（交通信息工程及控制专业论文）基于CPLD的多相位交通信号控制器设计.pdf

摘要 现代城市交通日益拥挤，给人们的生活带来了诸多不便，而平面交叉路口则是造成 交通堵塞的主要“瓶颈 。交通控制器的好坏直接关系到交通路口的状况，所以它一直 是提高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缺憾和不足。 针对这些情况本课题设计了一种基于c p l d 的多相位交通控制信号控制器。 本论文从研究城市交通控制理论开始，分析了交通十字路口的车流量特点，认为多 相位的交通信号控制器更能适应我国的交通状况。通过查阅国内外关于交通信号控制研 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，比较了传统控制器实 现方法的优劣，在已有成果的基础上，本论文设计了这种基于c p l d 的新型的多相位交 通信号控制器。本设计分为硬件部分和软件部分，硬件部分为主控制器设计、人机接口 设计及串行通讯接口设计。软件部分主要是用v h d l 编程语言编写程序以实现预期功 能。针对交通信号控制器对稳定性的要求高，本文分析了数字系统的抗干扰特性，并进 一步探讨了如何减少干扰，从而使系统更加的稳定。对所设计的控制系统，完成了软件 设计，并利用t e s t b e n c h 及实验板完成系统的综合测试和验证，经验证系统达到了预期 功能。 关键字：交通工程，交通信号控制器，多相位，c p l d ，v h d l 语言 a b s t r a c t m o d e mu r b a nt r a f f i cg r o w i n g c o n g e s t i o nd a yb yd a yw h i c hb r i n g sal o to fi n c o n v e n i e n c e f o rp e o p l e sl i f e ，t h ec r o s s r o a di st h em a i nc a u s eo ft r a f f i cj a m t r a f f i cc o n t r o l l e r sh a v et h e d i r e c ti m p a c to nt h es i t u a t i o no ft r a f f i cj u n c t i o n s ，s oi tm e a n si m p o r t a n tf o r t h ec i t y st r a f f i c s i t u a t i o n si m p r o v i n g t h et r a d i t i o n a lt r a f f i cs i g n a lc o n t r o l l e rw h i c hc a ns o l v et h et r a f f i c p r o b l e m t os o m ee x t e n t ，b u ti nv i e wo ft h es t a t u so fc h i n a su r b a nt r a f f i c ，t h e r ea r es t i l ls o m e d e f i c i e n c i e sa n ds h o r t c o m i n g si nt h e s es y s t e m s s ot h es u b j e c to ft h i sp a p e ri sm u l t i - p h a s e t r a f f i cc o n t r o i l e rb a s e do nc p l d t h i sp a p e rs t u d i e dt h eu r b a nt r a f f i cc o n t r o lt h e o r ya n da n a l y z e dt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h e t r a f f i cf l o wi nt h ec r o s s r o a d ，i tw a sf o u n dt h a tt h et r a f f i cs i t u a t i o ni nc h i n aw a sa d a p t e db e t t e r b yt h em u l t i p h a s et r a f f i cs i g n a lc o n t r o l l e r s t h r o u g ht h es t u d yo ft h ei n f o r m a t i o no ft h e t r a f f i cs i g n a lc o n t r o lf r o mt h eh o m ea n da b r o a d ，a n dr e s e a r c ht h et r a f f i cs i g n a lc o n t r o ls y s t e m o nt h ec o m p o s i t i o n ，f u n c t i o na n dm e t h o do fc o n t r o l ，t h ep a p e rr e s e a r c han e w t y p eo f m u l t i p h a s et r a f f i cs i g n a lc o n t r o l l e r t h e r ea r et w op a r t si nt h es y s t e m ，h a r d w a r ea n ds o f t w a r e ， t h em a i nc o n t r o l l e r ，h u m a n - c o m p u t e ri n t e r f a c ea n ds e r i a lc o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c ec o m p o s e t h eh a r d w a r e t h em a j o ro fs o f t w a r ei su s e dv h d l l a n g u a g ep r o g r a m m i n gt oa c h i e v et h e d e s i r e df u n c t i o n b e c a u s eo ft h es t a b i l i t yr e q u e s to ft h et r a f f i cs i g n a lc o n t r o l l e r , t h ep a p e r s t u d i e dt h ea n t i - j a m m i n gc h a r a c t e r i s t i co fd i g i t a ls y s t e m ，a n de x p l o r e dh o wt or e d u c e i n t e r f e r e n c e ，t h u sm a k i n gt h es y s t e mm o r es t a b l y f i n i s h e dt h es o f t w a r ed e s i g na n dc o m p l e t e t h et e s t i n ga n dc e r t i f i c a t i o nb yt h et e s t b e n c ha n de x p e r i m e n t a ls y s t e m ，a n dg o tt h es a t i s f i e d r e s u l t s k e yw o r d s ：t r a f f i ce n g i n e e r i n g ，t r a f f i cs i g n a lc o n t r o l l e r ，m u l t i p h a s e ，c p l d ，v h d l i i 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 经妫 w 年多月日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 导师签名： 在伪 午木c 寿 扣释乡月日 妇3 年名月日 长安大学硕士学位论文 1 1 课题研究背景和选题意义 第一章绪论 交通问题是当今世界人们普遍关注的重要问题，是经济、社会发展的基础性产业， 是社会、经济活动中人流、物流、资金流和信息流的主要流动方式。现代社会中，如果 没有高效运转的交通运输体系，就不可能有经济的持续发展。然而，随着社会经济的发 展，机动车辆迅速增加，人们在享受汽车带来的巨大便利的同时，越来越被交通拥堵、 交通事故频发、环境污染加剧和原油价格上升等诸多问题所困扰，交通问题所带来的问 题日益影响到人们日常生活与社会经济的发展，研究显示，车辆在一条道路上行驶，在 交叉路口上产生的延误约占全程行车时间的3 1 【1 1 。如何有效的疏导交通，提高交通路 口的通行量，成为了当今交通控制的一大问题。 交通信号控制系统是交通系统的重要组成部分，城市交通日益拥挤，交叉路口是造 成交通堵塞的主要因素，交通信号控制系统的好坏就更加关系到交通路口的状况，所以 它直是提高城市交通水平的重要手段，因此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。实现路口交通信号控制器的方法有很多种，可以用标准逻辑器件、可 编程控制器p l c 、单片机等方案来实现，但这些方案都有一定的缺陷和不足，标准逻辑 器件集成度较低，系统的可靠性低；p l c 实现交通信号控制器成本较高：单片机系统的 开发，其可靠性受开发者的水平影响较大。与此相比，可编程器件的出现为数字系统的 设计带来了很大的灵活性，随着e d a 技术的发展，c p u p g a 的优点越来越明显。 c p l d f p g a 的设计开发采用功能强大的e d a 工具，通过符合国际标准的硬件描述语言 ( 如v h d l 或v e r i l o g ) 进行电子系统设计和产品开发，设计成功的逻辑功能软件有很好的 兼容性和可移植性，开发周期短，易学易用，开发便捷。c p l d 实现的交通信号控制器 可以实现高速、高密度和现场可编程，并且保密性强、体积小、重量轻、可靠性高，设 计开发周期短、设计制造成本低、开发工具先进。 本系统利用c p l d 的优势进行设计，不仅满足了现代社会交通路口的需求，也弥补 了其他设计方法的不足。因此本文选题为基于c p l d 的多相位交通信号控制器设计。 第一章绪论 1 2 城市道路交通系统概况 1 2 1 城市道路交通系统的发展及成果 道路规划和交通管理的概念，古已有之。在2 0 0 0 多年前的周朝时代，已有道路规 划，也有交通管理法规。如“男子由右，妇人由左，车从中央”，并种植行道树，作为 道路导向的标志。秦朝不仅修筑了通向全国的直道网，而且统一了全国的车轨距离，使 造车和修路有了标准。唐朝建都长安，按棋盘形式规划建成城市道路网。 在西方，约公元前4 0 0 年，古罗马修筑了2 9 条以罗马城为中心，辐射到广大地区 的大道。在城市交通方面，采用了单向交通，规定高峰期间在市中心商业大街上不准停 车，限制一般车辆进城等，可说这是交通控制的萌芽。 最早的交通灯出现于1 8 6 8 年英国伦敦，那时的交通灯只有红、绿两色，经改良后， 再增加一盏黄色的灯，红灯表示停止，黄灯表示准备，绿灯则表示通行。交通自动信号 灯的诞生代表着城市道路交通自动控制技术的起源，最早可以追溯到1 9 世纪末2 0 世纪 初。交通指挥灯是一位非裔美国人在1 9 2 3 年发明的。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，标志着城市交通自动控制的开鲥2 1 。 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。早期的交通信 号灯是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。 目前，实际交叉路口中最常用的信号控制方式是定时控制和交通感应控制。定时控 制的信号配时参数以离线的方式确定信号周期和绿信比，然后将信号配时方案写入信号 控制器在线执行。这种控制方式并不能适应实际交通流的动态变化。交通感应控制虽然 在交通流饱和度比较低且各方向交通量相差较大时具有效率更好的控制效果，然而当交 通流饱和度很高且各方向交通量均接近实际通过能力时，其控制效果无异于定时控制【3 1 。 国外学者最先从2 0 世纪6 0 年代开始了对交通信号优化控制技术的理论研究和探 索。其中，w e b s t e r ( 1 9 5 8 ) 和m i l l e r ( 1 9 6 3 ) 分别针对固定周期的信号控制建立了以车辆平 均延误最小为目标的信号配时模型及计算方法【4 1 ，前者的方法仍是今天定时信号控制的 基础。 1 9 6 3 年加拿大多伦多市建立了一套b m 6 5 0 型计算机的集中协调感应控制信号系 2 长安大学硕士学位论文 统，标志着城市道路交通信号进入了一个新的阶段，之后，美国、英国、日本等国家相 继建立了数字电子计算机区域交通控制系统，这种系统一般还配备交通监视系统组成的 交通管制中心。到2 0 世纪8 0 年代初，全世晃建有交通管制中心的城市有3 0 0 多个【引。 随着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。用电子技术在道路系统上传输语言、图像、数据和脉冲等信息的专用通讯系统 以达到疏导交通、节约能源、提高安全、充分利用现有设备的目的，是交通工程一个新 的开拓面。内容包括有车辆控制系统，用以补充驾驶人本能的不足；交通流的控制系统， 从整体上管理和指导交通流。这些可以在行程中进行。今后随着电子技术的进步和推广 将在交通工程中起更大的作用。 从二十世纪九十年代起，智能交通系统( i n t 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 ，简称i t s ) 这一术语得到全世界的广泛承认。在许多欧美国家的早期研究中将其称为i n t e l l i g e n t v e h i c l ea n dh i g h w a ys y s t e m ，即i v h s ，中文为“智能公路一车辆系统”。智能交通系 统是近几年交通管理与控制领域发展最为迅速的方面，并且引起了全世界的高度关注， 投入了空前的人力、物力和财力【倒。国外给出的智能交通系统的定义主要包括四个方面， i t s 是一个跨学科，信息化，系统化的综合研究体系，其主要内容是：将先进的人工智 能技术、自动控制技术、计算机技术、信息与通信技术及电子传感器技术等有效的集成， 并应用于整个地面交通管理系统而建立的一种在大范围内、全方位发挥作用的，实时、 准确、高效的综合交通运输管理系统。 1 2 2 课题国内外的研究现状及发展 据统计研究表明：2 0 世纪因交通事故全世界死亡2 5 8 5 万人，该数字比第一次世界大 战中死亡的人数还多。另外，城市交通拥挤已日趋全球化，我国国内百万人以上的大城 市每年由交通拥塞造成的直接间接经济损失约计1 6 0 0 亿元，相当于国内生产总值的 3 2 1 7 1 ，交通问题所带来的严重危害越来越得到各国的关注，世界范围内对交通控制的 研究越来越重视。 目前，伴随着信息技术的发展，交通控制的概念己从交通管理者的行为改变为交通 管理者和道路使用者共同行为，从而使得交通分配的局部最优向着全局最优发展。在这 一发展过程中，除了各种新型设备的应用以外，数据采集、传输、处理、储存与发送技 术的发展和应用起到了关键作用。新型的监测器，包括使用录像机和进行图像处理，为 3 第一章绪论 人们提供了大量时变的数据。新的通讯技术，包括光纤通讯技术，使人们能迅速地传递 这些数据；而新型计算机应用，则使人们能以2 0 年前仅能梦想的速度进行数据处理与 存储。这些现代化技术与控制理论和现代化科学管理方法相结合，使交通控制系统得以 实现并日益完善。 在国外，英国、澳大利亚、日本和美国等国家均在自己的某些城市建立了道路交通 自动控制系统，其中比较成功的主要有英国运输和道路研究所( t r r l ) 研制的s c o o t 系 统( 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 ) 及澳大利亚悉尼为背景开发的交通自适 应协调系统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 ) 以及日本的京三 ( k y o s a n ) 系统等。在这些系统中，大部分都是在各路i = 1 附近安装有磁性环路监测器，并 由各路口的控制装置或工作人员将交通控制参数通过电话线、电缆、闭路电视线等通讯 网络输入微处理器，用小型计算机进行集中控制。然而，交通系统是一个非线性、随机 性都很强的开放的复杂巨型系统，系统维数太高，加上人的参与，对其进行有效的控制 是一个非常复杂的问题。这也是现有基于方案选择式的s c a t s 和基于方案生成式的 s c o o t 系统难以取得很好效果的原因。所以，必须采用先进的智能控制理论来解决复 杂的交通系统的控制问题。另外，目前己有的系统大多是功能单一的系统，如诱导系统、 普通道路控制系统、高速干道控制系统等，各系统独立运行，各自为政，有时不仅不会 减轻交通拥挤，反而会恶化系统行为。所以，必须考虑各个子系统之间的综合协调，采 用共享数据库和多目标优化的办法加以解决【8 , 9 , 1 0 】。 目前国内己有一些自主开发的城市交通控制系统，如公安部交通科学研究所研制开 发的h t - u t c s 系统，但它在整体性能上比国外同类系统仍有较大差距，只在一些中小 城市得到一些应用。国内城市尤其是大城市引进的交通控制系统大部分为进口的 s c o o t 和s c a t s 以及京三系统等，这些系统皆是建立在机动车为主的道路交通条件基 础之上的被动型控制系统【1 0 l 。由于我国交通流是混合交通流，和国外的交通流大不相同， 因此，国外的这些交通控制系统在国内的使用效果不尽人意，所以迫切需要升发适合我 国国情的、具有我国自主知识产权的能达到国际先进水平的智能交通控制系统。 1 3 本论文主要研究内容及特点 1 3 1 本论文的主要研究内容 综合目前国内外城市交通控制系统的发展现状，结合中国的实际国情，并在已有成 果的基础上，本论文研究了一种新型的多相位交通信号控制器，设计主要分为硬件电路 4 长安大学硕士学位论文 的设计和软件程序的实现。硬件电路的设计分为主控制器设计、人机接口设计及串行通 讯接口设计。软件程序主要是用v h d l 编程语言编写程序以实现预期功能。主要内容 如下： ( 1 ) 深入研究了交通控制理论，对当代交通控制有了深刻的认识。 ( 2 ) 分析了交通十字路口的车流量特点，选取了多相位的交通控制方案。 ( 3 ) 分析了交通信号控制器的特点，设计了系统的硬件电路。 ( 4 ) 由于交通信号控制器对稳定性的要求极高，本文还研究了数字系统的抗干扰特 性，并进一步探讨了如何减少干扰，从而使系统更加的稳定。 ( 5 ) 对所设计的控制系统，使用v h d l 语言完成软件设计，并进行仿真，得到了比 较满意的结果。 ( 6 ) 利用c i c 3 1 0 实验板完成系统的综合测试和验证，证明了系统符合预期要求。 1 3 2 本论文的特点 本文比较了多种交通信号控制器的硬件实现方法，利用c p l d 的优势设计了这个多 相位交通信号控制器，它具备串行通讯功能，为将来的区域控制做了准备。数字化的控 制方式可以减少硬件电路的开销，但最重要也最关键的是其工作时存在的干扰问题，电 磁兼容性( e m c ) 设计是一个复杂的系统工程，从硬件上考虑抗干扰设计是非常必要的， 但想从硬件上完全消除干扰是不可能的，还要从软件上考虑。本设计充分考虑到实际应 用中最为重要，关键的问题之一，就是设计的稳定性。在实际应用中考虑了多方面的干 扰影响，本设计在硬件上和软件上都充分考虑了抗干扰设计，本设计对干扰的解决方法 是优于单片机等其他系统的。 5 长安大学硕士学位论文 第二章城市道路交通控制概论 交通控制就是运用现代化的遥测、遥控、监控、传感、检测装置采集信息，并用电 子设备、光缆、通讯设施、信号系统、电脑及相关软件传送信息、处理信息，从而达到 对动态交通运行中的车辆进行准确地组织、指导、诱导和调控，使其安全通畅的运 行【1 1 】。交通控制的主要对象是机动车及其驾驶员，因此交通控制的任务就是对道路上的 交通流进行合理的引导和控制，以防止或缓和交通拥挤、减少尾气排放和噪声污染及能 源消耗，并及时为车辆上的有关人员及行人提供交通状况信息以增进交通安全。城市的 交通控制就是要在确定的行政规定约束下，采用合适的运作方法来确保公共和私人运输 方式具有最佳的交通条件。一般，当交通量发展到接近停车或让路标志交叉口所能处理 的能力时，才在这种交叉口上加设交通信号控制。由于设有停车或让路标志的交叉口和 采用信号灯控制的交叉口各有利弊，各有其合适的条件，所以，信号灯设的合理、正确 就能够发挥信号的交通效益；设置不当时，非但浪费了设备及安装费用，且对交通还会 造成不良的后果【9 1 。 2 1 城市交通信号系统的分类 城市交通信号系统可以分为以下三类【8 】： 1 、点控系统 这种控制方式是一个个道路交叉口或交通枢纽信号灯各自互不相关的独立系统。目 前，我国大多数城市中的大多数交叉路口采用的控制都属于这种类型。 2 、线控系统 一条道路上，将所有交叉口信号灯的运行以某种方式协调起来，按照既定方案同步 联动，即所谓“线控系统”。在一条较长的道路上有若干个相邻的交叉口，如采用点控 制组织交通，则交叉口的绿信比、周期长度和开绿灯的时刻没有协调，这样必然增加在 该道路上运行的车辆的停车次数。采用线控方式后，往往采用绿波带控制，一般用在主 要干线上，相邻的交叉路口执行相同的信号灯控制周期，放行主干道相位的绿灯开启时 间( 相位差) 错开一定的时间。在这种控制形式下，车辆行驶到第一个路1 3 后等待放行。 绿灯开始以后，车辆以一定的速度( 如4 0 5 0 l 【i i l h ) 行驶到第二个路1 3 也是绿灯，依次继 续下去，以提高车辆的速度和道路通行能力保证主要干道的交通畅通，减少车辆的停车 次数和延误时间。交叉口的次干道在一定程度上服从主干道上的交通。 7 第二章城市道路交通控制概论 3 、面控系统 城市纵横交错的道路网，有很多交叉路口相距很近，将城市的某一地区很多的交叉 路口信号机，由中央控制室统一控制，这种地区集中控制称为面控制。面控方式又称区 域协调控制或在线网络控制，系统的控制对象是城市或某个区域中所有交叉口的交通信 号。面控方式是线控方式的扩展。面控区域一般划分成若干个子区，这里的子区是指用 相同的周期去进行控制的区域。面控系统由中央控制机、子区控制机、路口控制机三级 组成。中央控制机给出每个子区的最佳周期长，各个子区控制机负责相位差和绿信比的 优化计算，路口控制机再做优化调整，总的目标是使得区域内的各个车辆在通过某些路 口时所产生的总损失最小。面控系统适用于城市中若干条干道相互交错环绕的路网结 构，这时若采用线控则不能达到预期效果。 因为车辆通过交叉口的可通车时间仅相当于路段可通车时间的一半还不到，所以交 叉口进口道上每条车道的通行能力不到路段通行能力的一半，这是平面交叉口成为城市 道路交通网中“大瓶颈 的主要原因。因此，平面交叉口规划设计须使进口道通行能力 与其上游路段通行能力相匹配，是提高整个城市道路网交通效率的决定性因素，这也是 平面交叉口规划设计观念与技术改进的基本出发点。 2 2 平面交叉口交通流控制概述 现代城市交通控制系统不再单单是区域交叉口信号灯控制，而是包括受交叉口信号 灯调节的区域交通系统和城市高速公路交通系统( 国内如上海的内环高架快速路) 。二者 通过出入口匝道耦合在一起，由于城市高速公路交通流和城市区域交通流的差别较大。 对城市区域交通控制主要是通过交叉口信号灯控制，而城市高速公路交通控制主要是入 口匝道控制，对城市交通控制的研究是在这两方面展开。本文主要研究的是平面交叉口 的信号灯控制。 城市道路平面交叉口是制约城市道路通行能力的咽喉，也是城市道路交通事故的多 发点。平面交叉n ( 以- f 简称交叉口) 按交通管制方式的不同，可分为全无控制交叉e l 、 让路控制交叉口、信号( 灯) 控制交叉口、环岛交叉口等几种类型。交叉口是道路网中道 路通行能力的“隘路 和交通事故的“多发源”。国内外城市中的交通阻塞主要发生在 交叉口，造成车流中断，事故增多，延误严重，如日本大城市中的机动车在市中心的旅 行时间约1 3 花在平面交叉口上。同时，交叉口也是交通事故的主要发生源，美国交 通事故约有一半以上发生在交叉口；原联邦德国城市道路上的交通事故约有3 6 发生在 8 长安大学硕十学位论文 交叉口，城市中的交通事故约有6 0 - - 8 0 发生在交叉口及其附近【1 2 】。交叉口这个交 通事故的“多发源 问题不能不引起人们高度关注。科学合理地规划和设计平面交叉口 是城市道路交通畅通与安全的决定因素之一。 2 2 1 交叉路口的交通信号控制基本概念 1 、信号相位 信号相位是用于在周期时间内同时获得相同信号显示的一个或多个交通流的信号 状态的序列。也就是说，信号灯按顺序分配给各个行驶方向的车流以通行权，这个给予 车辆及行人以通行权的时序就是信号相位。确定信号相位方案，是对信号轮流给某些方 向的车辆或行人分配通行权顺序的确定。即相位方案是在一个信号周期内，安排了若干 种控制状态( 每一种控制状态对某些方向的车辆或行人配给通行权) ，并合理地安排了这 些控制状态的显示次序。信号控制机按设定的相位方案，轮流开放不同的信号显示，轮 流对各向车辆和行人给予通行权。把每一种控制状态，即对各进口引道不同方向所显示 的不同灯色的组合，称为一个信号相位。根据交叉口交通流向流量的特征，根据设计需 要，选择适用的相位，并作不同次序的安排，就可形成多种多样的信号相位方案。交叉 路口的交通运行通常是由若干个交通流构成的。例如，交叉路口某一方向的直行机动车 即为一个交通流，左转机动车又是另一个交通流，自行车也是一个交通流，走向某一方 向的行人也可被称为是一个交通流。这样，对于一个十字路口来说，四个方向就可能有 许多个交通流。而每个交通流就对应一个相位。但是，有许多交通流是同时运行的，亦 即它们是遵照同一组信号灯的信号显示而起始和终止运行的。如南面的直行机动车和北 面的直行机动车通常是按照一组相同的信号灯显示同时启动和同时终止其运行的。在这 种情况下，它们就可以被当作同一个相位来看待。这样一个相位就往往包含有若干个交 通流。 2 、周期时长 周期时长是信号灯各种灯色轮流显示一次所需的时间，即各种灯色显示时间之总 和；或是从某主要相位的绿灯启亮开始到下次该绿灯再次启亮之间的一段时间。用c 表 示，单位为秒( s ) 。 周期时长是决定点控制定时信号交通效益的关键控制参数，所以是信号配时设计的 主要对象。 3 、 绿信比【9 】 9 第二章城市道路交通控制概论 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a 表示。 o a = 且( 2 1 ) c 式中：a 绿信比； c 周期时长( s ) ； 有效绿灯时长( s ) 。 4 、 相位差 相位差是应用于系统协调的联动信号中的一个参数。它分为相对相位差和绝对相位 差。相对相位差是指在各路口的周期时间均相同的联动信号系统中，相邻两个交叉路口 协调相位的绿灯起始时间之差，用秒表示。这个相对相位差与周期时间之比叫做相对相 位差比，用百分比表示。绝对相位差是指在联动信号系统中选定一个标准路口，规定该 路口的相位差为零，其他路口相对于标准路口的相位差叫做绝对相位差。 在信号协调系统中，选择正确的相位差对车流的协调和绿波的形成具有重要意义。 两个相邻路口间的相对相位差的测定通常就是将车辆从一个路口行驶到另一个路口的 平均旅行时间加上一个路口清车队时间所得，该清车队时间通常为1 0 秒，即： 0 = t + i o ( 秒)( 2 2 ) 式中：卜相位差或绿灯起步时距 t 平均旅行时间，单位：秒 5 、最小绿灯时f f i j ( g m i n ) 最小绿灯时间是对相位的绿灯显示时间规定的最低限值。其目的是保证交叉路口的 行车安全。当某一相位获得绿灯后，车流离开停止线，如果绿灯时间过短，停止线后面 已经启动并正在加速的车辆会来不及刹车，因而可能酿成事故。 最小绿灯时间一般不应小于5 秒。它应根据交叉路口的特点而定。例如，在某交叉 路口，重型车辆较多，车辆起动、驶离停止线相对来说所需时间比较长：又如，某一路口 的进口引道的路面坡度较大，在这些情况卜，则需要稍一长的最小绿灯时间以保证安全。 6 、车流量系数( y ) 车流量系数即某一路口进口引道的车流量与其饱和流量的比值。它也就是人们通常 所说的y 值由下式得出： y：一qy ( 2 3 ) = 一 l z j ， 1 0 长安大学硕上学位论文 式中：q 车流量： s f 一饱和流量。 当在一个相位中具有多个车流同时运行时，应取各个车流中最大的y 值。当为了释 放左转车流而具有早断和迟启设置时，相位的y 值应是左转车流的y 值加上具有较短绿 灯时间的进口引道的y 值。除非与左转车流在同一进口引道上的直行车流具有更大的y 值，这时，应取后者为相位的y 值。将各个相位的y 值求和即得出整个交又路口的y 值 1 1 3 1 o 车流量系数不但是计算信号配时所使用的重要参数之一，同时也是交叉路口阻塞程 度的一个衡量尺度。 2 2 2 优化信号配时的设计 ：。 1 、信号配时的设计步骤 交叉路口的交通流量的变化是随机的，但是在一个时段内( 例如早高峰时段或平峰 时段等等) ，在大多数的交叉路口，交通流量往往是相对稳定的并且接近一个平均值。 交叉路口的流量如果具备这种条件，我们就可以为它设计出一个优化的信号配时方案， 其步骤为： ( 1 ) 估算交叉路口每个进口引道的车流量和饱和流量。 ( 2 ) 求出每个进口引道的车流量系数，并为每个相位选择y 值( 车流量系数y = 车流 量q 饱和量s ) 。 ( 3 ) 将各个相位的y 值相加得出整个交叉路口的y 值。 ( 4 ) 确定路口的绿灯间隔时间和损失时间l 。 l-nxm+r ( 2 4 ) 其中：n 是相位数，m 是每个相位的平均损失时间，r 为绿灯间隔时间，它通常是不 只一个，且可能不相等。 ( 5 ) 利用最佳周期计算公式计算周期时间： c 。= 等 ( 2 5 ) ( 6 ) 用周期时间减去总损失时间l 得出可利用的有效绿灯时间，并将其按各个y 值 的比率分配给各个相位： 第二章城市道路交通控制概论 g ，。! r _ l ( c 。一l ) y ( 2 6 ) g2 t2 二三- ( co l ) y ( 7 ) 将各个有效绿灯时间g 。、g 。g 。，分别加上一秒从而得出实际绿灯时间。这 个绿灯时间也就是设在信号控制器上的相位绿灯时间。 2 、交通信号配时的调整 随着国民经济的发展，道路交通日益繁忙。无论是交通流量的增长，还是由此而带 来的交通管理部门对交通组织方案的调整，都将使路口原交通信号的配时不适应交通控 制的需要，我们称之为信号配时的“老化”。老化的交通信号配时方案将会使得路口的 信号控制效果下降，引起停车次数增加、车辆排队等绿灯时间加长等等。因此，根据交 通流的变化随时调整交通信号配时方案，是保证信号灯控路口畅通的重要措施。同时也 应指出，根据交通流统计结果计算出的或根据经验所确定的被认为是比较合理的信号配 时方案一旦被使用，频繁地对其进行修改也是不适宜的。否则由于配时参数的频繁更动， 会带来交通流的暂时中断，或交通参与者的一时不适应，而产生路口的交通阻塞。 2 3 交叉口管理的原则 以下介绍对交叉口实施科学管理的五个主要原则。 1 、减少冲突点 交叉口交通安全的根本是减少冲突点，可采用单行线、禁止左转弯、在交通拥挤的 交叉口排除左右转弯等方法。 2 、控制相对速度 可采用严格控制车辆进入交叉口的速度；对于右转弯或左转弯应严格控制其合流 角，以小于3 0 。为佳；必要时可设置一些隔离设施( 如隔离墩或导向岛等) 用以减小合 流角等方法。 3 、重交通流和公共交通优先 重交通流是指较大交通流量的交通流( 干道或主干道上的交通流) 。重交通流通过 交叉口应给予优先权，方法是在轻交通流方向( 支路) 设置让路标志，或延长在重交通 流方向上的绿灯时间。对公共交通也可采取类似优先控制的方式。 4 、分离冲突点和减小冲突区 1 2 长安大学硕士学位论文 交叉口上的交通流是复杂的，各种车辆在合流与分流的过程中所产生的车辆交叉运 动，有的路径太接近甚至重叠，有的偏离过大，导致交叉口上冲突点增多和冲突区扩大， 安全性大大降低。此时，运用分离冲突点和减小冲突区的原则能收到较好效果。如左转 弯时，规定机动车小迂回，而非机动车大迂回；画上自行车左转弯标示线( 有条件时设 置隔离墩) ，防止自行车因急拐弯而加大冲突区；在路口某些部分画上禁止车辆进入的 标示线，限定车辆通行区域；或在交叉口上设置左、右转弯专用线；以及严加禁止交叉 口邻近处( 约至停车线5 0 m 的范围内) 设有公共电、汽车站或允许停车等等，这些都是 分离冲突点和减小冲突区的有效办法。 5 、选取最佳周期，提高绿灯利用率 在有固定周期自动交通信号机的交叉口处，应对各方向的交通流常做调查，根据流 量大小计算最佳周期和绿信比，以提高绿灯利用率，减少车辆在交叉口的延误。其他一 些交叉口交通管理原则，如对不同的交通流采取分离；对机动车和非机动车画出各行其 道的车道线；较多行人横过道路( 超过1 5 m ) 时，在路中央设置安全岛，都是常用且行 之有效的管理原则。 本章小结 本章系统介绍了现在城市道路的交通控制概念及交通控制的原理及方法，主要包 括：城市交通信号系统的分类，平面交叉口交通流控制及交叉口管理的原则。 长安大学硕士学位论文 第三章基于c p l d 的多相位交通信号控制器的工作原理 在交通信号控制系统硬件设计中，控制器是其核心部件，它不仅要完成外部信号的 处理，控制信号的给定，更重要的是完成整个系统的控制策略。而交通信号控制系统中， 实时数据量比较小，也不需要对随机信号或反馈信号进行处理，对数据的处理要求不是 很高，这就不需要控制器中的核心运算器件的功能强，但交通信号控制系统担负着交通 安全的问题，需要具有控制精度高，抗干扰能力强且成本较低等优点，这使得我们必须 挑选合适的控制器来实现。由于c p l d 编程方式简便，自身可以配置很强的数字逻辑功 能及设计成功的逻辑功能软件有很好的兼容性和可移植性，并且抗干扰能力强，因此本 设计将c p l d 复杂可编程逻辑器件作为控制的核心。 3 1c p l d 器件简介 e d a 即电子设计自动化( e l e c t r o n i cd e s i g na u t o m a t i o n ) ，是9 0 年代初从c a d ( 计 算机辅助设计) 、c a m ( 计算机辅助制造) 、c a t ( 计算机辅助测试) 和c a e ( 计算 机辅助工程) 的概念发展而来的。e d a 技术是以计算机为工具，根据硬件描述语言h d l ( h a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e ) 完成的设计文件，自动地完成逻辑编译、化简、分割、 综合及优化、布局布线、仿真以及对于特定目标芯片的适配编译和编程下载等工作。e d a 技术的发展大大推动了可编程逻辑器件的发展。 可编程逻辑器件p l d ( p r o g r a m a b l el o g i cd e v i c e ) 是允许用户编程( 配置) 实现所需 逻辑功能的电路，它与分立元件相比，具有速度快、容量大、功耗小和可靠性高等优点。 由于集成度高，设计方法先进、现场可编程，可以设计各种数字电路，因此，在通信、 数据处理、网络、仪器、工业控制、军事和航空航天等众多领域内得到了广泛应用。p l d 电路早期代表产品是由x l i n x 公司推出的门阵列，称为f p g a ( f i e l dp r o g r a m a b l eg a t e a r r a y ) ，随后a l t e r a 公司推出以并行走线的p l d 产品，称为c p l d ( c o m p l e x p r o g r a m a b l el o g i cd e v i c e ) b 4 , 1 5 】。图3 1 为基于乘积项的p l d 的内部结构示意图。 第三章基于c p l d 的多相位交通控制器的工作原理 t1 ri - tlti 工il t1 ， 0 ，r 忡巴 u 嚼au 旧8 i o 8 轴，6 m t 船o c e l l s 3 6 轴a c r o 娥 8 协伯 r i o j一，l 脚 脚l t 0 1 e1 r1 7 幻3 2 控控 制1 61 9 制 块 - - 块，r 1 ， “u 矗1 6 7 可侣坩竹 l 毒圆c 编 龋b o 程 r i o 8 铀，6连8 协 毫 i ，0 脚 聃叠e r o c e s 3 s 3 8 m 囊c c e l h 脚 控 3 3 如4 b 1 _ 线 _ 7 l 4 9 l d 8 i 控 制 1 81 6 制 块 块 1 ， 一7 “ “1 b 1 8 计讨 8 1 8 v o 嗍 8 协 b i 0 曲 图3 1 基于乘积项的p l d 的内部结构总图 这种p l d 可分为三块结构：宏单) 元；( m a r o c e l l ) ，可编程连线( p i a ) 和i o 控制块。宏 单元是p l d 的基本结构，由它来实现基本的逻辑功能。图中有颜色的部分是多个宏单 元的集合( 因为宏单元较多，没有一一画出) 。可编程连线负责信号传递，连接所有的 宏单元。i o 控制块负责输入输出的电气特性控制，比如可以设定集电极开路输出，三 态输出等。图左上角的i n p u t g c l k l ，i n p u t g c l r n ，i n p u t o e l ，i n p u t o e 2 是 全局时钟，清零和输出使能信号，这几个信号有专用连线与p l d 中每个宏单元相连， 信号到每个宏单元的延时相同并且延时最短。 由于e d a 技术的发展，c p l d f p g a 与其他m c u 相比有许多优点。c p 脚p g a 产品采用先进的j t a g i s p 和在系统配制编程，这种编程方式可轻易地实现红外线编程、 超声编程或无线编程，或通过电话线远程编程，编程方式简便、先进。c p l d f p g a 的 设计开发使用功能强大的e d a 工具，通过v h d l 或v e r i l o g 来进行电子系统设计和产 品开发，在a s i c ，f p g a c p l d 上发挥着越来越重要的作用。开发工具的通用性，设计 语言的标准化以及设计过程几乎与所用的c p l d f p g a 器件的硬件结构没有关系，所以 设计成功的逻辑功能软件有很好的兼容性和可移植性，且简单易学，开发便捷。 f p g a c p l d 芯片都是特殊的a s i c 芯片，它们除了具有a s i c 的特点之外，还具有 以下几个优点： 1 6 长安大学硕士学位论文 ( 1 ) 随着v l s i ( v e r yl a r g es c a l ei c ，超大规模集成电路) 工艺的不断提高，单一芯片 内部可以容纳上百万个晶体管，f p g a 7 c p l d 芯片的规模也越来越大，其单片逻辑门数 已达到上百万门，它所能实现的功能也越来越强，同时也可以实现系统集成。 ( 2 ) f p g a | ，c p l d 芯片在出厂之前都做过百分之百的测试，设计人员只需在自己的实 验室里就可以通过相关的软硬件环境来完成芯片的最终功能设计。所以，f p g c p l d 的资金投入小，节省了许多潜在的花费。 ( 3 ) 用户可以反复地编程、擦除、使用或者在外围电路不动的情况下，用不同软件 就可实现不同的功能。所以，用f p 蝴l d 试制样片，能以最快的速度占领市场。 f p g a c p l d 软件包中有各种输入工具和仿真工具，及版图设计工具和编程器等全线产 品，电路设计人员在很短的时间内就可完成电路的输入、编译、优化、仿真，直至最后 芯片的制作。当电路有少量改动时，更能显示出f p g c p l d 的优势。电路设计人员 使用f p g a c p l d 进行电路设计时，不需要具备专门的i c ( 集成电路) 深层次的知识， f p g c p l d 软件易学易用，可以使设计人员更能集中精力进行电路设计，快速将产品 推向市场。 c p l d 和f p g a 在灵活的用户可编程特性、快速的设计和诊断能力上极其相似，因 此常相提并论，但实际上，二者的逻辑结构和互连结构却存在本质的区别，这导致它们 在速度与性能、擅长的设计领域、设计方法、设计周期、功耗、编程工艺等方面拥有各 自的特点。c p l d 的逻辑结构属于逻辑丰富型粗粒结构；f p g a 则属于寄存器丰富型细 粒结构；c p l d 集总式的