（控制理论与控制工程专业论文）多相位智能交通控制器研究.pdf

浙江大举硕士学位论文 摘要 城市道路交通拥堵是现代城市迫切需要解决的问题，因而城市道路交通控制 技术已成为当前控制领域和交通工程领域的研究热点和难点之。本文针对单交 叉i = 设计了一种硬件可裁剪的多相位智能交通控制器，详细介绍了多相位智能交 通控制器的各种控制算法设计和软硬件的研制工作。 论文的主要研究内容如下： 1 ) 介绍了城市交通控制的发展历史和交通控制的基本类型，并对国内外当 前的交通控制系统的研究成果进行了详尽的分析和阐述。 2 ) 针对单交叉口设计了一种硬件可裁剪的多相位智能交通控制器。首先分 析了整个智能交通系统的结构和功能，然后根据系统对路口交通控制的 要求，设计了硬件上可裁剪的交通控制器。 3 ) 研究了多相位智能交通控制器中实现的绿波带控制算法、半感应控制算 法、全感应控制算法以及基于相序优化的自适应控制算法。 4 ) 设计了多相位智能交通控制器上位机管理软件。 文章最后对全文进行了概括性的总结，并指出了城市道路交通智能控制系统 下一步的研究方向和内容。 关键字；城市交通；单交叉口；相位；智能交通；交通控制器；自适应控制 模糊控制 一 堂兰查兰墅主兰竺垒墨 a b s t r a c t t h ec o n g e s t i o no fu r b a nt r a f f i ch a sb e c o m ea l lu r g e n ts o c i a lp r o b l e m ，i n t e l l i g e n t c o n t r o lt e c h n i q u ef o ru r b a nr o a d w a yt r a f f i ci sa ni m p o r t a n tt o p i ci nc o n t r o ld o m a i n a n dt r a f f i c e n g i n e e r i n gd o m a i r “t h ep a p e ri n t r o d u c e st h em u l t i p h a s ei n t e l l i g e n t c o n t r o l l e rf o ru r b a nt r a f f i c d e s i g n e df o rs i n g l ei n t e r s e c t i o nw h i c hi ss c a l a b l ei n h a r d w a r e ，a n dp r e s e n t st h ed e v e l o p i n g p r o c e s s o fh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo f m u l t i p h a s ei n t e l l i g e n tc o n t r o l l e rf o ru r b a nt r a f f i c t h ep a p e rm a i n l yc o v e r st h ec o n t e n t sa sf o l l o w ： 1 ) t h ed e v e l o p m e n th i s t o r ya n dt h eb a s i ct y p e so fu r b a nt r a f f i cc o n t r 0 1 i nt h i sp a r t ， w ea n a l y s e sa n de x p a t i a t e st h ea c h i e v e m e n t si nc u r r e n tt r a f f i cc o n t r o ls y s t e m r e s e a r c hh o m ea n da b r o a d 2 ) t h ed e s i g no ft h em u l t i p h a s e i n t e l l i g e n t t r a f f i cc o n t r o l l e rf o rt h e s i n g l e i n t e r s e c t i o nw h i c hi ss c a l a b l ei nh a r d w a r e ，w ef i r s t a n a l y s e st h es t l a l c t u r ea n d f u n c t i o no ft h ew h o l ei n t e l l i g e n tt r a f f i cs y s t e m ；t h e nd e s i g n st h er o a dt r a f f i c c o n t r o l l e rw h i c hi ss c a l a b l ei nh a r d w a r ea c c o r d i n gt ot h es y s t e m sd e m a n dt ot h e r o a dt r a m cc o n t r o l l e r 3 ) t h ep a p e rp r e s e n t st h ea r i t h m e t i co fg r e e n - w a v ec o n t r o l ，h a l f - i n d u c t i o nc o n t r o l ， f u l l - i n d u c t i o nc o n t r o la n ds e l f - a d a p t i v ec o n t r o lb a s e dp h a s es e q u e n c e r 4 1 t h ep a p e rp r e s e n t st h em a n a g e m e n ts o f t w a r ef o rt h em u l t i - p h a s ei n t e l l i g e n tt r a f f i c c o n t r o l l e r f i n a l l y , w em a k eac o n c l u s i o na n dp r o p o s et h ef u t u r er e s e a r c hd i r e c t i o n s k e y w o r d s ：u r b a nt r a f f i c ；s i n g l ei n t e r s e c t i o n ；p h a s e ；i n t e l l i g e n tt r a f f i c ；t r a f f i cc o n t r o l l e r ； s e l f - a d a p t i v ec o n t r o l ；f u z z yc o n t r o l 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 城市道路交通控制系统的发展历史 1 1 1 城市道路交通控制系统的诞生 城市道路交通自动控制技术1 1 删的起源是交通自动信号灯的诞生，最早可以 追溯到1 9 世纪末2 0 世纪初。 1 8 6 8 年，伦敦的威斯特敏斯特教堂附近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，但由于意外的爆炸事故，致使这种信号灯没能继 续使用。1 9 1 8 年初纽约街头出现了新的信号灯，这是与当今使用的信号灯极为 相似的红黄绿三色灯，它是人工操纵的，以后英国也开始使用这种信号灯。1 9 2 6 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，这是城市交通自 动控制的起点。 自动化的交通信号灯是由交通信号控制器控制其红绿灯的周期变化的。早期 的交通信号灯以定时方式实行自动控制的，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。 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 式的定时控制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取代了 传统的只有一种控制方案的控制器。采用这种控制器其效果要明显好于传统的老 式控制器。这种控制器在一天时间里备有几种不同的配时方案，它能按交通流的 变化规律，不同的时间选用不同的方案，比如早、晚高峰期间有各自的高峰方案， 高峰以外的时间有平时方案。当交通流变化规律比较明显的时候，这种控制方式 具有很好的控制效果。多时段多方案定时控制器在长期的使用过程中不断地改 进、提高，所以至今仍作为单交叉路1 3 的一种控制方式广泛地得到应用。 由于交通流具有连续运动的特点，特别是当两个相邻交叉路口距离很近时， 这种各交叉路口之间“各自为政”的孤立控制方式，难免造成频繁停车，使控制 效果不佳。为了解决这个问题，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，在美国盐湖市就开始使用联动式信号系统，即把六个交叉路 浙江大学硕士学位论文 口作为个系统，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口，该系统使用了电子自 动计数器。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 它结构简单、性能可靠、价格便宜，很快在美国推广普及。这种系统以后不断改 进、完善，成为当今的协调控制系统。 2 0 世纪3 0 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间的长短，使绿灯时间更有效地被利用，减 少车辆在交叉口的时间延误，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。 1 1 2 城市道路交通控制系统的发展 传统的城市道路交通控制指的是区域交叉口信号灯控制，对城市交通控制的 研究也是从这方面开始的。城市交通的区域协调控制 4 1 ，即在整个城市范围内对 交通进行控制，这无论是从理论角度还是实践角度，都是一个极其复杂的大系统 控制问题。 国外对城市区域交通控制的研究，开始于2 0 世纪6 0 年代初，目前在这一领 域较有声望、居领先地位的有英国、澳大利亚及美国等。如果从进行研究的人员 来看，主要有两类：一类是控制工程师，另一类是交通工程师。前者主要从事理 论研究，他们从系统工程理论、大系统理论及最优控制的角度出发，对城市交通 这一典型的大系统进行研究。主要代表人物有大系统理论方面的权威m g s i n g h 。 后者主要从事交通控制实际系统研究，他们的实践是许多实际的控制系统( 如 t r a n s y t ，s i g o p ，s c o o t ，s c a t s 等) 产生的重要基础。主要代表人物有英 国的d i r o b e r t s o n ，澳大利亚的a j m i l l e r 等。 浙江大学项士学位论文 1 1 3 城市道路交通控制系统的新发展 随着信息技术与知识经济的发展，城市的节奏越来越快，传统的交通控制方 法不能有效解决交通问题，城市交通与经济发展的矛盾日趋尖锐，因此对现代城 市交通控制的研究也必须采用新的研究方法和手段。目前城市交通控制研究的新 发展体现在城市交通网络【5 “1 的各个方面：区域交通信号灯和城市快速公路匝道 口的新的控制方法上；实现区域和快速公路的集成控制；采用动态路由导航与交 通网络控制结合；以实现先进车辆控制系统a v c s 为主的智能运输系统( i t s ) ； 以实现先进交通管理系统a t m s 和先进驾驶员信息系统a t i s 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、公共交通优先等。 动态路由导航优化的目标函数是交通网络给定区间内所有被引导车辆的总 出行时间，可由下式表示： 卯r = h ，；( j 】 ) 瓯九r 】 kmf 其中卵r 表示总出行时间，以，( 七) 表示离散时间k 时链路m 处f 段内每条车道 的交通流密度，瓯是在链路处的段长，l 是在链路处的车道数目，r 是离散时 间间隔。 通过车际间通讯和道路可变信标指示牌可以实现网络路由动态导航，这是另 一种提高交通网络效率的有效方法。现在的各种交通控制系统基本上都是采用开 环和被动控制。这种控制方法不可能得到最优解，而引入动态路由导航控制则可 以实现闭环反馈控制，为交通网络控制提供新的控制模式，从而实现真正意义上 的网络优化控制。 在欧洲研发的e u r o s c o u t 系统中，数据库管理和计算优化路径是集中进 行的，然而分散式系统具有更多的优点。网络路由动态导航与交通网络控制所需 要的数据在很大程度上是相互重叠的，并且二者也是密切相关和相互作用的，路 由导航可以影响信号灯优化策略，信号灯策略的实施又将对路由导航产生作用， 因此二者的有效集成能够消除由于形成反馈造成的不稳定或不利影响，从而提高 整体性能。 浙江走学硕士母值论文 l 2 城市道路交通控制的基本类型 城市道路交通控制f 2 卅从不同的角度可以划分成不同的基本类型。 一、按控制区域几何特性划分 按控制区域的几何特性划分，城市交通道路控制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”) 以及区域交叉口的网络控制( “面 控制”) 。 ( 一) 单个交叉口的控制 当某个交叉口与其相邻的交叉口相距较远时它与相邻的交叉口之间的信号 配时没有固定关系，可以利用一台信号控制器控制其信号变化。主要控制参数是 周期长和绿信比。必须考虑的两个重要因素是车辆延误和交叉口的通行能力，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利用。 ( 二) 交通干线的协调控制 城市中的交通干线往往具有很重的交通负荷。保证干线的交通畅通，对改善 一个地区甚至一个城市的交通状况具有很大的作用。 为了使沿干线行驶的车辆在每个交叉 j 少遇红灯，从而保持车队连续通行， 必须使相邻的交叉口之间信号变化遵循一定的规律，即绿灯起始时间保持某个恒 定的时问差相位差。为使相位差在每个信号周期都保持恒定，这些干线上相 邻的各个交叉口都必须共用相同的信号周期。干线协调控制的主要控制参数是周 期长、绿信比和相位差。 ( 三) 交通网络的协调控制 这种控制方式是以城市区域嘲络内的主要交叉口的信号为控制对象，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。显 然，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长、绿信 比和相位差。因此从本质上来说，干线协调控制只是网络协调控制的一种特例。 ，：、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) 定时控制 定时控制方式以历史交通流数据为依据，找出每个日周和时，日的不同交通 定时控制方式以历史交通流数据为依据，找出每个日“司和时，日的不同交通 浙江大学硕士学位论文 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。在实施过程中 可以用不同的方式调用这些配时方案。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。 ( 二) 感应控制 感应控制的原理是根据车辆检测器测量的交通流数据调整相应的绿灯时间 的长短和时间顺序，以适应交通的随机变化，这种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。感应控制源 于单交叉口的车辆感应控制，后经发展，干线和交通网络也利用了类似的控制方 法。 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，因此要预先分析其可行性和预期的效果。 ( 三) 自适应控制 在一条干线或一个区域，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的随机变化，这种控制方式就是自适应交通 控制方式。 三、按控制思想划分 按控制思想划分，可分为被动式控制和主动式控制。 ( 一) 被动式控制交通信号控制系统 前面讲的交通信号控制，其控制思想是以在道路上的交通为主体，选取适当 的控制方案( 或控制参数) 或联机实时生成控制方案( 或控制参数) 控制信号变 化，使之适应交通的需求。表面上看交通是受信号指挥的，而实质上交通信号是 根据交通需求而变化的，也就是说交通信号是被动地控制交通流变化。 ( 二) 主动式控锘4 交通自动化路径诱导系统 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，通过对所控区域内行驶的车辆发出指令和忠告，使区域内的 道路系统的交通负荷合理地均匀分布，从而预防交通阻塞的发生，即使阻塞发生 浙江太学硕士学位论文 也不会加剧。相反，通过对交通主动引导、分配而使阻塞缓解和消除。交通自动 化路径诱导系统具有广阔的发展前景，随着近几年来微处理器和通讯技术的高速 发展，使性价比迅速提高，为这种系统的应用提供了实践的可能性。 1 3 国内外道路交通控制系统的研究成果 随着计算机技术和自动控制技术的发展，以及交通流控制理论的不断完善， 交通运输组织与优化理论、技术的不断调高，在许多优秀的交通工程师的努力下， 研究出了一批先进的城市道路交通控制系统。 从系统结构上分，有集中式计算机控制系统( 控制中心的计算机处理道路网 上的所有信息，并向各路口发出控制指令) 和分布式计算机控制系统( 由中央、 地区、。路口控制三级组成，各级电脑负责自己控制区域并执行上一级的控制指 令) 。从系统控制模式上分，有静态系统( 根据历史交通流数据优化信号配时) 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 看兼有监视、控制和诱导功能。 1 3 1 国外道路交通控制系统主要研究成果 当前世界各国广泛使用的最具代表性且具有实效性的城市道路交通信号控 制系统有三个。 一、英国t r a n s y t 交通信号控制系统 t r a n s y t ( t r a f f i cn e t w o r k s t u d yt o o u 是由英国道路研究所花费 近十年时间研制成功的城市道路交通控制系统，经过不断改进，以发展到 t r a n s y t - 8 型，它的主要技术特征如下： l 、控制模式：静态模式。 2 ) 系统目标：平均延误时间、停车次数、排队长度最小。 3 ) 参数特征：绿信比与相位差是通过建立优化数学模型计算，即是优化确 定的；周期不进行优化，仅从事先确定的方案中通过比较各运行指标选 出最佳的，即选择性确定。 4 1 寻优方法：爬山法。 t r a n s y t 系统被世界4 0 0 多个城市采用，目前最成功的静态系统。但该系 浙江犬学硕士学位论文 统也有一定的不足之处：第一、计算量大，在大城市这一问题尤为突出；第二、 不对周期进行优化，实际上很难获得整体最优配时方案；第三、和其它静态系统 一样采用离线优化，需要大量的网络几何尺寸信息和交通流信息，而这些数据的 采集，不仅要花费大量的人力和物力，而且常常因为城市建设的飞速发展，其可 信度降低。 二、澳大利亚s c a t s 系统 s c a t ( 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 机分层递阶形式。s c a t s 系统的技术特征如下： ( 1 ) 控制模式：地区级，联机，中央控制，联机与脱机同时进行。 ( 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信比、周期、相位差选择合适的参数。 ( 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 系统也几个不足之处：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。 三、英国s c o o t 系统 s c o o t ( s p l i tc y c l eo f f s e to p t i m i z a t i o nt e c h n i q u e ) 系统也是 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。s c o o t 采用实时控制，获得了明显 优于静态系统得效果，被许多国家采用。 s c o o t 系统的主要技术特征如下： ( 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。 s c o o t 系统同样存在不足的情况：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； 浙江大学硕士学位论文 第三、安装调试困难，对用户的技术要求过高。 1 3 2 国内道路交通控制系统主要研究成果 自八十年代以来，中国的经济快速发展，人民生活水平的提高，越来越多的 汽车进入了普通家庭，交通拥挤也已成为中国现代城市交通的严重问题。国家一 方面投入大量的人力物力进行路桥的修建及道路的拓宽，另一方面采取引进与开 发相结合的方针，以建立城市道路交通控制系统。 近年来，国内许多学者及研究机构在交通建模与控制方面作了大量的研究工 作，并将许多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。其中应用比较成功的有公安部交通管理研究所h t - u t c 交通控制系统、浙大 中控a c s 交通控制系统、青岛海信h i c o n 交通控制系统、上海宝康m i t c o 交 通控制系统以及金科交通科技j k - c 系列小型交通控制系统。 一、h t - u t c 交通控制系统 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“七五”和“八五”国家重点攻关项目成果，曾获得国家科技进 步三等奖。在投入使用的十多年内，系统应用软件、设备已作了五次重大改进， 是当前国内应用最成熟的城市交通控制系统。 h t _ u t c 交通控制系统的功能与特点： ( 1 ) 控制系统结构： 采用三级控制结构：路口控制级、区域控制级和中央控制级。 ( 2 ) 交通信号控制参数的优化控制功能 系统具有实时自适应、固定配时控制功能。实时自适应控制：控制区内与区 域控制计算机相连的交通信号机都在区域计算机控制之下，信号配时方案由优化 算法软件实时生成。固定配时控制：控制区内与区域控制计算机相连的交通信号 机都在区域计算机控制之下，信号配时方案使用的是近期实时自适应优化结果， 并确有较好交通效益的配时方案。 ( 3 ) 特殊控制功能 系统可根据实际交通需求，由指挥中心发出命令进行特殊控制，主要有：绿 浙江大学硕士学位论文 波控制，在特殊情况下，如警卫、消防、救护、抢险等，信号灯按预定的路线进 行绿波推进，以保证车辆畅通无阻；单点控制，各路口的信号灯由各路口交通信 号机独立控制；闪光控制，信号灯黄灯按一定的频率闪烁，向车辆和行人发出警 告或提示；指定相位控制，根据路口交通需求，由指挥中心发出命令控制信号相 位的执行时间，进行交通疏导。 ( 4 ) 城市道路与高等级公路出入口控制 控制城市道路与高等级公路出入口的匝道和室外可变情报板，进行交通疏 导。 ( 5 ) 交通数据自动采集与存储 每一车道的车流信息通过环形线圈车辆检测器或其他形式的车辆检测设备 进行自动采集，每隔2 秒上传到区域计算机，区域计算机计算出车流量、占有率、 排队长度等交通数据，存储在区域计算机或中央计算机内。 ( 6 ) 系统监视 对系统硬件设备、系统软件工作状态和故障情况进行全面监视。 h t - u t c 交通控制系统是国内应用时间最久、功能比较完善的一个交通控制 系统。系统性能价格比相对引进系统比较优越：系统设备的价格为引进系统的 1 2 1 3 ，系统软件价格为引进系统的1 2 l 5 ，但相对于国内许多中小型城市 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。 二、j k c 交通控制系统 南昌金科交通科技有限公司是国内较早从事交通控制系统研制的公司之一， 产品主要针对国内的中小型城市。j k - c 系列交通控制系统是由金科公司研制的 一款应用比较成功交通控制系统，在国内许多中小型城市的应用中取得了不错的 效果。浙江宁波、绍兴和浦江等地区的部分道路控制系统采用了该公司的产品。 j k - c 交通控制系统的功能及特点： ( 1 ) 自动运行模式和强制通行模式 四种自动运行模式，分别为平日、双休、假日、临时，运行模式自动切换： 强制通行，如遇紧急情况，可以手动强制一个方向绿灯常亮。 ( 2 ) 参数设置 浙江走学硕士学位论文 通过控制器面板按键及面板数码管指示直接在控制器上进行参数修改与设 置。 ( 3 ) 倒计时实时通信功能 系统提供标准的r s 2 3 2 及r s 4 8 5 接口，直接向路口倒计时灯发送控制及计 时信息。 ( 4 ) 自动保护功能 外界电网波动引起电压、电流过大或信号输出严重短路故障，信号机自动断 开输出回路，并进行故障示警，但控制线路能继续工作。 j k 。c 系列交通控制系统在当前国内一些的中小城市的应用中具有一定的效 果，但是随着国内交通的进一步发展，各中小城市的道路通行也日趋复杂化，将 对控制系统提出更高的要求。尤其该系统直接通过面板进行参数，对于日趋复杂 的控制要求，参数修改设置工作也将成为一项艰巨的任务。 三、a c s 交通控制系统 浙江浙大中控信息技术有限公司创建于1 9 9 9 年，公司凭借浙江大学多学科 的综合优势，依托工业自动化国家工程研究中心、工业控制技术国家重点实验室 和浙江大学先进控制研究所，并以自身雄厚的科研实力，为智能交通、智能建筑、 环保等公用工程行业提供一流的具有国际竞争力的技术、产品和解决方案，已成 为国内最大的几家交通控制系统供应商之一。 a c s 交通控制系统是该公司针对大中型城市的复杂交通路口研制的功能比 较完善的交通控制系统，该系统已在国内许多大中型城市中得到了广泛应用，如 浙江杭州、宁波和温州等地，并取得了比较满意的应用效果。 a c s 交通控制系统的功能及特点： ( 1 ) 系统结构 该系统主要包括交通信号控制机和车辆检测器。交通信号控制机采用当前的 高端的工业级3 2 位a r m 处理器；嵌入式实时操作系统；大屏幕液晶控制面板； 一个e i a 2 3 2 4 8 5 串行通讯接口，可选i o i o o m 以太网、g p r s 、c d m a 一1x 接口。 ( 2 ) 控制功能 单点配时控制、多时段多相位配时控制、干线协调控制、单点感应控制、区 域联网协调感应控制、自适应控制以及手动控制，方便特殊任务时的现场控制。 浙江大学硕士学位论文 ( 3 ) t c m s 交通控制管理软件 t c m s 是专为智能交通系统开发设计的平台软件，该软件可以实现信息的收 集、处理、应用及发布。 ( 4 ) 参数设置 控制器上的大屏幕液晶控制面板可为交通控制系统的参数显示提供了直观 的界面，配合t c m s 软件可方便实现控制器的参数设置。 ( 5 ) 保护控制功能 自动降级控制：当网络、线圈或其他设备损坏，控制机根据预先设定，自动 降级控制，保证交通控制在意外情况下正常工作；硬件看门狗电路：意外情况下 自动复位；信号灯电路的过电流保护。 a c s 交通控制系统功能已相当完善，在各城市中的应用也取得了很好的效 果。但是当控制器故障时需在现场对控制器进行拆装检修，延误道路的交通控制， 而且较高价格的高端处理器的应用，不仅提高了控制系统本身的价格，同时也增 加了维修的费用。因此该系统很少在国内的小城市中的应用。 青岛海信的h i c o n 交通控制系统、上海宝康的m i t c o 交通控制系统以及 浙大中控的a c s 交通控制系统系统在功能和特点上基本相似。 1 4 论文的主要内容及创新点 虽然目前国内在城市交通控制研究领域取得了一定的成果，但交通控制问题 仍然十分严峻。针对国内交通控制系统研究存在的问题，对交通控制算法与理论 进行了大量的研究，提出了基于相序优化的自适应交通控制算法，通过计算机仿 真结果也表明该算法相对一般的普通自适应算法更有效。同时研究组提出了功能 模块化的多相位智能交通控制系统的设计方案，并对其进行了实现。整个智能交 通控制系统主要包括三个功能独立的模块：多相位交通控制器、网络通讯模块和 车辆检测器模块，从而为中小型城市的交通控制提供一个较好的解决方案。 论文的主要内容： 第一章为综述部分。首先介绍了城市道路交通控制的发展历史。接着从不同 的角度对城市道路交通控制方法进行了分类。最后论文对国内外当前的交通控制 系统的研究成果进行了详尽的分析和阐述。 浙江大学硕士学位论文 第二章为多相位智能交通控制系统综述部分。介绍了多相位智能交通控制系 统的总体结构及其功能特点，同时也对系统中的各功能模块作了简要的介绍。 第三章为交通控制算法研究部分。在多相位智能交通控制器中实现了绿波带 控制算法、半感应控制算法、全感应控制算法以及基于相序优化的自适应控制算 法。其中基于相序优化的自适应控制算法，针对单交叉e l 多相位交通流模型，根 据人对单交叉口交通指挥的决策过程设计。由于采用了相序优化，该算法能更有 效地处理随机性较大、不确定性较强的交通流，减少车辆延误时间。 第四章第五章为多相位智能交通控制器的实现部分。第四章针对单交叉口 设计了一种硬件可裁剪的多相位智能交通控制器，详细介绍了该控制器的软硬件 的研制工作。第五章介绍了针对多相位智能交通控制器设计开发的上位机管理软 件。 第六章为结束语部分。对全文进行了概括性的总结，并指出了城市道路交通 智能系统下一步的研究方向和内容。 论文的创新点： 1 ) 实现了基于相序优化的自适应控制算法。自适应控制算法由于采用了相 序优化，因此能更有效地处理随机性和突发性车流，从而减小车辆延误。 2 ) 针对各种控制算法对于硬件的要求以及各种交通路1 ：3 特点，实现了硬件 可裁剪的多相位智能交通控制器的设计。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。 浙江大学硕士学住论丈 第二章多相位智能交通控制系统结构 多相位智能交通控制系统【6 毋1 采用了功能模块化的设计方案，通过合理组合 系统中的各种设备和控制软件，交通管理者可以根据自己的实际需要，在保证合 理投资的基础上，构建既满足自己当前意愿又符合长远发展要求的交通信号控制 系统。 2 1 多相位智能交通控制系统的结构体系 多相位智能交通系统采用多处理器结构，并采用了功能模块化设计。基于多 相位智能交通控制系统的整个城市交通控制系统结构如图2 1 所示。 图2 - 1 城市交通控制系统结构 浙江大学硕士学位论文 一、交通控制中心 交通控制中心是一个复杂的大型计算机系统，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。 随着中国的城市交通的进一步发展，对控制中心管理系统的功能提出了更高 的要求。比如先进的车辆导航系统，但系统的进一步发展仍将依靠各交通路口提 供的准确及时的各种图像及交通数据，因此建立一个优秀而功能完善的道路交通 控制系统是当前国内城市交通的一项重要任务。 二、多相位智能交通控制系统 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 ) 网络通讯模块 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 r 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 l 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 ) 多相位智能交通控制器 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。 多相位智能交通控制器由本人负责设计，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。控制器运行参数通 过液晶手持终端或个人电脑进行设置，如果配置网络通讯模块则可以远程进行参 浙江大学硕士学位论文 数设置e 控制器面板实时指示路e l 交通信号灯情况，以及特有的延长线手控按键 设计，方便交通管理者进行交通路口的管理。 ( 3 ) 车辆检测器 车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。 交通控制对检测器的准确度、灵敏度及可靠性具有很高的要求。当前，感应 线圈检测技术是一项应用非常广泛的检测技术，具有灵敏度高、抗干扰能力强、 成本低等优点。感应式车辆检测器专门为监测道路交通情况和交通流而设计，根 据埋设于主干道路面之下的一对感应线圈返回的信息，车辆检测器数据采集系统 可以提供正确的交通数据，如车辆的存在、速度、排队队长和占有率等参量。 本研究组的感应式车辆检测器采用插卡式结构设计，用户可以根据实际路口 数，设定相应的车辆检测卡。车辆检测器数据采集系统能够自动处理、存储并 上传预定时段内的交通数据。车辆检测器的数据采集系统如图2 2 所示。 上位机 图2 2 车辆检测器的数据采集系统 检测器最多可配置四块车辆检测卡，每块车辆检测器卡可同时处理四个通道 感应线圈的检测信息，并将处理后的交通信息交给通讯单元，由通讯单元完成与 控制器和网络通讯模块的通讯工作。车辆检测器通过网络通讯模块将路i i 的历史 交通数据上传给控制中心，为该路口建立一个完善的交通流数据库，以便在未来 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的实时 道路交通数据，是该路1 ：3 控制器执行感应控制算法和白适应控制算法的依据。车 浙江大学硕士学位论文 辆检测可在面板上直接进行参数微调，也可通过上位机完成参数微调工作，已达 到最好检测效果。 2 2 多相位智能交通控制系统的功能与特点 控制器是多相位智能交通信号控制系统的路口控制设备，控制器既可以单独 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。 多相位智能交通控制系统采用可靠的工业级标准设计，为路1 2 1 长期稳定运行 提供了良好保证。多相位智能交通控制系统提供灵活的控制参数设置软件和直 观、方便的液晶手持终端，既可以满足复杂多变的路口控制方案设计，也便于交 警现场灵活控制。 多相位智能交通控制器的功能特点： ( 1 ) 稳定可靠的工业设计 自动降级控制，当网络、线圈或其他设备损坏，控制器根据预先设定，自动 降级控制，保证在意外情况下的合理交通控制； 外置看门狗电路，意外情况下自动复位； 稳定可靠的工业级设计，主要部件采用工业级设备： 符合国家道路交通信号控制机g a 4 7 2 0 0 2 标准； ( 2 ) 丰富的扩展能力 既可单点独立运行，也可与网络完美集成，组成区域交通控制网络； 可采用感应式车辆检测器或其他满足系统通讯协议的车辆检测器，实现自适 应感应控制； 功能模块化设计使系统具有极强的适应能力，提高系统控制水平，减少系统 维护工作； ( 3 ) 灵活方便的参数配置 4 0 种相位设置，1 6 种周期预案，4 8 个时段定义，每个灯组，每个相位，每 个周期每个时段都可以单独定义，即使再复杂的交通路口也可以轻松配置； 参数通过上位机管理软件配置，方便直观，配合液晶手持终端可现场进行参 1 6 浙江走学硕士学位论文 数修改。 多相位智能交通控制系统充分考虑的用户的实际需求，保护了用户的投资， 减少了不必要的投资，用户可以根据实际的需要选取相应的设备，功能模块的独 立设计减少了系统的维护工作。 2 3 本章小结 本章介绍了采用功能模块化设计的多相位智能交通控制系统的总体结构，并 对系统中的各功能模块作用及特点进行了阐述和说明，分析了多相位智能交通控 制系统的功能与特点。 1 7 浙江大学硕士学位论文 第三章道路交通控制算法的理论研究 在进行多相位智能交通控制实际系统的同时，我们也对交通控制算法做了大 量的研究工作，提出了基于相位优化的自适应模糊控制算法，通过计算机的仿真 研究表明，基于相位优化的自适应模糊控制算法要比普通的模糊控制算法具有更 小的车辆延误时间。 定周期控制算法是最简单的控制算法，但也被证明是最有效的交通控制算法 之一。定周期控制建立在历史交通数据的基础上，假定交通环境在一定的时期内 保持不变。为了保证各车道的车辆均得以放行，但又不造成不同车道之间冲突， 因此需要规定不同的相位，并给定每种相位固定的时间，然后交通控制器按这种 规律周期地执行，因此又称为“固定配时”方案。但事实上一个路口在不同地时 间段内交通流量差别是非常大的，比如一天内的上下班高峰，平时、周末和节假 日的交通流量变化异常明显，因此提出了多时段多方案的“固定配时”方案，不 同时段内采用不同的控制方案，这种定周期控制方式的具有很好的控制效果，所 以至今仍作为但交叉路口的一种控制方式广泛应用。 随着汽车工业的发展、交通流量增加、随机变化增强，即使采用更复杂的多 时段多方案的“固定配时”方式，也很难取得更好的控制效果。随着电子技术、 通讯技术和检测技术的进一步发展，使我们可以充分考虑道路上实时交通流的信 息以及相邻交通路口之间的相互影响，以下的绿波带控制算法、半感应控制算法、 全感应控制算法和自适应控制算法均是基于以上的信息进行的研究。 3 1 绿波带控制算法 由于交通流具有连续运动的特点，特别是当两个相邻交叉路口距离很近时， 这种各交叉路口之间“各自为政”的孤立控制方式，难免造成频繁停车，使控制 效果不佳。要解决这个问题，必须把相邻的交叉路口作为一个系统来统一地加以 控制，从而实现绿波带控制。 绿波带控制主要分有缆和无缆两种方式： ( 1 ) 有缆绿波带控制 这种方式需要信号机设置主控信号机，需要参与绿波带控制的之间靠电缆连 浙江大学硕士学位论文 接，当进入绿波带控制状态时，子信号机受主信号机的影响，将调整自己的周期 长度，使之与主信号机保持一致。 ( 2 ) 无缆绿波带控制 无缆绿波带进行相位协调的各个路口之间没有电缆连接，没有主控信号机， 主要依靠各交通信号机设置相同的运行时钟，每个路口均以这个时钟为基准，根 据与相邻路口的距离设置相应的相位差，从而实现整个系统的绿波带控制。但是 这种方式通常对信号机时钟有较高的要求，否则容易使各路口进入无序状态。 第一种方式具有较强的稳定性，但需要铺设额外的电缆。如果控制器能够提 供准确的时钟基准，第二种方式明显有更大的灵活性。随着电子技术的发展，各 种准确而又经济的实时时钟芯片出现为我们提供了解决方案，因此本研究组采用 了第二种方式。 3 2 半感应控制算法 对一个十字交叉口实行半感应控制，只需在次要道路的两个入i z l 道设置车辆 检测器，使用两相位信号即可进行。主干道通行的信号相称为非感应相，而次要 道路获得通行权的信号相称为感应相。一般情况下，主干道信号灯一直维持绿灯 信号，次干道信号灯总是红灯，只有次要道路上的车辆检测器受到车辆激励，发 出感应信号时，其信号灯才可能转为绿灯信号。 非感应信号相通常设置最小绿灯时间。在次道检测器有车辆激励时，也必须 等到主干道的最小绿灯时问结束，绿灯信号才能转移到次道。也就是说次要道路 获得绿灯必须具备两个条件：检测器检测到车辆到达：主干道最小绿灯时间已经 结束。 感应信号相设置初始绿灯时间、单位延续绿灯时间和最大绿灯时间。当次要 道路获得通行权所需的两个条件均具备时，控制机首先给该信号相一个初始绿灯 时间，以使已经到达的车辆通过交叉口，如果此后再无车到达，初始绿灯时间一 结束，通行权又将转移到主干道；如果在初始绿灯时间内又检测到有车辆到达， 则次干道绿灯将延长一个单位延续绿灯时间；如果在此时间内又有车到达，就再 延长一个单位延续绿灯时间，直到累计时间达到最大绿灯时间。此后即使次要道 路仍有车辆到达，绿灯时间也不再延长。绿灯信号将转移到主干道。 浙江大学硕士举位论文 半感应控制的运行情况可用图3 1 所示的框图表示。由运行情况所知，这种 控制的信号周期不是固定不变的，它的长度取决于感应相的交通量，一般来说， 次要道路上交通要求越小，信号周期就越长，反之，周期越短。 图3 - 1 半感应控制流程图 浙江大学硕士学位论文 变量定义：k v 曲：次干道车头时距；k ，口d d ：次干道单位延续绿灯时间；钕一x ： 次干道最大绿灯时间；t 次, m i ：次干道初始绿灯时间，敬j i l j 。次，m