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基于d s p 的交通信号控制机的研制 摘要 随着城市化进程的加快，道路交通拥堵问题越来越严重，迫切需要解 决，因此城市道路交通控制技术己成为当前控制领域和交通工程领域的研 究热点和难点之一。针对南宁市现有的交通信号控制机的价格昂贵，不同 种类信号机的通信协议不兼容，开发了一个实用、可靠、价格合理的交通 信号机。 本文在对现有的交通信号控制机的性能、价格等进行比较的基础上， 结合d s p 的优点，提出了基于d s p 的交通信号控制机的具体实现方法，给 出了详细的硬件、软件设计。 介绍了国内外当前的交通控制系统的研究成果并分析了其优缺点；分 析了两种实用的路口信号控制方法：定时控制、感应控制；给出了以 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 为核心的硬件设计、软件设计以及可靠性设计；分析了该系统 的网络协调控制功能。 最后，选用定时控制方法制作了样机。目前实现了定时、多时段控制 方式，预留了联网和智能化控制接口。 关键词：交通控制d s p g p r s r e s e a r c ha n dd e v e m e n to ft r a f f i c s i g n a lc o n t r o l l e rb a s e do nd s p a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ec i t y , t h ep r o b l e mo fu r b a nt r a f f i cc r o w d i n gw a s m o r es e v e r i t y , w h i c hr e q u i r e ds o l v i n gu r g e n t l y s o ，t r a f f i cc o n t r o lt e c h n i q u ef o r u r b a nr o a d w a yi sa l li m p o r t a n tt o p i ci nc o n t r o ld o m a i na n dt r a f f i ce n g i n e e r i n g d o m a i n a i m i n ga tt h ed e f e c t so f t r a f f i cs i g n a lc o n t r o l l e rc o s t l i n e s si np r i c ea n d u n c o m p a t i b l e dw i mo t h e rt y p e t r a f f i c s i g n a l c o n t r o l l e r sc o m m u n i c a t i o n p r o t o c o ls i g n a lc o n t r o l l e ra tn a n n i n gc i t y , al o w - c o s t , e a s y - t o - u s e ，r e l i a b l e t r a f f i cs i g n a lc o n t r o l l e rw a sd e v e l o p e d i nt h i sa r t i c l e ，o nt h eb a s i so ft h ec o m p a r i s o no fp r i c ea n df u n c t i o no n c u r r e n td i f f e r e n tt r a f f i cs i g n a lc o n t r o l l e r , i tc o m b i n e dt h ee x c e l l e n c eo fd s p , t h e i m p l e m e n tm e t h o do ft h et r a f f i cs i g n a lc o n t r o l l e rb a s e do nd s pw a sp u t f o r w a r d ，m e a n w h i l e ，t h ed e t a i l e dd e s i g no f h a r d w a r ea n ds o f t w a r ew a gg i v e n t h ef r u i t so fc u r r e n td o m e s t i ca n do v e r s e a st r a f f i cs i g n a lc o n t r o l l e rw a s i n t r o d u c e da n da n a l y z e d ，t i m i n gc o n t r o la n dt h ei n d u c e dc o n t r o lw e r e a n a l y z e d 1 h e yw e r ep r a c t i c a lt r a f f i cc o n t r o lm e t h o d s t h eh a r d w a r ed e s i g nw i t h t h et m s 32 0 f 2 812a st h ec o r eu n i t ，t h es o f t w a r ed e s i g na n dt h er e l i a b i l i t y d e s i g nw e r ed i s c u s s e d ，t h en e t w o r kc o o r d i n a t i o nc o n t r o lf u n c t i o nw a sa n a l y z e d a tl a s t ，t h ep r o t o t y p eo ft h et r a f f i cc o n t r o l l e rw i t ht i l i l i n gc o n t r o lw a sa c c o m p l i s h e d t h et i m i n gc o n t r o la n d d i f f e r e n tp e r i o d st i m i n gc o n t r o lw a sr e a l i z e da t p r e s e n t ，a n dt h ei n t e r f a c ef o rc o n n e c t i n gn e ta n di n t e l l i g e n t i z e i n gc o n t r o lw a s s e ta s i d e k e yw o r d s ：t r a f i i cc o n t r o l ；d s p ；g p r s i i i 广西大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的成果和相 关知识产权属广西大学所有，本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本论文 的研究内容。除已注明部分外，论文中不包含其他人已经发表过的研究成果，也不包含 本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研究工作提供过重要帮助的个人和集 体，均已在论文中明确说明并致谢。 论文作者签名：砌锄嗲 学位论文使用授权说明 矽以年歹月猡日 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本： 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间： ( 面时发布口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 论文作者签名：杨铂夸导师签 d 3 年多月疗日 基于d s p 的交通信号控制机的研制 1 1 选题的背景和意义 第一章绪论 随着城市化进程的加快、汽车交通运输的发展，人、车、路三者关系的协调、交通 拥挤问题已成为交通管理部门所面临的重要问题，有效的解决该问题的方法有两个：一 扩建或新建道路、修建立交桥、专用车道、行人过街天桥等从空间上将相互冲突的车流 分开，这由于占用土地等原因受到限制；二建设一系列的交通控制设施，如交通信号 控制机( 以下简称为信号机) 、道路标识、交通指挥中心等，以改善道路的交通环境， 提高交通的顺畅性，缓解交通拥挤状况。使用交通控制设施得到人们的广泛使用并已取 得了一定的成果，其中信号机可以最大限度地提高道路的使用效率，保证城市道路畅通 的有效的控制措施【1 1 1 2 1 1 3 1 。 信号机是智能交通控制的一个核心关键技术。南宁市1 9 9 7 年引进西班牙i t a c a 系统， 建成部分道路交通管理现代化系统。但是该系统在使用中有些不足：1 t a c a 系统和现有 的其它网络不能兼容，该系统的信息资源不能共享于其它的信息系统，现有的其他信息 资源不能整合到该系统：i t a c a 系统不能使用非该系统供应商提供的交通信号控制机( 该 系统供应商提供的信号机价格昂贵) ；该信号控制机在使用中遇到维修不方便，有技术 问题不能得到该厂商的及时支援；信号控制机的连接采用有线连接，随着南宁市城市的 发展，有许多的道路施工造成线缆连接的中断或缆线的铺设进程跟不上道路的铺设进 程，造成交警使用不方便，因此需要对现有的交通信号控制机进行升级改造。 通过对现有交通信号机的改造升级，使信号机的价格下降，便于多安装交通信号机 提高南宁市交通的安全性，提高南宁市的交通基础设施。广西的许多县城都没有安装足 够的交通信号机，改造后的信号机由于价格低的优势可以在广西的一些县城推广使用， 改善当地的交通状况。升级改造后的信号机采用g p r s 无线联网，有效的借助中国移动的 网络，替代了现有光缆的使用，弥补光缆的铺设跟不上城市建设发展的不足。使用改造 后的信号机可以组成一定的网络，运行一定的配置方案，方案的确立借助现有的系统软 件生成。交通信号控制机的改造升级完成后为交通基础设施的建设产生一定的经济效 益。 基于d s p 的交通信号控制机的研制 1 2 国内外交通信号控制机的现状 从理论上讲，一个理想的交通控制系统是基于实时交通量变化的，也就是交通控制 的策略是随着交通流量的变化而采取不同交通控制方法。自从采用信号灯对交叉口实行 控制以来，交通专家一直就在寻找对单个交叉口、整条线路以及整个区域的交通流的控 制，以实现均衡整个区域的交通流，使得交通流畅通，从而使得车辆在整个区域的行驶 安全、舒适、畅通。国外一些发达国家对交通控制机的研究投入大量的人力、物力，取 得了一系列成果。比较成功的有t r a n s y t ( 英国) 、s c 0 0 t ( 英国) 、s c a t s ( 澳大利亚) 。 ( 1 ) t r a n s y t h l 交通网络研究方法t r a f f i cn e t w o r ks t u d yt o o l s ( 简称t r a n s y t ) 系统：t r a n s y t 系统是由英国道路研究所研制而成的。自从1 9 6 8 年第一版问世以来，经历 不断改进，已经发展到先进的t r a n s y t - 8 0 系统，采用脱机预测确定控制参数，再上机控 制，即“静态模式 。t r a n s y t 是离线优化软件系统，以平均延误时间、停车次数、排 队长度最小为系统控制目标。 ( 2 ) s c o o t 嘲蚴系统一绿信比、周期和相位差技术s p l i tc y c l eo f f s e t o p t i m i z a t i o nt e c h n i q u e ( 简称s c o o t ) 系统是由英国道路研究所在t r a n s y t 系统的基础上 采用自适应控制方式，经过八年的研究于1 9 7 5 年提出的动态交通信号控制机。s c o o t 仍 采用了t r a n s y t 的交通模型，吸收了t r a n s y t 各方面的优点，并因s c o o t 的实时控制，获 得了明显优于静态系统的效果，被很多国家采用。其不足是：交通模型的建立需要大量 的路网几何尺寸和交通流数据，因而费时费力：绿信比的优化依赖于对饱和度的估算， 并且以小步长变化对其进行调整，因此有可能不足以及时响应每个周期的交通需求。 ( 3 ) s c a t s 口1 悉尼协调自适应交通理论s y d n e yc o r d i n a t e da d a p t i v et r a f f i c s y s t e m ( 简称s c a t s ) 系统是澳大利亚于7 0 年代末开发的。s c a t s 系统采取分层递阶的控制 结构，充分体现了计算机网络技术的突出优点，结构易于更改，控制方案容易变换。不 足是：该系统未使用交通模型，本质上是一种实时方案选择系统，因而限制了配时参数 的优化程度；另一不足是，因检测器安装在停车线处，难以检测车队的行进，故相位差 的优选可靠性较差；过分依赖计算机硬件，移植能力差。 目前我国采用的国外的城市交通控制系统使用中出现了一些问题： 1 不适合我国的国情 首先这几个典型的交通控制系统软件都是由国外开发的，而国外的城市交通组成和 我国的城市交通组成有很大的差异。它没有充分考虑到我国的交通特色：车型种类繁杂、 2 广西大掣强炙士掌位论文 基于d s p 的交通信号控制机的研制 混合交通严重，自行车等非机动车数量惊人j 城市布局和交通不相适应等。这就需要我 们开发适合我国国情的交通控制系统软件。 其次t r a n s y t 是离线优化系统，s c o o t 和s c a t s 是在线实时优化软件系统。这 三个系统都是以数学模型为基础，采用数学模型本身就是对现场情况的近似，在实际的 交通控制现场中，影响交通流的有很多因素，这三个系统的配时算法的现场都是国外的 环境和我国使用环境有很大的差别，这就造成了三个系统的配时算法不适合我国交通的 实际情况。j 2 开放性差 国外的系统都是交通信号控制专用系统，通讯协议基本不开放，所以开放性较差， 难于和其他系统连接和兼容控制。 国内的研究晚些，主要有：西北工业大学空中交通管理研究所研制与开发的x a t m 系 列智能交通信号控制系统、深圳市英特利信息技术有限公司开发的a r g u s 交通信号控制 系统、杭州美伦电声有限公司开发的m l - t c 0 4 交通信号机、哈尔滨新中新电子股份有限 公司的2 0 0 0 - 1 智能交通信号控制机，青岛海信网络科技股份有限公司h s c - 1 0 0 型信号 机等。 1 3 交通信号控制基本理论 城市道路交通控制主要指交叉路口的信号灯控制。城市交通信号控制系统从时间上 将相互冲突的车流量分开，通过设置交通信号机，对交通信号控制方式和控制模式进行 设定，通过对信号灯的配时、配色对不同时刻不同交通需求给予不同的通行权，将相互 冲突的车流分离。最为常用的原则是保证车辆在路口的通过量最大或车辆在路口的延误 最小。 1 3 1 基本控制参数 交通信号控制机是能够改变道路交通信号顺序、调节配时并能控制道路交通信号灯 运行的装置。使用信号机的目的是与交通量相适应，通过用时间比分配给相互交错的交 通流通行权，以形成畅通且有秩序的交通流。交通信号控制基本参数包括周期长度 ( c y c l e ) 、绿信比( s p l i t ) 和相位差( o f f s e 0 。控制系统就是通过调整和确定各路口在各车流 方向上的基本参数值，达到对交通流最佳的疏导与控制8 3 伪m 帕。 广西大掌硕士掌位论文基于d s p 的交通信号控制机的研制 1 周期长度( c y c l el e n g t h ) ：信号灯变化一个循环所经历的时间等于绿灯、黄灯、红 灯时间之和简称周期，单位为秒，用c 表示 c = g + y + r ( 1 一1 ) 其中： 卜周期长度( 秒) e 一绿灯时间( 秒) y _ 一黄灯时间( 秒) r - 一红灯时间( 秒) 信号周期长度的大小取决于被控交叉口的交通流特性和所采用的控制方式，是在点 控制定时信号时决定交通效益的关键控制参数。一般来说，交叉口饱和度越高则周期越 长，饱和度越低则周期越短。但信号周期若设置过短，就会对行车安全不利。一般规定 最低限度取3 6 秒，同时，考虑到信号周期加长到超过某一限额之后，通行能力的增长便 趋于停滞，而车辆延误却骤急速增长，因此在实际中最大的周期长一般不超过1 2 0 s ，多 相位控制时不能超过1 8 0 秒。黄灯时间，英国规定为4 s ，美国规定为3 5 s 。一般根据交 叉口的驶入车速而定，车速高则长、车速低则短。 2 信号相( p h a s e ) ：在一个周期内，交叉口上某一个或几个交通流所获得的通行权称 为信号相。在一个周期内，有几个信号相，则该信号系统就称为几相信号系统。所有信 号组的总和称为信号序列或信号相位序列，它实际上是在周期时间内，对一支或几支交 通流按顺序发出同步同色信号显示的序列。一般相位越多，交通安全性越好，但交叉口 的利用率越低。所以在确定交叉口相位时，应兼顾交通安全和交通效率的双重要求。 3 绿信比( s p l i t ) ，在一个信号周期中，有效绿灯时间分配给各个信号相的情况，常 用入表示。一相信号的绿信比等于该相信号的有效绿灯时间与周期长度之比。 绿信比的实用计算公式： 入= g 伦 ( 1 - 2 ) 4 相位差( o f f s e o t l l 】【1 2 1 ：是信号系统协调控制中的一个重要概念。一般有两种定义 方式： 绝对相位差一在一个协调信号系统中，以某一个信号为基准信号，其它各信号的 绿灯起始时间滞后于基准信号的绿灯起始时间的最小时间差，称为绝对相位差。 相对相位差i 在一个协调信号系统中，沿车辆行驶方向任意两相邻信号的绿灯起 始时间之差，称为相对相位差。 4 基于d s p 的交通信号控制机的研制 1 3 2 基本的交通控制方法 单路口的交通信号的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， 其控制的目标是合理的信号配时，消除或减少各向交通流的冲突点，同时使车辆和行人 的总延误时间最小。单路口的交通信号控制主要分为定时控制、感应控制、自适应控制。 其中定时控制和感应控制【1 3 】【1 4 1 是基本的交通控制方法。 1 定时控制 根据交叉路口历史交通量数据预先确定控制参数如周期、相位、绿信比，控制交通 信号灯的运行，是实际交通中可以实现的一种最基本控制方式。 ( 1 ) 定时控制的配时设计 对单路口的信号控制来说，评价其配时方案是否最佳的主要指标有延误时间、通行 能力和交通事故次数等。显然，延误时间是驾驶员最关心的指标，而且也容易折合成经 济指标。韦伯斯特经反复测算，给出了计算最佳周期的近似公式 c o = 1 5 l + 5 0 - 3 ) 一一 1 一y 式中，l 为每个周期总的损失时间，y 为交叉口交通流量比。 现在考虑l 和y 的计算方法。设一个周期有i r 个相位，第i 个相位的损失时间为b ， 全红时间为t i i ，则总的损失时间l 为 一 l = ( 1 t + t 一) i - i 交叉口交通流量比按下式计算 ( 1 - 4 ) 打 y = e y i y i - - q s ( 1 5 )、， i = l yt 为第i 相信号临界车道的交通流量比。所谓临界车道是指每一信号相位上，交通量最 大的那条车道。qi 和s i 分别为第i 相信号临界车道的交通量和饱和流量。 在实际应用中，即使按上述公式算出c o ，也还需要到现场进行试验调整。韦伯 斯特的试验研究表明，当周期在0 7 5c o 至1 5c o 的范围内变动时，延误没有明显地增 加。因此还要根据现场的实际情况，选定合适的周期长度。当交通量很小时，按式0 - 3 ) 求得的c o 值将很小，这意味着各个相位的绿灯时间会很短，这显然对行车安全是不利 的。因此，要规定一个最短信号周期的限值，该值一般取各相位最短绿时的和再加上过 - 西大掌硕士掌位论文 基于d s p 的交通币i r 号控制机的研制 渡时间( 通常指黄灯和全红时间) 。另一方面，当信号周期长度超过某一限值后，通行能 力的增长便趋于停滞，而车辆延误时间却骤然上升，因此也要规定最长信号周期的限值。 通常以2 0 0 s 作为最佳周期的上限值【1 5 】【1 6 1 。 周期长度确定后，各相位的绿灯时间应按各相位l 临界车道的交通量作正比例分配。 由最佳周期的近似计算式( 1 3 ) 可知，交通信号灯的最佳周期是随交通流量变化的。而现 实应用中，交通信号灯的周期是固定的，这种定周期的交通信号灯的周期在一天交通流 量变化不大的路口可以得到较理想的效果。 ( 2 ) 多时段定周期控制 周期长度及各相位的绿时是与交叉口的交通量密切相关的，然而，交叉口各方向的 交通量不是一成不变的，一天中往往呈现几个明显的“高峰一交通流，如上下班期间。 通过交通调查可以确定每日交通量按时间段的分布情况，从而可以进行多时段信号控 制，即：把每天分为几个时段，每个时段内的交通量基本不变，因此可以计算出每个时段 的周期长度及各相位绿时，于是，其配时方案就确定下来，交通信号机根据实时时钟自 动进行方案的切换。 把交通信号灯的周期在一天之内分为多个时段，让其随时间的变化而自动变化，则 可以解决信号灯周期与交流流量变化的矛盾。 ( 3 ) 定时控制的优点和不足 1 定时控制的适用范围及其优点： ( 1 ) 定时控制适合于交通流量饱和，或交通流量变动模式基本固定，并可以预测的 情况。 ( 2 ) 固定配时方案的优点在于方便执行，对控制系统的硬件要求简单。由于路网上 各个交叉口的信号配时参数都是预先确定的，故不必在执行中根据实时交通状况作任何 调整，也不需要采集实时交通数据和反馈，所以系统设备投资及运营费用均较低。 ( 3 ) 定时控制因信号启动时间可取得一致而利于同相邻交通信号协调，特别是要联 结几个相邻交通信号或一个信号网络系统： 2 定时控制的不足： 因为定时控制的配时方案是预先确定的，并且一经确定，就不能根据实时交通情况 作灵活调整，所以该方法存在以下的弊端： ( 1 ) 没有实时交通信息 固定配时控制系统是没有任何关于路网上实时交通状况信息反馈的，对交通需求的 6 广西大掌硕士墩位论文 基于d s p 的交通信号控制机的研制 随机变化是无法响应的这是固定配时控制系统的这一弊端，不仅限制了它的灵活性，也 给交通规划和交通管理工作带来一定的困难。当某条路段的车流量很大时却要等待红 灯，而此时另一条是空道或车流量相对少得多的道却长时间亮的是绿灯，这种多等少的 尴尬现象是未对实际情况进行实时监控所造成的，不仅让司机乘客怨声载道，而且对人 力和物力资源也是一种浪费。 ( 2 ) 配时方案的老化 在交通控制中所有固定配时系统，他们的配时方案都是根据历史性交通资料，事 先经过脱机计算建立起来的。但是，路网上交通状况：车流量的分布，流量大小及流向， 总是不可能长期维持某一固定的模式。路网布局的变化，土地使用状况的变换，车辆的 增长，新的交通设施出现以及交通管理对策和方式的改变等等，都必然会影响路网上交 通状况的明显改变。这些都意味着原来的配时方案所适应的特定交通状况不复存在，那 么这套配时方案优越性自然也就随之消失，因此需要花费大量人力和物力去做交通调查 和分析。在交通道路快速发展，城市化的进程加快的情况下，这种交通调查和配时方案 的更新工作可能每年都要进行，甚至一个新的配时方案尚未建立起来就己经过了。 由于上述原因，固定配时系统的应用受到一定程度的限制，它只适用于交通状况变 化不是很大的地方。 ( 3 ) 控制策略的灵活性较差 固定配时方案一经建立并实施运行，就不能自动调整和更改。因此当道路上发生 的一些意外事件如交通事故、恶劣的天气等造成严重的交通阻塞，固定配时控制系统不 能随机应变地自动作出灵活反应，也不具有对临时出现的局部路网拥挤阻塞的自动疏导 功能。 2 感应控制 感应控制是根据路口实际情况设置若干交通流量检测，检测各方向进入路口的交通 流量，将检测结果送控制器进行自动优化处理，然后依据处理结果对路口交通信号实时 控制n 刀。感应控制的基本原理是：路口四面无车时，控制器运行最小绿灯时间( 机动车 通过停车线至驶出路口所需的平均时间) ；一个方向有一部车通过时，控制器为该方向 提供绿灯。_ 个方向连续有几部车通过时，且冲突方向无车通过时，控制器为该方向提 供绿灯并不断追加最小绿灯时间直至最大绿灯时间；若冲突方向同时有车时，控制器按 各方向的优先级提供绿灯，并启动相应的最大绿灯计时器，绿灯持续到最大时间时，绿 灯结束。当路口流量饱和时，控制器按最大绿灯周期运行或调用控制器内预置的配时方 7 广西大掌硕士掌位论文基于d s p 的交通信号控制机的研，触 案运行。因此该控制方式在一定程度上克服了定时控制的不足，它依赖现场检测的实 际交通状况，以实时检测的交通数据为依据来确定信号绿灯时间，因而能适应交通流的 随机变化，对于交通流量变化大且无规律的路口，这种控制方式特别有效。从控制的实 时方式来医分，感应控制可分两种1 ) 半感应控制，即在一个十字交叉口，只在次要道 路的入口道设置检测器来进行交通控制，2 ) 全感应控制，即在交叉口的所有入口道均 设置检测器来进行控制。 ( 1 ) 半感应控制 半感应控制对一个十字交叉口来说，只需在次要道路的两个入口道设置车辆检测 器，主干道通行的信号相称为非感应相，而次要道路获得通行权的信号则称为感应相。 次要道路获得绿灯必须具备两个条件：检测器检测到车辆到达：主干道最小绿灯时间已结 束。感应信号相( a p 次要道路通行相) 设置初始绿灯时间、单位延续绿灯时间和最大绿灯 时间。当次要道路获得通行权所需要的两个条件均具备时，信号机首先给该信号相一个 初始绿灯时间，以使到达的车辆通过交叉口，如果此后再无车到达，初始绿灯时间一结 束，通行权又将转移到主干道；如果在初始绿灯时间内又检测到有车辆到达，则次道绿 灯将延长一个单位延续绿灯时间。直到累计时间达到最大绿灯时间。此后，即使次要道 路绿灯不再延长，绿灯信号将转移到主干道。半感应控制特别适合交通流量相差较大的 两相信号交叉口( 孤立交叉口) ，也常用于主干道协调控制系统中n 町啪m u 。 半感应控制的流程图如图1 - 1 ，其配时的主要参数有： ( 1 ) 主干道最小绿灯时间，由交叉口的交通条件来确定； ( 2 ) 次干道初始绿灯时间，总与检测器到停车线的距离有关，当然也还与检测器与 停车线间的道路空间可容纳的车辆数目有关； ( 3 ) 次干道单位延续绿灯时间，两种定义：a 对于车辆检测器与停车线间距离较大的 交叉口，单位延续绿灯时间就是车辆从检测器行驶到进入交叉口所需时间；b 当检测器 与停车线间距离很小时，单位延续绿灯时间时绿灯信号期间驶近交叉口的车队相邻车辆 的最大空间时距： ，( 4 ) 次干道最大绿灯时间。最大绿时通常取3 0 _ _ 6 0 s ，具体要根据路口的交通条件定， 也可以通过定时控制计算最佳周期长度的方法估算，即先算出一个参考周期长，然后再 计算分配给次干道感应信号相的绿灯时间，最后将这这一时间乘以1 2 5 一1 5 的系数，即 得到次干道最大绿时。 主干道信号相必须设置黄灯时间和全红时间，确保交叉口上的交通安全。当半感应 8 广西大擘硕士学位论文基于d s p 的交通信号控制机的研制 控制方式用于协调信号系统时，其周期长度是固定的( 由于车辆到达检测器的时间是随 机的，所以最大绿灯时间与最大一个单位延续绿灯时间一般不可能同时终止，有的控制 器具有提前终止绿灯信号的功能，即最大绿灯时间的终点是浮动的，它总以最后一个单 位延续绿灯时间的终点为终点。 图1 1 半感应控制运行框图 f i g 1 1c h a r to f t h eh a l f - i n d u c e dc o n t r o l ( 2 ) 全感应控制阎瞄】f 2 4 】 全感应控制方式下它所控制的交叉口的所有入口道都设置车辆检测器，各信号相都 设置初始绿灯时间，以保证该相入口道上等待通行的车辆进入和通过交叉口。各信号相 的初始绿灯时间就是该相的最小绿灯时间。各信号相的绿灯时间均可按单位延续绿灯时 间延长，直到达到最大绿灯时间为止。每一相的黄灯时间和全红时间都是预先确定的。 全感应控制的绿灯信号不能自动地返回到某一信号相，要想使信号返回到某一信号相就 必须使用特殊的复位开关。全感应控制的配时，将半感应控制中感应信号相的配时参数 的确定方法应用于交叉口每一信号相，就得到全感应控制的配时。但是，需要注意，各 信号相的配时参数是不尽相同的，尤其是各相单位延续绿灯时间，需要根据实际情况作 适当调整。上下班时，行人自行车多，经常抢道，致使机动车减速；路口为上坡道时， 9 广西大掌硕士掌位论文基于d s p 的交通信号控制机的研制 夜间路口灯色暗淡，车速减慢；以上情况均可将单位延续时间加大。路口两个方向流量 悬殊，为照顾主干线车辆少停，可把次干线单位延续绿灯时间减少。路口不能分道行驶 而右行车较多的干线，也可适当增加干线上的单位延续绿灯时间。单位延续绿灯时间， 其修正值上下变动大约1 秒，不可过大，否则会适得其反或一方畅通而一方受堵。 ( 3 ) 感应控制的优点和不足 1 感应控制的适用条件及其优点 ( 1 ) 主要适用于路口在非饱和交通流量情况下的交通信号控制，以提高路口的通行 能力，减少机动车辆通过路口的绿灯延误。在交通量变化大而不规则、难于用定时控制 处置的交叉口以及必须降低对主要干道干扰的交叉口上，用感应控制效益更大，特别适 用于交通只在一天的部分时间里需要信号控制的地方； ( 2 ) 半感应信号通常适用于主次道路相交，主干道远大于次干道车流，只在次路有 车辆和行人时才中断主路车流的交叉口上： ( 3 ) 感应控制在交通强度较小的交叉口有其优势，减缓滞流现象，也不会出现空道 占时的情形，随交通流的变动采用不同的控制，提高了公路交通通行率； ( 5 ) 感应控制在有几个流向的交通量时有时无或多变的复杂交叉口上，可以得到很 大效益； 2 感应式控制的不足 感应式控制只适用于交通流量没有达到其饱和量的交叉口，如果交叉口的交通流量 已经达到其饱和流量，则感应控制意义就不大了。为检测各进口道需装线圈等检测器， 需要的投资、维修费用高，且适用饱和度较低的交叉口。饱和度高时，绿灯时间分配无 多大余地，无异固定配时。过去这种感应控制多用于单个交叉口独立控制，车辆全程行 驶的连续性得不到保证。针对定时控制和感应控制的特点，将两种控制方法相结合是可 以充分利用两种控制各自的优点，这也是单交叉口感应控制研究的一个方向。 1 3 3 信号控制常用的性能指标 交通信号控制的目的是要使单个交叉口或交通网络获得良好的交通效益。常用的交 通效益指标有延误时间、排队长度以及通行能力【2 5 】等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。 ( 1 ) 延误时间 l o 基于d s p 的交通信号控制机的研制 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。在信号化交叉路口，交通流的延误由两部分构成：随机与过饱和延误、 一致延误。前者是由交通流到达的随机性以及交通流饱和度大于l 时出现超载所引起 的。一致延误是交通流均匀到达但由于红、绿信号灯交替变化而引起的额外的延误。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 ) 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最长的长度平均值。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l 。 抖 云= l i ，l l ( 1 - 6 ) 式中n 一车道数量 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。 ( 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。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没有多大意义。 1 4 研究内容 针对信号机是一个运行控制算法的平台，需要运行配时算法，如模糊控制算法、遗 传算法等对周期长，相位差，绿信比进行实时优化。所以应具有很强的数据运算处理能 力，结合d s p 在算法上的优点，选择以d s p 为交通信号机的控制单元。研制的基于d s p 的 交通信号控制机要求能够实现多时段的定时控制，具有操作方便，可以无线通信等功能。 具体工作有以下三点： l 信号机的硬件设计，软件设计及可靠性的设计； 2 分析信号控制机联网功能，以无线联网g p r sp x 5 0 0 1 模块为例，给出了使用的具 j - - 西大掌硕士掌位论文 基于d s p 的交通信号控制机的研制 体设置和调试： 3 信号机硬件的制作，软件的调试及集成。 1 5 本章小结 介绍选题的背景和意义；概述了国内外的交通信号控制机及存在的问题；介绍城市 交通控制系统的基本控制参数和常用的性能指标；分析了两种基本的信号控制方法：定 时控制、感应控制的优缺点； 提出了基亏：d s p 交通信号控制机研制的主要任务。 基于d s p 的交通信号控制机的研制 第二章基于d s p 的交通信号控制机硬件设计与实现 2 1 信号机硬件总体分析 根据对现有交通信号机的分析，针对出现的问题，采用现有成熟的技术，可以实 现信号机的功能，简化系统的设计，提高可靠性，降低使用的成本。信号机是运行以上 控制算法的平台，要求具有很强的数据运算处理能力，能独立完成单交叉口交通流的数 据采集、处理并生成控制方案，将控制方案实时的在路口输出，可以在一定范围内独立 处理单路i i 的紧急交通事务嘲。 结合d s p 的特点，采用t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 系列的d s p 作为交通信号机的核心控制芯片。由 于d s p 是快速运行的芯片，所以它和外围低速设备的连接需要一个缓冲，一般采用输入 输出缓存或c p l d 实现该功能。要使核心控制芯片能够实现交通控制的功能，需要连接一 些辅助的芯片，如一个外接的存储器，液晶显示驱动芯片等。对于通信问题，采用有线 连接和无线连接两种方法，有线连接可以利用现有的网络，无线连接可以解决有线连接 的不足。无线连接的技术有蓝牙，g p r s ，红外等，针对信号机的使用特点，采用g p r s 技 术可以满足交通信号机的无线通信。在本设计中采用g p r s 模块p x 5 0 0 1 ，需要设定工作模 式( c o n s t a n to n l i n e 、i d l eo f f 、i d l ed o w n ) 、串口参数( 包括波特率、停止位、 数据长度、停止位、校验类型) 、网络参数( 包括数据中心数量、主数据中心i p i 主数 据中心域名、主数据中心端口号) 等。 2 2 信号机硬件设计 交通信号控制机的硬件是运行交通控制的物质基础，硬件的设计对信号机的性能有 着本质的制约，传统的信号机采用单片机，交通控制功能简单、方案单一，以r s2 3 2 或 r s 4 8 5 为通讯方式，难以与控制中心联网以及实现区域交通协调控制等功能，不能满足 交通智能化发展的需求嘲，本信号机的硬件设计选用d s p 为控制单元为信号机的智能化 预留了接口。 2 2 1 硬件总体结构图 信号机的硬件采用模块化设计，信号机硬件结构总图如图2 一l 。选择以t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 1 3 基于d s p 的交通信号控制机的研制 为控制的核心单元，连接存储器、驱动元件、电源元件等组成主控制板与信号灯驱动板， g p r s 模块，l c d 屏，按键构成信号机的硬件。 2 2 2 微处理器 图2 - i 总体结构图 f i g 2 - ih a r d w a r es y s t e mp r i n c i p l ef r a m e d s p 具有较高的集成度，d s p 具有更快的c p u ，更大容量的存储器，内置有波特率 发生器和f i f 0 缓冲器。提供高速、同步串口和标准异步串口。有的片内集成了a d 和 采样保持电路，可提供p w m 输出。d s p 器件采用改进的哈佛结构，具有独立的程序和 数据空间，允许同时存取程序和数据。内置高速的硬件乘法器，增强的多级流水线，使 d s p 器件具有高速的数据运算能力。d s p 器件比1 6 位单片机单指令执行时间快8 - - 1 0 倍， 完成一次乘加运算快1 6 - - 一3 0 倍。d s p 器件还提供了高度专业化的指令集，提高了f f t 快速傅里叶变换和滤波器的运算速度，d s p 带有的d s p 库包括许多c 语言可以调用的、 混编优化的、通用的信号处理子程序通过使用这些子程序，用户达到的速度远远高于用 标准的c 所写的代码。此外，d s p 器件提供j t a g 接口，具有更先进的开发手段，批量 生产测试更方便，开发工具可实现全空间透明仿真，不占用用户任何资源。 1 1 1 公司各系列主流d s p 芯片介绍： ( 1 ) 2 0 0 0 系列具有良好的性能价格比，基本可以取代1 6 位单片机。2 0 0 0 系列代表 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 1 3 5 1 简介：t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 是美国德州仪器公司t i 最新研制的数字信号处理 器，面向自动控制、工业自动化、最优网络的第一款有片内f l a s h ，工作频率达到 1 4 广西大学蠕炙士掌位论文基于d s p 的交通信号控制机的研制 1 5 0 m i p s 的3 2 位d s p 。t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 最高主频1 5 0 m h z ，从而大大提高了代码的执行 速率，缩短算法程序所需的运行时间，保证了处理信号的快速性和实时性，采用指令流水 线技术尤其是在磁悬浮系统的控制中，高速的信号可以提供实时的位置信息，保证控制 信号响应的快速性。和许多其它种类d s p 一样，t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 采用经典的哈佛总线结 构，利用多总线在存储器、外围模块和c p u 之间转移数据。程序读总线有2 2 根地址线 和3 2 根数据线，数据读、写总线都是3 2 位，这种多总线结构使得它可以在一个周期内 并行完成取指令、读数据和写数据，同时它也采用了指令流水线技术，使得信号的处理 速度明显提高。 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 芯片片上主要资源有：1 8 kx1 6 位s r a m ；4 kx1 6 位b o o ti 的m ； 1 kx 1 6 位o p tr o m ；1 2 8 kx1 6 位f l a s h ；1 2 通道的p w m ；1 6 通道1 2 位a d 转 换模块，8 0 n s 转换时间，0 3 v 输入量程；3 个定时器；串行口有c a n ，m c b s p ，s p i ， 2s c i s ，充分保证了通讯的方便。 ( 2 ) 5 0 0 0 系列代表t m s 3 2 0 c 5 4 0 2 3 q 简介：t m s 3 2 0 c 5 4 0 2 芯片其主频为1 0 0 m h z ，是 1 1 公司在无线通信领域推出的一款高性能芯片。其总线结构为8 条1 6 比特宽度的总线， 其中：一条程序总线p b ；三条数据总线c b 、d b 、e b ；四条地址总线p a b 、c a b 、d a b 、 b 忸；主要外设有通用i o 引脚，x f 和定时器，p l l 时钟产生器，h p i 口，8 比特或 1 6 比特，同步串口，带缓存串口，b s p ，多路带缓存串口，m c b s p ，时分复用串口， t d m ，可编程等待状态产生器，可编程b a n k - - s w i t c h i n g 模块，外部总线接口等。 t m s 3 2 0 c 5 4 0 2 芯片片内资源主要有：1 6k 洲；4 kr o m ；l6 - c hd m a ；1 8 - b i t h p i ；串行口有b s p ，2m c b s p ，t d m 等。 ( 3 ) 6 0 0 0 系列代表t m s 3 2 0 c 6 7 1 3 p 7 简介：t m s 3 2 0 c 6 7 1 3 作为新一代高性价比的高 端d s p 处理器的代表，属于浮点d s p 芯片，每周期可以执行8 条3 2 位指令，支持3 2 1 6 4 位数据，具有最高2 2 5 m h z 4 4 n s 指令周期的运行速度和1 8 0 0 m i p s 或1 3 5 0 m f l o p s ( 浮 点) 的处理能力，同时是有强大的外设支持能力，外部存储器接口( e m m ) 可以很方便地 和s d 黜蝴、s b r a m 、f l a s h 、s r a m 等同步和异步存储器相连，1 6 位h p i 接口可以 和各种处理器如p c 、p o w e rp c 等接口，另外还有优化的多通道缓存串口和多通道音 频串口m c a s p ( 仅t m s 3 2 0 c 6 7 1 3 有) ，多通道d m a e d m a 控制器，多通道缓冲串口 m c b s p ，3 2 b i t 扩展总线x b u s ，3 2 b i t 3 3 m h zp c i 三i z a 模式接口，3 2 b i t 通用计数器， u t o p i a 接口，通用输入输t q ：i ( o p l o ) ，1 2 c 总线主从模式接e l ，多种复位b o o t 加载模 式，3 种节电模式控制( p o w e rd o w n ) 等，这些外部接口使设计人员可以很容易实现自 1 5 基于d s p 的交通信号控制机的研制 己的应用系统。 t m s 3 2 0 c 6 7 1 3 芯片片内资源主要有：2 6 0kr a m ；4 kr o m ：1 6 c hd 蝴d m a ； 1 6 - b i th p i ；串行口有m c b s p ，m c a s p ，t d