淺議城市智能交通信號控制系統(tǒng)設(shè)計的相關(guān)問題

1、<p>　　淺議城市智能交通信號控制系統(tǒng)設(shè)計的相關(guān)問題</p><p>　　摘要：交通信號控制系統(tǒng)是城市道路交通管理系統(tǒng)中對交叉路口、行人過街，以及環(huán)路出入口采用信號控制的子系統(tǒng)，是運(yùn)用了交通工程學(xué)、心理學(xué)、應(yīng)用數(shù)學(xué)、自動控制與信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及系統(tǒng)工程學(xué)等多門學(xué)科理論的應(yīng)用系統(tǒng)。本文對于設(shè)計要實現(xiàn)一個城市平面交叉路口智能交通信號控制系統(tǒng)相關(guān)問題進(jìn)行分析，在分析控制系統(tǒng)設(shè)計總體設(shè)計基礎(chǔ)上，對于系統(tǒng)設(shè)計方案

2、、系統(tǒng)器件選型以及系統(tǒng)總體設(shè)計重點問題進(jìn)行研究。 </p><p>　　關(guān)鍵詞：智能交通； 信號控制； 系統(tǒng)設(shè)計 </p><p>　　Abstract: traffic signal control system of city road traffic management system on the crossing, pedestrian crossing, as well as

3、loop entrance signalized control subsystem, using traffic engineering, psychology, applied mathematics, automatic control and information network technology and system engineering and other subjects and the application o

4、f the theory system. In this paper, the design should realize a city intersection traffic signal control system related problem analysis, in the analysi</p><p>　　Keywords: intelligent transportation system;

5、signal control; system design </p><p>　　中圖分類號： U284.77+1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-2104（2012） </p><p>　　交通信號控制系統(tǒng)是現(xiàn)代城市交通管理和控制的基礎(chǔ)，它通過適合本市的信號控制系統(tǒng)設(shè)備和控制方案，達(dá)到交通最大程度的暢通。主要包括交通工程設(shè)計、車輛信息采集、數(shù)據(jù)傳輸與處理、控制模型算法與仿真分析、優(yōu)

6、化控制信號調(diào)整交通流等。 </p><p>　　一、智能交通信號控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀 </p><p>　　1、當(dāng)前世界各國廣泛使用的最具代表性、有時效性的城市道路交通信號控制系統(tǒng)有三個:英國TRANSYT交通信號控制系統(tǒng)，由英國道路研究所花費(fèi)近十年時間研制成功的控制系統(tǒng)，經(jīng)過不斷改進(jìn)，已發(fā)展到TRANSYT-8型；澳大利亞SCAT系統(tǒng)，采用先進(jìn)的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，呈計算機(jī)分層階梯形式，模塊形式結(jié)

7、構(gòu)；英國SCOOT(Split cycle offset qptimization tech-nique)系統(tǒng)，由英國道路研究所在TRANSYT系統(tǒng)的基礎(chǔ)上采用自適應(yīng)控制方法，經(jīng)過八年的研究與1980年提出的動態(tài)交通控制系統(tǒng)。由于其采用實時控制，有明顯的優(yōu)于靜態(tài)系統(tǒng)的效果，被許多國家采用。 </p><p>　　2、我國的城市交通控制系統(tǒng)方面的工作起步較晚。較為突出的是南京城市交通控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)結(jié)合了SCOOT

8、與SCATS的優(yōu)點，是我國完全國產(chǎn)化自行設(shè)計建成的第一個適合中國混合交通條件及路網(wǎng)密度低、路口間距懸殊的城市道路條件的交通控制系統(tǒng)。 </p><p>　　近期，國內(nèi)還有很多的研究所或大學(xué)、公司開發(fā)了微機(jī)化、模塊化的信號控制系統(tǒng)，例如西北工業(yè)大學(xué)空中交通管理研究所研制與開發(fā)的XATM系列智能交通信號機(jī)，淄博雙百電子公司SB-UTC2000城市交通控制系統(tǒng)，上海東川公司UTC I 100多時段多方案式交通信號控制機(jī)

9、等，以上信號控制系統(tǒng)都采用了多相位、多時段控制方式，克服了早期信號機(jī)簡單的兩相位、單時段控制帶來的不靈活性等缺點，在功能方面也增加了不少。例如XAIM系列智能交通信號機(jī)，在控制模式、應(yīng)急方案、硬件事故檢測與保護(hù)、聯(lián)網(wǎng)功能、軟件入機(jī)界面、控制優(yōu)化算法等方面都比早期的信號機(jī)有較大的提高。 </p><p>　　二、智能交通信號控制系統(tǒng)的組成 </p><p><b>　　1、系統(tǒng)基本

10、組成 </b></p><p>　　交通信號控制系統(tǒng)的基本組成是主控中心、路口交通信號控制機(jī)以及數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備。其中主控中心包括操作平臺、交互式數(shù)據(jù)倉、效益指標(biāo)優(yōu)化模型、數(shù)據(jù)（圖像）分析處理等。 </p><p><b>　　2、系統(tǒng)核心 </b></p><p>　　交通信號控制系統(tǒng)的核心是控制模型算法軟件，是貫穿規(guī)劃設(shè)計在內(nèi)的信號

11、控制策略的管理平臺，體現(xiàn)著交通管理者的控制思想，它包括信號控制系統(tǒng)將起到的作用和地位。目前，國內(nèi)外已應(yīng)用的信號控制系統(tǒng)大多是以優(yōu)化周期方案、優(yōu)化路口綠信號配比以及協(xié)調(diào)相關(guān)路口通行能力為基礎(chǔ)的，是根據(jù)歷史數(shù)據(jù)和自動檢測到的車流信息，通過設(shè)置的控制模型算法選取適當(dāng)?shù)男盘柵浔瓤刂品桨福潜粍拥目刂撇呗?。?yīng)用較多的核心軟件即效益指標(biāo)優(yōu)化模型是英國運(yùn)輸和道路研究所研制的SCOOT系統(tǒng)和澳大利亞悉尼為應(yīng)用背景開發(fā)的SCATS系統(tǒng)，他們是動態(tài)的實時自

12、適應(yīng)控制系統(tǒng)的早期代表，也是未來一個時期交通信號控制系統(tǒng)智能化發(fā)展的開發(fā)基礎(chǔ)。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，交互式控制策略是信號控制由感控到誘導(dǎo)實現(xiàn)了真正的智能，交通信號控制系統(tǒng)不僅可以檢測到車流量等交通信息參數(shù)，調(diào)控路口綠信號配比，變化交通限行、禁行等指路標(biāo)志，還可以根據(jù)系統(tǒng)聯(lián)接的數(shù)據(jù)庫完成與交通參與者之間的信息交換，向交通參與者顯示道路交通信息、停車場信息，提供給交通參與者合理的行駛線路，以達(dá)到均衡道路交通負(fù)荷的主動的控制策略。尤其重要的是計

13、算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和數(shù)字化使數(shù)據(jù)傳輸和信息利用得到了可靠保證</p><p><b>　　3、系統(tǒng)控制方法 </b></p><p>　　交通信號控制系統(tǒng)的主要控制方法有以下幾種：單點定配時多相位信號協(xié)調(diào)控制（時鐘調(diào)用預(yù)設(shè)方案、減少交通沖突點、配合早斷和遲啟），車輛感應(yīng)實時自適應(yīng)協(xié)調(diào)控制（調(diào)整周期、綠信比，增加有效綠燈時間），用戶優(yōu)先無電纜干線協(xié)調(diào)控制（協(xié)調(diào)周期、相位差，照

14、顧行人、公交車、特種車），實時自適應(yīng)區(qū)域控制（交通流仿真、優(yōu)化效益指標(biāo)、均衡區(qū)域交通流）。 </p><p>　　4、運(yùn)行管理與分級控制 </p><p>　　由于交通信號控制系統(tǒng)的建設(shè)是與城市規(guī)劃及道路規(guī)劃息息相關(guān)的，因此，智能交通信號控制系統(tǒng)的管理模式就是集中管理，分級控制，充分利用現(xiàn)有設(shè)施，按實際交通現(xiàn)狀先進(jìn)行單個交叉路口的自適應(yīng)協(xié)調(diào)，然后是主干線的協(xié)調(diào)控制，實現(xiàn)分布式協(xié)調(diào)的分級控制

15、，最終達(dá)到區(qū)域控制的系統(tǒng)最優(yōu)。信號控制系統(tǒng)的運(yùn)行管理主要包括對主控中心數(shù)據(jù)庫包括地理信息在內(nèi)的操作平臺的數(shù)據(jù)更新，對交叉路口設(shè)施尤其是車輛檢測設(shè)備的檢修和校對，保證完好率和準(zhǔn)確率。 </p><p>　　三、智能交通信號控制系統(tǒng)設(shè)計 </p><p>　　1、控制系統(tǒng)設(shè)計概述 </p><p>　　本設(shè)計要實現(xiàn)一個城市平面交叉路口智能交通信號控制，系統(tǒng)由智能控制專用

16、模塊、控制電路以及其它外圍電路組成。考慮到實際情況，系統(tǒng)在智能控制的基礎(chǔ)上還設(shè)定多種操作模式，包括定時控制模式、人工操作模式，以保證系統(tǒng)在特殊情況時也能進(jìn)行交通控制。本方案采用定時控制、人工控制、智能控制的多模式統(tǒng)一控制方式。 </p><p>　　定時控制方式為傳統(tǒng)的控制方式，各方向的綠燈時間是固定的，本設(shè)計中設(shè)定各方向的綠燈時間為：東西方向燈色循環(huán)為綠燈45秒，黃燈5秒，左拐燈15秒，黃燈5秒，綠燈20秒，黃

17、燈5秒；南北方向燈色循環(huán)為紅燈65秒，黃燈5秒，綠燈20秒，黃燈5秒，左拐燈15秒，黃燈5秒。人工控制模式類似于交通警察指揮交通。為了城市中各個路口的協(xié)調(diào)控制，每個系統(tǒng)可以通過串行總線與控制中心的PC相聯(lián)，交通管理人員在不方便到現(xiàn)場的情況下，可以通過總線傳回的數(shù)據(jù)了解交通情況，并可以在其它設(shè)備輔助下遠(yuǎn)程控制信號燈來疏導(dǎo)交通。智能控制方式擬采用線圈檢測器作為檢測信號源，通過智能控制電路進(jìn)行綠時計算，之后通過控制部分實現(xiàn)信號的智能控制。 &

18、lt;/p><p>　　2、系統(tǒng)設(shè)計方案的選擇 </p><p>　　利用FPGA與其內(nèi)嵌CPU實現(xiàn)整個系統(tǒng)。對于算法簡單、數(shù)據(jù)量大而又存在較大并行性的算法可以由FPGA用硬件來實現(xiàn)。對于比較復(fù)雜的算法，若用FPGA實現(xiàn)則硬件開銷太大，這時就可以由內(nèi)置CPU并結(jié)合軟件設(shè)計來完成。由于CPU是以Altera的IP植入與主動互聯(lián)技術(shù)整體嵌入的，直接連接到FPGA的邏輯和存儲器陣列上，因此可以獲得巨

19、大的處理寬帶。將FPGA結(jié)構(gòu)與內(nèi)嵌CPU進(jìn)行優(yōu)化組合，能夠充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢，最大程度地實現(xiàn)系統(tǒng)的集成化和小型化。即Nios軟核處理器FPGA。隨著VLSI(Very Large Scale IC）工藝的不斷提高，F(xiàn)PGA芯片的集成規(guī)模也越來越大，所實現(xiàn)的功能也越來越強(qiáng)。它不僅可以解決電子系統(tǒng)的小型化和低功耗等問題，還具有高速、高可靠性、開發(fā)周期短、質(zhì)量穩(wěn)定等優(yōu)點，而且還可以根據(jù)需要現(xiàn)場編程。因此，無論在開發(fā)過程中還是后期的現(xiàn)場調(diào)試或者

20、功能升級，都十分方便靈活。FPGA內(nèi)嵌的N工OS軟核處理器是32位的，主要包括CPU微處理器、I/O中斷、計時器、DART串口及大量通用寄存器。用戶可以自己定義Nios的數(shù)據(jù)總線和地址總線寬度（最大32位），也可以根據(jù)具體的設(shè)計方式，</p><p>　　3、系統(tǒng)的器件選型 </p><p>　　3.1 嵌入式處理器的選擇 </p><p>　　Cyclone（颶風(fēng)

21、）系列，是Altera公司最新一代SRAM工藝、中等規(guī)模的低成本FPGA，與Stratix結(jié)構(gòu)類似，是目前的主流產(chǎn)品?；?.5V，0.13um全銅SRAM工藝，內(nèi)含多達(dá)20060個邏輯單元（LE)和288KB的RAM。它支持各種單端I/O標(biāo)準(zhǔn)（如LVTTL，LVCOS，PCL和SSTL-2/3），通過LVDS和RSDS標(biāo)準(zhǔn)提供多達(dá)129個通道的差分I/O支持，每個LVDS通道高達(dá)640Mbps。綜合考慮芯片的邏輯資源量、最大時鐘頻率、

22、最大I/O引腳數(shù)、價格等因素，本系統(tǒng)采用Cyclone系列的EP1C12芯片內(nèi)嵌NIOS軟核作為核心處理器，它是目前市場上性價比最高且價格最低的FPGA之一。 </p><p>　　3.2 存儲器的選擇 </p><p>　　由于本文選用的EP1C12Q240內(nèi)部僅有239616bit(52*4.5K)RAM，所以系統(tǒng)必須用外部存儲器來存放程序和交通流數(shù)據(jù)。外部存儲器的選擇主要考慮存儲容量

23、、存取速度、價格和功耗等因素。存取速度（訪問時間）是指存儲器接收到穩(wěn)定的地址輸入到操作完成的時間，它必須與處理器和外圍電路的速度相匹配。本設(shè)計采用了兩片256*16位的SRAM(IS61LV25616)用作系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲器。Nios的讀寫外存儲器時間一般為20ns，又考慮到系統(tǒng)升級的需要，所以選用存取時間為10ns的IS61LV25616-10T。這樣既能保證整個系統(tǒng)高速運(yùn)行，而且也比較經(jīng)濟(jì)。由于SRAM為易失性存儲器，所以系統(tǒng)必須用E

24、PROM或Flash等非易性存儲器來存放程序的初始化數(shù)據(jù)。 </p><p>　　4、智能交通信號控制系統(tǒng)設(shè)計的分級設(shè)計 </p><p>　　交通信號控制系統(tǒng)的分級設(shè)計的基本步驟如下：根據(jù)路口交通流現(xiàn)狀和預(yù)測進(jìn)行交通渠化設(shè)計分析原始交通流數(shù)據(jù)，通過仿真模型效驗，確定控制模式，進(jìn)行交通參數(shù)設(shè)定根據(jù)交通渠化設(shè)計及控制模式的設(shè)計要求完成交通工程設(shè)計（包括車輛檢測器的檢測去定位）根據(jù)各個路口配備

25、設(shè)備的相關(guān)性，完成協(xié)調(diào)設(shè)計確定系統(tǒng)的單點控制的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，得出最優(yōu)信號控制方案配置路口信號控制機(jī)的固化基礎(chǔ)參量，配置主控中心數(shù)據(jù)庫與數(shù)據(jù)傳輸設(shè)置。 </p><p><b>　　4.1 硬件設(shè)計 </b></p><p>　　硬件設(shè)計包括系統(tǒng)硬件電路的連接和FPGA內(nèi)部邏輯電路的設(shè)計。系統(tǒng)硬件電路的連接是以prote199SE為設(shè)計環(huán)境，首先進(jìn)行系統(tǒng)硬件（包括FPG

26、A及其外圍電路、外部存儲器、顯示電路等）原理圖的設(shè)計，然后以其為基礎(chǔ)完成PCB板的設(shè)計，在焊接調(diào)試完成系統(tǒng)硬件的設(shè)計。 </p><p>　　FPGA內(nèi)部邏輯電路的設(shè)計是以QuartusII開發(fā)環(huán)境，用VHDL語言編程實現(xiàn)SRAM讀寫控制、智能控制等模塊的功能，用SOPC Builder配置、產(chǎn)生Nios軟核處理器及必要的外設(shè)，然后一起編譯并下載到FPGA的配置芯片中，再由配置芯片完成對FPGA的上電配置，由此形

27、成硬件邏輯電路的連接，實現(xiàn)對交通流量采集、處理、傳輸以及綠時計算等功能模塊的控制。 </p><p>　　MCU作為主控芯片，實現(xiàn)人機(jī)交互的大部分功能，包括鍵盤輸入、LCD顯示、人工控制、總線控制等?？偩€接口采用RS485接口實現(xiàn)，區(qū)域控制PC通過RS485總線實現(xiàn)區(qū)域聯(lián)合控制?？紤]到該系統(tǒng)工作環(huán)境非常惡劣，因此采用硬件來實現(xiàn)智能控制模塊。虛線內(nèi)部分都將在一片F(xiàn)PGA芯片上實現(xiàn)，MCU采用FPGA嵌入式軟核實現(xiàn)，

28、在本設(shè)計中采用的是Altera公司針對其FPGA芯片優(yōu)化設(shè)計的Nios核。 </p><p><b>　　4.2 軟件設(shè)計 </b></p><p>　　系統(tǒng)總體程序中在系統(tǒng)運(yùn)行中程序會查詢串口以及鍵盤曠動作，如果出現(xiàn)有效操作，則響應(yīng)輸入并向智能控制模塊發(fā)送指令，改變當(dāng)前信號控制方式或進(jìn)行人工控制。一般嵌入式系統(tǒng)編程語一言有匯編和C語言兩種，本系統(tǒng)選擇了C語言。使用匯

29、編的麻煩在于他的可讀性和可維護(hù)性特別差，當(dāng)程序沒有很好標(biāo)注的時候，代碼的可重用性也比較低。用SOPC Builder生成Nios處理器系統(tǒng)的同時，也會生成相應(yīng)的SDK軟件開發(fā)包。在這個軟件包的基礎(chǔ)上，開發(fā)者可以編寫C或者C++程序來完成對智能交通控制系統(tǒng)的控制過程。C或者C++程序可以在VC環(huán)境下編譯和調(diào)試，然后再移植到Nios處理器中，通過Nios的專用調(diào)試環(huán)境Nios SDK Shell來調(diào)試。 </p><p&

30、gt;　　4.3 中心控制軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計 中心控制軟件負(fù)責(zé)提供入機(jī)界面，與信號機(jī)進(jìn)行通訊以獲取或設(shè)定參數(shù)，實時的顯示路口紅色狀態(tài)與倒計時，相位定義并存取相位信息和配時優(yōu)化等。 </p><p>　　4.4、系統(tǒng)的總體設(shè)計 </p><p>　　系統(tǒng)大部分計算機(jī)控制功能利用硬件實現(xiàn)，軟件主要實現(xiàn)人機(jī)交互功能。交通控制系統(tǒng)中的人機(jī)交互主要包括控制模式的選擇和人工控制模式下對交通信號的控制。 &l

31、t;/p><p>　　在進(jìn)行控制模式選擇時，所有控制模式以及系統(tǒng)當(dāng)前的控制模式通過系統(tǒng)配置的LCD顯示出來，系統(tǒng)在運(yùn)行過程中會對按鍵輸入進(jìn)行查詢，如發(fā)現(xiàn)有輸入發(fā)生，則對按鍵進(jìn)行判斷，若發(fā)現(xiàn)控制狀態(tài)需要更改，則對相應(yīng)的標(biāo)記進(jìn)行更新，送入控制器，并刷新LCD顯示狀態(tài)。系統(tǒng)處于人工控制模式，LCD顯示的燈色信號狀態(tài)以及系統(tǒng)當(dāng)前的燈色信號。系統(tǒng)同樣會在運(yùn)行過程中對按鍵進(jìn)行查詢，發(fā)現(xiàn)有效輸入后，讀鍵值并更改當(dāng)前燈色狀態(tài)，刷新L

32、CD顯示。另外為了實現(xiàn)城市交通信號區(qū)域控制以及城市交通狀況實時反饋，通過RS485總線將多個控制器聯(lián)接，統(tǒng)一由交通管理中心的總控制PC機(jī)進(jìn)行控制。當(dāng)上位PC機(jī)向某一個控制器發(fā)出命令時，根據(jù)命令內(nèi)容，控制器可以向PC機(jī)發(fā)送當(dāng)前路口的交通數(shù)據(jù)流，或者接受PC機(jī)的控制指令，使交通管理人員可以通過一些輔助視頻設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程人工控制。整個系統(tǒng)的設(shè)計又分為硬件設(shè)計和軟件設(shè)計。 </p><p><b>　　結(jié)語 &l

33、t;/b></p><p>　　本文簡單介紹了智能交通信號控制系統(tǒng)的概念、分類、國內(nèi)外現(xiàn)狀，以及其在人工智能方面所使用的關(guān)鍵技術(shù)，可以說對智能交通信號控制系統(tǒng)有了初步的了解。但是，在其關(guān)鍵技術(shù)方面還有所欠缺，以后將更進(jìn)一步深入進(jìn)行研究探討。 </p><p><b>　　參考文獻(xiàn)： </b></p><p>　　[1] 宋海水.單片機(jī)在智

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