1、目录目录 .1第一章 引言 .31.1 城市交通现状 .31.2 智能交通的国内外发展状况 .31.3 交通信号灯控制的研究现状 .51.4 本文的主要工作 .6第二章 十字路口信号控制的基本理论和方法 .72.1 交通信号灯 .72.2 信号灯的设置 .72.3 交通信号的控制方式 .82.4 城市道路智能交通信号控制系统 .92.4.1 智能交通信号控制系统的基本组成 .92.4.2 交通信号控制系统的主要术语和参数 .92.4.3 智能交通信号控制的核心 .112.4.4 智能交通信号控制系统的基本设计步骤 .12第 3 章 信号灯控制系统的设计 .133.1 信号灯结构设计 .133.
2、1.2 可编程控制器 I/O 端口分配 .153.1.3 程序梯形图 .173.1.4 信号灯的 PLC 外部连线图 .223.2 倒计时数码管的设计 .233.2.1 程序梯形图 .233.2.2 数码管的 PLC 外部连线图 .263.3 本章小结 .28第四章 交通灯系统的设计 .294.1 交通系统的发展趋势 .294.2 选择 VHDL 硬件描述语言设计的优势 .294.3 红绿灯交通信号系统功能描述 .294.4 红绿灯交通信号系统的 VHDL 模块 .314.4.1 时钟脉冲发生电路 .314.4.2 计数秒数选择电路 .324.4.3 倒计时控制电路 .354.4.4 红绿灯信
3、号控制电路 .374.4.5 建立程序包 .394.4.6 连接各个模块 .39图 14 连接各个模块后的管脚分配图 .404.5 本章小结 .40参考文献 .41致谢 .42附件 .43附录一 信号灯程序指令表 .43附录二 数码管显示程序指令表 .45附录三：红绿灯交通信号系统的 VHDL 程序代码 .46第一章 引言1.1 城市交通现状据一项对美国主要城市交通状况的调查显示：1982 年至 2000 年，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 680 亿美元。以广州为例来讲，现在市区平均车速只有每小时 12 公里。用这个目标
4、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 117 亿元。相当于该市整个生产总值的 7%!在北美、澳大利亚等大城市，道路面积率高达 35%-40%，而北京只有 20%。缓解交通拥堵，加快道路建设是当务之急。据悉，到 2010 年，北京将投资 500 亿元用于城市道路建设，到 2005 年，北京仅高速公路通车里程就达到 600 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。中国各大城市的交通系统都存在着不同程度的问题，北京、上海、广州三大城市的公共交通出行比例都比国外大城市小
5、，尤其是高峰时段的公共交通分担率更小。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。1.2 智能交通的国内外发展状况城市交通矛盾的日益突出，已开始影响城市的发展，解决这个问题最行之有效的良方或许就是大力发展智能化交通。智能化交通管理体系在国外已经有了 40 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
6、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。智能交通系统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拥堵已排在世界前列。在北京召开的“第二届国际智能交通系统技术研讨暨技术与产品展览会”上透露。我国将投资 20 亿元对北京、上海、天津、重庆、广州、深圳、济南、青岛、杭州、中山 10 个城市进行交通智能化改造，到 2010 年，这 10 个城市将全部实现交通的智能化。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
7、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。日本、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。从各国的发展来看，智能交通系统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。表 1-1 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家ITS 发展程度投资规模重点发
8、展领域 预期目标美国ITS 大国，智能交通应用率达 80%以上。19901997 年用于智能交通的预算为12.935 亿美元。ITS 发展在车辆安全系统、GPS 适时定位系统、车辆管理系统。一是安全，减少事故和财产损失；二是经济效益，每年节省 200 亿美元的目的；三是环保和减少能耗。日本通过近十年的研究已建成符合本国国情的智能交通系统。1998 年用于智能交通的研究经费有 161 亿日元，用于基础设施的经费有 1285亿日元。交通信息服务系统、高速公路不停车收费系统等较为先进的领域。1994 年后未来30 年减少 50%的交通事故人员伤亡率，较少汽车尾气排放对大气的污染。欧洲各国ITS 应用
9、程度介于美国与日本之间19951998 年间用于共同研究的经费有 280从道路交通扩展到铁路和水路等 64个课题的研究，分布于交通信息服务、电一是安全性提高；二是有效性提高（出行时间节省 6%） ；三是环境保护（污染物1.3 交通信号灯控制的研究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。1. 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
10、计思想源于线性规划。它没有考虑交通需求的随机波动，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。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
11、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：亿欧元。 子自动收费管理等方面。减少 50%等。中国地方试点和专家呼吁阶段。基本无 基本无 基本无（1-1）max0l（1-2）inrr的系统（1-3） i kaiBkll0)1()()(1(给定初始状态, 0)(l,)(r确定一个控制序列 r(k)，使得以下性能指标最优（1-4）)()()(210 NTNTk
12、rkRrkQlJ 其中:(1-l)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l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l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。(1-3)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。(1-4)式表示性能指标，己经写成了二次型函数形式;r N 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
13、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。1.4 本文的主要工作近年来，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。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:(l)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 PLC 上编程实现此模糊控制系统第二章 十字路口信号控制
14、的基本理论和方法2.1 交通信号灯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。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。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。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:(l)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已进入人行通道的行人，可以继续通行。(3)红
15、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。2.2 信号灯的设置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要道路上有车通行，往往会引起有意或无意的闯红灯。因
16、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。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。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、水平排列式从道路的中心线一侧起以红、黄、绿的顺序向路边
17、排列。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借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 1O0m 以外能看清。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
18、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据需要随时进行调整。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
19、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 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。主要包括交通工程设计、车辆信息
20、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。国内外各大中城市己有的交通信号控制系统就是根据不同环境条件，基于各自城市道路的规划和发展水平建立起来的。2.4.1 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。图 2-1 城市道路智能交通信号控制系统框图2.4.2 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
21、控制参数，用 C 表示。一般信号灯的最短周期长度不少于 36 秒，否则就不能保证几个方向的车辆顺利通过交叉口。最长周期长度一般不超过 120 秒。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。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，设两个相位的交通到达率(到达率)分别是 dl、d 2，相应相位的通行能力分别为 s1，s 2，周期时长为 C，绿灯时间分别为 g1、g 2，其中损失时间分别为 L1、L 2(损失时间是指灯色切
22、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：(2-1)11)(sLgd(2-2)22C将上两式相加，并将代入 g1+g2=C，得(2-3)(12sd若 s1=s2=s，则有(2-4)由式(2-LC4)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，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。这里称时间对“错开”为相位差。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;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。
