交通信号控制系统.docx

1、交通信号控制系统交通信号控制系统现代城市交通的智能控制与管理( )是智能交通系统的重要组成部分。而交叉口的通行能力又是决定道路通行的关键所在,若对城市交通网络的交叉口信号控制系统进行协调优化控制,可缓解拥堵区域的交通压力,使交通流量在整个城市范围内的分配趋于合理,降低或消除对道路的瓶颈影响,提高道路的通行能力和服务水平。所以城市交通控制的核心落实到如何根据交通需求来合理分配交通资源,提高通行效率。交通信号控制的发展经历了点控、线控和面控个阶段。把控制对象区域内全部交通信号的监控作为一个交通监控中心管理下的整体控制系统,是单点信号、干线信号和网络信号系统的综合控制系统。1. 国外研究现状国外当前

2、比较成熟的系统主要有系统、系统和系统。但各个系统在信号优化方面存在着不同的特点,下面将分别比较它们在信号周期、绿信比和相位差优化调整方法的不同之处。 系统交通网络研究工具( )是英国交通与道路研究所()于年提出的脱机优化网络信号配时的一套程序,它是一种脱机操作的定时控制系统,系统主要是由仿真模型及优化部分组成。交通模型用来模拟在信号灯控制下交通网上的车辆行驶状况,以便计算在一组给定的信号配时方案下网络的运行指标;优化过程通过改变信号配时方案并确定指标是否减小,这样经过反复计算求得最佳配时方案。早期的版本是采用“瞎子爬山法”,对相位差和绿信比进行优化,但不能对周期进行优化,只能在一组周期中计算最

3、小的性能指标,得到相对优化的周期时长。其性能指标()与停车次数和排队长度有关式中为第条连线延迟时间的加权系数;为第条连线停车次数的加权系数;为第条连线的总延迟时间;为第条连线的停车次数的总和。 对于给定的一组配时信号,使用上式就可以求得其性能指标。然后按照事先确定的调整步距(一个信号周期长度的)调整路网上某一个交叉口的绿灯起始时间(相当于调整与该路口相关的相位差),使用上式重新计算网络的性能指标。两者进行比较,如果该调整的性能指标有所改善,则继续沿同一方向调整该路口的绿灯起始时间,直至得到性能指标的最小值;如果该调整使性能指标增加,就沿相反的方向调整,直至获得最小值为止。网络中其他的交叉口的绿

4、灯起始时间都以同样的方式进行调整。这种优化过程要重复多次,才能得到满意的结果。采用同样的方式对各交叉口的绿信比进行优化。优化过程中必须满足最小绿时的约束条件。对周期长度不能进行优化,可以事先给出一组周期长度值,然后计算每一个周期下的性能指标,从这组周期中选取最佳周期长度。美国大学的以后的版本采用遗传算法进行优化,其过程分别对相位差、绿信比和相序(针对跳相的情况)进行优化。而对周期的优化仍然采用从一组周期长度值中挑选最佳值。系统是一种离线的交通控制系统,不能及时地对实时的交通状况及突发事件进行响应和调整。 系统悉尼协调自适应交通系统( )是由澳大利亚新南威尔士道路和交通局()于世纪年代末研制成功

5、的年起陆续在悉尼等城市安装使用,目前正推出升级版,约有个城市正运行系统。在实行对若干子系统的整体协调控制的同时,也允许每个交叉口“各自为政”地实行车辆感应控制,前者称为“战略控制”,后者称为“战术控制”。二者的有机结合,大大提高了系统本身的控制效率。正是利用了设置在停车线附近的车辆检测装置,才能这样有效、灵活。所以,实际上是一种用感应控制对配时方案作局部调整的选择系统。为节省控制计算机的时间,把信号周期、绿信比及相位差作为各自独立的参数分别进行优化,而且不用延误时间和停车次数作为直接的优选目标函数。优化过程所使用的算法以综合流量及类饱和度为主要依据。使用的类饱和度是指车流有效利用的绿灯时间与绿

6、灯显示时间之比,不同于一般的概念。为避免采用与车辆种类(车身长度)直接相关的参量来表示车流流量引入了一个虚拟的参量即综合流量，来反映通过停车线的混合车流的数量。综合流量是指一次绿灯期间通过停车线的车辆折算当量,它由直接测定的类饱和度及绿灯期间实际出现过的饱和流量来确定。一个完整的系统需要进行如下的分析:信号周期长度的选择,以子系统为单位;绿信比方案的选择,以子系统为单位;绿灯起步时距的方案选择,包括子系统内部的信号协调,相邻子系统之间的车流协调,同时作必要的修正;合并子系统,由“合并指数”表示;局部性车辆感应控制。信号周期优化周期的长度以子区为基础,根据其中类饱和度最大的交叉口来确定整个子区的

7、信号周期。事先有个限制值,即最小值、最大值中间值和介于最大和中间值的。信号周期的调整采用连续小步距方式,最大可达。绿信比的选择事先为每一个交叉口准备了个绿信比方案供实时选择使用,在每一个绿信比方案中,不仅规定各相位的绿灯时间,还规定相位次序。在不同的绿信比方案中,相序可能是不相同的。其选择方法为:根据当前实测的灯类饱和度及相应的绿灯时间,推算出其他种未被执行的绿信比方案下的类饱和度,各找出一个最大的类饱和度(即关键车流的类饱和度)进行比较,从类饱和度最低的绿信比方案中选择。若在连续个周期内某一方案次被中选,则下一周期也选此方案执行。相位差的选择相位差分为类:一类为子区内各交叉口之间的信号协调,

8、另一类为两个相邻子区合并时协调两个子区的车流。类相位差各有种事先确定。第一个相位差用于周期长度为的情况,第二个用于信号周期为,余下的种方案则根据实测流量及推算结果选择。系统则是一种方案选择式的交通控制系统,其系统预先根据历史交通数据设计多套信号控制方案,由路网的感应检测器所采集的交通数据来从预案中挑选。 系统绿信比周期长绿灯起步时距优化技术()是一种对交通信号网实行实时协调控制的自适应控制系统。由英国运输与道路研究所()于年开始研究开发年正式投入使用。是在的基础上发展起来的,其模型及优化原理均与相似。不同的是是一种方案自动产生式控制系统,即通过安装于各交叉口每条进口道上游的车辆检测器所采集的车

9、辆到达信息联机处理,形成控制方案,连续地实时调整绿信比、周期长及绿灯起步时距个控制参数,以适应同变化的交通状况。优化采用小步长渐近寻优方法,无需太大的计算量。此外,对交通网上可能出现的交通拥挤和阻塞情况有专门的监视和应付措施。它不仅可随时监视系统各部分的工作状态,对故障发出自动报警,而且可以随时向操作人员提供每一个交叉口正在执行的信号配时方案的细节情况,每一周期的车辆排队情况(包括排队队尾的实际位置)以及车流到达图式等信息,也可以在输出终端设备上自动显示这些信息。绿信比的优化采用试算的方法,分别计算种情况的车辆延误时间和停车率,即维持绿灯不变、绿灯时间缩短和延长时。其最小的值作为优化结果。无论

10、是延长或缩短,只限于下一个周期之内,是一个“临时性调整”。在该周期结束后,中心计算机把该相的绿灯时间作一次“永久性调整”,即“临时性调整”的起始变化点退回,即实际变化量为,形成永久性调整,存入计算机内。绿信比的优化是逐个交叉口单独进行的,不考虑交叉口之间的并联性。相位差的优化相位差的优化是以优化单元为单位进行的,一个交叉口和跟它相邻的所有交叉口之间的连线所构成的区域为一个单元。每一个交叉口都有一个预先指定的时间点作为优化和调整相位差的时间。每到这一时间的优化程序根据实时周期交通流分布图所提供的数据信息来估算相位差调整的必要性。估算的依据是值值最小的方案被认为是应当采用的最佳方案。信号周期的优化

11、将控制区划分为不同的子区,子区内的信号周期时长是一样的,或是双周期的,各个子区的调整是独立的,不考虑与其他子区的并联性。次调整的间隔不超过,每次调整量为几秒。为了防止过长或过短的信号周期优化值,通常事先设定上下限值。周期优化的原则是保证一个子区负荷最高的关键交叉口其饱和度达到最高上限值()。在系统运行中利用它的交通模型不断对每个交叉口饱和度进行计算,若所有交叉口的饱和度低于,则系统逐渐缩短该子区的信号周期。一旦关键路口的饱和度增高至或信号周期长度低至规定的下限,则不再继续缩减。子区内交通流量小的交叉路口采用双周期。系统是一种方案产生式的在线交通控制系统,能根据实时的交通流数据来产生新的交通控制

12、方案。对信号周期、绿信比和相位差优化调整采用多次小步幅、单独地调整。.国内研究现状国内部分学者仅在交叉路口线控制方面做了一些探索工作,而成熟的系统还处于开发研制阶段。北方工业大学马建明等研究建立专家系统与仿真技术结合,对交叉口的几何设计、交通组织和信号设计进行了优化。武汉理工大学的罗美清等也用软件对单个路口的通行能力、排队长度和延误时间进行了仿真计算并与韦伯斯特公式、美国道路通行能力手册、阿尔塞立科公式计算结果进行比较,证明了微观仿真的准确性。也有学者提出用多智能体()的方法对城市交通进行智能控制。西安电子科技大学的张宗华等利用遗传算法对个路口的信号灯的绿时长和周期进行了优化控制,并结合进行了

13、仿真研究。国内部分学者在交叉路口线控制方面的研究大部分只是对交通状况进行简化处理,如两相位、单行线的信号控制或采用固定信号周期和信号次序的方法,因而不能真实有效地反映不断变化的交通状况。.研究的不足及发展方向目前国内外的城市交通控制仿真研究均有各自的特点和优势,但因其研究定位和重点不同,均存在着不同的缺陷,主要有以下几方面：仿真模型的描述 目前的交通控制研究多集中于宏观仿真的基础上,这是由于当时的条件受计算机计算能力的限制。但宏观模型对车辆对象的描述是采用集聚性的参数,如密度、流量等,不能准确地反映各类车辆的不同行驶特性。信号灯系统的控制参数 、或系统对绿信比、相位差、相位和相序的优化只能是独

14、立地进行,没有考虑交叉口之间的关联性。这样很难保证获得的优化参数是否是最优解。故有必要探求一种可行的方法,在一定的区域范围内协调控制各个相关交叉路口的信号,使交通拥挤最小化。控制策略的选择 交通系统是一个随机性较大的非线性系统,传统的交通控制方法已经不能满足现代城市交通管理的需要,因此把各种先进的控制技术相互集成,达到对路口控制参数进行调整的目的,从而实现在整个城市范围内对交通进行动态协调控制,满足交通需求的需要,使交通道路与交通需要达到新的动态平衡。.成熟的信号机对于一款比较成熟的信号机来说，应具备以下基本功能：多时段控制功能首先,应该具有多时段控制功能，即能够根据每个路口各不同时段的交通流

15、量设置各对应时段的控制参数，然后根据信号机的时钟在对应时段的起止时刻自动切换并执行相应方案（当然这里提到的“根据交通流量设置时段及各时段的控制方案与相位时间”是基于工程经验和人工观察，将一天的控制设置为若干时段，具体的时段数可通过菜单灵活设置，通常可以设置为十个时段也可以设置为十二个或十三个）；感应控制功能其次，应该具有感应控制功能，即当信号机设置为感应控制方式时，感应控制模块能够根据车辆检测单元接收到车辆信号适当延长该相位或放行车道的绿灯时长，具体检测到一个车辆信号该延长多少绿灯时间通过菜单可灵活设置；自适应控制功能第三，应该具备自适应控制功能，即根据检测和储存到信号机内的前若干天的历史流量

16、，通过对各不同历史周期内统计得到的交通流量进行加权和平滑，将某些算法模型简化后利用其求解出一组次优控制参数，并进行存储和小步距调整下一周期各相位的绿灯时间，同样自适应控制中的基本参数，如饱和流量、最大最小绿灯时间、最大最小信号周期，以及调节步长同样可以通过菜单界面灵活设置；分时控制功能第四，应该具有分时控制功能，与多时段控制相区别的是，多时段控制方式在一天内实际上执行的都是定时控制，只是各定时参数在不同时段不同而已，而分时控制却可以实现多时段与感应控制的融合（主要解决夜间车辆稀少的最佳控制问题）、多时段与自适应控制的融合（主要解决饱和交通流期间与非饱和交通状况下的最佳控制，即根据路口一天内出现

17、的饱和状态次数设置相应的控制时段，在饱和时段内信号机执行定时控制，非饱和状态下信号机执行自适应控制），以及多时段与自适应控制、感应控制的融合（主要解决某些高峰时段存在饱和交通状态、通常为非饱和状态、以及夜间车辆稀少情况的最佳控制，即将一天根据饱和状态出现的次数首先分为若干时段，每一饱和状态设置为一个时段，夜间为一时段，在两个连续饱和状态期间为一个时段，然后在连续两个饱和状态期间信号机执行自适应控制，在饱和状态信号机执行定时控制中的一个方案，在夜间信号机执行感应控制）；手动执行功能第五，具有手动执行功能，即通过友好的人机界面，执勤人员可通过现场设置某一方向或某一车道的单独放行或禁行的功能，放行或

18、禁行的时长同样可通过菜单进行灵活设置；绿冲突和模拟运行功能第六，具备绿冲突和模拟运行功能，即当方案设置人员设置的放行方案存在绿冲突时，可根据设置的优先次序对设置方案进行自动修正，并能够对设置方案进行模拟运行，通过人机界面确认设置方案的准确无误；联网通讯的功能第七，具备同指控中心进行联网通讯的功能，即根据一定的协议，信号机可以接收并执行控制中心发出的所有信号机支持和执行的功能；针对以上功能的实现过程中所包含的相关模型的理解和体会：首先，针对无论是多时段控制功能、还是感应控制功能、自适应控制控制功能，以及分时控制功能，其中一个最基本的模型就是相位模型的建立，即怎么实现对各进口道车流的放行方式进行组

19、织和规划，其中不同的相位模型将直接影响到相关功能模块的开发，以及信号机控制功能的升级和完善；其次，感应控制中涉及到感应控制模型的建立，自适应控制中涉及到什么样的模型和算法才是最简、最佳（相对于产品开发的周期和成本）、最实用（因为现在的信号机都是基于单片机和工控机，目前主要是，受制于其存储容量和运算速度的限制）的模型。第三，针对以上提到的分时控制，其中涉及到各种控制方式的融合，其在信号机这一相当有限的资源内实现，其同样需要建立相应的算法模型设计。 随着国内经济的增长，中国将拥有全球最多的城市群，对交通信号机和信号系统的需求量无疑非常吸引人。但是由于中国交通的实际情况具有混合性的特点（主要表现在三

20、方面：非机动车数量大，不可忽略；城市建设在进行中，路网不稳定；城市布局密集，人口众多，车流不稳定），许多国外成熟的信号系统并不实用。适合于中国式的混合交通信号控制控制系统功能. 数据采集和监控:各类交通流量采集、分析并生成报表，以电子地图方式监控路网交通流，并进行交通阻塞检测。. 交通控制和优化:在对交通流的分析基础上，优化控制交通，通过设定信号机的运行方案和参数（调整绿信比或设定相位差）使区域交通流达到最大畅通。. 系统干预:操作人员可以在中心控制每台信号机的运行方式，可以在电子地图上方便地定义绿波带，并可以远程模拟手动控制交通。. 系统监视:操作员界面显示整个交通系统的运行信息，监控子系统

21、设备包括每个信号灯的状态，并进行做故障记录和报警。. 系统日志管理、系统操作员操作记录；、系统参数修改记录；、系统登录记录；、系统故障及处理记录；、系统运行方案的历史记录；、交通时间报警及处理记录。信号机功能. 组信号相位控制。. 路信号灯独立驱动。. 路检测器输入。. 全中文化的配置界面。. 功能最强大信号系统控制机。. 单点使用可以实现：全感应控制。目前我国的城市交通控制主要还是靠道路交通信号控制机（以下简称信号机）。国内的信号机主要分为两类：一类采用位单片机作为处理器，交通控制功能简单、方案单一，以 或为通讯方式，难以与控制中心联网以及实现区域交通协调控制等功能，不能适应现代化大路口交通

22、控制的要求；另一类则是基于工控机或，功能虽然强大，但由于工控机或都是按通用计算机标准设计，并非专门针对信号机应用设计，该类信号机硬件结构复杂且很多功能并不需要，成本也高，国外的信号机（如西门子公司的和美国的）开发起步早，水平高，已有各种自适应联网型信号机产品，但一般不适用于中国混合交通的实际情况，且价格昂贵，操作不方便。 信号机是一个典型的嵌入式系统，嵌入式系统是以应用为中心来设计，对功能、性能、可靠性、成本、功耗、体积等有严格的要求，既要满足智能交通系统对信号机智能化、多功能的要求，又要最大化信号机的性价比，因此本设计（深圳）选择基于核的位嵌入式处理器来完成智能交通信号机控制板的硬件设计，以

23、达到使信号机在交通系统中成为收集与处理交通流量数据、通信联网以及区域协调控制平台的设计目标。 信号机系统硬件设计 系统总体硬件结构 智能交通系统要求信号机可以向控制中心实时提供多种道路信息和车流量数据信息，接收控制中心的控制命令，并能够独立执行一些复杂的算法，可以根据交通流量变化实时条件路口信号灯的绿灯时间，因此考虑现有信号机的不足，根据信号机功能发展的趋势和要求，本文设计的信号机控制板具有控制参数输入、控制状态输出、控制参数保存、灯态输出控制、交通流信息（主要是车流量）实时检测与历史数据存储、多种灯态控制方案与算法模型存储、支持以太网及与手持终端设备通讯等基本功能。整个系统硬件结构如图所示。

24、 微处理器介绍 嵌入式微处理器是整个嵌入式系统的核心，是公司推出的基于当前流行的内核的一款位微控制器，工作在频率下的运算速度可达。专门针对系统控制、通讯领域的应用。芯片的功能结构如图所示。 集成了丰富的外围功能模块，满足多种应用场合，丰富适合于实时控制，可以支持实时操作系统（），为需要多功能、低成本、低功耗的计算密集型应用提供了一个单芯片级的解决方案。是一款性价比极高的微处理器，经过比较选择作为信号机控制板处理器。 控制板外围模块 控制板设计主要包括以下几个部分： （）电源晶振模块： 控制主板使用两套电源供电，工作于两种电压，系统其他器件尽量选择工作电压为。 使用两种晶振，主晶振经过芯片内倍频

25、处理分别为核与系统提供和的时钟频率。慢时钟用于的启动。 （）存储器模块。 （）网络模块。 （）串口模块和接口： 提供个，分别将他们分配给和。控制板上预留接口位置，用于未来扩展信号机无线通讯功能，使用同通信。 （）模块： 信号机在通讯、干线或者区域协调控制中需要使用统一的时间来同步，因此设计（实时时钟）用来对时。可以提供可编程的实时时钟：年（含闰年）、月、日、时、分、秒、星期及一个闹钟中断，并可以在掉电后使用备用电源工作。 （）系统总线扩展模块。 主要硬件模块电路设计 下面详细说明存储单元、网络和系统总线扩展模块的硬件设计。 存储器模块 本文设计的信号机需要存放嵌入式操作系统及其文件系统、应用程

26、序和其他在运行或系统掉电后需要保存的数据；另外当系统启动后，操作系统和程序运行还需要更大的空间。内部集成的和的容量不能够满足信号机的要求，因此设计了外存储单元来扩展存储空间，由和和的组成信号机的外存储系统。 的地址空间是，他被划分成个的区域； 区域为内部存储器空间； 区域是给由控制的外部设备（扩展的片外存储器和外接的设备）使用的，片选信号为引脚； 区域是集成的片内外围功能（包括系统和用户外围）使用的地址空间，当系统上电或重启时，根据引脚的电平状态，系统选择是从内部（）还是从存储区域即片选区域（）启动。 （）本设计选用片数据宽度的，共，作为程序代码存储器和信号机运行时的永久数据存储器。存储器在系

27、统中主要用于存放引导程序、操作系统内核镜像和应用程序代码等，系统上电或者复位后从中运行，由初始化硬件并将操作系统拷贝到中去执行。所以将存储器分配到的（存储区域）地址空间，即将的连接到的片选端。输出使能端接的；写使能端接的；模式选择端上接高电平，使工作在位数据模块，位模块与的基本连接如图所示。（）为了提高系统运行的效果，系统启动后将中代码拷贝到中，由作系统程序运行场所。为了发挥处理器位数据处理性能，本设计选用片（），并联组成的，总共空间，完全可以满足嵌入式操作系统及各种复杂功能的运行要求。 如图为用片并联构建位存储系统的简图，其中一片作为高位，另一片作为低位，他们的数据线分别接数据总线的和。是被

28、分配到的（存储区域）地址空间的，即将的端分别接到片的片选端。因为的第位地址线还有给预充电的作用，所以提供给专用的地址线，来代替通用地址线，并且因为位数据读写是字节对齐的，所以的地址线，接地址线，。 以太网模块 传统的 和 通信方式已经不适应远距离、大信息量的数据传输，而充分利用现有发达的网络系统，实现信号机联网的功能，也是智能交通发展的要求，芯片本身集成有网络控制器件和的栈和专用数据控制器（）的接收和发送通道，硬件实现了网络参考模型中介于物体层和逻辑链路层之间的介质访问子层，但是没有提供物理层接口，因此需要外接一个物体层传输控制器来提供接入以太网的通道。用的快速以太网传输控制芯片进行数据的网络

29、收发。和网络控制器通过介质无关接口（）可以很方便地连接。在和接口之间需要用网络隔离变压器来连接，网络隔离变压器起信号传输、阻抗匹配、波形修复、杂波抑制以及高电压隔离等作用，以保护系统的安全。的、接到网络隔离变压器上，再由变压器引出相应信号连接到接口上，网络模块以标准接口与以太网相连。其网络模块连接方式如图所示。 系统总线扩展模块 考虑到信号机的体积、可靠性及提高信号机的模块化程度，方便设备的升级、扩展、控制板上并不直接实现控制参数输入、车流量检测等功能，信号机从控制板引出数据总线、地址总线和必要的控制信号，设计统一的系统总线，控制板通过总线来操作各个功能板，如信号灯驱动板、车辆检测板以及操作面

30、板的键盘输入和显示输出，控制板和各个功能板都卡装在插槽接口。由于信号机的系统总线设计使用总线标准，因此总线时序同的读写时序不同，所以首先需要对时序和时序做转化。底板总线需要的数据、地址、读写等控制信号等都先由进行时序转换后再发送到总线上去。底板总线使用位数据总线，位地址总线，分配给底板总线的地址空间是的区（存储区域），片选信号端。对底板总线的读写操作由的（外部总线接口）来控制，嵌入式操作系统以内存的方式来对他们进行管理。的可编程时钟输出端用来给底板总线提供时钟信号，由对他进行分频处理，产生需要的多个时钟频率。 信号机使用操作面板的小键盘进行参数设置和方案设定，并用模块显示信号灯闪烁。操作面板的

31、键盘、设计采用“串行”操作，即面板的键盘信号先进行“并串”转换后，以两线同步串行方式传输到控制板的，作“串并”转换后再发送给。在操作面板自己的内，模块“”的工作方式，采集键盘信号，同样发送给显示的命令数据先在中实现“并串”转换，以两线同步串行方式，传输给操作面板，由操作面板的处理后控制。这种方案大大减少控制主板与操作面板之间的联线，模块化程度更好。系统总线扩展模块如图所示。 嵌入式系统 信号机功能比较简单时并不需要使用操作系统，而只是运行一个控制循环程序，利用中断来处理发生的事件，这样程序结构比较凌乱，难以维护或升级，功能也受限。基于工控机或的信号机上一般运行通用操作系统，如或，前者功能虽然强

32、大，却过于庞大，不适合信号机这样的嵌入式系统，可靠性差、容易造成死机；后者则功能较弱，已经不适合信号机功能发展的要求。 智能信号机的功能发展需要同时运行多个任务，如信号灯控制、通讯、车流量检测等等，这就要对多任务进行合理的调度；另外信号机接收和处理的信息、数据的增多，尤其是需要大量保存历史车流量数据供信号灯控制模型计算和中心查询使用，单靠表或数组来管理是复杂而效率低下的，因此文件管理也是必不可少的一项功能。 嵌入式是一款优秀的嵌入式操作系统。他采用微内核体系结构，这使得核心小巧而可靠，易于固化，并可模块化扩展；支持多种文件系统，如，等；内核直接提供完善的网络支持。 本文选择功能和可靠性都很成熟的内核版本以及针对体系结构的补丁。给标准内核源代码打上补丁后，该内核就可应用于了。这就大大节省了产品开发时间，剩下的主要移植工作就是根据信号机的硬件功能编