交通学院智能交通灯毕业设计.pdf

2013 2013 届毕业生毕业论文 设计 届毕业生毕业论文 设计 题目 基于 plc 的交通信号灯控制系统设计 院 系 别 信息科学与电气工程学院信息科学与电气工程学院 专 业 电气工程及其自动化电气工程及其自动化 班 级 电气电气 092 092 学 号 090819228 090819228 姓 名 韦钦钊韦钦钊 指导教师 张晓军张晓军 二 0 一三 年六月 i 原 创 声 明 本人韦钦钊郑重声明 所呈交的论文 基于 plc 的交通信号灯控制系统设计 是 本人在导师张晓军的指导下开展研究工作所取得的成果 除文中特别加以标注和致谢的 地方外 论文中不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果 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 尊重知识产权 并愿为此承担一切法律责任 论文作者 签字 日期 2013 年 6 月 14 日 ii 摘 要 随着现代社会和经济的发展 以及城市化进程的加快 城市交通的拥塞已经成为世 界范围内所面对的的主要问题之一 智能交通控制系统作为缓解城市交通压力的有效途 径而成为学术界和产业界的研究热点 绿波控制是智能交通的重要研究领域 本文针对 城市交通的干线双向绿波的控制展开研究 城市主干道在道路网中发挥着主要作用 为了保证主干路交通流的畅通 应对各个 交叉口的信号进行系统分析和协调控制 对济南主干道纬六路的交通流现状进行了调查 通过硬件和软件的实施和调整 形成六个路口之间的系统协调控制 达到降低路口停车 率 缩短停车延误时间 提高运行车速 减少环境污染 保证交通安全的目的 基于多路口交通灯的控制需求 结合先进的 plc 控制技术与检测技术 对所设计 的以车流量为核心的智能交通控制系统的硬件结构 软件程序 功能特性进行了论述 并通过对地感线圈检测车流量的原理的阐述 指出基于实际车流量的智能交通灯控制方 法是解决城市交通问题的一种可行方法 关键字 绿波段 纬六路 plc iii abstract with the rapid development of modem society and economy and the acceleration of urbanization process urban traffic congestion has become one of the major problems faced by worldwide intelligent traffic control system an effective way to release urban traffic pressure has become the interesting topic of academic and industry green way control is all important component of intelligent transportation system city artery plays a major role in the road net in order to guarantee the traffic flow of trunk road unimpeded the signal control system should be analyzed to make it in coordination at first we have a series of investigations along the road with four intersections and analysis the existing main problems according to the investigations of the present traffic flow situation on degree of latitude six road an artery in jinan it finally concerned that the systemically corresponding control of the software and hardware of the four cross sections carl lower the intersection car stop rate shorten the time of the delay enhance the pace of the traffic reduce the pollution to the environment and guarantee the traffic safety control of traffic light intersection based on demand combined with the plc control technology and advanced detection technology the design for vehicle flow as the core of the intelligent traffic control system hardware structure software program discussed functional characteristics and through the principle of the induction coil to detect traffic flow the elaboration pointed out that intelligent traffic lights the actual traffic flow control method is a feasible method to solve the city traffic problem based on key words green waves band degree of latitude six plc 1 目 录 前 言 1 1 绪论 2 1 1 交通控制研究的背景和意义 2 1 2 绿波 交通国内外研究现状 2 1 3 绿波 交通研究目的与意义 3 2 plc 的基本介绍 4 2 1 plc 的基本概念 4 2 2 plc 的主要特点 4 2 3 plc 的结构及其工作原理 4 2 3 1 plc 的基本结构 4 2 3 2 plc 的工作原理 5 2 4 plc 的应用及发展趋势 6 3 城市交通信号控制基本理论 7 3 1 城市交通信号控制的基本概念和控制参数 7 3 1 1 基本概念 7 3 1 2 控制与评价参数 8 3 2 城市交通信号控制的分类按控制范围分类 9 4 双向绿波控制原理 10 4 1 双向绿波的提出 10 4 1 1 干线交通控制的基本概念 10 4 1 2 双向绿波的概念 10 4 2 双向绿波的控制原理 11 4 3 双向绿波控制模型分析 13 4 4 绿波协调控制设计 15 4 4 1 定时协调控制 15 4 4 2 感应式协调控制 16 5 济南纬六路实际路况分析 17 5 1 纬六路介绍 17 5 2 纬六路现状及其分析 17 5 3 纬六路设计要求 18 5 4 纬六路的道路情况 18 5 5 纬六路车流量分析 19 2 5 5 1 绿波带的最佳速度 19 5 5 2 行车安全距离的确定 19 5 5 3 车辆通行量的计量 19 6 系统的可行性设计 21 6 1 总的系统流程 21 6 2 绿波段智能控制设计 22 6 2 1 智能控制的整体流程图 22 6 2 2 双向绿波段控制 23 6 2 3 单向绿波带智能控制 26 6 2 4 双路口双向绿波段控制 26 6 2 5 双向定时控制系统 27 6 3 绿灯最短时控制 27 6 4 绿灯最短时控制 27 6 5 手动控制 28 7 绿波段 交通灯的硬软件设计 29 7 1 车流量检测装置 29 7 1 1 检测原理设计 29 7 1 2 信号转换装置 29 7 2 交通信号灯的资源分配 30 7 3plc 主要程序设计 33 结 论 43 致 谢 44 参考文献 45 山东交通学院毕业设计 论文 1 前 言 随着我国经济的发展 城市交通拥挤问题日趋严重 因此为了保障城市交通有序 安全 快速运行 提高城市路网的通行能力 实现道路交通的科学化管理迫在眉睫 十 字路口简单的双向红绿灯定时控制已经不能满足现实生活的需要 现有的城市交通灯控 制系统多为单一循环方式控制 在交通流高峰时段和低谷时段都没有区别 这样在高峰 时段会经常出现蔚为壮观的堵车现象 1 交通灯的控制可以用单片机 2 和可编程控制器 3 等来实现 现在的交通灯一般用单片机控制 控制功能强大 但存在可靠性差 维护量 大等缺点 为了适应现代社会道路车流量越来越大的实际情况 一种以微电脑技术为核 心的自动控制装置的可编程逻辑控制 plc 被广泛应用于交通灯的控制领域 而 plc 编程简单 易维护 可以随着不同场合的需要灵活改变程序以实现不同的功能需求 在 开关量顺序控制和逻辑控制方面较单片机有一定优势 且其工作可靠性高 4 本文研究的是济南纬六路多路口智能交通灯的设计 通过多路口之间的配合来实现 纬六路绿波智能交通的设计 对济南主干道纬六路的交通流现状进行了调查 通过硬件 和软件的实施和调整 形成六个路口之间的系统协调控制 达到降低路口停车率 缩短 停车延误时间 提高运行车速 减少环境污染 保证交通安全的目的 在纬六路设计路段的六个路口的各个车道均安装地感线圈 当地感线圈感应到车辆 通过的信号后 该信号通过信号转换装置转化为电压信号输入到 plc plc 控制系统通 过判断该信号的状态 经过数据处理和计算得到各路口实际的车流量数据 自动控制系 统根据各个路口实际车流量自动调节各个路口信号灯的通行状态 使各个路口的信号灯 按照一定的相位差延时启动 当从经二纬六这个路口进入到纬六路时碰到的是绿灯 那 么在它以后经过的路口都是绿灯 如果碰到的是红灯 那么它将是一路红灯 对干路上 一批相邻交叉口的交通信号进行协调配时 使得进入干路的车队按某一车速行驶时 能 不遇或少遇红灯这就是绿波带控制 本文对交通控制的背景和意义进行分析和总结 也对 plc 的发展历程和结构以及 工作原理进行了回顾和介绍 同时也对双向绿波段提出了自己的看法 对双向绿波段控 制理论进行了理论探讨和细致的分析 最后最纬六路的实际道路进行分析 最终设计了 纬六路双向绿波带智能交通控制方案 纬六路智能设计的方案 通过分时间段分别实行不同的控制方案 在交通高峰时段 实行绿灯最长时控制 在交通低谷时实行绿灯最短时控制 在其他时段实行双向绿波段 智能控制 在智能控制设计里又根据压车数量的多少来合理的分配绿灯时间 以实现方 案的最优化 韦钦钊 基于 plc 的交通信号灯控制系统设计 2 1 绪论 1 1 交通控制研究的背景和意义 近年来 随着社会经济的发展 城市化进程的加快和机动车辆的迅猛增加 城市交 通问题日益严重 在世界各国的城市中导致了交通拥挤 城市污染 能源浪费 交通事 故频发等严重的交通问题 这些都对交通提出了新的课题 目前 城市交通拥挤己造成 了不良的社会经济后果 是全球经济发展的瓶颈问题 虽然解决交通拥挤的直接有效办 法是修建更多的路桥或拓宽道路以提高路网的通行能力 5 但是修建路桥的巨额资金和 城市空间的严格限制 使这一方案的可行性大打折扣 因此如何应用先进的管理技术和 信息技术 提高交通控制和管理水平 在现有道路条件下 怎么样才能充分发挥路口的 通行效率这一课题引起了人们的高度关注 城市交通信号控制系统 6 是改善城市交通运行状况的重要途径 是智能交通系统中 的重要部分 智能交通系统是全方位解决交通运输安全和交通拥挤的有效手段 城市道 路交通组织优化 尤其是主干道交通渠化及其交通信号的协调控制 是智能交通系统的 重要组成部分 具有重要的现实意义和理论价值 现在我国城市交叉口控制所采取的大 多是单点控制方式 只有为数不多的几个大城市从国外引进了交通控制系统 然而由于 国外的控制系统不适合我国的道路特点以及维护费用较高等原因 从国外直接引进交通 控制系统是不可取的 开发适合中国道路状况的交通控制系统是解决国内道路交通问题 的根本出路 城市道路交通中 交通干路承担了大量的交通负荷 干路的交通畅通对改善整个城 市的交通状况往往具有很大作用 一条主干路的交通运行状况 将直接影响到它所涉及 的周边大片区域的道路交通状态 1 2 绿波 交通国内外研究现状 绿波交通的提出比较早 国外许多国家对这方面的研究比较深 美国 日本以及欧 洲一些国家在二十世纪五十年代就开始进行干线绿波协调控制的研究 但它们 7 一般都 是先开辟单行道 然后在单行道上实施绿波控制 因为从原理上来讲 单行道能较易实 现绿波交通 而双行道绿波交通在实现上则有很大难度 不过也取得了很多不错的研究成 果 在国内 北京继在 2005 年对二环路内 209 个红绿灯实行 绿波 通行后 2006 年 绿波 范围将扩展到三环 2005 年 南京市有 42 条道路 178 个路口采取了信号 绿 波控制 技术 两年之内 南京所有的道路将实现 绿波 智能交通 济南市已在经十 路 经七路 经二路 历山路等市区主干道近百个路口设置了 绿波带 但目前这些 应用都主要采用双向绿波交通或单行道上的绿波交通 山东交通学院毕业设计 论文 3 1 3 绿波 交通研究目的与意义 对于干线上的交通控制 是近年来国内外城市交通控制研究的热点 干线承受着整 个城市的主要交通负荷 对路口间的相位差进行有效的调节 以实现交通流合理地优化 调度 从而提高整条干线的交通流量 减少污染 城市干线交通的顺畅与否对城市的经 济发展起着重要作用 也是交通控制的主要任务 绿波 交通的主要目的与意义是 1 增加干线的车流量通行率 缓解日益加剧的城市交通拥挤 2 减少干线行驶的车辆的通行时间 3 很好地优化配时 缓解交通压力 4 保证城市交通的安全运行 5 对汽车减排和环境保护有重要作用 韦钦钊 基于 plc 的交通信号灯控制系统设计 4 2 plc 的基本介绍 2 1 plc 的基本概念 可编程控制器是计算机家族中的一员 是为工业控制应用而设计制造的 早期的可 编程控制器称作可编程逻辑控制器 programmable logic controller 简称 plc 8 它主 要用来代替继电器实现逻辑控制 随着技术的发展 这种装置的功能已经大大超过了逻 辑控制的范围 国际电工委员会 iec 先后颁布了 plc 标准的草案第一稿 第二稿 并在 1987 年 2 月通过了对它的定义 可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统 专为在工业 环境应用而设计的 它采用一种可编程的存储器 用于存储程序 执行逻辑运算 顺序 控制 定时以及计数与算术操作等面向用户的指令 并通过数字或模拟式 i o 控制各种 类型的机械或生产过程 可编程控制器及其有关外部设备 都按易于与工业控制系统联 成一个整体 易于扩充其功能的原则设计 2 2 plc 的主要特点 1 可靠性高 抗干扰能力强 高可靠性是电气控制设备的关键性能 plc 由于采用现代大规模集成电路技术 采 用严格的生产工艺制造 内部电路采取了先进的抗干扰技术 具有很高的可靠性 2 控制系统结构简单 通用性强 在 plc 控制系统中 只需要在 plc 输入 输出端子上接入相应的信号线即可 不需 要连接如继电器之类的低压电器和大量而又复杂的硬件接线线路 大大简化了控制系统 的结构 3 编程方便 易于使用 plc 作为通用工业控制计算机 是面向工矿企业的工控设备 它接口容易 编程语 言易于为工程技术人员接受 4 体积小 维护操作方便 plc 体积小 重量轻 便于安装 不需要专门的机房 可以在各种工业环境下直接 运行 2 3 plc 的结构及其工作原理 2 3 1 plc 的基本结构 plc 专为工业现场而设计 采用了典型的计算机结构 它主要由 cpu 电源 存储 器和专门设计的输入 输出接口电路等组成 1 中央处理器 cpu 山东交通学院毕业设计 论文 5 中央处理器 cpu 一般由控制器 运算器和寄存器组成 它们都集成在一个芯片内 cpu 通过数据总线 地址总线和控制总线与存储单元输入 输出接口电路相连接 用户 程序和数据事先存入存储器中 当 plc 处于运行状态时 cpu 按循环扫描方式执行用 户程序 2 存储器 plc 的存储器包括系统存储器和用户存储器两个部分 3 输入 输出接口单元 plc 的输入和输出信号类型可以是开关量 模拟量和数字量 4 扩展接口和通信接口 plc 具有扩展接口和通信接口的能力 可以将扩展单元和功能模块与基本单元相连 还可以和监视器打印机相连 从而使 plc 功能更加完备 5 电源部分 plc 一般使用 220 交流电源 内部的开关电源位于 plc 的中央处理器 存储器等 中 电路提供 5v 12v 24v 等直流电源使 plc 能正常工作 6 编程设备 编程设备的作用是供用户进行程序的编制 编辑 调试和监视 7 其他部件 有些 plc 还可以有 eprom 写入器 存储器卡等其他外部设备 用于增强 plc 的 存储容量和扩展功能 2 3 2 plc 的工作原理 当 plc 投入运行后 其工作过程一般分为三个阶段 即输入采样 用户程序执行 和输出刷新三个阶段 9 完成上述三个阶段称作一个扫描周期 1 输入采样阶段 在输入采样阶段 plc 以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据 并将它们存入 i o 映象区中的相应得单元内 输入采样结束后 转入用户程序执行和输出刷新阶段 如果输入是脉冲信号 则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期 才能保证在任何情 况下 该输入均能被读入 2 用户程序执行阶段 根据 plc 梯形图程序扫描规则 plc 以先左后右 先上后下的步序逐句扫描 当 指令中涉及输入 输出时 plc 从输入映像寄存器中读入上一阶段采入的对应输入端子 状态 从输出映像寄存器读入对应输出映像寄存器的当前状态 然后 进行相应的运算 运算结果在存入元件映像寄存器中 对元件映像来说 每一个元件的状态会随程序的执 行过程而变化 3 输出刷新阶段 当扫描用户程序结束后 plc 就进入输出刷新阶段 在此期间 cpu 按照 i o 映像 韦钦钊 基于 plc 的交通信号灯控制系统设计 6 区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路 再经输出电路驱动相应的外设 这时 才是 plc 的真正输出 2 4 plc 的应用及发展趋势 目前 plc 在国内外已广泛应用于钢铁 石油 化工 电力 建材 机械制造 汽 车 轻纺 交通运输 环保及文化娱乐等各个行业 10 目前 plc 正在向高速度 大容 量方向发展 向超大型 超小型两个方向发展 向大力开发智能模块 加强联网通信能 力方向发展 向增强外部故障的检测与处理能力方向发展 向编程语言多样化方向发展 山东交通学院毕业设计 论文 7 3 城市交通信号控制基本理论 3 1 城市交通信号控制的基本概念和控制参数 3 1 1 基本概念 1 交通流量 单位时间通过道路或某一车道指定地点或断面的车辆数 如小时交通量 十五分钟 交通量等 2 饱和流量 在一次连续的绿灯信号时间内 进口道上一列连续车队能通过进口道停车线的最大 流量 交叉口进口道饱和流量是衡量交叉口放行能力的重要指标 3 饱和度 是指某一相位时间内 实际进入交叉口进口道 j 的交通流量 qi 与该进口道的饱和 流量 si的比值 计算公式为 i ij i s q x 3 1 饱和度是交叉口信号控制的重要技术参数 是衡量路口阻塞程度的一个重要度量 4 通行能力 通行能力指在一定的道路交通条件下 某一路段单位时间内通过断面的最大车辆数 它表征了道路交通设施处理交通的能力 计算公式 c gs n e 3 2 其中 n 为进口道的通行能力 c 为周期时长 ge为有效绿灯时间 s 为饱和流量 各进口道的通行能力之和为整个交叉口的通行能力 5 相位差 在信号控制交叉口 在周期时间内按需求人为设定的 同时取得通行权的一个或几 个交通流的序列组称为相位 对于一个交叉路口 根据实际情况可以设计为两相位 三 相位或者更多相位 图 3 1 为典型两相位信号交叉口 南北向为第一相位 东西向为第 二相位 韦钦钊 基于 plc 的交通信号灯控制系统设计 8 图 3 1 两相位控制方案 fig 3 1 the two phase control scheme 3 1 2 控制与评价参数 1 周期 周期是指某主要相位的红灯启亮始到下次红灯再次启亮的一段时间 也可定义为信 号灯各种灯色显示时间之总和 即各种灯色轮流显示一次所需的时间 在基本的信号配 时中 周期时长与许多因素直接相关 如车辆延误 饱和度 交叉口通行能力等 周期 是交通信号关键控制参数 它的确定对交叉口起决定性的效果 信号周期长度一般不小 于 36 秒 一般不超过 150 秒 否则在交叉口处的车辆延误急剧增加 2 绿信比 绿信比是一个相位的有效绿灯时间除以周期时长来得到的 用 a 表示计算公式 c g a e 3 3 式中 c 为周期长 ge为有效绿灯时间 有效绿灯时间是指在一个相位中 车辆能够最大利用通行的绿灯时间 最小有效绿 灯时间一般不小于 5s 合理的绿信比 能够提高交叉口时空利用率 增加交叉口的通行 效率 增加通过交叉口的交通流量 减少延误 所以绿信比的小对于疏通交通流和减少 车辆在交叉口的延误有举足轻重的作用 3 相位差 11 相位差分为绝对相位差和相对相位差 它是指在两个相邻的信号交叉口中 并且它 们的周期相同 两个交叉口相同相位绿灯 或红灯 开始时间之差 相位差是城市主干道 群信号协调控制的一个重要控制变量 协调控制配时参数优化的计主要基于交叉口之间 的相位差 绝对相位差是指各个信号的绿灯或红灯的起点或终点相对于某个标准信号绿灯或 北 山东交通学院毕业设计 论文 9 红灯的起点或终点的时间之差 相对相位差是指相邻两信号的绿灯或红灯的起点或终点 之间的时间之差 相对时差则为道路沿线两个交叉口信号绝对时差之差 3 2 城市交通信号控制的分类按控制范围分类 城市交通信号按控制范围可分为三类 单点控制 干线控制 面控方式 1 单点控制 单点控制是指 对某个交叉路口的信号控制不考虑其周围的交叉路口信号控制情况 而只考虑该交叉路口本身而设置的控制方式 一般情况下 单点控制通常适用于相邻信 号灯间距较远 同时线控和面控实施效果微弱的交叉路口 2 干线控制 干线控制是指考虑到交通干线上连续的交叉路口信号灯的相互影响关系 而采取协 调控制方式 其目的是降低车辆通过这些交叉路口时遇到的红灯次数 进而减少车辆的 停车次数 减少车辆通过干线的延误时间 最终提高城市主干道的通行能力 干线控制是通过对可以协调控制几个信号灯设定共用的周期时长 同时以交叉路口 之间的距离为依据 确定各信号灯对于干线主道上绿灯信号开启的时间差 即相位差 这样 车辆通过第一个路口后 以一定的速度行驶到第二个路口的时候 遇到的也是绿 灯 依次继续下去 车辆有如运行在没有红灯控制的状态下 减少了车辆应停车与启动 的次数和延误时间 提高车辆行驶速度 进而提高道路通行能力 保证城市主干道的交 通高效畅通 相对于单点控制 干线控制的最大优势就是使得干线上的车辆沿着绿波带 以脉冲的形式无阻地通过连续的交叉路口 达到减少车辆通过这些交叉路口时遇到的红 灯次数的目标 交叉路口采用点控还是线控目前还没有固定的标准 一般来说 可根据如下情况进 行综合判断 相邻交叉路口间距越小 线控的必要性越大 交通量 干线主道方向 越多 线控的必要性越大 3 面控方式 面控方式又称为区域控制 它是指对城市或城市的一个区域上的所有信号灯采用综 合性协调控制 该控制方法以车辆通过控制区域而产生的总损失 即总的停车次数 总 延误 总的油耗等作为面控的衡量指标 通过对区域所有的信号灯进行协调配置 而尽 量减少车辆通过控制区域的总损失 提高交通控制区域的通行能力 韦钦钊 基于 plc 的交通信号灯控制系统设计 10 4 双向绿波控制原理 4 1 双向绿波的提出 4 1 1 干线交通控制的基本概念 干线交通控制主要是对一条主干线 12 也就是说有若干交叉口的交通控制如图 4 1 所 示 其中的主干线和次干线都标上在图中 次干道 次干道 次干道 次干道 主干道 图 4 1 干线交通示意图 fig 4 1 map main traffic 在干线交通控制中 把整个干线当着一个系统 此时的干线控制中的一些参数是同 一的 如各个交叉口的交通信号周期是一样的 并且建立的信号配时也是相互联系的 干线交通的控制是在点控制思想上发展起来的 对干线的交通配时就要考虑干线的各个 交叉口的交通状况 而在主干线上行驶的车辆也受主干线的一些因素影响 如干线的设 施 行驶车辆的相互干扰 交叉口处的交通灯等等 干线交通控制系统形成也是有一定条件的 主要有以下几个因素需要考虑的 1 道路的运行方式 即干线是单向还是双向通行的 2 交通流量的变化情况 在这主要是交叉口处的交通流量和干线上的车流方向 上不均匀 双向而言的 3 干线交叉口之间的距离 4 干线上对速度的限制 4 1 2 双向绿波的概念 绿波带 13 控制交通中 信号灯多点控制技术 的一种形象化说法 即在一个交 通区域或一条交通干线上实行统一的信号灯控制 将纳入控制范围的信号灯全部归入计 算机控制系统 并使用先进的计算方法 根据车流量来科学合理地指挥交通 从被控制 山东交通学院毕业设计 论文 11 的主干线各交叉口的灯色来看 绿灯就像波浪一样滚滚向前 故被形象地称为 绿波带 双向绿波协调控制实际上就是把主路上所有交叉口的交通信号进行协调配时 使得进入 主路的双向车队按某一设计车速行驶时一路绿灯 大大减少停车率 从而实现道路交通 分布均衡 稳定和畅通 并明显改善主路的交通状况 为了便于实现干线交叉口信 14 号的协调控制 对于干线上的所有交叉口 都采用共 同的周期长度 而对于少数交叉口 也可采用不同的周期 但必须与共同周期成倍数关 系 本文研究的干线交叉口是具有相同信号周期的 所谓干线交叉口的最佳共同周期c 就是在负荷最高的关键交叉口所需的最佳周期长度 通常的研究都是考虑单方向的绿波控制 本文研究的是双向的绿波控制 15 车辆在干 线上双向行驶时都尽量是以很小的延时和很少的停车次数通过各交叉口 形成绿波带 4 2 双向绿波的控制原理 如图 4 2 实线表示从 a 到 g 的车流 其起始时间分别为 x1 x2 x6 虚线表示 从 g 到 a 的车流 其起始时间分别为 y1 y2 y6 t i 表示路段的经过时间 b c d e a f g 图 4 2 路口分布图 fig 4 2 distribution of intersection 101 txx 4 1 2102 ttxx 4 2 32103 tttxx 4 3 432104 tttxxt 4 4 5432105 ttttxx t 4 5 65432106 tttttxx t 4 6 另外 601 tyy 4 7 5602 ttyy 4 8 45603 tttyy 4 9 韦钦钊 基于 plc 的交通信号灯控制系统设计 12 345604 ttttyy 4 10 2345605 tttttyy 4 11 12345606 ttttttyy 4 12 现在假设所有路口的周期相同 都为时间 z 00 xy 4 13 我们假设两个车流在路口 d 相遇 那么来看路口 d 的不同车流所要求实现 绿波 带 的起始时间 32103 tttxx 4 14 45603 tttyy 4 15 情况一 假设两车同时相向 由公式 4 13 4 14 和 4 15 可知 要想实现 d 路口 两个车流同时是 绿波带 那就必须要求 33 yx 4 16 也就是要求 456321 tttttt 4 17 分析上面公式 明显可以看出 由于路段长度不一致 公式无解 也就是说 两个 车流 不可能同时实现 绿波带 情况二 假设两车相向 但是不同时 由于 qx 00 y 4 18 q 为两车起步时间差 那么 32103 tttxx 4 19 45603 tttyy 4 20 要想实现 d 路口两个车流同时是 绿波带 那就必须要求 33 yx 4 21 也就是要求 qtttttt 456321 4 22 q 为两车起步时的相位差 分析上面公式 也明显可以看出 公式无解 也就是说 两个车流 当个路段的距离不相等时 不可能同时实现 绿波带 同理可得出 双向 绿波带 的实现 其必要条件是 各路段的长度都是相等的 山东交通学院毕业设计 论文 13 济南市纬六路各路口的长度基本都是一致的都在 180m 左右 因此符合双向绿波的 条件可以实现双向绿波 4 3 双向绿波控制模型分析 如图所示 某辆车在干道上由西向东行驶至 r1交叉口 当 r1交叉口干道方向信号 灯为绿时 该车通过 r1交叉口 经过一段时间到达 r2交叉口 如果 r2交叉口干道方向 信号灯也为绿通行状态时 该车将无须停留就可继续通过 r2交叉口 再经过一段时间 后到 r3交叉口 如果该干道无论对由西向东还是由东向西行驶的车辆来说 在各个交 叉口都不需停留就可连续通过 则该干道就实现了 绿波 信号控制或绿波带 这是一种 理想状态 在实际应用中将受到很多因素的制约 图 4 3 道路模型 fig 4 3the road model 以三个交叉口为例来建立实现干道双向绿波信号控制的相关公式 设交叉口 r1至 r2路段的平均车速为 v1 交叉口 r2至 r3路段的平均车速为 v2 r1 r2和 r3交叉口信 号周期为 t1 t2和 t3 l1 l2分别为相邻交叉口的距离 y1 y2和 y3分别为 r1 r2 和 r3交叉口的车辆延误时间 设 r1交叉口的信号控制机为主控制机 为了使通过 r1 交叉口的车辆分别按车速 v1和 v2行驶到 r2 r3交叉口时无需停留就可连续通过 各 交叉口干道方向绿灯启亮时间关系如表 所示 同样 为了保证分别按车速 v2和 v1反 向行驶而来的车辆到达 r2 r1交叉口时也无需停留就可连续通过各交叉口干道方向绿 灯启亮时间关系必须如表 4 1 所示 西r1r2r3东 l1l2 韦钦钊 基于 plc 的交通信号灯控制系统设计 14 表 4 1 绿灯启亮时间表 tab 4 1 the green light turns on schedule 行驶方向 路口 1 r交叉口绿灯启亮 时间 2 r交叉口绿灯启亮时间 3 r交叉口绿灯启亮时 间 正向 由西向东 t 1 1 1 y y l t 21 2 2 1 1 yy v l v l t 反向 由东向西 321 2 2 1 1 yyy v l2 v 2 t l 321 2 2 1 1 2 v l tyyy v l 21 2 2 1 1 yy v l v l t 由表可求得各相邻交叉口的正向绿时差分别为 1 1 1 12 y v l t 4 23 2 2 2 23 v l ty 4 24 其中 t12 t23分别为 r1和 r2交叉口之间和 r2 r3交叉口之间的绿时差 y1 和 y2分别为 r1 r2交叉口和 r2 r3交叉口的平均车辆延误时间 由于 r2交叉口在 1 1 v l t 和 v l2 v l t 2 2 1 1 时刻绿灯启亮 则 r2交叉口信号周期必须 满足公式 2 3222 2 2 t mv yyvl 4 25 其中 m 取正整数 每次以三个交叉口类推 即可求出各个交叉口的最佳信号周期 t 以及本交叉口到下 一交叉口的绿时差 t 分别为 mv yyvl2 t ns 4 26 y v l t 4 27 其中 m 取正整数 l 为本交叉口到下一交叉口的距离 v 为车辆从本交叉口行驶 山东交通学院毕业设计 论文 15 到下一交叉口的平均车速 ys为本交叉口的车辆延误时间 yn为下一交叉口的车辆延 误时间 y 为本交叉口与下一交叉口的平均车辆延误时间 绿时差 t 为相邻两交叉 口的绿灯时间中点时刻的差值 由上面的公式可推知 当各交叉口间的距离相等且各路段的车速都为 v 时 各个交 叉口的信号周期就相同 此时 如果按车速 v 行驶的车辆从上一个交叉口行驶到下一个 交叉口所需的时间正好是信号周期一半的整数倍时 双向绿波信号控制可获得理想的效 果 下面讨论两种特殊交叉口的情况 1 相邻两交叉口间的距离很小时 可以把相邻两交叉口看作一个交叉口采用同步配 时的方案 绿灯亮灭时刻相同 2 各相邻交叉口间距离虽然不相等但是相差也不大时 这时可以将它们看作近似相 等来处理 各交叉口采用相同的信号周期 各路段采用相同的车速 绿波信号配时方案在实施之后 应当经常检测各项交通指标 如平均延误时间 车 辆排队长度等 是否达到了预期的效果 如果效果不理想 应根据现场调查的各项交通 数据 如平均车速 干道交通流量等 重新确定配时方案 4 4 绿波协调控制设计 4 4 1 定时协调控制 协调控制是通过对各个交叉口的交通灯 进行连锁控制和延时实现的 对不同的街 道其协调方式不一样 1 单向交通街道 单向交通街道 或者双向交通量相差十分悬殊时 只要照顾单向交通信号的协调 相邻各交叉口信号间的时差可按式 3600 v s of 4 28 式中 of 相临信号间的时差 s s 相临信号间的间距 km v 线 控系统车辆可连续通行的车速 km h 2 双向交通街道 双向交通街道的信号协调控制 在各交叉口间距相等时 比较容易实现 且当信号 间车辆行驶时间正好是线控系统周期时长一半的整数倍时 可获得理想的效果 双向交 通信号的协调方式可有三种 同步协调控制 在同步式协调系统中 连接在一个系统中的全部信号 在同一时刻 对干道上的车 流显示相同的灯色 车辆在相临交叉口间的行驶时间等于信号周期时长时 即相邻交叉 口的间距符合关系式 4 29 时 这些相临交叉口正好可组成同步式协调控制 联动的 相邻信号灯呈现同步显示时 车辆可连续通过相临的交叉口 韦钦钊 基于 plc 的交通信号灯控制系统设计 16 3600 vc s 4 29 式中 c 系统周期时长 s 其余符号意义同前 这种系统 由于前方显示全 是绿灯而有导致驾驶员加速赶绿灯的缺点 因此这种系统在使用条件上有很大的局限性 所以甚少单独采用 交互式协调控制 在交互式协调系统中 连接在一个系统中相邻交叉口的信号 在同一时刻 显示相 反的灯色 车辆在相邻交叉口间的行驶时间等于信号周期长的一半时 采用交互式协调 系统 车辆可连续通过相临的交叉口 即相邻交叉口间距符合式 4 27 时 可采用交 互式系统 36002 vc s 4 30 式中 符号意义同前 与同步系统一样 这种系统的适用性受到很大的限制 也 甚少单独采用 3 续进式协调控制 续进式协调控制系统 根据路上的要求车速与交叉口的间距 确定合适的时差 用 以协调各相临交叉口上绿灯的启亮时刻 使在上游交叉口上绿灯启亮后开出的车辆 以 适当的车速行驶 可正好在下游交叉口绿灯启亮时刻到达 如此 使进入系统的车辆可 连续通过若干个交叉口 续进式协调控制系统又可分为以下几种类型 简单续进系统 只使用一个系统周期时长和一套配时方案 使沿干道车队可在各交 叉口间以设计车速连续通行 车速在各个不同路段 可随各相邻交叉口间距而有所改变 多方案续进系统 是简单续进系统的改进系统 在为干线信号系统确定配时方案时 往往会遇到交通流变化的问题 一个给定的配时方案对应于一组给定的交通条件 当这 些条件发生变化时 这个配时方案就不能适应 一般配时系统 至少可提供三种配时方 案 上午高峰 非高峰 下午高峰 4 4 2 感应式协调控制 在干道上交通量相当小的情况下 为确保干道少量车辆的连续通行 而维持干线协 调控制 这时产生的总延误可能比单点信号控制要大 为避免这一缺点 在协调控制时 采用感应式信号控制机 并配以车辆检测器 如果检测器检测到的交通量比较多 主控 制机打开 实行协调控制 如果测得的交通量较少 各交叉口各自独立是使用单点信号 控制 这样的控制方式叫做感应式协调控制 它又包括半感应信号机协调控制系统 全 感应信号机协调控制系统和关键交叉口感应式协调控制系统 山东交通学院毕业设计 论文 17 5 济南纬六路实际路况分析 5 1 纬六路介绍 纬六路北起经二路 南至经七路 全长 918 米 是济南城市的主干道同时也是济南 市道路 三纵三横 路网布局中的 三纵 之一 济南市纬六路道桥南侧有经二 三 四 五 六 七共六个南北向的交通路口如图 5 1 特点是 路口多 路口间距短 只 有经二 七两个路口允许左转 南北向非常容易压车 图 5 1 纬六路实际道路图 fig 5 1 weft six road real road map 5 2 纬六路现状及其分析 根据市民反映并经过实地调查发现 纬六路上车辆太拥挤了 上午 9 点时 远远看 韦钦钊 基于 plc 的交通信号灯控制系统设计 18 去 纬六路上的 车龙 根本看不到头 压车近五百米 车辆只能一点点向前走挪动 到了 10 点多 虽然已过交通高峰期 但自经二路至经七路的纬六路段 南北方向通行 仍不顺畅 车速非常慢 纬六路交通拥挤的原因一是沿线路口太多 据交警反映 由于该区域位于老城区 先天的路网结构不合理 自经二路至经七路的纬六路段 一共有 6 个路口 有的路口之 间相隔也就在百米左右 每个路口 都要兼顾东西方向上的人流 车流 如此路口密度 肯定影响车速 二是由于纬六路上有省立医院 每天看病的本地和外地市民众多 车辆 进出 停放也影响着路上车辆的行驶 三是经七纬六路口形成的丁字路口 阻碍了南向 车流的运行 进一步造成了纬六路交通拥挤 5 3 纬六路设计要求 济南市纬六路道桥南侧有经二 三 四 五 六 七共六个南北向的交通路口 特 点是 路口多 路口间距短 只有经二 七两个路口允许左转 南北向非常容易压车 试根据不同时段 日期的路况设计信号 1 干道有一组红 黄 绿三色的指示灯 指 挥车辆和行人安全通行 红灯亮禁止通行 绿灯亮允许通行 黄灯亮提示人们注意红 绿灯的状态即将切换 且黄灯燃亮时间为东西 南北两干道的公共停车时间 南北道比 东西道的车流量大 2 经二 七有左转向灯 3 南北向有 绿波段 的控制效果 4 有手动控制 图 5 2 纬六路要求相位图 fig 5 2 weft six road requirements phase diagram 5 4 纬六路的道路情况 纬六路绿波带方向 纬六路逆绿波带方向 经三路经四路经二路 经五路 经六路经七路 山东交通学院毕业设计 论文 19 表 5 1 道路长度数据表 tab 5 1 road length 路口 与下一路口的距离 m 道路宽度 m 经二纬六路口 183 15 经三纬六路口 180 15 经四纬六路口 180 15 经五纬六路口 190 15 经六纬六路口 185 15 经七纬六路口 15 经二纬六 经七纬六路口 918 15 通过数据可以得知 各路口间隔较短 但是各路口间的距离较为平均 又通过对具 体道路的实地勘测 发现经七路又是个 t 字型路口 并且车流量还很大 所以经七路路 口在本次设计中是个重要的路口 5 5 纬六路车流量分析 5 5 1 绿波带的最佳速度 纬六路规定最高行驶速度是 50km h 但是在这条路上由于交通拥挤造成汽车的行 驶速度还不超过 20km h 这样会导致车流减速 直接影响交通顺畅 降低道路资源的 使用率 还会造成环境污染 通过调查发现要缓解纬六路道路拥挤的状况 实现绿波带 的智能交通就必须把车速提高到 40km h 以上 又参考国内外智能交通的实例 结合纬 六路自身的特点 因此 42km h 是实现双向绿波带的最佳速度 5 5 2 行车安全距离的确定 假设在纬六路上进入绿波带的汽车都以最佳速度行驶 车辆的行驶速度是 42km h 考虑到刚一绿灯人的反应时间 汽车的起步 道路状况 还有其他的不确定的因素按 10 进行折算 车辆的安全行驶距离由刹车距离模型公式 5 1 可以求出 2 v055 0v218 1d 5 1 由上公式可得出汽车的行车安全距离是 19m 车辆的平均长度是 4m 所以单车行 驶占用的长度是 23m 5 5 3 车辆通行量的计量 智能控制是本次设计的核心 通过车流量的大小进行调控 对车辆通过道路的需求 量是通过地感线圈进行需求采集的 将车辆通过需求量传送给 plc plc 根据车辆的多 少来调整时间 对车辆通行需求量的采集是在本车道红灯时对该车道压车数量进行采集 韦钦钊 基于 plc 的交通信号灯控制系统设计 20 采用红灯时道路压车数量作为道路交通拥挤状况的参考值能反映此时绿灯长短的需求 量 从而做到按需分配绿灯时间 对车辆计数采用红灯时的压车数量筛选出各个路口中 压车数量最多的路口的压车辆为参考值 plc 通过此参考值进行绿灯亮灭的实时调整 在进行一个绿波带可以允许多少辆车通过时 应该按照两个最短路口的距离进行计 算 让这段距离内所有的车辆依次排开从这个红绿灯到那个红绿灯 车与车之间按照安 全距离行驶 这样在一个绿波带内通过 8 辆车是最优的方案 山东交通学院毕业设计 论文 21 6 系统的可行性设计 6 1 总的系统流程 对于纬六路而言各个不同的时段车流量的情况是不同的 每天的 23 00 到次日的 7 00 是车流量比较少的路段 交通压力不大 对纬六路的通行量要求不是很大 南北和东 西方向的车流量相差不大 因此采用绿灯最短时间控制 即南北和东西各亮 15s 每天 的 7 00 10 00 是早高峰时段 17 00 20 00 是晚高峰时段 在这个时段纬六路压车 特别严重 一个红灯时间压车数量一个车道能达到 50 辆之多 这时绿波段控制已经失 去了控制作用 因为绿波段智能控制是一种理想的情况 在车速 42km h 压车数量为 8 辆左右时实行的一种智能控制 而此时压车数量已经严重超出了它的可承载能力 绿波 段智能控制失去作用 此时应该实行复杂的多级协调控制机制 其他的时段纬六路上的 车流量能满足绿波段智能控制的条件 因此实行绿波段智能控制 系统总的流程图如图 6 1 图 6 1 总流程图 fig 6 1 overall flow chart 开始 手动模式开 23 00 到次日 7 00 7 00 到 10 00 17 00 到 20 00 定时控制 手动模式 手动结束 绿灯最长控制 智能控制 韦钦钊 基于 plc 的交通信号灯控制系统设计 22 6 2 绿波段智能控制设计 6 2 1 智能控制的整体流程图 设计绿波段的最佳压车数量是 8 考虑到实际情况以及 plc 的智能控制将设计绿波 段的压车数量的下限定为 6 而上限考虑到有从东西方向拐到本车道时 其本身就具有 一定的初速度 因此将上限定为 10 在压车数量小于 10 范围内实行的都是双向绿波智 能控制 不同的只是绿灯亮的时间 当某一侧的压车数量在 10 到 20 之间时时此时已经 超过智能控制的范围 但是可以把相邻的路口重新