交通信号控制机

关键词： 交通信号 干线 控制机 停车

交通信号控制机（精选十篇）

交通信号控制机 篇1

1 传统交通信号控制机硬件系统的介绍

在传统的交通信号控制机硬件系统中, 通常有主控模块、驱动模块与独立黄闪控制模块, 主控模块通过通讯接口将控制命令直接发送给驱动模块, 驱动模块再依照控制命令控制信号灯的工作。独立黄闪控制模块监控主控模块和驱动模块的通讯状态, 在通讯状态出现故障时, 独立黄闪控制模块将代替驱动模块驱动所有黄灯进行黄闪工作。下面图1是其硬件逻辑框图:

2 传统交通信号控制机硬件系统的缺点

交通信号控制机输出的信号有红、黄、绿、黄闪等几种信号, 红色代表禁止通行、黄色代表该交叉口将会禁行并提醒广大司机朋友减速慢行、绿色代表通行、黄闪信号除了刚刚提到的黄色信号含义之外还可能说明该路口道路交通信号控制机出现了故障。

纵观国内各个城市, 不文明驾驶现象屡见不鲜, 由于不文明驾驶导致的交通事故也层出不穷。当一个路口的交通信号控制机出现故障时, 根据《GB 25280-2010道路交通信号控制机》国标规定, 交通信号控制机的控制方式必须降级为故障黄闪控制。但由于不文明驾驶现象的存在, 一些城市交叉口如果执行故障黄闪控制, 相冲突两方向的车流必然会无顾及地向路口中间地带行驶, 结果可想而知, 严重时甚至有可能导致交通事故的发生, 因此故障黄闪控制至少在目前阶段是一种不可取的交通信号控制方式。

3 备用控制方案的设计原理

交通信号控制机在正常工作时, 主控模块通过通讯接口将控制命令先发给备用控制模块, 备用控制模块再将收到的控制命令转发给驱动模块, 驱动模块再依照控制命令控制信号灯的工作。独立黄闪控制模块则监控备用控制模块和驱动模块的通讯状态, 也就是在传统交通信号控制机的主控模块和驱动模块之间又增加了一个备用控制模块。当主控模块发生故障时, 备用控制模块则不再转发主控模块下发的控制命令, 而是起用自己的备用方案将自己的控制命令发送给驱动模块, 这样备用控制模块就直接接收驱动模块的控制权。只有当备用控制模块也发生故障时, 独立黄闪控制模块才驱动所有黄灯进行黄闪。一般来说, 备用控制模块的功能相对简单, 系统比较稳定, 相对于复杂的主控模块来说不易出现故障。图2是增加备用控制模块后的交通信号控制机的硬件逻辑图:

新增的备用控制模块主要有以下几个特点:

(1) 能够转发主控模块下发的控制命令给驱动模块;

(2) 能够监控主控模块的工作状态, 当检测到主控模块故障时能够接管驱动板的控制权;

(3) 内部有预先设置好的信号灯控制方案, 当接管驱动模块控制权时, 能够按照设置好的方案下发控制命令, 进而控制驱动模块控制信号灯;

(4) 内部预先设置好的信号灯控制方案应能够修改;

(5) 模块功能简单, 相对主控模块来说, 不易出现故障。

4 备用控制方案的优点

当主控模块故障时, 备用控制模块能够接替主控模块对信号机驱动模块进行简单的方案控制, 不必马上进入故障黄闪控制状态;避免了信号机主控模块发生故障时, 直接使用故障黄闪控制信号灯导致的路口交通拥堵情况出现。

5 结语

由于城市交叉口是一个车辆交叉行驶交汇的特殊区域, 保证该区域交通安全就显的非常重要, 基于此, 对交通信号控制机的要求就非常高。传统的交通信号控制机遇故障就降级为黄闪的交通信号处理方式, 经过实践证明是不能起到一个很好的效果, 有时甚至会引发交通事故的发生。该文提出的备用控制方案方法, 当交通信号控制机遇故障时可以使用一个备用控制方案继续交通信号的控制, 经过实际使用证明, 对交叉口交通有序安全地运行起到了一个非常好的效果。

摘要：交通信号控制机主要是用来控制城市交叉口交通信号灯的, 在传统的软硬件系统设计中, 当主控模块发生故障时, 一般会采取故障黄闪控制来继续维持该交叉口交通信号的临时运行, 但故障黄闪控制在实际应用中经证明是不能对交通起到一个很好地疏导作用。因此该文中, 在交通信号控制机中增加一个备用控制模块, 备用控制模块可以实时监控主控模块的工作状态并且里面预存有备用方案, 当监控到主控模块发生故障时, 可以立即使用备用方案控制代替故障黄闪控制来继续维持交叉口的交通信号正常有序地放行。

关键词：智能交通,道路交通信号控制机,备用控制模块,故障黄闪

参考文献

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[3]欧洲标准.BS EN 12675:2001交通信号控制器功能安全要求[S].伦敦:BSI, 2001.

交通信号控制的基础理论知识 篇2

2.1交通控制的分类

城市交通控制有多种方式，其分类也有很多种。从不同的角度看有不同的划分方式。

1、从控制策略的角度可分为三种类型

（1）定时控制:交通信号按事先设定的配时方案运行，配时的依据是交通量的历史数据。一天内只用一个配时方案的称为单时段定时控制，一天内不同时段选用不同配时方案的称为多时段定时控制。根据历史交通数据确定其最优化配时的方法webster(1958)，Bollis(1960)，Miller(1963)，Blunden(1964)，Allsop(1971)等人的著作中已有详述。我国杨佩昆等学者也有这方面的研究成果。现在最常用的信号配时方法有:韦尔伯特法、临界车道法、停车线法、冲突点法。定时控制方法是目前使用最广的一种交通控制方式，它比较适应于车流量规律变化、车流量较大(甚至接近于饱和状态)的路口。但由于其配时方案根据交通调查的历史数据得到，而且一经确定就维持不变，直到下次重新调整。很显然，这种方式不能适应交通流的随机变化，因而其控制效果较差。

（2）感应控制:感应信号控制没有固定的周期，他的工作原理为在感应信号控制的进口，均设有车辆检测器，当某一信号相位开始启亮绿灯，感应信号控制器内预先设置一个“初始绿灯时间”。到初始绿灯时间结束时，增加一个预置的时间间隔，在此时间间隔内若没有后续车辆到达，则立即更换相位;若检测到有后续车辆到达，则每检测到一辆车，就从检测到车辆的时刻起，绿灯相位延长一个预置的“单位绿灯延长时间”。绿灯一直可以延长到一个预置的“最大绿灯时间”。当相位绿灯时间延长到最大值时，即使检测器仍然检测到有来车，也要中断此相位的通行权，转换信号相位。感应式信号控制根据检测器设置的不同又可以分为半感应控制和全感应控制。只在交叉口部分进道口上设置检测器的感应控制称为半感应控制，在交叉口全部进道口上都设置检测器的称为全感应控制。感应控制方法由于可根据交通的变化来调节信号的配时方案，因此比定时控制方法有更好的控制效果，特别适用于交通量随时间变化大且不规则、主次相位车流量相差较大的路口。感应控制方法存在的缺陷在于，感应控制只根据绿灯相位是否有车辆到达而做出决策，而不能综合其它红灯相位的车辆到达情况进行决策，因此它无法真正响应各相位的交通需求，也就不能使车辆的总延误最小。

（3）自适应控制:连续测量交通流，将其与希望的动态特性进行比较，利用差值以改变系统的可调参数或产生一个控制，从而保证不论环境如何变化，均可使控制效果达到最优。自适应控制系统有两类，即配时参数实时选择系统和实时交通状况模拟系统。配时参数选择系统是在系统投入运行之前，拟定一套配时参数与交通量等级的对照关系，即针对不同等级的交通量，选择相应最佳的配时参数组合。将这套事先拟定的配时参数与交通量对应组合关系贮存于中央控制计算机中，中央控制计算机则通过设在各个交叉口的车辆检测器反馈的车流通过量数据，自动选择合适的配时参数，并根据所选定的配时参数组合实行对路网交通信号的实时控制。实时交通状况模拟系统不需要事先贮存任何既定的配时方案，也不需要事先确定一套配时参数与交通量的对应选择关系。它是依靠贮存于中央计算机的某种交通数学模型，对反馈回来的实时交通数据进行分析，并对配时参数作优化调整。配时参数的优化是以综合目标函数(延误时间，停车次数，拥挤程度及油耗等)的预测值为依据的。因此，它可以保证整个路网在任何时段都在最佳配时方案控制下运行。从总体来看，自适应系统的控制在很大程度上依赖于交通流数据的实时检测，因此系统对交通检测设备和交通数据传输设备的精度和可靠性要求很高。与定时系统相比，自适应控制系统的设备配置复杂得多，建设投资要高很多。

2、按照控制结构分类

可分为集中控制、分散控制和递阶控制。

（1）在集中控制中，控制中心直接控制每个子系统，每个子系统只能得到整个系统的部分信息，控制目标相互独立。其优点是系统的运行的有效性较高，便于分析和设计;但若中心有故障，则整个系统将瘫痪。

（2）在分散控制中，控制中心控制若干分散控制器。每个分散控制器控制一个独立的控制目标，即具体的子系统，此类结构的优点在于局部故障不至于影响整个系统，但全局协调运行较困难。

（3）递阶控制中，当系统由若干个可分的相互关联的子系统构成，可将系统的所有决策单元按照一定优先级和从属关系递阶排列，同一级各单元受到上一级的干预，同时又对下一级单元施加影响。此类结构的优点是全局和局部控制器性能都较高，灵活性和可靠性好。

3、按照控制方式分类

可分为方案选择和方案生成。

（1）方案选择式控制是在控制系统中存贮适合各种交通流状况的多套配时方案，控制系统根据检测器送来得实时交通流、占有率等数据从方案库中选出一套控制信号灯的动作。这种控制方式在线计算量小，执行速度快，但由于存贮的方案数总是有限，因而只能找到比较适合当时交通流状况的配时方案，而不是最优的。

（2）方案生成式控制能根据每个控制周期交通流的变动情况，自动进行信号周期、绿信比、相位差(甚至是相序)等控制参数的优化计算。此种控制方式在线计算量增大，但适应交通流变化的能力大大增强，能实现基于某个目标函数下的最优控制。方案生成式控制有多种形式，如自寻优控制、最优控制等。

4、按照控制范围的不同分类 可以分为点控、线控和面控。

（1）点控:单点交叉口交通信号控制，通常简称为“点控制”。点控方式适用于相邻信号机间距较远、线控无多大效果时;或因各相位交通需求变动显着，其交叉口的周期长和绿信比的独立控制比线控更有效的情况。单路口的交通信号控制是最基本的交通控制形式，也是线控和面控系统的基础，其目的是通过合理的信号配时，消除或减少各向交通流的冲突点，同时使车辆和行人的总延误最小。单路口的交通信号控制主要分为定时控制、感应控制、实时自适应控制等，其中定时控制和感应控制是基本的交通控制方法。

（2）线控:线控方式是将一条主干道的一连串交叉路口作为控制对象。它要考虑这一连串交叉路口的交通流状况，并对其进行协调控制。

（3）面控:面控方式是将城市中某个区域中的所有信号化交叉路口作为控制对象，其控制方案相互协调，使得在该区域内某种指标，如总的停车次数，旅行时间，耗油量等最小。

由于任何一个交叉路口都处于整个城市交通网的大环境中，所以为了能够提高整个交通网络的通行能力，今后交叉口研究方向将趋向于多路口协调控制即线控和面控。未来的交通信号控制仍然是点、线、面控制并存的形式。对于中小城市，仍将是点、线控制相结合的控制方式。对于大型城市，大多将采用网络控制方式。智能交通系统将是今后研究的热点。

2.2交通信号控制的主要控制参数

交叉口信号控制的参数主要包括周期、绿信比及相位。控制系统的控制目标就是要最佳地确定道路各交叉路口在车流方向上的控制参数，并付诸实施。2.2.1周期

指信号灯的各种灯色轮流显示一次所需要的时间。也即各种灯色显示时间之总和。它是决定点控制定时信号交通效益的关键控制参数。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流顺利通过交叉口。最长周期长度一般不超过120秒，否则，可能引起等待司机的烦躁或误以为灯色控制已经失灵。适当的周期长度对路口交通流的疏散和减少车辆等待时间具有重要意义。

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。

从减少车辆等待时间的角度来讲，太长或太短的周期都是不利的。若周期太短，则发生堵车现象。若周期太长，则某一方向的绿灯时间可能大于实际需要长度，而另外方向的红灯时间不合理延长必然导致该方向车流等待时间的延长。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。2.2.2绿信比

在一个信号周期中，各相位的有效绿灯时间与周期长度的比值。若设 tG为第i相信号的有效绿灯时间，则该相信号的绿信比i为 c为周期长度，iitGic（2.1）显然，0i1绿信比反应了该信号相位交通流在一个周期中需要绿时的大小。绿信比的大小对于疏散交通流和减少交叉路口总等待时间有着举足轻重的作用。通过合理地分配各车流方向的绿灯时间(绿信比)，可使各方向停车次数、等待延误时间减至最小。2.2.3相位

在交通控制中，为了避免平面各交叉口上各个方向交通流之间的冲突，通常采用分时通行的方法，即在一个周期的某一个时间段，交叉口上某一支或几支交通流具有通行权，而与之冲突的其它交通流不能通行。在一个周期内，平面交叉口上某一支或几支交通流所获得的通行权称为信号相位。简称相位;一个周期内有几个信号，则称该信号系统为几个相位系统。在相位的时间这一概念上，相位时间包括绿灯时间与黄灯时间。

2.3交通控制的评价指标

交通信号控制的目的是，就是采用合理的配时方案要使单个交叉口或交通网络获得良好的交通效益。评价交通效益的指标有:通行能力、饱和度、排队长度、延误、停车次数、停车率、油耗、行程时间等。目前，常用的交通效益指标是延误、排队长、通行能力。交通信号控制的评价函数可以由设计者根据需要进行选择。

2.3.1延误时间

延误时间是指车辆在没有交通信号和等待队列的阻碍下行走所需的时间和实际的行程时间之差。延误时间有平均延误和总延误两个评价尺度。交叉口进道口所有车辆的延误总计称作总延误;交叉口进道口每辆车的平均延误称作平均延误。

2.3.2饱和度

某个交叉口进口的车流量与可从该进口通过交叉口的最大流量的比值，即际到达交通量与通行能力之比，就是该进口的饱和度。计算公式为: x式中: q—进口的车流量;

qs（2.2）

—相应相位有效绿灯时间与周期时间的比值;s—进口的饱和流量。

2.3.3通行能力

通行能力是指在实际的道路条件、交通条件和控制条件下，在一定时间内通过进道口停车线的最大车辆数;交叉口的通行能力不仅与控制策略有关，还与实际道路条件(包括引道宽度、车道数、转弯半径、转弯长度、引道坡度)和交通条件(车流量、车辆种类、拐弯车比例、车速、非机动车和行人干扰、车道功能划分等)密切相关。通行能力是交叉口饱和程度的重要评价指标。在一定的道路条件下，信号控制路口的通行能力受信号周期的影响。在正常的周期长范围内，周期时长越长，通行能力越大，但车辆延误和油耗等也随之越大。而且在饱和度相当小时，片面的追求通行能力的提高，只会无谓的增加油耗和车辆延误，对交叉口的交通效益无多大意义。

2.3.4平均排队长度

平均排队长度是指在信号一个周期内各条车道排队的最长长度平均值。各条车道最长排队长度一般是指该车道的绿灯相位起始时的长度。

Lavglii1nn（2.3）式中n为车道数。

平均排队长度以周期为单位计算。某个周期平均车辆排队长度与此周期平均车辆延误的指标基本是一致的。

2.4交通流的基本参数

表征交通特性的三个基本参数分别是:交通量q、车流密度k和行车速度v。2.4.1交通量

交通量q是指在选定的时间段内，通过道路某一地点、某一断面或某一条车道的交通实体数。交通量是一个随机数，不同时间、不同地点的交通量都是变化的，交通量随时间和空间变化的现象，称之为交通量的时空分布特性。通常取某一时间段内平均值作为该时间段内的交通量，如式(2.4)所示。

1nqqini1式中: qi—规定时间段内的交通量；

（2.4）n—时间段数。

2.4.2车流密度

车流密度片是指某一瞬间单位道路长度上的车辆数目。

kNL（2.5）

式中:k—车流密度(veh/km);N—路段内的车辆数(Veh);L—路段长度(km)。

车流密度大小反映一条道路上的交通密集程度。为使车流密度具有可比性，车流密度也可按单车道来定义，单位为:Veh/km/车道。2.4.3行车速度

行车速度v是指区间平均速度。即是指在某一特定瞬间，行驶于道路某一特定长度内全部车辆的车速分布平均值。当观测长度一定时，其数值为车速观测值的调和平均值。见式(2.6)。

nL v1(2.6)nn11tinvi1ii1式中: L—路段长度;ti—第i辆车的行驶时间;n—行驶于长度为L路段上车辆数;vi—第i辆车的行驶速度;v—区间平均速度;交通流三参数之间的基本关系式为qvk。

2.5本章小结

本章首先对交通信号控制的分类进行了详细的阐述，然后介绍了信号控制的基本参数，包括周期长度、绿信比和相位差。最后介绍了交通信号控制的评价指标和交通流的几个参数以及它们之间的关系。对此我们将以平均延误时间最短为目标，综合交通信号的各项指标和参数，采用自适应控制对点线面交通进行智能控制。

第3章 城市路网结构

3.1路网几何形状描述 3.1.1路段几何形状描述

路段是组成路网的基本元素。路段的几何形状包括：起点、终点、长度、宽度、中间隔离带、车道的数量、车道的走向、车道的宽度等。

路段由车道组成，车道按照走向分为两类：上行车道组和下行车道组。两组车道的方向相反，上行车道和下行车道在物理位置上相邻，包含的车道数目多数情况下是相等的，如图3.1所示。在路段上行走的车辆可以在上行车道组内切换车道，但是不能从上行车道组切换道下行车道组。如果将路段由两个管道来描述，车辆可以自由地从一个管道进出，但是进入管道的车辆不能进入另外一个相邻的管道，如图3.2所示。

图3.1路段车道示意图 图3.2路段管道示意图

3.1.2交叉口几何形状描述

城市路网普遍存在两种类型的交叉口：“＋”字交叉口和“T”形交叉口。对于“T”形交叉口与“＋”字交叉口类同且简单一些，我们这里主要针对复杂一些的“＋”字交叉口作分析。如图3.3 所示平面十字交叉口, 进口道分别编号为1，2，3，4, 车道分别编号为1，2，3，⋯16；图3.4 为交通流具体示意图。

图3.3平面十字交叉口示意图 图3.4 交通流具体示意图

3.2路网中交叉口相位划分 城市交通中将长期存在大量的交叉口，虽然三维空间的立交桥是解决交叉口局限性的一种有效措施，但是立交桥占地面积大，对空间非常有限的城市而言不够现实，而且立交桥造价昂贵。在交通不太紧张的区域，交叉口完全能够应付。

在交通控制中，为了避免平面交叉口各个方向上交通流之间产生冲突，通常采用分时控制的方式。在一个周期的一段时间上，允许交叉口上某一支或几支交通流通过，其他交通流上的车辆则不允许通过。一个周期内，平面交叉口上某一支或几支交通流所获得的通行权成为信号相位，简称相位。一个周期内有几个信号相位，则称交叉口为几相位交叉口。

对相位的划分不是越多越好，相位太多，会带来一些问题。首先相位切换需要一定的时间，频繁切换，会浪费交叉口的通行时间，影响通行率；再次，对与周期固定的交叉口，意味着相位的通行时间变短，这样会导致没有在绿灯时间通过的车辆承受较长的红灯时间，影响驾驶员的情绪，增加交通安全隐患。3.2.1“T”型路口相位划分

侧支路段与主干道相连接形成“T”型路口，它是城市交通路网中普遍存在的控制点；城市小区与小区之间通常存在连通的路网，面积大的小区和面积小的小区并列时也会形成“T”型路口。图3.5为“T”型口在时间上会发生冲突的相位分组：西路段上存在右转交通流，不存在左转交通流。东路段上存在左转交通流，不存在右转交通流，对所有右转交通流和东路段上向西的交通流也不需要控制。相位1为西路段向东的交通流，相位2为南路段上向北左转的交通流，相位3为东路段上向西左转的交通流。

图3.5“T”形路口单相位控制相位划分示意图

3.2.2“十”字路口相位划分

如果不考虑进入“十”字路口的车很少存在相邻路段返回的情况。“十”字路口应严格划分为四个相位：东西直行相位，南北直行相位，东西左转相位，南北左转相位。所有右转交通流不会与其他交通流发生空间上的冲突，所以不予控制，如图3.6所示。

周期

图3.6 信号控制的4种相位描述

3.3 路网中交叉口信号控制原理 现在城市中最常用的就是四相位的定周期控制策略，它可以较充分的描述路口的各种交通流状态，同时这种四相位的控制模式也是现在研究最多的一种控制模式。四相位如图3.7所示，第一相位为东西相位，第二相位为南北相位，第三相位为东西左转相位，第四相位为南北左转相位。在任何时刻，四个相位中只有一相处于通行状态。检测器对路口各个车道车流量进行实时检测而获取车流量信息，为模糊控制提供必要的数据。

图3.7 “十”字路口单相位控制相位划分示意图

对于此交叉口，我们可以通过信号控制，只使相位1通行，而其他相位不通行；接着相位1通行一段时间后只使相位2通行；同理使相位

交通信号控制机 篇3

【关键词】城市轨道交通信号控制系统;ATC列车速度自动控制系统;移动闭塞;CBTC

一、前言

国内轨道交通正处于跨域式发展的阶段历程中，然而在城市轨道交通在成为广大市民出行最便利的方式之一的同时，其信号控制系统设备种类繁多、耗电量巨大、运行成本很高的弊端也逐渐呈现在人们眼前。为了保证城市轨道交通高效安全运行的需要，本文对轨道交通信号控制系统的发展进行分析。

二、城市轨道交通信号控制系统的发展现状

从采用交流50Hz二元二位式相敏轨道电路开始，我国城市轨道交通信号系统经历了几代的发展。随着客流量的不断增多，列车运行速度的不断提高，传统信号系统已远远不能满足运营的需要，为此需要采用先进的信號技术，如符合电磁兼容要求的数字化轨道电路DTC（Digital Track Circuit）技术，基于通信技术（ODBC）的列车自动控制（ATC）系统等。同时信号系统作为列车运行的神经中枢，直接关系到乘客的生命安全，因此各系统必须具备相应的安全措施。目前，在城市轨道交通系统中广泛采用ATC列车速度自动控制系统，采用ATC信号系统可以大大的提高行车的安全性，使得因人为的疏忽、设备的故障而产生的事故率降至最低。此外，采用ATC列车速度自动控制系统还可以避免不必要的突然减速和加速，这不仅可以提高行车的稳定度，还对节能具有重要的作用。使列车始终处于最佳速度状态，可节能15%左右。

三、ATC列车自动控制系统概述

列车自动控制（ATC）系统包括列车自动保护子系统（ATP）、列车自动监控子系统（ATS）、列车自动驾驶子系统（ATO）。

ATP（列车自动保护）子系统负责列车间的安全间隔、超速防护及车门控制，主要包括轨旁设备，联锁设备、车载设备

等，ATP地面设备以一定间隔或连续地向列车传递信息，车载ATP根据地面传递的信息进行计算， 提供控制信息，使列车在限制速度下运行，列车开门前必须经过ATP检测，条件满足后，方可操作。ATP按“车-地”信息传输方式分为连续发码方式和点式发码方式。连续发码方式的ATP系统设备利用数字轨道电路或连续敷设电缆向车载接收设备持续地传递地面信息，其特点是信息实时性、安全性很高，行车间隔小，但技术复杂、造价昂贵。点式发码方式ATP 系统设备利用地面应答器或点式环线将地面信息传至列车。这种方式实时性较差， 行车间隔大，但技术简单、造价低廉。考虑到我国现有的城市轨道交通中，存在运客数量大、行车密度高、隧道内驾驶条件差等特点，均采用连续发码方式。

ATO（自动驾驶）系统负责自动调整列车车速，形成平滑控制牵引力和制动力的指令、引导列车运行、在一定精度范围内对位停车等。ATO设备主要包括控制器，接收/发送天线，标志线圈等。ATO有利于列车节能并提高旅客乘坐的舒适度和减轻司机的劳动强度。包括自动驾驶、自动调速、自动停车、定点停车、车门控制等几大部分。

ATS（列车自动监控）子系统实现对列车运行的监督，负责运行列车的道岔自动转换，排列进路，根据列车运行计划与实际客流等情况合理地调度列车，选定并维护运行图，自动或人工调整停站或区间运行时间，并向列车提供由控制中心传来的监督命令。ATS 子系统主要由位于OCC（控制中心）的中央计算机及相关显示设备，控制与记录设备，现场设备（包括车站、车辆段、停车场）以及传输通道组成。ATS 系统的安全、可靠地运行，对于整个交通系统的运营效率至关重要。

对于ATC列车自动控制系统来说，轨道电路对列车占用的判别方式仍然采用固定闭塞，影响车辆占用的效率，同时也存在着安装设备较多，设备之间的通信方式复杂，列车占用检测实时性较差，故障点较多的不足，为了解决这一局限性，实现移动闭塞。近年来大部分城市轨道交通信号系统都采用了基于通信的列车控制系统（CBTC）。

四、基于通信的列车控制系统（CBTC）概述

近年来大部分城市轨道交通信号系统都采用了基于通信的列车控制系统（CBTC）引进“信号通过通信”的新理念，实现对列车连续控制，它摆脱了轨道电路对列车占用的判别方式，突破了固定闭塞的局限性，可以实现移动闭塞，一般CBTC系统包括地面无线闭塞控制中心、列车车载设备、地一车双向信息传输系统和列车定位系统。

无线CBTC 采用无线通信系统，强调系统应用层和开发层的独立性，通过模块化的结构、强有力的接口设计和事件描述，制定对子系统透明的接口标准。CBTC通过采用基于IP 标准的列车控制结构，可以在实现列车控制的同时附加其它功能（如安全报警、员工管理及乘客信息发布等）。

无线CBTC系统工作方式完全不同于传统的信号系统，当分配某线路为使用状态后，立即通知线路管理中心，编制程序并输入该线路有关数据，线路管理中心计算列车的速度分布，数字化无线设备向列车发出控制命令，当列车进入测试区段时，列车向中心发出“进入区段”信息。如果列车超过预定速度，则驾驶室显示屏上显示“警告”，必要时可自动刹车。

无线CBTC具有卓越的技术经济优势， 在对既有的点式ATP系统的改造中，采用无线CBTC对其车载设备和轨旁设备进行一定的改造后（主要是增加网络接口和无线控制子系统），可实现既有信号系统与无CBTC的叠加，从而达到既有线路与新的无线CBTC 线路的互联互通（Interoperability，包括列车接口间的控制安全标准、导轨的模型化以及列车控制信息传递协议等），从而大大的节省了改造费用。目前，国际上不少城市开始采用CBTC系统，对现有列车控制系统进行更新。如北京、广州、上海、武汉、沈阳等。

五、结语

随着城市轨道交通信号系统的迅速发展，基于通信技术的列车控制（CBTC）移动闭塞系统代表着当前世界上轨道交通列车运行控制系统的发展趋势，是近年来国际国内推荐使用的一种闭塞制式。（CBTC）移动闭塞系统采用了先进的通信和计算机技术，可以连续控制、监测列车运行。它摆脱了使用轨道电路判别闭塞分区的占用，突破了固定（或准移动）闭塞需要固定的区间分区的局限性 ，较以往系统具有更大的技术优越性。CBTC系统能迅速、准确获得列车实时信息，在保证地铁安全、高效运营的同时，可大大提高旅客服务水平，因此基于通信的列车运行控制系统（CBTC）是轨道交通信号及列车控制的发展方向。

参考文献

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交通信号控制机 篇4

随着车辆的增多, 交通方面存在的问题也日益严重, 主要表现为:城市交通拥挤堵塞的路段与路口逐年增多, 交通秩序日趋恶化, 交通事故率逐年上升, 城市机动车平均时速逐年下降, 出行时间延长, 机动车低速行驶带来了更大的燃油消耗和更严重的环境污染, 交通拥挤堵塞和交通事故造成的经济损失巨大。提高交通管理水平将是改善当前城市交通环境的有效途径之一。而提高交通管理水平需要设计1个稳定有效的交通信号控制机并培养一批熟练掌握城市交通信号控制的技术人员, 因此研制一种既能作为科技人员研究交通信号控制的模拟演示平台, 又能实用于交通信号控制的交通信号控制机是有必要的。为此, 本文介绍了一种交通信号模拟演示控制机 (以下简称信号机) 设计思路及实现技术。

1 交通信号模拟演示控制机的总体设计思路

信号机是控制交叉路口交通信号的重要设备, 它是交通信号控制的重要组成部分, 各种交通控制方案, 最终都要由信号机来实现。考虑到我国混合交通的需要, 信号机除了对机动车, 还要考虑对行人和非机动车的控制, 因此信号机要实现对每个方向的机动车左转、直行、右转控制和非机动车及行人的控制, 其中机动车和非机动车需要红、黄、绿3色灯控制, 行人需要红、绿2种灯控制, 所以每个方向至少需要14个IO口输出端子来控制。开发信号机应具有通用性, 除了常见的十字交叉口需控制4个方向外, 还要有控制5个方向的特殊交叉口, 因此信号机应至少需要5×14个灯控输出端子。如考虑车辆检测器, 则每个车道进口方向一般埋2个线圈检测器, 单向4车道共有8个线圈检测器输出信号, 5个方向的特殊交叉口需要40个检测器输入接口。此外, 还有显示面板功能指示灯占用24个IO口, 因此适合混合交通控制的智能交通信号机共需要134个IO口。

为保证系统在复杂环境下工作的可靠性, 增强系统的抗干扰能力是必须要解决的问题。结合实际情况, 本文从硬件、软件两方面对系统进行可靠性设计并取得了满意的效果。

2 交通信号模拟演示控制机的硬件设计

交通信号模拟演示控制机的硬件采取了模块化设计的方式, 分为主控模块、人机操作的面板模块、通信模块、车辆检测器模块4部分。信号机结构如图1所示。

2.1 主控模块

主控模块的结构图如图2所示。作为信号机的核心, 主控模块采用Atmega128[1]作为主控制器, 该模块具有功能强、成本低、速度快、接口多等优点, 在嵌入式系统中受到广泛应用。Atmega128具有128k在线可编程Flash, 4 kB的EEPROM, 采用RISC精简指令集结构, 有53个可编程IO口, 2个可编程USART口。Atmega128的PB、PC、PD端口作为数据线通过8255芯片用来扩展IO口, 译码电路输出连接8255片选引脚, 根据需要信号机可设置5块驱动板, 每块驱动板有24个IO口, 其中14个IO通过驱动电路控制1个方向的信号灯, 8个IO口连接线圈检测器, 预留2个IO口备用;通过2线串行TWI接口连接3片PCA9554和1片AT24C256, 3片PCA9554扩展24个IO口, 和面板模块相连控制24个面板上的状态指示灯, AT24C256用来存储信号机的特殊日表、时段表、方案表等参数信息;信号机具有2个串口, 根据需要可以接无线通信设备或与电脑相连进行信号机参数修改;选用实时时钟日历芯片DS1302作为系统时钟, 不但节省控制器芯片的定时/计数器的资源、简化软件编程, 而且在主电源掉电、备用电源工作的方式下, 保证系统时钟正常运行。DS1302采用串行通信方式实现数据的传输, 节省了系统的硬件资源。

2.2 通信模块[2]

通信模块采用RS-232C串口通信。RS-232C是美国电子工业协会 (EIA) 正式公布的串行总线标准, 也是目前最常用的串行接口标准。RS-232C串行接口总线适用范围为通信设备之间距离不大于15 m, 传输速率最大为20 kB /s 。串行通信接口基本功能是:在发送时, 把CPU 送来的并行码转换成串行码, 逐位依次发送出去;在接收时, 把发送过来的串行码逐位接收, 组装成并行码, 并行地发送给CPU 去处理。这种串行到并行的转换功能当然可以用软件来实现, 但是这样会降低CPU 的利用率;所以常用硬件电路来实现这一功能, 这种硬件电路叫做串行通信接口。普通的单片机都是通过RS-232C 串行口信号线与计算机相连。RS-232C标准说明的是DTE与DCE之间的连接规定, 包括2个设备接口电路的机械特性、信号线功能描述以及电信号特性。考虑到通信程序之间采用软件握手以及降低编写PC与单片机程序的复杂性, PC与单片机之间的连接只采用了RS-232接口中的3根线, 即RxD、TxD、GND (信号地线) 。因为由PC出来的是RS- 232电平, 而单片机是典型的TTL电平, 因此在PC与单片机的连接中必须要有电平转换电路, 此处采用的是MAX232电平转换电路。PC数据发送是通过TxD口经过1个电平转换电路连接到单片机的RxD端, 而接收数据是由RxD 经过1个电平转换电路连接到单片机的TxD口。

2.3 面板模块

面板模块主要是为了方便技术人员在现场进行信号机调试、进行信号机参数设置, 而不必用电脑连接信号机并通过上位机软件进行操作。信号机的控制面板共分为4部分:项目设置表区、状态指示灯区、模拟路口区和按键区。技术人员可通过按键操作对信号机进行参数设置和控制方式设置。参数设置包括方案设置、时段设置、特殊日设置、日历校准、手动步伐、密码设置。控制方式设置包括2相位控制、4相位控制、多相位控制、多时段定时控制、手动黄闪、手动步伐和感应控制等。

采用ZLG7289芯片作为按键扩展和数码管驱动芯片, 面板利用2片ZLG7289芯片驱动16位数码管。面板的状态指示灯由主控模块的PCA9554控制, 按键按下对应的状态指示灯亮, 同时数码管显示出对应状态各参数的代码。

2.4 车辆检测模块

车辆检测模块选用课题组开发的车辆检测器, 该车辆检测器采用插卡式结构设计, 可以检测车型、速度、流量、占有率等交通信息。其结构图如图3所示。

3 交通信号模拟演示控制机的软件设计

信号机的软件使用模块化设计方法将控制系统划分为若干个相对独立的部分, 用C语言[3]在ICC-AVR[4]下编写。根据系统的功能要求, 软件共分为1个主程序模块和9个子程序模块。9个子程序模块是系统初始化模块、通信模块、联网控制模块、感应控制模块、多时段控制模块、定周期控制模块、手动控制模块、闪光控制模块、灭灯控制模块。信号机的主程序模块流程如图4所示, 其他子程序模块略去。

4 交通信号模拟演示控制机的功能特点

4.1 信号机的主要控制方式

1) 定时控制。

信号机总共有60套可供设置的方案, 分自定义方案区和固化方案区。自定义方案区为1～30号方案, 留给用户根据实际情况设置, 方案的设置包括对灯色和步长的设置;固化方案区为31～60套方案, 即灯色固化步长可设置。固化方案区选用通用性较强的方案作为既定方案, 适用于大多数应用场合, 31～40号为4相位方案, 41～50号为6相位方案, 51～60号为2相位方案。以上每1套方案均可作为定时控制的方案。

2) 多时段控制。

多时段控制将每天划分为若干个时间段, 每个时段运行不同的方案。信号机允许将1 d最多划分为20个时段。

启动多时段控制时, 信号机首先搜索特殊日表, 若信号机当前时间为特殊日表中的设定时间, 则执行特殊日下的多时段控制;否则执行普通日下的多时段控制。普通日下的多时段控制到底是执行2相位方案多时段, 4相位方案多时段, 还是6相位方案多时段取决于用户的操作, 默认情况下执行4相位多时段控制。

3) 感应控制。

当启动感应控制功能后, 信号机收集来自路口车辆检测器的数据, 然后自动生成相应的感应控制方案。感应控制参数和车辆检测器的设置可通过信号机的上位机软件来完成。

4) 协调控制。

在联网状态下, 信号机可以根据中心控制机下发的控制参数实现协调控制。

信号机除了能实现以上4种控制方式外, 还能实现手动黄闪、和紧急全红等多种常规控制。

4.2 信号机的主要监控功能

1) 信号机设置监测功能, 在开机运行中和在线修改时, 程序具有自检、抗干扰和纠错功能。

2) 信号机在软/硬件上设置了“看门狗”。

3) 在信号机掉电情况下, 系统自动保护用户程序, 使数据不丢失。

4) 信号机每步步长可根据各路口几何条件和交通状况设置 (0～99 s) 。

5) 当某一信道出现故障时, 系统报警提示出错。

6) 自动降级功能:当信号机出现故障或外线路有异常时, 系统自动退出当前的工作方式, 自动降级处理, 同时, 系统有出错显示及报警显示。

4.3 信号机特点

1) 功能强, 控制方便。

信号机具有定时控制、多相位分时段控制、感应控制、协调控制等控制策略, 此外还能实现手动步伐、手动黄闪、紧急时全红、暂停等多种常规控制。

2) 方案多, 设置灵活。

信号机总共有60套可用的控制方案, 即通用型的2相位、4相位和6相位控制方案各10套, 对于其它相位和任意相位 (最多30步伐) 的控制方案, 用户可通过对自定义方案区设置, 最多可设置30套自定义控制方案。

3) 参数多, 修改容易。

可以方便、灵活、快捷地对信号机的方案设置、时段设置、特殊日设置、日历时钟设置、密码设置等多种参数进行设置, 具有按键和上位机软件对上述参数进行设定2种方式, 可供灵活选择。

4) 实用性好。

信号机具有64路信号输出能力, 直接驱动路口信号灯。通过不同的方案设置, 可以实现2相位、4相位、多相位甚至任意相位的控制。远远满足了城市多车道、多相位交通信号控制的需要。

5) 远程控制。

上位机软件通过串行通信RS232端口对信号机进行交通信号控制方案下载和上传, 状态跟踪, 参数设置和修改等功能。

6) 人机界面良好。

信号机的控制面板分为项目设置表区、状态指示灯区、模拟路口区和按键区4个部分, 这些区直观、明了地显示了信号机当前的工作状态。在参数设置时还伴有相应的操作提示, 体现了人机交互的能力。

7) 稳定性好、抗干扰能力强。

信号机采用硬件故障自检技术、硬件抗干扰技术和软件抗干扰技术, 实现对微处理器及其运行情况进行故障监视, 并能将检测到的故障类型进行显示和及时处理。

5 结束语

介绍了交通信号模拟演示控制机系统的设计总体思路和软、硬件实现技术。该交通信号模拟演示控制机性能稳定可靠, 功能强大, 适用于我国各类大、中、小城市的交通管理与控制, 也可以作为科技人员研究交叉路口交通信号控制的模拟演示平台。

参考文献

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[2]李朝青.PC机及单片机数据通信技术[M].北京:北京航空航天大学出版社, 2000

[3]金春林, 邱慧芳, 张皆喜.AVR系列单片机C语言编程与应用实例[M].北京:清华大学出版社, 2003

第三章 城市交通信号模糊控制理论 篇5

模糊控制理论应用于工业、汽车、家用电器、交通等各个领域，其在交通中的一个重要的应用就是城市交通信号模糊控制。本章在阐述模糊控制原理的基础上，介绍城市交通信号模糊控制的理论基础，为下一章的城市交通信号模糊控制器的设计作理论铺垫。2.1模糊控制基础理论分析 2.1.1模糊控制的特点

模糊控制实际上是一种非线性控制，属于智能控制的范畴。近几十年来模糊控制理论无论是在理论还是技术上都有了很大的进步，模糊控制在实际应用上也已经硕果累累，这主要是由模糊控制的特点决定的：

1、模糊控制既具有系统化的理论，又有着大量实际应用背景。

2、模糊控制是一种基于规则的控制。在实际的设计中不需要建立精确的数学模型，因而控制器的设计简单，便于应用。

3、基于模型的控制算法及系统设计方法，由于出发点和性能指针的不同，容易导致很大差异；但一个系统的语言控制规则却具有相对的独立性，利用这些控制规律间的模糊连接，容易找到这种规律，使控制效果优于常规控制器。

4、模糊控制系统的鲁棒性强，干扰和参数变化对控制效果的影响被大大减弱，尤其适合于非线性、时变及纯滞后系统的控制。

5、许多复杂系统，很难建立模型和控制，因为它们包含不确定性、不精确性、并混杂有非线性和时变性。模糊控制对于那些数学模型难以建立，变化非常显著的对象较适用。

6、是一种反映人类智慧思维的智慧控制。模糊控制采用人类思维中的模糊量，如“高”“中”“低”“大”“小”，控制量由模糊推理导出。这些模糊量和模糊推理是人类通常智慧活动的体现。

7、模糊控制具有语词计算和处理不确定性以及模糊信息的能力。模糊控制本质上是一种基于语言规则的仿人智能控制。由于控制对象仅能提供一些模糊信息，计算机参与这类控制时必须模仿人类能够接受和处理模糊信息，进行模糊控制的本领。2.1.2模糊控制的基本概念

在人们的思维中，有很多没有明确外延的一些概念，即模糊概念，如以人的年龄为对象，那么“年轻”、“中年”、“老年”就没有明确的外延；不同的人有不同的感受与判断；再如炉温的“高温”、“中温”、“低温”也是此类的概念。以上这种概念不能用经典集合加以描述，不能绝对地区别“属于”与“不属于”，而要用模糊集合的概念描述。在本文中用到的模糊控制重要概念有：变量的论语、模糊子集、隶属度、模糊关系与模糊矩阵。

1、论语：被考虑对象的所有元素的全体称为论语，又称全域、全集、有的也称空间，一般用大写字母U表示。

2、模糊子集：给定论语U，U到[0，1]闭区间的任意映射A，A：U→[0，1] →A

都确定U的一个模糊子集A，A就是论语U的模糊子集。

~~

3、隶属度函数：上式中A称为模糊子集的隶属度函数。隶属度函数的表示方法大致有以下三种：

(l)图形表示法(2)表格表示法(3)公式表示法

4、隶属度：A()为对A的隶属度。

~

5、模糊关系：模糊关系R也称模糊控制规则，它描述了元素之间的关联程度，当论域X、~Y都是有限集时，模糊关系可以用模糊矩阵来表示。设X=x1,x2,xn，Y=y1,y2,yn，模糊矩阵R的元素rij表示论域X中第i格元素xi与论域Y中的第j格元素yj对于关系R的~`隶属程度，即RXi，Yjrij。

~2.1.3模糊控制过程及原理分析

模糊控制的控制规律由计算机的程序实现，实现的过程是：计算机采样获取被控制量的精确值，然后将此量与给定值比较得到误差E；将误差E作为模糊控制的一个输入量；把E的精确量模糊化变成模糊变数，从而得到E的模糊语言集合的一个子集e~；由e~与控制规则R进行模糊推理，得到控制变量u，其中u=eR，其中u是模糊变量；将模糊~~~~~~变量u转换为精确量，这样通过u可以对被控对象进行控制；循环进行第二次采样，进行第~~二步控制，循环下去，最终实现被控对象的模糊控制。具体的模糊控制原理与过程如下图所示：

模糊控制的核心是模糊控制器，在使用模糊控制器进行模糊控制时必不可少的三步骤为：精确量的模糊化、模糊规则的设计、反模糊化，下面分别分析、介绍这三部分。

（一）精确量的模糊化

精确变量的模糊化过程实际上是定义模糊变量的模糊子集的过程，而定义一个模糊子集就要确定模糊子集隶属函数曲线的形状，确定隶属函数曲线有以下常用的几种方法：

（1）主观经验法：当论域是离散变量时，根据主观人数或个人经验，直接或间接给出隶属的具体值，由此来确定隶属度函数。

（2）分析推理法：当论域连续，根据问题的性质，应用一定的分析与推理，决定选用某些典型的函数作为隶属函数。如三角形函数、梯形函数、高斯函数等。

（3）调查统计法：以调查统计结果所得出的经验曲线作为隶属函数、作为隶属曲线。根据曲线找出相应的函数表达式。

将确定的隶属函数曲线离散化，就得到了有限个点上的隶属度，便构成了一个模糊变数的模糊子集。模糊子集的数量一般选5个或7个为宜。隶属度函数曲线的形状一般有：三角形、梯形、高斯型等，在目前的应用中大部分都是为方便起见采用梯形、三角形隶属度函数。

（二）模糊规则的设计

模糊规则是模糊控制中的重要环节，模糊控制器正是依据这些模糊控制规则来完成最终推理，它用“IF--THEN”的形式描述被控对象的动态特性。目前模糊规则大都是专家经验确定，并且要求模糊控制规则要完整覆盖模糊集合。

常见的模糊控制规则根据模糊控制器的种类不同可分为以下几种：（1）单输入单输出模糊控制器

该种控制器仅有一个输入变量、一个输出变量，设模糊集合A为属于论域X的输入，~~模糊集合B为属于论域Y的输出，其控制规则通常由模糊条件语句

~~If A THEN B

~~~~

If A THEN B ELSE C

~~~~~~其中模糊集合B与C具有相同的论域Y，这种控制反应非线性比例(P)控制规律。

~~~~(2)双输入单输出模糊控制器

设模糊集合E属于论域X的输入，模糊集合EC属于论域Y的输入，两者一同构成模糊控制器的二维输入，属于论域Z的模糊集合U是模糊控制器的一维输出，这类模糊控制器的控制规则通常由模糊条件语句

IF E AND EC THEN U

来表达，是模糊控制中最常用的一种控制规则，它反映非线性比例加微分(PD)控制规律。(3)多输入单输出模糊控制器

假设模糊集合A，B，C„N分别属于各自论域的多维输入，U为属于其论域的单维~~~~~~~~~~~~~~~输出，其控制规则通常由模糊条件语句

IF A AND B AND„AND N THEN U来描述。

~~~~~~~(4)双输入多输出模糊控制器

设模糊集合E属于论语X的输入，模糊集合EC属于论语Y的输入，两者一同构成模糊控制器的二维输入，多维输出为UV„W的模糊控制器。这类控制器的控制规则可由一组模糊条件语句

~~~~~

IF E AND EC THEN U

AND

IF E AND EC THEN V AND

IF E AND EC THEN W

在制定模糊规则时要根据实际情况分别来设计确定合适的控制规则。

(三)模糊判决

通过模糊推理得到的结果只是一个模糊集合，但在实际执行中，需要有一个精确值才能对被控对象进行控制，因此要有一个将模糊集合变成一个最佳代表的精确值的反模糊化这一过程。

该过程有三种方法：最大隶属度函数法、重心法、加权平均法。最大隶属度函数方法简单快捷，但是不考虑输出隶属度函数的形状，只关心其最大隶属度输出值，因此会丢失一些信息；重心法取模糊隶属度函数曲线与横坐标围成面积的重心为模糊推理最终输出值，该方法与最大隶属度法相比具有更平滑的输出推理控制；加权平均是重心法的一种拓展方法，调整系数可以转化为重心法，需要根据实际来确定系数。综合上述，重心法较最大隶属度方法更加平滑，较后者较简单实用，故重心法是目前较理想的逆模糊化方法。

后面设计的模糊控制器使用重心法来解模糊，这里就着重介绍重心法，重心法是根据输出模糊集合隶属度函数曲线与横坐标围城面积的中心相应的输出当作精确值的输出，其公式如下： ~~

~~~~~~~uuuii1nni

iui1ui是对象论域中的元素，ui是论域元素ui对模糊子集的隶属度

2.2城市交通信号模糊控制相关理论分析

城市交信号模糊控制是模糊控制在城市交通控制中的一个具体的应用，它解决了城市交通信号控制建模难、建立的模型难以用算法求解的问题。本节结合具体的交通信号控制问题，利用模糊控制的基础理论分析城市交通信号模糊控制理论。2.2.1城市交通信号模糊控制问题描述

传统的单个信号交叉口控制方式：固定周期和绿信比的固定配时控制、感应控制。固定配时根据以往观测的交通需求，按预先设计的配时方案进行控制，无法根据相应交通需求的随机变化而变化。感应控制在一定程度上克服了固定配时的不足，但在相位绿灯时间内，只要检测到车辆到达就给出一个单位的绿灯延时，直到最大绿灯时间为止。也就是说它只关心有无车辆到达、车辆到达与否，而没有考虑有多少辆车到达，只能考虑一个相位方向的延误情况，而没有真正的总体考虑总延误，因而无法真正响应各个相位的交通需求。

模糊逻辑控制是一种新型的智能控制方式，它综合考虑交叉口车辆到达与排队情况，以交叉口的总延误最小为控制目标，调整控制策略使得交通控制能真正响应交通实时变化的需求。

城市交通信号模糊控制通过设置在各个车道上的车辆检测器检测到各个相位的到达车辆数，计算出各个相位的车辆排队长。通过绿灯相位的入口流量、车辆排队长度来考察绿灯相位的交通情况、红灯相位的车辆排队长度来考虑红灯相位的交通状况，综合考虑红灯、绿

灯相位的交通情况，用城市交通信号模糊控制器做出是否转换信号的判决，通过是否转换交通信号来影响交通流。根据城市交通信号模糊控制的思想：当绿灯相位的车流量很大、排队长度相当长时，有必要延长该相位的绿灯时间，但是是否做出延长绿灯时间的决定还要看红灯相位的交通情况，若红灯相位的排队长度很小时，控制器就会做出延长绿灯时间的判决； 若红灯相位排队长队很长时，综合考虑总的车辆平均延误就不一定会继续延长绿灯时间，到底做出什么样的判决，取决于模糊控制器的设计，模糊推理规则的设定。要得到理想的控制结果就要合理设计城市交通信号模糊控制器、合理设置模糊推理规则。

可以解决的问题可以用以下实际问题来描述：假设一个平面交叉口采用典型的四相位放行控制方式：东西直行为第一相位，东西左转为第二相位，南北直行为第三相位，南北左转为第四相位。

注：

1、由于中国的道路交叉口的右转车流一般不受城市交通信号的控制，所以城市交通信号模糊控制中不考虑右转车流。

2、各个相位的直行、左转车道上设置一组车辆检测器，可以实时检测到各个车道的车流到达、车辆排长度。

根据以上所述，该城市交叉口交通信号控制问题可以描述如下：

控制目标：使通过交叉口的车流量的平均排队长度最短，车辆平均延误最小。城市交通信号模糊控制器综合考虑绿灯相位、红灯相位的交通情况，做出以交叉口的总延误最小为控制目标。

控制变量：信号周期、各相位的绿信比。模糊控制器做出是否延长放行相位的绿灯时间的决定，延长绿灯时间会增加总的绿灯时间，也会改变信号周期，这样就会调整信号的绿信比。

2.2.2城市交通信号模糊控制原理分析

城市交通信号模糊控制器是城市交通模糊控制决策部分，做出是否转换交通信号的决定来影响控制交通流，交通流的变化会使得红灯、绿灯相位的交通状况的变化，城市交通信号模糊控制器会根据实际情况做出相应的是否转换相位的决策，周而复始，进行实时交通控制。

针对以上城市交通信号控制问题，城市交通信号模糊控制的控制思路与策略是这样进行的：

1、给定每个相位的最小绿灯时间与最大绿灯时间，以保证通行相位的车辆通行权、与

等待相位车辆的通行权。

2、假设按最初给定该相位的最小绿灯时间放行第一相位(东西直行)，放行时间到达最短绿灯时间时开始计算该放行相位的入口流量、排队长度、下一个要放行相位的排队长度，通过模糊控制器综合考虑是否继续放行当前相位，模糊控制器做出决策。

3、如果继续放行该相位就在最短绿灯时间的基础上增加一个延长绿时间，否则就放行下一相位。

4、每一相位放行时间到达最大时间时就自动强制转换下一相位。

5、这样循环控制形成周期、绿信比随交通状况实时变化的控制方案。城市交通信号模糊控制把城市交通模糊控制器与交通流生成、交通车辆延误综合考虑的周期循环控制。要进行城市交通信号模糊控制需要几个重要的组成部分：交通流、车辆检测器、模糊控制器、交通延误。计算具体的框架如下图：

交通信号控制机 篇6

关键词：云控制器；智能交通信号灯；控制；应用

中图分类号：TP273.5 文献标识码：A 文章编号：1674-7712 （2014） 16-0000-01

交通系统是一个十分复杂的体系，它具有随机性、很强的不确定性和非线性的特点，所以倘若在其中建立数学模型是十分困难的。专业人员为了解决现代经济发展所带来的交通问题就提出了将云控制器融入到智能交通信号灯系统控制中。本文就简要介绍了云控制在智能交通信号灯系统控制中的应用。

一、对云控制器的认识

云技术是指用语言表示的定量与定性之间不确定性的转换工具。它的英文全称为Cloud technology，它是基于云计算商业模式应用的网络技术、信息技术、整合技术、管理平台技术和应用技术等的总称，可以组成资源池，按需所用，灵活便利。云计算技术体系结构分为4层分别是：物理资源层、资源池层、管理中间件层和SOA构建层。另外，电子云还具有概然性、弥漫性和同时性等特点。

二、智能交通信号灯系统

智能交通信号灯系统主要包括交通信号灯系统、将交通信号灯信息以无线方式发射出来的发射装置和设置在机动车辆上的车载接收装置三部分。

道路交通信号灯作为道路交通信号中的一个重要组成部分，是道路交通系統的十分重要的基本语言。道路交通信号灯主要是由红灯、绿灯、黄灯三部分组成，它们分别有禁止通行、允许通行和警示三种含义。道路交通信号灯又可以分为：机动和非机动车信号灯、人行横道和车道信号灯、方向指示信号灯等。

道路交通信号灯的产生是为了保证道路交通的安全和通畅，加强道路交通的管理，减少交通事故的发生，提高道路的使用率，改善交通状况。道路交通信号灯适用于人流和车流量较大的十字路口和丁字路口等，由道路交通信号控制机来控制，指导车辆和行人安全有序地通行

车载接收装置又包括接收单元、控制单元、语音单元以及显示单元四部分。这四部分之间相互联系，密不可分。

当智能信号灯系统工作时，发射装置会读取交通信号灯中所显示的内容并以较小的功率以无线的方式发送出去，然后再由车载接收装置进行接收，然后接收单元将接收到的无线信号传递给控制单元，由控制单元对信号进行解码，解码结束后，控制单元会将解码出的交通信号通过语音单元发声或通过显示单元显示出来。

三、云控制在智能交通信号灯控制中的应用

（一）控制算法的目标。智能交通信号灯控制系统存在的主要目的是是车辆和人流快速的通过道路路口，不会堵塞交通或等待时间过长。解决车辆和人流流通问题最有效的方法就是控制道路路口的车容量、车速和等待时间。车容量主要是指在道路路口中等待的车辆数量以及排队的长度，过多的车辆数量和过长的排队长度都会导致道路交通的瘫痪；对于提高车速则可以减少车辆在道路路口中停留的时间，提高效率；而依照现实的实际车流量合理的安排交通信号时间则可以合理的分配时间，减少时间的浪费，提高道路路口的行车效率。

（二）基于云理论的控制算法。在云模型的基本算法中，通常会使用期望、熵、超熵这三个基本参数来定义概念，其中这三个参数的数学表示为Ex、En、He，其中Ex表示x云滴在空间U中分布的核心，利用这一概念可以明确的反映出云滴群体的重心；En则是对对象不确定性的一种客观的度量，它可以反映出数据的分散和模糊的程度；He则是对En的不确定性的客观度量，它可以反映出二阶所具有的不确定性。

利用遥感设备可以获得：公交车辆的数量为C，车辆的速度为V，车辆的载重量为P。车辆的汇总结果表示道路信息，将道路流量、路况指标利用云模型进行表示，将具体的统计指标进行转换，使其符合云模型的参数特征，与其相互对应的算法被称之为逆向云发生器，其具体的算法为，首先计算依据各个车辆的速度计算出车辆的平均值，一阶速度的中心矩和速度方差；其次是计算出公交车辆的速度期望即Ex；然后依据公式计算出公交车辆的速度熵；最后是计算公交车辆的超熵。通过这种规律以此类推，就可以得到具体的统计指标的云描述信息。

除了使用逆向云发生器进行控制和计算外，云理论系统还能够提供其他的算法，例如，条件云发生器等，它也是构建智能交通信号灯控制系统的关键因素之一。

基于云控制器在智能信号灯控制系统中的应用，以公交车辆作为例子进行简要的介绍和说明，利用了公交车辆中的智能系统对公交车辆的运行参数进行采集，进而反映了道路的路况数据信息，最后构建成为智能交通信号灯控制系统。将云控制应用于智能交通信号灯控制系统中进行综合路况的信息处理，可以有效的提高信号控制的灵活性以及实时性，最大限度的减少了车辆的平均延误，使整个智能交通信号灯控制系统更具有智能化和自动化。

四、结束语

智能交通信号灯控制系统的提出充分的解决了现代经济发展存在的各种问题，提高了信号控制的灵活性以及实时性，在一定程度上大大地缓解了交通运输的压力，减少了车辆的平均延误，维持了交通秩序，提高了道路路口的车辆通行量和通行的效率，以及道路秩序维持的灵活性。

参考文献：

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交通信号控制机 篇7

随着我国道路交通的飞速发展、城市化水平的不断提高, 道路交通管理对信号控制机的需求日益扩大, 此外, 不同地区、不同路段对交通信号控制机的性能要求也各不相同, 因此需要研发多系列多型号的信号机以满足市场需求。

在多系列多型号信号机结构设计过程中, 仅尺寸发生变化或可以共用的零部件都需重新建模, 如此势必占用额外的存储空间, 造成重复设计, 导致效率降低。因此, 本文基于SolidWorks研究道路交通信号控制机参数化设计的方法。

1 零部件参数化设计方法

SolidWorks是一套多功能的集成系统, 可用于产品的设计、分析和加工等过程, 此外还具有良好的功能扩充性和开发性接口。

基于SolidWorks的零部件参数化设计有以下3种方法: (1) 通过自身配置功能并结合Excel建立系列零件设计表来完成参数化设计, 其基本流程如图1所示; (2) 采用宏技术通过内部编程操作原始模型, 建立标准零件库; (3) 利用尺寸驱动原理, 采用外部编程平台 (如VB、VC++) 在模型原有基础上改变尺寸参数, 生成新的零部件。第一种方法灵活应用了自身参数化的设计功能, 使用方便, 不需外部软件开发, 非常便于修改、维护和扩展, 适用于简单形体的参数化设计。后两种方法开发、维护成本较高, 适用于复杂形体的设计。

道路交通信号控制机的组成零部件不繁杂, 结构形式也比较简单。综上所述, 本文采用第一种方法对信号机进行参数化设计。

2 道路信号控制机结构的参数化设计

根据交通信号控制机的功能可将其分成机柜、组件箱、接口板组件、电源控制组件和接线端子排组件这五大模块, 如图2所示。

对于各型信号机, 相应模块的尺寸大小和空间分布不同, 且没有一定的规律, 但是结构形式相同。此外, 大部分模块采用插箱式结构。因而我们可采用分模块参数化设计, 再手动增删修部分零部件, 最后进行整体装配。如此对计算机性能要求不高, 还提高了设计效率, 降低了加工成本, 便于维修和调试。

1—机柜2—组件箱3—接口板组件4—电源控制组件5—接线端子排组件

机柜模块是信号机的结构主体, 因而首先对其进行参数化设计。机柜由机柜框架、门部件、内立柱、手控盒和机顶盖等组成, 如图3所示。

1—机柜框架2—门部件3—内立柱4—手控盒5—机顶盖

在建模前, 首先根据机柜的功能确定其总体设计参数, 一般机柜的变型都是外形尺寸的改变或是增删零部件, 因而将机柜高度、深度、宽度作为总体设计参数;其次确定自顶向下的模型树以及各零部件间的装配关系。

按确定好的模型树建立机柜模型, 这里尤其要注意的是, 对于有阵列特征的零部件, 在编辑阵列特征时需勾选添加间距尺寸和显示实例记数。这样才能将阵列尺寸作为驱动尺寸, 为之后的参数化建模奠下基础。然后对各零部件进行参数化设计。

由于各零部件参数化设计过程基本一致, 因而这里仅详述机柜框架参数化设计的过程: (1) 右击设计树的注解, 勾选显示特征尺寸并查看尺寸名称; (2) 重命名特征尺寸, 遵循顾名思义的原则, 例如将尺寸1 156mm命名为机柜高度, 这样便于变型设计时尺寸参数的修改; (3) 将相应的尺寸进行链接, 以减少参数的个数; (4) 在配置菜单列表下, 创建并编辑系列零件参数表, 定义各驱动参数, 命名各配置名称并修改驱动尺寸; (5) 显示所需要的零件配置。

在机柜各零件的参数化模型均建好后, 在机柜装配体的配置菜单下创建系列零件设计表。设计表应包含各零件的相应配置及装配关系。其中应将各零件配置 (下转第159页) “$状态@零件”手动改为“$配置@零件”, 然后在相应列填写该零件的配置名称。如此, 机柜的参数化模型便建好了。

若对信号机进行变型设计, 将机柜的宽度由原来的375 mm改为450 mm, 高度由原来的1 156 mm改为1 300 mm, 仅需修改设计参数。首先确定这两个参数对机柜的哪些零部件有影响, 机柜宽度和高度的改变会影响机柜框架的宽度和高度、长加强筋的高度、机顶盖的宽度、机柜门的高度;然后对这些零部件的系列零件设计表进行相应尺寸的修改, 从而生成新的配置, 完成变型设计, 如图4所示。

依此对信号机的其他模块进行参数化设计。在进行新型信号机设计时, 驱动参数生成各模块的新配置, 再手动装配各模块。若需增删零部件, 再手动进行修改。

3 结语

本文根据交通信号机的功能对其采用分模块参数化设计, 并详述了通过SolidWorks自身配置进行参数化设计的过程。随着参数化模块和标准零件库的建立, 不仅可以继承已有的技术成果, 减少重复设计, 实现各型号共用;还能节省经费, 缩短开发周期;而且可以提供一个变型设计平台, 以满足用户的个性化需求, 从而有利于保证型号研制的总体质量。

参考文献

[1]石宇航.智能交通信号控制机[D].北京:北方工业大学, 2008.

[2]丁杰.基于SolidWorks的机械零件参数化设计方法[J].甘肃科技, 2009, 25 (3) :20-21.

[3]羊有道, 毛忠峰.道路交通信号控制机结构设计[J].机电产品开发与创新, 2012, 25 (4) :157-158.

交通信号协调控制算法研究 篇8

关键词：交通信号,协调控制,算法研究

1 交通信号协调控制概述

交通信号包括指挥灯、车道灯、行人灯、手势信号灯, 作为疏导交通的重要交通工具, 在交叉路口等位置对道路交通秩序进行控制, 保证车辆和行人的安全出行。

交通信号协调控制的优劣决定了城市交通的通行能力, 是缓解城市拥堵, 解决城市交通压力的重要措施。因此, 对交叉路口等通行能力的设计、组织和管理, 是交通信号协调控制的重要目的。

2 交通性能评价指标

针对我国具体的交通运输国情, 应进一步加强城市交通信号控制系统的研究工作, 在交通信号协调控制算法上加以改进, 通过合理地给交通流分配通行权, 有效分离交通流, 提高通行率, 保障出行安全。

信号控制指数主要包括周期、相位、相位差、饱和度、流量、速度等, 对这些任务进行合理配置是为了保证交叉路口车流通行能力的提升。如信号周期为红绿黄3种信号灯在一定时间内依次闪亮的循环时间周期C, 适当的周期对舒缓交通流和减少车辆等待时间起着决定性作用。

信号相位是交叉路口某个方向或者几个方向的交通流。当这些通行权被分配得当时, 不论何时都能获得完整的信号灯色显示, 不同等色的连续时序就是一个相位。一般的相位为每个交叉路口二、三、四相。相位增多表明交通安全系数高。相位差包括绝对相位差和相对相位差。指的是信号绿灯、红灯从起点到终点的时间差。

进口道饱和流量是交叉路口连续绿灯时间内车队通行的最大车辆数。饱和度指的是相位i中实际进口到j的交通流量qij与进口道j的饱和流量λi的比值, 用xij表示。交通路口饱和度x的计算公式为:。绿信比是绿灯时间、损失时间、有效红灯、绿灯时间的总称。一个相位信号的有效绿灯时长与周期市场的比用u表示, 用公式表示为:u=c/ge。交通流量为一定时间内停经某个位置的车辆数, 以q表示, 用公式表示为q (x, t) , 交通流量是时间和位置的函数。交通密度用k表示, 每车道单位长度道路拥有的车辆数, 单位为辆/千米。车流速度是区间平均速度, 交通流量、密度、行车速度直接存在一定联系, 用公式表示为q=k×v。自由行车速度是车流密度小、车辆通行顺畅的速度。

交通信号协调控制常用性能指标延误时间包括随机、过饱和延误。前者的公式表达为, 后者的公式表达为:。平均延误De=Due+Dre, 当车辆进入道口保持稳定的交通流, 则交通流以恒定速率均匀到达。

排队长度分为非饱和条件下车辆在交叉口停车线后的排队长度、饱和条件下车辆排队长度、过饱和条件下, 车辆排队长度。

在实际道路、交通、信号控制条件下, 通过进口道停车线的最大车辆数, 被称为通行量。通行量的整体性、相关性等要素表示了交叉路口的系统的运转情况。掌握交通量、车辆延误时间、运行速度等参数变量, 就能对系统的动态特性进行掌控, 减少交通事故的发生。

3 固定周期配时算法

通过交叉路口信号灯的灯色顺序和持续时间, 可以有效控制交通信号系统协调行使功能。

3.1 按照响应方式进行分类

根据交叉路口历史交通量数据确定控制参数, 一天一种的配时方案为单时段定时控制, 这种方式简单、投资较少、维护方便, 但是不能适应变化的交通条件;不同时段的交通量执行不同配时方案为多时段定时控制。一天可分为几个时段, 根据不通的周期时长选择不同的控制方式变换参数。

根据交叉路口设置的车辆到达检测器, 对交通量变动实行实时控制, 分为半感应式控制和全感应控制, 优势在于检测到的车辆信息可以随时改变信号灯配时方案, 但是难以用数学模式描述交通流变化大的情况。

优化控制是对城市路网调度和管理。工作原理为交通信号机上传到上位机交通数据, 由上位机对交通量信息进行控制参数的自动调节, 形成最优控制的配时方案。

3.2 按照控制范围来分类

单点控制是根据路口的实际情况进行独立运行的控制, 适用于相邻信号机间距远、线控没有效果、交通需求变动大的情况, 目前在我国大多数交叉路口使用。

对干道交通信号进行协调控制的方式, 将主干道上的若干连续交通信号进行联系, 设计协调调配的方案, 实现信号灯的联合运行, 达到减少车辆停车次数的目的。此为干线控制, 具有设定公用的周期时长, 提高道路通行能力的特点, 可以使相邻的交叉路口具有相同的信号控制周期, 使各相位的绿灯开启时间错开一定的时间。根据道路交叉路口的信号灯控制方式的不同, 可以划分为定时式协调控制和干道信号感应式控制。

网络控制是将整个区域内的信号交叉路口作为协调控制对象, 控制区域内信号交叉路口的集中控制, 由中央控制室统一协调交叉路口信号机, 将区域内的交叉路口联合起来进行统一协调控制。

3.3 按照控制策略分类

适应交通量变化的自适应控制系统, 在区域交通网中设置检测器, 采集交通数据进行联机控制, 适应控制系统投资高、结构复杂[1]。

3.3.1 按照控制方式不同

(1) 对应交通流状况, 按照事先做好的交通控制方案和控制参数对交通实行动态管制。 (2) 根据实时交通流数据, 计算最佳交通控制参数, 设施动态交通控制。

3.3.2 按照控制结构分类

(1) 分散控制是将大系统进行分散控制, 每个分散控制的机构对局部进行控制, 设备费用低, 维护方便。 (2) 集中控制是由中央控制结构对整个过程和对象进行集中检测与控制, 将信号集中传递到中央控制机构, 对所控区域内的交叉路口进行统一的交通流数据采集和优化。 (3) 协调控制多个分散协调机构, 将被控对象进行局部控制, 作出下级决策, 完成相应的局部控制任务和全局性的控制任务。

4 改进的交通信号协调控制算法

关于交通信号协调控制算法, 国内外学者提出了很多方案。涉及的关键问题都是对交通系能评价指标的选取。通过改进的交通系能评价指标, 具有实用性和有效性。

改进的交通信号协调控制涉及的关键问题有: (1) 交通信号系协调控制系统的设计总体方案; (2) 交通系能评价的指标确定; (3) 交通信号协调控制算法的研究。

相位相序设计是对一个或者几个车流在一个信号周期内获得完全相同的信号灯色显示, 包括相位相序设计和配时设计。相序方案涉及轮流给车辆和行人分配通行权的问题, 在改进方案中根据较常见的三相位和四相位交叉路口进行了相位和相序的方案设计。

(1) 四相位交叉路口在4个方向设立直行、左转、右转车道, 第一个相位运行东西方向直行和右转车辆行驶, 第二相位运行东西方向左转, 第三相位允许南北直行和右转, 第四相位允许南北向车辆左转。 (2) 三相位交叉路口设立了3个方向的两个车道, 第一个相位允许南向右转, 东向左转和右转, 第二相位允许东向右转, 南向右转, 第三相位允许东向右转, 北向直行, 南向直行和右转。 (3) 信号配时算法, 协调了交通信号的控制问题, 首先通过修建立交桥、专用车道、行人天桥等分流车辆、行人, 其次设置交通信号灯和控制机, 按照交通通行权需求在时间上将车流分开。信号配时设计从相位相序的基础上, 根据车道、车辆、车速等情况进行方案的最优配置, 以提高交叉路口通行能力和减少交叉路口延误的时间为目标。实现交通信号配时协调控制的方式, 包括:一是优化参数, 针对实际要求进行校核, 优化调整配时参数;二是先列出实际约束条件, 结合条件进行参数优化;第三是进行科学运算, 使用计算机软件对信号配时参数进行计算, 包括交通信号相位、相序、周期、绿信比[2]。

使用固定周期配时算法, 用于夜间等时段交通量稳定的情况, 计算交通车流量和饱和流量, 寻找最佳信号配时方案。

在交叉路口处于饱和状态时, 用黄金分割法计算饱, 以及平均延误W*和平均停车次数L*, 确定信号周期的初值、信号周期的增量;判断最小绿灯时间Cmin, 最大绿灯时间Cmax, 结合平均延误W*, 和平均停车次数L*, 计算当前交通性能评价指标:, 判断交通性能指标评价, 根据指标参数进行交通信号系统控制, 统筹安排各交叉路口的信号周期等, 建立最佳配时方案组合, 以达到干线、道路网的整体最佳运行效果。

5 结语

本文谈及的交通信号协调控制算法融入了计算机技术, 能够合理解决统计以及计算复杂等问题, 解决了点与面的配合关系:用固定周期配时算法解决交通量稳定的情况, 用改进的交通信号协调控制算法和采取人工干预的方法, 解决突发事件。

参考文献

[1]别一鸣, 李轶舜, 王琳虹, 等.考虑城市干道车队运行特点的交通信号协调控制算法[J].西南交通大学学报, 2013 (2) :357-367.

交通信号干线控制优化设计三维仿真 篇9

计算机仿真技术的快速发展, 为城市交通的模拟仿真和相关技术的研究提供了迅速发展的平台。交通仿真是计算机仿真技术在交通工程领域的应用, 可以为交通管理系统设计方案评价、道路几何设计方案评价、交通工程理论研究、交通安全分析、新交通技术和设想的测试以及人员培训等应用领域提供方便、高效的实验分析工具[1]。如何使用发展迅速的计算机图形学技术, 建立精细的模型, 精确的仿真交通系统的各个方面, 就成为一项非常有必要的研究课题。

1 交通信号干线协调控制

交通信号控制从空间关系上划分为单路口控制 (点控) 、干线控制 (线控) 和网络控制 (面控) [2]。点控是指对单一交叉口或一条干线上或一区域内的各个交叉路口分别单独进行信号控制的方式[3]。把一条干道上一批相邻的交通信号连接起来, 加以协调控制, 这就是交通信号干线协调控制。点控是线控的组成部分。韦伯斯特经反复测算, 得出了韦伯斯特最佳周期的近似计算公式:

其中L为每个周期总的损失时间, Y为交叉口交通流量比[4]。最佳周期是信号控制交叉口上, 能使通车效益指标最佳的交通信号周期[5]。

假设:某十字路口东南西北入口道的总车流量分别为600veh、900veh、900veh和1200veh, 各个方向的车流量如图1。设饱和流量s=2 0 0 0 v e h, 黄灯时间为tY=3s, 全红时间为tR=2s。采用四相信号控制, 如图2。

相位1的临界车道 (临界车道是指每一信号相位上交通量最大的那条车道) 车流量为q1=600veh, 相位2为q2=300veh, 相位3为q 3=400 veh, 相位4为q4=300veh。

各相临界车道流量比之和为

总损失时间为

得出南北路口直行时间为17s, 左拐时间为8s, 黄灯时间为3s, 红灯时间为27s;东西路口直行时间为12s, 左拐时间为8s, 黄灯时间为3s, 红灯时间为32s。

为使干线上各交叉口的交通信号能够协调控制, 各个交叉口交通信号的周期时长必须是统一的。根据以上方法可以计算出不同交叉口的最佳周期, 从中选取最长周期作为整个干线的周期时长。当车辆在相邻交叉口间的行驶时间等于交通信号周期的倍数时, 即相邻交叉口的间距符合关系式

其中v为车辆可连续通行的车速, n为倍数, 那么车辆就可在干线上连续行驶, 减少了时行时停的情况。

假设南北干线上有两个相邻的单交岔路口, 车辆通过该干线的车速为110km/h, 则两个交叉路口应相距:

在本仿真中取n=2, 得到两个交叉路口相距3.36km。

2 3D MAX仿真

使用3D MAX对以上交通干线进行三维仿真, 首先对道路、汽车、交通灯等进行建模。按照图1所示各个方向的车流量, 设置交叉口东西南北四个方向右拐、直行和左拐的车辆, 并随机设置他们的初始位置, 根据 (11) 式设置两个交叉口相距的距离。

然后为模型设置动画。依据 (6) (7) (8) (9) 式得出的交通信号的时间长度, 设置交通信号的材质动画, 以达到交通信号红黄绿变化的效果。设置好交通信号的动画后, 就要设置汽车的动画了。图3是某辆汽车在X、Y、Z三个方向的动画轨迹。

为每辆汽车设置帧动画比较繁琐, 可以使用3D MAX内置脚本语言MaxScript, 同时设置多个汽车的群体动画。首先在脚本中将具有相同行驶方向的汽车设置成为一个数组:

然后使用for循环来为数组中的每一个元素设置动画:

当汽车行驶到停车线附近, 而且前方交通信号的红灯亮时, 汽车就要停下来, 一直等到交通信号的绿灯亮, 汽车才可以再行驶。在汽车行驶过程中, 还要防止汽车之间发生碰撞。由于在3D MAX中, 各个对象之间是可以互相穿透的, 如果所有遇到红灯停下的汽车都停在了停车线附近, 就会出现多辆汽车重叠的现象, 这在现实中是不可能发生的。鉴于以上几个情况, 汽车停止行驶需同时满足以下几个条件:

(1) 行驶方向的交通信号红灯亮;

(2) 汽车在停车线后方的位置停止;

(3) 停车线处已停有汽车时, 后来的汽车要以一定间距停于其后。

为了满足第三个条件, 设置一个停车计数器, 初始值为0, 停车线后每停一辆车, 计数器加1, 相应的下辆车的停车位置应与停车线位置相距停车间距的N倍, 而且在停车线后方。

最后在场景中创建摄像机, 设置摄像机动画, 将摄像机与某辆汽车绑定, 调整视角, 以得到好像在马路上真正驾驶汽车的效果, 图4是摄像机视图的渲染效果。

3 结论

通过运用3D MAX对交通信号干线控制的仿真, 可以很直观的观察到交通信号控制的优劣, 各种交通问题一目了然。因此, 三维交通仿真将是一项非常有必要的研究课题, 而3D MAX也会为三维交通仿真提供很好的仿真平台。

摘要：通过对交通干线的研究, 建立交通信号干线控制优化算法, 并使用三维动画软件3DS MAX进行建模和仿真, 得到直观的场景效果。

关键词：交通,仿真,3DS MAX,动画

参考文献

[1]Yang Qi.A Simulation Laboratory for Evaluation of Dynamic Traffic Management Systems.Massachusetts Institute of Technology, 1997:160-169

[2]韩雪, 张秉森, 张引等.单交岔路口交通信号定时控制三维仿真[J].系统仿真技术.2008, 4 (1) :30-34

[3]翟润平, 周彤梅.道路交通控制原理及应用[M].北京:中国人民公安大学出版社.2002

[4]刘智勇.智能交通控制理论及其应用[M].北京:科学出版社.2003

交通信号控制机 篇10

计算机仿真技术的快速发展, 为交通控制的模拟仿真和相关技术研究提供了平台。具体来说, 交通仿真技术是研究运用现代计算机技术建立一个能够替代现实的交通系统的计算机模型的过程, 该模型能再现实际交通系统的特性、分析交通系统在各种设定条件下的可能行为, 通过模型仿真试验的结果, 以寻求现实交通问题的最优解, 评价运输设施各类设计方案的效果。它还可以为各种交通产品的设计开发和性能优化提供直接的技术支持, 为交通管理决策层采纳新的交通理念提供帮助。

VRML是虚拟现实建模语言的缩写, 主要应用于Internet上创建虚拟的三维空间。可以创建虚拟的建筑物、城市、山脉、飞船、星球等, 还可以在虚拟世界中添加声音、动画, 使之更加真实生动, 甚至还可以是具有和浏览者的交互性更接近于现实世界的虚拟空间。本文通过单交叉路口的交通特征, 计算出交通信号的控制时间, 然后使用VRML建模语言, 对该交通控制模型进行虚拟仿真。

1 单交叉路口情景描述

某单交叉路口东南西北入口的总车流量分别为600veh、900veh、900veh和1 200veh, 各入口道均有两个车道。设饱和流量s=1 800veh, 采用两相信号控制, 每相信号损失时间为l=4s, 黄灯时间取为ty=3s, 全红时间tR=2s。设计该路口的定时控制配时方案如下:

设东西通行为第1相, 南北通行为第2相, 各相临界车道车流量为:q1=450veh, q2=600veh, 则各相临界车道流量比为:

总损失时间为:L=n× (l+tR) =2× (4+2) =12s

最佳周期为:C0= (1.5L+5) / (1-Y) =55s

绿灯时间为:Tg=C0-ntY-L=37s

各相绿灯时间为:

故定时控制配时方案为:

周期长:20+3+2+25+3+2=55s。

第1相:绿灯20s, 黄灯3s, 全红2s, 红灯32s;

第2相:绿灯25s, 黄灯3s, 全红2s, 红灯27s;

2 VRML仿真

2.1 实现单交叉路口的模拟

正视前方的交叉路口, 感觉就像一个长长的平面铺在大地上, 所以可以考虑用很薄的长方体Box节点来代替单交叉路口。

然后在交叉路口上添加各种交通线, 如黄线、车道线、停车线及斑马线等, 同样是利用薄的窄的长方体Box节点来模拟。

2.2 实现交通信号灯、倒计时牌和指示牌的模拟

实现交通灯需要用一个长方体Box节点和球Sphere节点作模拟。

指示牌可用圆锥Cone节点和Box节点模拟箭头。

复杂的是倒计时牌, 每个数字由7根灯管的亮与不亮来实现。这7根灯管实际上是7个小长方体, 以下是一根灯管的的程序:

为了实现其亮与不亮, 可采用VRML中动画效果。使用TimeSensor节点来驱动动画效果。本仿真中的TimeSensor域中只设置CycleInterval和loop两个域值:CycleInterval, 表示时间传感器一个周期的时间长度, 以秒为单位;loop, 用于指定时间传感器在VRML空间中是否循环输出。

利用Positioninterpolator节点, 来改变灯管的位置, 使其亮时保持在原位置, 不亮时退后在牌里隐藏起来, 这样要计算好每个数字每根灯管的亮与不亮, 这是倒计时牌最复杂的地方。例如一个红绿灯红灯要亮30秒, 绿灯亮20秒, 黄灯亮3秒, 则要把一个周期分成55份, 就在key列表中列出55个时刻值, 根据这55个数字的每根灯管的亮与不亮, 来设置keyvalue对应于key列表的坐标值, 这样可实现每根灯管的动与不动。

对于红绿灯、倒计时牌和指示牌何时为红, 何时为绿, 何时为黄, 这就根据算法设计好的时间利用VRML的动画效果ColorInterpolator节点来实现。每个路口的这三者是一致的, 只有向左拐的路口只要不允许左拐就一直为红色, 将动画的时间安排好就可以实现了。

2.3 实现汽车的模拟

汽车模型用长方模型来代替, 用薄的圆柱模拟车轮。

要让汽车动起来一样要用VRML中的动画效果PositionInterpolator节点实现, 只是为了效果更逼真, 要设计好汽车的出发地点、等待地点、行使和停止。

2.4 实现场景模拟

仿真中的场景, 即天、地、周围的房屋、草地和树木, 是使用贴图的方式实现的。下面是贴图楼房的一段程序:

最后, 设置好模拟的视角, 就可以从各个角度观察单交叉路口的交通状况了, 如图1是俯视单交叉路口的效果。

3 结束语

通过使用VRML对单交叉路口的信号控制进行模拟, 可以直观地展现信号控制的优劣, 以及交通系统中存在的交通问题。因此, VRML这种虚拟现实建模语言为交通仿真提供了很好的平台。

参考文献

[1]TINGKAIWANG, SHANYU TANG AND PEIYUAN PAN.3D urban traffic system simulation based on geo-data[J].IEEE, 2004 (6) .

[2]毛保华, 杨肇夏, 陈海波.道路交通仿真技术与系统研究[J].北方交通大学学报, 2002 (5) .

[3]Wolfgang Krautter, Thomas B leile, Dietrich Manstetten, Thomas SchwabRobert Bosch-GmbH.Traffic Simulation with ARTIST[R].0-7803-4269-0/97//1998IEEE.