 4 3 2 模糊逻辑及模糊控制的发展15 3 3 基于车流量的交通信号模糊控制算法的设计1 6 3 3 1 交通流模型1 6 3 3 2 模糊控制器的设计及其算法1 6 3 4 本章小结2 0 一1 摹于f l a g a 的交通信几模糊控制器的设计 4 章交通信号控制器的总体设计2 1 4 1 交通信号控制器的硬件设计：2 l 4 1 1 硬件系统的总体框图一2 1 4 1 2 主处理器简介2 2 4 1 3 复位电路2 2 4 1 4 晶振电路2 3 4 1 5 电源电路2 3 4 1 6j t a g 接口电路2 4 4 1 7 专用串行配置器件e p c s 4 接口电路：2 5 4 2 交通信号控制器的软件设计2 6 4 2 1 设计语言与开发平台一2 6 4 2 2 智能控制模块设计2 9 4 2 3n i o s i i 简介及其配置3 3 4 3 本章小结3 6 第5 章系统仿真与实例验证3 7 5 1 交通信号控制模式。3 7 5 2v h d l 语言实现及仿真3 8 5 3 实例验证3 9 5 3 1 问题描述3 9 5 3 2 方案应用4 0 5 3 3 实例验证结果4 3 5 4 本章小结一4 5 结论与展望4 6 全文总结4 6 研究展望4 6 参考文献4 7 致谢5 0 附录a在学期间参加科研项目和发表论文情况5 l n 一 - 硕i ：学位论文 摘要 随着社会经济的发展，城市化、汽车化的速度加快，无论是发达国家还是发 展中国家，都毫无例外地承受着不断加剧的交通问题的困扰，而平面交叉路口则 是造成城市交通堵塞的主要“瓶颈”。交通信号控制系统的好坏直接关系到城市 交叉口处车流量的通行状况，所以它一直是提升城市交叉口通行能力和改善城市 交通状况的重要手段。由传统方法实现的交通信号控制器和国外引进的交通信号 控制系统及控制器虽然在某种程度上能较好的解决交通问题，但鉴于中国城市交 通现状，这些系统也存在着一些语言障碍和维修困难的缺憾。针对上述情况本课 题自行设计了一种基于f p g a 的交通信号控制器。 本论文从研究城市交通信号控制理论开始，分析了现在比较流行的交通信号 控制算法，并对模糊控制算法在交通信号控制中的应用做了理论研究。通过查阅 国内外有关交通信号控制研究的资料，以及研究交通信号控制系统的组成、功能 及控制方式，在参考了已有成果的基础上，本论文设计了这种基于f p g a 的交通 信号智能控制器。本设计分为硬件部分和软件部分，硬件部分为主处理器设计、 外围电路设计。软件部分主要是用v h d l 实现。最后将本文设计的城市干道多交 叉口协调控制算法用v a p 语言编程并借助于v i s s i m 交通仿真软件实现，并对兰 州市庆阳路的交通流数据进行了实例仿真，仿真结果表明：本文设计的交通信号 控制方案有效的减少了车辆在庆阳路干道上交叉口处停车次数并降低了通行的时 间。 关键词：交通信号控制；f p g a ；v h d l ；v i s s l m ； v a p 基于f p g a 的交通信口| 模糊控制器的设计 a bs t r a c t a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to fs o c i a le c o n o m y ，t h es p e e do fu r b a n i z a t i o na n d m o t o r i z a t i o na c c e l e r a t e d ，b o t hd e v e l o p e da n dd e v e l o p i n gc o u n t r i e s ，a l ls u f f e ram o r e a n dm o r es e r i o u st r a f f i cp r o b l e m s ，w h i l et h ep l a n ec r o s s r o a d si st h e “b o t t l e n e c k o f c i t yt r a f f i cja m t h et r a f f i cs i g n a lc o n t r o ls y s t e mi sd i r e c t l yr e l a t e dt ot h ep a s s a g ei n u r b a ni n t e r s e c t i o n st r a f f i cc o n d i t i o n s ，s oi th a sa l w a y sb e e nt h ei m p o r t a n tm e a n so f a s c e n d i n gu r b a nt r a f f i cc a p a c i t y t h et r a d i t i o n a lm e t h o do f t r a f f i cs i g n a lc o n t r o l l e ra n d i n t r o d u c e df r o ma b r o a dt r a f f i cs i g n a lc o n t r o ls y s t e ma n dc o n t r o l l e rt h o u g hi ns o m e e x t e n tc a nb e t t e rs o l v et r a f f i cp r o b l e m s ，b u tw i t hc h i n a su r b a nt r a f f i cs i t u a t i o n ，t h e s e s y s t e m sa r ea l s oe x i s t ss o m ed e a d l yi m p e r f e c t i o n sa n di n s u f f i c i e n t t h i sc o n d i t i o n n e e d so u rt e c h n i c a lp e r s o n n e ld e s i g ni n t e l l i g e n tt r a f f i cs i g n a lc o n t r o l l e ra c c o r d i n gt o o u ru r b a nt r a n s p o r ts i t u a t i o n t h i sp a p e rb e g i nw i t ht h es t u d yo f u r b a nt r a f f i cs i g n a lc o n t r o lt h e o r y ，a n a l y s e st h e n o ws t a r tr e l a t i v e l yp o p u l a rt r a f f i cs i g n a lc o n t r o la l g o r i t h m ，a n dt h ea p p l i c a t i o no f k f u z z yc o n t r o la l g o r i t h mi nt r a f f i cs i g n a lc o n t r o lh a v e b e e nr e s e a r c h e d t h r o u g h c o n s u l t i n gt h em a t e r i a lo fr e l e v a n tt r a f f i cs i g n a lc o n t r o l ，a n dt h et r a f f i cs i g n a lc o n t r o l s y s t e mc o m p o s i t i o n ，f u n c t i o na n dc o n t r o lm o d eh a v eb e e ns t u d i e d ，i nr e f e r e n c et ot h e p r e v i o u sa c h i e v e m e n t s ，t h i sp a p e rd e s i g na ni n t e l l i g e n tt r a f f i cs i g n a lc o n t r o l l e rb a s e d o nf p g a t h i sd e s i g ni sd i v i d e di n t oh a r d w a r ea n ds o f t w a r ep a n s ，h a r d w a r ei n c l u d i n g m a i np r o c e s s o ra n dp e r i p h e r a l ，i m p l e m e n t i n gs o f t w a r ep a n sw i t hv h d l f i n a l l y ，t h i s p a p e rw i l lu s ev a pl a n g u a g ed e s i g nt h em e t h o do fu r b a nt r u n kr o a di n t e r s e c t i o n c o o r d i n a t e dc o n t r o la l g o r i t h mw ed e s i g n e do nv i s s i mt r a f f i cs i m u l a t i o ns o f t w a r e ， a c c o r d i n gt os i m u l a t i o nr e s u l t so fl a n z h o uq i n gy a n gr o a d ，t h i sd e s i g nt r a f f i cs i g n a l c o n t r o ls c h e m ee f f e c t i v e l yr e d u c et r a f f i cs t o p sa n dr e d u c et h et r a f f i ct i m e k e yw o r d s ：t r a f i l i cc o n t r o l l e r ；f p g a ；v h d l ；v i s s i m ；v a p i i 一 图3 1 十字路口四相位信号控制示意图1 6 图3 2 十字路口的交通流1 7 图3 3 通行车和等待车的隶属度函数1 8 图3 4 绿灯时间t 的隶属度函数一1 8 图4 1 基于f p g a 的交通信号控制系统的硬件结构框图2 1 图4 2 复位电路2 2 图4 3 晶振电路2 3 图4 43 3 v 电源电路2 3 图4 51 5 v 电源电路2 4 图4 6j t a g 接口电路2 4 图4 7f p g a 与e p c s 4 的接口电路2 5 图4 8v h d l 的基本结构2 7 图4 9q u a r t u s h 集成开发软件的开发流程2 8 图4 1 0 智能信号控制模块结构框图一2 9 图4 1 1 状态转换模块控制流程图3 0 图4 1 2 时间配置模块一3 l 图4 1 3 倒计时模块控制流程3 2 图4 1 4 简单的n i o sh 系统3 4 图4 1 5n i o s hs o p c 系统配置图3 5 图5 1 十字路口通行模型3 7 图5 2 综合仿真示意图3 9 图5 3 研究路段示意图4 0 图5 4 设计总流程图一4 l 图5 5 庆阳路中山路交叉口西向东同流量4 1 图5 6 仿真路网示意图4 4 图5 7 仿真结果分析4 4 幕于f p g a 的交通信口| 模糊挡制器的设计 附表索引 表3 1 各相位通行队列与等待队列定义表1 8 表3 2 模糊控制规则1 9 表3 3 模糊控制输出2 0 i v 硕士学位论文 曼皇曼曼曼曼鼍曼曼曼曼曼量曼曼曼量曼曼蔓曼曼曼! 曼曼! 舅曼曼曼曼量曼笪曼皇曼曼曼舅曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼鼍曼曼曼曼曼曼鼍曼量 呵 ，。 第1 章绪论 。 1 1 交通信号控制的研究背景 交通问题是影响当今世界人们日常生活的重要问题，是关系到社会、经济发 展的基础性产业。在现代社会中，高效运转的交通运输体系是社会经济持续发展 的坚实保障。然而，随着现代城市的加速发展，机动车辆的社会保有量飞速增加， 人们的日常生活被越来越多交通拥堵、频发的交通事故、加剧的环境污染和不断 飙升的原油价格等诸多问题所困扰，交通问题也因此被世界各地越来越多的科技 人员分析研究。研究显示车辆在道路上交叉路口处产生的延误约占行驶全程时间 的3 1 。怎样有效的疏导城市交叉口交通，提升交叉口的通行效率，已经是目前 城市交通信号控制的一项重大研究课题【1 j 。 城市交通日益拥堵，而交叉口的通行状况是影响城市交通的主要因素，因此 交通信号控制系统是城市交通系统的重要组成部分，交通信号控制系统的好坏就 直接关系到交通路口的状况，所以改善交通信号控制系统一直是提高城市交通水 平的重要手段。综上所述，研究交通信号控制器对改善我国的交通事业有很大的 帮助。 有很多种方法实现路口交通信号控制器，例如可以用单片机、标准逻辑器件、 可编程控制器p l c ( p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ) 等技术来实现，但是采用上 述技术设计交通信号控制器时存在着许多的缺点和不足，具体来说就是单片机系 统的开发的靠性很容易受开发者的水平的影响；标准逻辑器件集成度较低而且关 键的是其系统不可靠；相对前两者p l c 高昂的价格让许多设计者望而却步。随着 数字电子技术和e d a ( e l e c t r o n i cd e s i g n a u t o m a t i o n ) 技术的发展，可编程器件的 出现在数字系统的设计方面展现了巨大的灵活性，f p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l e g a t ea r r a y ) 的优点也就更加明显f 2 1 。f p g a 的设计过程为通过硬件描述语言进行 电子系统设计和产品开发，目前符合国际标准的硬件描述语言有v h d l ( v e r y h i g h - s p e e di n t e g r a t e d c i r c u i th a r d w a r e d e s c r i p t i o nl a n g u a g e ) 和 v e r i l o g h d l ( v e r i l o gh a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e ) 【3 】，其开发平台是采用功能 强大的e d a 工具，并且其开发周期短，易学易用，设计成功的逻辑功能软件有很 好的兼容性和可移植性。鉴于以上种种优势，本系统决定采用f p g a 芯片进行设 计。 1 2 国外交通信号控制发展历程及研究动态 1 8 6 8 年，英国伦敦威斯脱敏特( w e s t m i n s t e r ) 地区出现第一台交通信号机，它 基于f p g a 的交通信弓模糊控制器的设计 不同于现在的红黄绿三色交通信号灯，只有红绿两种颜色。当时，信号灯仅仅是 为了减少交通事故，使不同方向的冲突车流分时地使用平面交叉路口而设置的。 经历了一个半世纪的发展，当时只有两种灯色的煤气色灯已经发展为以计算 机为核心的区域交通信号控制系统。当前国+ 外主要有t r a n s y t 、s c a t s 和 s c o o t 系统等比较成熟的交通信号控制系统【4 1 。但每个系统在交通信号周期、绿 信比和相位差优化方案存在着不同之处，下面将阐述它们在交通信号优化和控制 方面的不同的特点。 1 ) t r a n s y t 系统 1 9 9 6 年，英国交通与道路研究所( t r r l ) 提出交通网络研究工具( t r a f f i c n e t w o r ks t u d yt o o l ，t r a n s y t ) 1 5 】，它采用的是脱机优化网络交通信号配时方法 完成脱机操作的交通信号定时控制系统，此系统由仿真模型和优化两部分组成。 交通仿真模型通过模拟交通路网上的车辆在交通信号灯控制下的行驶状况来获得 在一组给定的交通信号灯配时方案下路网的运行指标；优化过程是指通过交通信 号配时方案的变换并确定指标是否得到优化，这样经过反复比较求得最优配时方 案。 早期的t r a n s y t 版本是采用摸索探讨的方法，这种方法可以对相位差和绿 信比进行优化，但不能对运行周期优化，所以它能在一组周期中实现最小的性能 指标，只能得到相对优化的周期运行时长。停车次数和排队长度都与其性能指标 p i ( p e r f o r m a n c ei n d e x ) 有关。 t r a n s y t 采用相同的方法优化各交叉口的绿信比。优化过程中的约束条件 是必须满足最小绿时。但是不能优化周期长度，可以预先给出一组周期的长度值， 接着计算在每一个周期下的性能指标，最后从这几组周期中选取最优周期长度。 美国佛罗里达大学的t r a n s y t - - 7 f 8 1 c 后的版本采用遗传算法对控制方案进行 优化，其优化过程为分别对相位差、绿信比和相位顺序进行优化。但是仍然采用 从一组周期长度值中挑选最优值来进行对周期优化。 t r a n s y t 系统的不足之处是：它采用的是一种离线的交通控制控制方案， 不能根据实时的交通流状况及交通突发事件进行响应和调整。 2 ) s c a t s 系统 2 0 世纪7 0 年代末，由澳大利亚新南威尔士道路和交通局( r t a ) 研制成功的悉 尼协调自适应交通系统( s y d n e yc o o r d i n a t e d a d a p t i v et r a f f i cs y s t e m ，s c a t s ) 1 6 j ， 悉尼等城市在1 9 8 0 起陆续安装使用该系统，目前世界上的大约5 0 个城市运行 s c a t s 系统及其升级版。 s c a t s 系统可以实现对交通信号控制系统的“面控 和“点控，前者为 系统对各个子系统协调控制的同时，后者为s c a t s 系统对单个交叉口实行车辆感 应控制。正是由于二者的有机结合，使系统的控制效率得到了很大的提高。s c a t s 系统之所以这样有效、灵活是因为采用了设置在停车线附近的车辆检测装置。因 2 硕士学位论文 此，s c a t s 系统实际上是一种采用感应控制方式对配时方案作出调整的配时系 统。s c a t s 系统为节省控制计算机的中央处理器时间，分别优化系统的绿信比、 信号周期和相位差等参数，并且用停车次数和延误时间作为优化目标函数。 优化过程所使用算法的主要依据为综合流量及类饱和度。其中车流有效利用 的绿灯时间与绿灯显示时间之比就是类饱和度。该系统引入了综合流量q ( 一个虚 拟的参量) 来反映混合车流通过停车线的流量，就是为了不使用与车身长度( 车 辆种类) 直接相关的参量来表示车流的流量。综合流量指的是在一次绿灯时间内通 过停车线的车辆折算当量，它是由测定的绿灯期间实际的饱和流量s 和类饱和度 来确定。 s c a t s 系统在进行工作时需要进行如下分析：以子系统为单位，选择交通信 号周期长度，选择绿灯起步时距离，选择绿信比，以及协调子系统内部的信号， 协调不同子系统间的车流，根据实时的交通流信息作出相应的调整；由合并子系 统后的合并指数表示车辆在区域实行感应控制。 绿信比的选择 每一个交叉口预先准备了供实时选择使用的四个绿信比方案，在各个绿信比 方案中，不仅规定相位的顺序还规定不同相位的绿灯时间。根据不同的控制方案 相序作出相应的调整，即方案不同相序不同。其计算方式为：根据当前绿信比方 案实测的类饱和度及相应的绿灯时间推算出余下三种未被执行的绿信比方案下的 类饱和度，比较各个关键车流的类饱和度( 即最大的类饱和度) 并选择类饱和度最 低的绿信比方案。若在连续三个周期内两次选中某一方案则下一周期也选此方案 执行。 信号周期优化 。二 周期的长度选择以子系统为基础，由类饱和度最大的交叉口来确定整个子系 统的信号周期长度。s c a t s 系统事先有四个限制值，即最大值c 、中间值c 、介 于最大值和中间值之间的值c 和最小值c 。系统采用连续小步距的方式调整信号 周期长度，最大调整值为六秒。 相位差的选择 相位差分为两类：一类为两个相邻子系统合并时协调两个子系统的车流，另 一类为子系统内各交叉口之间的信号协调。两类相位差各由五种事先确定的相位 差。当周期长度为最小值时采用第一个相位差，当信号周期为中间值时采用第二 个相位差，然后根据实测流量及推算结果选择余下的三种情况。 s c a t s 系统则是一种基于方案选择式的交通信号控制系统，该系统事先根据 历史交通流数据设计多套交通信号控制方案，根据路网的感应检测器采集的实时 交通流数据来从预设方案中挑选合适方案进行控制。 3 ) s c o o t 系统 1 9 7 3 年，英国运输与道路研究所( t r r l ) 开始研究开发s c o o t ( s p l i tc y c l e 3 ： 基于f p g a 的交通信号模糊控制器的设计 a n do f 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【7 1 ，即采用绿信比一周期长一绿灯起步时 距优化技术对交通信号网实时协调控制的自适应交通控制系统。并于1 9 7 9 年投入 使用。s c o o t 系统模型及优化原理均与t r a n s y t 系统相似，因为它是在 t r a n s y t 系统的基础上发展起来的。二者的区别是，s c o o t 系统依靠安装于每 个交叉口各个相位进道口上游的车辆检测器，采集车辆到达信息并进行联机处理， 由此自动生成控制方案，实时连续地调整绿信比、周期长和绿灯起步时距三个控 制参数的值，以适应实时变化的交通状况，所以s c o o t 系统是一种控制方案自动 产生式控制系统。并且s c o o t 系统采用小步长渐近寻优方法的优化方式，计算量 不大。 此外，s c o o t 系统有专门的监视和应对方案，来处理交通路网上可能出现的 交通阻塞和拥挤状况。它不仅可随时提供每一个路口正在执行的信号配时方案的 细节情况给操作人员，而且可以在输出终端设备上自动显示每一周期的车辆排队 长度情况，以及车流到达视图等信息。并可以随时监视系统各部分的工作状况， 对故障部位发出自动警报。 信号周期的优化 s c o o t 系统将控制区分为多个子区，不同子区内的信号周期长度是相同的， 或者是双周期的，各个子区不考虑与其他子区的并联性，进行独立的的调整。两 次调整的间隔小于2 5 分钟，一次的调整量为几秒。通常预先设定上下限值，从而 防止过长或过短的信号周期优化值。确保某个子区负荷最高的交叉口其饱和度达 到最高上限值( o 9 ) 作为周期的优化原则。在系统运行中不断根据它的交通模型对 各个交叉口饱和度进行运算，若所有交叉口的饱和度都低于0 9 ，则系统逐渐减小 该子区的信号周期长度。一旦关键交叉口1 ：3 的饱和度升高至0 9 或信号周期长 度下降到规定的下限，则信号周期长度不再继续减小。双周期适用于子区内交通 流量较小的交叉路口。 相位差的优化 s c o o t 系统是以优化单元为单位进行相位差优化的，规定一个单元为一个路 口和跟它相邻的所有路口之间的连线所构成的区域。每个交叉口都有一个事先设 定的时间作为调整和优化相位差的时间。一到这个时间，s c o o t 系统的优化程序 依据实时周期交通流分布图所提供的数据信息，估算调整相位差的必要性。调整 的依据是p i 值，采用值最小的方案为最优方案。 绿信比的优化 s c o o t 系统采用试算的方法，分别计算绿灯时间缩短四秒、延长四秒和维持 绿灯不变时三种情况下的车辆停车率和延误时间。其优化结果为最小值。无论是 缩短或延长四秒，只是一个临时性调整且仅限于下一个周期。在该周期结束后中 心计算机对该相位的绿灯时间作一次永久性调整，并形成永久性调整存入中心计 算机内。s c o o t 系统绿信比的优化是逐个交叉口单独进行的不考虑交叉口之间的 4 1j 1 硕士学位论文 并联性。 s c o o t 系统是一种自动产生方案式的在线交通信号控制系统，能根据实时的 交通流状况来产生新的交通信号控制方案。系统采用多次小步幅、单独地调整交 通信号周期、绿信比和相位差。 1 3 国内发展交通信号控制的现状及意义 城市交通信号控制系统在国内的研究和应用起步较晚，国家从2 0 世纪8 0 年代 开始，一方面开始以提升城市市中心交通能力为核心的u t s m ( u r b a nt r a f f i cs y s t e m m a n a g e ) 的技术研究，另一方面采用国外引进与自主研发相结合的策略，建成了 一批城市交通信号控制系统【8 】。以上海、北京为代表的大城市，交通信号控制系统 主要由单点交通信号控制器、t r a n s y t 系统、s c o o t 系统和s c a t s 系统其中几个 结合使用。这些信号系统虽然取得了在一定程度上改善城市交通的效果，但我国 城市交通的实情又决定需要改进这些系统。第一，需要实现区域协调交通信号控 制。当前，我国虽然在几个大城市，实现了具有区域网络控制能力的计算机集中 式交通信号控制系统，但对中小城市来讲，建立这样庞大的系统一方面利用率不 高，另一方面代价高昂。为解决这个问题，在国中小城市应大力推广小型区域协 调交通信号控制系统。第二，混合交通流的问题需要解决，现行交通信号控制系 统对自行车流大多是与机动车同时控制，容易造成交通流混乱。因此，需要研发 一种交通信号控制系统，使其能对自行车流进行单独控制。第三，需要完善交通 信号控制相位。现有的单点控制一般只能实现两相位或四相位控制，存在一定的 不足。如果根据交叉路口的实际状况，适当采取多相位、变相序控制，可以降低 交叉口的交通流冲突，提升交通安全。 交通信号控制技术从控制类型上可以分为三大类【9 1 ，即单点控制、干道协调控 制、系统实时优化控制。根据当前国内外交通信号控制应用情况，平面交叉口单 点控制主要采用定周期、多时段定周期、半感应、全感应等几种控制方式。定周 期、多时段定周期完全是基于对平面交叉口历史交通流数据的统计调查，由于交 通流存在的随机性和多变性，这两种控制方式都存在通行效率低、方案易过时的 缺点，而后两种控制方式是在前两种方式的基础上增加了车辆检测器，并根据车 辆检测提供的交通流信息来调整绿信比和周期长，因此它能够较好的适应交通流 的变化。但是，由于采集信息较少，制约了交叉口处通行能力的进一步提升，针 对这个问题，国内目前尚无可靠的办法解决并投入实用。 目前国内在信号机方面做的较好的公司有海信和泰尔文特，其中海信的交通 信号机性价比较高【1 0 l ，而泰尔文特在系统集成方面略具优势1 1 。 5 基于f p g a 的交通信号模糊控制器的设计 1 4 论文的主要研究工作及组织结构 1 4 1 本文的主要研究工作 1 、本文将先进的f p g a 嵌入式技术与交通信号控制器的设计有机地融合，根 据实际需要，研制了一种能够根据交叉口车流信息实时调整交通信号控制周期、 绿信比和相位的智能交通信号控制器。并对庆阳路主干道及其相交支路的交通状 况通过v i s s i m ( 由德国p t v 公司开发的微观交通仿真系统为模拟工具) 构建了 交通模型，通过仿真实验证明了本文设计的城市干道多交叉口协调控制方法的可 行性。本文的工作主要体现在以下三个方面： 1 、智能交通控制系统硬件电路的设计 根据交通信号控制系统的目标需求对核心处理器及外围器件的选型进行了分 析，实现了智能交通控制所需的硬件电路。 2 、f p g a 逻辑电路的设计 通过对s o p c 片上可编程系统的分析研究，在q u a r t u s u 集成开发软件中，用 v h d l 编程完成对模糊控制模块、全感应控制模块、定时控制模块等的控制。 3 、实例应用 对本文的交通信号控制系统方案用v a p ( v e h i c l ea c t u a t e dp r o g r a m m i n g ) 语言 编程实现，并对庆阳路主干道的交通流数据( 数据由兰州交警支队提供) 通过 v i s s i m 软件进行了实例仿真，仿真结果表明：本文设计的交通信号控制方案有效 的减少了车辆在庆阳路干道上交叉口处停车次数并降低了通行的延误时间。 1 4 2 本文的组织结构 本文主要是设计了一个基于f p g a 的交通信号智能控制器，研究并提出了一 个城市干道交通信号协调控制系统的模型。本文的组织结构安排如下： 第一章介绍了交通信号控制的研究背景。详细分析了世界主流的交通控制系 统的优劣。 第二章给出了交通信号控制系统的基本参数，并分析了现在常用的交通流检 测方法及目前比较流行的交通信号控制算法。 第三章从模糊逻辑及模糊控制发展的角度，针对基于车流量的交通信号控制 问题提出了具体的解决方法，即采用模糊控制方法。然后再详细介绍了交通信号 模糊控制器的设计。 第四章首先阐述了交通信号控制器的总体设计方案，然后给出本文所设计智 能交通信号控制器的硬件设计方案和软件设计方案。 第五章是本文的系统仿真与实例验证部分，采用v h d l 语言对本文所设计的 交通信号控制器的控制模式编程实现，并在a l t e r a 公司的q u a r t u sl i 开发平台上 完成了仿真。最后对本文设计的城市干道协调控制方法进行了v i s s i m 仿真。 6 硕上学位论文 1 5 本章小结 本章在阐述了交通信号控制的研究背景后，介绍了国内外交通信号控制的发 展状况，包括国外一些成熟的交通信号控制系统和国内在这方面做的较好的厂家 和产品，然后给出了本文的主要研究工作和组织结构。 7 基于f p g a 的交通信口模糊控制器的设计 第2 章交通信号控制的基本理论 交通控制经过长时间的发展，目前已经形成了一套较为成熟和完善的概念与 方法。本章主要介绍交通控制领域的基本概念和现在常用的智能交通控制理论。 2 1 交通信号控制系统的基本参数 奎步与步长 在进行交通信号灯控制的时候，交通信号灯组中的某些灯将被点亮。某一确 定时刻，灯控路口不同方向各信号灯组所构成的一组确定的灯色状态即称为步， 信号灯组不同的灯色状态构成不同的步。步长为每步所持续的时间。通常步长的 最小单位为1 s 。 宰周期 交叉口各个方向灯组的信号是以步为单位进行循环变化的，由若干个步构成 一个循环。周期即为一个确定的循环内各步步长之和。 宰相位 相位就是在一个周期内交叉口上某一方向或多个方向上的交通流所获得的通 行权，一个确定的周期内有多少个信号相位就称该信号系统为几相位信号控制系 统。 宰相位差 相位差的定义为在一个周期内不同相位之间的时间差。 奉排队长度 排队长度指的是某一相位红灯期期间等待在停止线前的车辆数。 o 绿信比 一个信号相位的有效绿灯时长与信号周期时长之比被称为绿信比【1 2 1 ，一般用 a 表示。a = g e c 。式中a 一绿信比；g e 一有效绿灯时长；c 一周期时长。 2 2 常用的交通流信息检测方法 要达到对交通信号进行智能控制，首先必须获取各个路口每个相位上实时的 交通流信息。车辆检测器的作用就是把底层检测到的实时的车流量数据精确、快 速地通过传输网络上传到上位机进行后处理。因此车辆检测器的精确性和可靠性 就显得特别重要。要使车辆检测器达到上述要求就需要依靠交通流量的检测技术 和图像识别处理技术。随着电子信息技术的快速发展，交通流检测技术得到了长 足的发展。目前常用的交通量检测器种类繁多， 依据车辆检测器安装方式的不同可以把它们分为两大类l l 别： ( 1 ) 第一种车辆检测器为铺设于路面或埋置于路面下方来收集车流密度、 8 硕上学位论文 。 车速、交通流量、行程时间和车道占有率等交通数据，因此被称为铺设式车辆检 测器。其中包括压电式车辆检测器、环形线圈式车辆检测器、地磁式车辆检测器 以及磁力式车辆检测器等。 ( 2 ) 第二种车辆检测器为架设于道路上方或路边来搜集各种交通数据，因 此被称为非接触式车辆检测器。这其中包括声纳式车辆检测器、超声波式车辆检 测器、微波式车辆检测器【1 4 】、图像式车辆检测器以及红外线式车辆检测器等。 目前无论是第一种的路面铺设式车辆检测器还是第二种的非接触式车辆检测 器在交通信号控制系统中都有着大量的应用。下面将重点讲述几种最常用的车辆 检测器类型：包括图像式、微波雷达式和环形线圈式车辆检测器l l 引。 1 1 图像式车辆检测器 图2 1 图像式车辆检测器工作流程图 图像式车辆检测器的工作流程如图2 1 所示，这种车辆检测器是由摄像机、终 端计算机、图像采集卡、数据传输和存储设备构成的图像式车辆检测器，其技术 原理是以图像处理为根本依据的。基于图像识别处理技术的交通参数视频检测方 法是一种非接触式交通流检测方法，它利用数字图像识别处理技术，对用高速摄 像机拍摄的现场交通流画面进行处理，获得被检测车道上车辆的车型、车速、车 流量等交通参数，这样就为交通控制和管理提供精确的交通流数据，从而能够进 行更有效地交通控制和管理。 优点：图像式检测器检测到的图像比较直观，功能很强大；另外，因为它采 用非接触式的安装方式，因此在整个安装或维修的过程中都不会影响交通，并且 检测范围广、系统稳定性高、现场可重现。因而这种方法是交通流信息检测方法 的未来发展方向。 缺点：图像式检测器的最大缺点就是价格较高，另外也易受到环境的干扰。 2 ) 微波雷达式车辆检测器 图2 2 微波雷达式车辆检测器的工作流程图 9 基于f p g a 的交通信号模糊控制器的设计 微波雷达式车辆检测器的工作流程如图2 2 所示，这种车辆检测器的检测原理 跟雷达的工作原理是一样的。微波雷达式车辆检测器使用发射器发射电磁波，当 有车辆经过时，电