裝配圖道路交通信號控制機無電纜協(xié)調控制的實現(xiàn)（開題報告+論文+外文翻譯+文獻綜述+答辯PPT）,裝配,道路,交通信號,控制,節(jié)制,電纜,協(xié)調,調和,實現(xiàn),開題,報告,講演,呈文,論文,外文,翻譯,文獻,綜述,答辯,ppt 道路交通信號控制機無電纜協(xié)調控制的實現(xiàn) 第一章 緒論 隨著城市化速度加快，機動車日益普及，人們在享受機動車所帶來的巨大便利同時，也面臨著交通擁擠的困惑。解決交通擁擠的直接辦法就是修建更多的路橋以提高城市路網通行能力。然而，修建路橋的巨額資金和城市空間的嚴格限制，使這一方法的有效性大打折扣。因此，在現(xiàn)有基礎上，提高交通控制和管理的水平，合理使用現(xiàn)有交通設施，充分發(fā)揮其能力，是解決交通問題的有效辦法之一。自上世紀以來，世界各國都展開了對城市交通控制系統(tǒng)的研究[1]。 1.1課題的目的 本課題解決的是道路交通信號控制機的基準時鐘脈沖和系統(tǒng)時鐘的同步問題，用于各路口信號機的無電纜協(xié)調控制。它是智能交通信號控制機的一部分，而智能交通信號控制機又是智能交通系統(tǒng)的一個重要末端設備。交通信號控制機設備體積雖然不大，但不管硬件還是軟件都是一個較大的系統(tǒng)，完成信號機的同步電路的模塊設計是為研制智能交通信號控制機打下基礎。道路交通信號控制機是智能交通系統(tǒng)的重要組成部分，也是所有末端設備中最為復雜的信號處理與控制系統(tǒng)。我國的ITS無論是硬件還是軟件，還遠遠跟不上時代的發(fā)展。研制能夠適合我國城市道路交叉的多車道大流量的特點，預測各流入口的車流量，給各交通高效率地分配通行權的智能交通信號控制機，已成為刻不容緩的事。本課題研究和解決的對象是如何實現(xiàn)在無電纜連接通信的情況下，實現(xiàn)各交通信號控制機的協(xié)調動作[3]。 1.2設計的主要內容 本課題采用同步時基信號來實現(xiàn)各路口交通信號控制機的協(xié)調動作。各同步時基信號取自供電網絡的50HZ工頻，來自供電網絡50HZ工頻信號經過隔離整形后，通過微分電路，形成占空比合適、波形良好的100HZ的時基脈沖信號。信號控制機系統(tǒng)利用這一時基信號對信號燈的時長進行秒計時，并實時對信號控制機的時鐘RTC進行修正，讓整個網絡的信號控制機的時鐘保持一致。 硬件時鐘可以采用RTC（實時鐘）大規(guī)模集成電路。如DS1302。DS1302可以直接與微處理器的數(shù)據(jù)、地址及控制總線接口，納入微機系統(tǒng)，由程序控制時鐘數(shù)據(jù)的讀寫。它可以自動運行100年的日歷，并有12個字節(jié)內部RAM用語日歷各種數(shù)據(jù)儲存，52個內部RAM用于存儲用戶的數(shù)據(jù)。 上述的時基信號送入微處理MPU，作為MPU的計數(shù)脈沖。在微處理MPU的實時控制下，使各信號燈的切換動作保持一致。另外，由于時鐘的一致，確保路網中各信號控制機的相位差的正確實施，達到協(xié)調控制的目的。 1.3設計的技術要求 設計一個周期為10ms的時鐘脈沖發(fā)生器，要求電路設計緊湊簡潔，時鐘脈沖發(fā)生器輸出的頻率應是市電50HZ周期的倍頻，并保持與市電周波的同步。MPU外接一個時鐘芯片，可以實時地對時鐘進行讀寫操作，并通過MPU把日期或時刻在6位7SEGLED數(shù)碼管上顯示出來。利用上述的10ms的時鐘脈沖信號作為MPU的計數(shù)脈沖，從而使各信號燈的切換動作保持協(xié)調一致，并通過定時調整各信號控制器的時鐘使之保持同步。利用定時器的中斷讀取外接時鐘的狀態(tài)，根據(jù)開關位置的狀態(tài)，在6位7SEGLED數(shù)碼管上能正確顯示時鐘的日期或時刻 (1)輸出時鐘脈沖的頻率為100HZ，高電平為5v，能驅動4個TTL邏輯電路 (2)具有時鐘修正功能，使各信號控制機的時鐘保持一致 (3)通過切換開關能在6位7SEGLED數(shù)碼管上正確顯示時鐘的日期或時刻 1.4論文研究的背景與主要研究的內容 1.4.1城市交通信號控制的演變 從1868年英國倫敦首次使用燃氣色燈信號以來，城市交通信號機由手動到自動，交通信號由固定周期到可變周期，系統(tǒng)控制方式由點控到線控和面控，從無車輛檢測器到有車輛檢測器，經歷了近百年的發(fā)展。到1963年加拿大多倫多市建立了一套使用IBM650型計算機的集中協(xié)調感應控制信號系統(tǒng)，從而標志著城市道路交通信號系統(tǒng)的發(fā)展進入了一個新階段。之后，美國、英國、前聯(lián)邦德國、日木、澳大利亞等國家相繼建成以計算機為核心的區(qū)域交通控制系統(tǒng)，這種系統(tǒng)一般還配備交通監(jiān)視系統(tǒng)組成交通管制中心[4] [5]。 1.4.2研究的意義 本次的論文研究具有很大的意義，通過對時鐘及各種硬件軟件的設計和操作、調試，不斷的進行各種各樣的組合，測試各種元件是否匹配，是否達到預計的結果，由此證明，采用無電纜協(xié)調控制系統(tǒng)對提高信號控制精確度是否有幫助。 第二章智能交通系統(tǒng) 2.1世界上幾種典型的交通信號控制系統(tǒng) 2.1.1 國外的典型城市道路交通控制系統(tǒng) 隨著計算機技術和自動控制技術的發(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、技術的不斷提高，交通管制中心的功能得到了增強，控制手段也越來越先進，形成了一批高水平有實效的城市道路交通控制系統(tǒng)。 從系統(tǒng)結構與控制方式上分，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上的所有信息，并向各個路口發(fā)出控制指令)、分布式計算機控制系統(tǒng)(有中央、地區(qū)、路口控制三級組成，各級電計算機負責自己控制區(qū)域，并執(zhí)行上一級控制指令)和動態(tài)系統(tǒng)(根據(jù)檢測器實時采集的交通流數(shù)據(jù)優(yōu)化信號配時);從控制區(qū)域的路網結構上分，有開環(huán)網絡和閉環(huán)網絡;從系統(tǒng)功能上看兼有監(jiān)視、控制和誘導功能[6] [7] [8]。 當前世界各國廣泛使用的最具代表性且有實效性的城市道路交通信號控制系統(tǒng)有三個 (1)英 國 TRANSYT系統(tǒng) TRANSYT( TrafficN etworkS tudyT ool)是由英國道路研究所花費近十年時間研制成功的交通信號控制系統(tǒng)，經過不斷改進，己發(fā)展到TRANSYT 8型。它的主要技術特征有: 控制模式:靜態(tài)模式口 系統(tǒng)目標:平均延誤時間、停車次數(shù)、排隊長度最小。 參數(shù)特征:綠信比(S)與相位差(O)是通過建立優(yōu)化數(shù)學模型計算，即是優(yōu)化確定的:周期(C)不進行優(yōu)化，僅從事先確定的方案中通過比較各運行指標選出最佳的，即是選擇性確定。 尋優(yōu)方法 :爬山法。TRANSYT系統(tǒng)被世界400多個城市采用，目前是最成功的靜態(tài)系統(tǒng)。但它存在幾個不足的地方:第一，計算量大，在大城市中這一問題尤為突出;第二，不對周期進行優(yōu)化，實際上很難獲得整體最優(yōu)配時方案;第三，它是離線優(yōu)化，需要大量的路網幾何、交通流數(shù)據(jù)，需要花費大量的人力、物力、財力。 (2)澳大利亞SCATS系統(tǒng) SCATS( SydneyC oordinatedA daptiveT rafficS ystem)是澳大利亞于70年代末開發(fā)的交通信號控制系統(tǒng)。它采用先進的計算機網絡技術，呈計算機分層遞階形式，結構為模塊形式。它的主要技術特征有: 控制模式:地區(qū)級，聯(lián)機，中央控制，聯(lián)機與脫機同時進行。 系統(tǒng)目標:飽和度最大及通過帶寬度最大。 參數(shù)特征:在預先確定的多個S,C,O 中選擇合適的參數(shù)。 尋優(yōu)方法:無實時交通模型，比較選擇法。 SCATS系統(tǒng)充分體現(xiàn)了計算機網絡技術的突出優(yōu)點，結構易于更改，控制方案較為容易變換。然而，它也有幾個明顯的不足之處:第一，它實為一種方案選擇系統(tǒng)，限制了配時參數(shù)的優(yōu)化程度:第二，過分依賴于計算機硬件，移植能力差;第三，選擇控制方案時，無實時信息反饋。 (3)英國SCOOT系統(tǒng) SCOOT( SplitC ycleO fsetO ptimizationT echnique)也是由英國道路研究所在TRANSYT系統(tǒng)的基礎上采用自適應控制方法，經過八年的研究于1980年提出動態(tài)交通控制系統(tǒng)。SCOOT采用實時控制，獲得了明顯優(yōu)于靜態(tài)系統(tǒng)的效果，被許多國家采用。它的主要技術特征有: 控制模式:聯(lián)機實時模式，即動態(tài)模式。 系統(tǒng)目標:費用最小為優(yōu)化目標。 參數(shù)特征:S,O,C均通過建立優(yōu)化數(shù)學模型計算。 尋優(yōu)方法:小步長漸進尋優(yōu)方法。 SCOOT系統(tǒng)同樣存在不足的地方。第一，相位不能自動增減任何路口只能有固定的相序;第二，獨立控制子區(qū)的劃分不能自動完成，只能人工完成;第三，安裝調試困難，對用戶的技術要求過高。 2.2中國的城市交通信號控制系統(tǒng) 近年國內的經濟快速發(fā)展和機動車急劇增加，導致了現(xiàn)有交通設施不勝負荷的局面[9] [10]。 (1)城市道路結構不合理 目前，國內的城市交通以路上交通為主，大多數(shù)城市道路空間結構屬平面交通狀態(tài)，形成“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，難以適應交通系統(tǒng)現(xiàn)代化管理的需要。路網功能的結構層次混亂，主、次干道和支線比例失調，銜接關系紊亂，使干線道路難以發(fā)揮其功能。就道路面積來說，國內的城市道路面積率低于世界上同等規(guī)模大城市。據(jù)統(tǒng)計，國內的城市道路面積率平均不足8%，人均道路面積也低于世界上同等規(guī)模的大城市 (2)交通出行結構失衡 國內的城市交通主要由各種機動車、非機動車和行人構成，形成特殊的三元混合交通結構。交通方式可分為兩大類，即公共交通和私人交通。其中公共交通由公共汽車(包括有、無軌電車)、出租汽車、地鐵、輕軌組成;私人交通主要由自行車、摩托車、私人小汽車及步行交通構成。由于這些交通方式的自身特點，使它們能夠在系統(tǒng)中共存。另外，由于系統(tǒng)所具有的自組織能力，并在外界交通環(huán)境的協(xié)同作用下，形成了各種交通方式間的制約與平衡。因此，對某一種交通方式來說，不能任其自由發(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，國內的城市交通結構，由于公共交通畸形落后、不勝負荷的局面，在一定程度上刺激了私人交通的發(fā)展，主要體現(xiàn)在對自行車、私人小汽車需求的急劇增長，使交通方式間比例嚴重失調。據(jù)調查，大部分城市公交車與自行車出行比例為2:8-1:9，或更加嚴重失調，導致的結果是巨大的自行車流，特別是上下班高峰期間，勢如潮涌，并與機動車爭道搶行，阻礙正常交通。這種局面反過來又影響了公共交通的服務水平，由于大量出行被自行車吸引，使公共交通經營陷入困境。低劣的服務水平又增大了廣大群眾的不信任感，增加了對私有交通需求的傾向，這更加重了城市交通系統(tǒng)的紊亂。 (3)交通管理技術水平低，交通事故頻繁 國內的城市交通管理和交通安全現(xiàn)代化設施極少。以北京與東京比較，兩市都有一個交通管制中心，但北京交通控制中心管理交叉路口數(shù)目僅是東京的3%，交通志數(shù)是東京的7%，人行橫道數(shù)是東京的4.8%，人行天橋數(shù)是東京的3.6%，地下人行通道是東京的5%，國內的交通事故率居高不下，萬車事故死亡率北京為6人(國內為最小的城市)，而東京僅為1.9人，美國、澳大利亞和英國平均分別為2.6和2.7人 2.2.1國內的城市道路交通控制系統(tǒng) 國內應用和研究城市交通控制系統(tǒng)的工作起步較晚，在七十年代后期，北京市開始采用DJS-130型計算機進行了道路協(xié)調控制的研究。八十年代以來，城市道路交通問題越來越嚴重，國家一方面進行以改善城市市中心交通為核心的UTSM (Urban Traffic System Manage)技術研究;另一方面采取引進與開發(fā)相結合的方針，建立了一些城市道路交通控制系統(tǒng)。以北京、上海為代表的大城市，交通控制系統(tǒng)主要是簡易單點信號機、SCOOT系統(tǒng)、TRANSYT系統(tǒng)和SCATS系統(tǒng)其中幾個結合使用;而如湘潭、岳陽等國內中小城市，交通控制系統(tǒng)主要還是使用國產的簡易單點信號機和集中協(xié)調式信號機?，F(xiàn)以北京使用的交通信號控制系統(tǒng)進行說明[11] [12]。 (1)簡易單點信號機，可以用來實現(xiàn)手動或自動控制的交叉路口單點定時控制，并且具有夜晚黃閃控制功能，使用方便并且成本低。 (2)MSKE-20型微處理器路口信號機，它是屬于TRANSYT系統(tǒng)，具有自動運行、中心控 制、人工控制、無電纜協(xié)調控制、黃閃控制、備用方式等功能。 (3)T200MK2型路口信號機，它是屬于SCOOT系統(tǒng)，具有自動運行、中心控制、人工制、黃閃控制、及降級控制(它包括區(qū)域協(xié)調控制、無電纜協(xié)調控制、單點感應控制、單點定時控制、手動控制)等功能。這些信號系統(tǒng)雖然取得了較好的效果，但我國實際情況決定了需要對這些系統(tǒng)進行改進，主要體現(xiàn)在: 需要完善信號控制現(xiàn)有單點信號控制系統(tǒng)，一般只能實現(xiàn)口數(shù)目僅是東京的3%，交通標志數(shù)是東京的7%，人行橫道數(shù)是東京的4.8%，人行天橋數(shù)是東京的3.6%，地下人行通道是東京的5%，國內的交通事故率居高不下，萬車事故死亡率北京為6人(國內為最小的城市)，而東京僅為1.9人，美國、澳大利亞和英國平均分別為2.6和2.7人。 2.2.2國內的城市道路交通控制系統(tǒng) 國內應用和研究城市交通控制系統(tǒng)的工作起步較晚，在七十年代后期，北京市開始采用DJS-130型計算機進行了+道協(xié)調控制的研究。八十年代以來，城市道路交通問題越來越嚴重，國家一方面進行以改善城市市中心交通為核心的UTSM (Urban Traffic System Manage)技術研究;另一方面采取引進與開發(fā)相結合的方針，建立了一些城市道路交通控制系統(tǒng)X26]。以北京、上海為代表的大城市，交通控制系統(tǒng)主要是簡易單點信號機、SCOOT系統(tǒng)、TRANSYT系統(tǒng)和SCATS系統(tǒng)其中幾個結合使用;而如湘潭、岳陽等國內中小城市，交通控制系統(tǒng)主要還是使用國產的簡易單點信號機和集中協(xié)調式信號機?，F(xiàn)以北京使用的交通信號控制系統(tǒng)進行說明[13] [14]。 (1)簡易單點信號機，可以用來實現(xiàn)手動或自動控制的交叉路口單點定時控制，并且具有夜晚黃閃控制功能，使用方便并且成本低。 (2)MSKE-20型微處理器路口信號機，它是屬于TRANSYT系統(tǒng)，具有自動運行、中心控制、人工控制、無電纜協(xié)調控制、黃閃控制、備用方式等功能。 (3)T200MK2型路口信號機，它是屬于SCOOT系統(tǒng)，具有自動運行、中心控制、人工控制、黃閃控制、及降級控制(它包括區(qū)域協(xié)調控制、無電纜協(xié)調控制、單點感應控制、單點定時控制、手動控制)等功能。這些 信 號 系統(tǒng)雖然取得了較好的效果，但我國實際情況決定了需要對這些系統(tǒng)進行改進，主要體現(xiàn)在: (1)需 要 完善信號控制現(xiàn)有單點信號控制系統(tǒng)，一般只能實現(xiàn)兩相位控制，存在一定的局限性。而實際中，如果根據(jù)交叉路口的情況，適當采用多相位控制、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現(xiàn)有信號控制系統(tǒng)對自行車流的放行幾乎都是與機動車同時開始，容易造成交通流沖突。因此，需要設計出一種信號系統(tǒng)能對各個相位包括對自行車流單獨進行控制。 (3)實現(xiàn)小型區(qū)域網絡控制目前，雖然在我國的幾個大城市，引進或研制了具有區(qū)域控制功能的交通信號系統(tǒng)，但對于中小城市來說，建立這樣龐大的系統(tǒng)一方面代價高昂，另一方面實際利用效率不高。為了解決這一情況，在國內的中小城市應大量推廣小型區(qū)域網絡控制信號系統(tǒng)。 (4)國產化率低目前國內采用的信號控制系統(tǒng)，國產化率整體較低，進口費用昂貴。 隨著我國城市化水平不斷提高，進一步完善城市交通控制系統(tǒng)是大勢所趨。因此，研制并設計出符合我國實際情況的微機化、模塊化的信號系統(tǒng)，意義十分重大，效益也將十分明顯。 系統(tǒng)時鐘的同步有GPS授時修正。信號控制用的基準脈沖信號由晶振產生，不同步。國內信號機的系統(tǒng)時鐘雖然通過GPS授時修正，可以保持同步，但由于信號控制用的基準脈沖信號不同步，每個信號周期都有可能使信號控制偏離同步點而產生搖擺，這在智能交通系統(tǒng)中有時會導致被上層系統(tǒng)認為信號機工作不正常。解決信號控制用的基準脈沖信號的同步問題，是避免信號控制偏離同步點而產生搖擺的較好辦法。 2.3道路交通信號與控制 2.3.1空耗控制原理 交通信號控制系統(tǒng)的信號控制有各種各樣的方式，其分類也有很多種。在此考慮選擇控制方式的方便性，將信號分為點控、線控和面控。點控，指獨立控制各信號機；線控，指同時控制沿著連續(xù)的幾個信號機；面控，是指把城市道路網分區(qū)域進行控制的方式[15] [16] [17]。 決定交叉路口控制方式為點控還是線控目前為止無固定的標準，一般來說，可根據(jù)如下情況進行綜合判斷： (1)相臨交叉路口間距越小，線控的必要性越大； (2)交通量（線方向）越多，線控的必要性越大； (3)相臨兩個信號機之間交通流的脈動越大，線控的必要性越大； (4)在相臨交叉口飽和度相差越大、最優(yōu)周期長不同，但不是相差整倍數(shù)或整數(shù)分之一的情況下，應把實施線控的損失和不采用線控的損失進行比較后再決定是否采用線控。 2.3.2區(qū)域信號控制（面控） 對設置在大面積道路網上的多臺信號機采用集中控制的方式成為面控。這種控制方式原理上可看作是線控擴大到面上。因此，面控是由若干個子區(qū)域控制構成的。這里的子區(qū)域是指由用相同的周期長進行控制的區(qū)域，對每一個子區(qū)域給出最佳周期長，在各個子區(qū)域得到最優(yōu)控制的效果。面控方式又分為無電纜協(xié)調控制和中心計算機控制方式[17] [18]。 所謂無電纜協(xié)調是指控制機之間沒有信號控制線相連，其相關協(xié)調控制是靠采用共同時基同步實現(xiàn)的。目前，大都利用從供電網50HZ工頻中獲取相同周期、固定相位的秒計時時基信號，并通過人工或自動裝置將信號控制器內實時鐘的日、時、分、秒校正至同步的方法實現(xiàn)無電纜協(xié)調控制。其優(yōu)點是比較簡單易行，但必須用人工或自動裝置及時校正。 目前，大多數(shù)多時段固定交通信號控制器，尤其是采用分級處理的控制器，均具備無電纜協(xié)調控制的功能。之所以在此著重強調這一功能，是因為它可以作為相對獨立的功能加到上述任何一種控制器上，使各單個交通信號控制器很容易的形成相關控制。 中心計算機控制方式交通信號控制器通過數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)與中心控制計算機系統(tǒng)相連，受中心計算機的直接控制。這種控制器可以分為兩類，一類是簡單型的，另一類是復雜型的。 簡單型，一般受中心計算機的直接控制，它的沒一步操作均受中心計算機的直接指令，并且隨時將其工作狀態(tài)以及交通數(shù)據(jù)直接傳誦給計算機。當中心計算機或通信系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，它可以降級做簡單的運行，即運行一個基本的配時方案。 復雜型是指當今以微處理器為核心，功能齊全，可與中心計算機系統(tǒng)相連，較高的交通信號控制器。它可以接受中心計算機的方案，階段調用；可以實現(xiàn)包括無電纜協(xié)調，多時段固定配時等控制方式。它對所收集的各種交通數(shù)據(jù)可以做預處理，實現(xiàn)多臺信號機集中控制。 2.3.3線路信號控制（線控） 線控方式把一條道路延長線上連續(xù)幾個信號機在時間上互相聯(lián)系起來進行信號顯示，通過減少車輛停止次數(shù)，縮短停車時間達到交通暢通的目的。另外，此種控制方式有助于形成適當速度的交通流。線控的主要特點是對幾個信號機設定共用的周期長、系統(tǒng)周期長和確定各信號時間上的相對關系即相位差[19]。 2.3.3.1定周期控制 定周期控制與點控制方式同樣根據(jù)交通需求的變動模式使用固定配時，通常分為單時段和多時段。單時段定周期交通信號控制器是起今為止交通信號控制系統(tǒng)中最簡單的交通信號控制器，通常機內只配置一種配時方案。該方案的主要參數(shù)可以通過改變矩陣控制插針、撥碼開關或多位撥段開關設置與調試。與點控方式不同的是控制參數(shù)中還有相位差。多時段定周期交通信號控制器可儲存多個配時方案，將其存入多時段控制器中，并根據(jù)路口交通流的日變化、周變化的統(tǒng)計規(guī)律，將一日的交通信號控制劃分為若干時段，設置好各時段配時方案的切換時刻。這樣，多時段定周期控制器可根據(jù)實時日歷鐘自動按以上設置時間表變換響應的控制方案。它使用于交通流比較穩(wěn)定的時間，比如低峰時段、普通時段、擁擠時段分別有明確的交通模式情況下。交通指揮人員可根據(jù)交叉路口的交通實際情況，隨時調整配時方案中的各種控制參數(shù)，以適應路口交通流的變化。 固定配時交通信號控制器結構簡單、造價低廉、維護使用方便，是當今單個交叉點交通信號控制中使用最普遍的交通信號控制器。 2.3.3.2交通感應控制 交通感應控制方式是對應于變化的交通狀況實時的改變控制參數(shù)（周期長、綠信比、相位差）進行控制的方式。此方式可根據(jù)交通的需要的變動進行實時的控制參數(shù)修正，從而實現(xiàn)高度的線控制。因此，它使用于交通量時間變動劇烈、交通量大、要求快速的交通處理效率的干線道路。作為該控制方式的手段通常有兩種，其一是在線路上設置車輛感測器，監(jiān)測交通流的變動，以這些測量值為基準，從預先設定的幾個程序中（一套控制參數(shù)）選擇最合適的控制程序。另一種是基于交通流的聯(lián)機測量實時算出控制參數(shù)并根據(jù)此值形成控制方案。 全感應交通信號控制一般用于飽和度大于60%、主次干道延誤相差不大的路口，目的在于盡量減少各方向車輛的延誤，最大限度的提高單個交叉路口的放行效率。 第三章 道路交通信號控制機 3.1交通信號控制機的發(fā)展 交通控制是交通系統(tǒng)發(fā)展的客觀需要及控制理論與技術在交通系統(tǒng)中應用的結果。 (1)交通控制按照類別可劃分3類:以交通限制為主的控制、以交通信號為主的控制和以傳遞情報信息為主的控制— 交通誘導控制。 (2)按范圍可劃分為3類;單點控制、干線控制、區(qū)域控制。 (3)按方式可分為單點定時控制和單點感應控制、干線無電纜協(xié)調控制、干線有電纜協(xié)調控制、區(qū)域定時協(xié)調控制、區(qū)域自適應協(xié)調控制。交叉口信號機執(zhí)行信號 配時方案對車流進行控制的方式稱為定時控制，即定周期控制。配時方案可以是一個或多個，一天執(zhí)行一個配時方案的稱為單段式定時控制;一天按時段不同分別執(zhí)行不同配時方案的稱為多段式定時控制。信號配時方案是根據(jù)交通流歷史數(shù)據(jù)事先設置好的，時段確定可根據(jù)全天交通流的波動情況而定。單點感應控制是在交叉口進道口上設置車輛檢測器，信號機在控制時根據(jù)檢測器實時檢測到的交通流數(shù)據(jù)，實時改變信號配時的一種控制方式。區(qū)域自適應協(xié)調控制是中心控制計算機實時收集交叉口檢測器檢測的交通流數(shù)據(jù)，通過配時優(yōu)化軟件在線生成如SCOOT或選擇SCAT信號配時方案，實時用于控制的一種控制方式。 3.2中國道路交通信號控制機的發(fā)展現(xiàn)狀 我國在城市道路交通控制系統(tǒng)方面的工作起步較晚，在七十年代后期北京市開始采用 DIS---130型計算機進行了干道協(xié)調控制的研究。八十年代以來，城市道路交通問題越來越嚴重，國家一方面進行以改善城市中心交通為核心的 UTSM 技術研究，另一方面采取引進與開發(fā)相結合的方針，目前我國已有三十多個城市建立了城市道路交通控制系統(tǒng)。如:北京引進了 SCOOT系統(tǒng)，上海引進了 SCAT系統(tǒng)，深圳市引進了日本的監(jiān)控系統(tǒng)等。已經在運行中的系統(tǒng)，越來越表現(xiàn)出它良好的社會、經濟和生態(tài)效益，減少了車輛停車和延誤造成的損失，緩解了交通擁塞，減少了交通事故，減輕了噪音和空氣污染，提高了路段和路口通過能力，改善了交通警工作條件，增加了現(xiàn)代化城市的科學文明色彩。但是引進中也存在許多不盡如人意的地方:首先，由于國情的不同，引進系統(tǒng)的適應性較差，如國外交通中非機動車流的比重非常小，一般不予考慮，而在國內交通中，非機動車流占了相當大的比例，由非機動車引起的機非混雜，不僅降低了機動車的行車速度，而且增加了交通事故;其次由于實時檢測系統(tǒng)設備比較昂貴，在國內引進的系統(tǒng)中，一般都要作些簡略，這也將影響設備的可靠性和檢測數(shù)字的準確性，控制效果相應就差些 。 可喜的是，在國家計委、國家科委的批準下，公安部、南京市完成了“七五”攻關項目，建成了南京城市交通控制系統(tǒng) (代號 2443)。此項目的攻關目標是研究和建立適合中國國情的機動車與非機動車混合交通的城市控制系統(tǒng)。此系統(tǒng)結合了 SCOOT與 SCAT的優(yōu)點，是我國完全國產化自行設計建成的第一個適應中國混合交通條件及路網密度低、路口間距懸殊的城市交通控制系統(tǒng)。但是在運行中也有不足之處:第一優(yōu)化目標綜合了行車延誤、停車次數(shù)、阻塞度、但未充分考慮提高能力;第二機動車與非機動車控制模式尚不完善，車流相互影響仍大量存在，限制了系統(tǒng)效果。因此如果在協(xié)調控制之前，對機動車和非機動車進行時間或者空間上的分離 (機非時空分離)，控制效果會更好。 綜合分析國內外先進的城市道路交通控制系統(tǒng)，結合中國大城市道路交通的實際情況，充分考慮現(xiàn)代科學技術成果的使用，中國城市道路交通控制系統(tǒng)的發(fā)展方向應是: (1)多模式化:首先在系統(tǒng)結構上，應吸收集中式 SCOOT、分布式SCAT、半分布式NUTCS各自的長處，在控制范圍內各個區(qū)域采用靈活可轉換的系統(tǒng)結構，以達到在系統(tǒng)結構上適應交通流的區(qū)域變化;其次在系統(tǒng)目標上，應根據(jù)不同區(qū)域的實時交通情況，對路口能力最大、總延誤最小、排隊長度最短等目標進行篩選和組合以確定不同的系統(tǒng)目標，這樣系統(tǒng)優(yōu)化更具針對性;再者在控制戰(zhàn)略模式上，應有適應交通 擁擠狀態(tài)下和適應中等交通量的方式。 (2)智能化:隨著信息技術的高度發(fā)展，作為道路交通控制系統(tǒng)應能為車輛提供準確、及時、多樣的信息，在傳統(tǒng)的信息廣播、可變情報板的基礎上，應在城市中建立與控制系統(tǒng)協(xié)調的集中式 GPS誘導系統(tǒng)，并與公路的智能車輛公路系統(tǒng)相銜接。 (3)最優(yōu)化:TRANSYT與 SCOOT都采用交通模型來優(yōu)化配時，但由于當時計算機技術的限制，在模型算法求解上有一定的局限性，隨線爬山法及小步長漸近尋優(yōu)常常能獲得有限的局部甚至整體最優(yōu)解。著計算機技術和優(yōu)化理論的發(fā)展，在線優(yōu)化有可能獲得更好的局部甚至整體最優(yōu)解。同時要看到無論TRANSYT還是SCOOT、以及NUTCS都立足于路口、控制區(qū)域建立交通模型，以獲得路口控制參數(shù)，同樣隨著計算機技術和優(yōu)化理論的發(fā)展，建立立足整個路網的動態(tài)交通分配模型和整體優(yōu)化模型并求解，達到對路口控制參數(shù)進行調整從而實現(xiàn)在整個城市范圍內對交通流動態(tài)進行協(xié)調控制是可行的。 (4)規(guī)整化:任何控制系統(tǒng)都是立足于一定的道路與交通條件下因而使用道路與疏導交通流的方法對控制系統(tǒng)會產生深刻的影響。在建立一個城市道路交通控制系統(tǒng)之前，必須對道路狀況及交通流狀況做出交通流疏導方案和道路使用方案，制定出交通規(guī)則，使得道路交通更加規(guī)整。 (5)通用化與模塊化:鑒于 SCAT控制方式受硬件及匯編語言編制的限制，只能在 PDPll系統(tǒng)計算機上實施，而 SCOOT, UNTCS都使用高級語言編程，便于推廣使用，特別是 UNTCS在軟件編制上全部模塊化，更有利于開發(fā)研制和進一步完善?？刂葡到y(tǒng)在研制中應立足通用化和模塊化，以有利推廣和完善。 3.3無電纜協(xié)調控制機 無電纜協(xié)調控制機的整體示意圖如下，其中10ms脈沖發(fā)生器、時鐘芯片和LED的電路是本次實驗要完成的部分。 圖3-3-1 無電纜協(xié)調控制機的系統(tǒng)框圖 本系統(tǒng)是通過單片機實現(xiàn)各個交通路口信號燈的時鐘始終保持同步，利用開關可以同時控制各個信號機同步實現(xiàn)功能。因為，各個信號燈本身都有自身的晶振，但是，經過一定時間，各個信號燈的晶振會發(fā)生偏差，這就造成了各信號機之間時間的不同步，例如，某個信號正進行黃閃，而其它的信號機還是綠或紅，這就造成了交通的堵塞。 10ms脈沖是作為整個系統(tǒng)的時基，為單片機提供計數(shù)脈沖，時鐘芯片為信號燈顯示時間，LED顯示時刻。 利用市電的50HZ工頻，為各個信號機提供時基信號，保持各個信號機的輸入時基相同。50HZ工頻通過電壓比較器產生50HZ的方波輸出，50HZ的方波作為2倍頻器的輸入，2倍頻器輸出100HZ，即10ms脈沖，再經過整形電路形成波形較好的時基信號。時鐘芯片是各個信號機的時鐘顯示，與單片機相連，單片機的時基就是100HZ，即10ms脈沖信號。單片機接收到時基信號，并定時的對各個時鐘進行監(jiān)測，當發(fā)先時鐘不同步時，對時鐘進行修正，達到各個時鐘始終保持同步。下面就是10ms脈沖與單片機，時鐘芯片與單片機相連接的電路圖 圖3-3-2 時鐘芯片接口圖 圖3-3-3LED數(shù)碼管接口圖 第四章 10ms時鐘脈沖發(fā)生器的實現(xiàn) 本課題要求的一個最主要的部分就是10ms同步脈沖發(fā)生器，10ms脈沖很容易實現(xiàn)，可以采取精振來完成，但本次是要求采用市電網的50HZ市電的同步脈沖。所以，我在閱讀了很多資料后制定了一個實現(xiàn)方案，就是選用比較器加倍頻器來實現(xiàn)。 4．1電壓比較器 4．1．1電壓比較器設計概念 電壓比較器在電路結構、點性能等方面與運放基本相同，而其符號表示也與運放完全一致，有同向和反向兩個輸入端，一個輸出端，開環(huán)增益用A表示，電壓比較器的功能是比較兩個模擬信號的大小，并在輸出端得到高電平或低電平。理想的電壓比較器，其特點可表示為：當V+大于V-，輸出高電平；而當V-大于V+，輸出低電平。 實際上，電壓比較器的輸出端由低電平轉換到高電平，或從高電平轉換到低電平時，需要一定的時間（決定電壓比較器的瞬態(tài)響應），其次由于電壓比較器的增益是有限的，并且存在失調電壓，因此它的輸入端將出現(xiàn)不確定電壓，該不確定電壓將直接影響比較器的靈敏度（對輸入電壓判定的靈敏度）。對于高性能的電壓比較器來說，應具有高的開環(huán)增益A、低的失調電壓和高的壓擺率。顯然，一般的運算放大器如果工作在開環(huán)狀態(tài)，也可以作為電壓比較器之用。但在運放電路設計時，著重考慮其輸出與輸入之間的先行傳輸特性以及頻率補償?shù)姆€(wěn)定性。因此，運放的響應時間和延遲時間往往不是很大，開環(huán)增益也不是很高。若需要高速度或靈敏度的電壓比較器，采用運放來代替電壓比較器，在要求比較高的設計中通常是不合適的，而需要根據(jù)具體的要求設計電壓比較器。在設計電壓比較器時，其直流特性的設計原則基本上與運放電路一致，而頻率特性的設計與運放電路不同，通常電壓比較器在開環(huán)條件下工作，因此在電路內部不需要考慮放大閉環(huán)穩(wěn)定工作的頻率補償。 4．1．2基本的電壓比較器設計和性能指標 電壓比較器是一種常見的信號幅度處理電路，輸入一個模擬量電壓信號與門限電壓比較，在兩者幅度相等附近，比較器輸出的邏輯電平就發(fā)生轉換。通常用專用集成電壓比較器（如LM311等）來組成，也可以用通用運算放大器組成。 (1)單限比較器 它只是一個門限電壓，如圖4-1所示： 圖4-1 單限比較器 圖中R1。R2成對出現(xiàn)是分別代表信號源和門限電壓內阻，應用中使它們相等，以便減小輸入偏置電流及其漂移的影響，R0是限流電阻，穩(wěn)壓管DW是為了輸出箝位。當門限電壓與信號電壓加入的位置不同時，可得圖4-1中（a）、（c）兩種結果。當VR加在同相輸入端，Vi加在反相輸入端時得到圖4-1（b）傳輸特性，其輸出VOmax與VOmin分別為 Vo =﹛ Vomax=Vz(ViU1 時，運放A1 輸出高電平；當Ui U2，則當輸入電壓Ui 越出[U2，U1]區(qū)間范圍時，LED 點亮，這便是一個電壓。 若選擇U2 > U1，則當輸入電壓在[U2，U1]區(qū)間范圍時，LED 點亮，這是一個“窗口”電壓指示器。此電路與各類傳感器配合使用，稍加變通，便可用于各種物理量的雙限檢測、短路、斷路報警等。 __ 圖4-7 比較器 根據(jù)對芯片LM324的了解，我設計了下面的電壓比較器，在輸入端接入通220—5v的變壓器的市電。第一次的設計圖 圖4-8 電壓比較器 但是，沒有波形輸出，考慮是不是因為上拉電阻的值過大，但是直到把上拉電阻的值調到0，還是沒有波形出現(xiàn)。 所以，采用負反饋電路，如下圖，終于解決問題。 圖4-9 改進型電壓比較器 采用10K電阻對電路進行負反饋，采用背靠背二級管對波形進行整流，產生波形如下 圖4-10 電壓比較器波形 但是，圖象中出現(xiàn)了負向的波形，經過反復的實驗，最后決定采用兩個反向器對波形進行整形。電路圖如下 圖4-11 最終設計電壓比較器 產生的波形如下圖，產生出很好的正向方撥波 圖4-12 電壓比較器波形 4．1．4小節(jié) 在做這個電壓比較器時，剛開始的時候，產生的波形的峰峰值很小，怎么調試也沒有改變，剛開始以為是電壓的問題，所以才用雙電源供電，而且把電源電壓調到10v，但是結果基本上沒有改變。再調整上拉電阻值，可是直到調到0可是還是沒有明顯的改觀，最后加入負反饋電路，終于解決了這個問題。 4.2倍頻器 4．2．1倍頻器的原理及其特點 所謂倍頻器是指能完成輸入信號頻率倍增功能的電子設備。原則上，各種非線性器件都能實現(xiàn)倍頻，利用半導體器件的非線性實現(xiàn)的倍頻，即為固態(tài)倍頻器。當用一個正弦信號激勵非線性器件時，便會在基頻的諧波頻率上產生功率。倍頻電路的作用就是有效提取其中所需要的諧波信號，而將其基頻和不需的諧波加以抑制。為了在所要求的頻率上獲得最大功率，必須滿足兩個條件:其一是非線性展開式中必須包含有產生它所需的適當分量，也就是應適當選擇所用器件和偏置電路。其二是所選電路必須保證使不需要的諧波分量功率最小，并保證任何器件電路相互作用都能把寄生元件的影響減至最小。 倍頻器具有以下特點： (1)能夠降低電子設備的主振頻率。這對于那些工作頻率較高而對穩(wěn)定性要求又較嚴格的通信機和高頻設備極為重要。因為晶體頻率越高，相對頻率穩(wěn)定度就越低。為了解決固態(tài)發(fā)信機中高的穩(wěn)定度和高的輸出頻率之間的矛盾，常在主振級和輸出級間采用多次倍頻的技術。 (2)擴展工作頻段。在電子對抗中需要寬頻帶的干擾和反干擾收、發(fā)設備，若用一個振蕩器難以使它覆蓋一個倍頻程的頻段，而采用倍頻方式卻能做到一個或多個倍頻程的工作頻帶。因此在電子戰(zhàn)中倍頻成為很重要的一種技術手段。許多通信設備在主振器工作波段不擴展的條件下，利用倍頻器亦易于擴展發(fā)射機輸出級的工作波段。 (3)對于調相或調頻發(fā)射機，利用倍頻器可以加深調制度，以獲得大的相移或頻移。 (4)由于倍頻器容易產生激勵信號的各次諧波頻率，所以倍頻器成為頻率合成器中不可缺少的一部分。利用倍頻，可以制成毫米波、亞毫米波固態(tài)源，它們在射電天文學、等離子診斷學、光譜學，毫米波通信、雷達、軍事偵察、監(jiān)視、制導等方面得到廣泛的應用。 4．2．2倍頻器的分類 一 、倍頻器按其倍頻次數(shù)的高低可分為兩類: (1)低次倍頻器。單級倍頻次數(shù)通常不超過5。這類倍頻是通過電容呈非線性變化的功率變容管的作用或晶體三極管C類放大的非線性阻抗實現(xiàn)的。它的倍頻效率較高，輸出功率較大。但是隨著倍頻次數(shù)增加，倍頻效率和輸出功率將迅速降低。如需高次倍頻，必須做成多級倍頻鏈，使其中每一單級仍為低次倍頻。 (2)高次倍頻器。單級倍頻次數(shù)可達10-20以上。倍頻器件采用階躍管。在高次倍頻時，其倍頻效率約為l/n, n為倍頻次 數(shù) 。 因為倍頻次數(shù) 高， 故可由幾十兆赫的石英晶體振蕩器一級倍頻至微波，得到很穩(wěn)定的頻率輸出。這種倍頻器輸出功率較小，通常在幾瓦以下，但利用階躍管進行低次倍頻時，輸出功率在L波段可達15W以上。無論是低次或高次倍頻器，從電路結構形式看，有集總參數(shù)與分布參數(shù)或半集總半分布參數(shù)的型式。集總參數(shù)型一般工作在低頻或高頻。分布參數(shù)型工作在微波或毫米波段。 二、 倍頻器按其工作原理又可分為兩大類 (1)非線性電阻倍頻。這類倍頻器是利用雙結型晶體管、場效應晶體管或二極管的非線性電阻效應把大幅度正弦波變成電流脈沖，再用選頻回路將所需要的諧波選出，以完成倍頻作用。 (2)非線性電抗倍頻，亦稱為“參量倍頻”。其一是利用PN結(或金屬一半導體結)電容的非線性變化得到輸入信號的諧波，經濾波器選出需要的頻率.變容二極管倍頻器、階躍二極管倍頻器以及利用集電極非線性效應做成的三極管倍頻器都是非線性電容構成的倍頻器;其二是利用非線性電感構成的倍頻器。例如利用雪崩二極管雪崩渡越效應引起的非線性電感實現(xiàn)的倍頻。 4．2．3倍頻方案的選擇 在傳統(tǒng)的微波倍頻源的應用中，倍頻器一般采用經典的非線性電抗微波器件:變容二極管倍頻器或者階躍二極管倍頻器等無源電路。其中變容二極管倍頻器是利用了變容管的非線性電容特性實現(xiàn)倍頻，而階躍二極管倍頻器是利用階躍管的電子躍遷效應產生的電流脈沖實現(xiàn)倍頻。盡管兩種二極管非線性產生的機理以及設計方法各不相同，但是從能量轉換的角度看，它們的共同點是倍頻器件本身不產生額外能量(無源的)，僅僅是把輸入信號能量的一部分轉化成所需頻率的信號能量輸出，因此其倍頻效率是較低的，存在著較大的倍頻損耗，并且其需要較高的輸入功率電平。 然而 ，1981年人們將低頻電路中晶體管倍頻器的設計思想應用于微波電路中，設計出了世界上第一個場效應晶體管有源倍頻器，即采用有源微波晶體場效應管的非線性跨導來實現(xiàn)倍頻。由于場效應晶體管在利用非線性跨導實現(xiàn)倍頻的同時，把一部分直流能量轉化成信號能量輸出，從而提高了倍頻效率。與無源倍頻器相比，其優(yōu)點是不需要空閑電路，輸入功率要求較低，倍頻損耗比較小，倍頻效率較高，工作頻段較寬，溫度穩(wěn)定性好，可以產生倍頻增益，并且對于最佳轉換增益，場效應晶體管有緣倍頻器所需求的輸入功率要低于變容管倍頻器 目前國內的應用中，人們一般只有在頻率較低、倍頻次數(shù)不是很高的場合中，才會常采用微波晶體管有源倍頻來實現(xiàn)，而在頻率較高時往往采用變容二極管或是階躍二極管等無源電路。然而，隨著固態(tài)器件與電路的發(fā)展，出現(xiàn)了截止頻率很高(幾十到幾百個GHz)的微波晶體場效應管、高電子遷移率晶體管(HEMT)以及異質結 雙極晶體管(HBT)等等的新型器件，使得其應用范圍也從微波向毫米波、亞毫米 波頻段在不斷發(fā)展。事實上，有源倍頻電路在體積、倍頻效率、功率損耗等方面比無源倍頻電路具有很大的優(yōu)勢，這也就使得其更加適合于現(xiàn)代小型的超高速集成電路(VH SIC)和微波單片集成電路(MMIC)的發(fā)展趨勢。 4．2．4倍頻器的設計 在數(shù)字電路中，我們曾經學習過555芯片的基本電路和設計功能，所以在開始的時候我準備用555芯片來完成倍頻器的設計。555組要有雙級型和COMS型的，而兩者也存在著很多的不同。 雙極型555和COMS型555的共同特點： （1） 二者的功能大體相同，外形和管角排列一致，在大多數(shù)應用場合可直接替換。 （2） 都使用單一電源，適應電壓范圍大，可與TTL、HTL、COMS型數(shù)字邏輯電路等共用電源。 （3） 555的輸出為全電源電平，可與TTL、HTL、COMS型等電路直接接口。 （4） 電源電壓變化對震蕩頻率和定時精度的影響小。對定時精度的影響僅為0.05%/V，而且溫度穩(wěn)定性好，溫度飄溢不高于50ppm/C(即0.005%/C)。 雙極型555與COMS型555的差異： （1） COMS型555的功耗僅為雙極型的幾十分之一，靜態(tài)電流僅為300uA左右，為微功耗電路。 （2） COMS型555的電源電壓可低至2—3V；各輸入功能端均為pA量級。 （3） COMS型555的輸出脈沖的上升沿和下降沿比雙極型的要陡，轉換時間短。 （4） COMS型555在傳輸過度時間里產生的尖峰電流小，僅為2—3mA；而雙極型555的尖峰電流高達300—400mA。 （5） COMS型555的輸入阻抗比雙極型的要高出幾個數(shù)量級。 （6） COMS型555的驅動能力差，輸出電流僅為1—3mA，而雙極型的輸出驅動電流可達200mA。 通過上面對兩種型號的555的比較，可以看出，在要求定時長、功耗小、負載輕的場合，適合選用COMS型的555。而在負載重、要求驅動電流大、電壓高的場合，適合選用雙極型的555。此外，由于雙極型的沖擊峰值電流大，在電路中應加電源濾波電容，且容量要大。雙極型555的輸入阻抗遠比COMS型的輸入阻抗低，一般要在555的電壓控制功能端加一去耦電容（0.01---0 .1uF），而COMS型的555可不加。COMS型555的輸入阻抗很大，很適合做長延時電路，RC時間常數(shù)一般很大。 關于驅動能力，雙極型555可直接驅動低電阻負載，如感性的繼電器、小電動機和揚聲器等。COMS型555只可直接驅動高阻抗負載。若驅動大的負載，可在輸出端加接小功率放大晶體管來彌補。 555時基集成塊是在殼體內含有兩個單一時基單元，相當于兩個555，但二者相互獨立，只是共用電源和公共地。下圖給出了雙極型時基電路SE555和NE555的電性能參數(shù) COMS型555是在雙極型555基礎上采用COMS工藝制作的。為與雙極型555相區(qū)別，在555前面加7，即7555，7556，表示是以COMS工藝制作的，下圖給出了555/7555兩種電路使用的極限參數(shù) 在可靠處發(fā)下，出發(fā)脈沖所要求的最低電壓與出發(fā)脈寬的關系曲線。列出了所使用的電源電壓與電源電流的關系。列出了傳輸延時與觸發(fā)脈沖電平的關系。適當降低出發(fā)脈沖的電平，對555內部的傳輸延遲有一定好處，這對于高速數(shù)字傳輸?shù)倪\行是有利的。 根據(jù)上面的介紹和討論，已經對555的性能和指標有了很深入的了解和研究，所以，設計了下面的倍頻器電路 圖4-13 555倍頻器電路 按找上面的電路設計，輸入和輸出波形的理想狀態(tài)如下圖： 圖4-13波形圖 但是，實際的硬件輸出卻沒有這種波形，經過測量和調試發(fā)現(xiàn)，用555設計的電路的頻率范圍為500---5000HZ，而本次的頻率是市電的50HZ，超過了最低的頻率范圍，所以電路不能實現(xiàn)預期的效果。要想把頻率拉下來，對電路進行了改進，不用555芯片，而是采用74系列的觸發(fā)器芯片。下