基于无线传感交通信号控制系统.docx

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基于无线传感交通信号控制系统

基于无线传感交通信号控制系统

1．交通信号控制系统

交通信号控制系统（AITS100）是集现代计算机、通信和控制技术于一体的区域交通信号实时联网控制系统，可实现对路口交通信号的实时控制、进行区域协调控制、中心和本地的优化控制。

路口状态的实时查询与监控，具有路口信号灯的故障定位，配时方案的实时上传与下载，操作日志的记录和管理、多用户的远程登录控制和权限管理等功能。

2．交通信号控制系统编写目的和背景　

2.1编写目的

成熟高效的城市交通信号控制系统能够有效地减少城市交通拥挤和行车延误、降低交通事故发生率和死亡率、减少能源消耗、改善交通环境,从而产生可观的社会经济效益。

随着通讯技术和交通控制系统的不断发展，智能交通成为了无线传感网的一个重要的、基本的研究和应用方向；另一方面，随着城市化的发展，各国的交通拥堵问题都成为制约社会发展的一个瓶颈，因此，尽快把无线传感网技术应用到交通问题的解决中就显得尤为重要和急迫。

当前，各国都把先进的智能交通控制系统研发工作摆在十分重要的位置上，不惜投入巨资进行整治和开发，虽然取得了一定的成绩，但是依然存在投入产出比差、系统稳定性差、系统适应性差、实时性不好等问题。

无线传感网技术的兴起和深入发展为智能交通的进一步发展提供了契机。

2.2项目背景

具备智能的交通信号控制的系统。

3．国内外交通信号控制系统发展现状

20世纪80年代以后,随着信息技术的发展,城市交通控制开始向信息化、智能化方向发展。

在20世纪90年代,发达国家已开始出现智能交通控制系统,并将城市交通控制系统纳入智能交通运输系统中,成为先进交通管理系统的重要子系统。

世界各国解决城市交通存在的问题,主要采用先进的交通控制方法。

截止2000年,世界上已有480多个大城市采用了先进的交通信号控制系统,即采用计算机（路口计算机、区域主计算机和控制中心计算机）联网控制,根据交叉路口的实时交通流量,通过研制的交通模型和软件确定交叉口红绿灯配时方案,实现整个交通路网的配时优化。

目前国内所引进或研制的交通信号控制系统,基本上都是国外20世纪七、八十年代的技术和研究成果,且其核心控制算法均未考虑到我国的道路交通状况及现行路网条件,特别是我国的非机动车流及混合交通的具体特点。

而混合交通是目前我国城市交通路网的主流,因此,我们需要研制一套适应我国国情、路情的具有高效城市交通路网信号控制算法的智能交通信号控制系统。

4.智能交通信号控制原理

通过埋设在道路交叉口的车辆检测器，判断车道使用情况，根据中心平台对于相应车道车流量的统计数据进行融合处理，自适应变更交叉路口信号灯配时方案，实行绿波控制，最大限度保证道路交叉口的通行顺畅。

几个相关概念

（1）周期时长

周期时长即交通信号灯各种灯色轮流显示一次所需的时间,等于绿灯、黄灯和红灯时间之和。

一般信号灯最短周期不能少于,否则不能保证几个方向的车辆顺利通过交叉路口。

最长周期不超过,否则引起等待司机的抱怨。

适当的周期时长选择对疏散路口的交通流、减少车辆等待时间有重要意义。

从疏散的角度来讲,当交通需求越大时,周期应越长,否则一个周期内到达的车辆不能在该周期的绿灯时间内通过交叉路口,就会发生堵塞现象。

从减少车辆等待时间的角度来计划,太长或太短的周期都是不利的。

若周期太短,则发生上述堵车现象。

若周期太长,则某一方向的绿灯时间可能大于实际需要长度,而另外方向的红灯时间不合理的延长,必然导致该方向车流等待时间的延长。

因此对单个交叉口而言,确定一个最佳的信号周期是非常必要的。

（2）绿信比

一个周期中,有效绿灯时间与周期时长之比称为绿信比。

设有效绿灯时间

为G,周期长度为N,则绿信比g为:

g=G/N

通过合理分配各车流方向的绿灯时间绿信比,可使各方向上阻塞车次数、等待时间减至最少。

（3）相位

一股或几股车流,它们在一个信号周期内,不管任何瞬间都获得完全相同

的信号灯色显示,那么就把他们获得相同灯色的连续时序称作为一个信号相位。

信号的相位种类很多,在交通信号控制中,最少的是两相位控制,多于两个相位的叫多相位控制,如三相位、四相位控制。

一般来讲,采用的相位越多,车辆在路口上的交叉越少,但是信号周期相应要增长,具体路口信号采用几个相位控制,要视路口的交通量及路面条件而定。

（4）饱和流量

是衡量路口交通流施放能力的重要参数,通常是指一个绿灯时间内的连续

通过路口的最大车流量。

（5）流量系数

是实际流量与饱和流量的比值。

既是计算信号配时的重要参数,又是衡量

路口阻塞程度的一个尺度。

设某车道的饱和流量为I,实际流量为Y,则流量系数S为：

S=Y/S

5.任务概述

5.1基于无线传感智能交通信号控制系统的设计目标

通过该系统实现以下功能：

第一，良好的操作界面。

第二，基于GIS地图的各路口、路段的静态、动态信息。

第三，系统基于B/S的架构，具有分布性特点，可以随时随地进行查询、浏览等业务处理。

第四，集中控制，统一协调功能。

第五，路口渠化图编辑，查询。

第六，路口控制方案仿真。

第七，路口信号机实时监测，参数设置。

第八，统一系统时钟校准功能。

第九，路口的信号配时功能。

第十，交通流量的分析功能。

第十一，操作日记的记录和管理。

第十二，用户的远程登录控制和权限管理。

5.2需求概述

本系统主要由数据库服务器，交通信号管理服务器，网络通讯设备，路口交通信号机组成，通过对车流量的检测，合理安排交通信号灯的变换时间，尽可能的保证路口的顺畅。

一般对道路交通信号进行具体控制时主要有以下两种方式：

动态交通控制方式和静态交通控制方式。

它们的差别在于是否对红绿灯信号进行实时配置。

通过动态交通控制方式能够依据车流量数据对交通信号灯进行实时的调整，静态交通控制方式则是根据众多的顺序进行分析，即通过很多的路口的车流量数据的统计规律来分配信号灯时间，以完成对交通信号灯的控制功能，由于这种控制方式需要大量的数据，所以采集的数据量非常大，因此这样不但会造成对数据的处理难度变大，而且还要在道路上布置大量的传感器，花费开支也是一笔不小的数目，因此这种方式不适合应用于交通智能控制当中。

虽然目前我国大部分城市采用的就是这种固定红绿灯时间的控制方式，它不如动态交通控制方式，实时性效果不是很好，经常会出现一个方向上没有车辆等待通过，而信号灯显示为放行，另一个方向有车辆排队而不能通过，所以这种固定红绿灯时间的控制方案，还有很多地方有待改善，同时也不可能降低道路车辆的延误时间。

通过诸多因素的考虑（经济，实用，准确）和国家未来的发展规划，开发一种适合我国交通情况的智能交通信号控制系统显得尤为重要。

5.3智能控制方式

常见的智能控制方式有以下几种：

（1）人工神经网络控制

人工神经网络是由心理学家和数理逻辑学家年提出的，后来他们建立了数学模型并且证明了单个神经元具有执行逻辑功能的能力。

人工神经网络具有非线性、非局限性、非常定性、非凸性等特点。

这一研究成果己被成功运用于模式识别与智能控制、数据预测分析和处理等领域，而且取得了很多的研究成果。

比如研究者们利用其非线性逼近能力、自适应和自组织等功能，将其成功应用于交通流预测。

利用自学习动态适应理论，建立了基于阻塞识别和路线导航技术对司机选择路线影响的模型。

近年来，随着光电结合计算机的出现，推动了人工神经网络的发展。

将人工神经网络与模糊控制、遗传算法、算法等结合，形成计算智能，为人工神经网络的理论研究开辟了新的途径。

然而人工神经网络算法的学习速度慢，网络训练失败的可能性较大，这些都是很难解决的问题。

因此，由于人工神经网络的固有特点，决定了它不适合应用于智能交通信号控制当中。

（2）模糊控制

模糊逻辑是建立在多值逻辑基础上的，它模仿人脑的不确定性概念判断和推理思维方式，来对事物进行判断。

通过模糊集合和模糊规则进行推理，可以解决很多不确定性和非线性等复杂问题。

道路交通本来就是一个复杂的系统，所以将模糊控制应用于智能交通信号控制中将会取得很好的控制效果。

国内外众多学者也对这一课题进行了很多研宄。

其中针对单交叉口的信号模糊控制的研究己经取得了大量的成就。

然而模糊控制的实质是利用计算机来实现人的控制经验，而这些经验多是用语言表达的具有相当模糊性的控制规则，在制定多交叉口的模糊控制规则上很难实现。

目前，该方法还没有得到很好的应用。

（3）遗传算法

学习是人的本能之一，在人类的进化过程中，学习起着十分重要的作用。

从原始的钻木取火现代的高科技，都是人们不断学习发展而来的。

学习是一个循序渐进的过程，它通过重复输人信号并进行校正，得到需要的结果，从而使系统对特定输人信号具有特定的响应。

学习控制系统是一个能在一定的评价准则下进行优化、分析、决策和不断改善系统品质的自动控制系统。

遗传算法是模拟自然选择和遗传机制的一种搜索和优化算法，其广泛用于解决大规模组合优化问题，它具有并行计算、快速寻找全局最优解等特点。

要实现交通信号的智能控制，就要充分利用近年来长足发展起来的人工智能技术、自动控制技术、信息融合技术，充分利用多种来源的信息，充分考虑交通系统的非线性、模糊性、复杂性和不确定性，真正实现交通信号的智能控制。

5.2信号灯控制原理图

6性能需求

6.1数据精确度

保证所有数据的准确率，以及精准的计算出车流量。

6.2系统响应时间

系统对大部分操作的相应时间应在1—2秒内。

具体限制时间可以在编写调试软件中进行设置。

7系统运行环境

操作系统：

Windows2000/2003/2008/7/8/XP、Linux等。

支撑框架：

Microsoftvisualstudio2008

8开发环境Microsoftvisual2008介绍

Microsoftvisual2008是微软公司推出的开发环境。

它是目前最实用、最流行的windows平台应用程序开发环境。

为了能让开发人员使用起来更简单、方便、快捷，Microsoftvisual2008的集成开发环境界面已经被重新设计和组织。

Microsoftvisual2008目前包括五个版本：

专业版、高级版、旗舰版、学习版和测试版。

9主要界面

9.1系统架构

基于无线传感智能交通信号控制系统建模，（无线传感网络（WAN）起初是由美国军方提出，是一种新兴的跨学科技术，它的应用范围涉及了计算机技术、传感器技术和通信技术。

有巨大的潜在应用价值和广阔的发展前景。

无需人工干预和固定的基础设施支持，是密集散布于监控区域的的一种分布式网络，能够自组网通信，因其低功耗、低成本和分布式的特点，在国防军事、目标跟踪及物流管理、智能家居、工业监控、防爆救灾、医疗保健等诸多领域得到广泛的应用。

）根据我国道路交通规划模式，首先以单个交叉路口的四个方向的红绿灯时间作为优化参数，以交通最大通行量作为优化目标，建立单个交叉路口模型。

在保证多个交叉路口通行量最大的前提下，使得单个交叉路口的通行量也趋于最大，建立多个交叉路口模型。

单个交叉路口规划模型

9.2系统设计总体框架图

对所建模型的参数进行优化，实现交通信号的实时优化配时。

根据系统模型的特点，采用精英保存策略的遗传算法来优化模型参数，同时为了提高算法的优化效率和缩短优化时间，对遗传算法的交叉算子进行改进并通过仿真来证明算法的有效性。

系统工程实现。

用巨磁阻传感器及嵌有协议栈的模块对车流量进行感知和控制信号传送，并通过设计和配置上位机监控软件，解决系统的工程实现问题。

其主要内容包括以下几个方面：

①系统硬件平台开发。

设计并实现了传感节点、路口汇集节点、信号灯控制节点以及中央控制节点。

传感节点是由巨磁阻传感器和模块组成，实现交通数据的采集和传送等功能。

路口汇集节点要实现收集路口四个相位的车流量并将这些数据传送给中央控制节点。

中央控制节点要实现与上位机的通信，完成数据的发送。

②系统软件设计。

为了实现系统的功能，需要设计路口汇集节点软件、传感节点软件、信号灯控制节点软件、中央控制节点软件以及上位机数据处理及监控软件等。

③上位机软件设计。

上位机要实现对接收到的数据进行优化处理，并将结果反馈给中央控制节点。

该软件具有串口通信功能、数据优化功能以及界面显示和参数配置等功能。

运用和等工具对系统功能分别进行单元测试和整体测试，并设计实物来模拟实验系统对交通信号的智能控制，验证系统的控制效果。

9.3系统软件架构图

如下图1所示

图1

9.4主要界面

（1）登陆界面

首先使用这个系统是需要注册的，注册时输入自己的信息和新设置一个进入这个系统的登陆密码，在注册成功后就可以凭借自己注册的用户名和设置的密码登陆到本系统中。

界面如图1所示。

图1登录主界面

输入登录名和密码，确定登录后，直接进入该系统。

界面如图2所示。

图2登录界面

（2）主界面

输入登录账号和登录密码进入该交通信号控制系统后，正式进入系统的主界面。

在系统的主界面中，我们可以进行数据管理、数据分析、数据查询等各种基本操作还可以对系统进行设置，定期还可以对系统进行维护。

而且我们也可以直接进行搜索查询。

界面如图3所示。

图3系统主界面

（3）交叉路口信息查询界面

进入到系统主界面以后，通过基本操作，数据查询等进入到路口查询界面，在该界面中，选择要选择的交叉路口的名字，例如输入中华路交叉，点击确定，进入到该交叉口的信息查询中。

查询出当前时刻中华交叉路口的车流量情况，是否拥堵能信息，界面如图4,图5所示。

图4交叉路口信息查询

通过输入想要查询的交叉路口的名字，点击确定之后，进入到图5（界面5），在图5中，可以查询到当前时刻的车流量信息以及当前信号量情况（红灯，绿灯，黄灯），想要退出时点击取消。

图5交叉路口信息查询

（4）车流量检测界面

进入到车流量界面以后，通过该系统检测出某个路口各个时刻的车流量信息，通过车流量信息数据可以判断出当前时刻该路口是否拥堵，然后再把得到查询的数据进行采集和数据传送。

界面如图5所示。

图5车流量检测界面

（6）车流量信息界面

通过对某一路口交叉路口车流量检测以后，在车流量较多的时刻，如上下班的高峰时期，道路堵塞的时刻，自动调整信号灯的变化，把绿灯的时间延长，让车辆尽可能多的通过交叉路口，在车流量不多的时刻，把绿灯时间缩短。

界面如图6,图7所示。

选择路口提供的是查询功能，选择想要查询的路口，判断当前查询路口的车流量；设置初始值是为交通信号提供一个初始的循环秒数。

自动修改信号灯的时间功能是在车流量较多的时候适当的增加绿灯的亮灯时间，在车流量较少的时候可以适当的增加红灯的时长。

图6车流量信息界面

（7）信号灯控制界面

进入到信号灯控制界面后，选择要进入的路口，红灯的亮灯时间，绿灯的亮灯时间，黄灯的亮灯时间，通过接收过数据传送和数据分析之后，合适的选择修改信号灯的变换。

图7信号灯控制界面

（8）