（通信与信息系统专业论文）智能交通自适应控制系统的研究与实现.pdf

华北电 力大学硕士学位论文 摘要 智能交通是近年来的一个热门研究领域，它为解决目 前及未来的交通问题提供了 一种科学的解决途径。本文将模糊控制引入智能信号灯控制系统，并尝试着将整个控 制系统在一片f p g a 芯片上实现。 首先介绍了智能信号灯控制、模糊控制的理论基础。接着提出了设计本方案的基 本思想，即采用查表法，根据实际调研的交叉路口交通状况及相关理论知识，利用 m a t l a b 线下计算得到模糊控制器所需的模糊控制查询表。 在此基础上着重研究开发了 基于f p g a 的智能信号灯控制器，并将接收检测数据、 数据模糊化、查表、反模糊化、 控制信号灯等一系列功能集成于一片f p g a 芯片中实现。 经过软件二x + p 1 u s 工 工 的时序仿真， 程序下载至a l t e r a e p f 1 0 k i o 芯片， 经若于周 期的观测，系统工作正常，完全符合设计要求。 关键词:智能交通，模糊控制， f p g a , v h d l a s a n a c t iv e r e s e a r c h f i e l d i n t h e s e y e a r s , i n t e l l i g e n t t r a n s p o r t s y s t e m s ( i t s ) s u p p li e s a n e f f e c t i v e r e s o l u t i o n t o n o w a d a y s t r a f f i c p r o b l e m s . i n t h i s p a p e r , f u z z y c o n t r o l i s i n t r o d u c e d i n t o i n t e l li g e n t s i g n a l c o n t r o l s y s t e m , a n d t h e w h o l e c o n t r o l s y s t e m i s i m p l e m e n t e d i n a s i n g l e f p g a c h i p . f i r s t o f a l l , t h e b a s i c t h e o r y o f i n t e l l i g e n t s i g n a l c o n t r o l a n d f u z z y c o n t r o l i s g i v e n . a f t e r t h a t t h e e s s e n c e o f t h e p r o j e c t i s i n t r o d u c e d . t h a t i s , b a s e d o n t h e a c t u a l t r a f f i c s t a t u s a n d f u z z y t h e o r y , u t i l i z i n g ma t l a b t o c a l c u l a t e t h e l o o k - u p t a b l e , w h i c h w i l l b e u s e d 勿f u z z y c o n t r o l l e r . t h e f u z z y c o n t rol l e r i s t h e f o r e m o s t p a r t o f t h i s p a p e r , w h i c h i s r e a l i z e d b y p r o g r a m mi n g i n v h d l a n d d o w n l o a d e d i n t o f p g a c h i p . f r o m d a t a i n c e p t i n g , f u z z y , l o o k i n g u p t h e t a b l e , d e f u z z y a n d c o n t r o l v a r i a b l e o u t p u t , a l l t h e s e f u n c t i o n s a r e i n t e g r a t e d i n t o o n e f p g a c h i p . a f t e r t i m i n g s i m u l a t i n g , p r o g r a m i s d o w n l o a d e d i n t o a l t e r a e p f 1 0 k i 0 . b e i n g o b s e r v e d f o r s e v e r a l c y c l e s , t h e s y s t e m t u r n e d o u t t o b e c o r r e c t , f u l l y a c c o r d s w i t h t h e d e s i g n n e e d . k e y w o r d s : i t s , f u z z y c o n t r o l , 印g a , v h d l 华北电 力大学硕士学位论文 摘要 智能交通是近年来的一个热门研究领域，它为解决目 前及未来的交通问题提供了 一种科学的解决途径。本文将模糊控制引入智能信号灯控制系统，并尝试着将整个控 制系统在一片f p g a 芯片上实现。 首先介绍了智能信号灯控制、模糊控制的理论基础。接着提出了设计本方案的基 本思想，即采用查表法，根据实际调研的交叉路口交通状况及相关理论知识，利用 m a t l a b 线下计算得到模糊控制器所需的模糊控制查询表。 在此基础上着重研究开发了 基于f p g a 的智能信号灯控制器，并将接收检测数据、 数据模糊化、查表、反模糊化、 控制信号灯等一系列功能集成于一片f p g a 芯片中实现。 经过软件二x + p 1 u s 工 工 的时序仿真， 程序下载至a l t e r a e p f 1 0 k i o 芯片， 经若于周 期的观测，系统工作正常，完全符合设计要求。 关键词:智能交通，模糊控制， f p g a , v h d l a s a n a c t iv e r e s e a r c h f i e l d i n t h e s e y e a r s , i n t e l l i g e n t t r a n s p o r t s y s t e m s ( i t s ) s u p p li e s a n e f f e c t i v e r e s o l u t i o n t o n o w a d a y s t r a f f i c p r o b l e m s . i n t h i s p a p e r , f u z z y c o n t r o l i s i n t r o d u c e d i n t o i n t e l li g e n t s i g n a l c o n t r o l s y s t e m , a n d t h e w h o l e c o n t r o l s y s t e m i s i m p l e m e n t e d i n a s i n g l e f p g a c h i p . f i r s t o f a l l , t h e b a s i c t h e o r y o f i n t e l l i g e n t s i g n a l c o n t r o l a n d f u z z y c o n t r o l i s g i v e n . a f t e r t h a t t h e e s s e n c e o f t h e p r o j e c t i s i n t r o d u c e d . t h a t i s , b a s e d o n t h e a c t u a l t r a f f i c s t a t u s a n d f u z z y t h e o r y , u t i l i z i n g ma t l a b t o c a l c u l a t e t h e l o o k - u p t a b l e , w h i c h w i l l b e u s e d 勿f u z z y c o n t r o l l e r . t h e f u z z y c o n t rol l e r i s t h e f o r e m o s t p a r t o f t h i s p a p e r , w h i c h i s r e a l i z e d b y p r o g r a m mi n g i n v h d l a n d d o w n l o a d e d i n t o f p g a c h i p . f r o m d a t a i n c e p t i n g , f u z z y , l o o k i n g u p t h e t a b l e , d e f u z z y a n d c o n t r o l v a r i a b l e o u t p u t , a l l t h e s e f u n c t i o n s a r e i n t e g r a t e d i n t o o n e f p g a c h i p . a f t e r t i m i n g s i m u l a t i n g , p r o g r a m i s d o w n l o a d e d i n t o a l t e r a e p f 1 0 k i 0 . b e i n g o b s e r v e d f o r s e v e r a l c y c l e s , t h e s y s t e m t u r n e d o u t t o b e c o r r e c t , f u l l y a c c o r d s w i t h t h e d e s i g n n e e d . k e y w o r d s : i t s , f u z z y c o n t r o l , 印g a , v h d l .d匕口口 尸明 本人郑重声明: 所呈交的学位论文， 是本人在导师指导下， 独立进行研究工作所取 得的 成果。 尽我所知，除文中已经注明引用的内 容外， 本学位论文的研究成果不包含任 何他人享有著作权的内容。 对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体， 均 已 在文中以明确方式标明。 特此申明。 签名:日期: 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了 解华北电 力大学有关保留、使用学位论文的规定，即:学校有权保管、并向 有关 部门送交学位论文的原件与复印件: 学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学 位论文; 学校可允许学位论文被查阅或借阅: 学校可以学术交流为目 的， 复制赠送和交换学 位论文;同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守 此规定 ) 作者签名:导师签名: 日期:日期: 华北电力大学硕士学位论文 第一章 绪论 1 . 1 智能交通 1 . 1 . 1 道路现状和智能交通 交通不仅是城市经济的命脉，而且对人民生活有着直接的影响。交通的发展与 国民 经济的发达程度密切相关，但又反作用于国民经济，影响着国民经济的发展。 近年来， 随着汽车数量的猛增， 我国大中型城市的城市交通， 正面临着严峻的考验。 北京的机动车保有量己突破2 0 0 万，日常的交通堵塞成为人们司空见惯而又不得不 忍受的问 题。 许多城市采取了延长道路、 加宽路面、 建高架桥等措施， 收效虽明显， 但资源毕竟有限，不可能依靠这种方法从根本_ l 解决交通问题。因此，不仅需要加 强基础设施的建设，更需要充分利用高科技手段加强城市交通的智能管理与优化控 制，最大限度地提高现有道路的利用率。智能交通系统也就应运而生了。 智能交通系统 ( 工 t s )是为了改善交通系统的运行情况，提高交通效率及安全 1性，减少交通事故，降低环境污染，综合运用先进的信息通信、网络、自 动控制、 交通工程等技术， 建立起来的一个智能、 安全、 便捷、 高效、 环保的综合交通体系。 智能交通有许多分支，如交通信息服务系统、城市公共交通系统、自 动车辆驾 驶系统、自 动收费系统、物流系统等。智能信号灯控制是其中的一个重要分支，是 城市交通控制和疏导的主要手段。平面交叉路口是道路的基本组成部分，是最容易 发生交通堵塞的区域，因此交叉路口通行能力的优化是解决城市交通问题的重要环 节，交通信号灯又是交叉路口必不可少的交通控制手段。对于传统的信号灯控制系 统，控制周期固定，不能根据实际的交通流状况随时调整各方向上信号灯的时间， 从而经常造成很多不必要的时间等待和资源浪费。这是现今交通问题日趋严重的原 因之一。智能交通自 适应信号灯控制系统则可以根据各方向上检测到的车流量信 息， 实时调整控制周期， 对交通流实行合理的引导和控制， 以缓解或防止交通拥挤、 减少尾气排放和噪声污染及能源消耗、缩短出行延时。 1 . 1 .2 智能信号灯控制系统发展现状 在智能交通信号控制系统的研究方面，欧洲及日 本起步较早，上世纪九十年代 在美国才逐渐受到重视，并得到突飞猛进的发展。九十年代初，我国的一些高校和 交通研究机构开始了城市交通诱导系统技术的研究，主要借鉴了英美和澳大利亚等 华北电力大学硕士学位论文 第一章 绪论 1 . 1 智能交通 1 . 1 . 1 道路现状和智能交通 交通不仅是城市经济的命脉，而且对人民生活有着直接的影响。交通的发展与 国民 经济的发达程度密切相关，但又反作用于国民经济，影响着国民经济的发展。 近年来， 随着汽车数量的猛增， 我国大中型城市的城市交通， 正面临着严峻的考验。 北京的机动车保有量己突破2 0 0 万，日常的交通堵塞成为人们司空见惯而又不得不 忍受的问 题。 许多城市采取了延长道路、 加宽路面、 建高架桥等措施， 收效虽明显， 但资源毕竟有限，不可能依靠这种方法从根本_ l 解决交通问题。因此，不仅需要加 强基础设施的建设，更需要充分利用高科技手段加强城市交通的智能管理与优化控 制，最大限度地提高现有道路的利用率。智能交通系统也就应运而生了。 智能交通系统 ( 工 t s )是为了改善交通系统的运行情况，提高交通效率及安全 1性，减少交通事故，降低环境污染，综合运用先进的信息通信、网络、自 动控制、 交通工程等技术， 建立起来的一个智能、 安全、 便捷、 高效、 环保的综合交通体系。 智能交通有许多分支，如交通信息服务系统、城市公共交通系统、自 动车辆驾 驶系统、自 动收费系统、物流系统等。智能信号灯控制是其中的一个重要分支，是 城市交通控制和疏导的主要手段。平面交叉路口是道路的基本组成部分，是最容易 发生交通堵塞的区域，因此交叉路口通行能力的优化是解决城市交通问题的重要环 节，交通信号灯又是交叉路口必不可少的交通控制手段。对于传统的信号灯控制系 统，控制周期固定，不能根据实际的交通流状况随时调整各方向上信号灯的时间， 从而经常造成很多不必要的时间等待和资源浪费。这是现今交通问题日趋严重的原 因之一。智能交通自 适应信号灯控制系统则可以根据各方向上检测到的车流量信 息， 实时调整控制周期， 对交通流实行合理的引导和控制， 以缓解或防止交通拥挤、 减少尾气排放和噪声污染及能源消耗、缩短出行延时。 1 . 1 .2 智能信号灯控制系统发展现状 在智能交通信号控制系统的研究方面，欧洲及日 本起步较早，上世纪九十年代 在美国才逐渐受到重视，并得到突飞猛进的发展。九十年代初，我国的一些高校和 交通研究机构开始了城市交通诱导系统技术的研究，主要借鉴了英美和澳大利亚等 华北电力大学硕士学位论文 国的先进控制系统，如著名的t r a n s y t , s c o o t , s c a t s 等，并在北京、上海、南京 等城市进行试点。与此同时，北京、上海、沈p h 等城市也先后从英国和澳大利亚引 进了s c o o t 和s c a , . s 系统。这些研究和实践开拓了我国交通研究的新领域，取得了 一定的实际效果，在一定程度上缓和了当地的交通紧张矛盾。但由于我国城市交通 流特性、道路条件和市民交通法规意识等方面与发达国家存在很大差异，也就难以 充分发挥这些控制系统的作用。因此， 结合我国城市道路交通的实际情况，开发真 正适合我们自身特点的智能信号灯控制系统是当前的主要任务。 目前，由于道路状况及其他客观因素的存在，我国普遍应用的信号灯控制系统 仍是定时信号控制，即按事先设定的配时方案运行。它又细分为两种:一种是一天 只用一个配时方案;另一种是根据对路口交通情况的历史积累，制定儿套方案，一 天内不同时间段应用相应的配时方案。 这种定时信号控制方法，在很大程度上存在 着不能根据实际情况控制信号的问题， 经常发生一个方向 上已 没有车辆通过，却占 用绿灯时间，而其他方向上出现车辆排队的情况。这样不仅会造成汽车燃油燃烧不 充分， 从而耗费能源和污染环境， 而且容易造成交通堵塞， 还会占用行车人的时间， 容易增加司机的烦躁情绪，发生闯红灯行为。因此，应尽量加快智能交通信号灯控 制系统的开发和普及应用。 1 .2 模糊控制 自动控制理论的发展主要经历了经典控制理论和现代控制理论两个阶段。经典 控制理论用于单输入单输出的定长线性系统控制的分析与设计。现代控制理论主要 用来研究多变量系统的优化控制问 题，由于它是基于系统的状态反馈控制，因而可 以解决前一代经典控制无法解决的非线性系统的一些问题。尽管在处理实际问 题时 传统的控制方法获得了不同程度的成功，但它们都要求必须知道被控对象的数学模 型。然而实际中常出现许多复杂情况，如工业被控对象具有非线性、时变性、变结 构、多层次、多干扰等不确定性，因而难以建立精确的数学模型。即使对一些复杂 对象能建立数学模型， 模型也往往过于复杂，既不利于设计也难以实现有效控制。 在实际工作中，有经验的操作者却可以对一些难以建立模型的被控对象进行有 效控制。这主要是通过积累应对各种可能发生情况的经验实现的。作为经_r ， 这些 信息通常是以自 然语言的形式表达出来的，所以具有不确定性和不精确性。这种特 性使得人们无法用现有的定量控制理论对其进行处理，但却能根据这些信a 建立一 组控制规则，即一组用语言信息表达的具有模糊性的控制规则，对被控对象进行控 制。模糊控制系统就是以这些模糊规则组成的知识库为核心，以模糊集合论、模糊 语言变量以及模糊逻辑推理为基础的一种计算机控制方法，是智能控制的主要方法 之一。模糊控制器是人们根据模糊集合理论设计的、能够模仿操作人员手动控制作 2 华北电力大学硕士学位论文 国的先进控制系统，如著名的t r a n s y t , s c o o t , s c a t s 等，并在北京、上海、南京 等城市进行试点。与此同时，北京、上海、沈p h 等城市也先后从英国和澳大利亚引 进了s c o o t 和s c a , . s 系统。这些研究和实践开拓了我国交通研究的新领域，取得了 一定的实际效果，在一定程度上缓和了当地的交通紧张矛盾。但由于我国城市交通 流特性、道路条件和市民交通法规意识等方面与发达国家存在很大差异，也就难以 充分发挥这些控制系统的作用。因此， 结合我国城市道路交通的实际情况，开发真 正适合我们自身特点的智能信号灯控制系统是当前的主要任务。 目前，由于道路状况及其他客观因素的存在，我国普遍应用的信号灯控制系统 仍是定时信号控制，即按事先设定的配时方案运行。它又细分为两种:一种是一天 只用一个配时方案;另一种是根据对路口交通情况的历史积累，制定儿套方案，一 天内不同时间段应用相应的配时方案。 这种定时信号控制方法，在很大程度上存在 着不能根据实际情况控制信号的问题， 经常发生一个方向 上已 没有车辆通过，却占 用绿灯时间，而其他方向上出现车辆排队的情况。这样不仅会造成汽车燃油燃烧不 充分， 从而耗费能源和污染环境， 而且容易造成交通堵塞， 还会占用行车人的时间， 容易增加司机的烦躁情绪，发生闯红灯行为。因此，应尽量加快智能交通信号灯控 制系统的开发和普及应用。 1 .2 模糊控制 自动控制理论的发展主要经历了经典控制理论和现代控制理论两个阶段。经典 控制理论用于单输入单输出的定长线性系统控制的分析与设计。现代控制理论主要 用来研究多变量系统的优化控制问 题，由于它是基于系统的状态反馈控制，因而可 以解决前一代经典控制无法解决的非线性系统的一些问题。尽管在处理实际问 题时 传统的控制方法获得了不同程度的成功，但它们都要求必须知道被控对象的数学模 型。然而实际中常出现许多复杂情况，如工业被控对象具有非线性、时变性、变结 构、多层次、多干扰等不确定性，因而难以建立精确的数学模型。即使对一些复杂 对象能建立数学模型， 模型也往往过于复杂，既不利于设计也难以实现有效控制。 在实际工作中，有经验的操作者却可以对一些难以建立模型的被控对象进行有 效控制。这主要是通过积累应对各种可能发生情况的经验实现的。作为经_r ， 这些 信息通常是以自 然语言的形式表达出来的，所以具有不确定性和不精确性。这种特 性使得人们无法用现有的定量控制理论对其进行处理，但却能根据这些信a 建立一 组控制规则，即一组用语言信息表达的具有模糊性的控制规则，对被控对象进行控 制。模糊控制系统就是以这些模糊规则组成的知识库为核心，以模糊集合论、模糊 语言变量以及模糊逻辑推理为基础的一种计算机控制方法，是智能控制的主要方法 之一。模糊控制器是人们根据模糊集合理论设计的、能够模仿操作人员手动控制作 2 华北电力大学硕士学位论文 用的控制器。模糊控制器不要求知道受控对象的数学模型，只需要对受控对象特性 有充分的理解，并以知识模型的形式表达出来，因而具有广阔的应用前景。正是由 于模糊控制的这些特点十分符合交通流控制，因此本文将模糊控制技术引入到智能 交通自适应信号灯控制系统的研究与应用中. 1 .2 . 1传统模糊控制实现方法 传统的模糊控制器实现方法主要有两种:一种是在通用处理器上实现模糊算 法，另一种是直接利用模糊控制专用处理器。 通用处理器可以是 p c机或微处理器等，现在使用最多的是利用单片机实现模 糊算法。利用单片机特定的算法可以直接进行模糊化及反模糊化，因而在家电智能 控制领域己经获得了相当成熟的应用。由于单片机容量有限，在实现稍复杂系统时 必须外接设备，这必然增加电路的复杂性及不稳定性，单片机的串行工作方式也使 得它进行复杂运算时实时性较差。 模糊逻辑集成电路较之通用处理器来说，速度具有绝对优势。1 9 8 5年在美国 a t 二是t r a n s y t 的优化问题本质上是一个非凸的数学规划问题，如何找出全局最优解理论上还没有 彻底解决，仍需不断探索;三是作为一种离线优化方法，t r a n s y t需要大量的网络 几何尺寸和交通流信息，需要大量的人力和时间来采集数据。 s c a t s ( s y d n e y c o o r d i n a t e d a d a p t i v e t r a f f i c s y s t e m )系统是由澳大利亚 新南威尔士道路和交通局于2 0 世纪7 0 年代末研制成功的，它属于响应式联机操作 系统，从 1 9 8 0年起陆续在悉尼等城市安装使用。 它把信号周期、绿信比和相位差 作为各自 独立的参数分别进行优选， 优选算法以饱和度和综合流量为主要依据。优 化过程没有利用数学模型，而是在各种预定的方案中进行优选， 方法简单，但配时 方案的数量有限。 s c o o t系统是 2 。世纪 7 0年代初英国运输和道路研究所与 3家公司联合在 t r a n s y t 基础上研制出的一种自 适应控制系统。 该系统于 1 9 7 5 年在英国哥拉斯哥进 华北电力大学硕士学位论文 第二章 交通信号自适应控制系统的理论基础 2 . 1 交通信号灯控制的基础理论 2 . 1 . 1 交通信号控制系统发展简介 世界上最早的信号灯出 现在 1 8 6 8 年英国伦敦 w e s t m i n s t e r 街口，它具有红绿 两种颜色。1 9 1 8年，在纽约街头出 现了手动操作的三色信号灯。1 9 2 6年在英国的 w o l v e r h a m p t o n 又出现了 第一座自 动交通信号机。 从上世纪6 0 年代开始， 世界各国 开始研究控制范围较大的信号联动协调控制系统，以解决信号配时的优化问题。 在 众多的交通信号控制 系统中，比 较成功的 有t r a n s y t , s c o o t , s c a t s , r h o d e s 等。 t r a n s y t系统是当今世界上最负盛名的信号配时优化设计程序。最初版本是由 英国道路运输研究所 ( t r r l ) 于 1 9 6 8 年研制成功。 t r a n s y t 是一种脱机操作的定时 控制系统，主要由仿真模型和优化模型两部分组成。建立交通仿真模型的目的是用 数学方法模拟车流在交通网络上的运行状况，研究配时参数的改变对交通流的影 响，以便客观的评价任意一组配时方案的优劣。将交通流信息和初始配时参数作为 原始数据，通过仿真得到系统的性能指标作为配时的优化目 标函数，用 “ 爬上法” 进行优化， 产生比初始配时更优越的新配时方案， 再把新的信号配时输入到仿真部 分，反复迭代，最后得到性能指标值达到最小的信号配时方案。经过 3 0多年的不 断发展，己成为区域交通控制方案优化设计的强有力工具，因而被世界许多城市使 用。实践证明，使用该系统带来的社会经济效益是很显著的。 t r a n s y t也存在不足 之处: 一是t r a n s y t 的计算量太大， 当网络较大时， 这一问题更加突出; 二是t r a n s y t 的优化问题本质上是一个非凸的数学规划问题，如何找出全局最优解理论上还没有 彻底解决，仍需不断探索;三是作为一种离线优化方法，t r a n s y t需要大量的网络 几何尺寸和交通流信息，需要大量的人力和时间来采集数据。 s c a t s ( s y d n e y c o o r d i n a t e d a d a p t i v e t r a f f i c s y s t e m )系统是由澳大利亚 新南威尔士道路和交通局于2 0 世纪7 0 年代末研制成功的，它属于响应式联机操作 系统，从 1 9 8 0年起陆续在悉尼等城市安装使用。 它把信号周期、绿信比和相位差 作为各自 独立的参数分别进行优选， 优选算法以饱和度和综合流量为主要依据。优 化过程没有利用数学模型，而是在各种预定的方案中进行优选， 方法简单，但配时 方案的数量有限。 s c o o t系统是 2 。世纪 7 0年代初英国运输和道路研究所与 3家公司联合在 t r a n s y t 基础上研制出的一种自 适应控制系统。 该系统于 1 9 7 5 年在英国哥拉斯哥进 华北电力大学硕士学位论文 行现场试验，取得了较好的效果，与t r a r s y t 相比， 可减少 1 2 %的平均车辆延误时 间o s c o o t是一种对交通信号网实行实时协调控制的自 适应控制系统，采用小步长 渐进寻优方法，无需过大的计算量。在优化过程中，配时参数随着交通需求的改变 而作频繁的适量调整，通过频繁调整的连续累计来适应一段时间内交通的变化趋 势，在避免因配时突变引起车流不稳定的同时，大大简化了优化算法，从而可以实 现实时运算的自适应控制。 r h o d e s 系统是由 美国亚利桑那州立大学近年来开发成功的，它充分利用通信， 控制、系统工程、运筹学和数值计算等方面的最新技术，通过预测模型预先获得交 通流的必要信息，并对其提前做出有效的响应，经过现场测试证明该系统对半拥挤 的交通网络比较有效。交通系统是一个大的延迟系统，要实时响应交通流的随机变 化，必须提前知道其变化并及时作出响应。 信号灯给出的信号为红黄绿三色。世界各国对交通信号灯的各种灯色含义都有 明确规定，其规则基 本相同。我国现使用的规则是 1 9 8 8 年 3月颁布的 中华人民 共和国道路交通管理条例 。具体规定如下: ( 1 )绿灯亮时，准许车辆、行人通行; ( 2 )黄灯亮时，不准车辆、行人通行，但己 越过停止线的车辆和进入人行横 道的行人可以继续通行; ( 3 )红灯亮时，不准车辆、行人通行; ( 4 )绿色箭头灯亮时，准许车辆按照箭头所示方向通行; ( j )黄灯闪烁时，车辆、行人须在确保安全的原则下通行。 对人行横道信号灯有如下规定: ( i )绿灯亮时，准许行人通过人行横道; ( 2 )绿灯闪烁时，不准行人进入人行横道，但已进入人行横道的，可以继续 通行; ( 3 )红灯亮时，不准行人进入人行横道。 2 j .2交通信号控制的基本参数 i 、步与步长 当进行交通信号灯控制时，这些灯色中的某些将被点亮。某一时刻，灯控路口 各个方向各信号灯状态所组成的一组确定的灯色状态称为步，不同的灯色状态构成 不同的步。步持续的时间称为步长。一般地，步长的最小单位为 i s . 2 、周期 用于指挥交通的信号总是一步一步循环变化的，一个循环由有限个步构成。一 个循环内各步步长之和称为信号周期，简称周期。 7 华北电力大学硕士学位论文 行现场试验，取得了较好的效果，与t r a r s y t 相比， 可减少 1 2 %的平均车辆延误时 间o s c o o t是一种对交通信号网实行实时协调控制的自 适应控制系统，采用小步长 渐进寻优方法，无需过大的计算量。在优化过程中，配时参数随着交通需求的改变 而作频繁的适量调整，通过频繁调整的连续累计来适应一段时间内交通的变化趋 势，在避免因配时突变引起车流不稳定的同时，大大简化了优化算法，从而可以实 现实时运算的自适应控制。 r h o d e s 系统是由 美国亚利桑那州立大学近年来开发成功的，它充分利用通信， 控制、系统工程、运筹学和数值计算等方面的最新技术，通过预测模型预先获得交 通流的必要信息，并对其提前做出有效的响应，经过现场测试证明该系统对半拥挤 的交通网络比较有效。交通系统是一个大的延迟系统，要实时响应交通流的随机变 化，必须提前知道其变化并及时作出响应。 信号灯给出的信号为红黄绿三色。世界各国对交通信号灯的各种灯色含义都有 明确规定，其规则基 本相同。我国现使用的规则是 1 9 8 8 年 3月颁布的 中华人民 共和国道路交通管理条例 。具体规定如下: ( 1 )绿灯亮时，准许车辆、行人通行; ( 2 )黄灯亮时，不准车辆、行人通行，但己 越过停止线的车辆和进入人行横 道的行人可以继续通行; ( 3 )红灯亮时，不准车辆、行人通行; ( 4 )绿色箭头灯亮时，准许车辆按照箭头所示方向通行; ( j )黄灯闪烁时，车辆、行人须在确保安全的原则下通行。 对人行横道信号灯有如下规定: ( i )绿灯亮时，准许行人通过人行横道; ( 2 )绿灯闪烁时，不准行人进入人行横道，但已进入人行横道的，可以继续 通行; ( 3 )红灯亮时，不准行人进入人行横道。 2 j .2交通信号控制的基本参数 i 、步与步长 当进行交通信号灯控制时，这些灯色中的某些将被点亮。某一时刻，灯控路口 各个方向各信号灯状态所组成的一组确定的灯色状态称为步，不同的灯色状态构成 不同的步。步持续的时间称为步长。一般地，步长的最小单位为 i s . 2 、周期 用于指挥交通的信号总是一步一步循环变化的，一个循环由有限个步构成。一 个循环内各步步长之和称为信号周期，简称周期。 7 华北电力大学硕士学位论文 3 、相位 在一个周期内，平面交叉口上某一方向或几个方向的交通流所获得的通行权称 为相位，一个周期内有几个信号相位，就称该信号系统为几相位系统。 4 、排队长度 某一相位红灯期间等待在停止线前的车辆数称为排队长度。 5 、绿信 比 绿信比是一个信号相位的有效绿灯时长与周期时长之比，一般用 入表示。 人=g e / c 式中:x 一一绿信比;c 一一周期时长;g e 一一有效绿灯时长 2 . 1 . 3城市道路平面交叉路口的类型 在城市道路中有大量的平面交叉路口，它们是交通流的汇集点和分流点。正是 由于这些交叉路口的存在，才形成了四通八达的交通网络，而平面交叉路口又往往 是事故高发地带。按照交叉口的形状，一般可分为十字形、x形、t形、y形和多 交叉形，如图 2 -1 所示。 卜 r j /j 试 /、 字形交叉口 丫 刘少 少_ 丫 形交叉口 多跳形交叉口 图 2 -1平面交叉口的形状 各类交叉口中， t 形路口和y 形路口的通行效率不高， 多交叉形路口 交通组织复 杂，所以应尽量避免使用。平面十字交叉路口为主要的实用类型。 2 . 1 .4交通信号的控制类型 1 、从空间关系上可将交通信号控制划分为点控、线控和面控。 点控:对城市道路平面交叉口的交通信号进行独立控制，不考虑与相邻路口的 华北电力大学硕士学位论文 3 、相位 在一个周期内，平面交叉口上某一方向或几个方向的交通流所获得的通行权称 为相位，一个周期内有几个信号相位，就称该信号系统为几相位系统。 4 、排队长度 某一相位红灯期间等待在停止线前的车辆数称为排队长度。 5 、绿信 比 绿信比是一个信号相位的有效绿灯时长与周期时长之比，一般用 入表示。 人=g e / c 式中:x 一一绿信比;c 一一周期时长;g e 一一有效绿灯时长 2 . 1 . 3城市道路平面交叉路口的类型 在城市道路中有大量的平面交叉路口，它们是交通流的汇集点和分流点。正是 由于这些交叉路口的存在，才形成了四通八达的交通网络，而平面交叉路口又往往 是事故高发地带。按照交叉口的形状，一般可分为十字形、x形、t形、y形和多 交叉形，如图 2 -1 所示。 卜 r j /j 试 /、 字形交叉口 丫 刘少 少_ 丫 形交叉口 多跳形交叉口 图 2 -1平面交叉口的形状 各类交叉口中， t 形路口和y 形路口的通行效率不高， 多交叉形路口 交通组织复 杂，所以应尽量避免使用。平面十字交叉路口为主要的实用类型。 2 . 1 .4交通信号的控制类型 1 、从空间关系上可将交通信号控制划分为点控、线控和面控。 点控:对城市道路平面交叉口的交通信号进行独立控制，不考虑与相邻路口的 华北电力大学硕士学位论文 3 、相位 在一个周期内，平面交叉口上某一方向或几个方向的交通流所获得的通行权称 为相位，一个周期内有几个信号相位，就称该信号系统为几相位系统。 4 、排队长度 某一相位红灯期间等待在停止线前的车辆数称为排队长度。 5 、绿信 比 绿信比是一个信号相位的有效绿灯时长与周期时长之比，一般用 入表示。 人=g e / c 式中:x 一一绿信比;c 一一周期时长;g e 一一有效绿灯时长 2 . 1 . 3城市道路平面交叉路口的类型 在城市道路中有大量的平面交叉路口，它们是交通流的汇集点和分流点。正是 由于这些交叉路口的存在，才形成了四通八达的交通网络，而平面交叉路口又往往 是事故高发地带。按照交叉口的形状，一般可分为十字形、x形、t形、y形和多 交叉形，如图 2 -1 所示。 卜 r j /j 试 /、 字形交叉口 丫 刘少 少_ 丫 形交叉口 多跳形交叉口 图 2 -1平面交叉口的形状 各类交叉口中， t 形路口和y 形路口的通行效率不高， 多交叉形路口 交通组织复 杂，所以应尽量避免使用。平面十字交叉路口为主要的实用类型。 2 . 1 .4交通信号的控制类型 1 、从空间关系上可将交通信号控制划分为点控、线控和面控。 点控:对城市道路平面交叉口的交通信号进行独立控制，不考虑与相邻路口的 华北电 力大学硕士学位论文 协调关系，控制目的是尽可能减少该路口的行车延误。 线控:对含有多个平面交叉口的城市交通干线进行信号控制，各路口的控制方 案相互协调，使得进入干线的车队按某一车速行驶时尽量少遇红灯。 面控:对城市某个区域内一个以上的平面交叉口进行信号控制，控制方案相互 协调，使得在该区域内某种指标，如总的停车数、所需时间、耗油量等最小。 z 、从控制原理上可将交通信号控制划分为定时控制、感应控制和自 适应控制。 定时控制:交.通信号按事先设定的配时方案运行，配时的依据是交通量的历史 数据。一天内只用一个配时方案的称为单时段定时控制，一天内不同时段选用不同 配时方案的称为多时段定时控制。 感应控制:某相位的绿时根据车流量的变化而改变，其车流量由安装在平面交 叉口的各种车辆监测器测量。 自适应控制:连续测量交通流，将其与希望的动态特性进行比较，利用差值以 改变系统的可调参数或产生一个控制，从而保证不论环境如何变化，均可使控制效 果达到最优。 一方面，当前智能控制已成为交通信号控制发展的一个必然方向;另一方面， 线控和面控的基础都是单交叉路口，如果单交叉路口得不到有效控制，干线或整个 区域也无法提高通行效率。本文就以城市道路平面单交叉路口为对象，进行交通信 号智能控制方面的研究和设计。 2 . 1 . 5交通流信息的检测方法 要实现交通信号的智能控制，必须首先获取各个相位上实时的交通流信息，这 就需要依赖交通流量检测技术和图像识别技术。随着信息技术的长足进步，交通流 检测技术得到了迅速的发展。交通量检测器有很多种类，如:线圈检测器、超声波 检测器、磁感应式检a ll 器、光辐射式检测器、雷达检测器、视频检测器等。由于图 像处理技术的不断发展和完善，下面就着重介绍视频检测方法。 基于图像识别技术的交通参数视频检测方法是一种非接触式的检测方法，它利 用数字图像识别技术。对用高速摄像机拍摄的交通现场画面进行处理，获得被检测 车道上的车型、车速、车流量等交通参数，为交通控制和管理提供准确的交通流数 据， 从而更有效地进行交通控制和管理。它具有安装工程量小、维修方便、检测范 围大、系统可靠性高、可重现现场等优点，是一种很有应用前景的方法。 目前己有不少视频检测产品，按工作原理可分为虚拟线圈法和车辆跟踪法，可 根据对交通流参数的不同要求选择适当的检测手段。 早期大部分视频检测技术采用的是虚拟线圈法，工作原理类似于地埋式线圈检 测器。用户在图像上定义检测线位置，系统通过计算检测线变化强度来判断车辆的 s 华北电 力大学硕士学位论文 协调关系，控制目的是尽可能减少该路口的行车延误。 线控:对含有多个平面交叉口的城市交通干线进行信号控制，各路口的控制方 案相互协调，使得进入干线的车队按某一车速行驶时尽量少遇红灯。 面控:对城市某个区域内一个以上的平面交叉口进行信号控制，控制方案相互 协调，使得在该区域内某种指标，如总的停车数、所需时间、耗油量等最小。 z 、从控制原理上可将交通信号控制划分为定时控制、感应控制和自 适应控制。 定时控制:交.通信号按事先设定的配时方案运行，配时的依据是交通量的历史 数据。一天内只用一个配时方案的称为单时段定时控制，一天内不同时段选用不同 配时方案的称为多时段定时控制。 感应控制:某相位的绿时根据车流量的变化而改变，其车流量由安装在平面交 叉口的各种车辆监测器测量。 自适应控制:连续测量交通流，将其与希望的动态特性进行比较，利用差值以 改变系统的可调参数或产生一个控制，从而保证不论环境如何变化，均可使控制效 果达到最优。 一方面，当前智能控制已成为交通信号控制发展的一个必然方向;另一方面， 线控和面控的基础都是单交叉路口，如果单交叉路口得不到有效控制，干线或整个 区域也无法提高通行效率。本文就以城市道路平面单交叉路口为对象，进行交通信 号智能控制方面的研究和设计。 2 . 1 . 5交通流信息的检测方法 要实现交通信号的智能控制，必须首先获取各个相位上实时的交通流信息，这 就需要依赖交通流量检测技术和图像识别技术。随着信息技术的长足进步，交通流 检测技术得到了迅速的发展。交通量检测器有很多种类，如:线圈检测器、超声波 检测器、磁感应式检a ll 器、光辐射式检测器、雷达检测器、视频检测器等。由于图 像处理技术的不断发展和完善，下面就着重介绍视频检测方法。 基于图像识别技术的交通参数视频检测方法是一种非接触式的检测方法，它利 用数字图像识别技术。对用高速摄像机拍摄的交通现场画面进行处理，获得被检测 车道上的车型、车速、车流量等交通参数，为交通控制和管理提供准确的交通流数 据， 从而更有效地进行交通控制和管理。它具有安装工程量小、维修方便、检测范 围大、系统可靠性高、可重现现场等优点，是一种很有应用前景的方法。 目前己有不少视频检测产品，按工作原理可分为虚拟线圈法和车辆跟踪法，可 根据对交通流参数的不同要求选择适当的检测手段。 早期大部分视频检测技术采用的是虚拟线圈法，工作原理类似于地埋式线圈检 测器。用户在图像上定义检测线位置，系统通过计算检测线变化强度来判断车辆的 s 华北电力大学硕士学位论文 经过，从而计算交通参数。该方法的优点是数据处理时间较短，可在满足实时性要 求的前提- f 完成流量和速度的检测。但丢失了车辆长度、运动轨迹等特征，不能充 分利用图像信息。 车辆跟踪法是通过识别出交通场景图像中符合车辆特征的象素，进行图像分 割，并依据提取出的特征来匹配前后帧中的车辆，从而计算交通参数。理论上车辆 跟踪法比虚拟线圈法更为严谨，可获得更多、更全面的车流信息，但该方法在提取 特征、跟踪特征上具有一定的难