2022年2022年交通信号控制系统的现状与发展对策 .pdf

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1、第26卷 第1期2008年1月北京工商大学学报(自然科学版)Journal of Beijing Technologyand BusinessUniversity(Natural ScienceEdition)Vol126 No11Jan. 2008文章编号:167121513 (2008) 0120029204交通信号控制系统的现状与发展对策毕海滨1,刘玉德1, 林建龙1,杨 昊1,熊光洁1,梁乙朝2(11 北京工商大学机械自动化学院, 北京 100037; 21 北京市公安交通管理局科研所, 北京 100061)摘 要 : 介绍了当前世界各国广泛使用的4 种城市道路交通信号控制系统. 就交

2、通信号控制系统的国内应用现状,指出了存在的问题. 分别从信号采集、 软硬件架构、 控制策略等几个方面介绍了交通信号控制系统的现状和未来的研究发展方向. 介绍了嵌入式处理器和嵌入式操作系统的应用和发展 .关键词 : 智能交通 ; 信号控制 ; 嵌入式中图分类号: TP23 文献标识码: A收稿日期: 2007210212基金项目:北 京 市 教 育 委 员 会 科 技 发 展 计 划 面 上 资 助 项 目( KM200610011003) ;北 京 市 委 组 织 部 优 秀 人 才 培 养 资 助 项 目(20061D0500300139 ) .作者简介:毕海滨( 1977) ,男,山东淄博

3、人,硕士研究生,研究方向为计算机辅助工程;刘玉德( 1963) ,男,山东招远人,副教授,主要从事先进加工制造技术、 城市交通控制等方面的研究.交通信号控制系统是现代城市交通控制和疏导的主要手段 . 而作为城市交通基本组成部分的平面交叉路口 ,其通行能力是解决城市交通问题的关键,而交通信号灯又是交叉路口必不可少的交通控制手段. 随着计算机技术和自动控制技术的发展,以及交通流理论的不断发展完善,交通运输组织与优化理论 、 技术的不断提高,国内外逐步形成了一批高水平有实效的城市道路交通控制系统.1国外现状111 英国 TRANSYT 交通信号控制系统TRANSYT系统是目前最成功的静态系统,但其缺

4、点很明显:计算量大 ,在大城市中这一问题尤为突出 ;不对周期进行优化,故很难获得整体最优配时方案 ;它是离线优化,需要大量的路网几何、 交通流数据 ,需要花费大量的人力、 物力 、 财力 .112 澳大利亚 SCAT 系统SCATS 采取分层递阶式控制结构. 其控制中心备有一台监控计算机和一台管理计算机,通过串行数据通讯线路相连. 地区级的计算机自动把各种数据送到管理计算机. 监控计算机连续地监视所有路口的信号运行、 检测器的工作状况. 地区主控制器用于分析路口控制器送来的车流数据,确定控制策略 ,并对本区域各路口进行实时控制.SCATS系统充分体现了计算机网络技术的突出优点 ,结构易于更改,

5、控制方案较易变换. SCATS系统明显的不足:第一 ,系统为一种方案选择系统,限制了配时参数的优化程度;第二 ,系统过分依赖于计算机硬件,移植能力差:第三 ,选择控制方案时,无实时信息反馈.113 英国 SCOOT 系统SCOOT 是由英国道路研究所在TRANSYT 系统的基础上采用自适应控制方法于1980 年提出的动态交通控制系统. SCOOT 的模型与优化原理与TRANSYT相仿 ,不同的是SCOOT 为方案生成的控制系统,是通过安装在交叉口每条进口车道最上游的车辆检测器所采集的车辆信息,进行联机处理,从而形成控制方案,并能连续实时调整周期、 绿信比和相位差来适应不同的交通流.SCOOT

6、系统的不足是:相位不能自动增减,任何路口只能有固定的相序;独立的控制子区的划分不能自动完成,只能人工完成;安装调试困难,对用92名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 4 页 - - - - - - - - - 户的技术要求过高.114 意大利 UTOPIA/ SPOT 系统U TOPIA/ SPOT 系统由两部分组成,SPO T(小型的分布式交通控制系统) 和 U TOPIA (面控软件) ;系统考虑了公交优先的功能;采用了“强相互作用” 的概念来保证区域控制的

7、最优性和鲁棒性.此外 ,日本 Kyosan电器制作有限公司的交通控制系统 、 德国的Siemens系统等也在我国得到了一定地应用.2国内城市交通控制系统研究状况国内应用和研究城市交通控制系统的工作起步较晚 ,20 世纪 80 年代以来,国家一方面进行以改善城市市中心交通为核心的U TSM ( urban traffic sys2tem manage) 技术研究 ;另一方面采取引进与开发相结合的方针,建立了一些城市道路交通控制系统.以北京 、 上海为代表的大城市,交通控制系统主要是简易单点信号机、 SCOOT 系统 、 TRANSYT系统和SCATS系统其中几个结合使用;而如湘潭、 岳阳等国内中

8、小城市,交通控制系统主要还是使用国产的简易单点信号机和集中协调式信号机.这些信号系统虽然取得了较好的效果,但我国实际情况决定了需要对这些系统进行改进.1) 需要完善信号控制. 现有的单点信号控制系统一般只能实现两相位控制,存在一定的局限性.而实际中 ,如果根据交叉路口的情况,适当采用多相位控制 、 变相序控制,可减少交叉路口的交通冲突,提高交通的安全性.2) 需要合理解决混合交通流问题. 现有信号控制系统对自行车流大多是与机动车同时开始,容易造成交通流冲突. 因此 ,需要设计一种信号系统能对各个相位包括对自行车流单独进行控制.3) 实现区域网络协调控制. 目前 ,虽然在我国的几个大城市,引进或

9、研制了具有区域控制功能的集中式计算机控制系统,但对于中小城市来说,建立这样庞大的系统一方面代价高昂,另一方面实际利用效率不高 . 为了解决这一情况,在国内的中小城市应大量推广小型区域网络协调控制信号系统.4) 国产化率低.目前国内采用的信号控制系统 ,国产化率整体较低,而进口费用十分昂贵. 因此 ,研制并设计出符合我国实际情况的交通信号控制系统 ,意义重大 ,效益也将十分明显123 .3交通信号控制系统的发展对策311 信息采集方式目前采用的方式很多,如环形线圈检测、 激光 /红外线检测、 视频检测等 .环形线圈感应式检测技术是目前在我国应用最为广泛的方式 . 它是由环形线圈作为检测探头的一套

10、能检测到车辆通过或存在于检测区的技术. 这种检测方式的缺陷和限制主要体现在环形线圈的检测参数比较少、 对混合交通流难以进行较准确的检测、车辆及道路路面变化对检测线圈损毁严重,导致维护成本上升 、 安装和维护时必须关闭车道等. 虽然目前应用很广,但对于城市交通而言环形线圈检测技术并不适宜,目前国内多是采用在环形线圈检测的基础上增加可视的监视设备作为辅助的方式. 考虑其应用简单、 成本低 、 检测准确度高,且不受环境影响的特点,故对于高速公路、 桥梁 、 隧道等场合,环形线圈检测还是有着广阔应用前景的.视频检测技术是目前发展的主要方向,也必然是将来最主要的应用方式. 计算机处理器和存储器功能愈来愈

11、强大,其价格却逐渐走低,这使得最初制约视频检测技术发展的瓶颈不复存在,它的优点从而也得到了进一步的放大. 功能强大 、 图像直观 、 软件控制 、 便于升级,易于增添检测项目、 使用方便 、 安装维修不破坏路面、 不封闭车道等诸多优点,使得国内外的众多研究机构都将精力投入其中.激光 / 红外线检测技术主要应用于一些特殊的场合 .312 软硬件架构31211 硬件方面发展到今天,由于应用环境的不同要求,现代计算机技术形成了两大不同的技术分支,即通用计算机系统与嵌入式系统. 通用计算机系统的技术要求是高速 、 海量的数值计算,其技术发展方向是追求速度的无限提升、 存储容量的无限扩大. 嵌入式系统的

12、技术要求是对环境对象的智能化控制能力,其技术发展方向是追求与对象系统密切相关的嵌入性能 、 控制能力与控制的可靠性. 而信号机在硬件的设计选用上也依此分为两个方向:一类采用嵌入式处理器作为处理器,另一类则是按通用计算机系统标准来进行设计开发.由于西方国家的经济发达,故他们的交通信号03北京工商大学学报(自然科学版)2008年1月名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 4 页 - - - - - - - - - 控制系统多是按照功能完善的思路来进行设计的,在他们的系

13、统中普遍采用了通用计算机标准来进行设计开发 . 在此标准下研制的信号机功能强大、 结构复杂 、 价格昂贵 . 我国自产的交通信号机多是采用 8/ 16 位单片机作为处理器的,目前也有少量采用了 32 位微处理器的产品. 但总体来看其结构功能还不是很完善,距离满足实现区域交通协调控制、 从而达到完全智能控制的要求还相差很远.随着半导体工艺的进步,嵌入式处理器的功能愈来愈强大,其稳定 、 可靠的特点得到了放大,这使得它在交通信号控制系统中的应用前景愈加光明.由于产品种类众多,性价比高,开发工具和软件丰富 ,ARM 系列处理器成为当前主流应用的嵌入式处理器 . 当前世界上有影响的半导体公司都在生产A

14、RM 内核的嵌入式处理器,其中主流ARM 内核包括ARM7 TDM I、ARM9/ 9E、ARM10和Stron2gARM/ Xscale426.31212 软件方面嵌入式处理器的软件大致经历了4个阶段:1) 无操作系统的直接程序控制时期. 这时软件几乎是用汇编语言或宏语言来写. 我国多数采用8/ 16 位单片机作处理器的信号机都是此类方式.2) 简单操作系统时期. 这时操作系统通常是专用而简单的,仅用于特定的微处理器. 当新处理器出现 ,其必须重新写一遍,稳定性和可移植性差.3) 嵌入式操作系统时期.嵌入式操作系统能运行于各种不同类型的微处理器上,兼容性好. 目前国内外已有几十种商业化的嵌入

15、式操作系统可供选择 ,如 VxWorks 、 pSOS、 PalmOS、 Neculeus、 Win2dowsCE、 ucLinux 等 . 在一个成熟的嵌入式操作系统上进行应用开发是目前交通信号控制系统的主要发展方向 ,我国的多数关于交通信号控制系统的研究都处于这个阶段.4) 基于 Internet 的嵌入式软件时期. 近年来,互联网得到了飞速发展,扩展了嵌入式系统的应用服务领域 . 相应地 ,嵌入式软件涉及的面也愈发扩大. 它不仅包括嵌入式操作系统等系统软件,还包括一系列支撑软件,如数据库 、 调试软件、 网络通信协议 、 用户界面系统等,当然也包括各种应用软件.这是交通信号控制系统面向未

16、来的发展方向.313 控制策略方面目前 ,我国大多数城市中的大多数交叉路口采用的控制方式是定时控制或者是车辆感应式控制,其控制策略基于简单的数学模型,对于交通系统这样具有随机性、 模糊性和不确定性的复杂系统而言其效果往往差强人意.随着计算机技术和自动控制技术的发展,以及交通流理论的不断发展完善,交通运输组织与优化理论 、 技术的不断提高,模糊控制被引入到了交通信号控制系统当中. 模糊控制不需要建立精确数学模型 ,减少了大规模的数学计算;能吸收人工控制经验 ,模仿人脑逻辑推理和决策过程,有效且便捷地实现人的控制策略和经验;不仅控制过程简化,且能满足实时性的要求. 模糊控制也有其缺陷,主要是精度不

17、太高 、 自适应能力有限、 易产生振荡现象.作为智能控制的进一步发展,模糊控制与其他智能控制的复合产生了多种控制方式.1) 自适应模糊控制器就是借鉴自适应控制理论的一些理念来设计模糊控制器,也称作语言自组织模糊控制器,其就在于在线或离线调节模糊控制规则的结构或参数,使之趋于最优状态. 目前对模糊控制规则的修正主要有:直接修改 、 通过采用一种带有修正因子的控制算法来改变控制规则、 对控制规则进行分级管理提出自适应分层模糊控制器、 提出规则自组织自学习算法对规则的参数以及数目进行自动修正 、 更进一步是采用神经网络对模糊控制规则及参数进行调整等方法.2) 神经模糊控制是神经网络技术与模糊逻辑控制

18、技术相结合的产物,是指基于神经网络的模糊控制方法 . 人工神经网络是模拟人直观性思维的一种方式 ,它是将分布式存储的信息并行协同处理,是一个非线性动力学系统,每个神经元结构简单,但大量神经元构成网络系统能实现很强的功能,因此人工神经网络具有自适应的学习能力、 容错性和鲁棒性 ,并且神经网络对环境的变化具有较强的自适应能力 ,所以可结合神经网络的学习能力来训练模糊规则 ,提高整个系统的学习能力和表达能力. 现有人工神经网络代表性的模型有感知器、 多映射 、 BP网络 、 RBF 神经网络等 .交通信号控制系统始终在向着智能化的方向发展 . 从最初的单点定时控制,到固定量化因子的普通模糊控制,再到

19、具有自学习能力的神经网络模糊控制 ,交通信号控制系统越来越智能化,处理复杂问题的能力也会越来越强728.314 其它特殊功能的交通信号机选用太阳能供电的交通信号机,可适用于无市13第26卷 第1期 毕海滨等:交通信号控制系统的现状与发展对策名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 4 页 - - - - - - - - - 政供电的郊区路口,也可以节省路口的时间和空间资源 ,其对硬件的主要要求为低功耗.基于GPS 的交通信号控制系统. 如 现 有 的SCATS 信号

20、控制系统,主要由3 部分组成:中央控制中心 ,路口信号控制器和每辆车的车载GPS装置. 该系统可提供丰富而且准确的信息数据,但其要求每辆车都要配有GPS装置 .4小 结交通信号控制系统是智能交通系统( ITS) 的一个重要分支 . 智能交通系统是为了改善交通系统的运行情况 ,综合运用先进的信息通信、 网络 、 自动控制 、 交通工程等技术,建立起来的综合交通体系. 新理论 、 新技术的不断涌现,使得人们处理复杂问题的能力得到了极大的提高,也使得交通信号控制系统不断向前发展 . 未来的交通系统会更安全、 更便捷 .参考文献:1 徐继峰.智能交通信号控制系统的设计与研究 D .北京:北京工商大学,

21、 2006 :126.2 李哲.基于图像检测的交通信号机技术研究 D .西安:西北工业大学, 2005 : 226. 3赵凯.城市智能交通信号控制系统D .西安:西北工业大学, 2001 :21229.4 欧青立,曾照福.嵌入式系统的架构与发展J .实验室研究与探索, 2007 ,26(4) : 57261. 5许荣.基于ARM智能交通信号机控制板开发J .现代电子技术,2006 (7) :1382141. 6张丽.单 片 机 的 发 展 与 应 用 J .科 技 咨 询 导 报,2007 ,27 :829.7 蔚东晓,贾霞彦.模糊控制的现状与发展J .自动化与仪器仪表,2006 (6) :4

22、27. 8Lu Cong2lin , Wei Wu , Tan Yue2jin.Trafficvariable es2timationand trafficsignal controlbased on soft computa2tion IntelligentTransportationSystems CProceedings27th InternationalIEEE Conference on IntelligentTrans2portationSystems , 2004 :104521050.APPLIANCEAND DEVE LOPMENTSTRATEG Y OFTRAFFICSIG

23、NALCONTR OL SYSTEMB I Hai2bin1,L IU Yu2de1,L IN Jian2long1,YAN G Hao1,XION G Guang2jie1,L IAN G Yi2chao2(11College of MechanicalEngi neeri ng and Autom ation , Beiji ng Technology and BusinessU niversity ,Beiji ng100037, Chi na ;21Research Instit ute of Beiji ng Traf f ic M anagement Bureau ,Beiji n

24、g100061, Chi na)Abstract : Introduced 4 urban traffic signal control systems that were popular usedin the world. Basedon the traffic signal control system applied status in our country , pointed out the exist problems.In2troduced the trafficsignal control system applied status nowadays and the resea

25、rcheddirection in thefuture from the signal collect , frame of software and hardware , control strategy.Introduced the ap2plied status and development of the embedded processor and the embeddedoperating system.Key words : intelligent traffic system; signal control ; embedded system(责任编辑:檀彩莲)23北京工商大学学报(自然科学版)2008年1月名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 4 页 - - - - - - - - -