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1、交叉路口智能交通控制系统摘 要随着经济的发展，城市现代化程度不断提高，交通需求和交通量迅速增长，城市交通网络中交通拥挤日益严重，道路运输所带来的交通拥堵、交通事故和环境污染等负面效应也日益突出，逐步成为经济和社会发展中的全球性共同问题。本系统采用MSC-52系列单片机和可编程并行I/O接口芯片8279为中心器件来设计交通灯控制器，进行交通路口的管理。它用简单的硬件电路模拟交通信号灯的交替变换，实现红绿灯循环点亮，用LED数码管作为倒计时指示。本次设计中增加了车流量检测电路，运用模糊控制算法来自动调整红绿灯时间，实时的控制当前交通灯时间使LED显示器进行倒计时工作并与状态灯保持同步，在保持交通安
2、全的同时最大限度的提高交通能顺畅交替运行，大大提高交通运输的运行效率，还可以减少交通事故，节省能源消耗，具有巨大的现实意义。关键词：模糊控制；交通灯；车辆计数传感器；车流量目 录交叉路口智能交通控制系统I摘 要I1 绪论11.1问题的来源及背景11.2交叉路口智能交通控制系统的研究意义11.3国内外交通信号控制系统的研究现状21.3.1国外交通信号控制系统的研究现状21.3.2国内交通信号控制系统的研究现状41.4模糊控制理论及其在交通信号控制系统中的研究现状51.5本文主要研究的内容71.5.1.设计任务71.5.2.设计要求72模糊控制器的设计82.1模糊控制理论简介82.2模糊控制器的基
3、本结构和组成83硬件系统设计103.1总体方案设计103.2单片机控制器的设计103.2.1单片机的选型103.3键盘与显示电路设计163.4车辆计数传感器的选择203.4.1感应线圈车辆检测装置203.4.2波频车辆检测装置203.4.3热释电红外传感器213.5红绿灯电路234软件设计254.1主程序设计254.2 T0中断程序设计264.3 键盘中断程序设计274.4 显示子程序设计274.5模糊推理查表子程序设计294.6 车流量检测处理子程序设计30结论31参考文献32致谢331 绪论1.1问题的来源及背景本论文研究内容来自长沙市城区交通疏导工程项目。2008年至2010年是长沙交通
4、疏导工程的重点攻坚建设阶段，政府计划通过三年交通疏导工程建设达到提高城区道路交通通行能力的目的。实施交通疏导工程项目一方面是加强道路的建设和改造，另一方面是完善道路智能交通控制系统。车站北路交通疏导工程是长市第二期交通疏导工程中的重点工程，其位于长沙市芙蓉区，长沙火车站北边。车站北路车流人流非常大，经常堵车，影响了市民的正常工作和生活。特别是营盘路与车站北路相交的十字路口，经常造成堵车，是此次交通疏导工程的重点。工程完成后营盘路与车站北路交叉路口使用了智能交通控制系统，该控制系统具有实时适应协调能力、自感应智能控制、无线缆协调控制、降级运行等功能，车辆检测器能够自动检测路口车辆状态信息，送给路
5、口交通信号控制器，并通过通信传输到区域计算机。本文根据交叉路口交通信号控制系统的要求，采用车辆计数传感器以及单片机为核心的硬件电路，总结交通警察指挥交通的经验，运用模糊控制理论，实现了交叉路口交通信号模糊控制系统。1.2交叉路口智能交通控制系统的研究意义 智能交通系统是指人们将先进的信息技术、数据通信传输技术、电子控制技术、传感器技术以及计算机处理技术等有效地综合运用于整个运输体系中，从而建立起的一种在大范围内、全方位发挥作用的实时、准确、高效的运输综合管理系统。当前我国大多数城市的平均行车速度已降至20km/h以下，同时，由于车辆速度过慢、尾气排放增加，使得城市的空气质量进一步恶化。为缓解经
6、济发展给交通运输带来的压力，使现有资源发挥出最大的作用，我国政府加大了智能交通系统的研究和建设力度。采用智能交通系统的交叉口具有两大优点:首先，有效提高交通运输效益，使交通拥挤降低20%，延误损失减少10-25%，车祸降低50-80%，油料消耗减少30%;其次，对解决道路交通堵塞、减少财产损失、减少环境污染，增强交通安全性，合理利用土地与能源。交叉路口城市机动车辆的不断增加，使得车辆堵寨现象越来越严重，当前大部分城市仍然采用的定时控制十字路口交通灯的控制方法。交通控制就是确定交叉口红绿灯的信号配时，使通过交叉口的车辆延误尽可能小。传统的控制一般是采用模型控制或预先人为地设定多套方案，由于道路上
7、的车流量具有较大的随机性，所实施的相位控制也应随车流量的不同而相应变化，但是交通警察在实际的交通指挥中可以根据实际情况来控制交通，如果东西方向的车流量大，则其放行时间长;南北方向车流量小，则其放行时间短。模糊控制理论在交通系统中的应用模仿了交警的控制经验实现智能控制，可以使车辆等待延误时间最小，因此基于模糊控制理论的交叉路口信号灯控制系统的研究对解决交叉路口车辆堵塞有重要的现实意义。1.3国内外交通信号控制系统的研究现状早在十九世纪的工业革命时期，由于蒸汽机的发明，交通工具随之机械化和现代化，缺乏交通控制手段的城市道路、交叉利口等交通设施已难以负荷锐增的车流量和人流量。人们逐渐意识到交通信号对
8、城市通行能力的重要作用，并着手研究交通信号对车辆出入交叉口的控制。随着科技的飞速发展，以及交通规律和运行机理的深入研究，交通信号控制系统取得了飞跃性的发展。其发展方向可通过四个角度进行划分:从系统的控制范围来看，可分为单点信号控制、干道信号控制以及区域信号协调控制;从系统的硬件设备来看，其经历了机械控制、点击控制、电子控制以及计算机控制系统;从系统的控制方法来看，由最先的固定式信号控制，发展到感应式信号控制，再到自适应信号控制;从系统的配时方式来看，自原始的人工配时发展为以计算机脱机技术和计算机联机技术为主的智能配时阶段。1.3.1国外交通信号控制系统的研究现状 作为工业革命的发源地的英国首先
9、意识到交叉口在城市交通中的枢纽地位以及交通信号对交叉口通行能力的重要作用。1868年，英国的J.P.众Knight发明了一种红绿两色壁板式燃气信号灯，并将其运用于伦敦Westminster街口。这次创举标志着交通信号灯的问世。继英国之后，美国人在1918年发明了一种手动控制的三色信号灯，并安装在纽约街头使用，这就是现代交通信号灯的雏形。 汽车行业的迅猛发展，传统的手动控制信号灯已难以满足交叉口的通行需求。人们开始通过其他工程领域的技术方法改进交通信号的控制问题。英国人于1926年设计了一种机械式交通信号灯，并安装在wolfverhampton街口使用。该信号灯结构简单，通过对红绿灯单时段定周期
10、的切换实现车辆通行控制。这种机械式红绿灯在历史上首次实现了对交通信号的自动控制，标志着城市交通控制系统的诞生。1928年，美国成功试制了世界上第一台感应式信号机，首次将检测器应用于交通信号控制系统中。随着对道路交通、交叉口通行规律的深入研究，人们意识到对各个交叉口的孤立控制违背了城市交通系统的整体性，与车流在交通系统中时空连续性相矛盾。美国于1917年提出了世界上第一个干道信号协调控制系统，该系统在盐湖实施运用，可同时控制6个交叉口的交通流动。但是，该系统仍然是属于手动控制范畴。1992年，美国休斯顿市采用了一种可控制12个交叉口交通信号系统，它通过电子自动计时器对所有的交叉口进行联动控制。自
11、此，交通信号控制系统在美国蓬勃发展起来。感应技术以及电子计算机的发展给交通信号控制系统注入了新的活力。美国丹佛市在1952年将模拟电子计算机引入交通信号控制系统中。该系统通过车辆控制器感应交叉口车流量，并传递至控制中心，利用模拟电子计算机进行数据处理并调节交叉口信号。这种系统一经面世就在美国得到了广泛关注，十年期间就建立了一百多个类似的系统。二十世纪六十年代，世界各国纷纷开始研究针对大范围的区域交通信号协调控制系统，根据各交叉口车流状况建立数学模型，模拟各种交通状况，并优化信号配时问题。1960年，加拿大将数字电子计算机应用于多伦多市的区域交通信号控制，这是世界上第一个中心是交通信号控制系统。
12、1963年，该系统可控制20个交叉口，经过十年的改进，其升级为可控制885个交叉口的大型交通信号控制系统。加拿大的大型城市交通信号控制系统的运行成功促使了世界各大城市建立了类似的城市道路中心式交通控制系统。1966年，英国交通道路研究所研发了一种交通网络研究工具TRANST系统，该系统程序主要包含两个部分:其一，交通模型，模拟在红绿灯控制下的车辆行驶状况，并用于交通网络运行指标的计算;其二，优化过程，调节信号配时方案以达到运行指标最优状态。TRANST系统是一种离线配时的交通信号控制方法，该类方案的交通信号控制系统还有MAXBAND、PASSER等。传统的交通信号控制均采用了离线配时的控制方式
13、。这类方式虽然操作简单、可靠，但是随时跟踪交叉口的车流变化，容易导致绿灯空、红灯时间过长等问题。因此，交通信号的实时在线控制应运而生，其核心为:采用车辆检测器实时采集交叉路口车流数据，根据采集的数据在线优化信号配时参数。近几年，欧盟、美国和日本开展的大型ITS研发计划反应了车路一体化的发展趋势。欧盟于2006年提出了合作性车路基础设施一体化系统，该计划耗资4400万欧元，主要目的是涉及、开发和测试为了实现车辆之间通信以及车辆与附近的路边基础设施之间通信所需的技术，旨在提高旅客和货物的移动性以及道路交通运输系统的效率。美国交通部2009年启动了IntelliDrive计划，研究内容主要覆盖了车载
14、通讯及其安全应用等方面，为美国实施下一代ITS的重要战略目标打下基础。日本政府目前正在着手研发SMARTWAY智能交通系统，计划用5年的时间在重要道路上覆盖路况认知传感器、构建智能汽车系统、智能道路系统、车路间协调系统，实现交通信息的实时发布。1.3.2国内交通信号控制系统的研究现状相对于我国城市快速增长的交通需求，我国交通基础设施发展较为缓慢。因此，如何在现有的交通设施的条件下，采用合理的交通控制手段，保证交通的畅通运行是我国交通信号控制领域的研究目标。二十世纪八十年代，我国引入了交叉口信号控制系统的概念。该领域早期的研究方向定位于定时控制，通过建立精确的数学模型反应交叉口交通状况，并根据模
15、型确定信号配时方案以及绿信比等信号控制参数。随着城市交通的发展，定时控制方式的缺陷逐渐暴露。由于信号相位、配时方案等参数既定，不能跟随交通量的变化，导致交叉口常存在绿灯方向无车辆通行，而红灯方向等待车辆较多的情况，降低了通行率。目前，我国交通研究者侧重于感应式信号控制方式，并结合智能算法，自适应调节交叉口信号，以期合理分配交叉口交通流，减小延误率。模糊逻辑算法在交通信号控制系统中应用较为广泛。1992年，徐冬玲设计了一种由神经网络算法优化的模糊控制器控制单路口信号灯的变化。该方法中，给定了绿灯最短时间，并且通过检测器检测绿灯方向的等待车辆，模糊控制器根据等待车辆调节绿灯的延长时间并决定是否切换
16、相位。相对于PapPis等人的控制方法而言，该方法具有更快的控制时间，使得路口每秒通行车辆得到明显改善。沈国江等人采用模糊神经网络控制方法，并根据分散控制的原则对整个城市区域的交叉口信号灯进行控制。该方法根据相关交通状况划分为许多子区域，这些子区域中的交通信号控制系统作为子系统构成了整个城市的交通信号控制系统。文中根据分散控制的原理，对每个交叉口建立一个模糊神经网络控制器，分别进行优化控制，而相邻的交叉口的信号周期相互平衡。文中对杭州市的某区域作为对象进行仿真，其仿真结果表明采用这种区域划分协调控制的信号控制方法能有效改善该区域内交叉口的交通状况。1997年，陈洪和陈森发提出了一种多级模糊控制结
