（电力电子与电力传动专业论文）基于plc的交通十字路口模糊控制.pdf

浙江大学硕士学位论文( 同等学历) 基于p l c 的交通十字路口模糊控制 a b s t r a c t t h em u n i c i p a lt r a n s p o r t a t i o ns i g n a lc o n t r o li st h r o u g ht h ea d j u s t m e n t , t h ew a r n i n ga n dt h e i n d u c t i o nw h i c hf l o w st ot h et r a n s p o r t a t i o na c h i e v e di m p r o v e st h ep e r s o na n dt h ec a r g os a f e t r a n s p o r t a t i o n ，e n h a n c i n gt h eo p e r a t i o ne f f i c i e n c y a tp r e s e n t , o u rc o u n t r ym a j o r i t yc i t i e sh a v e a l r e a d ye s t a b l i s h e dt h em a n yk i n d so ft r a f f i cs i g n a lc o n t r o ls y s t e m ，a tt h es a m et i m e ，t h er o a d i n t e r s e c t i o ns i m p l ep o i n ts i g n a lc o n t r o lw a ss t i l lt h em a i ns i g n a lc o n t r o lw a y , t i m e dc o n t r o l o c c u p i e sp r o p o r t i o nb i g g e r , u n d u l a t e sab i g g e rr o a di n t e r s e c t i o ni ns o m et r a f f i cf l o w s ，t or e a l i z e t h es i g n a lf u z z yc o n t r o lt ob ei m m i n e n t t r a n s p o r ts y s t e mi sar a n d o mn a l 岍乜a m b i g u i t ya n du n c e r t a i n t yo fc o m p l e xs y s t e m s ，t h e e s t a b l i s h m e n to fm a t h e m a t i c a lm o d e l sv e r yd i f f i c u l ta n ds o m e t i m e si m p o s s i b l et ou s ee x i s t i n g m a t h e m a t i c a lm e t h o d sd e s c r i b e d e a r l ys i g n a l sc o n t r o li s r e g u l a r l yu s e db yt h ep r o c e s so f e l i m i n a t i o n ，t h em o s ta d a p t i v es i g n a lc o n t r o li su s e d ，i tn e e d sm a t h e m a t i c a lm o d e l ，w i t h o u t c o n s i d e r i n gt r a f f i cd e l a y s ，n u m b e ro fs t o p s t h e r e f o r e ，i ti s d i f f i c u l tt ob es a t i s f i e dw i t ht h e c l a s s i c a lc o n t r o ll a wr e s u l t s a n dv a g u ec o n t r o li sam a t h e m a t i c a lm o d e lt oc o n t r o lm e t h o d s ，i tc a n i m i t a t ee x p e r i e n c e dp o l i c ed i r e c t i n gt r a f f i c ，i d e a s ，a c h i e v eg o o dc o n t r o lr e s u l t s i nr e c e n ty e a r s m a n yo fo u rs c h o l a r sh a v ed i f f e r e n ti d e a so fi n d i v i d u a lj u n c t i o n ，t r a f f i cc o n t r o lr o u t ev a g u e s t u d i e d ，b u tt h el i m i t a t i o n so ft h et h e o r ya n dr e s e a r c hs c h o l a r s ，t h ef e wp r a c t i c a la p p l i c a t i o n s ， b a s e do nt h i sa c h i e v e m e n tt r a f f i cs i g n a l sv a g u ep l cc o n t r o ls y s t e m a c c o r d i n gt od e t e r m i n es i g n a ld i s t r i b u t i o na n df l o wo ft h ec o n t r o ls y s t e mv a g u et h e o r e t i c a l r e s e a r c hr e s u l t s ，t h ea c h i e v e m e n to fi n d i v i d u a li n t e r s e c t i o n sw i t ht r a f f i cl i g h t sb l u rp l cc o n t r o l m e t h o d sf o ri n d i v i d u a lc r o s s r o a d s4p h a s eo f t r a f f i cl i g h t s ，f o re x a m p l e ，t h ep l c 舔a na m b i g u o u s s i g n a lc o n t r o l l e r su s i n gl a d d e rp r o g r a m m i n g t h r o u g he x p e r i m e n t st h a tt h er e l i a b l eo p e r a t i o no ft h es y s t e mt oav a g u eu n d e rd i f f e r e n t t r a f f i cc o n t r o ld e c i s i o n - m a k i n g ，o p t i m i z es i g n a ld i s t r i b u t i o n , w h i c hc a ne f f e c t i v e l ys o l v et r a f f i c i m b a l a n c e ，i n s t a b i l i t yb r o u g h t k e yw o r d s t r a f f i cc o n t r o ls i g n a l s ，l a d d e r , f u z z yc o n t r o l ，p l c ，h a r d w a r er e a l i z e i i 浙江大学硕士学位论文( 同等学历) 基于p l c 的交通十字路口模糊控制 第一章绪论 1 1交通信号灯的产生 自从有铁路以来，就出现了为沿某段轨道行驶的列车显示是否安全的信号 了。 1 8 6 8 年，发明家j p 奈特产生了将这些信号应用在道路的想法。他在伦 敦的议会大楼外设置了第一个交通信号。它们像铁路信号一样有一个倾侧臂，并 且将红色和绿色的煤气灯组合起来供夜晚使用的。然而，当某个信号灯发生爆炸 并炸死了一名警察后，这个计划就告吹了。 由于汽车的发明以及交通量的不断增加，交通信号日益成为一种需要，特别 是在美国。2 0 世纪初，阿尔弗雷德贝尼施开发出一种红绿灯系统，并且在俄 亥俄州的克利夫兰进行了第一批安装。4 年后，在设置于纽约的交通灯上又增加 了第3 种颜色一琥珀色。1 9 2 5 年，交通信号重新出现在英国。 自动信号很快被开发出来。1 9 2 6 年出现了用定时器加以控制的灯。6 年以后， 又采用了由交通行列本身通过道路上的压力垫而进行操作的信号。 到1 9 0 3 年时，伦敦的交通己成问题。马车、机动车和自行车的混合状态， 大概正像如今飞速行进的汽车一样危险。 现代交通信号常常由电脑来控制。电脑与道路底下的交通检测器相连接，监 视交通流量并测算出改变灯光的最佳时间。 1 。2 城市交通现状 据一项对美国主要城市交通状况的调查结果，在1 9 8 2 年至2 0 0 0 年问，美国 城市在上下班高峰期间的交通堵塞状况不断加剧，由交通堵塞造成的时间和汽油 浪费而带来的经济损失每年高达6 8 0 亿美元。一位在美国市区驾车上班者在2 0 0 0 年全年平均在路上遇到塞车的时间长达6 2 小时。 根据欧美的经验，交通拥挤造成负面影响中，交通事故、汽油过量和时间成 本约各占三成。以广州为例来讲，现在市区平均车速只有每小时1 2 公里，而建 浙江大学硕士学位论文( 同等学历)基于p i c 的交通十字路口模糊控制 设内环路目的是使车速增加到2 2 5 公里。用这个目标速度代入欧美标准计算， 广州人为交通堵塞所付出的经济代价总值：每年耗费1 5 亿小时，减少生产总值 1 1 7 亿元。相当于该市整个生产总值的7 11 1 7 亿的庞大数字提醒我们，如果我 国的交通状况得不到根本改善，那么随着城市的不断发展，所付出的代价将更加 巨大。 我国大城市道路建设先天不足。在北美、澳大利亚等大城市，道路面积率高 达3 5 4 0 ，而北京只有2 0 。缓解交通拥堵，加快道路建设是当务之急。据悉， 到2 0 1 0 年，北京将投资5 0 0 亿元用于城市道路建设，到2 0 0 5 年，北京仅高速公 路通车里程就达到6 0 0 公里。但一味发展城市道路，也会刺激私家车超常规发展， 两者发展速度的失衡，最终还是逃不出“拥堵修路再拥堵”的怪圈。 据介绍，造成城市交通拥挤的原因有很多。中国各大城市的交通系统都存在 着不同程度的问题，据有关资料显示：北京、上海、广州三大城市与伦敦、纽约、 巴黎和东京相比，三个城市的公共交通出行比例都比国外大城市小，尤其是高峰 时段的公共交通分担率更小。由于我国城市的公共交通系统普遍不发达，因此总 体的城市交通效率不高。北京、上海和广州交通拥挤都很严重，但引起拥挤的原 因不完全一样。北京和广州的机动车保有量过多，道路负荷大，是引起拥挤的根 本原因；而上海的拥挤是因为交通量时空分布不均、机动车和非机动车混行严重 等其他原因造成的。从我国目前各大城市的交通结构看，普遍存在常规公共交通 系统发展不足，快速轨道交通系统发展滞后、自行车交通分担率过高、小汽车发 展势头强劲的不协调现象。因此，要准确认识各种交通工具各自的使用条件和服 务范围，充分发挥各种交通方式的优点，使其合理分工，才能发挥整个交通系统 的效率。 1 3解决城市交通的有效途径发展智能化交通 城市交通矛盾的日益突出，已开始影响城市的发展，为了解决这个问题，专 家提出了许多建议，如限制私人购车，增加道路宽度，建立交桥，发展城市轨道 交通等等。这些措施和办法虽然短期内也能缓解交通压力，但从长远来看，城市 的空间毕竟是有限的，这些办法除了需要大量的资金支持外，还要付出惨重的代 价。特别是像北京这样的著名历史文化古城，一味地扩展路面，不仅使古建筑和 2 浙江大学硕七学位论文( 同等学历)基于p l c 的交通十字路口模糊控制 古迹遭到破坏，也破坏了城市独有特征。那么解决城市拥堵的最科学又行之有效 的途径在哪里呢? 最行之有效的良方或许就是大力发展智能化交通。 智能化交通系统( i t s ) 是将先进的信息技术、电子通讯技术、自动控制技 术、计算机技术以及网络技术等综合运用于整个交通运输，从而实现运输方式和 交通管理的现代化。智能化交通管理体系在国外已经有了4 0 多年的发展历史， 是目前发达国家普遍采用的交通管理方式，这种方式是在发达的交通网络基础 上，应用卫星定位系统，对所辖区域的交通流量实施有效控制，使有限的交通网 络功能得到充分合理的利用，极大发挥城市的载体功能。2 0 世纪9 0 年代中期后， 欧、美发展智能化交通明显加快。主张采用智能交通系统的人士说，这种技术将 大大提高交通效率而节省大量的燃料和时间；除此之外，智能交通系统能够减少 交通事故，减少因事故造成的部分经济损失。 在与世界发达国家机动车人均拥有量差距还很大的情况下，我国一些特大城 市的交通捌堵已排在世界前列，一些特大城市的交通污染在世界上已名列前茅， 1 9 9 8 年全国交通事故死亡7 8 万人，占全世界交通死亡人数的1 6 ，死亡率世界 第一。美国有两亿辆机动车，1 9 9 8 年交通事故死亡人数不足4 万人。为了解决 这一系列的问题，一方面要增加交通设施的投入，加速交通供给的建设。更重要 的是要充分合理科学地使用现有的道路交通设施，发挥它们最大的作用，要达到 这个目的，采用i t s 是根本的措施之一。换言之，在中国推行智能交通系统，势 在必行。 在北京召开的“第二届国际智能交通系统( i t s ) 技术研讨暨技术与产品展 览会”上透露。我国将投资2 0 亿元对北京、上海、天津、重庆、广州、深圳、 济南、青岛、杭州、中山1 0 个城市进行交通智能化改造，到2 0 0 6 年，这1 0 个 城市将全部实现交通的智能化。随着经济的发展和社会进步，迅捷、高效的交通 系统已成为我国社会经济发展的有力保障，为实现与经济快速增长相适应的交通 运输体系，我国政府己将智能交通系统列为未来发展的一个重要方向。 杭州市交管局有关人士介绍，不久杭州街头将出现长“跟睛”的感应红绿灯， 该系统通过道路上的监控电视镜头、微波检测器和埋在地底下的线圈检测器采集 记录分析交通流量、车速等信息，根据这些信息发出或调整控制信号，实现信号 的优化配时，减少绿灯空放。 浙江大学硕七学位论文( 同等学历) 基于p l c 的交通十字路口模糊控制 据悉，杭州市交管局正力争在近几年内基本实现交通管理决策科学化，交通 指挥调度智能化，城市快速路网络管理智能化，交通信号控制智能化，交通管理 电子警务和电子政务，使杭州的城市道路交通管理现代化达到全国先进水平。 有关专家称，由于土地面积有限，不可能完全依赖交通基础设施来满足日益 增长的交通需求，迫切需要利用高新技术，挖掘现有交通设施的潜力。发展智能 交通，就是为杭州提供一个快速、安全、高效、便利的交通网络，满足杭州现在 和未来的需要。此外，发展智能交通对交通安全、节省能源、城市环保等方面还 有无穷妙用。 1 4国内外智能交通系统的发展情况 目前国内外对智能交通系统的理解不尽相同，但不论从何种角度出发，有一 点是共同的：智能交通系统是用各种高新技术，特别是电子信息技术提高交通效 率，增加交通安全性和改善环境的技术经济系统。臼本、欧洲等众多国家和地区 在智能交通系统方面都取得了相当大的进展，对当地交通运输效率的提高起了关 键性的作用( 见表1 - 1 ：美国、欧洲、日本同我国在i t s 发展方面的对比表) 。 从各国的发展来看，智能交通系统实质上就是利用高新技术对传统的运输系统进 行改造而形成的一种信息化、智能化、社会化的新型运输系统。它能使交通基础 设施发挥出最大的效能，提高服务质量；同时使社会能够高效地使用交通设施和 能源，从而获得巨大的社会及经济效益。它不但有可能解决交通的拥堵，而且对 交通安全、交通事故的处理与救援、客货运输管理、道路收费系统等方面都会产 生巨大的影响。 4 浙江人学硕士学位论文( 同等学历) 基于p i - c 的交通十字路口模糊控制 表i - i美国、欧洲、日本同我国在智能交通系统发展方面的对比表 国 i t s 发展程度投资规模重点发展领域预期目标 家 一是安全方面，减少交通伤亡事故和 堪称i t s 大从1 9 9 0 年到1 9 9 7 年i t s 发展较快的几个方面财产损失，到2 0 1 1 年减少交通事故达 美 国，目前智能用于智能交通( i t s )分别是车辆安全系统、电 1 5 ：二是经济效益，以可靠的信息 交通在美国的方面研究开发的年子收费高速公路与车辆管和良好的基础设施管理，保证出行时 国 应用已达8 0 度预算总计为理系统、g p s 实时自动定位间的准确性，以达到每年节省2 0 0 亿 以上。1 2 9 3 5 亿美元。系统、商业车辆管理系统。美元的目的；三是环境保护和减少能 耗。 通过近1 0 年 日本政府仅1 9 9 8 年 1 9 9 4 年1 月，日本成立“交通智能化 的规划、试点、 用于i t s 研究开发的交通信息服务系统、高速推进协会”并确定了未来3 0 年的目 日 研究与发展， 目前，日本已 顶算就高达1 6 1 亿日公路不停车收费系统、高标是：将交通事故的人员伤亡率减少 本 元。用于i t s 实用化速公路事故紧急救援系统5 0 9 6 ，消除与减少汽车尾气排放对大 经建成适合本 困国情的智能 和基础设施建设的等方面的技术较为领先。气的污染，大大减少各种车辆的燃油 顶算为1 2 8 5 亿几元。消耗和尾气判放。 交通体系。 从道路交通开始扩展到钛 欧 i t sj 赴用方血 从1 9 9 5 年覃1 9 9 8 年 路和水运，总共6 4 个课题，一是安拿性提高( 事故率减少3 0 ， 洲的进展介于h 三年间仅用于i t s 分布十交通信息服务、交人员伤亡减少4 0 等) ；二是有效性提 共同研究开发项目 通管理和控制、公共交通高( 货车延时减少2 0 ，“j 行时间节 国 本和美国之 的顶算就达2 8 0 亿欧 运输、货物集装箱运输管 省3 9 ，岛速公路平均车速提高 家 间。理、电子自动收费管理以2 1 等) ：三是环境保护( 汽油燃烧节 元。 及辅助驾驶和协同驾驶6约5 ，城区污染物减少5 0 等) 。 个方面。 周家层血尚无 中 统一规划，仍 处也：地方试点 国 和专家呼吁阶 段。 1 5交通信号灯控制的研究现状及发展趋势 1 5 i 现状 城市交通系统是一种非线性的、时变的、滞后的大系统，以往的交通控制研 究多是基于启发式的考虑，而不是基于控制理论的方法。近多年来，随着众多研 究控制理论出身的学者的加盟，使得城市交通自动控制领域的研究出现了新的思 路、新的方法。本小节就近年来交通信号控制理论的研究进展作一简述。 5 浙江大学硕士学位论文( 同等学历) 基于p l c 的交通十字路口模糊控制 l 、静态多段配时控制 静态多段配时控制是利用历史数据实现的一种开环控制，其基本设计思想源 于线性规划。它没有考虑交通需求与o d 矩阵的随机波动，没有考虑城市道路交 通流的实时进化过程，其控制能力和抗干扰能力非常有限。但就城市某一区域而 言，每日的交通状况毕竟表现出相当程度的重复性，车流的运动变化仍有一定的 规律可循。因此研究静态多段配时控制，将其作为其他控制策略的“参照系”， 或为它们提供“初值系统”还是很有意义的。如分层递阶交通控制系统的优化层 就常以该方法作为稳态优化方法。此外，这种方法简便易行，尤其适用于稳态交 通环境，颇受交通工程人员欢迎。 2 、准动态多段配时控制 准动态多段配时控制与静态多段配时控制相类似，只不过多段的划分不是以 时间为依据，而是以检测到的实时交通状态为依据。交通状态可以用交通量、占 有率、车速等交通数据的特征值来表达。被划分成的若干个交通状况分别配以不 同的优化配时。 准动态多段配时控制是一闭环控制系统。由于反馈的引入，所以系统的动态 性能比静态多时段控制有明显改善，但是又由于它的控制方式仍属于方案选择 式，所以系统动态性能的改善又十分有限，故称之为准动态系统。 3 、最优控制 城市交通控制的最优问题可表述如下： 对于满足约束条件 0 z l m a x ( 1 一1 ) 的系统 给定初始状态 0 r r a i n ，r m a x ( 1 2 ) 嗽+ 1 ) 堋一善踯棚圳) ( 1 _ 3 ) ，( o ) = l o ，( 七) = o ，v k 0 确定一个控制序列7 ( 七) ，使得以下性能指标最优 6 浙江大学硕： 学位论文( 同等学历)基于p l c 的交通十字路口模糊控制 j 2 圭荟 7 7 ( 七) q ，( 后) + ，( 后) 一r 】r r r ( 后) 一，】 ( 1 4 ) 二i = 0 f l 一4 1 其中：( 1 - 1 ) 式表示各方向排队长度，不能超过允许的上限，否则会影响上游相邻 路口的放行。( 1 - 2 ) 式表示控制变量r ( 也即绿信比) 受到最大绿灯时间和最小绿 灯时间的约束。( 1 - 3 ) 式中的，表示路网中所有支路上排队长度组成的向量：r 表 示各支路放行流量组成的向量，它与各路口的绿信比相对应，是一控制向量；b ， 是控制矩阵( i = 0 ，1 ，m ) ；a 是一个时变的车辆到达向量。( 卜3 ) 式表示：此步排 队长度是上步剩余排队长度减去此步放行长度，再加上此步到达车辆数。( 卜4 ) 式表示性能指标，它己经写成了二次型函数形式：m 为期望的控制向量，r ，q 为 加权矩阵。在( 1 - 4 ) 式中引入了控制偏差的二次函数，目的是使最优控制问题易 于求解。 如果控制系统的规模较小，控制模型维数较低，就可用极小值原理或动态规 划法对上述最优问题求解。 1 、系统递价控制 所谓大系统是指模型维数较高、空问分布较广、系统中包含多个相互关联的 子系统、系统的评价有多个性能指标的系统。若控制的路口较多时，( 卜1 ) 一( 卜4 ) 式所描述的系统即为一个大系统。由于大系统的这些特点，如果用极小值原理或 动态规划法求解将会花费大量机时，控制的实时性跟不上，甚至还会遇到数值发 散、无结果的情况。为此我们将大系统分解为若干个彼此关联的子系统，从而得 出相互关联的一些单独最优控制子问题的表述，而通过求解这些子问题，并由单 独的协调单元来处理子问题间的关联，即可实现整个大系统的最优控制。城市交 通的递阶控制一般将系统分成三个层：适应层、优化层和控制层。优化层根据实 时的车流检测信息在线计算一个被简化的( 1 - 1 ) 一( 1 - 4 ) 的最优问题，为控制层提 供稳态最优设定点。控制层将优化决策转化成控制律，利用前述分散次最优控制 器将系统状态保持在最优设定点邻域内，抑制随机干扰于微小模型误差的影响。 为了进一步增强系统的鲁棒性，弥补模型简化带来的负面影响，系统在优化层上 加设适应层，通过它跟踪慢扰并识别交通模式，以便决定是否启动在线优化。 2 、模糊控制 浙江大学硕士学位论文( 同等学历) 基于p i z 的交通十字路口模糊控制 交通系统是个具有随机性、模糊性和不确定性的复杂系统，因此其数学模 型的建立非常困难，有时甚至无法用现有的数学方法加以描述。即使经过多次简 化已建立的数学模型，它的求解还必须简化计算才能完成。所以经典控制法很难 得到满意的效果。模糊控制是一种无须数学模型的控制方法，它能模仿有经验的 交警指挥交通时的思路，达到很好的控制效果。2 0 世纪7 0 年代，p a p p i s 设计了 一个孤立交叉口的信号灯模糊控制器，效果很好。近些年来我国的许多学者也都 以不同的思路对单个交叉口、交通干线的模糊控制进行了研究。 3 、神经网络控制 人工神经网络是由大量简单的称之为神经元的处理单元以某种拓扑结构广 泛地相互联接而构成的复杂的非线性动力学系统，它是在对人脑为主要的生物神 经系统的组织结构和行为特征进行研究的基础上提出的，它侧重于对人脑某些特 定功能的模拟，强调大量神经元之问的协同作用。通过学习的方法解决问题是人 工神经网络的重要特征。由于神经网络具有很强的非线性近似能力，所以许多学 者已经把它用于交通控制的研究之中。1 9 9 1 年，n a h a t s u j i 和t e r u t o s h i 通过训 练一个神经网络使其给出某个交叉口的最优绿信比，后来又把研究工作扩展到三 个交叉口上。我国的学者徐冬玲、刘智勇等人也作过一些这方面的研究工作。 4 、网络路由控制 在现有交通模式下，出行者在出行途中很难根据实时的交通信息灵活地更改 行车路线，以最小费用到达终点。交通需求与交通供给的失配使路网资源无法得 到充分利用，严重时会导致长时间的拥挤和堵塞。路由控制是解决上述问题的有 效途径，即在某性能指标最优的意义下，为路网车辆分配路经。这主要是通过 设鼍在路网分叉点上游的可变方向标志或情报牌来实现的。路由控制是交通诱导 控制的一种，实质上是一个动态交通分配问题。从控制理论的类别划分角度讲， 它也可归结为一个非线性最优控制问题。 1 5 2 发展趋势 近年来，国内外许多专家致力于开发新的交通信号控制方法，人工智能是新 的研究方向之一，这是因为人工智能在复杂系统的定性建模和控制上卓有成效。 利用模糊控制与神经网络控制等智能控制技术进行交叉口信号灯控制能取得比 浙江人学硕士学位论文( 同等学历) 基于p l c 的交通十字路口模糊控制 定时控制与感应控制更好的效果，是今后单个交叉口信号灯控制的主要研究方 向。将模糊控制、神经网络控制和遗传算法这三者结合起来用于交叉口信号灯的 控制将有可能是今后交叉口信号控制研究的重点。 1 6 本文的主要研究内容 由于交通流量是时变的、非线性的，具有较大的随机性，并且很难建立精确 的数学模型，所以本文设计了一种根据前后相流量来决定信号灯配时的模糊控制 系统，其主要内容如下： ( 1 ) 对十字路口交通信号灯控制问题、控制系统组成等进行描述 ( 2 ) 设计两级模糊控制系统 ( 3 ) 在p l c 上编程实现此模糊控制系统 9 浙江大学硕士学位论文( 同等学历) 基于p l c 的交通十字路口模糊拧制 第二章十字路口信号控制的基本理论和方 法 2 1 交通信号 在道路上用来传递具有法定意义指挥交通流通行或停止的光、声、手势等， 都是交通信号。 交通信号是在空间上无法实现分离原则的地方，主要在平面交叉口上，用来 在时间上给交通流分配通行权的一种交通指挥措施。道路上常用的交通信号有灯 光信号和手势信号。灯光信号通过交通信号灯的灯色来指挥交通；手势信号则由 交通管理人员通过法定的手势动作做姿势或指挥棒的指向来指挥交通。交通信号 灯用轮流显示不同灯色来指挥交通的通行或停止。手势信号现在仅在交通信号灯 出现故障或在无交通信号灯的地方使用。 2 2信号灯的含义 随着信号灯的发展，各国使用的信号灯存在不同的差别，各自给信号灯赋予 不同的含义，使国际间的交通往来发生很多混乱，在各方呼吁下，1 9 6 8 年，联 合固综合各式各样对交通信号灯含义的规定，做过一个基本统一的规定。在这一 规定的基础上，1 9 7 4 年，欧洲1 8 个国家加上美国、加拿大、澳大利亚、日本等 国召开联席会议，协议商订了欧洲道路交通标志和信号协定。并要求各国在 协议生效后1 0 年内，逐步统一使用上述信号规定。 l 、欧洲协议规定信号灯的含义 ( 1 ) 绿灯。表示车辆可以通行，在平面交叉口，面对绿灯的车辆可以直 行、左转或右转，左右转弯车辆必须让合法通行的其它车辆和人行横道内 的行人先行。 ( 2 ) 红灯。表示不许车辆通行，面对红灯的车辆不能超过停车线。 ( 3 ) 黄灯。表示即将亮红灯，车辆应该停止。除非黄灯刚亮时，已经接 近停车线，无法安全制动的车辆可以开出停车线。 ( 4 ) 闪灯。红闪灯表示车辆不准通行。黄闪灯或两个黄灯交替闪亮，表 l o 浙江大学硕士学位论文( 同等学历) 基于p l c 的交通十字路口模糊控制 示车辆可以通行，但必须特 l l d , , b 。 ( 5 ) 箭头灯。绿色箭头灯，表示车辆只允许沿箭头所指方向通行。红色 或黄色箭头灯，表示仅对箭头所指的方向起红灯或黄灯的作用。 2 、各国对信号灯含义的特殊规定 目前，世界各国信号灯的含义基本是在上述协定的基础上进行统一规定， 另外加上一些独特的补充规定。 ( 1 ) 原苏联。在黄灯之前，有绿闪灯，预告即将亮黄灯：右转箭头灯亮时， 允许车辆就地调头；箭头灯与红灯同时亮时，可按箭头方向通行，但 应给其他方向的车辆让路。另外还规定有公交车辆专用灯。 ( 2 ) 英国。在红灯末尾，有- - d 段红、黄灯同时亮的时间，即通知面对红 黄灯的车辆，红灯即将结束，预先作起动准备，可以节省起动损失时 间。 ( 3 ) 美国。各方向车流，分别有各自的红、黄、绿色箭头灯，含义明确不 易混淆，但灯具比较复杂。 “) 日本。自行车使用机动车信号灯时，有特殊规定，如绿灯时，规定自 行车只可直行和左转，而右转车必须直行到对面街角处，待另向绿灯 亮时，再次直行通行。 3 、我国对信号灯含义的规定 我国目前使用的信号灯基本上与国际规定一致，具体含义如下： ( 1 ) 绿灯亮时，允许车辆、行人通行，但转弯的车辆不准妨碍直行的车辆 和被放行的行人通行。 ( 2 ) 黄灯亮时，不准车辆、行人通行，但已越过停止线的车辆和己进入人 行通道的行人，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，准许车辆按箭头所示方向通行。 ( 5 ) 黄灯闪烁时，车辆、行人须在确保安全的原则下通行。 ( 6 ) 右转弯车辆和t 形交叉口右边无人行横道的直行车辆，遇黄灯或红灯 时，在不妨碍被放行的车辆和行人通行的情况下可以通行。 浙江人学硕上学位论文( 同等学历)基于p l c 的交通十字路口模糊控制 2 3交通信号的控制方式 根据所采用的控制装置的不同，交通信号一般有三种控制方式： 1 、周期式信号。这种信号的周期长、相位、绿灯时间、转换时间等都是事 先确定的。信号通过规定的周期运行，每个周期的周期长和相位都恒定不变。依 靠所提供的设备，可用几种预定配时方案，每一种都在一天规定的时间中交替使 用。 2 、半感应式信号。这种信号保证主干路总保持绿灯直到设在次干路上的检 测器探到有车辆到达。这时信号经过一个适当的转换间隔后，立刻为次干路显示 绿灯，该绿灯就维持到次干路上的车辆全部通过路口或持续到预定的最大绿灯时 间为止。在绿波信号系统中，分配给次干路的绿灯时间必须限制在预定的时间内。 该系统的周期长和绿灯时间可根掘需要随时进行调整。当次干路没有车辆时，主 干路总是保持绿灯，事实上分配到次干路的绿灯时间可充分利用，所有“多余的” 绿灯时间则都分配给主干路。 3 、全感应式信号。该信号的所有相位全由传动检测器来控制。一般每个相 位都要规定最小与最大绿灯时间。这种控制方式的周期长度和绿灯时间可根据需 要作很大的变动。周期中的某些相位是可以任意选择使用的，当检测器未测出交 通量时，该时刻的相位可自动取消。 目前，许多信号系统都实现了计算机控制，使用计算机系统控制的地理交叉 口，其信号一般采用预定周期式控制。有些城市还部分地实现了交替信号的线或 面的联动控制，在这样的系统中，计算机充当了主控机和监视器的角色。此时， 信号的联动不仅对提高单个信号交叉口的通行能力和服务水平有很大作用，而且 还对提高整条道路或整个路网的通行能力发挥着极其重要的作用。 2 4信号灯设置的依据 当交叉路口的交通量接近路口的通行能力时，考虑在交叉路口设置交通信号 控制。信号灯设得合理、正确，能较充分地发挥道路的交通效益，如设置不当， 非但浪费了设备和资金，并且会对交通造成不良后果。如有些不合理信号控制的 路口，由于主要道路上驾驶员遇红灯而停车，但他在相当长的时间内并未看到次 浙江大学硕士学位论文( 同等学历)基于p l c 的交通十字路口模糊控制 要道路上有车通行，往往会引起有意或无意的闯红灯。因此，信号控制交叉口的 交通事故，多发生在交通量较低的交叉口上或交通量较低的时间内。据事故记录 分析，最惊人和最危险的事故也多发生在这种交叉口上。因此，研究制定合理设 置信号灯的依据是十分必要的。在技术上，避免乱设信号灯，要有据可依：在经 济上，避免无谓的投资浪费；在交通上，避免不必要的损失和交通事故。我国目 前尚未制定统一的信号灯设置依据，在吸取国外信号灯设置经验的基础上，结合 我国目前具体的交通状况，路口信号灯的设置与改进要运用交通工程学理论作指 导，根据路口的地形特点、车流状况，作好车辆与行人交通流量的调查，进口道 上车辆行驶速度的调查，交通事故及违章调查，车辆可穿越的空当及延误调查等， 具体问题具体分析，制定优化的信号配时，保证现代交通高效、节能、低公害运 行。 2 5信号灯对于减少交叉口交错点的作用 交叉口是两条以上道路相交的区域。车流经过交叉口时，形成了会合点、冲 突点和分离点( 统称交错点) ，以往的事故统计及交通管理经验表明，交错点是 交通事故发生及影响交叉口通行能力的焦点所在。因此，在考虑了设置信号交叉 口的依据后，满足条件的交叉口可设置交通控制信号，以减少交叉口交错来达到 改善交叉口通行条件从而减少交通事故的发生，提高交叉口通行能力的目的。下 面的图2 1 、图2 2 分别描述了车流在典型交叉口有、无信号灯的情况下行驶轨 迹交错情况。通过比较可以看出信号灯对于减少交叉口各种交错点( 汇合点、冲 突点、分离点) 的作用。 浙江人学硕：七学位论文( 同等学历) 基于p l c 的交通十字路口模糊控制 图2 1 三条路交叉( t 形交叉口) a ) 无信母t 形交叉口冲突点情况；b ) 有信号t 形交叉口冲突点情况；c ) 有信号t 形交叉u 冲突点情况 图2 2 四条路交叉口( “十”字形交叉) a ) 无信号交叉口冲突点情况；b ) 有信号十形交叉口冲突点情况 2 6交通信号灯的安装与排列 交叉路口交通信号灯安装方式有两种，一种是安装在伸向交叉路口中央上空 的r 型臂上；一种是安装在路口边或中央的灯柱上。 信号灯的排列方式通常分为两种： 1 、水平排列式 1 4 浙江大学硕士学位论文( 同等学历)基于p l c 的交通十字路口模糊控制 从道路的中心线一侧起以红、黄、绿的顺序向路边排列。这种方式常用于路 面较宽的道路。 2 、垂直排列式 从上往下依次是红、黄、绿灯。这种方式常用于路面较窄的道路。 按固定方式排列信号灯有两个好处：一是把红灯信号放在最醒目的位置；二 是可使患有色盲的人凭位置来判断信号的含义。 在交叉路口中央上空安装信号灯时应符合车辆通行净空高度界限的要求。信 号灯的亮度应保证人们在l o o m 以外能看清。为了避免阳光直接照射到信号灯表 面，一般要在每个信号灯上加装遮阳罩。 2 7城市道路智能交通信号控制系统 智能交通信号控制系统是城市道路交通管理系统中对交叉路口、行人过街， 以及环路出入口采用信号控制的子系统，是运用了交通工程学、心理学、应用数 学、自动控制与信息网络技术以及系统工程学等多门学科理论的应用系统。 主要包括交通工程设计、车辆信息采集、数据传输与处理、控制模型算法与 仿真分析、优化控制信号调整交通流等。国内外各大中城市已有的交通信号控制 系统就是根掘不同环境条件，基于各自城市道路的规划和发展水平建立起来的。 2 7 1 智能交通信号控制系统的基本组成 智能交通信号控制系统的基本组成是主控中心、路口交通信号控制机以及数 据传输设备。其中主控中心包括操作平台、交互式数据库、效益指标优化模型、 数据( 图像) 分析处理等。具体结构框架见下图2 3 。 浙江大学硕七学位论文( 同等学历)基于p l c 的交通十字路【j 模糊控制 主控 路口设备 图2 - 3 城市道路智能交通信号控制系统框架 2 7 2 智能交通信号控制系统的核心 智能交通信号控制系统的核心是控制模型算法软件，是贯穿规划设计在内的 信号控制策略的管理平台，体现着交通管理者的控制思想，它包括信号控制系统 将起到的作用和地位。 目前，国内外已应用的信号控制系统大多是以优化定周期方案、优化路口绿 信号配比以及协调相关路口通行能力为基础的，是根据历史数据和自动检测到的 车流量信息，通过设置的控制模型算法选取适当的信号配比控制方案，是被动的 控制策略。 应用较多的核心软件即效益指标优化模型的是英国运输和道路研究所 一一一一一d 嚣 浙江大学硕士学位论文( 同等学历)基于p l c 的交通十字路口模糊控制 ( 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 r t i m i z a t i o nt e c h n i q u e ) 和澳大利亚悉尼为应用背景开发的s c a t s 系统( s y d n e yc o o r d i n a t e da d a p t i v e t r a f f i cs y s t e m ) ，他们是动态的实时自适应控制系统的早期代表，也是未来一个 时期交通信号控制系统智能化发展的开发基础。 随着网络技术的发展，交互式控制策略使信号控制由感控到诱导实现了真正 的智能，交通信号控制系统不仅可以检测到车流量等交通信息参数，调控路口绿 信号配比，变化交通限行、禁行等指路标志，还可以根据系统联接的数据库完成 与交通参与者之间的信息交换，向交通参与者显示道路交通信息、停车场信息， 提供给交通参与者合理的行驶线路，以达到均衡道路交通负荷的主动的控制策 略。 尤其重要的是计算机网络技术和数字化使数据传输和信息利用得到了可靠 保证。可以说，城市道路智能交通信号控制系统是城市道路交通管理随着信息产 业技术迅猛发展的综合产物。 2 7 3 交通信号控制系统的主要术语和参数 1 、周期 周期是指信号灯色发生变化，显示一个循环所需的时间，也称周期长，即红、 黄、绿灯时间之和。它是决定点控制定时信号交通效益的关键控制参数，用c 表示。一般信号灯的最短周期长度不少于3 6 秒，否则就不能保证几个方向的车 辆数顺利通过交叉口。最长周期长度一般不超过1 2 0 秒，否则，可能引起等待司 机的烦躁或误以为灯色控制已经失灵。适当的周期长度对路口交通流的疏散和减 少车辆等待时间具有重要意义。 从疏散交通的角度讲，显然当交通需求越大时，周期应越长，否则一个周期 内到达的车辆不能在该周期的绿灯时间内通过交叉口，就会发生堵塞现象。 从减少车辆等待时间的角度来讲，太长或太短的周期都是不利的。若周期太 短，则发生堵车现象。若周期太长，则某一方向的绿灯时间可能大于实际需要长 度，而另外方向的红灯时间不合理延长必然导致该方向车流等待时间的延长。 正确的周期时长应该是，每一个相位的绿灯时间刚好使该相位各入口处等待 车队放行完毕。如一个具有两相位( 东西向和南北向) 交通流的交叉口，设两个相 浙江大学硕士学位论文( 同等学历)基于p l c 的交通十字路口模糊控制 位的交通到达率( 到达率) 分别是d 1 、d 2 ，相应相位的通行能力分别为s 1 ，s 2 ， 周期时长为c ，绿灯时间分别为9 1 、9 2 ，其中损失时间分别为l 1 、l 2 ( 损失时间 是指灯色切换过程中的损失时间和不能被充分利用的绿灯时间，原因是绿灯出现 之初车队有个反应和加速的过程) ，则 c d l = ( g t - l o s l ( 2 - 1 ) c d 2 = ( 9 2 - l 2 ) , f 2 ( 2 2 ) 将上两式相加，并将代入g l + 9 2 = c ，得 c 2 鬲l i + l 2 ( 2 3 ) 1 一( 坐+ 坐) 若s l ；s 2 = 8 ，则有 c ：竽冬 ( 2 4 ) l2 丽 、。q 由式( 2 4 ) 可计算出保证路口不堵塞的一个最小周期值。然而，若交通流的 需求过高( 尘+ 生趋近于1 或者大于1 时) ，堵塞现象将成为不可避免的，信 号周期长度的选取应根据某种优化性能指标选择。 2 、相位：即信号相位，是指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。 3 、相位差 相位差：具有相同周期长的相关路口，在同方向上的两个相关相位的启动时 间差，称为相位差。从某一车流方向来看，为使车辆在交叉口处不受阻而流畅通 过，与其使相关联信号同时显示同一灯色( 特别是绿灯开始时间) ，不如使绿灯 开始时间错开一些。这里称表示时间对“错开”为相位差。相位差有绝对相位差 和相对相位差两种。 在一个交通干线协调控制系统中，干线上所有路口的信号周期相同，各路口 规定某一相位参加协调，称为协调相位。把干线上某一路口作为基准路口，其他 各路口的协调相位起始时刻滞后于基准路口的协调相位起始时刻的最小时间差， 称为绝对相位差；沿车辆行使方向任意相邻路口的协调相位起始时刻的最小时间 差，称为相对相位差。 通常用时距图表示信号配时与距离的关系。 浙江人学硕士学位论文( 同等学历) 基于p l c 的交通十字路口模糊控制 以第1 个交叉口的信号为基准，则图中的a 1 、a 2 、a 3 分别为交叉口2 、3 、 4 的信号的绝对相位差。 要确定路口信号间的相对相位差，则需要先确定车辆的行驶方向。当车辆由 路口1 沿道路驶向路口4 时，b 1 是路口2 信号和路口1 信号的相对相位差：b 2 是路口3 信号和路口2 信号的相对相位差；当车辆由路口4 沿道路驶向路口1 时，b 3 是路口3 信号和路口4 信号当相对相位差；b 4 是路口2 信号和路口3 信 号的相对相位差。由时距图可以看出，b 2 和b 4 均表示路口2 信号和路口3 信号 之间的相对相位差，只是因选定行车方向不同而具有不同的数值。两者之和等于 一个周期的长度。 l 删 乙 乙 乙 z 1 l形 缓 眩 k 红灯 “r ”下 i z 绿灯 万 l1 z l 阱 殄 ： 专主 船3 j i 刃 距翟 1