（电机与电器专业论文）新型网络化智能多相位交通信号机的研究.pdf

堑型璺竺些兰登兰望些銮鎏笪三塑竺竺耋 s t u d yo nt h en e wt y p eo fn e t w o r ki n t e l l i g e n t m u l t l p h a s et r a f f i cs i n g a li n s t r u m e n t a b s t r a c t n o w a d a y su r b a nt r a f f i ci sc o n g e s t e dm o r ea n dm o r e a n dt h eg r a d ec r o s s i n gi st h em a i n b o t t l e n e c k ，w h i c h1 e a d st ot r a f f i ci a m t oe n s u r et r a f f i cs a f e t ya n dp r e v e n tt r a f i l ei 锄，t r a 衔c s i g n a ll i g h t sh a v eb e e na p p l i e dd i f l u s e l yi nm o s to ft h ec i t i e s h o w e v e r ，t h et r a d i t i o n a lt r a f f i c s i g n a ll i g h t s a r e u s u a l l yc o n t r o l l e db ye l e c t r i cc i r c u i t r ya n dr e l a y a l s of e wo ft h e ma r e c o n s t r u c t e db vp l c t h e s ec o n f i g u r a t i o n sa r ec o m p l e xw i t h1 0 wr e l i a b i l i t y i nt h i sp a p e lak i n d o fn e wm u l t i p h a s en e t w o r ki n t e l l i g e n tt r a 街cs i g n a lm a c h i n ei sd e s i g n e d w h i c hi sb a s e do n c o m p u t e rt e c h n o l o g y , n e t w o r kc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ya n d m i c r o e l e c t r o n i c st e c h n o l o g y i nt h i s p a p e r , t h es t u d yo dt h eu r b a nt r a f f i cs i g n a lc o n t r o ls y s t e mi s s t u d yd e e p l y ，b y u n d e r s t a n d i n ga n da n a l y z i n gt h ed e v e l o p i n ga c t u a l i t yo fd o m e s t i ca n do v e r s e a st r a f f i cs i g n a l c o n t r o ls y s t e m an e wk i n do fm u l t i p h a s ec o m m u n i c a b l ei n t e l l i g e n tt r a f i l ec o n t r o ls i g n a l m a c h i n ei sd e s i g n e d t h es i g n a lm a c h i n ec a nr e a l i z et r a f f i ca d m i n i s t r a t i o nw i t h o u tp e r s o na t i n t e r s e c t i o n i tc a no r d e r l yc o m m a n dt r a 伍cb ys i g n a ls y s t e mw h i c hc a na u t o m a t i c a l l ya d j u s t p h a s ed i f f e r e n c e i tc a nf o r n lg r e e nw a v eb a n dt h a td e c r e a s e sd e l a ys oa st oe f f i c i e n t l ya d v a n c e t h ep a s s i n gc a p a c i t yo fi n t e r s e c t i o n i nt h ed e s i g n ，r e l i a b i l i t yd e s i g ni sc o n s i d e r e df u l l y ，a n d f a u l t - t o l e r a n tt e c h n i q u e ，m a l f u n c t i o nd i a g n o s e st e c h n i q u ea n ds y s t e ma u t o - r e s t t m ed e s i g ni s b r o u g h ti n b yu s i n gt h ee f f e c t i v ee r r o rc o r r e c t i o na n dp r e v e n t i v em e a s u r e s ，t h er e l i a b i l i t yo ft h e s y s t e mh a sb e e ni m p r o v e dg r e a t l y k e y w o r d s ：s i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e r ，m u l t i p h a s e ，p h a s ed i f f e r e n c e ，r e s i s t i n gm o l e s t , r s 一4 8 5 第一章绪论 卜l 课题研究的目的和意义 城市交通是城市经济和社会发展的动脉，同刚一个城市的交通服务水平也反映了一个城市的现代化 水平。自改革开放以来，我国的城市规模和经济建设都取得了飞速的发展。城市化进程在逐步加快，城 市人口在急剧增加，大量流动人口涌进城市。中国的城市化水平在过去的1 5 年中几乎翻了一番，现在 大约有3 1 的人口居住在中国的6 6 0 个城市和1 9 0 0 0 个城镇里迅速增长的城市人口和城市化所导致的 其他影响对中国落t f ；彳的城市交通系统提出了更高的要求。例如，在2 0 0 3 年，客车的数量增加了8 5 ， 而其他国家平均只增加了l _ 5 。而且，所报道的6 6 7 5 0 7 次交通事故造成了1 0 4 3 7 2 人死亡和4 9 4 1 7 4 人 伤残，使得交通事故成为中国儿童意外死亡的第一二大杀手。另一个与交通相关的问题就是污染。在中国， 由交通产生的污染占总的噪声污染的9 0 ，占总的一氧化碳排放量的6 0 ，占总的氮氧化物排放量的5 0 和占总的碳氢化合物的排放量的3 0 。根据中国国家人口发展报告，2 0 0 1 年，在世界最污染的2 0 个城 市中，中国占十六个。而且，由于交通基础建设，中国的土地资源正在以2 到3 的速率减少，进一步 加深了污染问题 1 j 。当前，全国各大中城市普遍存在着交通拥挤、道路阻塞以及因此而引起的车速下降、 交通事故频发和空气与噪声污染严重等现象。如何解决城市交通问题已成为全社会关注的焦点和大众的 迫切呼声。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 t 口 。 因此，提高道路交叉口的通行能力是一项重要而且有巨大意义的工作。本课题研制的新型多相位网络化 智能交通信号机采用对交通流科学地时间分割的方法使现有道路的宽度和通行能力得到充分利用，最大 限度地保证交通流动的连续性从而使受控地区交通延误减少，而且由于停车率的下降、车速均匀，也可 使耗油减少、交通震动和汽车排出的尾气减少，有利于改善城市的交通环境质量。 卜2 课题研究的国内外现状及展望 伴随着信息技术的发展，交通控制的概念已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 t c y c l e o f f s e t o p t i m i z a t i o nt e c h n i q u e ) 及以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 y c o o r d i n a t e da d a p t i r 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”j 。在这些系统中，大部 分都是在各路1 3 附近安装有磁性环路监测器，并由备路1 ：3 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。 目前国内已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1 3 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 3 】由于我国交通流是混台交通流，和国外 的交通流人不相同，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。尤其是，交通系统是 ! ! 竺! 堑兰塑竺些要堂主翌生耋翌篮：塑塑坚：j 属于国家战略基础设施，过分依赖国外系统对国家安全特别是非常日寸期的国家安全是非常小利的，所以 迫切需要开发适合我国国情的、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。交 通系统是一个1 f 线性随机性都很强的开放的复杂巨系统，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 0 0 t 系 统难于取得很好效果的原 _ _ | 。所以必须采用先进的智能控制理论米解决复杂的交通系统的控制问题。 另外，目前已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，再i l l 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 子系统之间的综台协调，采用共享数据库和多目标优化的办法加以解决。 卜3 交通信号控制系统的基本形式 就交通信号的运行方式而言，基本上可划分为两大类：其一是按固定的配时方案运行的：其二是由 车辆检测器提供的实时交通信息控制信号机运行的。即信号机根据实时交通状况，自动改变或调整配时 方案，对交叉路口实行实时随机控制。 在上述两类中，每一类又都可以分成初级和高级两种形式。 1 固定配时方案控制系统 不论哪种固定配时控制系统，它们都有一个或一系列事先经脱机运算确定的配时方案。信号机则严 格的按这些方案运行。 在事先确定的配时方案中，绿灯时间的长短、信号周期以及每个方向上绿灯的起迄时间都是相对固 定的，亦即在某一确定的时间区段中，上述这些配时参数保持不变。可根据一日交通量的波动情况，划 分若干时间区段，对应于每一时间区段的平均交通量制定相宜的配时方案。例如，可分别根据交通早高 峰时间、日间平峰时间，晚高峰时间及夜间低峰时间的平均交通量制定四种相应的配时方案。 固定配时控制系统，可以是单个交叉口独立控制( 即所谓“单点定周期”控制) ，也可以是多个交 叉口，甚至整个路网的连动协调控制这就是“区域控制( 面控) ”。作为区域控制系统的一个特例， 仅仅包含一条连续路线的多个交叉口联动控制，也就是我们常说的“线控”。 单点独立控制系统是一种初级控制方式，所用设备比较简单，只要在每个需要控制的交叉口设置一 台信号机就行了，无需设置主控信号机或计算机控制中心；投资节省，设备运行管理及维修费用也较少。 然而它的控制效率很低，这是因为缺乏必要的灵活性，不能根据现场交通的实际波动状况随时调整配时 方案。此外，各个交叉口之间没有协调关系，这就使得车辆行驶过程中受信号阻滞次数增多，延误时间 加长。 多个交叉口的连动协调控制，虽然也按固定配时方案控制信号运行，但由于它是将彼此邻接的一串 交叉口通过中央主控设备协调起来，使它们的信号转换按照合理的步距实行和谐的同步运行，车辆通过 这些交叉口时就有可能获得最佳的连续性。多点联动控制系统又可分为“无电缆连动控制”和咀计算机 为主控机的“集中控制”两种系统。前者只需在每台信号机上加设脉冲计时电路或石英钟，用以控制和 协调一组信号机，使之按照规定的起步时距作同步运行。而“集中控制”系统则需要由电子计算机通过 数据传输系统来指挥和协调路网上各个信号机的协调运行。 2 车辆感应控制系统 车辆感应控制系统是用车辆感应检测器将检测到的车辆到达信息传输给信号控制器，( 包括每种灯 色显示时间的长短和各进口方向灯色转换时序) 。显然，为达到上述目的，就必须在交叉1 ：3 的各个进口 通道上设置车辆检测装置。因此，这种系统所需投资要多些。但是这种系统在信号配时控s u 上具有最大 的灵活性，信号周期时间的有效利用率较高。尤其在饱和程度较低的交叉口，或者几个进口方向车流量 相差悬殊的交叉1 ：3 ，感应式控制系统的效率是很高的。当交yr a 总的饱和度很高，即各方向的车流量均 接近实际允许通过能力时，绿灯时间在各方向车流之间的分配便无多大调整余地了。因而实际运行起来， 这种系统无异于固定配时控制系统。过去这种感应式控制系统多用于单个交叉口的独立控制，所以车辆 2 i 型望竺：兰要登量望篁兰碧立：! ：塑： 鎏 属于周家战略基础设施，过分依赖国外系统对固家安全特别是非常时期的同家安全是非常小利的所以 迫切需要开发适合我国国情的、具育我国自主知识产权的能达到崮际先进水平的智能交通控制系统。交 通系统是一个1 | 线性随机性都很强的开放的复杂巨系统，系统维数太高，加上人的参与，l ：其进行有效 的控制芷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 _ i 系 统难十取得根好效果的原吲。所以必颓采用先进的智能控制理论米解决复杂的交通系统的控制问题。 另外，f t 前已何的系统大多是功能单一的系统，加诱导系统、普通道路控制系统、高速t 道控制系统等， 各系统独立运行。箨自为政，有时不仅不会减轻交通棚挤，反而会恶化系统幸亍为。所以，必须考患各个 子系统之问的综合协调，采用兆享数据厍和多目标优化的办法加以解决。 13 交通信号控制系统的基本形式 就交通信号的运行方式而言，基本 可划分为两大樊：其是按固定的配时方案运行的：其：是由 车辆检测器提供的实时交通信息控制信号机运行的。即信号机根据实时交通状况，自动改变或调整配时 力案，对变叉路几实行实刚随机控制。 在上述两类中，每类又都可馘分成初级和高级两种形式。 1 固定配时方案控制系统 小论哪种固定配时控制系统，它们都有一个或一系列事先经脱机运算确定的配日方案。信号机则严 格的按这些方案运行。 在事先确定的配时方案中，绿灯时间的长短、信号周期以及每个方向上绿灯的起迄时问都是相对固 定的，亦即在某一确定的时间区段中，上述这些配时参数保持不变。可根据一口交通量的波动情况，划 分若干时间区段，对应于每一时间区段的平均交通量制定相宜的配时方案。例如，可分别根据变通早高 峰时间、日间平峰时间，晚高峰时间及夜问低峰时间的平均交通量制定四种相应的配时方案。 固定配时控制系统，可以是单个交叉口独立控制( 即所谓“单点定周期”控制) ，也可以是多个交 叉口，甚至整个路网的连动协调控制这就是“区域控制( 面控) ”。作为区域控铷系统的一个特剜， 仅仅包含一条连续路线的多个交叉口联动控制，也就是我们常说的“线控”， 单点独立控制系统是一种初级控制方式，所用蹬备比较简单，只要在每个需要控制的交叉口设置一 台信号机就行了，无需设置主控信号机或计算机控制中心；投资节省，醴蔷运行管理及维修费用也较少。 然而它的拄制效率很低，这是因为缺乏必要的灵滔性，不日根据现场交通的实际波动状况随时调整配时 方案。此外，各个交叉口之间没有协调关系，这就使得车辆行驶过程中受信号阻滞次数增多延误时间 加长。 多个交叉口的连动协调控制，虽然也按固定配时方案控制信号运行，但由于它是将彼此邻接的一串 交叉门通过中央主控设备协调起来。使它们的信号转换按照合理的步距实行和谐的同步运行，车辆通过 这些变叉口时就有可能获得最佳的连续性。多点联动控制系统又可分为“无电缆连动控制”和以计算机 为主控机的“集中控制”阿种系统。前者只需在每台信号机上_ 加设脉冲计时电路或石英钟，用以控制和 协调一组信号机，使之按照规定的起步时距作同步运行。而“集中控制”系统则需要由电子计算机通过 数据传输系统来指挥和协调路网上各个信号机的协调运行。 2 车辆感应控制系统 车辆感应控制系统是用车辆廊应检测器将检测到的车辆到达信息传输给信号控制器，咆括每种灯 色显示时间的长短和各进口方向灯色转换时序) 。显然，为达到上述目的，就必须在交叉口的各个进口 通道上设置卞辆检涮装置。因此，这种系统所需投资要多些。但是这种系统在信号配时控制上具有最大 的灵活性，信号周期时间的有效利州率较高。尤其在饱和程度较低的交叉u ，或者几个进口方向车流量 相差悬殊的交叉口，感应式控制系统的效率是很高的。当交叉口总的饱和度很高即各方向的车流量均 接近实际允许通过能力时，绿灯时间在各方向车流之间的分配便尢多大调整余地了。因而实际运行起来， 这种系统无异于固定配时控制系统。过去这种感麻式控制系统多川于单个交叉口的独立控制，所咀车辆 这种系统无异于周定配时控制系统。过去这种感应式控制系统多用于单个交叉口的独立控制，所以车辆 河北工业大学坝ij 学位论文 全桴行驶的连续性还是h ；能得到保证。 为了克服感应式和固定配时两种控制系统各自的缺点，扬其之长，各国交通工科帅近年来都在研究 一种新的控制系统。这种新系统是一个由中央主控机( 计算机) 协调的实时随机控制系统，即所谓“笫 二代区域控制系统”。 卜4 交叉路口控制的基本原理 卜4 1 交叉路口信号控制的基本概念 1 信号相位 信号相位是施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。 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，亦即它们是均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。 在交叉路口车流间的冲突，在交通控制中可用分时通车的方法予以防止。这种给各个交通流分配 时间的过程，称之为确定信号相位。 本课题设计的智能交通信号机可以设置六个相位，即两个相互垂直方向的直行，左拐和右拐。 2 信号阶段 信号阶段是允许一个特定交通运行模式的信号灯色的状态。信号阶段通常包含一绿灯段，但并不必 须包含一绿灯段。信号阶段是预定的次序，一个接着一个的。为减少不必要的延误，在某一阶段未得到 请求的时候，可被跳过。通过交叉路口的通行权是依次轮流分配给各个相位的。那么，通行权的每一次 转换就称为一个信号阶段。信号阶段是根据交叉路口通行权在一个周期内的更迭次数来划分的。一个信 号周期内通行权交接了几次，就有几个信号阶段。 3 周期时间 信号阶段的一个完整系列称为周期，在该期间各个交通流将顺序得到通行权。周期时间为各个信号 阶段时间之和。通常来说，周期时间就是红绿灯信号显示一周所需时间，即红、绿、黄灯时间之和。周 期时间信号阶段的一个完整系列称为周期，在该期间各个交通流将顺序得到通行权。周期时问为各个信 号阶段时间之和。通常来说，周期时间就是红绿灯信号显示一周所需时间，即红、绿、黄灯时间之和。 4 绿信比 绿信比即在一个周期内，各阶段的绿灯显示时间与周期时间之比。在有的地方也称其为绿分配，即 在周期时间范同内，分配给各个阶段的绿灯时间长度。 5 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，朋秒表示。这个相对相位差与周期时问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e l 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 的相对相位羞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 塑型里竺垡篁墼耋翟些奎鎏生三垫箜竺窒 队时间所得，该清车队时间通常为1 0 秒，即： 0 = t + l o ( 秒) f 1 1 、 式中：o 一相位差 t 一平均旅行时间，单位：秒 6 最小绿灯时间( 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。 在这些情况下，则需要稍长的最小绿灯时间以保证安全。 7 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 = 旦( 1 2 ) s 式中：q 一车流量： ，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叉路口的y 值； 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。 卜4 2 交通流的基本参数 1 表征交通特性的三个基本参数分别是：交通量q 、行车速度v 、车流密度k 。 ( 1 ) 流量q 交通量q 是指在选定时间段内，通过道路某一地点、某一断面或某一条车道的交通实体数。交通量 是一个随机数，不同时间、不同地点的交通量都是变化的。交通量随时间和空间变化的现象，称之为交 通量的时空分布特性。通常取某一时间段内平均值作为该时间段内的交通量，如式( 1 3 ) 所示。 q _ 吉喜q 式中： q i 一固定时间段内的交通量 n 一各规定时间段内的时间 ( 2 ) 车流密度k 车流密度k 是指某一瞬间单位道路长度上的车辆数目。 k _ 旦 l 式中： k 一车流密度( 辆k m ) n 一路段内的车辆数( 辆) l 一路段长度 4 ( 1 3 ) ( 1 4 ) ! ! 三! 型兰型娑笙型茎尘垒兰! ! = ! ! ! = 竺! ! = ! ! 车流密度人小反映一条道路上的交通密集程度。为使车流密度具有可比性，午流密度应按单车道来 定义，单位为辆k m 车道。 ( 3 ) 行车妹度v 行车速度v 是指区间平均速度。所谓区间平均速度，是指在某一特定瞬问，行驶于道警苎_ 特定k 皮内的全部车辆的车速分布的平均值。当观测长度一定h 寸，其数值为车速观测值的凋平平均值。 式中 式中 l 一路段长度 t i 一第i 辆车的行驶时间 n 一行驶于长度为l 路段上车辆数 v 一第i 辆车的行驶速度 v 一区间平均速度 2 三参数的基本关系 交通流三个参数之间的基本关系式为： q - - v k 口一平均流量( 辆h ) v 一区间平均车速( k a d h ) k - 平均密度( 辆k m ) ( 1 ) 速度与密度的关系 常用的速度一密度线性关系模型为 q m _ k m v m f ( 1 亡) 它们之间的关系曲线如图1 1 所示。 v f v m n l t ， 图1 1 速度与密度的关系 f i g 1 1t h er e l a t i o no f v e l o c i t ya n dd e n s i t y 密度( 辆k 。) f 15 、 ( 1 6 ) ( 1 7 ) ( 1 8 ) _ 1 拳 f 新型网络化智能多相位交通信号机的研究 在图1 1 中t 当k = 0 时，v 1 6 即在交通量很小的情况下，车辆可咀畅通行驶；当k = k r 时，v = 0 ， 即在交通黛很大的情况f ，车辆速度就趋近于零。由于q = v k ，所以流量等于幽中所示虚线与坐标轴 之间的面积。 当交通密度很大时，它们之间的关系一般采用g r e n b e r g 的对象模型： v = v 。i n ( 导)( 1 9 ) k 当交通密度很小时，它们之同的关系一般采用安特伍德的指数模型： k v = 、，f e “( 1 1 0 ) ( 2 ) 流量与密度的关系 交通流的流量一密度关系如式( 1 1 1 ) 所示。 q = k v f ( 1 一三)( 1 1 1 ) k i | n 图1 2 中为流量一密度关系曲线。点c 代表通行能力或晟大流量q 。从这点起，流量随密度增加 丽减少，直至达到阻塞密度k j 。( e 点) ，此时流量q = 0 。以从原点a 到曲线上的b 、c 和d 点的线段为 矢径，矢径的斜率表示速度。在流量一密度曲线上，对于密度比k m 小的点表示不拥挤情况，而密度比 k 。大的情况表示拥挤情况。 流量( 辆h ) a 图1 2 流量一密度的曲线图 f i g 1 2 t h ec u r v e p l o to f f l o wa n d d e n s i t y 密度( 辆k 。) ( 3 ) 流量与速度的关系 流量与速度的关系如式( 1 1 2 ) 所示 v 2 q = k f ( v - 二) ( 1 1 2 ) v f 流量与速度的关系曲线如图1 3 所示。从图中可以看出，通常速度随流量增加而减低，直至达到最 大通行能力的流量q 。为止。曲线在拥挤部分，流量和速度都降低。点a 、b 、c 、d 和e 相当于流量一 密度和速度一密度曲线上同样的点。从原点e 到曲线上点的斜率表示那一点密度的倒数1 k 。点c 上 面的速度一流量曲线部分表示不拥挤的情况，而点c 下面的曲线部分表示拥挤的情况。 6 v f v m e q f 图1 3 流量与速度的关系 f i g 1 3t h er e l a t i o no f f l o wa n dv e l o c i t y 量( 辆h ) 卜4 3 优化信号配时的设计 1 信号配时设计步骤 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 = n x 瑚r 卜rf 1 1 3 ) 其中：1 1 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 。：1 5 = l + - 5 ( 1 1 4 ) 、一o 1v 1 ( 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： g l = 旦( c 。- l ) ( 1 1 5 ) 9 2 = 丝( c 。- l ) v ( 1 1 6 ) ( 7 ) 将各个有效绿灯时间g l 、9 2 、，分别加上一秒从而得出实际绿灯时间。这个绿幻 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 7 翌 型望竺兰竺登至塑竺奎翌生三竺生型：j 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【= _ | 的信号控制效果下降，引起停车次数增加、车辆排 队等灯时间的加氏等等。冈此，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h ；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。 卜44 交通干线的信号协调控制 城市中的交通干线往往承受巨大的交通负荷，因此提高交通干线的协调控制效果，减少干线上的交 通延误和停车率，保证干线的交通畅通，对改善一个地区甚至整个城市交通状况往往具有重大意义。如 果交通干线上的两个或两个以上的交叉路e l 之间的距离较近( 通常在8 0 0 米以内) ，它们就可以采用协 调控制的方法构成一个交通干线的信号协调控制系统。 为了使沿干线行驶的交通车辆从一个交义路e l 驶向与其相邻的下一个交叉路口时能遇到绿灯，从而 使车队连续通行，必须使相邻的交叉路1 3 之间的信号变化遵循定的规律，即绿灯起始时间保持一个恒 定的时间差一相位差为使相位差在每个信号周期保持恒定，这些干线上相邻的各交叉路口都必须共用 相同的信号周期 这种系统的控制目标是在没有必要中断通行的条件下，使尽可能多的交通通过各交叉路口，以减少 交通延误和连续停车。与此同时要兼顾与交通干线相交叉的支路交通；如果支路交通流量足够火，则要 寻求包括支路交通流在内的全部交通流的整体延误晟小。 按控制方法的不同，我们把交通干线的协调控制分两种，即采用主控制器的协调控制系统和无电缆 协调控制系统。本信号机采用无电缆协调控制系统。 无电缆协调控制是指执行协调控制任务的各个信号控制器以其各自的日历钟控制预先存储的配时 方案的调用和彼此的相位差的一种协调控制方式。因为不采用主控制器，因而没有主控制器与各信号控 制器之间的通讯电缆，因而得名。无电缆协调控制的原理如下： 按照预先已经准备好的配时方案表，用编程器写入各控制器的可编程存储器的芯片中去，无电缆协 调控制系统就可以运行了。 配时方案表写明各时段每个交叉路口的周期、绿信比、相位差。注意，周期时间在同一时间段相同， 此外相位差则以某个交叉路口作为参考点，其他各交叉路口某相位绿灯开始点相对这个参照点同相位绿 灯起点的时间差，就是其相位差，这就是我们前面讲到的绝对相位差。 各时段的配时方案随时日、日周和季节的不同要有所变化，因此要编制好这个由日历钟驱动的 配时方案时间表，实地的交通调查是不可少的。 在我国的具体条件下，有些中小城市限于财力和人力，建立城市交通控制( u t c ) 系统有困难时，可 以从无电缆协调控制一条或几条交通干线入手，以此来改善交通环境。 本课题设计的多相位智能交通信号机具有线协调控制功能，可以沿交通干线方向形成“绿波带”， 从而大大提高车辆的通过率，减少交通延误。 1 - 5 本论文研究的主要内容及特点 卜6 - 1 本论文研究的内容 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 论文研制了一种新型网络化的智能多相位交通信号机。设计内容主要包括硬件电路的设计和软件程序的 实现。 1 硬件电路的设计： ( 1 ) 主板控制板的设计：它是信号机的核心控制系统，为了实现多时段大量数据的存储及人机接 口的设计，采用a t 8 9 c 5 5 w d 单片机并扩展了数据存储：器- d s l 2 2 5 和可编程并行i 0 接口8 2 5 5 以及实时时钟 河北工业人学硕十学位论文 芯片d s l 2 c 8 8 7 等。 ( 2 ) 控制面扳：它是为方便观察和监视交通信号机的运行而设计的人机接口，可以将控制产生的 结果显示出来，也可以通过控制键来进行调节和重新设置参数。主要由键盘扫描电路、l e d 数码显示电 路及由发光二极管组成的模拟路口组成。 ( 3 ) 功率转换板：它用i 0 1 2 输出的t t l 电平去控制交流2 2 0 v 输出电压。该板主要由光电耦合器、 舣向可控硅、压敏电阻和电容等组成。t t l 电平信号经过光电耦合器后，加到双向可控硅上，从而控制 交流功率输出。 2 软件程序的实现： 主要是用各种编程语言编写程序阱实现预期功能，其中包括系统运行主程序，时钟中断子程序，调 时子程序以及键盘与显示程序子程序，还包括软件故障处理程序等。 1 52 本论文的特点 本课题具有如下特点： 1 智能性 利用集成电路设计技术和单片机技术，使该装置具有了智能性：信号机具有相差设置功能和无电缆 自动协调控制功能，可以形成“绿波带”，大大提高交叉路口的通行能力。 2 可通信性 信号机具有与上位机的通讯接口可以实现上位机的区域控制。为以后的系统升级做好了充分准备。 3 抗干扰能力强 在该系统的设计中充分进行了可靠性设计，引入了容错技术、故障诊断技术并进行了故障自动恢复 的设计采取了有效的纠错与预防措施。大大提高了系统工作的可靠性。 9 新型恻络化智能多相位交通信号机的研究 第二章智能交通信号机的硬件设计与工作原理 由于中国的特殊国情城市道路交通必须考虑机动车流自行车流、人流等多种情况，但许多信号 系统都只考虑了两相位的情况，本课题所设计的新型网络化多相位信号机对此作了大量的改进。交警可 以根据不同路口任意配置相位数，解决了自行车流和人流与机动车流抢道的问题。本系统运行可靠，实 现了模块化设计，维护方便。系统使用了无电缆协调控制技术，能可靠地实现绿波带控制。并且为系统 设计了r s - 4 8 5 通讯接口，为城市区域交通控制打下了基础。本章将介绍智能交通信号机的硬件设计。 2 一l 新型网络化智能交通信号机的控制方式 为了满足现代智能交通的要求和实现信号机通常采用的控制方式，以及中国的实际情况，本课题所 设计的智能交通信号机，具备了单点控制、定周期控制、多时段控制、手动控制、线控功能、黄闪控 制，并为实现区域控制作了充分的准备。现分别对它们进行说明。 ( 1 1 周期控制 在定周期控制方式下，信号机循环执行唯一的定周期控制方案，信号灯按照唯一特定的规律循环变 化。 ( 2 ) 时段控制 在多时段控制方式下，用户可以将每天“小时分为最多1 2 个时段，并为每个时段设置一套方案， 信号机在不同时段内执行不同的方案。用户可以为多时段控制方式设置一个或多个时段及其对应的方 案，否则多时段控制无效。 ( 3 ) 手动控制 手动控制用于需要人工干预的特殊情况。信号机通过手动换相按钮开关实现自动与手动的切换，在 该控制方式下，步进的切换通过手动换相来实现。另外，还可以在某些特殊情况下，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或实施强制全红控制。 ( 4 ) 闪光控制 交叉路e l 的黄灯以规定的频率交替闪烁，向车辆和行人发出警告或提示。信号机在以下两种情况下 进入闪光控制： a ) 软件定时：用户可以为信号机设置各种日期类型下的闪光控制起始时间和终止时间。在多时段 控制方式下，信号机在设定时间自动进入或退出闪光状态。这种控制方式适用于夜间即其他一些车流量 较小的场合。 b 1 在某些特殊情况下，可以通过强制黄闪功能使信号机进入闪光状态，按下自动键即可退出闪光 状态。 ( 5 ) 线控功能 本信号机具有无电缆线控协调功能。各个交叉路口的信号机遥过对绿灯起步时距的控制及维持信号 机同步运行来实现交叉路口群的协调控制。 ( 6 ) 区域控制功能 信号机设有r s 4 8 5 通讯接口，可以实现点对点方式或一点对多点的区域控制。 l o 2 - 9 智能信号机的硬件设计 近年来，随着微处理器技术的发展，交通信号控制器日趋采用功能模块积木式结构，向着微机控制 的“智能”化发展。因而各部分硬件的集成化程度日益提高，其分立元什的数量越米越少。新型多相位 网络化智能交通信号机的硬件电路设计主要包括c p u 中央控制系统的设计、显示、键鼎等人机接口的设 计，功率输电路的设计以及通讯接口电路的设计等儿部分。结构框图如图2 1 所示。 图2 1 结构框图 f i g 2 1t h ef r a m eo f c o n f i g u r a t i o n 2 21c p u 中央控制系统的设计 主单片机采用a t m e l 公司的a t 8 9 c 5 5 w d w d ，外扩的静态数据存储器选用d a l l a s 公司的非易失性静 态数据存储器d s l 2 2 5 芯片来储存信号机一周的参数，以时钟芯片d s l 2 c 8 8 7 作为系统时间基准。系统的 中央控制单元的原理图见附录a 。 1 微控制器的选用 随着单片机的速度、内存容量、位数等性能的不断提高，单片机在工业自动化领域和智能化产品中 得到了广泛的应用。在多相位智能交通信号机的设计过程中，为了降低成本和保证它的可靠性，本设计 选用a t m e l 公司的高性能8 位f l a s h 单片机芯片a t 8 9 c 5 5 w d w d 作为信号机控制系统的核心。该芯片的指 令系统和引脚与工业标准8 0 c 5 1 和8 0 c 5 2 单片机是完全兼容的。它既继承了m c s 一5 1 原有的功能，而且义 扩展了它的功能，提高了它的水准。a t 8 9 c 5 5 w w d 具有以下一些标准特性：2 0 k b 字节的f l a s h 存储器， 2 5 6 个字节的r a m ，3 2 个i o 线，3 个1 6 位定时器计数器，8 个中断源，一个全双工串行口，片内振 荡器和时钟电路。此外，它设有静态逻辑，可以在低到零频率的条件下工作，支持两种软件可选的省电 模式。在空闲丁作方式下，c p u 停止工作，但r a m 、定时器计数器、 串行口和中断系统仍在工作。在 掉电工作方式下，保存r a m 的内容并且冻结振荡器，禁止所有其它片内控制单元功能，直到下个硬件 复位为止。 a t 8 9 c 5 5 w d w l ) 采用4 0 线双列直插式封装，如图2 2 所示。 2 数据存储器及可编程并行接口的扩展 在组成单片机系统时，首先遇到的问题就是扩充存储器。单片机内部设置的存储器一般容量较小，满足 不了需要，因此需要配置外部存储器，包括程序存储器和数据存储器。其次要解决的问题是i 0 口的扩 展。本设计中选用的单片机a t 8 9 c 5 5 v d w d 内部具有2 0 k 字节的程序存储器，已经能满足系统程序的要求， 因此只需扩展数据存储器和并行i 0 接口。本设计中应用d a l l a s 公司的具有8 k 字节的静态非易失性数 据存储器d s l 2 2 5 作为系统扩展的数据存储器，选用可编程输入输出接口芯片8 2 5 5 来扩展系统的并行 i o 口。 塑型璺竺些笪璧主望竺茎翌生兰垫兰婴耋 ( 1 ) 数据存储器d s l 2 2 5 由于信号机需要存储一周七天，每天1 2 时段的参数。数据量大，而且需要数据参数在系统掉电的 情况下仍然能够保持，因此本系统选用d a l l a s 公司的具有8 k 字节静态数据存储器d s l 2 2 5 作为扩展 的数据存储器：该芯片内部设有锂离子充电电池和电压监测控制电路。在无外部电源供电的情况下。数 u 4 0 0 9 口b 0 7 0 e 口s 劓 鹞 挑 o0 1g o 22 9 92 5 4 2 7 s 2 e b 2 5 f甜 口 舶 02 2 n创 图2 2a t 8 9 c 5 5 w d w i ) 管脚图 f i g 2 2t h ep i nd i a g r a mo f a t 8 9 c 5 5 w d w d 据可以保持十年以上。该芯片的读写周期为7 0 n s 。d s l 2 2 5 采用2 8 引脚双列直插式封装，如图2 , 3 所示。 图2 3d s l 2 2 5 管脚图 f i g 2 3t h ep i nd i a g r a mo f d s l 2 2 5 ( 2 ) 可编程并行数据接口8 2 5 5