（模式识别与智能系统专业论文）嵌入式交通信号机的智能控制研究.pdf

摘要 摘要 城市道路问题是现代城市迫切需要解决的重要问题之一，交叉口是制约着城 市交通通行能力的瓶颈，对交叉口的交通信号进行智能控制能够降低车辆的平均 延误，提高交叉口的通行能力。交通信号机是城市交通控制的基础设施，为了实 现对城市复杂交通流的控制，交通信号机必须满足智能化和网络化的要求。本文 以实验室研发的嵌入式交通信号机为平台，设计了用来进行流量采集的车辆检测 器模块，并进一步研究了单交叉路口的智能控制算法，并进行了实验分析，论文 的主要工作包括： 本文概述了交通信号机系统的发展状况，对国内外的相关研究进行 了详细的分析和讨论。 为了获取实时交通流信息，本文设计了车辆检测器模块，并进行了 软件和硬件的实现。基于x m l ，设计了信号机通信协议，以支持信 号机与远程监控中心之间的通信。 以嵌入式信号机为平台，对单交叉路口的感应控制算法进行了深入 研究，针对经典的感应控制算法的局限性，提出了一种动态相序的 多相位感应控制算法，并通过仿真实验验证了该方法的有效性。 针对单交叉路口饱和度较大的情况，设计了单交叉口模糊控制算法， 并进行了仿真实验。 关键字：智能交通；单交叉口；动态相序；交通信号机；感应控制；模糊控制； k 久 又 钆 a b s t r a c t a b s t r a c t u r b a nt r a f f i c c o n g e s t i o ni s a nu r g e n tp r o b l e mf o rm a n yc i t i e s i nt h ew o r l d i n t e r s e c t i o ni st h eb o t t l e n e c kw h i c hr e s t r i c t su r b a nt r a f f i cc a p a c i t y i n t e l l i g e n tc o n t r o l o fi n t e r s e c t i o nt r a f f i cs i g n a l sc a nr e d u c et h ea v e r a g ev e h i c l e d e l a y , a n di m p r o v et r a f f i c c a p a c i t y t r a f f i cs i g n a lc o n t r o l l e ri st h eb a s i cf a c i li t yo fu r b a nt r a f f i cc o n t r 0 1 i no r d e r t oa c h i e v et h ec o n t r o lo fu r b a nc o m p l e xt r a f f i c ；t h es i g n a lc o n t r o l l e rm u s tm e e tt h e r e q u i r e m e n t so fi n t e l l e c t u a l i z a t i o na n dn e t w o r k i n g b a s e do nt h ee m b e d d e dt r a 【m c s i g n a lc o n t r o l l e rp l a t f o r md e v e l o p e db yo u rl a b o r a t o r y , t h ev e h i c l ed e t e c t o rr o o d u l ei s d e s i g n e d ，f u r t h e r m o r e ，i n t e l l i g e n tc o n t r o la l g o r i t h m sf o rs i n g l ei n t e r s e c t i o na r es t u d i e d ， a n d e x p e r i m e n t a lr e s u l t sa r ea n a l y z e da n dd i s c u s s e d t h em a i nw o r ko ft h i s d i s s e r t a t i o ni sa sf ol l o w s ( i ) t h es t a t ea n da r to ft r a f f i cs i g n a lc o n t r o l l e rs y s t e mi sr e v i e w e d 。a n dt h er e l a t c d r e s e a r c h e sa r ea n a l y z e da n dd i s c u s s e di nd e t a i l ( 2 ) i no r d e rt oo b t a i nr e a l - t i m et r a f f i ci n f o r m a t i o n ，t h ev e h i c l ed e t e c t o rm o d u l e i n c l u d i n gt h es o f t w a r ea n dt h eh a r d w a r ep a r t s ，i sd e v e l o p e d b a s e do nx m l t h e c o m m u n i c a t i o np r o t o c o lo ft r a f f i cs i g n a lc o n t r o l l e ri s d e s i g n e dt os u p p o r tt h e c o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt r a f f i c s i g n a lc o n t r o l l e ra n dt h er e m o t em o n i t o r i n g c e n t e r ( 3 ) b a s e do nt h ee m b e d d e dt r a f f i cs i g n a lc o n t r o l l e r , t h ei n d u c t i v ec o n t r o la l g o r i t h m o fs i n g l ei n t e r s e c t i o ni ss t u d i e di n t e n s i v e l y i no r d e rt oo v e r c o m et h el i m i t a t i o n s o fc l a s s i c a li n d u c t i v ec o n t r o la l g o r i t h m ，ad y n a m i cm u l t i p h a s ei n d u c t i v ec o n t r o l a l g o r i t h mi sp r e s e n t e d t h es i m u l a t i o n sd e m o n s t r a t et h i sa l g o r i t h me f f e c t i v e ( 4 ) t oa c l i i e v es i n g l ei n t e r s e c t i o nw i t hl a r g es a t u r a t i o nd e g r e e ，af u z z yc o n t r o l a l g o r i t h mi sd e v e l o p e d ，a n ds i m u l a t i o n sa r ec o n d u c t e d k e yw o r d s ：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 s ；s i n g l ei n t e r s e c t i o n ；t r a f f i cs i g n a l c o n t r o l l e r ；d y n a m i cp h a s es e q u e n c e ；i n d u c t i v e c o n t r o l ；f u z z y c o n t r o l i i 中国科学技术大学学位论文原创- 陛声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所取得的 成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已经发表或 撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中作 了明确的说明。 作者签名：签字日期： 中国科学技术大学学位论文授权使用声明 作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学 拥有学位论文的部分使用权，即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构 送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入中 国学位论文全文数据库等有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。本人提交的电子文档的内容和纸质论文的内 容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 签字日期： 导师签名： 签字日期： 一牛 (z 婢 保翠藿；犁 第一章绪论 第一章绪论 本章介绍了交通信号机系统的研究背景与意义、发展历史和现状、单交叉路 口的信号控制方式和论文的组织结构。 1 1 研究背景与意义 随着我国国民经济的快速发展和城市化进程的加快，大量的人口涌入城市， 机动车拥有量和道路的交通量迅猛增加，这也就对城市的交通控制系统提出了更 高的要求。城市交通也是城市经济和社会发展的动脉，环顾全中国乃至全世界， 近年来，城市交通都面临着极为严峻的问题，城市交通基础设施的建设速度远远 跟不上迅速增长的交通需求，交通拥堵、事故频发、行车以及乘车等问题困扰着 人类的社会生活。交通拥挤加剧，不仅会造成巨额的经济损失，而且如果发展严 重甚至还会导致城市功能的瘫痪。交通拥挤的直接危害是使交通延误增大、行车 速度降低、带来时问损失：低速行驶增加耗油量，导致燃料费用的增加；增加汽 车尾气排放量又会导致环境的恶化。此外，交通拥挤使交通事故增多，而交通事 故的发生又使得交通阻塞加剧，形成一个恶性循环。交通拥挤以及由此导致的交 通事故增加、环境污染加剧已经成为我国城市面临的极其严重的“城市病”之一， 发展下去将称为国民经济进一步发展的瓶颈。 解决城市交通问题的根本途径有两点：一是增加城市交通基础设施的建设， 如道路、立交桥、地铁、轻轨等；二是采用先进的技术加强城市交通的控制与管 理，如建立先进的交通信号控制系统和公交系统，提高道路的利用率，充分挖掘 现有的交通基础设施的潜力。前一种方法需要耗费巨额的资金，往往会受到城市 布局和规划等问题的限制，后一种方法则相对耗时短，见效快。先进的交通信号 控制系统对缓解交通拥堵、减少交通堵塞所引起的经济损失有着非常重要的作 用。 1 2 城市交通信号控制的历史和研究现状 1 9 世纪时，人们就开始对交通信号进行了研究6 h 19 1 ，用信号灯来控制车辆 交通，引导车辆出入交叉口。1 8 6 8 年，英国的工程师纳伊特就发明了最早的交 通信号灯，用在伦敦的威斯明斯特( w e s t m i n s t e r ) 路口，是一种红绿两种颜色的 臂板式信号灯，信号灯里安装有煤气灯，天黑时就点燃里面的煤气灯，让司机和 l 第一章绍论 行人在夜晚也能够看清信号灯的颜色，但是，不久，这个最早的信号灯便毁于一 场煤气爆炸。在此以后的长达半个世纪的时间中，信号机的研究都毫无进展，直 到1 9 1 4 年，在美国的一些街头才出现了新的交通信号灯。这是一种手动操纵的 采用电力发光的三色信号灯。1 9 2 5 年，这类三色信号灯也用在伦敦的皮克的里 街e l 。1 9 2 6 年，英国人在沃尔傅汉普顿( w o l v e rh a m p t o n ) 安装了一台自动交 通信号灯，这也是城市交通自动控制的起点。 早期所使用的交通信号灯，虽然在疏导交通上发挥了一定的作用，但是，随 着城市交通的快速发展，当时落后的交通信号灯已经不能满足越来越复杂的交通 控制任务了，交通工程师们开始研究一些高效能的信号控制系统。他们一方面利 用已经掌握的数学知识，通过建立交叉口车流运动状况的数学模型，以期解决信 号灯联动协调控制的最优方案设计的问题。另一方面，还利用现代电子技术设计 各种新型的信号机。 早期的交通信号机的周期长度、红绿时间比例都是固定不变的，即以固定配 时方式实现交通控制。很显然，这种配时方式无法适应一天当中交通量随时间波 动的情况，必然导致绿灯的有效利用率的降低，也增加了交叉口的车辆的延误时 间，从而增大了路网上车辆的行程时间，造成了燃料消耗的严重浪费。 于是出现了一种多时段多方案的定时控制信号控制器代替了传统的定时配 时的控制器。它预先存储几套不同的方案，以适应每天不同时间段的不同的交通 需求。这种信号机能够按照交通流的变化规律，设定好配时方案，按运行时间表 在不同的时段执行不同的方案。很显然，这种配时方案的信号机比仅仅执行一种 固定配时方案的信号机进步了很多，在一定程度上提高了交叉口的通行效率。多 时段定时控制方式在交通流变化规律明显的时候有很好的控制效果，至今这种控 制方式仍然在广泛地使用。 人们在常期使用多时段定时方案控制器的过程中不断地对它进行改进和提 高，同时人们也发现了它的很多不足之处，因为它毕竟也只是一种初级形式的单 点定周期的信号控制器，它不能够根据交通流的实时变化情况进行实时的控制。 要达到对交通流进行实时控制，就必须对交通量情况进行检测，即安装车辆 检测装置，美国在2 0 世纪3 0 年代的初期首次尝试在交叉口安装车辆自动检测装 置，用来检测交叉口的车辆到达情况，然后将检测到的车辆信息上传给信号机。 这也是世界上最早出现的“感应式”的信号机。当时所采用的检测装置是一种很 落后的“声控”装置，它是靠检测汽车的喇叭的声音来获得车辆的到达信息的。 不久以后，这种落后的装置便被一种气动的传感装置取代了，并成为一种通用的 检测车辆的手段，广泛用于“感应式”的信号控制系统中。 2 0 世纪6 0 年代以后，车辆自动检测装置逐渐代替了旧式的气动方式的传感 2 第一章绪论 装置，车辆自动检测装置包括电感式检测器、地磁感应式检测器、超声波检测器、 微波检测器等，并广泛被应用于信号控制系统中。实际应用中人们发现“感应式 的信号控制系统的通行效率要比“单点定周期”式的控制系统明显要高，而且明 显降低了交叉口车辆的停车次数，车辆感应式控制器能够根据检测器所测量的交 通流状况来灵活地调整绿灯时间，提高绿灯的有效利用率，降低了车辆在交叉口 的延误时间，因此它比“单点定周期”的控制方式有了很大的进步。 感应控制方式虽然有很大的灵活性，能够适应交叉口各进口车道上车流变化 的情况，但其在实际运用中也有着一定的局限。如当交叉口各个进口道方向上的 交通流量均接近饱和时，感应式的控制方式便失去了其灵活性。因为在饱和度接 近1 时，感应式的信号机在实际运作中只能按照某种固定的比例来分配各个方向 上的绿灯时间，即退化为了“单点定周期”的控制方式。 1 9 4 6 年美国第一台电子计算机的问世给人类的科学技术的发展带来了划时 代的变革，也给交通控制系统的发展注入了新鲜的空气，1 9 6 3 年，在加拿大的 多伦多出现了第一个以数字计算机为核心的城市交通控制系统“u t c ”，由此为 交通控制的发展翻开了新的一页，进入了历史的新纪元1 1 7 1 。因为“u t c ”系统试 验的圆满成功，所以在6 0 年代到7 0 年代，西欧、北美、日本也相继建立起与多 伦多的城市交通控制系统相似的经过改进的“u t c ”系统。 随着近年来微处理技术的快速发展、各种新型微处理机的问世，不仅诞生了 以微处理机作为主控系统的区域交通控制系统，而且微处理技术也开始广泛应用 到各种终端控制设备中，如信号机、车辆检测器、系统故障监视装置等。 国外在交通信号机系统的研发方面居世界领先水平，具有代表性的包括德国 西门子信号机、s c a t s 和s c o o t 系统的信号机。但是上述信号机不兼容我国的 交通信号机标准，且价格昂贵，难以在我国进行推广应用。 作为智能交通系统的基础设施，交通信号机的研发目前也受到国内学术界和 产业界的重视，具有代表性的信号机系统包括青岛海信和南京莱斯研发的信号 机。虽然国内在信号机系统的研发方面取得了一定的成果，但是尚难以满足我国 智能交通发展的需求。据公安部交通安全产品质量监督检测中心对国内企业生产 的信号机进行了国家质量监督抽查，产品的抽样合格率仅为3 6 4 ，基本上反映 了国内信号机的质量水平，说明我国信号机总体水平与国外信号机还有一定差 距。 鉴于交通信号控制机在交通控制系统中的重要作用，近年来很多学者对此进 行了研究。 周彤梅等分析了北京所使用的s c o o t 系统以及t r a n s y t 系统中的路口信 号机【5 酗，介绍了它们的工作原理和功能，并分析了信号机使用过程中出现的故障 3 第一章绪论 以及信号机使用效益情况，提出了一些适合我国国情的改进建议。 徐建闽等设计了基于单片机的嵌入式交通信号机即】，能很好的完成交叉口基 本的信号控制任务。具有主控模式、单点控制模式等五种控制模式。但是，由于 其使用的是八位单片机的嵌入式系统，限制了功能的完善。难以支持智能控制算 法。 侯东晴等采用了a r m 9 加单片机的控制方式设计信号机。a r m 9 控制板负 责与城市交通监控中心的通信，信号控制由单片机完成，因此，限制了信号机系 统的智能性。 综上所述，虽然国内外在交通信号机的研发方面取得了较好的进展，但是在 基于嵌入式信号机平台下的智能控制算法研究成果较少，定程度上降低了交通 信号机的性能，制约了其在孤立交叉口、难以实现远程通信的区域的应用。 1 3 单交叉路口控制方式 交通控制的发展是一个不断实践、不断发展的过程，在发展过程中形成了很 多种控制方式，从控制的原理上看，大致可以分为定时控制、多时段定时控制、 感应控制、脱机优化控制、自适应控制( 联机优化控制) ，下面分别介绍上述几 种模式： ( 一) 定时控制 定时控制是出现最早也是使用最广泛的一种控制方式，它使用固定配时，交 通流将根据经验设定的固定的红绿灯时间和顺序依次获得通行权，设计过程中最 重要的就是确定各相位关键车流的车流量，以确定各相位分配的绿灯时长，这种 控制方式易于操作和维护，但是绿灯时间浪费也最多。 ( 二) 多时段定时控制 这种控制方式以历史交通流的车流量为依据，找出每天、每周，每天不同的 时间段的交通流变化规律，通过人工方法或计算机仿真方法，反复作图解分析， 寻求不同时段上的最佳配时方案，再将这些配时方案存储在信号控制器或中心控 制计算机中。在实际实施过程中，通常用日历钟在规定的时间表的控制下选用相 应的方案，当然，也可以按车辆检测器所测量的实际交通流数据选用合适的方案。 ( 三) 感应控制 感应控制是根据车辆检测器所测量到的交通流数据实时调整信号机相应方 向的绿灯时间的长短，以适应交通的随机变化的一种控制方式。这种控制方式比 定时控制有更大的灵活性，可以减少路口的停车延误、提高交叉口的通行能力。 ( 四) 脱机优化控制 4 第一章绪论 对交通流历史统计数据进行分析和计算，由于采用计算机技术，所以比较适 用于复杂路网的信号配时优化。在建立优化模型时，通常以车辆延误等作为目标 函数，在约束条件下进行计算机优化求解，寻求使路网运行指标达到最优的信号 配时方案。当道路网结构参数和交通流的数据变动比较大时，需要经常对新情况 重新进行优化求解，以寻求在新情况下的最佳配时方案。所以，脱机优化技术多 适用于交通流相对稳定的道路网情况。 ( 五) 自适应控制 自适应控制即联机优化控制的方法，是在一条干线或一个区域，根据交通流 的随机变化而动态地调整信号配时参数，使控制系统适应交通流的随机变化，这 种控制方式就是自适应控制方式。在自适应控制过程中，计算机实时地生成最佳 的配时方案，并实时地参与信号协调控制，采用这种优化技术的信号协调控制多 适用于交通流波动较大的道路网。 1 4 本文主要研究内容与组织 本文研究了国内外的城市交通控制系统的发展状况，结合我国实际情况，在 实验室已有的成果基础上，对信号机系统做了进一步的研究，设计内容包括车辆 检测器系统的硬件设计、软件设计，信号机控制程序设计，并对单路口控制方式， 尤其是感应控制做了深入的研究，提出一种动态相序的感应控制算法，论文的主 要研究内容包括： 第一章：绪论。说明了智能交通系统( 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 ) 的研究必要性与紧迫性，在分析了信号机发展的历史以及我国的智能信 号机发展的现状后，提出了未来信号机的发展方向，接着介绍了当前单交叉口控 制的主要方式，最后给出了本文的组织与结构。 第二章：信号机系统设计。首先对实验室已有的信号机的系统框架做了一个 简要的介绍，然后介绍了整个信号机的硬件平台和软件平台，建立了信号机系统 的嵌入式开发环境后，对信号机的工作模式，主程序进行了研究，介绍了上位监 控软件并提出一种基于x m l 的网络通信程序，同时也对信号机的控制协议做了 一个说明，考虑到适应现代交通的发展，提出一种故障降级处理的方案，最后整 个系统运行良好，得到了很好的效果。 第三章：车辆检测器模块设计。本章重点研究环形线圈车辆检测器，对车辆 检测器模块的软硬件设计进行了说明，并介绍了感应线圈的抗干扰设计以及车辆 检测器模块与信号机之间的通信。 第四章：动态相序的感应控制。好的控制方式对单交叉路口的交通起着非常 第一章绪论 重要的作用，本章介绍感应控制算法，在对感应控制的原理、评价指标、控制参 数作了详细介绍之后，提出一种动态相序的感应控制算法，并通过仿真实验验证 了该算法的有效性。 第五章：单点模糊信号控制。针对饱和度较大的情况，感应控制难以适用， 本章以嵌入式信号机为平台，研究了单交叉口的模糊控制方法，并通过仿真实验 验证了其有效性。 第六章：总结与展望。本章对全文做一个概括性的总结，并对进一步的工作 提出了展望。 6 第一章信号机系统设训 第二章信号机系统设计 本章首先对实验室已有的智能信号机平台作一个介绍，包括系统框架和系统 的软硬件平台，建立丁信号机系统的嵌入式开发环境后，对信号机的工作模式， 主程序进行了研究介绍了r 位监控软件井采用基丁x m l 的网络通信程序与信 号机进行通信，同时也埘信号机的控制协议做了个说明，考虑到系统故障的处 雕，提出故陴降级处理的方案。 21 交通信号机的系统框架 圜 冒 寐“施“ 魁2 1 信号控制系统的布局 作为下位机的交通信号机不仅要有接收上位监控软件抟来的消息并且执行 上位机的命令的功能还应该有采集路况信息和返回给l 位机各路巩信息的功 能如备车道的排队长度、车辆的速度、故障等信息。采集到的路况信息不仪可 以为自身控制决嚣提供依据，也可| 三i 为上位机提供交叉口信号优化控制算法所必 须的数据。 第二章信号机系统设计 2 2 交通信号机的硬件平台 信号机的硬件平台是根据公安部2 0 0 2 年所发布的中华人民共和国公共安 全行业标准_ g a 4 7 。2 0 0 2 ) ) 规定的信号机的基本功能和要求来确定的。 在研究了信号机的基本功能、扩展功能和技术指标后，制定系统硬件平台方 案，方案同时要考虑硬件系统的稳定性、可靠性和整个系统的成本【2 7 】【3 引，系统 硬件结构框图如图2 2 所示： i 卿接口卜 r s ：，：l i 卧n 兽缒卜 s 3 c 2 4 1 0 卜太网接口i i 罐鬻卜 f 处理电路l l 鬣燃卜l 障检测电路l 图2 2 硬件结构框图 由图中可以看出，系统的主要部件有：核心处理器，存储器，通讯接口，路 况信息检测，状态监控，信息存储，输入输出，驱动电路。其中，核心处理器采 用的是三星公司的$ 3 c 2 4 1 0 a ，因为$ 3 c 2 4 1 0 a 具有一系列的完整的外围设备， 避免了为系统配置额外的器件而大大降低了整个信号机系统的成本。存储器 s d r a m 采用两片3 2 m 的h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 ，n a n d f l a s h 采用6 4 mk 9 f 1 2 0 8 ；通讯 接口有r s 2 3 2 ，u s b ，c a n 总线和以太网接口；路况信息检测装置即车辆检测器 模块采用的是a v r a t m e g a l 6 单片机：状态监控系统是一个添加的状态检测电路， 通过检测信号灯回路的电流来获得信号灯的状态，以监控信号灯输出的准确性； 信息存储采用n a n d f l a s h 和大容量的s d 卡；输入输出是采用s h a r p 3 5 的触摸屏， 可以方便地进行输入信息和显示信息：驱动电路采用b t a 0 8 芯片： 从功能上看，信号机系统可以分为六个模块，如图2 3 ，这六个模块分别是 主控模块、通讯模块、i o 扩展模块、驱动模块、车辆检测模块、人机接口模块， 在系统的硬件设计时，采用独立设计的原则，对各模块分别进行设计，最终再进 行联调，这样既易于调试，又有利于系统的稳定性。实验室已经做好的模块有： 主控模块，i o 扩展模块，人机接口模块，驱动模块。 8 第二章信号机系统设计 图2 3 信号机硬件模块 下面对这六个模块作一个简要的说明，在这六个模块中，主控模块是系统的 核心模块，管理和协调整个系统的运行。模块由处理器、s d r a m 、n a n d f l a s h 等 核心器件组成，三者类似于p c 中的c p u 、内存、硬盘。示意图如图2 4 所示。 图2 4 主控模块 通信模块是信号机与其他设备通信的接口，主要完成信息的交互，本文的设 计中除了设计有传统的r s 2 3 2 接口外，还增设了u s b 和c a n 总线以及以太网 接口，u s b 接口使程序的下载变得更方便，也更安全和稳定，而c a n 总线则用 于与相邻信号机之间的通信，进行线协调控制和区域协调控制，以太网接口主要 用来与城市道路监控中心联网，以实现远程协作。 由于$ 3 c 2 4 1 0 没有设c a n 总线控制器，所以要外置一个c a n 总线控制器。 c a n 总线控制器采用m i c r o c h i p 公司的m c p 2 5 1 0 ，与$ 3 c 2 4 1 0 a 的s p i 接口相连接。 设计以太网接口用来实现信号机与城市道路控制中心的高速的可靠的通信。 以太网处理芯片采用c i r r u sl o g i c 公司的c s 8 9 0 0 芯片。具体的设计不是本文的主 要内容，故不作详细的介绍。 人机接口模块采用$ 3 c 2 4 10 a 的内置l c d 控制器，s h a r pt f tl c d 加触摸 屏实现人机交互，界面采用q t 软件进行编写，具有美观、易操作和人性化的特 点。 9 第二章信号机系统设计 本系统中的i o 扩展模块采用c p l d 扩展i o 口，因为一片c p l d 可扩展几十个 甚至上百个i o n ，可以适应路口信号机灯组需要大量i o 口的要求，用v h d l 语 言编写c p l d 控制程序，当c p l d 接收至1 j s 3 c 2 4 1 0 发出的灯色信号时，即设置相应 的i 0 1 3 ，控制逻辑简单。 一般说来，信号灯所普遍采用的是2 2 0 v 的交流电控制，驱动模块主要解决 的是处理器输出的t t l 电平如何控制2 2 0 v 的交流信号灯的问题，传统的信号机 常常采用继电器来控制信号灯，相比较传统的继电器控制，显然无触点开关具有 很大的优势，因为后者不像前者那样需要不断的开合，也就不容易损坏，考虑到 可控硅的无触点、寿命长等优点，选用b t a 0 8 6 0 0 双向可控硅芯片来控制信号 灯回路。 为了提高绿灯的利用率，通常采用感应控制或自适应控制等根据交通流的实 际情况实时调整绿灯的长度的方法，而要使配时方法随交通流的变化而变化，就 必须对交通流的情况进行检测，对交通流情况进行检测的装置即车辆检测器，它 把当前交通流的信息传递给信号机或者上位监控软件，为制定配时方案提供必要 的路况数据，车辆检测器的类型有环形线圈检测器、磁感应检测器、超声波检测 器、压力检测器、雷达检测器等等，目前比较普遍使用的是环形线圈检测器，本 文所研究的信号机的车辆检测器部分使用的也是环形线圈检测器，检测器的具体 设计第三苹将进行详细的说明。 2 3 系统软件开发平台及程序设计 在嵌入式系统的设计研究中，选择一个合适的操作系统是非常重要的环节， 常用于嵌入式系统的操作系统有l i n u x 、w i n c e 、v x w o r k s 、n u c l e a r s 、e c o s 、p s o s 、 uc o s i i 等，在选择操作系统时通常需要考虑系统的实时性、可移植性、是否 有完善的驱动程序、基于此操作系统上的应用程序是否容易开发和调试等因素， 本文选择的是l i n u x 操作系统，因为考虑到l i n u x 操作系统源码开放，软件和驱 动程序支持丰富、驱动程序协议栈也很完善，是一种非常广泛使用的嵌入式操作 系统，同时它移植也相对较容易。信号机软件系统架构图如图2 4 所示。 1 0 第二章信号机系统设训 g u i 应用程序 操作系统 底层驱动 硬件平台 图2 4 系统软件架构 2 3 1 嵌入式l i n u x 和交叉编译环境 嵌入式系统的编程和与在p c 机上的编程有着很大的不同，所以本小节就对 嵌入式软件的开发平台加以说明。 嵌入式l i n u x 是在标准的l i n u x 的基础上根据需要进行剪裁和优化，进而能 够在嵌入式系统上进行工作的一种操作系统1 3 0 】 3 2 1 。 系统软件不能直接运行在x 8 6p c 机上编译得到的可执行文件，而要运行在 $ 3 c 2 4 1 0 上，所以必须建立l i n u x 环境下的嵌入式交叉编译环境，嵌入式l i n u x 安装方法见1 2 3 j 第六章，因为软件的界面是用q t 软件来进行编写的，所以在配置 好嵌入式l i n u x 操作系统后，必须安装q t e m b e d d e d 开发环境，q t e m b e d d e d 开 发环境的安装方法参见【2 3 1 第七章。 2 3 2 信号机工作模式 现代交通的飞速发展也为智能交通技术提出了更高的要求，为了适应现代智 能交通的发展，本文所讨论的智能信号机设有两种工作状态，它不仅能够执行上 位机传来的配时方案，在线控制，本身也具备一定的智能性，能够存储一些控制 方案，用以进行本地控制，当在线模式出错时，自动转换为离线模式，并将错误 信息上传到上位机，即有在线控制状态和离线状态两种。 另外，系统还设有多种工作模式，包括定时控制、多时段定时控制、协调控 制、感应控制、手动控制、管制控制、优化控制、熄灯控制、全红控制、黄闪控 制，可以根据需要通过上位监控软件进行设定或者在智能信号机的触摸屏上进行 控制方案的选择设定，实验室已有的系统仪实现了黄闪方案、熄灯方案、全红方 案和两相位的定时控制方案，得到了很好的实验效果。作者将对其他控制方案加 以研究，并编写控制程序，应用到已有的信号机系统中。 第二章信号机系统设计 2 3 3 主控制程序 在进行主程序设计时，采用模块化的设计方法，把整个信号机的应用程序按 功能划分成若干个独立的模块，各个模块在设计和调试时是单独进行的，在各模 块调试成功后，再进行整个系统的联调，最终实现整个应用软件。各模块的编程 均使用c 语言进行编写，具有良好的可移植性。 主程序主要完成的功能有：设备和参数的初始化、信号灯的灯色控制、信号 机与其他设备的通信、控制算法的实现、人机接口界面的维护。图2 5 是系统的 主控制程序流程图。 图2 5 主控制程序流程图 在完成主程序的设计后，将主程序放到l i n u x 启动脚本文件中，使它开机自 动运行。 1 2 第二章信号机系统设计 2 3 4 上位监控软件 上位监控软件是一个运行于城市交通管理中心p c 机上的一个远程监控软 件，它实现的主要功能有： 1 ) 信号机的添加，删除和修改。通过向导的方式，我们可以实现对信号 机的添加，删除和修改操作。 2 ) 信号控制方案的添加、删除、修改。包括相位方案、配时方案、干线 方案、时段方案等。 3 ) 实现单点控制。包括基本控制、感应控制、管制控制、黄闪控制等。 4 ) 实现干线控制。包括单向绿波带，双向绿波带等。 5 ) 信号机状态的监控和故障的检测。 6 ) 交通流数据存储和显示。 7 ) 日志信息的存储和显示。 8 ) 自动信号优化配时。通过设置交叉口基础设施信息和交通流信息，按 照不同的优化算法得到不同的信号配时，并计算出这些优化算法下得 到的平均延误、总延误、饱和度等信息，供操作人员参考。 9 ) g p s 警用路线的添加、删除和修改，实现v i p 控制。 1 0 ) 用户的权限和控制。普通用户和管理员用户分别享有不同的权限，同 时管理员用户可以添加、删除和修改普通用户，普通用户可以修改自 己的密码。 通过监控软件，我们就可以监控各现场路口的信号机，实现在线控制、实时 监测、数据存储、故障报警等功能，从而实现对现场的路口远程控制的目的。上 位监控软件如图2 6 所示，图中显示的是对某路口的控制方案进行设置的过程。 1 3 第二章信号机系统设刊 ：= + = 。篙涮：嚣篇= 4 m 。4 1 一 占i i i i 一叫 。i 。 图2 , 6 设置控制方案 2 35 网络通讯程序与信号机控制协议 网络通讯程序主要是信号机与上位监控软件直接的通讯t 力议。通信协议的编 写足独立于信号机的，是在p c , 机的l i n u x 系统下开发的一个控制台程序，开发 完成后移植到信号机上作为一个线程的函数来调用。信号机的软件体系主要由两 个线程所构成，即控制线程和通信线程。 本文所设计的信号机与通信服务器的消息传递全部通过x m l 文档来完成川一 ”。x m l ( e x t e n s i b l e m a r k u p l a n g u a g e ) 即可扩展标记语言，是一种开放的、自 描述的方式定义数据结构的元语言，是纯用来进行数据描述的，它与编程的语言、 操作系统和传输出殴都无关，所以特另适用在程序之问的数据交换，为软件的开 发提供真e 的有开放标准和白描述数据控制的多层分布式系统，它也具有非常灵 活性和可扩展性，可以对不同的应用甚至是羌异很大的应用问的数据进行描述。 协议的内容可咀分为以f 三类： ( 1 ) 通信服务查询，信号机返回查询信息 ( 2 ) 通信服务嚣下发设置信息，信号机应答确认设置 ( 3 ) 信号机参数改变后，主动回报 已经实现的协议内容如f 表21 中所示： 表2 1 掷议列表 l 协议类型l 协议命令字【协议名称 id 第二章信号机系统设计 通信服务器查询， o x 8 1 查询信号机标识 信号机返回查询信 o x c l 应答信号机标识 息 0 x 8 2 查询信号机特征参数 o x c 2应答信号机特钲参数 0 x 8 3 查询信号机时间 o x c 3应答信号机时间 0 x 8 4 查询相序 o x c 4应答相序 0 x 8 5 查询基本控制参数方案 o x c 5 应答基本控制参数方案 0 x 8 6查询控制方案 o x c 6 应答控制方案 0 x 8 8 查询日计划 o x c 8应答日计划 o x 8 a查询当前控制方案信息 o x c a 应答当前控制方案信息 o x 8 b查询信号机当前状态 o x c b应答信号机当前状态 o x 8 c 查询统计周期 o x c c应答统计周期 o x 8 d查询统计数据 o x c d应答统计数据 通信服务器下发设 0 x 9 3设置时问 置信息，信号机应 o x d 3设置时问的确认应答 答确认设置 0 x 9 4 配置相序 o x d 4配置相序的确认应答 0 x 9 5 配置基本控制参数方案 o x d 5配置基本控制参数方案的确认应答 0 x 9 6 配置控制方案 o x d 6配置控制方案的确认应答 0 x 9 7 上位机直接控制 o x d 7 确认应答 0 x 9 8配置日计划 o x d 8配置日计划的确认应答 o x 9 a 设置当前控制方案 o x d a设置当前控制方案消息的确认应答 o x 9 c 设置统计周期 o x d c设置统计周期的确认应答 o x l l 设置信号机黄闪工作模式 o x 5 1 设置信号机黄闪工作模式的确认应答 o x l 2 设置信号机熄灯工作模式 0 x 5 2 设置信号机熄灯工作模式的确认应答 1 5 第二章信号机系统设计 o x l 3 设置信号机感应控制工作模式 0 x 5 3设置信号机感应控制工作模式的确认 应答 o x l 4 设置信号机全红控制工作模式 0 x 5 4 设置信号机全红控制工作模式的确认 应答 信号机参数改变 o x b b 主动回报信号机状态 后，主动回报 s o c k e t 发送的格式是：将x m l 文档以字符流的形式读入b u f f 中，并在b u f f 的第一个字节加上相应的命令字，第二个和第三个字节表示该文件的长度。为了 方便调试，使用了一个简易的服务端模拟器，用来发送和接受特定格式的x m l 文件，所有的协议均通过了这个服务端模拟器和网络调试助手的联调测试。 2 3 6 故障降级处理程序 当系统的部分信号灯电路出现故障的时候，防止交叉口出现交通混乱，必须 采取故障降级处理机制，保持道路通行有序以保证交通安全。在设计故障降级处 理程序时，需要考虑到对不同的故障采取不同的方法，根据故障的严重程度制定 处理方案，从而可以最大程度上的保障交通的安全畅通。一般的故障可以不采用 降级处理，仅需记录下故障信息，并给与警告即可。 绿冲突故障是是指同时给冲突的交通流方向显示绿灯，绿冲突故障是最为危 险的，对交通的危害也最大，所以在进行故障处理时，首先需要判断的是是否存 在绿冲突，如果存在绿冲突就首先进行绿冲突处理，同时记录系统故障并给与警 告、提醒用户输入合理的状态和配时参数。如果没有绿冲突则给继续执行当前的 配时方案，在信号灯工作的过程中，也要实时的进行检测，遇到信号灯发生故障 时，及时进行处理并记录故障类型。 本文所设计的故障降级处理程序流程图如图2 6 所示： 1 6 第二章信号机系统设计 图2 6 故障降级处理程序流程 其中，绿冲突故障处理采用的最简单的方法是让发生绿冲突的相位黄闪一段 时间，然后再继续执行预定的控制方案。 2 4 小结 1 7 第二章信号机系统设计 本章首先介绍了实验室的信号机平台的系统框架和硬件平台，接着对信号 机软件部分，包括嵌入式交叉编译环境的建立、主程序流程、信号机控制协议等 进行了详细的说明，对实验室已有的信号机平台进行了完善，其中车辆检测器模 块的软硬件设计将在第三章进行详细的说明。 1 8 第三章车辆榆测器模块设计 第三章车辆检测器模块设计 上一章介绍了信号机的整体设计，本章将对车辆检测器模块进行详细设计， 根据调研比较p 7 1 4 h ，本次设计选用的车辆检测器是环形线圈车辆检测器，本章 首先介绍环形线圈车辆检测器的原理，接着对整个检测器模块进行硬件设计和软 件设计，最后对车辆检测器与主机之间的通信进行了设计。 3 1 环形线圈车辆检测器的原理 环形线圈检测器的传感器是由几匝金属线圈绕制而成的，线圈埋设在路面下 方，并与车辆检测器相连。车辆检测器的前端部分是一个l c 调谐振荡电路，电 路中的电感元件主要是环形线圈，电容值取决于检测器电路中的电容元件。工作 时谐振回路中有电流通过环形线圈，并在其周围形成一个电磁场。当车辆行至环 形线圈上方时，相当于线圈的中间或周围有铁制材料存在，会在车体底板产生自 成回路的感应涡流电流，根据楞次定律可知，涡流的磁场又要阻碍引起涡流的磁 场的变化，这也导致环形线圈的电感量变小，另外，车辆在环形线圈的附近出现 还增加了线圈周围的磁导率，这就使环形线圈的电感量有了增加的趋势。但这种 作用跟涡流的作用比较起来要小得多，所以总体而言环形线圈的电感量将变小。 电感量的变化将直接反映到l c 振荡电路的频率变化上。因此，只要车辆检测器 检测到频率随时间的变化，就可以检测到车辆的通过状态1 4 2 1 。 l c 振荡电路是车辆检测器的重要组成部分，下面就对l c 振荡电路的工作 原理做个介绍。 l c 振荡电路是由谐振回路和选频放大电路组成。谐振回路有并联谐振回路 和串联谐振回路1 4 3 卜1 4 5 】。如图3 1 所示为并联谐振回路，图中，r 表示回路的等效 损耗电阻。 图3 1 并联谐振回路 l c 并联谐振回路的等效阻抗为： 1 9 l r 笕三章车辆检测器模块设计 _ 1 = ( r + 缈三) 乃笙焉 j c o c 。 ( 3 1 ) z 二芷半：丛 ( 3 - 2 ) 肌j ( c o l 一亳) 肌j ( c o l t - - 壶)优 由以上公式可以看出，l c 并联谐振回路的特点有： 1 ) 回路的谐振频率为： = 击或= 1 ( 3 - 3 ) f o2 刀4 z - 7。面或2 2 ) 谐振时，回路的等效阻抗为纯电阻性质，其值最大，即 z 0 = 丽l = 纨k 景 ( 3 4 ) 式中q 称为回路品质因子，是用来评价回路损耗大小的指标。从公式中可以看出， 影响谐振频率的只有l 和c ，如果c 固定，那么l 的值将直接影响谐振频率。 图3 2 串联谐振回路 l r z = r + j ( c o l 一去) ( 3 5 ) l n ) 乙 当阻抗虚部为0 时，z 的模最小，回路产生谐振。所以串联谐振回路的谐振 条件为： 卜嘉一o ( 3 - 6 ) 串联谐振回路的谐辗j 颢率为： 第三章车辆检测器模块设计 c o o2 赢或f o 2 五丽1 ( 3 - 7 ) 在实际的电路中，原理图中的l 就是环形线