摘要 為了解決日益嚴(yán)重的城市交通問題， 如何對現(xiàn)有交通進(jìn)行有效的管理和控制 己 成為我國交通運輸中 迫切需要解決的問 題。 城市交通信號控 制系統(tǒng)是解決交通 擁擠的強制性手段之一， 用于城市道路交通控制與管理， 實現(xiàn)交通信號的智能控 制， 通過有規(guī)律的 控制和運用交通信號使車輛有 秩序地駛離沖突區(qū)域， 對城市道 路網(wǎng)的交通流暢通發(fā)揮著重要的作用。 目前城市交通信號控制的通信方式多采用電話纜， 在工程實施時， 電纜一般 采用空中架設(shè)或地下敷設(shè)的方式， 由于城市中有各種空中、 地下設(shè)施， 現(xiàn)場交通 情況非常復(fù)雜，給工程施工帶來了許多困難，工程成本高，工程實施難。 本論文提出設(shè)計一種新型的基于無線通信方式的城市道路交通信號控制系 統(tǒng)， 系統(tǒng)包括交通信號控制器， g p r s無線 mo d e m 和交通信號控制系統(tǒng)服務(wù)器 軟件。 系統(tǒng)采用 g p r s 無線傳輸方式作為交通信號控制數(shù)據(jù)的傳輸方式， 可較好 地解決目 前 城市交通控制系統(tǒng)中 有線通信布纜工程成本高、實 施難的問題。 交通信號 控制器采用單片 機進(jìn)行控制，運用基于時間 表的 主干 線控制 模式， 通過對交通信號控 制模式、 信號控制方案等設(shè)置， 協(xié)調(diào)控制車輛在通過干線路g . 時總是在綠燈開始時到達(dá)， 實現(xiàn)綠波帶控制， 提高車輛行車速度和道路通行能力， 保證主干線的暢 通，減少車輛在 行駛過程中的延誤。 g p r s無線 mo d e m 的核心模塊采用 c e l l o n 公司的 c s m9 1 - 9 0 0 / 1 8 0 0 g s m/ g p r s無線模塊，用單片機控制其進(jìn)行撥月聯(lián)網(wǎng)方式的 g p r s無線組網(wǎng)， 實現(xiàn)了系統(tǒng)服務(wù)器、交通信號控制器等設(shè)備的無線接入。 本論文完成了 基于無線通信的城市道路交通信號控制系統(tǒng)的交通信號控制 器樣機設(shè)計與研制工作， g p r s 無線m o d e m的 樣機設(shè) 計與開發(fā); 完成了服務(wù)器 軟件的基本功能:成功利用 g p r s無線傳輸方式完成了城市交通控制信號的傳 輸，實現(xiàn)了基于時間表的主干線綠波控制，達(dá)到了預(yù)期的研究目的。 關(guān)鍵詞:交通信號控制系統(tǒng)，交通信號控制器，g p r s無線組網(wǎng)，c ms 9 1 g s m/ g p r s模塊 abstract i n o r d e r t o s o l v e t h e i n c r e a s in g l y s e r io u s t r a ff i c p r o b l e m s i n t h e c it y , h o w t o c a r ry o n e ff e c t i v e m a n a g e m e n t a n d c o n t r o l t o t h e e x is t i n g t r a ff i c b e c o m e s a n u r g e n t p r o b l e m t h a t s h o u l d b e s o lv e d in t r a n s p o rt a t i o n o f o u r c o u n t ry . t h e c o n t r o l s y s t e m o f u r b a n t r a ff i c s i g n a l is o n e o f m a n d a t o ry m e t h o d s t o s o l v e t h e c o n g e s t i o n o f t r a ff i c . t h e s y s t e m is u s e d t o c o n t r o l a n d m a n a g e t h e u r b a n r o a d t r a ff ic , t o r e a l i z e t h e i n t e l le c t u a l c o n t r o l o f t h e t r a ff i c s i g n a l , t o m a k e t h e v e h i c l e s a i l o u t o f t h e c o n f l i c t a r e a i n g o o d o r d e r t h r o u g h r e g u la r c o n t r o l a n d t h e a p p li c a t i o n o f t r a ff ic l ig h t , p l a y i n g a n im p o r t a n t r o l e t o t h e t r a ff ic n e t w o r k o f u r b a n r o a d s m o o t h l y a n d o p e n ly . t h e t e l e c o m m u n ic a t io n t e c h n i q u e i n w h i c h t h e u r b a n t r a ff ic s i g n a l u s e s a l w a y s a d o p t s t e l e p h o n e c a b l e s a t p r e s e n t . wh e n t h e p r o j e c t i s i mp l e me n t e d , t h e c a b l e g e n e r a l ly a d o p t s t h e w a y i n w h i c h e r e c t i n g i n t h e s k y o r u n d e r g r o u n d l a y . b u t t h e r e a r e v a r i o u s k i n d s o f a e r i a l o r u n d e r g r o u n d f a c i l it y in t h e c it y , s o t h e o n - t h e - s p o t t r a ff ic s i t u a t io n i s v e ry c o m p li c a t e d a n d b r in g s a l o t o f d iff ic u lt t o t h e im p l e m e n t a t i o n o f p r o j e c t , s u c h a s h i g h c o s t s a n d s o o n . t h i s t h e s is p u t s f o r w a r d a n d d e s i g n s a k i n d o f n e w - t y p e t r a ff ic l ig h t c o n t r o l s y s t e m o f u r b a n r o a d b a s e d o n wi r e le s s t e le c o m m u n ic a t i o n . t h i s s y s t e m i n c l u d e s t r a ff ic s ig n a l c o n t r o l d e v ic e , wi r e l e s s g p r s m o d e m a n d t h e s o ft w a r e o f t h e s e r v e r c e n t e r . t h e s y s t e m a d o p t s g p r s w i r e l e s s t e l e c o mmu n ic a t i o n a s t h e m e t h o d t o t r a n s p o rt t h e d a t a o f t r a ff i c s i g n a l c o n t r o l . t h i s m e t h o d c a n s o lv e t h e p r o b le m o f h i g h c o s t s a n d t h e d iff ic u lt p r o b l e m s w e f a c e d w h e n w e u s e w i r e d t e l e c o m m u n ic a t io n c a b le s y s t e m a t p r e s e n t . t r a ff i c s ig n a l d e v i c e a d o p t s m i c r o c h ip t o c o n t r o l a n d u s e s t h e m o d e b a s e d o n t i m e t a b l e . t h r o u g h s e tt in g u p t h e t r a ff ic s ig n a l m o d e a n d s i g n a l c o n t r o l s c h e me , t h e s i g n a l c o n t r o l d e v ic e c o o r d i n a t e s a n d c o n t r o l s v e h ic le s a r r i v e w h i le t h e g r e e n l ig h t b e g i n s , r e a l iz e g r e e n w a v e b a n d c o n t r o l , i m p r o v e t h e s p e e d o f v e h i c l e d r i v in g a n d t h e c a p a c it y o f r o a d , g u a r a n t e e t h e n o n e - c o n g e s t i o n o f t h e b a c k b o n e , a n d r e d u c e t h e d e la y i n t h e c o u r s e o f g o i n g of v ehicle t h e c e n t r a l p a rt o f g p r s w ir e le s s m o d e m a d o p t s c s m 9 1 - 9 0 0 / 1 8 0 0 g s m / g p r s w i r e le s s m o d u l e o f c e l l o n c o m p a n y , u s in g m i c r o c h i p t o c o n t r o l t h e mo d u l e r e a l i z e g p r s w i r e l e s s g r o u p n e t w o r k b a s e d o n d i a l c o n n e c t i o n w a y a n d r e a li z e t h e w i r e l e s s a c c e s s o f s u c h e q u i p m e n t s a s t h e s e rv ic e c e n t e r o f t h e s y s t e m, t r a ff i c s i g n a l c o n t r o l d e v ic e , e t c . t h i s t h e s is h a s f i n is h e d p r o t o t y p e d e s i g n a n d d e v e lo p m e n t o f t r a ff ic s i g n a l c o n t r o l d e v i c e o f t h e t r a ff ic l i g h t c o n t r o l s y s t e m o f u r b a n r o a d b a s e d o n wi r e l e s s t e l e c o m m u n i c a t i o n , t h e p r o t o t y p e d e s ig n a n d d e v e l o p m e n t o f g p r s wi r e l e s s m od e m a n d t h e b a s ic f u n c t io n o f t h e s e rv e r s o f t w a r e . t h e t h e s is is s u c c e s s i n u t i l iz i n g t h e w a y o f g p r s w i r e l e s s t e l e c o m m u n i c a t i o n t o c a r ry o n d a t a t r a n s mi s s io n , r e a l iz e g r e e n w a v e b a n d c o n t r o l b a s e d o n t i me t a b le a n d a c h i e v e t h e a n t i c i p a t e d g o a l s . g o n g y i n g y i n g ( t e le c o m m u n i c a t i o n s a n d i n f o r m a t i o n s y s t e m ) d i r e c t e d b y z e n g l i a n s u n k e y wo r d s t r a ff i c s i g n a l c o n t r o l s y s t e m , t r a ff i c s ig n a l c o n t r o l d e v ic e gpr s wi r e l e s s n e t wo r k . cms 9 1 - 9 0 0 / 1 8 0 0 gsm% gp rs mo d u le y 6 4 0 9 5 2 論文獨創(chuàng)性聲明 本論文是我個人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研 究工作 及取得的 研究 成果 。 論 文 中除了特別加以 標(biāo)注和致謝的地方外， 不包 含其他人 或其他機 構(gòu)己 經(jīng) 發(fā)表 或 撰寫過的研究成果。 其他同志對本研究的 啟發(fā)和 所做的 貢獻(xiàn)均己 在 論文 中 作 了明確的聲明并表示了謝意。 作 者 簽 名 : 變瑩 、 荃 日期:刀 ， v 碑. q . -2 論文使用授權(quán)聲明 本人同意上海海事大學(xué)有關(guān)保留 、 使用學(xué)位 論文的 規(guī)定， 即 : 學(xué)校 有 權(quán) 保留送交論文復(fù)印件， 允許論文被查閱 和借閱; 學(xué)校可以 上網(wǎng) 公 布 論 文的 全 部或部分內(nèi) 容， 可以 采用影印、 縮印 或其它復(fù)制 手段保存論文. 保 密 的 論文 在解密后遵守此規(guī)定。 一絲 叢 二 一:11 a.日 一 、 基于無線通信的城i r 道路交通信號控制系統(tǒng) 第一章緒論 隨著經(jīng)濟的發(fā)展和人民生活水平的提高， 交通活動己成為人們生活中的重要組成 部分。 上個世紀(jì)以來，汽車工業(yè)的發(fā)展推動了交通的發(fā)展， 城市交通建設(shè)、高速公路 的鋪設(shè)以及路網(wǎng)的形成， 使交通不斷繁榮。 交通的 發(fā)展促進(jìn)了社會的不斷 進(jìn)步， 促進(jìn) 了 交通設(shè)施的建設(shè): 但是隨著汽車 數(shù)量的迅猛增長， 城市道路面臨著日 益擁擠的交通 問題交通擁擠導(dǎo)致時間延誤，交通事故增多，污染加劇，燃油損耗上升。因此，對 現(xiàn)有交通進(jìn)行有效的管理和控制己成為我國交通運輸中迫切需要解決的問題。 城市道路交通問題及其解決途徑 交通是城市經(jīng)濟活動的命脈， 對城市經(jīng)濟發(fā)展、 人民生活水平的提高起著十分重 要的作用。2 0世紀(jì)以來，隨著汽車工業(yè)的迅速發(fā)展，汽車已經(jīng)成為人們?nèi)粘Ｉ钪?必不. 弓 一 少的交通工具。 汽車工業(yè)在給人們帶來各種便利的同時， 也帶來 了 一系列的問 題，如環(huán)靖污染、交通擁擠、 交通事故頻繁發(fā)生，給人們的生命和則產(chǎn)帶來了很大的 損失。城市交通問題是困 擾城 市發(fā) 展、制約城市經(jīng)濟建設(shè)的重要因素 i l d y i 為適應(yīng)交通量猛增的趨勢， 緩解道路交通擁擠 狀況， 國內(nèi) 外許多 城市 投入了大量 人力物力對道路交通運輸系統(tǒng)的管理與控制技術(shù)進(jìn)行開發(fā)， 采取延長道路、 加寬路面、 建高架路等措施， 收效雖p j 顯但十 分有限 i 囚此 解決城市交 通問 題， 不僅要進(jìn) 步加強交通基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)， 但更重要的是提高現(xiàn)有路網(wǎng)的利用效率， 加強對城市道 路網(wǎng)的智能管理與優(yōu)化控制。 城市交通信號控制系 統(tǒng)是通過對交 通流的調(diào)節(jié)、 警告 和誘導(dǎo)以 達(dá)到改 善人 和貨物 的女全運輸，提高運營效率。 其目標(biāo)在于改善交通流的質(zhì)量，更好地利用現(xiàn)有運輸能 力 ， 提高交通流的安全性、 快速性和舒適性。 其主要作用在于通過有規(guī)律的控制和運 i ll 交通信號使車輛有秩序地駛離沖突區(qū)域， 是解決 交通擁擠的一種強制性手段1 2 1 1 城市交通信號控制系統(tǒng)用于城市道路交通控制與管理，實現(xiàn)交通信號的智能控 制，對城市道路網(wǎng)的交通流暢通發(fā)揮著重要的作用。 2世界上幾種典 型的交 通信號 控制系統(tǒng) 隨著計算機技術(shù)和 自 動控制技術(shù)的發(fā)展，以及交通流理論的不斷發(fā)展完善， 交通 運輸組織與優(yōu)化理論、 技術(shù)的不斷提高， 交通管制中心的功能得到了增強， 控制手段 纂于 無線通信的城市道路交通信號控制系統(tǒng) 也越來越 先進(jìn) ，形成 了一批高水平有實效 的城市 道路 交通控 制系統(tǒng)。 2 . 1三種典型的交通信號控制系統(tǒng) 從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與控制方式上分， 有集中式計算機控制系統(tǒng) ( 控制中心的計算機處理 道路網(wǎng)上的所有信息， 并向各路口發(fā)出控制指令) 和分布式計算機控制系統(tǒng)( 由中央、 地區(qū)、路日控制三級組成，各級電腦負(fù)責(zé) 自己控制區(qū)域并執(zhí)行上一級控制指令) 。從 系統(tǒng)控制戰(zhàn)略上分， 有靜態(tài)系統(tǒng)( 根據(jù)歷史交通流數(shù)據(jù)優(yōu)化信號配時) 和動態(tài)系統(tǒng) ( 根 據(jù)檢測器適時采集的交通流數(shù)據(jù)優(yōu)化信號配時) 。 一 與 前世界各國廣泛使用的最具代表性和實效性的城市道路交通信號控制系統(tǒng)有 三個。 ( i ) 英國t r a n s y t交 通信號 控制系統(tǒng) 3 1 t r a n s y t ( t r a f f i c n e t w o r k s tu d y t o o l s ) 是山 英國 道路研究所花費 近十年時f h j 研 制成功的控制系統(tǒng)。 t r a n s y t系統(tǒng)被世界4 0 0多個城市采用， 是目前最成功的靜態(tài) 系統(tǒng)。 t r a n s y t系統(tǒng)采用有線通信方式。 對交通信號的 控制模式采用 靜態(tài)模式，控制 方案中的參數(shù)綠信比和相位差是通過建立優(yōu)化數(shù)學(xué)模型而確定的。 但其不足在于交通數(shù)據(jù)的計算量大;不對周期進(jìn)行優(yōu)化，很難獲得整體最優(yōu)配時 方案;需要大量的路網(wǎng)幾何、交通流數(shù)據(jù)才能進(jìn)行離線優(yōu)化。 2 ; 您 惻亞 s c a t 系 緲 s c a t ( s y d n e y c o o r d i n a t e d a d a p t i v e t r a f f i c m e t h o d ) 是澳大利亞于7 0 年代末開 發(fā)的s c a t采用先進(jìn)的計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，呈計算機分層遞階形式。 s c a t系統(tǒng)采用有線通信方式。s c a t的 主 注 制模式是在地區(qū)級采用聯(lián)機模式，在 ， ， 央級采用聯(lián)機與脫機同時進(jìn)行。 控制方案中的參數(shù)是通過預(yù)先確定多個參數(shù)， 然后 根據(jù) 婦示晴祝進(jìn)行變換而確定的。 s c a t系統(tǒng)充分體現(xiàn)了計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的突出優(yōu)點，結(jié)構(gòu)易于更改，控制方案較 為容易變換。 然而 s c a t系統(tǒng)過分依賴于計算機硬件， 移植能力差; 選擇控制方案時， 無實時信息反饋。 ( 3 )英國s c o o t系統(tǒng) 2 1 s c o o t ( s p l i t c y c l e o f f s e t o p t i m i z a t i o n t e c h n i q u e ) 也是由英國 道路 研究所在 t r a n s y t系統(tǒng)的基礎(chǔ)上采用自 適應(yīng)控制方法，經(jīng)過八年的研究于 1 9 8 0年提出的動 態(tài)交通控制系統(tǒng)。s c o o t采用實時控制方式，獲得了明顯優(yōu)于靜態(tài)系統(tǒng)的效果，被 基于尤線通信的城市道路交通信號控制系統(tǒng) 許多國家 采用。 s c o o t系統(tǒng)采用有線 通信 方式。采用的控制模式是 聯(lián)機實時控制模式，即動態(tài) 模式。控制模式中的參數(shù)通過建立優(yōu)化數(shù)學(xué)模型來確定。 s c o o t系統(tǒng)同樣存在不足，其相位不能 自 動增減， 任何路口只能有固定的相序: 安裝調(diào)試?yán)щy，對用戶的技術(shù)要求過高。 2 . 2日 本的 城市交 通信號 控制系統(tǒng) 本政府在i t s 智能交通系統(tǒng)領(lǐng)域投資了大量的資金， 以期形成i t s 產(chǎn)業(yè)推動日 本經(jīng)濟發(fā)展。日本的i t s建立在先進(jìn)、成熟的 g i s . g p s衛(wèi)星導(dǎo)航調(diào)度技術(shù)基礎(chǔ)上 系統(tǒng)可劃分為先進(jìn)的導(dǎo)航系統(tǒng)，電子收費系統(tǒng)， 輔助安全駕駛系統(tǒng)， 優(yōu)化交通管理系 統(tǒng)，高效道路管理系 統(tǒng)，公 共運輸支持，高效商用車輛運營系統(tǒng)， 步行者支持系統(tǒng)， 緊急車輛運營支援系統(tǒng)等 9 個研究領(lǐng)域，為使用者提供 2 0 種技術(shù)服務(wù)。 其中， 交通信息系統(tǒng)是新交通管理系統(tǒng)中重要的組成部分， 也是 i t s的關(guān)鍵和基 礎(chǔ)， 其目 的是使道路管理者和使用者方便地獲得所需的交通信息， 幫助駕駛員選擇行 動路線，疏散交通流量，將整個交通狀況向理想的狀態(tài)引導(dǎo)，使交通順暢和安全。日 本發(fā)布交通信息的系統(tǒng)主要有兩個，一個是交通控制中心 ( 路面信息發(fā)布) ，另一個 是v i c s中 心 ( 車內(nèi)信息提供) 。 交通控制中心是日本具有代表性的交通控制中心之一， 負(fù)責(zé)東京等一般城市道路 的交通控制。 中心的主要職能是收集、 處理、 發(fā)布道路交通信息， 進(jìn)行交通信號 控制、 交 通 信 息 交流 等該 中 心 交 通 信 息 的 主 要 來 源是 :1 6 4 0 0 個 超 聲 波， 雷 達(dá) 、紅 外 線 檢測器、2 9 5 處交通電視攝像機以及公眾報警電話、交通巡邏車、直升飛機。 對收集上來的信息， 由控制中心的 1 3 3 臺計算機組成的處理系統(tǒng)自動進(jìn)行后臺處 r i p ,根據(jù)道路交通流量的狀態(tài)，對全市 1 4 4 4 7個交通信號燈中的 7 2 4 7 個進(jìn)行預(yù)定的 方案 控制19 1 ， 并將交通流量、車 輛行 駛速度、 路段的堵塞程度、 道路 行駛時irh j 、交通 書故、 道路施工等信息顯示在控制中心中央顯示板上。同時， 這些交通信息通過不同 的方式向社會進(jìn)行發(fā)布。 3中國的城市道路交通信號控制系統(tǒng) 3 ，1中國的城市交通狀況 由于中國城市受經(jīng)濟發(fā)展水平的制約， ( i )城市道路結(jié)構(gòu)不 合理 i- 1 前中國城市交通以路上交通為主， 形成了畸形落后和不勝負(fù)荷的 局面2 1 j 大多數(shù)城市道路空間結(jié)構(gòu)屬于平面交通狀 纂護(hù)無線通信的城市道路交通信號控制系統(tǒng) 態(tài)，形成了 “ 人車混行，快慢車混駛”的特點。道路系統(tǒng)布局多采用簡單的平面方格 形式， 難以 適應(yīng)交通系統(tǒng)現(xiàn)代化管理的需要。 路網(wǎng) 功能的 結(jié)構(gòu)層次混亂， 主、次 十道 和支線比 例失調(diào)，銜接關(guān)系紊亂， 使干線道路難以發(fā)揮其功能。 就道路面積來說， 中國城市道路面積率低于世界上同規(guī)模的大城市。 據(jù)統(tǒng)計資料 顯 示，中國城市道路面積率平均不足7 % a 2 2 1 ， 人均道路面積也低于世界上同規(guī)模的大 城市 ( 2 )交通出行結(jié)構(gòu)失調(diào) i i i 國城市交通主要由各種機動車、非機動車和行人構(gòu)成，形成特殊的三元混合交 通結(jié)構(gòu)。交通方式可分為公共交通和私人交通。其中公共交通由公共汽車、 地鐵、高 架、 出租汽車等組成: 私人交通主要由自 行車、 摩托車、 私人小汽車和步行交通構(gòu)成。 山于這些交通方式的自身特點，使它們能在系統(tǒng)中共存。另外，山于系統(tǒng)所具有的自 組織能力， 在外界交通環(huán)境的協(xié)同作用下， 形成了各種交通方式間的制約和平衡。因 此，對某一種交通方式來說， 不能任其 自山發(fā)展，否則會破壞這種平衡狀態(tài)，使系統(tǒng) 出現(xiàn)問題。 目前中國城 市的交通結(jié)構(gòu)，由于公共交通畸形落后、不勝負(fù)荷的局面， 在一定程 度上刺激 了私人交通的發(fā)展，目 前主要體現(xiàn)在對自行車、私人交通需求的急劇增 長， 使交通方式間比例嚴(yán)重失調(diào)。但是，車流的增多更加重了城市交通系統(tǒng)的紊亂。 ( 3 ) 交通管理技術(shù)水平低， 交通事故頻繁 我國城市交通管理和交通安全的現(xiàn)代化設(shè) 施少。 以北京與東京為例， 兩市都 有一 個交通管制中心，但北京交通控制中 心管理 路口 數(shù)目 僅是東京的3 % , _ 交通標(biāo)志數(shù)是 東 京 的 7 %a 22ja 中國的城市交通信號控制系統(tǒng) 伐國城市交通信號控制系統(tǒng)方面的工作起步較晚， 在 2 0 世紀(jì) 7 0 年代后期北京開 始采用 叮s - 1 3 0型計算機對干道協(xié)調(diào)控制問 題進(jìn)行了研究。8 0年代以 來，城市道路 交 通問題越來越嚴(yán)重 2 0 1 。國家一方面進(jìn)行以 改善 城市市中 心交通為核心的u t s m技 術(shù)研究; 另一方面采取引進(jìn)與開發(fā)相結(jié)合的方針， 建立了一些城市道路交通控制系統(tǒng)。 如 北京引進(jìn)了s c o o t 系統(tǒng)， 上海引進(jìn)了s c a t 系統(tǒng)， 深圳引 進(jìn)了日 本的控制系統(tǒng)。 這些信號系統(tǒng)雖然取得了滿意的效果， 但是中國的國情決定了需要對這些系統(tǒng)進(jìn) 行改進(jìn)，主要體現(xiàn)在: 從 于 無線 通 信 的 城 市 道 路 交 通 信 號控 制 系統(tǒng) ( i )需要完善信號控制 這些信號系統(tǒng)一般只能實現(xiàn)兩相位控制， 存在一定的局限性。 而在實際中， 如果 根據(jù)交叉路口的情況，適當(dāng)采用多相位控制、 變相序控制，可減少交叉路口的交通沖 突，提高交通的安全性。 ( 2 ) 需要合理解決混合交通流問 題 中國城市交通主要山各種機動車、 非機動車和行人構(gòu)成， 形成特殊的三元混合交 通結(jié)構(gòu)， 容易造成交通流的沖突。因此， 需要設(shè)計一種信號系統(tǒng)能對各個相位單獨進(jìn) 行控制。 ( 3 )國產(chǎn)化率低 前先進(jìn)的信號控制系統(tǒng)的國產(chǎn)化率比較低，進(jìn) 口費用昂貴。 ( 4 )穩(wěn)定性和可靠性 目前我國生產(chǎn)的一些智能交通信號機功能少、集成度低，而且故障頻繁。 4論文研究背景、意義與主要研究內(nèi)容 4 . t論文研究背景 為了解決上海現(xiàn)有的交通問題，迎接 2 0 1 0年世博會，上海許多科研單位正在積 極開展相關(guān)研究工作， 如上海城市信息中心、 交通信息中心正在開展交通控制和管理 的立項研究。 我的導(dǎo)師正在負(fù)責(zé)上海市信息化委員會的項目:長三角城市定位導(dǎo)航信 思 、 系統(tǒng)建設(shè)技術(shù)方案及其應(yīng)用研究。本論文屬于該項 目 應(yīng)用研究方面的 一 部分。 4 . 2論文研究意義 山于我國現(xiàn)有的設(shè)施、道路和交通管理系統(tǒng)己經(jīng)很難適應(yīng) 目前交通的發(fā)展速度， 如何對現(xiàn)有交通進(jìn) 行有效的管理 和控制己 成為我國 交通運輸中迫切需要解決的問 題， 本論文在此背景下提出設(shè)計一種新型的城市道路交通信 號控制系統(tǒng)。 日前城市交通信號控制的通信方式多采用電話纜， 在工程實施時， 電纜一般采用 空中架設(shè)或地下敷設(shè)的方式。由于城市中有各種空中、 地下設(shè)施，現(xiàn)場交通情況非常 復(fù)雜，給工程施工帶來了許多困難，工程成本高，工程實施難。 囚此論文提出采用無線移動通信平臺， 使用現(xiàn)有的成熟穩(wěn)定的無線通信方式作為 城市交通信號控制系統(tǒng)的通信傳輸方式， 可較好地解決 目 前城市交通控制系統(tǒng)中有線 通信布纜工程成本高、實施難的問題。 基十無線通信的城市道路交通信號控制系統(tǒng) 4 . 3論文主要研究內(nèi)容 根據(jù)論文課題要求， 提出 設(shè)計一種新型的 基于無線通信的城市道路交通信號控制 系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要包括:交通信號控制器、 g p r s無線mo d e m 和交通信號控制系統(tǒng) 1報務(wù)器。 交通信號控制系統(tǒng)采用無線通信方式作為交通信號控制數(shù)據(jù)的傳輸方式， 可以減 少現(xiàn)在有線通信方式中布纜工程成本高， 工程實施難的問題。系統(tǒng)采用 g p r s撥號聯(lián) 網(wǎng)的無線組網(wǎng)方式，保證對多臺交通信號控制器的聯(lián)網(wǎng)控制。 交通信號控制器采用基于時間表的主干線控制方式， 保證主干線的綠波控制。 交 通信 號控制器具有工作狀態(tài)監(jiān)控和故障檢測功能，能實現(xiàn)綠沖突檢測和綠切保護(hù)功 臺 n o 交通信號控制器與服務(wù)器通過g p r s無線通信方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸， 可根據(jù)服務(wù)器 的控制要求， 通過對交通信號控制模式、信號控制方案的設(shè)置， 實現(xiàn)對交通信 號燈顯 示的控制，實現(xiàn)對交通流的有效控制。 論文第一 章 概述城市道路交通問題與解決途徑， 介紹了國外的幾種典型的城市道 路交通信號控制系統(tǒng)，以及中國在城市道路交通信號控制系統(tǒng)方面的發(fā)展情況。 第二 章悶述城市道路的交通信號控制理論， 包括交通信號基本控制方式、 交通信號控制模 式和信號燈控制方案， 提出和闡述本論文采用的基于時間表的主干線控制模式。 第三 章對兒種無線數(shù)據(jù)傳輸方式進(jìn)行比較， 介紹了g p r s 技術(shù)的特點， 著重闡明基于g p r s 的無線組網(wǎng)技術(shù)及 g p r s無線 mo d e m 硬件實現(xiàn)。第四章介紹交通信號控制器的功 能 系 統(tǒng)框圖， 硬件設(shè)計與 實 現(xiàn)。 第五章通過軟 件流程圖介紹交通信號控制f ii 的程序 沒計第六章介紹服務(wù)器控制軟件的設(shè)計和實現(xiàn)。第七章分析了系統(tǒng)調(diào)試過程，在試 驗過程中存在的問題和解決方法，最后得出結(jié)論。 基于無線通信的城市道路交通信號控制系統(tǒng) 第二章城市交通信號控制方式 城市交通信號控制系統(tǒng)從時間上將相互沖突的車流量分開， 通過設(shè)置交通信號控 制器，對交通信號控制方式和控制模式進(jìn)行設(shè)定， 通過對信 號 燈的配時、 配色給不同 時刻、 不同交通需求給予不同 的通行權(quán)， 將相互沖突的車流分離1 5 1 。 最為常用的原 則 是保證車輛在路口的通過量最大或車輛在路口的延誤最小。 根據(jù)中國城市道路路口 的車流特點， 信號控制系統(tǒng)采用何種交通信號 控制方式和 j 丫 制模式， 如何妥善解決各方向車流的協(xié)調(diào)控制， 如何實現(xiàn)對城市道路網(wǎng)的優(yōu)化控制 1j k 為交通信號控制系統(tǒng)信號控制方式設(shè)計中的重點。 本章 就城市交通信號基本控制方式、 信號控制模式等理論 進(jìn)行探討。由 于系統(tǒng)采 用無線通信方式作為交通信號控制數(shù)據(jù)的傳輸方式， 根據(jù)無線通信方式的傳輸特點和 常用的交通信號基本控制方式、 信號控制 模式的特點， 提出采用基于時間 表的主十 線 控制模式作為本系統(tǒng)的交通信號控制方式。 2 . 1交通信號基本控制方式 交通信號控制按控制方式可分為: 單個路口點控制， 主干線交通信號控制和區(qū)域 交通信一號控制ij s i 2 . 1 . 1單個路口 點控制 單個路口點控制是一種最基本的控制方式。由于其設(shè)備簡單、 投資最省、 維護(hù)方 便， 至今仍是被廣泛應(yīng)用的一種控制信號方式。 單個路口點控制又分為離線點控制和 價 一 線點控制。 ( ! )離線點控制 離線點控制采用定時信號配時技術(shù)， 基本原理是將綠燈時間分成有限的具有固定 順序的時間段 ( 也稱相位) ，不同的交通流將根據(jù)固定綠燈時間和順序依次獲得各自 的通行權(quán)。 離線點控制適合于某些車流量較小的路口， 其信號配時方案是根據(jù)典型狀 況的歷史交通數(shù)據(jù)制訂的。 離線點控制又可分為定周期控制與變周期控制。 在定周期控制中， 信號控制器只 能執(zhí)行一種配時方案，信號燈一天 2 4小時按照相同的周期執(zhí)行同一方案。在變周期 空 制中， 將一天 2 4小時分成多個不同的時間段， 根據(jù)不同時段交通流量統(tǒng)計的數(shù)據(jù)， 恭 于 無 線 通 信 的城 市道 路 交通 信 號控 制 系 統(tǒng) 為信號控制器設(shè)置合適的信號燈配時方案。 信號控制器在不同的時段執(zhí)行不同的信號 配時方案， 特別是在上下班時整個城市交通處于高峰期， 也有相應(yīng)合適的信號配時方 案 疏散交通流， 盡可能地避免或減少交通擁擠。 與定周期控制方式相比， 變周期控制 方式具有較大的靈活性和適用性。 ( 2 )在線點控制 在線點控制是指交通響應(yīng)控制，即根據(jù)路口各個入口交通流的實際分布情況， 合 理分配綠燈時間到各個相位， 從而滿足交通需求。 在線點控制分為基于到達(dá)車輛車頭 距的控制和基于排隊長度的控制。 基 于到達(dá)車輛車頭距的控制方式是指在一個給定的最小綠燈時間內(nèi)， 某相位綠燈 無條件開通: 該時間過后， 若位于該相位停車線前方一定距離外的檢測器檢測到繼續(xù) 有車輛到達(dá)， 則追加一個單位綠燈時間。若一直檢測到有車輛到達(dá)， 則綠燈時間一直 被延 長， 直到綠燈時間達(dá)到最大綠燈時間為止。 若在追加的一個單位綠燈時間內(nèi)沒有 車輛到達(dá)，則信號燈被轉(zhuǎn)換到下一個相位，放行下一相位的車輛。 基 r排隊長度的控制方式是在放行一個相位的交通流之前， 由車輛檢測器預(yù)先檢 測到該方向到達(dá)的車輛排隊長度， 根據(jù)車輛的排隊長度， 確定該相位的放行時間。 保 證在綠燈時間，通過交叉路口的車流量總在飽和值左右。 2 . 1 . 2主千線交通信號控制 主干線路口的交通控制是 一 種線控方式。 在城市道路網(wǎng)中，路口相距很近， 兩濘 相鄰的路口之間的距離通常不足以使一小隊車流完全疏散。 當(dāng)各路口分別設(shè)置單點信 號控制時，車輛經(jīng)常遇到紅燈，時停時開，行車不暢，環(huán)境污染嚴(yán)重。為了減少車輛 農(nóng)各個路口的停車次數(shù)， 特別是在主干線上的車輛暢通， 研究了一種干線相 鄰路日 協(xié) 0 u1 控制策略。 最初協(xié)調(diào)信號計時的方法是基于綠波的概念， 相鄰交叉路口執(zhí)行相同的信號控制 周期，主干道相位的綠燈開啟時間 ( 相位差) 錯開一定的時問， 路口的次道在一定程 度上 服從主干道上的交 通 5 。 當(dāng) 一列車隊在具有許多路口 的一條主干道上行駛時， 協(xié) 調(diào)控制使得車輛在通過干線路口時總是在綠燈開始時到達(dá)，因此無須停車通過路日。 具有綠波的主干線交通信號控制時間一 距離圖如圖 2 - 1所示。車輛從當(dāng)前路口駛 ; 可 下一 路口 時， 總是在綠波通道結(jié)束 前到達(dá)， 保證車輛在主干道的通暢。 通過這種控 制方法，可以提高車輛行車速度和道路通行能力，確保道路暢通， 減少車輛在行駛過 程中的延誤時間。 基于無線通信的城市道路交通信號控制系統(tǒng) 距離 紅燈紅燈 下一路 口 綠波帶寬 紅燈紅燈 當(dāng)前路口 車輛車輛車輛 時間 圖z - 1 :具有綠波的主干線交通信號控制 主干線交通信號控制可分為離線方式和在線方式。 在離線方式下， 主干線上設(shè)定 一臺主信號控制器和多臺從信號控制器，主信號控制器統(tǒng)一控制其他從信號控制器， 整個系統(tǒng)使用同一周期長， 由主信號控制器向各個從信號控制器發(fā)送同步信號， 各個 從信號控制器根據(jù)預(yù)先設(shè)定的相位差和綠信比分配紅、 綠燈起始時間和持續(xù)時間， 從 而實現(xiàn)干道交通信號控制器聯(lián)動和綠波控制。 線聯(lián)動系統(tǒng)的主要參數(shù)是周期、時段和相位差。 在確定周期時長時， 首先確定出 主干道所有交叉路日所需的周期時長， 然后以其中最大周期時長作為整個主干道統(tǒng)一 的周期時長。相位差的確定一般使用時間一 距離圖，如圖 2 - 2 所示。根據(jù)時間一 距離圖 可以確定每個路口的相位差， 以理想不變的區(qū)間車速作為前提， 則每個路口的相位差 都是固 定 值， 保證車輛在 通過干 線路口 時總是在綠燈開始時 到達(dá)。 為了適應(yīng)交通運行 狀況的變化，與多段定周期控制系統(tǒng)一樣，控制參數(shù) ( 周期、相位差綠信比) 預(yù)先 設(shè)置好，賣時控制時。在不同的時間段內(nèi)采用不同的系統(tǒng)控制參數(shù)進(jìn)行控制。 主干線交通信號在線控制方式是由主控中心計算機對主干線各個路口的交通信 號控制器進(jìn)行協(xié)調(diào)控制， 各個路口的交通信號控制器將檢測到的路口交通流數(shù)據(jù)發(fā)送 給主 控中 心， 中 心計算機根據(jù)采 集到的干線上的交通流數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化處理， 然后向 各 個路 的交通信號控制器發(fā)送，實現(xiàn)綠波控制。 纂十無線通信的城市道路交通信號控制系統(tǒng) ! i 相 位 差 工 小 帶 寬 距 離 間-個月酬1|小- 洲!1|es|111|!.闊!111|!lee ! !1 匕 一 l a 示 意 - - 一綠燈時間. . . . . . . 紅燈時間 口門 圖 2 - 2 :主干線相位差時距圖 2 . 1 . 3區(qū)域交通信號控制 i x 域交通信號控制又稱在線網(wǎng)絡(luò)控制， 系統(tǒng)的控制對象是城市或某個區(qū)域中所有 路i i 的交通信號，可對一個城市區(qū)域內(nèi)所有路口 豹交通信號聯(lián)起綜合加以協(xié)調(diào)控制， 使得區(qū)域內(nèi)的各個車輛在通過某些路口時所產(chǎn)生的總損失 ( 包括延誤、 停車次數(shù)、油 耗等)最小。 在區(qū)域交通信號控制方式下， 交通信號控制器將交通量數(shù)據(jù)實時地通過通信網(wǎng)傳 至主控中心計算機，中心計算機根據(jù)路網(wǎng)交通量的實時變化情況， 按一定時間步距不 斷調(diào) 整正 在執(zhí)行的配時方案17 1 。 通過 這種控制方式. 容易實現(xiàn)交叉路網(wǎng)的統(tǒng)一調(diào)度與 恃理，主控中心計算機可同時控制一個城市區(qū)域中的多個交叉路日。 f i - i 是山于實際應(yīng)用中， 城市交通情況復(fù)雜， 難以預(yù)先對每種情況設(shè)計出相應(yīng)的信 號 控制方案。 交通需求的變化以及交通網(wǎng)絡(luò)的變化會使得已有的固定時間方案迅速失 效。因此，目前區(qū)域交通信號神制方式名集中干作些伏化現(xiàn)有的寧時神制方室。 基 十 無 線 通 信 的 城 市 道 路 交 通 信 號控 制 系 統(tǒng) 2 . 2交通信號控制模式 常見的交通信號控制模式有周期控制模式， 相位差與綠信比控制模式， 時間表控 制模式和子區(qū)連接控制模式。 2 . 2 . 1周期控制模式 交通參數(shù)中交通流量q與占有率。是兩個重要參數(shù)，周 期控制模式是 通過實時 采集車輛到達(dá)信息， 經(jīng)過參數(shù)辯識得出交 通量q與占 有率 。之間的關(guān)系， 根據(jù)q - 0 關(guān) 系求得周期的大小， 實 現(xiàn)自 適應(yīng)控制。 q - 0關(guān)系用曲 線表現(xiàn)如圖2 - 3 所示。 q - 0曲 線上不同段反映了不同的交通狀況。由圖2 - 3可以看出， 交通量隨著占有率的增加而 增加，當(dāng)占有率 0 = 0 m時，達(dá)到最大通行能力;當(dāng)占有率 o o m時，交通量隨著占 有率的增加而降低;當(dāng)占有率 0 = 1 0 0 % 時，交通量為零，道路完全堵塞。 om 圖2 - 3 :交通量 與占有率的關(guān)系 2 . 2 . 2相位差與 綠信比 控制模式 相 位差和綠信比是交 通信號 控制中最重要的控制參數(shù)。 相 位差決定于路口之間幾 何問距及系統(tǒng)的車流宏觀平均速度， 如果系統(tǒng)具有相對穩(wěn)定的交通行為， 平均車速也 視為定值 ， 那么相位差也應(yīng)該是定值。然而由于協(xié)調(diào)控制， 周期長短在變化，要保持 確定的相位差， 就必須實現(xiàn)相位差跟蹤控制。 但是， 相位差的頻繁變化對系統(tǒng)協(xié)調(diào)控 制不利，應(yīng)根據(jù)實際需要對相位差進(jìn)行鎖定控制。 基十無線通信的城市道路交通信號控制系統(tǒng) 綠信比控制分為宏觀綠信比控制和微觀綠信比控制。 宏觀綠信比控制對應(yīng)方案選 j f , 微觀綠信比控制對應(yīng)于多相位控制中每一個相位狀態(tài)綠信比的微調(diào)。 在微觀綠信 比 控制中主要考慮是 否延長或縮短可變步的綠信比。 在綠信號結(jié)束之前， 若車輛檢測 t探測到有車輛， 就需要延長綠信號時間; 如果沒有檢測到車輛， 就縮短綠信號時間。 為了使系統(tǒng)控制過程保持穩(wěn)定， 由感應(yīng)控制引起的時間差必須設(shè)法在指定的步加 以補 償，使信號周期保持固定。 2 . 2 . 3時間 表控制模式 時間表控制模式采用感應(yīng)控制和方案選擇相結(jié)合的方式。 根據(jù)平時收集到的交通 信息， 總結(jié)出一套適合于路口在不同時間段內(nèi)的交通控制方案， 將這些方案設(shè)置于控 制系統(tǒng)內(nèi)。 在實時控制時，系統(tǒng)根據(jù)車輛檢測器實時采集數(shù)據(jù)選擇方案，在此基礎(chǔ)上 進(jìn)行感應(yīng)信號控制。 如果車輛檢測器發(fā)生故障， 也可以根據(jù)平時積累的交通規(guī)律數(shù)據(jù) 按預(yù)定的方案進(jìn)行信號控制。 2 .4子區(qū) 連接控制模式 當(dāng)考慮區(qū)域交通控制系統(tǒng)時， 在控制區(qū)域范圍內(nèi)可以根據(jù)區(qū)域內(nèi)交通狀況把許多 路口劃分為不同的周期子區(qū)。 一個周期子區(qū)可以由兩個以上路口組成， 也可以山單一 路口組成。在一個周期子區(qū)內(nèi)必有一個關(guān)鍵路口，這些關(guān)鍵路口都安裝車輛檢測器。 關(guān)鍵路口收集的交通數(shù)據(jù)決定了該子區(qū)的控制方案。 同周期子區(qū)內(nèi)又劃分為不同的 相位差一 綠信比子區(qū)。 2 . 3基于時間 表的主干線控制模式 在木設(shè)計中， 在選擇交通信號基本控制方式、 控制模式和控制方案時，由于采用 無線通信方式作為交通信號控制系統(tǒng)的控制數(shù)據(jù)傳輸方式， 如果選用區(qū)域控制方式的 實時控制模式， 則要求交通信號控制器將交通量數(shù)據(jù)實時地通過無線方式傳送給服務(wù) 器計算機， 服務(wù)器計算機根據(jù)路網(wǎng)交通量的實時變化情況， 按一定時間步距不斷調(diào)整 一 ， 在執(zhí)行的配時方案， 交通需求的變化以 及交 通網(wǎng)絡(luò)的變化會使得已 有的固 定時間方 案迅速失效， 容易在與其他路口的交通信號控制配合 上出現(xiàn)問題。 而且無線通信方式 不適合大規(guī)模數(shù)據(jù)量的傳輸。 因此， 綜合考慮以上各種特點， 設(shè)計提出采用基于時間表的主干線控制模式作為 基于無線通信的城市道路交通信號控制系統(tǒng) 交通控制信號系統(tǒng)的控制方式。 在信號控制器中存有各個時段的信號控制模式和信號 控制方案， 協(xié)調(diào)控制車輛在通過主干線路口時總是在綠燈開始時到達(dá)， 實現(xiàn)綠波帶控 制， 提高車輛行車速度和道路通行能力， 保證主干線的暢通， 減少車輛在行駛過程中 的延誤。 一 個信號化的路口， 如何確定其相位信號模式和信號控制方案必須根據(jù)路口的交 通狀況制定，以適應(yīng)路口的實際交通需求。 2 .3 .1交通路口相位信號模式 確定相位信號模式指用交通信號輪流給各個方向的車流或行人分配通行權(quán)的順 序。 相位方案是在一個信號周期內(nèi)， 安排了若干種控制狀態(tài)， 每一種控制狀態(tài)對應(yīng)某 些方向的車輛或行人配給通行權(quán)，并合理安排這些控制狀態(tài)的顯示次序和顯示時間。 交通信號控制器按設(shè)定的相位信號模式， 輪流開放不同的信號燈顯示， 輪流為各方向 車輛和行人提供通行權(quán)。 每一種控制狀態(tài)對應(yīng)顯示一組不同的燈色組合， 稱為一個相 位。 在不論文中，相位信號模式包括:白天模式.、夜間模式、高峰模式和特殊模式。 各種模式的四相位車流基本相位信號模式如表2 一 1 所示。 表 2 一 1 南北向信號燈東西向信號燈 trtytgs rs ys g