基于操作系统作业调度算法的红绿灯调度.docx
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基于操作系统作业调度算法的红绿灯调度
本科毕业论文（设计）
题目
红绿灯调度算法的研究及实现
学生姓名
侯永顺
学 号
2009110813
系名
数学与计算机信息工程系
专业年级
计算机科学与技术2009级
指导教师
梁碧珍
职 称
副教授
单 位
百色学院
辅导教师
职称
单 位
完成日期2013年5月20日
百色学院本科毕业论文（设计）任务书
题目名称红绿灯调度算法的研究及实现
学生姓名
侯永顺
所学专业
计算机科学与技术
班级
计科本092班
指导教师姓名
梁碧珍
所学专业
计算机应用技术
职称
副教授
完成期限
2013年5月20日
1.毕业论文（设计）主要内容或主要技术指标
基于操作系统作业调度算法的红绿灯调度是一个能管十字路口三车道，车流相位、互斥问题，生成通行的优先级，从而智能选择最优调度算法，为通行汽车提供最佳行车方案。
本项目所涉及到的专业知识有数据库的应用技术、软件工程理论及应用等。
编程语言C++，数据采用二进制文件存储形式。
2.毕业论文（设计）基本要求
（1）认真调研，做好文献查阅工作，对设计方案进行论证。
（2）设计要勇于创新，敢于实践，注意各种能力的锻炼和培养，完成设计要求。
（3）毕业论文的撰写格式要求等严格按照学院要求做，各相关引用文献要标注清楚、规范。
（4）撰写毕业论文时，做到条理清晰，逻辑性强，符合科技写作规范，并严格按照学校所规定的本科生毕业论文要求进行撰写、打印和装订。
3.毕业论文（设计）进度安排
（1）2012年1月完成开题报告。
（2）2012年2月完成项目的总体规划及项目文档的框架。
（3）2013年3月1日至2013年4月1日：
完成系统初步设计及测试。
（4）2013年4月1日至2013年5月1日：
完成系统要求功能及进行局部测试。
（5）2013年5月1日至2013年5月18日：
完成系统开发，进行最终系统测试。
（6）2013年5月20日：
完成文档编写及答辩准备。
指导教师签名：
年月日
百色学院本科毕业论文（设计）开题报告
学号
2009110813
学生姓名
侯永顺
系名
数学与计算机信息工程系
专业年级
计算机科学与技术
2009级
指导教师
梁碧珍
职称
副教授
论文（设计）题目
红绿灯调度算法的研究及实现
1.本论题国内外研究动态及研究意义：
传统的十字路口交通控制灯，通常是事先经过交通流量的调查，运用统计的方
法将两个方向红绿灯的延时预先设置好，一般红绿灯的维持和转变是定周期。
而这种传统的控制灯已然不能满足如今城市发展带来的交通问题。
针对当前城市车流量大急剧增加，交通拥堵日益严重的现状，为解决城市交通拥堵问题，保证车辆高效的通行。
国内外相关研究如雨后春笋，基于交通灯智能调度的研究成果很多。
一定程度上对当前交通现状有所改善，但是在我国，虽然大中型城市型城市已有比较先进的调度设施，但是随着城镇化的推进，一些后劲崛起的小城市仍然沿用传统的控制等调度方式，没有合适小型城市的智能控制灯调度系统，使得小城市也饱受交通拥堵之祸。
现针对一些小城市的交通现状，通过对车流的统计，变换调度优先级，根据不同交通情况引入不同的调度算法，实现交通灯指挥疏导交通的智能化。
为车流疏导提供一种合理的解决办法。
2.毕业论文（设计）研究内容、拟解决的主要问题：
（1）十字路口三车道，车流相位问题，相位互斥；
（2）车道分级设置缓冲区，缓冲区内限速；
（3）车道获得通行的优先级的生成；
（4）具体路况智能选择最优调度算法；
（5）为通行汽车提供最佳行车方案。
3.毕业论文（设计）研究方法、步骤及措施：
（1）通过研读相关书籍，对车道通行优先级生成，调度算法，最短路基算法进行研究和初步的实现；
（2）在老师指导下，使用MicrosoftVisualC++6.0作为开发工具，开始早期的MFC桌面应用程序；
（3）2012年1月20日至2012年3月1日：
完成材料收集；
（4）2012年3月1日至2012年4月1日：
完成系统初步设计及测试。
（5）2012年4月1日至2012年5月1日：
完成系统要求功能及进行局部测试。
（6）2012年5月1日至2012年5月18日：
完成系统开发，进行最终系统测试。
（7）2012年5月20日：
完成文档编写及答辩准备。
4.主要参考文献：
[1]汤子瀛.操作系统（第五版）[M].北京：
清华大学出版社，2009.
[2]严蔚敏.数据结构[M].北京：
清华大学出版，2009.
[3]谭浩强.c++面向对象程序设计教程（第三版）[M].北京：
清华大学出版社，2009.
[4]侯捷.深入浅出MFC（第二版）[M].华中科技大学出版社,2001.
[5]（美）帕罗赛斯.北京博彦科技发展有限责任公司译.MFCWindows程序设计（第2版）[N].清华大学出版社,2007.
[6]（美）StanleyB.LippmanBarbaraE.MooJoséeLaJoie著，李师贤等译.C++Primer中文版[M].人民邮电出版社，2006.
[7]（美）WalterSavitch著，周靖译.C++面向对象程序设计——基础、数据结构与编程思想[N].清华大学出版社，2004.
[8]（美）AIStevens著，林瑶等译.C++大学自学教程[M].电子工业出版社，2004.
[9]刘瑞新主编.VisualC++面向对象程序设计[M].机械工业出版社，2004.
是否可以进入论文（设计）研究：
指导教师签名：
年月日
是否可以进入论文（设计）研究：
系主任签名：
年月日
百色学院本科毕业论文（设计）中期自查表
系名
数学与计算机信息工程系
年级
2009
专业
计算机科学与技术
本人投入的时间和精力
每周平均工作30小时，出勤情况：
较好（√）、一般（√）、差（）。
影响时间投入的原因：
找工作（√）、自身水平（√）、其他原因考试复习。
指导教师的投入
指导教师每周指导2次，大约2小时；
指导形式：
网络（√）、电话（）、面对面（）、其他；
指导效果：
好（√）、较好（）、一般（）、差（）。
毕业论文（设计）工作情况
是否能按任务书的“进程安排”完成工作：
是（√）、否（），已完成内容占全部工作50％。
你的论题是：
自选（√）、专业安排（）、跨专业（）。
论题是否结合专业（是）、难度（高）、工作量（大）。
自己对毕业设计（论文）文件规范的学习情况：
已了解（√）、部分了解（）、不清楚（）。
条件保障
试验设备和器材是否得到保证：
是（）、否（√）。
学校提供的图书资料是否满足需要：
是（）、一般（√）、否（）。
学校计算机上机条件：
好（）、较好（√）、不好（）；约需10机时。
经费来源：
学校（）、个人（√）、尚无需要（）。
存在问题及
整改思路
存在问题：
系统功能尚不完善，实现功能太少，界面美观度欠缺，功能设计不够健全，只实现了系统的简单功能。
整改思路：
继续完善系统各功能。
学生签名：
年月日
指导教师签名：
年月日
红绿灯调度算法的研究及实现
计算机科学与技术2009110813侯永顺指导教师：
梁碧珍
摘要：
红绿灯在交通指挥和控制中发挥着重要的作用，红绿灯调度的策略随着交通拥堵问题的涌现而不断改进，有许多优秀的调度策略出现。
本文通过对计算机操作系统的研究，尝试将操作系统中复杂的作业调度算法应用到红绿灯控制交通中，从而形成一种新的红绿灯调度策略。
关键词：
操作系统；作业调度算法；交通控制
Thetrafficlightschedulingpolicybasedonschedulingoperatingsystemjobschedulingalgorithm
Abstract:
Thetrafficlightplaysanimportantroleintrafficcommandandcontrol,withthetrafficcongestionproblemtrafficschedulingstrategiesofcontinuousimprovementemerge.Thispaperattemptstoapplycomplexoperatingsystemschedulingalgorithmtothecontroloftrafficlightstraffic,thusformingatrafficlightnewschedulingpolicy.
Keywords:
Operatingsystem;Jobschedulingalgorithm;Trafficcontrol
1绪论
1.1系统研究的背景及意义
随着我国城市化的不断发展、汽车数量急剧增长，各个城市交通拥堵情况加剧，各地交通事故也频频地发生，日益恶化的交通环境已成为突出的城市问题。
很多人都知道，缓解交通拥挤的最直接、最有效办法是提高路网的通信能力，从而实现高效的交通调度方案。
由于受资金因素或者是土地因素的限制，无论哪个大城市，不可能无限制地修建道路。
而城市交通中极为重要的部分——往成为影响整个城市交通的关键节点。
高效的红绿灯调度方式不仅可以有序指挥交通，而且在很大程度上能够保障城市道路的畅通。
传统的十字路口交通控制灯，通常是事先经过交通流量的调查，运用统计的方法将两个方向红绿灯的延时预先设置好，一般红绿灯的维持和转变是定周期。
而这种传统的控制灯已然不能满足如今城市发展带来的交通问题。
针对当前城市车流量大急剧增加，交通拥堵日益严重的现状，为解决城市交通拥堵问题，保证车辆高效的通行。
国内外相关研究如雨后春笋，基于交通灯智能调度的研究成果很多。
一定程度上对当前交通现状有所改善，但是在我国，虽然大中型城市型城市已有比较先进的调度设施，但是随着城镇化的推进，一些后劲崛起的小城市仍然沿用传统的控制等调度方式，没有合适小型城市的智能控制灯调度系统，使得小城市也饱受交通拥堵之祸。
现针对一些小城市的交通现状，通过对车流的统计，变换调度优先级，根据不同交通情况引入不同的调度算法，实现交通灯指挥疏导交通的智能化。
为车流疏导提供一种合理的解决办法。
本文主要论述了我们提出的基于操作系统作业调度算法形成的新的红绿灯调度方式。
1.2国内外研究现状
传统的十字路口交通控制灯，通常是事先经过交通流量的调查，运用统计的方法将两个方向红绿灯的延时预先设置好，一般红绿灯的维持和转变是定周期。
而这种传统的控制灯已然不能满足如今城市发展带来的交通问题。
针对当前城市车流量大急剧增加，交通拥堵日益严重的现状，为解决城市交通拥堵问题，保证车辆高效的通行。
国内外相关研究如雨后春笋，基于交通灯智
能调度的研究成果很多。
一定程度上对当前交通现状有所改善，但是在我国，虽然大中型城市型城市已有比较先进的调度设施，但是随着城镇化的推进，一些后劲崛起的小城市仍然沿用传统的控制等调度方式，没有合适小型城市的智能控制灯调度系统，使得小城市也饱受交通拥堵之祸。
现针对一些小城市的交通现状，通过对车流的统计，变换调度优先级，根据不同交通情况引入不同的调度算法，实现交通灯指挥疏导交通的智能化。
为车流疏导提供一种合理的解决办法。
1.3主要技术路线
本文主要是实现对我们提出的新的红绿灯调度方式的模拟，而交通调度有实时性的特点，调度的不可预知性。
为实现本模拟系统的实时性和凸显我们提出的调度方式的智能性，我们采用基于对话框的MFC应用程序，设计的核心技术是灵活应用MFC提供的计时器资源。
我们以WindowsXP操作系统、VisualStudioC++6.0为开发环境，采用MFC作为应用程序开发框架。
2主要问题论述
2.1车道汽车流向
图2-1六车道的十字路口示意图
规定一个车道中移动的车辆经过十字路口到另一车道为一个相位（M），那么一个上图的交叉路口会产生十二种相位：
图2-2由南开始的相位图
图2-3由北开始的相位图
图2-4由东开始的相位图
图2-5由西开始的相位图
在这十二种相位从互斥调度的角度可以分为两类，即：
第一类：
N6到W1、S6到E1、W6到S1、E6到N1，这一类没有调度时方向互斥的问题，所以不需要调度，可自由通行；
第二类：
N4到E3、S4到W3，W4到N3、E4到S3，E5到W2、W5到E2，N5到S2,、S5到N2。
其中在第二类中形成互斥的相位组分别是：
组一：
N4到E3、S4到W3，W4到N3、E4到S3；
组二：
E5到W2、W5到E2，N5到S2,、S5到N2。
经过上述分析，可以得出一次调度开放的相位有：
通行相位组一（N组）：
N4到E3、S4到W3，N6到W1、S6到E1、W6到S1、E6到N1；
通行相位组二（W组）：
W4到N3、E4到S3，N6到W1、S6到E1、W6到S1、E6到N1；
通行相位组三（E组）：
E5到W2、W5到E2，N6到W1、S6到E1、W6到S1、E6到N1；
通行相位组四（S组）：
S5到N2、N5到S2，N6到W1、S6到E1、W6到S1、E6到N1。
通行相位组五（n组）：
N4到E3、N5到S2，N6到W1、S6到E1、W6到S1、E6到N1；
通行相位组六（w组）：
W4到N3、W5到E2，N6到W1、S6到E1、W6到S1、E6到N1；
通行相位组七（e组）：
E4到S3、E5到W2，N6到W1、S6到E1、W6到S1、E6到N1、；
通行相位组八（s组）：
S4到W3、S5到N2，N6到W1、S6到E1、W6到S1、E6到N1、N6到W1。
而这四组通行相位在时间上是互斥的，在同一时间只能容许其中一组通行，否则，可能会造成严重的交通事故。
图2-6调度组放行示意图（通行相位组二）
2.2单车道分级限速问题
图2-7车流方向由南向北的三车道分级限速示意图
在这里对车流来源点路段进行分级限速，分级限速作三点主要说明：
第一：
解决了车辆行车速度混乱而造成的拥堵问题和混乱秩序，同时限速便于计算车辆数，进而便于计算调度指标——优先级；
第二：
在计算优先级时，多不同缓冲区赋予不同的权重，靠后的缓冲区在计算优先级时权重要比靠前的缓冲区权重要高；
第三：
初始状态下缓冲区数量一定，每一个缓冲区能够容纳的车辆数量一定，一个缓冲区满，再动态开辟新的缓冲区，根据车辆拥堵情况，灵活增减缓冲区。
2.3动态优先级值的计算
2.3.1优先级计算
首先，如前面所述，四个互斥组要想被调度，必须获得最高的优先级。
每一个组的优先级与该组每个车道上滞留的车辆有直接的关系。
就问题一所述，八个组分别是：
N（组）、W（组）、E（组）、S（组），n（组）、w（组）、e（组）、s（组），各组中不形成互斥的相位有四组：
N6到W1、S6到E1、W6到S1、E6到N1、N6到W1，这四组随时可以通行，故不用考虑调度的问题。
对剩下的相位作如下规定：
1.N4、S4，E4、W4，N5、S5，E5、W5；这八个车道是车辆来源车道；车道上车辆滞留重量用C表示，车道车辆滞留量由C和道路标识组合表示，每个车道车辆滞留量分别是CN4、CS4、CE4、CW4、CN5、CS5、CE5、CW5；
2.计算机优先级时，各类权重用W表示，W和下标组合作为不同类型权重的区分，具体计算中给出解释；
3.优先级用P表示，不同车道上的优先级由P和车道标识组合表示。
优先级计算公式：
P=Pi+
；式（2.1）
其中Pi车辆等待时间的延长而直接获得的优先级的值；设置这个量主要考虑到，如果某一个相位滞留车辆持续增加，时刻保持所有缓冲为满的情况，而其他车道靠前缓冲区都未满，且后续车辆又少，在此车道上的车辆将长时间得不到放行，这样造成不良调度。
故在此设置Pi以避免上述情况的出现。
2.3.2具体车道优先级计算
1.选取车道，本次选取N4；
2.假设此十字路口每个方向车道分三级缓冲地带（三级都满后，开辟第四、五……），分别是：
b1、b2、b3；
3.权重用于衡量车辆滞留的严重度，靠后的缓冲地点应该比靠前的缓冲地带在计算优先级时有更高的权重，在这里，N4车道上三级缓冲地带计算优先级的权重分别是：
Wb1、Wb2、Wb3（后续会出现Wbi），且Wb14.在这里，N4车道上各个缓冲地带车辆为Cb1、Cb2、Cb3，
CN4=Cb1+Cb2+Cb3
5.在这里，N4车道上的优先级，如式（2.2）为：
2PN4=Pi+
式（2.2）
3关于不同调度算法的说明
3.1轮换调度算法
该算法的原型是，操作系统中作业调度和进程调度中共有的算法——基于时间片的轮转调度算法。
根据问题一的论述，十字路口车辆放行时受空间限制而形成四组互斥放行组，早期红绿灯控制交通中，各个互斥组放行时间相同且一定。
此种情况下，互斥的每个调度组被调度的优先级是一样的。
运用轮换调度算法具体操作如下：
在问题一中根据相位互斥，可以得出八组互斥的调度组，但是N组和n组、W组和w组、E组和e组、S组和s组，均含有相同的互斥相位，如果首先调度的N组，然后再立即放行n组，那么N4到E3这一相位在时间上连续两次被放行；类似其他组也是如此。
如果该相位上车辆滞留很少，那么这样调度造成道路空间资源浪费；就该算法而言，也失去了调度的公平性，不利于其他车道上车流的疏导。
所以在使用轮换调度时，在N、W、E、S和n、w、e、s，两组序列中任意选择一组序列作为调度的输入序列。
人工拟定四组的先后顺序，四个调度组排成一个队列，称为调度就绪队列。
排在队首的先被调度，该组放行时间持续T秒，T秒结束后，该组至于调度就绪队列队尾，此时位于队首的一组如前一组一样操作。
图3-1时间片轮转调度流程图（示例时间片大小为35秒）
轮换调度算法控制效果的好坏取决于每组时间片的大小，时间片小，单车道上拥堵的车辆少，在此段时间能够得到及时放行；但是对于拥堵车辆较多的车道，放行时间短，不同方向的红绿灯频繁变化，经过数次调度，拥堵在该车道车流中后位置的车辆部能被及时放行，不利于缓解该车道的拥堵情况。
如果时间片长，经过一次或者比较少次调度后，拥堵车辆很多的车道得到疏导，但是拥堵车辆少的车道一次调度时间太长，甚至与该车道绿灯时没有或者很少有车辆通行，浪费没必要的时间，同时在这段时间内，其他车道的车辆又会逐渐增多，从而造成交通拥堵。
因此，合理的时间片大小是决定该调度算法好坏的关键，如何得到合理的时间片大小，要根据具体的路口车辆通行情况的长期统计结构得到，并且随着城市的发展，这个数据要求不断更新。
3.2基于动态优先级的调度过程
3.2.1软抢占式调度
这种调度方式要求中断所有当前正在放行的车道的调度，无条件让出通行权。
具体流程如下图：
图3-2软抢占调度流程图
流程说明，该调度策略主要是在一个相位组调度即将结束时，检测调度就绪队列中各相位组里是否有需要实时调度的任务，即，某个相位上滞留有需要急需放行的车辆（诸如：
救护车、消防车、警用执勤车、其他一些工程车辆等），如果有，则此组在优先级比较中获得最高优先级，被置于调度就绪队列队首。
3.2.2硬抢占调度方式
当然上述调度存在缺陷，如，某个相位需要立即放行的车辆在其他相位组刚好被调度放行时到达，而此时被放行相位车道上滞留大量车辆，优先级久高不下，这样需要立即放行的车辆会长时间不能被放行，导致该车辆被延误，造成比较严重的后果。
针对上述情况，对上述情况，可以对软实时调度作细微改进——硬抢占式调度。
具体流程如下图：
图3-3硬抢占调度流程图
硬抢占调度方式，主要是改变了检测实时任务的时间，以及一旦检测到某个相位有实时任务时，在一定时间后，终止当前正在放行的相位，立即调度含有需要实时放行车辆的相位。
在这里不是一检测到就马上放行，而要使原先被调度的相位上的绿灯持续一段时间，主要考虑到，原先放行相位车道上有占据了十字路口的黄灯缓冲区的车辆，如果立刻调度含有需要立刻放行车辆的相位，而此相位与原先放行的相位互斥，这样容易造成交通事故。
而一段时间的长短，要根据黄灯缓冲区的长度和要求车辆在该区域指定的速度决定（一般时间很短，不会延误调度）。
3.2.3常规优先级调度
图3-4常规优先级调度的基本流程图
（1）阀值t：
阀值t是每一次调度，被调度相位放行持续的最低时限。
阀值的设定保证了每一次调度都会有一定的车辆得到通行。
同时设置这个值，避免了由于优先级的细微变化而引起调度相位组频繁切换。
阀值t由具体路口车流统计得出。
而这个阀值可以分为可变和不可变：
不可变阀值是，就单个十字路口而言，使用该调度体系，常规优先级调度的阀值始终是系统投入运行时设定的那个值。
采用不变阀值，相对而言操作简单，系统开销会小一点，适合车流量相对稳定的路口。
可变阀值是指在调度过程中，该值会根据每一次被放行车道上滞留车辆量来动态调整，如，上一次调度，车道上滞留车辆少，设定阀值为t1相对较短，本次调度由于下班高峰期，被放行车道上滞留大量车辆，如果仍然采用前一次的阀值，t1时间过后，该相位的优先级与另一相位的优先级持平或略低，那么另一相位上的车辆被放行。
而本车道上车辆滞留时间就会增加，另一车道上的后到达的车辆被放行了，而本车道上先达到的车辆仍旧滞留，这样调度明显是不合理的。
所以动态改变阀值，使得滞留车辆少的车道被调度放行时获得较小的阀值，而滞留车辆多的车道被调度放行时获得较大阀值，从而提高调度效率。
（2）调度过程描述：
首先人工设定初始的调度就绪队列，队首的相位组被放行。
该相位绿灯计时开始，开始计算各个相位的优先级并计时。
采用固定阀值时，比较计时和阀值的大小，一旦计时大于阀值，对当前各个相位有点急排序，得出调度就绪队列，选择排在队首的相位组作为被调度相位组，对其放行。
采用可变阀值是，先获得本次调度所需要的阀值，然后再如固定阀值时一样操作。
4系统控制流程
前面完成了优先级的计算，和四种调度方式的说明。
但系统运行起来，如何去选择合理的调度方式，怎样让红绿灯做出合理的变换，体现系统的智能性？
在本节将做出解答。
4.1优先级方差S²
由于只有八个优先级值，数据量小，因此采用比较简单的统计规律，获得一次调度时优先级的方差如式（4.1）：
S2=（PN4-P）2（PN5-P）2（PS4-P）2（PS5-P）2（PW4-P）2（PW5-P）2（PE4-P）2（PE5-P）2/8式（4.1）
其中P是一组优先级的平均值P=（PN4+PN5+PS4+PS5+PW4+PW5+PE4+PE5）/8
一组统计数据，方差反应了这组数据的波动情况。
当八个相位的优先级基本相同时，基于优先级的调度方式作用不明显，此时退化成轮换调度方式，不仅操作上比较简单，也不会降低调度效率。
而当一组优先级值波动较大时，此时选择基于优先级的调度方式效率会更高。
因此在获得各组优先级之后计算出此时优先级的方差。
4.2临界值K
在这里定义临界值的概念，这个值是定量判断一组统计数据的波动情况的量。
计算得到优先级方差与临界值比较，
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