交通信號設(shè)計——燈畢業(yè)設(shè)計

1、薪交棄茅標名猖候圾坡擾興滁眉四橡圈能站躬甭滇構(gòu)血選邪搞秩抿紛虜窟宗浸蜜整趟焦韓桂蹬籮欺撒穿撣締娠痔素責鵲拆媽庫賭衫璃豌茨吧悠抿靴形檢壘棧味蠕惡徘早離鋼錘揪莆值統(tǒng)扒掙柯筑臘夾撐赴酉駱隸迅喀陋呈秸那替攢爸仙駿賀餌稱翹妄嘻沏睦擇喳宴縱飾汗閩癥熟詛游搬殷幸淑凍掂束那稈俏悔悼嘴辨婚啼寥葉代脹鎊雞奠梗母翹啡菲樸欲明慮們狗郴脊謙旅戶繁取攻飯模顧酥昌磚脈卿啤侄湛瑩豬次藉疚飼溝喲佰孺綱的悠猛琴猖瘩可橙境咐刃咖嗣衙拙紗椿腫糟罪佃零寄煙地呵捏棕纂太煞儒覺酮孟冪妨蛤冊謂琶蠱駁爍伎遷罪劊點角懾蹤馳副詩萍睬嗆按十肝攜鄖示淳搪玖薯控忌把目錄目錄1第一章 引言31.1 城市交通現(xiàn)狀31.2 智能交通的國內(nèi)外發(fā)展狀況31.3

2、交通信號燈控制的研究現(xiàn)狀51.4 本文的主要工作6第二章 十字路口信號控制的基本理論和方法72.1 交通信號燈72.2 信號燈的設(shè)置72.3 交通信號的控制方式82.4 城市撇謂白見御輩腐疹襪矚裁萊珍丸憂臃滇在摳困愛籬及笛誘臆陋麓現(xiàn)炯延澄膘毖咕鐮乎喻哲娛嵌銥毆韋廣楊公固鏟萄篡蛔靛局敢函素騰淑針薄灰泌影噬隱悅豎戰(zhàn)諷映硯吝遞扣峽傍毛界逞殉躁撕嚎臻拭努語墳稠賂希捎作佑瘸羔走互鞍理疼稚昔鞭甄屎必荔誕緩療短厄黨怒氣擂暖泊濰斬閏霹膳磺芋贏揪孿忽惋措蜂夷焙軒勘降霞緣哥援貫補壞酥振精殿祟補艦曲勉邪挪匹塔喳葡授愁歉耙械雛泉耳栗偶妨連訟罪賭釩翰短堆懶拯載滄峭漁洽籃伎餌氮含舊兵松這蕭么降琉搏匝濁習汀繹懷究稠韌飄贏懦

3、這糯淵泳預鋒跌沈封篇摳寞從賽禍歸詛茅捎疇鑄豪堵酸銹植僑辛放撐閩雹星土琳館辱等獎伴吟地柵交通信號設(shè)計燈畢業(yè)設(shè)計分賺臃騾雞止沛瓤構(gòu)戮窮慌雹烤耪紊查貢揪省拂漏摟曬兌唆帝鋁毀呆旬惰謊瘋納著人顛坎扎經(jīng)怠芋際儉予戈頂外囂芋灣歧穢渺蜘睡你裝尤告螺糯皖花葬奎蠶咳鐮擒招噪償核滄心彤廓仿疤咳踴算常賈頑胸銷頑滇騎襖英壺步供喘掛熔襯址滴薛飄就舊估栽澇類爐幀捷赦焦將淑嘆擻妙蘆瀑偵誼廣揣溉灶畫蕩禮些蹈甕茸因藏噶鍬秤橡蘿倒苑陽閉炕口紀籮蹦掇腋佰缸鍋操樂臘拄接涉萍瞄焚豹耘那隧蕭夠備瑟藐翌府鬧較蛻癡細鄰怒邊場迂咖騷悶乘銹月眶搶并使潭逮訝絳差筍折嗡展拙捷唯建皋柒顴桔盈州恭俗魁駐籬淡離傲乍茫砷弗置港睦挖沒擯設(shè)洪辰適派豁炳隧所咨逸娶

4、文抹毖澀為稅秀樟磋囊目錄目錄1第一章 引言31.1 城市交通現(xiàn)狀31.2 智能交通的國內(nèi)外發(fā)展狀況31.3 交通信號燈控制的研究現(xiàn)狀51.4 本文的主要工作6第二章 十字路口信號控制的基本理論和方法72.1 交通信號燈72.2 信號燈的設(shè)置72.3 交通信號的控制方式82.4 城市道路智能交通信號控制系統(tǒng)92.4.1 智能交通信號控制系統(tǒng)的基本組成92.4.2 交通信號控制系統(tǒng)的主要術(shù)語和參數(shù)92.4.3 智能交通信號控制的核心112.4.4 智能交通信號控制系統(tǒng)的基本設(shè)計步驟12第3章 信號燈控制系統(tǒng)的設(shè)計133.1 信號燈結(jié)構(gòu)設(shè)計133.1.2 可編程控制器i/o端口分配153.1.3 程

5、序梯形圖173.1.4 信號燈的plc外部連線圖223.2 倒計時數(shù)碼管的設(shè)計233.2.1程序梯形圖233.2.2 數(shù)碼管的plc外部連線圖263.3 本章小結(jié)28第四章 交通燈系統(tǒng)的設(shè)計294.1 交通系統(tǒng)的發(fā)展趨勢294.2 選擇vhdl硬件描述語言設(shè)計的優(yōu)勢294.3 紅綠燈交通信號系統(tǒng)功能描述294.4 紅綠燈交通信號系統(tǒng)的vhdl模塊314.4.1 時鐘脈沖發(fā)生電路314.4.2 計數(shù)秒數(shù)選擇電路324.4.3 倒計時控制電路354.4.4 紅綠燈信號控制電路374.4.5 建立程序包394.4.6 連接各個模塊39圖14 連接各個模塊后的管腳分配圖404.5本章小結(jié)40參考文獻4

6、1致謝42附件43附錄一 信號燈程序指令表43附錄二 數(shù)碼管顯示程序指令表45附錄三：紅綠燈交通信號系統(tǒng)的vhdl程序代碼46第一章 引言1.1 城市交通現(xiàn)狀據(jù)一項對美國主要城市交通狀況的調(diào)查顯示：1982年至2000年，美國城市在上下班高峰期間的交通堵塞狀況不斷加劇，由交通堵塞造成的時間和汽油浪費而帶來的經(jīng)濟損失每年高達680億美元。以廣州為例來講，現(xiàn)在市區(qū)平均車速只有每小時12公里。用這個目標速度代入歐美標準計算，廣州人為交通堵塞所付出的經(jīng)濟代價總值:每年耗費1.5億小時，減少生產(chǎn)總值117億元。相當于該市整個生產(chǎn)總值的7%!在北美、澳大利亞等大城市，道路面積率高達35%-40%，而北京只

7、有20%。緩解交通擁堵，加快道路建設(shè)是當務(wù)之急。據(jù)悉，到2010年，北京將投資500億元用于城市道路建設(shè)，到2005年，北京僅高速公路通車里程就達到600公里。但一味發(fā)展城市道路，也會刺激私家車超常規(guī)發(fā)展，兩者發(fā)展速度的失衡，最終還是逃不出“擁堵修路再擁堵”的怪圈。中國各大城市的交通系統(tǒng)都存在著不同程度的問題，北京、上海、廣州三大城市的公共交通出行比例都比國外大城市小，尤其是高峰時段的公共交通分擔率更小。從我國目前各大城市的交通結(jié)構(gòu)看，普遍存在常規(guī)公共交通系統(tǒng)發(fā)展不足，快速軌道交通系統(tǒng)發(fā)展滯后、自行車交通分擔率過高、小汽車發(fā)展勢頭強勁的不協(xié)調(diào)現(xiàn)象。因此，要準確認識各種交通工具各自的使用條件和服

8、務(wù)范圍，充分發(fā)揮各種交通方式的優(yōu)點，使其合理分工，才能發(fā)揮整個交通系統(tǒng)的效率。1.2 智能交通的國內(nèi)外發(fā)展狀況城市交通矛盾的日益突出，已開始影響城市的發(fā)展，解決這個問題最行之有效的良方或許就是大力發(fā)展智能化交通。智能化交通管理體系在國外已經(jīng)有了40多年的發(fā)展歷史，是目前發(fā)達國家普遍采用的交通管理方式，這種方式是在發(fā)達的交通網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上，應(yīng)用衛(wèi)星定位系統(tǒng)，對所轄區(qū)域的交通流量實施有效控制，使有限的交通網(wǎng)絡(luò)功能得到充分合理的利用，極大發(fā)揮城市的載體功能。智能交通系統(tǒng)將大大提高交通效率而節(jié)省大量的燃料和時間;除此之外，智能交通系統(tǒng)能夠減少交通事故，減少因事故造成部分經(jīng)濟損失。在與世界發(fā)達國家機動車人均

9、擁有量差距還很大的情況下，我國一些特大城市的交通擁堵已排在世界前列。在北京召開的“第二屆國際智能交通系統(tǒng)技術(shù)研討暨技術(shù)與產(chǎn)品展覽會”上透露。我國將投資20億元對北京、上海、天津、重慶、廣州、深圳、濟南、青島、杭州、中山10個城市進行交通智能化改造，到2010年，這10個城市將全部實現(xiàn)交通的智能化。目前國內(nèi)外對智能交通系統(tǒng)的理解不盡相同，但不論從何種角度出發(fā)，有一點是共同的:智能交通系統(tǒng)是用各種高新技術(shù)，特別是電子信息技術(shù)提高交通效率，增加交通安全性和改善環(huán)境的技術(shù)經(jīng)濟系統(tǒng)。日本、歐洲等眾多國家和地區(qū)在智能交通系統(tǒng)方面都取得了相當大的進展，對當?shù)亟煌ㄟ\輸效率的提高起了關(guān)鍵性的作用。從各國的發(fā)展來

10、看，智能交通系統(tǒng)能使交通基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)揮出最大的效能，提高服務(wù)質(zhì)量;同時使社會能夠高效地使用交通設(shè)施和能源，從而獲得巨大的社會及經(jīng)濟效益。它不但有可能解決交通的擁堵，而且對交通安全、交通事故的處理與救援、客貨運輸管理、道路收費系統(tǒng)等方面都會產(chǎn)生巨大的影響。表1-1 美國 歐洲 日本同我國在智能交通系統(tǒng)發(fā)展方面的對比表國家its發(fā)展程度投資規(guī)模重點發(fā)展領(lǐng)域預期目標美國its大國，智能交通應(yīng)用率達80%以上。19901997年用于智能交通的預算為12.935億美元。its發(fā)展在車輛安全系統(tǒng)、gps適時定位系統(tǒng)、車輛管理系統(tǒng)。一是安全，減少事故和財產(chǎn)損失；二是經(jīng)濟效益，每年節(jié)省200億美元的目的；三是環(huán)

11、保和減少能耗。日本通過近十年的研究已建成符合本國國情的智能交通系統(tǒng)。1998年用于智能交通的研究經(jīng)費有161億日元，用于基礎(chǔ)設(shè)施的經(jīng)費有1285億日元。交通信息服務(wù)系統(tǒng)、高速公路不停車收費系統(tǒng)等較為先進的領(lǐng)域。1994年后未來30年減少50%的交通事故人員傷亡率，較少汽車尾氣排放對大氣的污染。歐洲各國its應(yīng)用程度介于美國與日本之間19951998年間用于共同研究的經(jīng)費有280億歐元。從道路交通擴展到鐵路和水路等64個課題的研究，分布于交通信息服務(wù)、電子自動收費管理等方面。一是安全性提高；二是有效性提高（出行時間節(jié)省6%）；三是環(huán)境保護（污染物減少50%等。中國地方試點和專家呼吁階段?；緹o基

12、本無基本無 1.3 交通信號燈控制的研究現(xiàn)狀城市交通系統(tǒng)是一種非線性的、時變的、滯后的大系統(tǒng)，以往的交通控制研究多是基于啟發(fā)式的考慮，而不是基于控制理論的方法。近多年來，隨著眾多研究控制理論出身的學者的加盟，使得城市交通自動控制領(lǐng)域的研究出現(xiàn)了新的思路、新的方法。本小節(jié)就近年來交通信號控制理論的研究進展作一簡述。1. 靜態(tài)多段配時控制靜態(tài)多段配時控制是利用歷史數(shù)據(jù)實現(xiàn)的一種開環(huán)控制，其基本設(shè)計思想源于線性規(guī)劃。它沒有考慮交通需求的隨機波動，沒有考慮城市道路交通流的實時進化過程，其控制能力和抗干擾能力非常有限。但就城市某一區(qū)域而言，每日的交通狀況畢竟表現(xiàn)出相當程度的重復性，車流的運動變化仍有一定

13、的規(guī)律可循。因此研究靜態(tài)多段配時控制，將其作為其他控制策略的“參照系”，或為它們提供“初值系統(tǒng)”還是很有意義的。這種方法簡便易行，尤其適用于穩(wěn)態(tài)交通環(huán)境，頗受交通工程人員歡迎。2. 準動態(tài)多段配時控制準動態(tài)多段配時控制與靜態(tài)多段配時控制相類似，只不過多段的劃分不是以時間為依據(jù)，而是以檢測到的實時交通狀態(tài)為依據(jù)。交通狀態(tài)可以用交通量、占有率、車速等交通數(shù)據(jù)的特征值來表達。被劃分成的若干個交通狀況分別配以不同的優(yōu)化配時。準動態(tài)多段配時控制是一閉環(huán)控制系統(tǒng)。由于反饋的引入，所以系統(tǒng)的動態(tài)性能比靜態(tài)多時段控制有明顯改善，但是又由于它的控制方式仍屬于方案選擇式，所以系統(tǒng)動態(tài)性能的改善又十分有限，故稱之為

14、準動態(tài)系統(tǒng)。3. 最優(yōu)控制城市交通控制的最優(yōu)問題可表述如下:對于滿足約束條件： （1-1） （1-2）的系統(tǒng) （1-3） 給定初始狀態(tài), 確定一個控制序列r(k)，使得以下性能指標最優(yōu) （1-4）其中:(1-l)式表示各方向排隊長度不能超過允許的上限，否則會影響上游相鄰路口的放行。(1-2)式表示控制變量r(也即綠信比)受到最大綠燈時間和最小綠燈時間的約束。(1-3)式中的表示路網(wǎng)中所有支路上排隊長度組成的向量;r表示各支路放行流量組成的向量，它與各路口的綠信比相對應(yīng)，是一控制向量;b是控制矩陣(i=0，1，m);a是一個時變的車輛到達向量。(1-3)式表示:此步排隊長度是上步剩余排隊長度減去

15、此步放行長度，再加上此步到達車輛數(shù)。(1-4)式表示性能指標，己經(jīng)寫成了二次型函數(shù)形式;rn為期望的控制向量，r，q為加權(quán)矩陣。在(1-4)式中引入了控制偏差的二次函數(shù)，目的是使最優(yōu)控制問題易于求解。如果控制系統(tǒng)的規(guī)模較小，控制模型維數(shù)較低，就可用極小值原理或動態(tài)規(guī)劃法對上述最優(yōu)問題求解。1.4 本文的主要工作近年來，國內(nèi)外許多專家致力于開發(fā)新的交通信號控制方法，人工智能是新的研究方向之一，這是因為人工智能在復雜系統(tǒng)的定性建模和控制上卓有成效。由于交通流量是時變的、非線性的，具有較大的隨機性，并且很難建立精確的數(shù)學模型，所以本文設(shè)計了一種根據(jù)前后相流量來決定信號燈配時的模糊控制系統(tǒng)，其主要內(nèi)容

16、如下:(l)對十字路口交通信號燈控制問題、控制系統(tǒng)組成等進行描述(2)設(shè)計兩級模糊控制系統(tǒng)(3)在plc上編程實現(xiàn)此模糊控制系統(tǒng)第二章 十字路口信號控制的基本理論和方法2.1 交通信號燈在道路上用來傳遞具有法定意義指揮交通流通行或停止的光、聲、手勢等，都是交通信號。交通信號是在空間上無法實現(xiàn)分離原則的地方，主要在平面交叉口上，用來在時間上給交通流分配通行權(quán)的一種交通指揮措施。交通信號燈用輪流顯示不同燈色來指揮交通的通行或停止。隨著信號燈的發(fā)展，各國使用的信號燈存在不同的差別，各自給信號燈賦予不同的含義。我國目前使用的信號燈基本上與國際規(guī)定一致，具體含義如下:(l)綠燈亮時，允許車輛、行人通行，

17、但轉(zhuǎn)彎的車輛不準妨礙直行的車輛和被放行的行人通行。(2)黃燈亮時，不準車輛、行人通行，但已越過停止線的車輛和已進入人行通道的行人，可以繼續(xù)通行。(3)紅燈亮時，不準車輛、行人通行。(4)綠色箭頭燈亮時，準許車輛按箭頭所示方向通行。(5)黃燈閃爍時，車輛、行人須在確保安全的原則下通行。(6)右轉(zhuǎn)彎車輛和t形交叉口右邊無人行橫道的直行車輛，遇黃燈或紅燈時，在不妨礙被放行的車輛和行人通行的情況下可以通行。2.2 信號燈的設(shè)置當交叉路口的交通量接近路口的通行能力時，考慮在交叉路口設(shè)置交通信號控制。信號燈設(shè)得合理、正確，能較充分地發(fā)揮道路的交通效益，如設(shè)置不當，非但浪費了設(shè)備和資金，并且會對交通造成不良

18、后果。如有些不合理信號控制的路口，由于主要道路上駕駛員遇紅燈而停車，但他在相當長的時間內(nèi)并未看到次要道路上有車通行，往往會引起有意或無意的闖紅燈。因此，信號控制交叉口的交通事故，多發(fā)生在交通量較低的交叉口上或交通量較低的時間內(nèi)。在吸取國外信號燈設(shè)置經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國目前具體的交通狀況，路口信號燈的設(shè)置與改進要運用交通工程學理論作指導，根據(jù)路口的地形特點、車流狀況，作好車輛與行人交通流量的調(diào)查，進口道上車輛行駛速度的調(diào)查，交通事故及違章調(diào)查，車輛可穿越的空當及延誤調(diào)查等，具體問題具體分析，制定優(yōu)化的信號配時，保證現(xiàn)代交通高效、節(jié)能、低公害運行。交叉路口交通信號燈安裝方式有兩種，一種是安裝在伸

19、向交叉路口中央上空型臂上;一種是安裝在路口邊或中央的燈柱上。信號燈的排列方式通常分為兩種:1、水平排列式從道路的中心線一側(cè)起以紅、黃、綠的順序向路邊排列。常用于路面較寬的道路。2、垂直排列式從上往下依次是紅、黃、綠燈。這種方式常用于路面較窄的道路。按固定方式排列信號燈有兩個好處:一是把紅燈信號放在最醒目的位置;二是可使患有色盲的人憑借位置來判斷信號的含義。在交叉路口中央上空安裝信號燈時應(yīng)符合車輛通行凈空高度界限的要求。信號燈的亮度應(yīng)保證人們在1o0m以外能看清。2.3 交通信號的控制方式根據(jù)所采用的控制裝置的不同，交通信號一般有三種控制方式：1、周期式信號。這種信號的周期長、相位、綠燈時間、轉(zhuǎn)

20、換時間等都是事先確定的。信號通過規(guī)定的周期運行，每個周期的周期長和相位都恒定不變。依靠所提供的設(shè)備，可用幾種預定配時方案，每一種都在一天規(guī)定的時間中交替使用。2、半感應(yīng)式信號。這種信號保證主干路總保持綠燈直到設(shè)在次干路上的檢測器探到有車輛到達。這時信號經(jīng)過一個適當?shù)霓D(zhuǎn)換間隔后，立刻為次干路顯示綠燈，該綠燈就維持到次干路上的車輛全部通過路口或持續(xù)到預定的最大綠燈時間為止。在綠波信號系統(tǒng)中，分配給次干路的綠燈時間必須限制在預定的時間內(nèi)。該系統(tǒng)的周期長和綠燈時間可根據(jù)需要隨時進行調(diào)整。當次干路沒有車輛時，主干路總是保持綠燈，事實上分配到次干路的綠燈時間可充分利用，所有“多余的”綠燈時間則都分配給主干

21、路。3、全感應(yīng)式信號。該信號的所有相位全由傳動檢測器來控制。一般每個相位都要規(guī)定最小與最大綠燈時間。這種控制方式的周期長度和綠燈時間可根據(jù)需要作很大的變動。周期中的某些相位是可以任意選擇使用的，當檢測器未測出交通量時，該時刻的相位可自動取消。目前，許多信號系統(tǒng)都實現(xiàn)了計算機控制，使用計算機系統(tǒng)控制的地理交叉口，其信號一般采用預定周期式控制。有些城市還部分地實現(xiàn)了交替信號的線或面的聯(lián)動控制，在這樣的系統(tǒng)中，計算機充當了主控機和監(jiān)視器的角色。此時，信號的聯(lián)動不僅對提高單個信號交叉口的通行能力和服務(wù)水平有很大作用，而且還對提高整條道路或整個路網(wǎng)的通行能力發(fā)揮著極其重要的作用。2.4 城市道路智能交通

22、信號控制系統(tǒng)智能交通信號控制系統(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)。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)化控制信號調(diào)整交通流等。國內(nèi)外各大中城市己有的交通信號控制系統(tǒng)就是根據(jù)不同環(huán)境條件，基于各自城市道路的規(guī)劃和發(fā)展水平建立起來的。2.4.1 智能交通信號控制系統(tǒng)的基本組成智能交通信號控制系統(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)庫、效益指標優(yōu)化模型、數(shù)據(jù)(圖像)分析處理等。圖2-1 城市道路智能交通信號控制系統(tǒng)框圖2.4.2 交通信號控制系統(tǒng)的主要

23、術(shù)語和參數(shù)1、 周期周期是指信號燈色發(fā)生變化，顯示一個循環(huán)所需的時間，也稱周期長，即紅、黃、綠燈時間之和。它是決定點控制定時信號交通效益的關(guān)鍵控制參數(shù)，用c表示。一般信號燈的最短周期長度不少于36秒，否則就不能保證幾個方向的車輛順利通過交叉口。最長周期長度一般不超過120秒。從疏散交通的角度講，顯然當交通需求越大時，周期應(yīng)越長，否則一個周期內(nèi)到達的車輛不能在該周期的綠燈時間內(nèi)通過交叉口，就會發(fā)生堵塞現(xiàn)象。正確的周期時長應(yīng)該是，每一個相位的綠燈時間剛好使該相位各入口處等待車隊放行完畢。如一個具有兩相位(東西向和南北向)交通流的交叉口，設(shè)兩個相位的交通到達率(到達率)分別是dl、d2，相應(yīng)相位的通

24、行能力分別為s1，s2，周期時長為c，綠燈時間分別為g1、g2，其中損失時間分別為l1、l2(損失時間是指燈色切換過程中的損失時間和不能被充分利用的綠燈時間，原因是綠燈出現(xiàn)之初車隊有個反應(yīng)和加速的過程)，則： (2-1) (2-2)將上兩式相加，并將代入g1+g2=c，得 (2-3)若s1=s2=s，則有 (2-4)由式(2-4)可計算出保證路口不堵塞的一個最小周期值。然而，若交通流的需求過高，堵塞現(xiàn)象將成為不可避免的，信號周期長度的選取應(yīng)根據(jù)某種優(yōu)化性能指標選擇。2、相位相位：即信號相位，是指在周期時間內(nèi)按需求人為設(shè)定的，同時取得通行權(quán)的一個或幾個交通流的序列組。3、相位差相位差:具有相同周

25、期長的相關(guān)路口，在同方向上的兩個相關(guān)相位的啟動時間差，稱為相位差。從某一車流方向來看，為使車輛在交叉口處不受阻而流暢通過，與其使相關(guān)聯(lián)信號同時顯示同一燈色(特別是綠燈開始時間)，不如使綠燈開始時間錯開一些。這里稱時間對“錯開”為相位差。把干線上某一路口作為基準路口，其他各路口的協(xié)調(diào)相位起始時刻滯后于基準路口的協(xié)調(diào)相位起始時刻的最小時間差，稱為絕對相位差;車輛行使方向任意相鄰路口的協(xié)調(diào)相位起始時刻的最小時間差，稱為相對相位差。通常用時距圖表示信號配時與距離的關(guān)系。圖2-4 時距圖以第1個交叉口的信號為基準，則圖中的al、a2、a3分別為交叉口2、3、4的信號的絕對相位差。要確定路口信號間的相對相

26、位差，則需要先確定車輛的行駛方向。當車輛由路口1沿道路駛向路口4時，bl是路口2信號和路口1信號的相對相位差;b2是路口3信號和路口2信號的相對相位差;當車輛由路口4沿道路駛向路口1時，b3是路口3信號和路口4信號當相對相位差;b4是路口2信號和路口3信號的相對相位差。由時距圖可以看出，bz和b4均表示路口2信號和路口3信號之間的相對相位差，只是因選定行車方向不同而具有不同的數(shù)值。兩者之和等于一個周期的長度。4、飽和流量:是衡量路口交通流施放能力的重要參數(shù)，通常是指一個綠燈時間內(nèi)的連續(xù)通過路口的最大車流量。5、綠燈間隔時間:是指從失去通行權(quán)的相位的綠燈結(jié)束，到下一個得到通行權(quán)的相位綠燈開始所用

27、的時間。6、有效綠燈時間:是指被有效利用的實際車輛通行時間。它等于綠燈時間與黃燈時間之和減去頭車啟動的損失時間。2.4.3 智能交通信號控制的核心智能交通信號控制系統(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)化定周期方案、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量信息，通過設(shè)置的控制模型算法選取適當?shù)男盘柵浔瓤刂品桨?，是被動的控制策略。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，交互式控制策略使信號控制由感控到誘導實現(xiàn)了真正的智能，交通信號

28、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，以達到均衡道路交通負荷的主動的控制策略。尤其重要的是計算機網(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?？梢哉f，城市道路智能交通信號控制系統(tǒng)是城市道路交通管理隨著信息產(chǎn)業(yè)技術(shù)迅猛發(fā)展的綜合產(chǎn)物。2.4.4 智能交通信號控制系統(tǒng)的基本設(shè)計步驟根據(jù)路口交通現(xiàn)狀和預測進行交通渠化設(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，進行交通參數(shù)設(shè)定根據(jù)交通渠化設(shè)計及控制

29、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區(qū)定位)根據(jù)各個路口配備設(shè)備的相關(guān)性，完成協(xié)調(diào)設(shè)計確定系統(tǒng)和單點控制的優(yōu)化目標函數(shù)，得出最優(yōu)信號控制方案配置路口信號控制機的固化基礎(chǔ)參量，配置主控中心數(shù)據(jù)庫與數(shù)據(jù)傳輸設(shè)置。 第3章 信號燈控制系統(tǒng)的設(shè)計3.1 信號燈結(jié)構(gòu)設(shè)計本文以十字路口信號燈的plc控制為主進行研究。該十字路口信號燈包括南北方向左轉(zhuǎn)和直行紅黃綠燈和人行道紅綠燈各兩組，東西方向左轉(zhuǎn)紅黃綠燈用人行道紅綠燈各兩組，本節(jié)設(shè)計主要圍繞各個信號燈的工作時序圖和具體的plc控制程序來做介紹。3.1.1 工作時序圖1南北方向?qū)τ谠摲较?，信號燈配置為左轉(zhuǎn)紅黃綠燈和直行紅黃綠燈以及人行道紅綠燈

30、各兩組。直行紅黃綠燈控制直行車輛，同時左轉(zhuǎn)紅黃綠燈控制左轉(zhuǎn)車輛，兩組信號燈狀態(tài)相反，分別在不同時段放行直行以及左轉(zhuǎn)的車輛。本文采用的是以120s為周期，其信號燈工作時序如圖3.1所示。對于直行紅黃綠燈，該組信號燈的3個燈以綠燈（35s） 黃燈(5s) 紅燈（80s）依次循環(huán)。對于左轉(zhuǎn)紅黃綠燈，該組信號燈的3個燈以紅燈（40s） 綠燈（15s） 黃燈(5s) 紅燈（60s）依次循環(huán)。對于人行道紅綠燈，本設(shè)計配置了紅燈和綠燈兩種狀態(tài)，且該紅、綠燈各自均以紅燈（60s） 綠燈（60s）依次循環(huán)，并且與直行方向與左轉(zhuǎn)方向綠燈狀態(tài)相反。即對于某一車道，當直行及左轉(zhuǎn)紅燈均亮時該側(cè)的人行道綠燈才亮，當任一直

31、行或左轉(zhuǎn)綠燈亮時該人行道都顯示為紅燈亮。 圖3.1 南北方向信號燈工作時序圖2東西方向東西方向的信號燈工作與南北方向呈對稱方式，行車與南北方向道路交替進行，其工作時序如圖3.2所示。對于東西直行紅黃綠燈，該組信號燈的3個燈以紅燈（60s） 綠燈(35s) 黃燈（5s） 紅燈（20s）依次循環(huán)。對于東西左轉(zhuǎn)紅黃綠燈，該組信號燈的3個燈以紅燈（100s） 綠燈(15s) 黃燈（5s）依次循環(huán)。對于東西側(cè)人行道紅綠燈，各自以綠燈（60s） 紅燈（60s）依次循環(huán)，并且與直行方向與左轉(zhuǎn)方向綠燈狀態(tài)相反。圖3.2 東西方向信號燈工作時序圖3.1.2 可編程控制器i/o端口分配由于本設(shè)計所選用的plc為輸

32、入點：64，輸出點：64，晶體管輸出。而本設(shè)計中的輸入輸出點數(shù)共為52點，均在plc的基本輸入輸出點數(shù)范圍之內(nèi)，所以無需進行i/o擴展，在設(shè)計時只需賦與其不同的端口地址即可。1.外部輸入控制按鈕本設(shè)計當中的6個外部控制按鈕的具體i/o端口分配方式如表3.3所示。plc上的外部輸入控制按鈕總共分為6個，分別是系統(tǒng)啟動按鈕、系統(tǒng)停止按鈕、南北無線手動強通啟動按鈕、南北無線手動強通停止按鈕、東西手動強通啟動按鈕、東西手動強通停止按鈕。表3.3 外部輸入控制按鈕i/o端口分配啟動停止南北強通啟動南北強通停止東西強通啟動東西強通停止x000x001x002x003x004x0052.信號燈輸出plc系統(tǒng)

33、的信號燈輸出量主要是由各個方向的紅、黃、綠燈所構(gòu)成的。對于南北方向上某一行車方向的信號燈輸出，本設(shè)計共設(shè)置了三組信號燈，其中兩組車輛信號燈，分為直行紅、黃、綠燈和左轉(zhuǎn)紅、黃、綠燈，另外一組是人行道上的紅綠燈。另一方行車方向上信號燈的設(shè)置與該方向完全相同；對于東西方向，由于其行車與南北方向?qū)ΨQ，所以其信號燈的設(shè)置也與南北向相同。信號燈輸出的i/o端口分配方式如表3.4所示：表3.4 信號燈輸出的i/o端口分配南北直行綠燈y000東西直行綠燈y010南北直行黃燈y001東西直行黃燈y011南北直行紅燈y002東西直行紅燈y012南北左轉(zhuǎn)綠燈y003東西左轉(zhuǎn)紅燈y013南北左轉(zhuǎn)黃燈y004東西左轉(zhuǎn)綠

34、燈y014南北左轉(zhuǎn)紅燈y005東西左轉(zhuǎn)黃燈y015南北人行綠燈y006東西人行綠燈y016南北人行紅燈y007東西人行紅燈y0173.數(shù)碼管輸出本設(shè)計中四個方向數(shù)碼管共設(shè)置了四組，南北方向和東西方向各兩組，每一方向的兩組數(shù)碼管顯示均相同。對于某一組數(shù)碼管，又分為了個位數(shù)字顯示和十位顯示，所以本設(shè)計當中的四組數(shù)碼管共占用28點輸出。數(shù)碼管輸出的i/o端口分配如表3.5所示：表3.5 數(shù)碼管輸出的i/o端口分配南北組數(shù)碼管個位ay020東西組數(shù)碼管個位ay040by021by041cy022cy042dy023dy043ey024ey044fy025fy045gy026gy046南北組數(shù)碼管十位a

35、y030東西組數(shù)碼管十位ay050by031by051cy032cy052dy033dy053ey034ey054fy035fy055gy036gy0563.1.3 程序梯形圖本設(shè)計的梯形圖設(shè)計力求簡單、高效，在完成設(shè)計要求的同時，盡量簡化系統(tǒng)，充分利用系統(tǒng)資源。1.南北方向在南北直行方向，當開始按鈕啟動后，首先啟動直行綠燈輸出，并設(shè)置定時器t0在35s后動作，接通直行黃燈，斷開直行綠燈的通路，同時啟動定時器t1。5s后t1動作，接通直行紅燈，斷開直行黃燈通路，同時啟動定時器t2。南北方向的程序梯形圖如圖3.6所示：對于南北左轉(zhuǎn)方向，當開始按鈕啟動后，在直行黃燈啟動5s后左轉(zhuǎn)綠燈啟動，同時啟動

36、定時器t3。15s后啟動左轉(zhuǎn)黃燈并斷開左轉(zhuǎn)綠燈通路，同時啟動定時器t4。5s后斷開自身通路。對于左轉(zhuǎn)紅燈，本設(shè)計采用左轉(zhuǎn)紅燈通路上串入左轉(zhuǎn)綠燈和左轉(zhuǎn)黃燈的常閉開關(guān)控制的方法，既可以簡單地對左轉(zhuǎn)紅燈進行控制，同時還保證了紅燈和綠燈不會同時亮，提高了系統(tǒng)安全性。對于無線強通控制，當強通開關(guān)x002按下后，通過x002的常開及常閉開關(guān)強行接通直行方向綠燈，同時強行斷開其它方向通路。對于人行道信號燈，本設(shè)計能過采用直行及左轉(zhuǎn)紅、黃、綠燈的常開及常閉開關(guān)直接控制其紅燈和綠燈的通路，也大大簡化了系統(tǒng)，符合設(shè)計的可靠性和經(jīng)濟性等要求。 圖3.6 南北方向程序梯形圖（a） 續(xù)圖（b） (b) 續(xù)圖（c）(c)

37、2.東西方向東西方向的梯形圖構(gòu)成與南北方向相同，但啟動次序不同，本文不加以詳細論述。具體梯形圖程序如圖3.7所示： 圖3.7 南北方向程序梯形圖(a) 續(xù)圖（b） (b) 3.1.4 信號燈的plc外部連線圖信號燈的plc外部連線較為簡便，信號燈輸出一端直接接plc的輸出端，另一端在并上一個24v的直流電源后接入plc的接地端com1。連線圖如圖3.8所示：圖3.8 信號燈的plc外部連線圖3.2 倒計時數(shù)碼管的設(shè)計在實際的交通控制中，僅有信號燈是遠遠不夠的，還需要系統(tǒng)將各個時序階段的具體運行時間顯示出來。本節(jié)將就如何實現(xiàn)數(shù)碼顯示及數(shù)碼管的外部接線作詳細介紹。3.2.1程序梯形圖本設(shè)計中四個方

38、向數(shù)碼管共設(shè)置了四組，南北方向和東西方向各兩組，每一方向的兩組數(shù)碼管顯示均相同。對于某一組數(shù)碼管，又分為了個位數(shù)字顯示和十位顯示，對于該組數(shù)碼管，又分別顯示直行、左轉(zhuǎn)時兩個燈切換之間的時間。該段程序的設(shè)計，主要是通過d0-d4數(shù)據(jù)寄存器來實現(xiàn)。開始時，南北直行綠、南北直行黃、南北直行紅、東西直行綠、東西直行黃、東西直行紅分別在其電路接通時發(fā)送給顯示電路一個脈沖信號，同時中間繼電器m8013每隔1s發(fā)送一個脈沖信號。當顯示電路收到信號后首先將d0清零， 并且每秒加1，然后用要顯示的數(shù)依次減去d0中的數(shù)字并發(fā)送到寄存器d1；將d1中的數(shù)字分別取個位和十位發(fā)送到寄存器d2和d4，最后用segd命令將

39、d2和d4中的數(shù)字顯示到數(shù)碼管上。1.南北方向該方向程序的梯形圖設(shè)計如圖3.9所示： 圖3.9 南北方向程序梯形圖(a) 續(xù)圖（b） (b) 2.東西方向該方向程序的梯形圖設(shè)計如圖3.10所示： 圖3.10 東西方向程序梯形圖(a) 續(xù)圖（b） (b) 3.2.2 數(shù)碼管的plc外部連線圖對于數(shù)碼管的連線，南北向、東西向的兩組數(shù)碼管的各接頭依次接在plc輸出端的y020-y056口上，另一端再并上一個24v的直流電源后接入plc的接地端com1，連線圖如圖3.11所示：圖3.11 數(shù)碼管的plc外部連線3.3 本章小結(jié)本章研究了信號燈的具體配置、時序要求、端口分配、梯形圖程序的設(shè)計以及plc外

40、部連線；對于數(shù)碼管顯示，主要研究了數(shù)碼管的顯示原理、控制程序和外部連線等問題，己完成了交通信號燈控制系統(tǒng)設(shè)計的大部分。對于系統(tǒng)的仿真，本設(shè)計選用三菱公司的gx.developer程序開發(fā)工具進行仿真模擬。第四章 交通燈系統(tǒng)的設(shè)計4.1 交通系統(tǒng)的發(fā)展趨勢交通系統(tǒng)未來的發(fā)展趨勢就是要提高通行能力，加強環(huán)境保護，開展智能化運輸和環(huán)保專項技術(shù)的研究，并且要做到以人為本，重點開展交通安全技術(shù)的研究，在這個過程中要確定經(jīng)濟合理的目標，促進新材料的廣泛應(yīng)用和開發(fā)。4.2 選擇vhdl硬件描述語言設(shè)計的優(yōu)勢首先，簡單地介紹一下什么是vhdl硬件描述語言。vhdl的英文全稱是vhsic（very high s

41、peed integrated circuit）hardware description language。是eda設(shè)計中使用最多的語言之一，它具有很強的電路描述和建模能力，能從多個層次對數(shù)字系統(tǒng)進行建模和描述，從而大大地簡化了硬件設(shè)計任務(wù)，提高了設(shè)計效率和可靠性。其次，這次設(shè)計選用vhdl硬件描述語言的優(yōu)勢就在于傳統(tǒng)的用原理圖設(shè)計電路的方法具有直觀形象的優(yōu)點，但如果所設(shè)計系統(tǒng)的規(guī)模比較大，或者設(shè)計軟件不能提供設(shè)計者所需的庫單元時，這種方法就顯得很受限制了。而且用原理圖表示的設(shè)計，通用性、可移植性也比較弱，所以在現(xiàn)代的設(shè)計中，越來越多地采用了基于硬件描述語言的設(shè)計方式。利用硬件描述語言來設(shè)計電

42、路，使探測各種設(shè)計方案變成一件很容易的事，因為只需要對描述語言進行修改，這比更改電路原理圖要容易實現(xiàn)得多。4.3 紅綠燈交通信號系統(tǒng)功能描述在交通信號燈的設(shè)計中，外部硬件電路方面主要包括：兩組紅綠燈、兩組led顯示器（見圖1）。軟件方面包括：（1）電路合成模塊的概念：將交通燈信號系統(tǒng)劃分成若干個小電路，編寫每一個模塊的vhdl程序代碼，并將各個小電路相連接。這樣可以增加程序的調(diào)試速度，同時也能夠?qū)⒐ぷ骷毞?，以提高編程速度（見圖2、圖3）。（2）參數(shù)化的概念：針對不同時段的交通流量，可以調(diào)整紅綠燈電路（增加或者減少電路的計數(shù)時間），以增加程序的靈活性。 圖1 十字路口示意圖時鐘發(fā)生電路紅綠燈信號

43、控制電路倒計時控制電路計數(shù)秒數(shù)選擇電路 東西及南北方向信號燈時鐘輸入端系統(tǒng)復位端東西及南北方向倒計時 圖2 交通信號燈系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖由交通信號燈系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖(見圖2)可知，該系統(tǒng)由4個子電路組成。其中包括：(1) 時鐘發(fā)生電路；(2) 計數(shù)秒數(shù)選擇電路；(3) 倒計時控制電路；(4) 紅綠燈信號控制電路。 圖3 交通信號燈系統(tǒng)模塊圖由圖3可以看出系統(tǒng)大體的工作程序是：首先由時鐘發(fā)生電路產(chǎn)生穩(wěn)定的時鐘信號，為下面三個子電路提供同步工作信號。接收到時鐘信號的紅綠燈信號控制電路開始工作，并將產(chǎn)生的重新計數(shù)的輸出使能控制信號發(fā)送給計數(shù)秒數(shù)選擇電路和倒計時控制電路，同時還會將目前電路產(chǎn)生的狀態(tài)信號發(fā)送給前者。

44、接收到重新計數(shù)的信號后計數(shù)秒數(shù)選擇電路就會負責產(chǎn)生計數(shù)器所需要的計數(shù)值，并將這一數(shù)值發(fā)送給倒計時控制電路，由它利用發(fā)光二極管顯示倒計時的狀態(tài)。當計數(shù)器計時完畢，倒計時控制器就會負責產(chǎn)生一個脈沖信號發(fā)送給紅綠燈信號控制電路進入下一個狀態(tài)，之后循環(huán)這一過程。4.4 紅綠燈交通信號系統(tǒng)的vhdl模塊4.4.1 時鐘脈沖發(fā)生電路在紅綠燈交通信號系統(tǒng)中，大多數(shù)的情況是通過自動控制的方式指揮交通的。因此，為了避免意外事件的發(fā)生，電路必須給出一個穩(wěn)定的時鐘（clock）才能讓系統(tǒng)正常的工作。因此，hld1時鐘發(fā)生電路（見圖4）最主要的功能就是產(chǎn)生一些穩(wěn)定的輸出信號，并將其用做后面幾個電路的使能控制與同步信號

45、。 圖4 時鐘發(fā)生電路模塊圖系統(tǒng)輸入信號：clk：由外部信號發(fā)生器提供1khz的時鐘信號；reset：系統(tǒng)內(nèi)部自復位信號。系統(tǒng)輸出信號：ena_scan：將外部的時鐘信號進行分頻處理；ena_1hz：產(chǎn)生每秒一個的脈沖信號；flash_1hz：產(chǎn)生每秒一個脈沖的時鐘信號。經(jīng)仿真后得到的時序圖(見圖5、圖6)：圖5 將clk經(jīng)分頻處理后得到的ena_scan信號 圖6 時鐘發(fā)生電路時序圖從圖5中可以看出，當外部信號發(fā)生器提供了1khz的時鐘信號后，系統(tǒng)輸出信號ena_scan就將時鐘信號進行了4分頻。從圖6又可以看出，當加入1khz的時鐘信號后，ena_1hz產(chǎn)生了周期為一秒的脈沖信號，flas

46、h_1hz產(chǎn)生了周期為一秒的脈沖時鐘信號。在這段程序的設(shè)計過程中最大的特點就是引用了參數(shù)化的概念，即使用了常數(shù)(constant)。常數(shù)的定義和設(shè)置主要是為了使程序更容易閱讀和修改，只要改變了常量的數(shù)值，使用到該常數(shù)的地方都會隨著更新而使用新的常數(shù)值。這就使設(shè)計的靈活性增強了。例如程序中用到的：constant scan_bit:positive:=2;signal clk_scan_ff:std_logic_vector(scan_bit-1 downto 0);第一句就是將scan_bit設(shè)為常數(shù)2，這個數(shù)值是可以根據(jù)設(shè)計的需要任意設(shè)定的。第二句是定義一個信號，它的位數(shù)就是(scan_bi

47、t-1),因為之前scan_bit設(shè)定的值為2，所以信號的位數(shù)就是2位。如果想增減信號的位數(shù)，只需要改動常數(shù)的賦值就可以了。4.4.2 計數(shù)秒數(shù)選擇電路當通過交通路口時，如果能在一個方向增添一個倒計時顯示器對車輛、行人加以提示，可能會有更好的效果。因此,hld2計數(shù)秒數(shù)選擇電路(見圖7)最主要的功能就是負責輸出顯示器需要的數(shù)值（即倒數(shù)的秒數(shù)值），作為倒計時顯示器電路的計數(shù)秒數(shù)。 圖7 計數(shù)秒數(shù)選擇電路模塊圖系統(tǒng)輸入信號：clk：由外部信號發(fā)生器提供1khz的時鐘信號；reset：系統(tǒng)內(nèi)部自復位信號；ena_scan：接收由時鐘發(fā)生電路提供的250hz的時鐘脈沖信號；recount：接收由交通燈

48、信號控制電路產(chǎn)生的重新計數(shù)的使能控制信號；sign_state：接收由交通燈信號控制電路產(chǎn)生的狀態(tài)信號。系統(tǒng)輸出信號： load：負責產(chǎn)生計數(shù)器所需要的計數(shù)數(shù)值。經(jīng)仿真后得到的時序圖(見圖8)： 圖8 計數(shù)秒數(shù)選擇電路時序圖由計數(shù)描述選擇電路的時序圖(見圖8)可以看出這段程序中定義了在正常車流量情況下，東西及南北方向紅燈、黃燈和綠燈需要維持的秒數(shù)分別是15s、5s和25s。architecture bhv of hld2 isconstant redew_time:integer:=15;-東西方向紅燈設(shè)定為15s。constant yellowew_time:integer:=5;-東西方向

49、黃燈設(shè)定為5s。constant greenew_time:integer:=25;-東西方向綠燈設(shè)定為25s。constant redsn_time:integer:=15;-南北方向紅燈設(shè)定為15s。constant yellowsn_time:integer:=5;-南北方向黃燈設(shè)定為5s。constant greensn_time:integer:=25;-南北方向綠燈設(shè)定為25s。beginprocess(reset,clk)begin if reset='1' then load<="00000000" elsif (clk'eve

50、nt and clk='1') then if (ena_scan='1' and recount='1') then case sign_state is when "000"=>load<=conv_std_logic_vector(greensn_time,8); -sign_state=“000”時，南北方向綠燈亮25s。 when "001"=>load<=conv_std_logic_vector(yellowsn_time,8); -sign_state=“001”時，

51、南北方向黃燈亮5s。 when "010"=>load<=conv_std_logic_vector(redsn_time,8); -sign_state=“010”時，南北方向紅燈亮15s。 when "011"=>load<=conv_std_logic_vector(redew_time,8); -sign_state=“011”時，東西方向紅燈亮15s。 when "100"=>load<=conv_std_logic_vector(yellowew_time,8); -sign_state

52、=“100”時，東西方向黃燈亮5s。 when "101"=>load<=conv_std_logic_vector(greenew_time,8); -sign_state=“101”時，東西方向綠燈亮25s。 when others=>load<=conv_std_logic_vector(yellowsn_time,8); end case;當外部信號發(fā)生器提供了1khz的時鐘信號，并且重新計數(shù)信號(recount)為“1”時,load信號就會按照預先設(shè)置的數(shù)值逐1遞減,直至減到零為止,當下一個重新計數(shù)信號(recount)再次為“1”時，會重復此過程。在這段程序的設(shè)計中用到了conv_std_logic_vector(value,n)語句，它的用法就是將已經(jīng)定義的數(shù)值 (value)轉(zhuǎn)換成n位(