浅议城市智能交通信号控制系统设计的相关问题

王成玉

摘要：交通信号控制系统是城市道路交通管理系统中对交叉路口、行人过街，以及环路出入口采用信号控制的子系统，是运用了交通工程学、心理学、应用数学、自动控制与信息网络技术以及系统工程学等多门学科理论的应用系统。本文对于设计要实现一个城市平面交叉路口智能交通信号控制系统相关问题进行分析，在分析控制系统设计总体设计基础上，对于系统设计方案、系统器件选型以及系统总体设计重点问题进行研究。

关键词：智能交通； 信号控制； 系统设计

Abstract: traffic signal control system of city road traffic management system on the crossing, pedestrian crossing, as well as loop entrance signalized control subsystem, using traffic engineering, psychology, applied mathematics, automatic control and information network technology and system engineering and other subjects and the application of the theory system. In this paper, the design should realize a city intersection traffic signal control system related problem analysis, in the analysis of control system design based on the overall design, system design, system component selection and system design of focus problem research.

Keywords: intelligent transportation system; signal control; system design

中图分类号： U284.77+1  文献标识码：A 文章编号：2095-2104（2012）

交通信号控制系统是现代城市交通管理和控制的基础，它通过适合本市的信号控制系统设备和控制方案，达到交通最大程度的畅通。主要包括交通工程设计、车辆信息采集、数据传输与处理、控制模型算法与仿真分析、优化控制信号调整交通流等。

一、智能交通信号控制系统的现状

1、当前世界各国广泛使用的最具代表性、有时效性的城市道路交通信号控制系统有三个:英国TRANSYT交通信号控制系统，由英国道路研究所花费近十年时间研制成功的控制系统，经过不断改进，已发展到TRANSYT-8型；澳大利亚SCAT系统，采用先进的计算机网络技术，呈计算机分层阶梯形式，模块形式结构；英国SCOOT(Split cycle offset qptimization tech-nique)系统，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，经过八年的研究与1980年提出的动态交通控制系统。由于其采用实时控制，有明显的优于静态系统的效果，被许多国家采用。

2、我国的城市交通控制系统方面的工作起步较晚。较为突出的是南京城市交通控制系统，该系统结合了SCOOT与SCATS的优点，是我国完全国产化自行设计建成的第一个适合中国混合交通条件及路网密度低、路口间距悬殊的城市道路条件的交通控制系统。

近期，国内还有很多的研究所或大学、公司开发了微机化、模块化的信号控制系统，例如西北工业大学空中交通管理研究所研制与开发的XATM系列智能交通信号机，淄博双百电子公司SB-UTC2000城市交通控制系统，上海东川公司UTC I 100多时段多方案式交通信号控制机等，以上信号控制系统都采用了多相位、多时段控制方式，克服了早期信号机简单的两相位、单时段控制带来的不灵活性等缺点，在功能方面也增加了不少。例如XAIM系列智能交通信号机，在控制模式、应急方案、硬件事故检测与保护、联网功能、软件入机界面、控制优化算法等方面都比早期的信号机有较大的提高。

二、智能交通信号控制系统的组成

1、系统基本组成

交通信号控制系统的基本组成是主控中心、路口交通信号控制机以及数据传输设备。其中主控中心包括操作平台、交互式数据仓、效益指标优化模型、数据（图像）分析处理等。

2、系统核心

交通信号控制系统的核心是控制模型算法软件，是贯穿规划设计在内的信号控制策略的管理平台，体现着交通管理者的控制思想，它包括信号控制系统将起到的作用和地位。目前，国内外已应用的信号控制系统大多是以优化周期方案、优化路口绿信号配比以及协调相关路口通行能力为基础的，是根据历史数据和自动检测到的车流信息，通过设置的控制模型算法选取适当的信号配比控制方案，是被动的控制策略。应用较多的核心软件即效益指标优化模型是英国运输和道路研究所研制的SCOOT系统和澳大利亚悉尼为应用背景开发的SCATS系统，他们是动态的实时自适应控制系统的早期代表，也是未来一个时期交通信号控制系统智能化发展的开发基础。随着网络技术的发展，交互式控制策略是信号控制由感控到诱导实现了真正的智能，交通信号控制系统不仅可以检测到车流量等交通信息参数，调控路口绿信号配比，变化交通限行、禁行等指路标志，还可以根据系统联接的数据库完成与交通参与者之间的信息交换，向交通参与者显示道路交通信息、停车场信息，提供给交通参与者合理的行驶线路，以达到均衡道路交通负荷的主动的控制策略。尤其重要的是计算机网络技术和数字化使数据传输和信息利用得到了可靠保证。可以说，城市道路智能交通信号控制系统是城市道路交通管理随着信息产业技术迅猛发展的综合产物。

3、系统控制方法

交通信号控制系统的主要控制方法有以下几种：单点定配时多相位信号协调控制（时钟调用预设方案、减少交通冲突点、配合早断和迟启），车辆感应实时自适应协调控制（调整周期、绿信比，增加有效绿灯时间），用户优先无电缆干线协调控制（协调周期、相位差，照顾行人、公交车、特种车），实时自适应区域控制（交通流仿真、优化效益指标、均衡区域交通流）。

4、运行管理与分级控制

由于交通信号控制系统的建设是与城市规划及道路规划息息相关的，因此，智能交通信号控制系统的管理模式就是集中管理，分级控制，充分利用现有设施，按实际交通现状先进行单个交叉路口的自适应协调，然后是主干线的协调控制，实现分布式协调的分级控制，最终达到区域控制的系统最优。信号控制系统的运行管理主要包括对主控中心数据库包括地理信息在内的操作平台的数据更新，对交叉路口设施尤其是车辆检测设备的检修和校对，保证完好率和准确率。

三、智能交通信号控制系统设计

1、控制系统设计概述

本设计要实现一个城市平面交叉路口智能交通信号控制，系统由智能控制专用模块、控制电路以及其它外围电路组成。考虑到实际情况，系统在智能控制的基础上还设定多种操作模式，包括定时控制模式、人工操作模式，以保证系统在特殊情况时也能进行交通控制。本方案采用定时控制、人工控制、智能控制的多模式统一控制方式。

定时控制方式为传统的控制方式，各方向的绿灯时间是固定的，本设计中设定各方向的绿灯时间为：东西方向灯色循环为绿灯45秒，黄灯5秒，左拐灯15秒，黄灯5秒，绿灯20秒，黄灯5秒；南北方向灯色循环为红灯65秒，黄灯5秒，绿灯20秒，黄灯5秒，左拐灯15秒，黄灯5秒。人工控制模式类似于交通警察指挥交通。为了城市中各个路口的协调控制，每个系统可以通过串行总线与控制中心的PC相联，交通管理人员在不方便到现场的情况下，可以通过总线传回的数据了解交通情况，并可以在其它设备辅助下远程控制信号灯来疏导交通。智能控制方式拟采用线圈检测器作为检测信号源，通过智能控制电路进行绿时计算，之后通过控制部分实现信号的智能控制。

2、系统设计方案的选择

利用FPGA与其内嵌CPU实现整个系统。对于算法简单、数据量大而又存在较大并行性的算法可以由FPGA用硬件来实现。对于比较复杂的算法，若用FPGA实现则硬件开销太大，这时就可以由内置CPU并结合软件设计来完成。由于CPU是以Altera的IP植入与主动互联技术整体嵌入的，直接连接到FPGA的逻辑和存储器阵列上，因此可以获得巨大的处理宽带。将FPGA结构与内嵌CPU进行优化组合，能够充分发挥各自的优势，最大程度地实现系统的集成化和小型化。即Nios软核处理器FPGA。随着VLSI(Very Large Scale IC）工艺的不断提高，FPGA芯片的集成规模也越来越大，所实现的功能也越来越强。它不仅可以解决电子系统的小型化和低功耗等问题，还具有高速、高可靠性、开发周期短、质量稳定等优点，而且还可以根据需要现场编程。因此，无论在开发过程中还是后期的现场调试或者功能升级，都十分方便灵活。FPGA内嵌的N工OS软核处理器是32位的，主要包括CPU微处理器、I/O中断、计时器、DART串口及大量通用寄存器。用户可以自己定义Nios的数据总线和地址总线宽度（最大32位），也可以根据具体的设计方式，可裁减、可扩充、可升级，并具备软硬件在系统可编程的功能。优点：在单个芯片上既可以完成智能交通绿时计算，又可以用内嵌的Nios处理器完成对整个系统的控制，电路设计简单，成本低，抗干扰能力强。缺点：虽然有众多的IP核可以使用，但因FPGA是面向最底层的硬件电路编程，所以开发难度相对较大。Nios处理器相对大多数单片机，处理能力相对差一些。

3、系统的器件选型

3.1 嵌入式处理器的选择

Cyclone（飓风）系列，是Altera公司最新一代SRAM工艺、中等规模的低成本FPGA，与Stratix结构类似，是目前的主流产品。基于1.5V，0.13um全铜SRAM工艺，内含多达20060个逻辑单元（LE)和288KB的RAM。它支持各种单端I/O标准（如LVTTL，LVCOS，PCL和SSTL-2/3），通过LVDS和RSDS标准提供多达129个通道的差分I/O支持，每个LVDS通道高达640Mbps。综合考虑芯片的逻辑资源量、最大时钟频率、最大I/O引脚数、价格等因素，本系统采用Cyclone系列的EP1C12芯片内嵌NIOS软核作为核心处理器，它是目前市场上性价比最高且价格最低的FPGA之一。

3.2 存储器的选择

由于本文选用的EP1C12Q240内部仅有239616bit(52*4.5K)RAM，所以系统必须用外部存储器来存放程序和交通流数据。外部存储器的选择主要考虑存储容量、存取速度、价格和功耗等因素。存取速度（访问时间）是指存储器接收到稳定的地址输入到操作完成的时间，它必须与处理器和外围电路的速度相匹配。本设计采用了两片256*16位的SRAM(IS61LV25616)用作系统的数据存储器。Nios的读写外存储器时间一般为20ns，又考虑到系统升级的需要，所以选用存取时间为10ns的IS61LV25616-10T。这样既能保证整个系统高速运行，而且也比较经济。由于SRAM为易失性存储器，所以系统必须用EPROM或Flash等非易性存储器来存放程序的初始化数据。

4、智能交通信号控制系统设计的分级设计

交通信号控制系统的分级设计的基本步骤如下：根据路口交通流现状和预测进行交通渠化设计分析原始交通流数据，通过仿真模型效验，确定控制模式，进行交通参数设定根据交通渠化设计及控制模式的设计要求完成交通工程设计（包括车辆检测器的检测去定位）根据各个路口配备设备的相关性，完成协调设计确定系统的单点控制的优化目标函数，得出最优信号控制方案配置路口信号控制机的固化基础参量，配置主控中心数据库与数据传输设置。

4.1 硬件设计

硬件设计包括系统硬件电路的连接和FPGA内部逻辑电路的设计。系统硬件电路的连接是以prote199SE为设计环境，首先进行系统硬件（包括FPGA及其外围电路、外部存储器、显示电路等）原理图的设计，然后以其为基础完成PCB板的设计，在焊接调试完成系统硬件的设计。

FPGA内部逻辑电路的设计是以QuartusII开发环境，用VHDL语言编程实现SRAM读写控制、智能控制等模块的功能，用SOPC Builder配置、产生Nios软核处理器及必要的外设，然后一起编译并下载到FPGA的配置芯片中，再由配置芯片完成对FPGA的上电配置，由此形成硬件逻辑电路的连接，实现对交通流量采集、处理、传输以及绿时计算等功能模块的控制。

MCU作为主控芯片，实现人机交互的大部分功能，包括键盘输入、LCD显示、人工控制、总线控制等。总线接口采用RS485接口实现，区域控制PC通过RS485总线实现区域联合控制。考虑到该系统工作环境非常恶劣，因此采用硬件来实现智能控制模块。虚线内部分都将在一片FPGA芯片上实现，MCU采用FPGA嵌入式软核实现，在本设计中采用的是Altera公司针对其FPGA芯片优化设计的Nios核。

4.2 软件设计

系统总体程序中在系统运行中程序会查询串口以及键盘旷动作，如果出现有效操作，则响应输入并向智能控制模块发送指令，改变当前信号控制方式或进行人工控制。一般嵌入式系统编程语一言有汇编和C语言两种，本系统选择了C语言。使用汇编的麻烦在于他的可读性和可维护性特别差，当程序没有很好标注的时候，代码的可重用性也比较低。用SOPC Builder生成Nios处理器系统的同时，也会生成相应的SDK软件开发包。在这个软件包的基础上，开发者可以编写C或者C++程序来完成对智能交通控制系统的控制过程。C或者C++程序可以在VC环境下编译和调试，然后再移植到Nios处理器中，通过Nios的专用调试环境Nios SDK Shell来调试。

4.3 中心控制软件结构设计 中心控制软件负责提供入机界面，与信号机进行通讯以获取或设定参数，实时的显示路口红色状态与倒计时，相位定义并存取相位信息和配时优化等。

4.4、系统的总体设计

系统大部分计算机控制功能利用硬件实现，软件主要实现人机交互功能。交通控制系统中的人机交互主要包括控制模式的选择和人工控制模式下对交通信号的控制。

在进行控制模式选择时，所有控制模式以及系统当前的控制模式通过系统配置的LCD显示出来，系统在运行过程中会对按键输入进行查询，如发现有输入发生，则对按键进行判断，若发现控制状态需要更改，则对相应的标记进行更新，送入控制器，并刷新LCD显示状态。系统处于人工控制模式，LCD显示的灯色信号状态以及系统当前的灯色信号。系统同样会在运行过程中对按键进行查询，发现有效输入后，读键值并更改当前灯色状态，刷新LCD显示。另外为了实现城市交通信号区域控制以及城市交通状况实时反馈，通过RS485总线将多个控制器联接，统一由交通管理中心的总控制PC机进行控制。当上位PC机向某一个控制器发出命令时，根据命令内容，控制器可以向PC机发送当前路口的交通数据流，或者接受PC机的控制指令，使交通管理人员可以通过一些辅助视频设备进行远程人工控制。整个系统的设计又分为硬件设计和软件设计。

结语

本文简单介绍了智能交通信号控制系统的概念、分类、国内外现状，以及其在人工智能方面所使用的关键技术，可以说对智能交通信号控制系统有了初步的了解。但是，在其关键技术方面还有所欠缺，以后将更进一步深入进行研究探讨。

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