畢業(yè)設(shè)計(jì)—基于PLC的交通信號(hào)燈.doc

中北大學(xué)2009屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書第1頁(yè)共39頁(yè)1引言城市的快速發(fā)展，機(jī)動(dòng)車擁有量的增長(zhǎng)，給交通帶來(lái)了許多問(wèn)題，如交通擁堵、交通事故頻發(fā)等。作為城市交通命脈的道路阻塞會(huì)使整個(gè)城市交通陷入癱瘓。完善路網(wǎng)來(lái)緩解交通擁擠不是短時(shí)間所能解決的，目前急需做的是進(jìn)一步挖掘路網(wǎng)的潛力并改善交通現(xiàn)狀，特別是改善交通信號(hào)控制?？梢?jiàn)，研制一種高效的智能交通控制系統(tǒng)是很有必要的，因此，城市交通的智能控制目前已成為國(guó)內(nèi)外交通工程界研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域之一，最大程度地提高十字路口的通行能力，為經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活提供一個(gè)安全、暢通、高效的交通環(huán)境已成為必然1。1.1交通信號(hào)燈的產(chǎn)生自從有鐵路以來(lái)，就出現(xiàn)了為沿某段軌道行駛的列車顯示是否安全的信號(hào)了。1868年，發(fā)明家JP奈特產(chǎn)生了將這些信號(hào)應(yīng)用在道路的想法。他在倫敦的議會(huì)大樓外設(shè)置了第一個(gè)交通信號(hào)。它們像鐵路信號(hào)一樣有一個(gè)傾側(cè)臂，并且將紅色和綠色的煤氣燈組合起來(lái)供夜晚使用的。然而，當(dāng)某個(gè)信號(hào)燈發(fā)生爆炸并炸死了一名警察后，這個(gè)計(jì)劃就告吹了。由于汽車的發(fā)明以及交通量的不斷增加，交通信號(hào)日益成為一種需要，特別是在美國(guó)。20世紀(jì)初，阿爾弗雷德貝尼施開(kāi)發(fā)出一種紅綠燈系統(tǒng)，并且在俄亥俄州的克利夫蘭進(jìn)行了第一批安裝。4年后，在設(shè)置于紐約的交通燈上又增加了第3種顏色琥珀色。1925年，交通信號(hào)重新出現(xiàn)在英國(guó)。1926年英國(guó)人首次采用自動(dòng)化的交通信號(hào)控制器來(lái)控制交通信號(hào)燈。早期使用的交通信號(hào)燈對(duì)于安全疏導(dǎo)交叉口的車輛交通起到了良好的作用，但因?yàn)槠涔潭ǖ闹芷陂L(zhǎng)和紅綠燈時(shí)間控制效果不佳，隨著城市交通的飛速發(fā)展，交叉口處的交通沖突也越來(lái)越復(fù)雜。早期使用的交通信號(hào)燈越來(lái)越難以勝任日趨復(fù)雜的交通控制任務(wù)了。同時(shí)，隨著人類科學(xué)技術(shù)水平的不斷提高，相應(yīng)地產(chǎn)生了符合多種時(shí)間分離方法的多樣化的現(xiàn)代化交通信號(hào)燈，學(xué)者們也提出了一些信號(hào)控制方案，例如定時(shí)控制、感應(yīng)控制等2。1930年，美國(guó)鹽湖市開(kāi)始使用聯(lián)動(dòng)式信號(hào)系統(tǒng)，該系統(tǒng)把相鄰的幾個(gè)交叉路口作為一個(gè)整體，以人工方式集中控制，這種控制系統(tǒng)也就是當(dāng)今協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的雛形。隨著傳感器技術(shù)的發(fā)展，交通感應(yīng)路口控制機(jī)開(kāi)始在美國(guó)使用，這種控制機(jī)當(dāng)時(shí)只用在單個(gè)交叉路口，其最大優(yōu)點(diǎn)是能根據(jù)交通檢測(cè)器測(cè)量的交通數(shù)據(jù)來(lái)調(diào)整交通控制方案，隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，1963年，加拿大多倫多市建立了一套由JBM650型計(jì)算機(jī)控制的交通信中北大學(xué)2009屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書第2頁(yè)共39頁(yè)號(hào)系統(tǒng)是基于模糊邏輯的路口交通燈控制算法，這是道路交通控制技術(shù)發(fā)展的里程碑。該系統(tǒng)第一次把計(jì)算機(jī)技術(shù)用于交通控制，大大提高了控制系統(tǒng)的性能和水平。到80年代初，世界上己有大約250個(gè)的城市建立了區(qū)域交通控制系統(tǒng)，對(duì)城市交通進(jìn)行整體集中控制。1969年英國(guó)學(xué)者設(shè)計(jì)的區(qū)域控制系統(tǒng)優(yōu)化程序TRANSYT(TrafficNetworkStudyTools)被世界各國(guó)廣泛采用，對(duì)交通控制系統(tǒng)的發(fā)展起到了促進(jìn)作用。1979年英國(guó)道路和運(yùn)輸研究所研制成功了SCOOT系統(tǒng)，與此同時(shí)澳大利亞推出了SCAI系統(tǒng)。這些實(shí)時(shí)自適應(yīng)控制系統(tǒng)的誕生在交通控制發(fā)展史上是一個(gè)偉大的創(chuàng)舉，他們可以根據(jù)檢測(cè)器測(cè)量的實(shí)時(shí)交通數(shù)據(jù)，聯(lián)機(jī)生成配時(shí)方案，同時(shí)不斷修正控制參數(shù)，以適應(yīng)交通流的動(dòng)態(tài)隨機(jī)變化，因此有較高的控制精度和較好的響應(yīng)速度。這些系統(tǒng)己經(jīng)在發(fā)達(dá)國(guó)家的城市網(wǎng)絡(luò)交通控制中獲得了成功的應(yīng)用。隨著智能控制技術(shù)的發(fā)展，學(xué)者們提出了一些智能控制的方法，如模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制和遺傳算法等。這些技術(shù)的應(yīng)用都不同程度的縮減了車輛延誤、提高了道路的通行能力、改善了交通環(huán)境3。現(xiàn)代交通信號(hào)常常由電腦來(lái)控制。電腦與道路底下的交通檢測(cè)器相連接，監(jiān)視交通流量并測(cè)算出改變燈光的最佳時(shí)間。1.2國(guó)內(nèi)外交通問(wèn)題的現(xiàn)狀在國(guó)外，特別是西方國(guó)家，由于經(jīng)濟(jì)發(fā)展的較快，早在60年代，交通問(wèn)題便日漸突出。據(jù)一項(xiàng)對(duì)美國(guó)主要城市交通狀況的調(diào)查結(jié)果，在1982年至2000年間，美國(guó)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(shí)間和汽油浪費(fèi)而帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失每年高達(dá)680億美元。一位在美國(guó)市區(qū)駕車上班者在2000年全年平均在路上遇到塞車的時(shí)間長(zhǎng)達(dá)62小時(shí)。根據(jù)歐美的經(jīng)驗(yàn)，交通擁擠造成負(fù)面影響中，交通事故、汽油過(guò)量和時(shí)間成本約各占三成4。我國(guó)，由于經(jīng)濟(jì)發(fā)展相對(duì)較晚，汽車擁有量相對(duì)較少，在改革開(kāi)放前及初期，這一問(wèn)題并不嚴(yán)重，但隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，機(jī)動(dòng)車輛的增多，在80年代中期，特別是進(jìn)入90年代以來(lái)，我國(guó)的交通狀況日漸惡化，交通擁擠日益嚴(yán)重，特別是一些大中城市，交通擁擠己成為制約城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展的瓶頸。以北京市為例，交通問(wèn)題己成為影響城市正常功能發(fā)揮和城市可持續(xù)發(fā)展的一個(gè)全局性問(wèn)題。城區(qū)主要道路的平均負(fù)荷度高達(dá)95%以上。交通擁擠的加劇，不僅造成巨額的經(jīng)濟(jì)損失，發(fā)展嚴(yán)重甚至?xí)?dǎo)致城市功能的癱瘓。交通擁擠不僅使交通延誤增大，行車速度降低，帶來(lái)時(shí)間損失，而且低速行駛增加耗油量，導(dǎo)致燃料費(fèi)用增加、能源的浪費(fèi)；汽車尾氣排放增加而造成環(huán)境質(zhì)量惡中北大學(xué)2009屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書第3頁(yè)共39頁(yè)化，據(jù)科學(xué)家測(cè)定，大氣中所含一氧化碳的75%、碳?xì)浠衔锖偷趸衔锏?0%來(lái)源于汽車的排放。據(jù)統(tǒng)計(jì)北京市僅來(lái)自汽車排放的尾氣中的一氧化碳、碳?xì)浠衔?、氮氧化合物分別占北京大氣污染物的63%、73%和22%，是北京大氣中的主要污染源；因交通問(wèn)題而引起的環(huán)境問(wèn)題同樣己成為人類社會(huì)的公害之一。此外，交通擁擠使交通事故增多，而交通事故的發(fā)生又造成交通擁擠加劇，從而形成惡性循環(huán)。幾十年來(lái)，盡管世界各國(guó)采取了各種各樣的對(duì)策，但城市交通問(wèn)題一直沒(méi)有很好地解決，在長(zhǎng)期的實(shí)踐中，人們逐漸認(rèn)識(shí)到，僅僅依靠單純的修建道路，無(wú)法滿足日益增長(zhǎng)的交通壓力，特別是在交通問(wèn)題嚴(yán)重的市區(qū)，由于建筑格局己比較固定，進(jìn)行大的道路建設(shè)往往是不可能的，在這種情況下，利用現(xiàn)代化的計(jì)算機(jī)、通信、控制等手段解決交通問(wèn)題成為必然的選擇5。1.3解決城市交通的有效途徑發(fā)展智能化交通傳統(tǒng)交通信號(hào)控制策略存在的主要問(wèn)題：目前的交通信號(hào)控制方法主要包括定時(shí)信號(hào)控制和感應(yīng)式信號(hào)控制方法。其中，定時(shí)信號(hào)控制作為較為簡(jiǎn)單的信號(hào)控制方法，同時(shí)控制效果也較差。對(duì)于感應(yīng)式信號(hào)控制，特別是應(yīng)用較為廣泛的區(qū)域感應(yīng)式信號(hào)控制系統(tǒng)，如SCO0T、SCATS等，比定時(shí)信號(hào)控制來(lái)說(shuō)是交通信號(hào)控制上的一大進(jìn)步，在很大程度上有效地減小了交通擁擠，大大提高了交通控制能力，為現(xiàn)代城市進(jìn)行交通控制作出了重要貢獻(xiàn)。然而，這些系統(tǒng)本身所固有的缺陷，往往又很難真正滿足交通控制的需要，與理論上的控制效果相差較遠(yuǎn)。從80年代以來(lái)，我國(guó)北京、上海、深圳、沈陽(yáng)等城市先后從國(guó)外分別引進(jìn)了該類系統(tǒng)，由于系統(tǒng)本身所存在的上述問(wèn)題，加之我國(guó)車流組成復(fù)雜，各種類型的車輛相互混雜，并且存在著自行車流與機(jī)動(dòng)車相互干擾等的特殊情況，因此，控制效果更不理想。隨著現(xiàn)代科技的快速發(fā)展，計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制理論和控制方法的不斷發(fā)展，人們對(duì)交通控制技術(shù)提出了更高的要求。采用新的人工智能技術(shù)進(jìn)行交通控制，己成為現(xiàn)代交通控制發(fā)展的必然的要求。城市交通矛盾的日益突出，已開(kāi)始影響城市的發(fā)展，為了解決這個(gè)問(wèn)題，專家提出了許多建議，如限制私人購(gòu)車，增加道路寬度，建立交橋，發(fā)展城市軌道交通等等。這些措施和辦法雖然短期內(nèi)也能緩解交通壓力，但從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，城市的空間畢竟是有限的，這些辦法除了需要大量的資金支持外，還要付出慘重的代價(jià)。特別是像北京這樣的著名歷史文化古城，一味地?cái)U(kuò)展路面，不僅使古建筑和古跡遭到破壞，也破壞了城市獨(dú)有特中北大學(xué)2009屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書第4頁(yè)共39頁(yè)征。那么解決城市擁堵的最科學(xué)又行之有效的途徑在哪里呢？最行之有效的良方或許就是大力發(fā)展智能化交通。智能化交通系統(tǒng)是將先進(jìn)的信息技術(shù)、電子通訊技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等綜合運(yùn)用于整個(gè)交通運(yùn)輸，從而實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸方式和交通管理的現(xiàn)代化。智能化交通管理體系在國(guó)外已經(jīng)有了40多年的發(fā)展歷史，是目前發(fā)達(dá)國(guó)家普遍采用的交通管理方式，這種方式是在發(fā)達(dá)的交通網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上，應(yīng)用衛(wèi)星定位系統(tǒng)，對(duì)所轄區(qū)域的交通流量實(shí)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。20世紀(jì)90年代中期后，歐、美發(fā)展智能化交通明顯加快。主張采用智能交通系統(tǒng)的人士說(shuō)，這種技術(shù)將大大提高交通效率而節(jié)省大量的燃料和時(shí)間；除此之外，智能交通系統(tǒng)能夠減少交通事故，減少因事故造成的部分經(jīng)濟(jì)損失。此外，發(fā)展智能交通對(duì)交通安全、節(jié)省能源、城市環(huán)保等方面還有無(wú)窮妙用6。1.4智能交通系統(tǒng)1.4.1智能交通系統(tǒng)背景隨著城市交通的不斷發(fā)展和汽車化進(jìn)程的加快，導(dǎo)致了交通擁擠加劇，交通事故頻發(fā)，交通環(huán)境惡化。當(dāng)前，交通問(wèn)題已成為世界范圍內(nèi)制約城市發(fā)展的棘手問(wèn)題，人們對(duì)交通需求的持續(xù)增長(zhǎng)和交通設(shè)施供給之間的矛盾日益突出。解決這一矛盾，一方面措施是加大交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，提高交通供給水平；另一個(gè)措施是改善城市布局，實(shí)施有效的交通管理，抑制交通需求。無(wú)疑，緩解交通問(wèn)題的最直接和最有效辦法是進(jìn)行大量道路建設(shè)以滿足高速增長(zhǎng)的交通需求。但從資金、土地和城市可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略角度來(lái)看，通過(guò)無(wú)限制修建道路來(lái)滿足交通需求并不可行。與此同時(shí)，通過(guò)限制車輛增加以達(dá)到削減交通需求的目的，也受到客觀因素的制約而無(wú)法取得滿意的效果。事實(shí)上，由于交通系統(tǒng)是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的大系統(tǒng)，無(wú)論單獨(dú)從車輛方面考慮還是從道路方面考慮，都很難從根本上解決問(wèn)題。此外，交通對(duì)能源的消耗和對(duì)城市環(huán)境的污染問(wèn)題日益為人們所關(guān)注，其嚴(yán)重性為人們所認(rèn)識(shí)。在這種交通背景下，從系統(tǒng)的觀點(diǎn)出發(fā)，把車流輛和道路綜合起來(lái)考慮，運(yùn)用各種高科技技術(shù)系統(tǒng)地解決道路交通問(wèn)題的思想就應(yīng)運(yùn)而生了，這就是智能交通系統(tǒng)。智能交通系統(tǒng)是現(xiàn)代交通管理與控制中更先進(jìn)和更高級(jí)的形式，代表了現(xiàn)代交通管理的更高水平。智能交通系統(tǒng)是一種大范圍、全方位發(fā)揮作用的實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、高效的綜合交通管理系統(tǒng)，是檢測(cè)技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和控制技術(shù)等信息技術(shù)在交通管理與控制中北大學(xué)2009屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書第5頁(yè)共39頁(yè)中綜合應(yīng)用的體現(xiàn)。智能交通系統(tǒng)的主要目標(biāo)可以概括為：保障交通安全、提高交通效率、改善城市環(huán)境、降低能源消耗。智能交通系統(tǒng)的主要功能體現(xiàn)在智能化地收集交通信息及其他各類相關(guān)信息加以分析處理，并將注釋的信息反饋給系統(tǒng)的操作者或駕駛員。借助于這樣的交通信息，系統(tǒng)操作者和車輛駕駛員能迅速做出反應(yīng)，采取適當(dāng)?shù)男袆?dòng)，使交通狀況得到改善5。1.4.2現(xiàn)有智能交通控制的不足智能控制能夠適應(yīng)交通系統(tǒng)復(fù)雜多變的局面，可獲得比傳統(tǒng)的定時(shí)控制、感應(yīng)式控制方法更好的控制效果，必將成為未來(lái)交通控制的主要形式。但在控制策略的運(yùn)用與理解上仍存在著許多不足之處。因此，如何在交通控制中更充分地發(fā)揮模糊控制的特點(diǎn)，還需要進(jìn)一步深入地研究。當(dāng)前基于模糊控制的智能交通控制研究的主要不足之處表現(xiàn)在：（1）主要局限于簡(jiǎn)單交叉口單向車流的研究。（2）大多僅考慮兩個(gè)方向的直行交通流，而忽略左轉(zhuǎn)車流的影響。（3）進(jìn)行模糊控制時(shí)，模糊變量的選取比較簡(jiǎn)單，不能綜合考慮各條車道、不同行駛方向交通流的差異變化。（4）決策過(guò)程也不能完全體現(xiàn)交警進(jìn)行信號(hào)控制的實(shí)際狀況。（5）信號(hào)相位的選擇單一、靈活性差，雖然有些系統(tǒng)也進(jìn)行了多相位控制策略的研究，但卻不具備靈活的相位轉(zhuǎn)換能力7。1.4.3智能交通系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)隨著城市交通的發(fā)展，交通量的增大，多相位路口的信號(hào)控制將逐漸成為主流，所以今后研究的重點(diǎn)將是多相位控制?？梢酝ㄟ^(guò)模擬有經(jīng)驗(yàn)的交通警察指揮多相位交叉口的經(jīng)驗(yàn)，得出多相位控制的基本原理：在某一相位放行的過(guò)程中除了盡快消除當(dāng)前通行的車隊(duì)隊(duì)長(zhǎng)外，還需要不斷觀察下一相位車道上的車隊(duì)長(zhǎng)度，綜合考慮是否把通行權(quán)交給下一個(gè)相位。因此把隊(duì)長(zhǎng)作為控制目標(biāo)，綜合考慮各車道上的隊(duì)長(zhǎng)，以此決定綠燈信號(hào)分配的方法更接近人的決策過(guò)程8。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠通過(guò)學(xué)習(xí)給定的有經(jīng)驗(yàn)的訓(xùn)練集生成映射規(guī)則，但在網(wǎng)絡(luò)中映射規(guī)則是不可見(jiàn)和難于理解的。而模糊理論沒(méi)有學(xué)習(xí)和適應(yīng)能力，使用者難以確定和校正模糊規(guī)則。隨著交通控制技術(shù)智能化的不斷提高，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制與模糊控制的交叉綜合是90年代智能控制的研究熱點(diǎn)，利用模糊控制與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等智能控制技術(shù)進(jìn)行交叉口信中北大學(xué)2009屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書第6頁(yè)共39頁(yè)號(hào)燈控制能取得比定時(shí)控制與感應(yīng)控制更好的效果，將是今后單交叉口信號(hào)燈控制的主要研究方向。在交通控制中，配時(shí)方案的優(yōu)化是非常關(guān)鍵的一步。傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)方法還無(wú)找到它的全局最優(yōu)解。遺傳算法是一種基于自然選擇和進(jìn)化的搜索技術(shù)，因而在優(yōu)化領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。當(dāng)然，將模糊、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法等多種智能控制方法綜合集成，將是今后智能控制發(fā)展的一個(gè)方向。深人開(kāi)展這種多學(xué)科的交叉綜合研究，將有助于智能控制理論的發(fā)展，使智能控制的理論及應(yīng)用研究更為深人，更有實(shí)際價(jià)值。面向中國(guó)城市交通情況和功能需求，開(kāi)發(fā)研究新一代的實(shí)時(shí)自適應(yīng)控制與管理系統(tǒng)，成為中國(guó)城市交通控制系統(tǒng)發(fā)展的必由之路。自適應(yīng)控制系統(tǒng)被認(rèn)為實(shí)用性最強(qiáng)、是發(fā)展先進(jìn)的交通管理系統(tǒng)(ATMS)的最佳基礎(chǔ)。因此，自適應(yīng)交通控制系統(tǒng)將是未來(lái)一個(gè)階段交通控制系統(tǒng)的發(fā)展方向。對(duì)于單點(diǎn)控制，當(dāng)交叉口處于過(guò)飽和或者近飽和狀況時(shí)，無(wú)論多么智能的控制系統(tǒng)也將無(wú)能為力，仍然需要