1、1学号 姓名 分工和主要贡献 成绩选题及核心框架参考文献收集技术方向，有效性核查图表及美观2学号 电子信息与控制工程学院自动化系智能交通系统课程论文智能多相位交通信号灯系统设计及组态Design and configuration of intelligent multi phase traffic signal LED system学生姓名 班 级 成 绩 年 月 日3目录题目-4撰写人-4摘要-4关键词-4正文-5第一章 绪论-51.1 智能交通发展背景-51.1.1 汽车发展的社会化-51.1.2 人类发展的可持续化-51.1.3 信息技术的智能化并在交通系统中的广泛应用-51.2 交叉
2、路口信号灯控制在智能交通系统中的意义-6第二章 交叉口通行车道设计-72.1 信号交叉口分类-72.2 信号交叉口的通行能力-72.2.1 通行能力-72.3 信号交叉口的服务水平分析-82.3.1 交叉口服务水平的因素-82.4 信号交叉口运行特性分析-8第三章 多相位交通信号灯设计及组态-93.1 设计要求及环境-93.2 系统整体方案-103.2.1PLC 工作原理-103.2.1.1PLC 工作方式-103.2.1.2PLC 汇编语言-103.2.2 根据要求设计的交通信号灯方案-103.2.3 结合十字路口交通灯的路况模拟控制实验-113.3 系统设计-123.3.1 上位机组态软件
3、设计-123.3.2 梯形图设计-153.3.3 梯形图程序及设计说明-173.3.4 调试过程-223.3.5 上位机组态软件设计、组态画面设计、上下位连接-223.3.6 组态图内部程序-25参考文献-274题目智能多相位交通信号灯系统设计及组态撰写人杜坤 鲍小涛 乌尔斯铁木 李永超摘要随着人口的膨胀与社会的发展，交通在人类社会生活中的作用愈发重要。所谓要想富，先修路，更是道出了交通对经济发展的拉动作用。然而伴随着科技的推动，交通的发展不再只是表现在道路里程的增长上，而是要借助现代化科技改善交通状况实现达到“保障安全，提高效率、改善环境、节约能源”目的的智能交通系统（ITS）。作为智能交通
4、系统组成的一部分，城市交叉路口的交通管理对于整个城市的交通状况发挥着决定性的作用，交叉路口是城市交通网的瓶颈所在。交叉路口信号灯系统设计是基于道路通行能力与服务水平分析以及运行特性的了解之上。利用 PLC 和组态软件可以模拟出一个功能上类似的信号灯系统。关键词、智能交通、交叉路口、信号灯、通行能力、服务水平、PLC、组态、上位机5正文：第一章 绪论1.1 智能交通发展背景。1.1.1 汽车发展的社会化工业化国家在市场经济的指导下，大都经历了经济的发展促进汽车的发展，而汽车产业的发展又刺激经济发展的过程，从而这些国家尽早实现了汽车化的时代。目前北京的汽车保有量已经超过400 万辆。汽车化社会带来
5、的诸如交通阻塞、交通事故、能源消费和环境污染等社会问题日趋恶化，交通阻塞造成的经济损失巨大，使道路设施十分发达的美国、日本等也不得不从以往只靠供给来满足需求的思维模式转向采取供、需两方面共同管理的技术和方法来改善日益尖锐的交通问题，这些建立在汽车轮子上的工业国家在探索既维护汽车化社会，又要缓解交通拥挤问题的办法中，旨在借助现代化科技改善交通状况达到“保障安全，提高效率、改善环境、节约能源”目的的智能交通系统（ITS）概念便逐步形成。1.1.2 人类环境的可持续化工业化国家在工业化、城市化发展的进程中面临着日益严重的资源短缺与环境恶化问题，这一问题在发展中国家同样存在，20 世纪 50 年代以来
6、，生存与发展问题成为人类社会面临的最紧迫的任务，1972 年联合国人类环境会议上通过了人类环境宣言。城市化生产力发展的一个必然结果，按世界经济发展的规律，城市化水平达到 30%以上，将出现经济的飞速发展阶段，美国、日本、英国等发达国家，在 1990 年城市化水平达到了75%、77%、89%，这些国家针对交通发展对资源和环境的影响，逐步调整交通运输体系与结构。这些国家都经历了为满足车辆发展的需求，而大力开发建设交通基础设施（如美国 1944 年规划的 7万 km 高速公路规划，经过 50 年一基本完成，但仍产生拥挤和阻塞），在大量土地、燃油等资源占用和消耗的同时，不但交通需求没有完全满足，而且还
7、造成汽车尾气由于道路拥挤排放量剧增，不仅经济造成巨大损失，而且给环境带来恶劣影响。60、70 年代以来，由于石油危机及环境恶化，工业化国家开始采取以提高效益和节约能源为目的的交通系统管理（TSM）和交通需求管理（TDM）同时大力发展大运量轨道及实施工交优先政策，在社会可持续化发展的目标下调整运输结构，建立对能源均衡利用和环境保护最优化的交通运输体系。ITS 作为综合解决交通问题，保护社会经济可持续发展和与环境相协调的新一代交通运输系统，随着信息技术的迅速发展在发达国家孕育发展，90 年代以后，成为世界范围内的重要发展趋势。1.1.3 信息技术的智能化并在交通系统中的广泛应用现代信息技术是智能交
8、通系统的基础，智能交通系统的发展也要求综合运用各种信息技术。随着智能交通系统和信息技术的快速发展，还必将有越来越多的信息技术运用于智能交通系统中。例如：基于无线 ATM 技术的高速网络传输技术，可以实现远距离无线方式的图像传输；基于 CDMA系统的无线定位系统，可应用于车辆的定位、通信、无线上网等系统中；基于盲辩识的模式识别技术可图像处理的多个领域，等等。不过，在各种信息技术相继运用于智能交通系统中的同时，我们也发现目前这些技术在我国的运用还是相对比较独立的，还只能在局部范围内发挥作用，不能形成一个完整的系统。当然，要搭建整个智能交通系统的信息平台，充分发挥现代网络技术的作用，还必须将这些技术
9、相互结合起来，形成一个完整的多功能的信息整体。6随着互联网、移运通信网络和传感器网络等互联互通的信息技术的发展与应用，信息技术正向着智能化演进。可以预期，未来城市中的传感器网络将无处不在，将与移动通信网络、无线互联网一起作为智能城市的神经未梢，解决智能城市的实时数据获取和传输问题，形成可以实时反馈的动态控制系统。同时，通过对数据的智能分析，系统具有一定的决策能力，为智能交通等智慧城市中所需的信息服务提供了必要的智能化支撑。1.2 交叉路口信号灯控制在智能交通系统中的意义。城市道路信号交叉口汇集多条道路的交通流，交通压力大，没有良好的规章制度，就不能保证道路畅通运行，作为城市道路网络中通行能力和
10、交通安全的瓶颈，在道路连接，车流疏导中起着举足轻重的作用。遍布全城各处的交通网络上的交叉口节点，其通行能力的大小很大程度上决定或制约着整个城市路网的通行能力，影响着城市交通网络的运输能力。片面交叉口处反复的分流、合流、交叉，使其交通状况尤其复杂。日常的交通拥堵大部分都是由于交叉口的通行能力不足造成的，因此信号交叉口成为路网规划、建设、改造和交通治理的重点。提高交叉口的通行能力，减少交叉口延误时城市道路交通追求的目标，也是改善城市道路整体状况的最有效的方法。我国大多数城市道路信号交叉口采用多相位信号控制，基于我国城市信号交叉口的交通流现状越来越多的信号交叉口设置了左右转专用车道，以改善交通拥堵的
11、状况。随着我国城市交通压力日趋增大，信号交叉口的管理方式也有了很大的改进。论文通过对城市信号交叉口交通量的研究，设计了交叉路口行车道，规划各个行车方向的配时，估计信号交叉口的通行能力，优化信号交叉口的运行状态，并作出模拟逻辑实验。从而达到减少交叉口的行车延误，提高车辆运行速度的目的，这对缓解紧迫的城市交通拥具有实际意义，同时对于改善整个社会的交通状况，城市道路网规划与评价、具体信号交叉口类型选择、交叉口的规划与设计都具有十分重要的意义。智能交通系统的主要目标就是要充分有效地利用现有的交通资源，使其利用效率最大。智能交通系统将缓解拥挤、减少交通事故、降低交通环境影响以及提高效率等方面产生可观的社
12、会经济效益。具体来说，信号交叉口既是交通网络的道路组成部分，也是智能交通系统的有机组成成分，是其中重要的有机节点。交叉口控制着道路的交通流的车流分合，通过交叉口的合理控制，与交通引导，可以最大化的减少拥堵时间，分配交通压力，减少交通事故。交叉口更是车辆监控，系统信息获取的关键地方。智能交通系统的社会经济效益主要体现在如下几个方面：（1）减少交通拥挤和行车延误随着城市人口的增加和社会经济的发展，汽车和道路交通量不断的增加，相应引起的交通拥挤也增加。不管在发展中国家，还是发达国家，每年由于交通拥挤造成的经济损失也十分巨大。ITS 通过提供各种有选择的信息服务，能够使得出行者的路径选择向网络均衡和系
13、统最优方向接近，达到路网负荷的均匀化，实时监控系统能够迅速发现交通事故。先进的交通信号控制系统能够根据实际情况调整信号控制，可大大减少行车延误，实现道路资源的高效使用。美国交通部估计，若将 ITS 与新增容量相结合，可以将未来用于应付交通拥挤而需扩建基础设施的费用减少一半。（2）减少交通事故的发生率、死亡率根据美国的预测，到 2020 年，美国因交通事故造成的经济损失每年将超过 1500 亿美元，而采用智能交通系统将会提前对危险的预知，从而大大增加交通的安全性，将事故损失降至最低。7第二章 交叉口通行车道设计21 信号交叉口分类信号交叉口的种类形式各异，不同地点、不同种类的信号交叉口运行情况差
14、异很大。为了能够系统全面地开展对信号交叉口通行能力的研究，针对不同类型的信号交叉口给出通行能力推荐值，需要对信号交叉口进行分类研究。目前，在通行能力研究中对信号交叉口种类的划分没有统一的标准。以下为三种常用的划分方法：1) 按照城市道路性质划分把城市道路分为主干路、次干路、支路，三种主要道路类型两两相交形成不同种类的信号交叉口；2)按照信号控制形式划分包括两相位、三相位、四相位等交叉口；3)按照交通特性划分。4)按交通组织的形式划分，平面交叉口可分为一般交叉口、渠化交叉口及多相位信号交叉口三类。一般交叉口已难以适应城市交叉口机非混行严重、交通流量大的情况；渠化交叉口通过扩宽路口、对路口进行渠化
15、，配合一定的交通管理条件，能够较为合理地解决各方向交通流的相互干扰和冲突，从而提高交叉口通行能力；多相位信号交叉口通过拓宽入口段的驶入车道、增加入口车道数量、设置交通岛、交通标志和在路面上划标线，可在平面几何构造上对路口进行改良。在交通组织管理上采用多相位交通信号灯控制车辆和行人通行，可实现人车分流引导不同流向的车辆和行人各行其道。上述各种分类方法在信号交叉口通行能力研究中各有利弊，本次研究通过对锦州市信号交叉口的调查并结合锦州市交通特点采用一种新的分类方法：按照信号交叉口处机动车冲突特性并结合信号交叉口的特点划分为两类：1)机动车冲突较少的信号交叉口有左转专用相位信号交叉口； 2)机动车冲突
16、较多的信号交叉口无左转专用相位信号交叉口。 按照上述方法进行分类是基于以下几点考虑： 从通行能力研究方法方面考虑：通过对国内外文献的阅读，对机动车冲突特性不同的信号交叉口，通行能力研究方法有所差异。美国 HCM(饱和流率法)、停车线法适用于机动车冲突较少的信号交叉口；冲突点法适用于机动车冲突较多的信号交叉口。按照冲突特性分类，能够有针对性的对不同类型信号交叉口采用不同的研究方法，有利于对通行能力的研究。2.2 信号交叉口的通行能力2.2.1 通行能力通行能力是指汽车在正常速度、保证行车安全舒适、车流无阻碍条件下，单位时间内通过道路某一断面的最大车辆数。他是正常条件下道路交通的极限值，他是道路的
17、一种性能，是度量道路疏导车辆的能力。通行能力的单位是 veh/h、puc/h、人/h，基本单位是 pcu/h，当有其他车辆混入时，均采用等效通行能力的当量小客车为单位，城市道路通行能力采用当量小客车为单位。1） 通行能力种类确定道路通行能力的种类主要考虑两点一个是通行能力分析必须与运行质量相联系；二是需要一种具体对比道路功能的基本参照通行能力。因此通行能力可分为以下三种。（1） 基本通行能力。基本通行能力又称为理论通行能力，是指道路组成部分在理想的道路，交通和控制条件下，该组成部分的一条行车道或横断面上的一小时所能通行或通过标准车辆的最大数量。他反应了道路允许通过车辆数的极限值，是计算各种通过
18、能力的基础。8（2） 可能通行能力。可能通行能力是指已知道路组成部分在实际或预计的道路交通和控制条件下，该组成部分的一条行车道或横断面上一小时所能通行或通过的最大车辆数量。（3） 设计通行能力。设计通行能力是指已知道路徐成部分在实际或预计的道路交通和控制条件下，该组成部分的一条车道或行车道的横断面上，在所用的设计服务水平下一小时所能通行或通过的最大车辆数。他是实际可以接收到通行能力，考虑人为主观对道路的要求，并按照道路运行质量要求及经济安全因素来加以确定的，是作为设计的依据。三种通行能力的主要区别是：理论通行能力与实际通行能力的主要区别在于前者是在理想条件下的，而后者是在实际或预计条件下的通行
19、能力；实际通行能力与设计通行能力主要区别在于前者是在不考虑运行质量情况下的，而后者是在所选用服务水平条件下的通行能力。2） 通行能力与交通量通行能力与交通量有相同之处，他们都是单位时间内通过道路某段面的交通体的数量，表示方法相同，单位亦相同，但两者也存在一定的区别。交通量是道路上实际运行着的交通体的观测值，是个实测的量，其数值具有动态性与随机性，随时间地点和交通管制不同而变化；而通行能力是度量道路在单位时间内可能通过的车辆的能力，是根据道路几何特征、交通状况及规定运行特性所确定的最大数量，其数值具有相对的稳定性与规定性，即在一定条件下是个固定值，但因路况的不断恶化，交通条件的不断降低等会有所下
20、降。2.3 信号交叉口的服务水平分析2.3.1 交叉口服务水平的因素 服务水平是指道路使用者从道路状况、交通条件、道路环境等方面可能得到的服务程度或服务质量，如可以提供的行驶速度、舒适、方便、司机的视野以及经济、安全等方面所能得到的实际效果与服务程度。服务水平的实质是描述交通流内部的运行条件及其对驾驶员与乘客感觉的一种度量标准，对道路服务水平的评价是对道路综合运输能力进行整体评价的主要方面。影响信号交叉口服务水平的因素错综复杂通常包括运行时间、交通设施、运行状况、安全环境状况等方面的诸多因素。具体包括：车辆在交叉口的等待时间、交叉口信号配时设计、交叉口车道设置、非机动车及行人的交通组织、交叉口
21、交通秩序、交通事故率、环境及噪声、交警指挥水平等。2.4 信号交叉口运行特性分析信号交叉口处车辆的运行特性是研究通行能力，建立模型的基础。信号交叉口是城市道路中一种常见的交通设施。在城市道路信号交叉口中，交通参与者较多，交通转向行为集中，控制方案也随之较多15。信号灯在时间上周期性地为不同的车道组分配通行权，使各车道组的交通流周期性地停驶。在各周期中，不同流向的交通流具有不同的运行特性。 （1）直行车流运行特性 当信号显示为绿灯时，经过短暂的反应时间后，红灯期间内积累的排队车辆依次起动，鱼贯通过停车线。流率很快地由零增加到一个相对稳定的值(饱和流率)；车头时距达到相对的稳定(饱和车头时距)。此
22、后，车辆以饱和流率通过停车线直至停车线后积存的车辆全部放行完毕，或者虽未放完，但绿灯时间已结束。在红灯刚刚转换为绿灯后，车辆并不是马上就起动越过停车线，而是要有几秒的迟滞，起动后的车辆从起动到其达到期望车速也需要一段时间，在这段时间内，车头时距明显的要比后面排队车辆之间的车头时距大，因此，这段时间没有被充分利用，有运行时间损失，称为起动损失时间。最初几秒，车辆从原来静止9的状态逐步加速到正常行驶状态，交通流的流率变化很快；之后，车队速度保持正常行驶状态，交通流则保持以饱和流率通过停车线。在绿灯结束后的黄灯时间内或者是绿灯闪烁期间，由于部分车辆采取了制动措施，通过交叉口的流量由饱和流率逐渐下降。
23、红灯期间，达到停车线的车辆停车等候绿灯，随后达到的车辆则在车队末尾排队等候。（2）左转车流运行特性按照车道功能不同，左转车流可分为左直混行、左转专用和左直右混行车流。其中，左转专用车流除了在交叉口中需要运行更长的距离外，其他运行特性类似于直行车流；不管是左直混行还是左直右混行，这样的车道功能划分都将使左转车流受到同向直行车的干扰。由于共用一条车道，各流向交通流在通过停车线时，其平均车头时距大于只有单一交通流的车道。此时，如果信号相位还为不同流向交通流分配了不同的通行时间，将导致有效通行时间的减少。如在左直混行车道中，左转车流处于红灯，停车线前停驶的左转车其后的直行车也不能通过。按照信号控制条件
24、的不同，左转车流可分为许可型和保护型左转车流17。许可型左转车流只能在绿灯期间出现以下情况之一时才能通过：1)对向直行车未到达冲突点之前；2)在冲突点附近等待对向直行车流中出现允许穿越的车头时距；3)信号相位转换间隔。当左转交通需求较大时，个别左转车辆可能会贸然插入对向直行车流。可见，许可型左转车流可能受对向直行车流的干扰；而保护型左转车流，通常配合以专用的左转车道，此时，保护型左转车流的运行特性类似于直行车道。如果左转车流仍然使用共用车道，保护型左转车流也可能受到直行车辆甚至右转车辆的干扰。事实上，基于以上运行特性，信号交叉口的设计中往往将车道功能的划分和信号控制条件进行协调设计，以保证各车
25、道组交通流的高效运行。 （3）右转车流运行特性 当右转交通量较小时，通常不控制右转车辆的通行，可以在右转车道上连续通行；如果与其他流向车流共用车道，则可能被直行车辆甚至左转车辆阻挡而不能通过。当右转交通量达到一定程度时，应考虑设置右转专用道和信号相位，给右转车辆分配通行时间和空间，否则它将对其它方向上的车流产生一定的影响。第三章 多相位交通信号灯系统设计及组态3.1 设计要求及环境1）设计任务用 PLC 和组态软件构建交通信号灯监控系统。2）实验设备TVT-90A 台式可编程序控制器训练装置； UNIT-3 多相位交通灯控制实验板；天工组态软件；连接导线若干。3）动作要求（1）系统受一个启动开
26、关控制。当开关启动时，系统开始工作；当启动开关断开时，所有信号灯熄灭。（2）系统工作时，先南北左转、东西直行、东西左转的红灯亮，同时南北直行绿灯亮。（3）南北绿灯亮 8 秒，到 8 秒时，南北绿灯闪亮，绿灯闪亮周期为 1 秒(亮 0.5 秒,熄 0.5 秒)。10（4）绿灯闪亮 2 秒以后熄灭，南北直行黄灯亮，并维持 2 秒。到 2 秒时，南北直行黄灯熄灭，南北直行红灯亮，同时南北左转红灯熄灭,南北左转绿灯亮。（5）南北左转绿灯亮 8 秒，闪 2 秒之后熄灭，南北左转黄灯亮。南北左转黄灯亮 2 秒之后熄灭，南北左转红灯亮，东西直行红灯灭，东西直行绿灯亮。（6）东西直行绿灯亮 8 秒，闪 2 秒
27、之后熄灭，东西直行黄灯亮。东西直行黄灯亮 2 秒之后熄灭，东西直行红灯亮，东西左转红灯灭，东西左转绿灯亮。（7）东西左转绿灯亮 8 秒，闪 2 秒之后熄灭，东西左转黄灯亮。东西左转黄灯亮 2 秒之后熄灭，东西左转红灯亮，南北直行红灯灭，南北直行绿灯亮，开始第二周期的动作。以后周而复始地循环。3.2 系统整体方案PLC 实际上是一种工业控制计算机。它的硬件结构与一般微机相似，主要由主机、I/O 扩展机、外围设备三部分组成。3.2.1 PLC 的工作原理3.2.1.1.plc 的工作方式1）输入采样阶段，在此阶段，顺序读入所有输入缎子通断状态，并将读入的信息存入内存，接着进入程序执行阶段，在程序执
28、行时，即使输入信号发生变化，内存中输入信息也不变化，只有在下一个扫描周期的输入采样阶段才能读入信息。2） 程序执行阶段：plc 对用户程序扫描。3）输出刷新阶段：当所有指令执行完毕通过隔离电路，驱动功率放大器，电路是输出端子向外界输出控制信号驱动外部负载。3.2.1.2 PLC 汇编语言采用面向控制过程，面向问题，简单直观的 plc 编写横语言，常用的有：梯形图，语句表，功能图等。梯形图：由继电器控制逻辑演变而来，两者具有一定程度的相似性，但梯形图编程语言功能更强更方便。主要特点：1）自上而下，从左到右的顺序排列，两列垂直线为母线。每一逻辑行，起使左母线。2）梯形图中采用继电器名称，但不是真实
29、物理继电器称为“软继电器”3）每个梯级流过的是概念电流，从左向右，其两端母线设有电源。4）输入继电器，用于接入信号，而无线圈，输入继电器，通过输入接入的继电器，晶体及晶闸管才能实现。3.2.2 根据要求要设计的交通信号灯方案a南北主干道：直行绿 10s、直行绿闪 2s、直行黄 2s、直行红 36s左、右转绿 10s、左、右转绿闪 2s、左、右转黄 2s、左、右转红 36s；b南北人行道：绿 10s 、绿闪 2S、红 36s；c东西主干道：直行红 24s、直行绿 10s、直行绿闪 2s、直行黄 2s、直行红 36s；左、右转红 36s、左、右转绿 10s、左、右转绿闪 2s、左、右转黄 2s、左、右转红d东西人行道：红 24s 、绿 10s、绿闪 2s；e循环控制方式；
