plc与模糊控制在数字显示交通灯中的应用.docx

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plc与模糊控制在数字显示交通灯中的应用

摘要

目前国内十字路口的交通灯控制一般是定时切换控制的。

在当今高速发展的社会里，交通问题成为大家关注的社会问题，汽车数量的直线上升及现有的定时切换控制交通方式的局限性都使得我们有必要寻求一种智能的交通控制系统，基于此本论文的思路是:

通过探测器（即电磁感应线圈）探测出汽车的流量后自动调节红绿灯的时长。

车辆的流量记数、交通灯的时长控制可由可编程控制器（PLC）来实现。

本毕业论文分为以下几部分组成：

PLC基础知识简介，题目分析编程方案，智能交通系统PLC编程，程序编程和调试。

关键词：

智能交通可编程控制器　　模糊控制

第一章绪论

1.1引言

交通问题是影响我国社会经济发展的一个大问题，随着我国城市现代化进程的不断推进，这个问题显得日益突出。

交通是否便捷是衡量一个城市生活水平与投资环境的重要指标。

近年来，随着汽车数量的猛增，我国大中型城市的城市交通，正面临着严峻的考验，日常的交通堵塞成为人们司空见惯而又不得不忍受的问题。

所以，改变和完善我国现有的交通系统已成为当务之急。

城市道路交通问题的核心就是对十字交叉路口交通信号的控制。

近几年，国外一些发达国家把城市交通信号控制研究的重点放在城市交通干线和区域的控制上，可是控制效果并不明显。

人们对十字路口交通信号的控制方法大致有如下两种：

因此，本文提出城市交通路口多相位自寻优方法，采用模糊控制技术对交通信号灯进行控制，使主相位和辅相位自转换，并用抗干扰性和稳定性都很高的PLC进行实现，最大限度地减少了十字路口的车辆平均延误时间，提高了路口通行能力，从而达到缓解交通拥挤的目的。

1.2课题的研究背景与意义

随着我国社会、经济的高速发展和城市化、自动化进程的加快，我国机动车辆拥有量及道路交通量急剧增加。

交通拥挤的加剧不仅造成巨额的经济损失，而且将会导致交通事故的增加和环境污染的加剧。

交通问题是目前世界各国城市发展共同面临的主要“城市病”之一，无论是发达国家还是发展中国家，都毫无例外地承受着不断恶化的交通的困扰，交通问题己经成为影响世界经济发展的主要因素。

提高交叉口的通行能力，不但能提高车辆通过交叉口的速度，减少延误并节约人们的出行时间，同时能避免该交叉口发生堵塞而影响交叉口临近路段及更远路段的顺利通行，减轻汽车尾气污染。

城市交通信号灯采用红、黄、绿三种颜色，对到达交叉口的交通流实施控制。

由于到达交叉路口的交通流受到许多因素的影响，而且随机性大，因而，通过建立精确的数学模型或预先人为的设定多套方案，控制效果都难以尽如人意。

为了更好的提高平面交叉口的通行能力，解决交通拥挤和交通延误问题，近年来，国内外专家学者致力于开发新的交通信号灯的控制方法，模糊控制是较新的研究方向之一。

因此，应尽量加快智能交通信号灯控制系统的开发和普及应用。

1.3课题的主要研究内容

本文主要是研究一种新的交通信号控制系统，并把智能控制引入交通控制中，本系统不需要建立精确的数学模型，具有良好的实时性和稳定性，是一种很有前途的控制方法。

从理论意义上来说，当前智能控制已成为交通信号控制发展的一个必然方向。

从实际意义上来说，交叉路口的智能控制不仅可以提高交叉路口的道路通行能力，而且可以解决交通延误和交通拥挤等问题。

第2章主要详细介绍了目前世界范围内信号交叉路口交通控制研究的几个经典系统TRANSYT、SCOOT、SCATS、RHODES，详细分析了这几个经典系统的特点，阐明了这四种系统在交通信号控制应用中的优势和存在的不足，并提出了一种新的控制方法，另外详细介绍和分析了城市交通信号系统的一些基本概念、控制方式、控制的基本结构、信号控制的一些参数。

第3章首先进行了整体方案设计，接着介绍了模糊控制理论的一些基本概念，最后进行具体的各部分的设计。

第4章主要是完成本方案各个部分在PLC中的实现。

第二章交通控制系统概述

2.1交通控制系统概述

世界上最早的信号灯出现在1868年英国伦敦Westminster街口，它具有红绿两种颜色。

1918年，在纽约街头出现了手动操作的三色信号灯。

1926年在英国又出现了第一座自动交通信号机。

从上世纪60年代开始，世界各国开始研究控制范围较大的信号联动协调控制系统，以解决信号配时的优化问题。

在众多的交通信号控制系统中，比较成功的有TRANSYT、SCOOT、SCATS、RHODES等。

TRANSYT系统是当今世界上最负盛名的信号配时优化设计程序。

最初版本是由英国道路运输研究所（TRRL）于1968年研究成功。

TRANSYT是一种脱机操作的定时控制系统，主要由仿真模型和优化模型两部分组成。

建立交通仿真模型的目的是用数学方法模拟车流在交通网络上的运行状况，研究配时参数的改变对交通流的影响，以便客观的评价任意一组配时方案的优劣。

将交通流信息和初始配时参数作为原始数据，通过仿真得到系统的性能指标作为配时的优化目标函数，用“爬上法”进行优化，产生比初始配时更优越的新配时方案，再把新的信号配时输入到仿真部分，反复迭代，最后得到性能指标值达到最小的信号配时方案。

经过30多年的不断发展，已成为区域交通控制方案优化设计的强有力工具，因而被世界许多城市使用。

实践证明，使用该系统带来的社会经济效益是很显著的。

TRANSYT也存在不足之处：

一是TRANSYT的计算量太大，当网络较大时，这一问题更加突出；二是TRANSYT的优化问题本质上是一个数学规划问题，如何找出全局最优解理论上还没有彻底解决，仍需不断探索；三是作为一种离线优化方法，TRANSYT需要大量的网络几何尺寸和交通流信息，需要大量的人力和时间来采集数据。

SCATS（Sydneycoordinatedadaptivetrafficsystem）系统是由澳大利亚新南威尔士道路和交通局于20世纪70年代末研究成功的，它属于响应式联机操作系统，从1980年起陆续在悉尼等城市安装使用。

它把信号周期、绿信比和相位差作为各自独立的参数分别进行优选，优选算法以饱和度和综合流量为主要依据。

优化过程没有利用数学模型，而是在各种预定的方案中进行优选，方法简单，但配时方案的数量有限。

SCOOT系统是20世纪70年代初英国运输和道路研究所与3家公司联合在TRANSYT基础上研究出的一种自适应控制系统。

该系统于1975年在英国哥拉斯哥进行现场试验，取得了较好的效果，与TRANSYT相比，可减少12％的平均车辆延误时间。

SCOOT是一种对交通信号网络实行实时协调控制的自适应控制系统，采用小步长渐进寻优方法，无需过大的计算量。

在优化过程中，配时参数随着交通需求的改变而作频繁的适量调整，通过频繁调整的连续累计来适应一段时间内交通的变化趋势，在避免因配时突变引起车流不稳定的同时，大大简化了优化算法，从而可以实现实时运算的自适应控制。

RHODES系统是由美国亚利桑那州立大学近年来开发成功的，它充分利用通信、控制、系统工程、运筹学和数值计算等方面的最新技术，通过预测模型预先获得交通流的必要信息，并对其提前做出有效的响应，经过现场测试证明该系统对半拥挤的交通网络比较有效。

交通系统是一个大的延迟系统，要实时响应交通流的随机变化，必须提前知道其变化并及时做出响应。

智能交通系统（ITS）是为了改善交通系统的运行情况，提高交通效率及安全性，减少交通事故，降低环境污染，综合运用先进的信息通信、网络、自动控制、交通工程等技术，建立起来的一个智能、安全、便捷、高效、环保的综合交通体系。

智能交通有许多分支，如交通信息服务系统、城市公共交通系统、自动车辆驾驶系统、自动收费系统、物流系统等。

智能信号灯控制是其中的一个重要分支，是城市交通控制和疏导的主要手段。

平面交叉路口是道路的基本组成部分，是最容易发生交通堵塞的区域，因此交叉路口通行能力的优化是解决城市交通问题的重要环节，交通信号灯又是交叉路口必不可少的交通控制手段。

对于传统的信号灯控制系统，控制周期固定，不能根据实际的交通流状况随时调整各方向上信号灯的时间，从而经常造成很多不必要的时间等待和资源浪费，这是现今交通问题日趋严重的原因之一。

智能交通信号灯控制系统则可以根据各方向上检测到的车流量信息，实时调整控制周期，对交通流实行合理的引导和控制，以缓解或防止交通拥挤、减少尾气排放和噪声污染及能源消耗、缩短出行延时。

2.2交通信号控制类型

城市交通信号控制有多种方式，其分类也有很多种。

在此考虑到选择控制方式的方便性，将其按控制范围分为以下几种：

（1）单点交叉口交通信号控制（点控）点控方式是指道路交叉口的信号灯各自互相不相关的独立运行的方式。

点控方式适用于相邻路口间距离较远，线控无多大效果或者因各相位交通需求变动显著，其交叉口的周期长和绿号比的独立控制比线控更有效的情况。

（2）主干路交通信号协调控制（线控）线控也称干线协调控制、绿波控制。

我们知道交通流具有连续运动的特点，若交通干线上几个距离较近的交叉口其控制信号不相关时，从上游驶出的车辆又可能在下游又遇红灯。

这种交叉口之间各自为政的孤立控制方式难免造成频繁停车，控制效果不佳。

这时若把这些交叉口的信号机在时间上联接起来进行协调控制，则可以形成一条绿波带，减少了干线上车辆的停车次数和行车延误。

线控的主要特点是对几个信号设定共同的周期长和相对的相位差。

线控适用于交叉口间距离较小，交通干线流量较大的情况，因为这时车流不会离散，控制效果好。

线控按控制的时间基准分为同时式线控、优先式线控和交互式线控；按有无连接电缆分为有缆线控和无缆线控；按控制策略分为固定周期控制、方案选择式感应控制、方案生成式感应控制。

线控根据控制目标的不同而有相应的信号配时算法，比较有代表性的有最大绿波算法MDWB、最小化总延误和停车次数算法MINDS。

（3）区域交通信号系统控制（面控）面控也称区域协调控制，是对某一大面积道路网上的多台信号机采用集中协调控制的方式，因为这些信号机相互关联，每一个路口的配时变化都或多或少地与其他路口有关。

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，路口控制机再作优化调整。

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，这时若采用线控不能达到预期效果。

面控系统按控制方式分为定时控制系统和自适应控制系统。

其中加拿大多伦多的UTC系统、英国早期的TRANSYT系统部属于前者，而英国的SCOOT系统、澳大利亚的SCAT系统及我国上海80年代开发的STACS系统部属于后者。

由于任何一个交叉路口都处于整个城市交通网的大环境中，所以为了能够提高整个交通网络的通行能力，今后交叉口研究方向将趋向于多路口协调控制即线控和面控。

未来的交通信号控制仍然是点、线、面控制并存的形式。

对于中小城市，仍将是点、线控制相结合的控制方式。

对于大型城市，大多将采用网络控制方式。

一方面，当前智能控制已成为交通信号控制发展的一个必然方向；另一方面，线控和面控的基础都是单交叉路口，如果单交叉路口得不到有效控制，干线或整个区域也无法提高通行效率。

本文就以城市道路平面交叉路口为对象，进行交通信号智能控制方面的研究和设计。

2.3交通信号控制的基本参数

（1）步与步长

当进行交通信号灯控制时，这些灯色中的某一些将被点亮。

某一时刻，灯控路口的各个方向各信号灯状态所组成的一组确定的灯色状态称为步，不同的灯色状态构成不同的步。

步的持续时间称为步长。

一般地，步长的最小单位为1s。

（2）周期

用于指挥交通的信号总是一步一步循环变化的，一个循环由有限的步构成。

一个循环内各步步长之和称为信号周期，简称周期。

（3）相位

在一个周期内，平面交叉口上某一方向或几个方向的交通流所获得的通行权称为相位，一个周期内有几个信号相位，就称该信号系统为几相位系统。

（4）排队长度

某一相位红灯期间等待在停止线前的车辆数被称为排队长度。

（5）绿信比

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λ表示：

λ=Ge/C（2-1）

式中：

λ——绿信比；C——周期时长；Ge——有效绿灯时长

2.4交通信号控制的评价指标

通流的通行或停止，使路口有良好的秩序，减少或完全消除可能引起交通事故的冲突点，并使得路口的运行指标对交叉口实行信号控制的基本目标是：

用灯色信号合理分配入口车道通行权，指挥交最好。

目前，常用的信号控制效果的评价指标有：

延误时间、平均队长、通行能力。

1、延误时间：

车辆在交叉口入口引道处被阻碍下行走所需时间和无阻碍行走所需时间之差。

2、平均排队队长：

信号一个周期内各条车道排队的最长长度平均值。

3、通行能力：

一定时间内通过某交叉口所有进口道停车线车辆数之和。

2.5城市平面道路交叉口的类型

在城市道路中有大量的平面交叉路口，它们是交通流的汇集点和分流点。

由于这些交叉路口的存在，才形成了四通八达的交通网络，而平面交叉路口又往往是事故高发地带。

按照交叉口的形状，一般可分为十字形、X形、T形、Y形和多交叉形，如图2-1所示：

图2-1平面交叉口的类型示意图

各类交叉口中，T形路口和Y形路口的通行效率不高，多交叉形路口交通组织复杂，所以应尽量避免使用，平面十字交叉路口为主要的实用类型。

第三章交通信号控制系统设计

3.1控制系统的总体方案

3.1.1控制对象

交叉字路口是城市交通运输的咽喉，其中十字交叉路口最为常见，如何使各种交通流顺畅地通过是城市交通信号控制系统成功与否的关键。

随着现代城市的发展，交通流量的增加，现在的大中城市都以六车道居多，本方案即以六车道为控制对象，其模型结构如图3-1所示：

3.1.2控制原理和控制步骤

智能交通信号的控制实质上就是模拟一个有经验的交通警察面对复杂的交通情况如何有效的指挥各车道车辆通行的行为，也就是根据正在通行的相位各车道上车辆的多少与下一相位上排队等待的车辆的多少进行比较，判断是否将通行权转给下一相位。

在人们以往的研究中，往往把右转方向作为常通来考虑。

可是由于我国大多数城市里并没有过街天桥或地下通道，为了保证行人安全通行，本文把右转相位加以考虑，将路口的信号相位设为8个相位，具体设定如图3-2所示。

其中，主信号相位如图3-2中相位1（东西向直行）、相位2（东西向左转加右行）、相位3（南北向直行）、相位4（南北向左转加右行）；辅相位如图2中5、6、7、8相位所示。

经过长期对十字交通路口车流情况的观察，本文提出的控制原理概括如下：

在一般情况下，主要进行主相位1、2、3、4的顺序转换，但在转换过程中，若满足辅相位5或6、7、8的换相条件时，系统应转向辅相位执行，其辅相位触发条件为：

正在通行的直行两个行使方向中，一个方向车辆平均长度为零，另一个方向车辆平均长度为中等以上。

其相位转换决策流程图如图3-3所示：

图3-3相位转换决策流程图

如图3-2可知，信号系统共有八个相位，在一个周期内这八个相位按实际的要求进行换相，其具体的控制步骤如下：

Step1:

系统根据检测到的交通流数据，得出相位1初始绿灯时间Gs，并对其开始放行，同时令Gs=T;

Step2:

当系统执行完初始绿灯时间Gs时，输入检测到的交通流实时数据，通过运算，确定系统下一步工作；

Step2.1如果满足辅相位5或6的触发条件（包括Step1中系统检测到的数据），则转到Step3；否则：

Step2.2判断是否放行相位2，如放行，则转到Step3；否则：

Step2.3由得到的相位1的

T，

如果T+

T

T并送系统执行，同时令T+

T=T，执行结束后，转Step2；

如果T+

T>Gm，则令Gs=Gm-T并送系统执行，执行结束后，转Step4；

Step3：

系统根据检测到的交通流数据，得出相位5或6的初始绿灯时间Gs，对相位5或6开始放行，执行结束后，转下一步；

Step4：

系统根据检测到的交通流数据，得出相位2的初始绿灯时间Gs，对相位2开始放行，执行结束后，判断是否继续延长绿灯时间，如需要延长，则用与Step2.3相似的方法进行，如不需要，则转下一步；

Step5：

对主相位3、4，辅相位7、8的相序转换方法与上述类同，因篇幅有限，不再赘述。

3.1.3控制特点

（1）在各相位初始绿灯信号时间的设定上，改变传统固定时间长度的方式，由系统根据该相位具体车流长度而具体给出，优点是提高了系统的灵活性，减少了不必要的绿灯时间浪费。

（2）在一般情况下，系统主要在4个主信号相位之间进行转换，辅相位是主相位的补充，从而提高了系统相位的灵活性。

（3）在传统的信号控制中，一般都给初始绿灯一个固定的时间，其不足之处是不考虑具体车流情况，从而在很多时候会使绿灯时间白白浪费，因此，本设计采取模糊控制的方法，根据各相位的车道综合队长Ls，对相位初始绿灯时间进行模糊设定。

3.2交通信号模糊控制的理论基础

3.2.1模糊和模糊控制的概念

在现实生活中一些概念是有明确意义的，比如说“建筑物”、“一个”、“机器”等，对于这些明确的概念，在数学中可以用经典集合来表示。

但现实生活中并不是所有的概念都是明确的，例如“老年人”这个概念，不可能在年龄轴上划定一个区间，规定在这个区间内的就是老年人。

再比如，某人说“今天的温度真高”，但对于另一个人来说，气温很舒适，“今天的气温不算高”。

类似于这样的问题，对于不同的人来说可能就有不同的答案。

面对这类大量存在于客观实际的模糊现象，人们使用经典数学来描述遭遇了实质性的困难。

1965年美国加州大学伯克莱学院的Zadeh教授首次发表了关于模糊集的论文，从而奠定了模糊数学的基础。

1968～1973年间又先后提出语言变量、模糊条件语句和模糊算法等概念和方法，使得某些以往只能用自然语言的条件语句形式描述的手动控制规则可采用模糊条件语句形式来描述，从而使这些规则成为在计算机上可以实现的算法。

在过去40多年里，对模糊集合和模糊控制的理论研究和实际应用广泛而活跃。

目前，模糊理论已经在自动控制、人工智能、图像识别、气象研究等领域发挥了重要作用。

需要特别指出的是，尽管模糊理论描述的现象可能是模糊的，但理论本身却是精确的。

模糊控制是模糊理论在控制领域的应用，是智能控制的主要方法之一。

概括地说，模糊控制模仿操作人员的控制过程（包括控制经验和知识），用语言规则来描述控制规律。

这里的语言规则在模糊系统中就是所谓的IF-THEN规则。

例如，如果汽车速度快，则给油门施加较小的力，这就是一个模糊IF-THEN规则。

由于模糊控制无需知道被控对象的数学模型，所以在控制具有不确定性和具有强非线性对象时，较经典控制方法有着无法比拟的优势。

自从1973年英国教授E.H.Mamdani首先将模糊集合理论成功地应用于锅炉和蒸气机的控制以来，模糊控制已形成了产业化趋势，尤其在家用电器行业的应用已相当成熟，日本、欧美等国家的模糊家电已相当普及。

3.2.2模糊集合和隶属函数

一般地，给定一个论域，把具有某种确定性质且彼此可以区别的对象组成的一个整体称为集合。

若用A代表论域X中的一个集合，x表示论域中一个元素，则把x属于A记为x

A；否则x不属于A，记为x

A。

即论域中的任一元素，要么属于某个集合，要么不属于该集合，决不会出现含混不清的情况。

然而现实生活中时刻存在着模糊概念，如“运行状况良好”、“水温有点高”等，它们的边界都是不明确的。

Zadeh创立的模糊集合为解释这种模糊概念提供了可能。

这种模糊集合的边界是模糊的，允许论域中的某些元素部分属于该集合，只要规定该元素属于这个集合的程度即可。

模糊集合定义为：

给定论域X中的一个模糊集A，是指对任意x

X，都为其指定个数μA（x）

[0,1]与之对应，这个数称为x对A的隶属度。

做出一个映射：

μA：

X→[0,1]，x→μA（x），称μA为A的隶属函数。

由模糊集合的定义可知，论域X上的模糊子集A完全由隶属函数μA（x）来表征。

X对模糊子集A的隶属程度由μA（x）在闭区间[0，1]的取值大小来反映。

μA（x）的值越接近1，表示x从属于A的程度越大；反之，μA（x）的值越接近0，则表示x从属于A的程度越小。

显然，当μA（x）的值为{0，1}时，隶属函数μA已蜕变成一个清晰集合的特征函数，模糊集合也就蜕变成为一个清晰集合。

因此，可以这样概括清晰集合和模糊集合间的互变关系，即模糊集合是清晰集合在概念上的拓展，清晰集合是模糊集合的一种特殊形式。

隶属函数则是特征函数的扩展，特征函数是隶属函数的一个特例。

3.2.3模糊关系

（1）普通二元关系和关系矩阵

关系是集合理论中的一个重要概念，是描述客观事物之间联系的数学模型。

如果对集合X、Y的元素之间的搭配[（x,y），x

X,y

Y]施加某种限制，这时构成的集合就是直积X×Y的一个子集。

该子集具有某种特定性质，反映了X、Y元素之间的某种特定关系。

关系的定义如下：

设X与Y是两个非空集合，集合X,Y的直积X×Y的一个子集R称为X到Y的一个二元关系，简称关系。

关系R的特征函数为：

CR（x,y）=

（3-1）

关系R可以用矩阵来表示，称为关系矩阵，其中元素rij基于特征函数的定义，与序偶（xi,yj）

R对应的记为1，与序偶（xi,yj）

R对应的记为0。

（2）模糊关系

在普通集合理论中，关系R描述事物之间有或无的肯定关系，对于不能简单地用是或否来表达的模糊概念，则需要用模糊关系来描述。

模糊关系是普通关系的扩展，普通关系只是表示事物间是否存在关联，而模糊关系是描述事物间对于某一模糊概念上的关联程度。

模糊集合X到模糊集合Y的一个模糊关系是指以直积X×Y为论域的一个模糊子集，记作R。

模糊关系R由其隶属函数µR完全刻画。

当论域X×Y为有限情况下，

模糊关系可以写成矩阵形式。

设有限集X={x1,x2,……xm}，Y={y1,y2,……yn}，则X×Y中的模糊关系R可以表示成m×n阶矩阵：

（3-2）

（3）模糊矩阵的运算

由于模糊矩阵本身表示一个模糊关系子R，因此根据模糊集的交、并、补运算定义，模糊矩阵也可作相应的运算。

对于任意两个模糊矩阵R=（Rij），（I=1,2,…m;j=1,2,…n）和S=（Sjk），（j=1,2,…n;k=1,2,…l），则模糊矩阵的交、并、合成运算为：

模糊矩阵交：

R

S=（Rij∧Sjk）m×l（3-3）

模糊矩阵并：

R

S=（Rij∨Sjk）m×l（3-4）

模糊矩阵合成运算：

R对S的合成运算RoS指的是一个m行l列的模糊关系矩阵T=（tik），其中T的第i行第k列元素tik等于R的第I行元素与S的第k列的对应元素两两先进行取小运算，然后在所得的结果中再进行取大运算，即

tik=

（Rij∧Sjk）,（I=1,2…m;k=1,2…l）（3-5）

在对实际的被控对象进行经验总结时，通常可以知道输入模糊集中各元素及其隶属度和输出模糊集中各元素及其隶属度。

只要求出输入输出的关R，并根据R制定模糊控制规则表，当对系统输入一个已知的值后，就可以根据它计算出输出值。

可见，模糊关系R对于模糊控制有着极其重要的作用。

3.3交通信号模糊控制器的设计

3.3.1模糊控制器的基本原理

本文的核心部分在于模糊控制器的实现，设计一个模糊控制器主要需要解决以下三方面问题：

精确量的模糊化、模糊推理、输出变量的反模糊化。

（1）精确量的模糊化：

由于