CN101169903A - 一种控制路口交通流的智能交通控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种控制路口交通流的智能交通控制系统。该控制系统由交通信号控制机，中心计算机，以太网通信系统，路口信号灯及相关设备组成。系统交通信号控制机采用高精度的实时时钟芯片提供精确时钟信号，有效提高灯色时序的精确性，同时可显示并设置时间、日历等信息，交通信号控制机具备车辆感应检测控制接口，可输入实时车流信息。信号控制机系统微处理器经可编程逻辑控制器CPLD扩展I/O，通过光电隔离及驱动电路后驱动路口信号灯，实现路口信号灯色的可靠输出。本发明中信号控制机通过以太网控制器直接接入以太网，有效提高了系统数据传输的实时性和可靠性；监控中心根据历史车流信息，综合各路口的实时交通流信息，经对车流数据分析处理、采用智能优法方法生成最优控制方案，可实现城市交通流的区域协调控制，最大程度提高城市车流通行效率。

Description

一种控制路口交通流的智能交通控制系统

技术领域

本发明涉及一种控制路口交通流的智能交通控制系统。

背景技术

国内现有交通控制系统存在以下明显缺陷：1、现有路口交通信号机普遍功能有限，其对灯色控制方式、感应控制、自我诊断及功能扩充上缺乏弹性应用。2、具备通讯功能，但多为低速串行通信接口，难以满足系统的可靠性、实时性要求，致使在不同交通状态时段及突发状态之下所产生的不同交通需求经常需要以人力辅助维持交通秩序；少数交通信号机提供了以太网接口，但或者是使用串口转网络的接口设备，或者使用的网络芯片引脚多，控制复杂，价格昂贵。3、现有信号控制机系统采用的网络拓扑结构普遍传输距离短，距离越长则数据传输的抗干扰能力越差，且实现方式相当复杂，耗费巨大。4、现有的交通控制系统很少有利用先进智能算法对历史车流和实时车流信息进行分析生成最优方案，实现对城市交通流的智能控制。

发明内容

本发明目的在于充分利用现有先进技术，提供一种故障率低、实时性高、控制方式灵活的智能交通控制系统。

本发明的智能交通控制系统由监控中心，以太网通讯系统，交通信号控制机，路口信号灯及相关设备组成。在本智能交通控制系统中，信号控制机能够运行内部的固有方案控制路口交通信号灯，同时可以通过友好的人机界面对方案进行修改。系统的突出点是信号控制机能够实时采集路口交通流信息，并通过光纤结合以太网技术将实时交通流信息传给监控中心，监控中心根据系统数据库中的历史车流信息，利用先进算法对本周期实时交通流信息进行分析，预测下个信号周期的车流情况并生成最优控制方案，实现整个城市的交通区域协调控制。同时路口监控中心平台能实时显示路口交通流情况和交通控制方案，且可根据路口实际情况对现行交通方案进行修改，经传输系统下传给路口信号控制机，改善交通流量控制。系统网络通信采用TCP/IP协议实现，可靠性和实时性好，监控中心计算机控制界面设计仿真实际路口，灵活、直观。

该系统交通信号控制机使用PIC系列先进微处理器与可编程逻辑控制器CPLD组成核心控制电路，由精密时钟电路为系统提供精确的时钟信号，实现系统灯色的可靠输出。通讯方面，采用28引脚的独立以太网控制器实现路口交通信号控制机与监控中心计算机的TCP/IP通信，信号控制机同时配备两路RS485接口，一路用于采集车辆检测信号，一路系统预留，使得接口方式更为灵活、方便。信号控制机扩展了可插拔的键盘及LED接口，可在现场方便地对信号机设备进行调试及对配时方案进行修改。

本发明有以下优点：1、采用一枚28引脚的独立以太网控制器实现TCP/IP协议，成本低，使用方便，实现了交通信号控制机直接通过以太网接口接入以太网。2、控制方式多样，信号机能运行内部固有方案控制交通流，也可以通过友好人机界面修改交通方案来对路口交通流进行控制；具备交通感应控制功能；突出点是可在监控中心实现对路口信号控制机的远程监控。3、系统可结合历史数据，根据实时检测的交通流信息，使用先进智能算法预测下个周期的车流情况，生成最优控制方案，减少车辆的平均延误时间和停车次数，提高路口车流通行量。4、结合光纤使用以太网技术，系统采用光纤作为传输媒介，传输距离远，且抗干扰能力强，能有效提高系统数据传输的可靠性和实时性。5、信号控制机扩展键盘及LED显示接口，在现场可方便的对设备进行调试和维护，对信号控制机状态进行人工干预。

附图说明

图1是信号控制机系统原理框图。

图2是城市交通控制星型组网拓扑模型。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

图1是信号控制机系统原理框图，主要包括五个部分：PIC微控制器、色灯驱动、车辆检测、故障自测和以太联网。

PIC微控制器是信号控制机系统的控制核心，开机自动检测信号控制机面板的控制开关选择状态，确定控制模式，进入相应的控制处理程序，执行信号机基本的信号控制功能，系统LED部分显示信号控制机当前的方案信息，用户可以使用键盘修改控制方案。系统还具备RS-485车辆检测接口，车辆检测系统将外部检测到的车流数据通过RS-485传给单片机，单片机可对这些数据进行分析处理后直接用于改善交通流控制，也可以将这些数据通过以太网控制器经传输系统传给监控中心，监控中心根据系统数据库中的历史车流信息，利用先进算法对本周期实时交通流信息进行分析，预测下个信号周期的车流情况并生成最优控制方案，实现整个城市交通的区域协调控制。另外交通信号控制中的信号周期都是时间参数，时间的精确性就特别重要，因此系统采用专门时钟电路为系统交通信号控制提供精确的时间基准。同时由于交叉路口的交通信号灯较多，系统采用可编程逻辑控制器CPLD扩展I/O，将控制信号锁存，经过光电隔离驱动后直接用于信号灯控制；为保证交通信号控制的可靠性，系统软件增加了CPU异常处理及绿信号分析，还采用了保安控制电路以在主控板发生故障的时候替代主控板工作。

图2是城市交通控制星型组网拓扑模型。在图2中，交通控制网络系统在监控中心主站放置一台千兆三层交换机，采用千兆光纤分别连接各分区的二层交换机，组成星型千兆主干网络，分区交换机连接各分区中心监控机和各路口信号机，当路口增加时，分区交换机均可以通过堆叠来实现覆盖。交换机大都本身的处理速度很高，但当多台工作站同时访问时，容易造成交换机网络瓶颈问题，而中心三层交换机提供足够的交换带宽和线路冗余，可避免这种问题的出现，能有效实现系统控制的实时性。

在交通控制系统中，监控中心运行专门的交通控制软件(网络操作系统)，当监控中心要与某个工作站通信时，根据TCP/IP协议族，其将创建一个包含工作站地址的传输帧，根据目标地址，由其内部的路由表方案确定一条最佳路径，然后根据这个最佳路径送往下层的某个交换机，再由这个交换机检测数据帧中的目标MAC地址，把控制方案传给目的工作站。系统通信传输的媒介采用光纤，具有抗干扰能力强、传输损耗低、容量大、体积小、重量轻、铺设简单、和保密性等优点。

因此，该智能交通控制系统的可靠性和实时性非常好，能有效改善交通流控制。同时，该智能交通控制系统具备多种控制方式，具体的控制方式如下所示：

1、单点控制

信号控制机能运行内部的定周期、多时段等固有方案控制交通流，也可以通过友好人机界面修改这些固有交通方案来对路口交通流进行控制。

2、交通感应控制

系统具备RS-485车辆检测接口，车辆检测传感器将检测到的外部车流数据通过RS-485传给单片机，可实现半感应控制和全感应控制两种控制方式。

①半感应控制：半感应控制适用于主干道的交通量明显大于次干道交通量，且次干道交通量波动较大的交通路口，将车辆检测器安装在路口次干道上，根据次干道的交通需求进行信号控制，半感应控制的信号配时比较简单，不需要进行复杂的计算，只是恰当地确定主干道最小绿时、次干道的初始绿时、单位绿延时和最大绿时即可。

②全感应控制：在路口的所有入口车道上均安装车辆检测器，各信号相位的绿灯时间由车辆检测器实时检测到的各入口车道上的交通需求来确定，与半感应控制相似，全感应控制的每一信号相位均要设置初始绿时、单位绿延时和最大绿时等参数。

感应控制比定周期和多时段控制要优越：它能实时自动响应交通流的变化。但感应控制方法仍然存在缺陷：感应控制只能检测是否有车辆到达而不关心有多少车辆到达，因此，它无法真正响应各相位的交通需求，也就不能使车辆的总延误最小，并且感应控制往往是对单路口而言的。

3、区域协调控制

监控中心综合各路口的历史车流信息，利用先进算法对本周期实时交通流信息进行分析，预测下个信号周期的车流情况并生成相应的最优控制方案，可实现城市各分区中心对交通流的协调控制和城市总监控中心对整个城市交通流的协调控制两种方式。

①城市各分区中心对交通流的协调控制

应用在城市交通流饱和度较低的情况，路口交通流检测系统将检测到的车流信息通过信号控制机上传给分区监控中心，分区监控中心根据实时交通流信息自行对该区域的交通流进行协调控制，各分区之间互不联系。

②整个城市交通流的协调控制

应用在城市交通流饱和度较高的情况，路口交通流检测系统将检测到的车流信息通过信号控制机上传给各分区监控中心，各分区监控中心将车流信息发往总监控中心，总监控中心运行专门的交通控制软件(网络操作系统)，综合各路口的历史车流信息，利用先进算法对本周期实时交通流信息进行分析，预测下个信号周期的车流情况并生成相应的最优控制方案，实现整个城市交通流的区域协调控制。

系统总监控中心的操作平台能实时显示各路口采集的交通参数，上传下载信号控制机控制方案，下达控制指令，实现交通中心协调控制、多时段控制、感应控制、黄闪、交通管制等多种交通控制功能。计算机监控平台主要由控制设置区、路口状态图、路口特征以及当前相位状态四个部分组成。

①控制设置区主要由信号机设置、网络设置和信号机监测三部分组成。

I、信号机设置主要包括：

相位、配时设置：主要完成一个周期内，红、绿灯的亮灭方案设置，以及每个相位中红、黄、绿灯亮灭时长的定义。

时段方案设置：主要完成对各天各时段不同配时的分配情况设置。即设置每天进行何种配时。

工作模式选择：完成控制模式(包括定周期、多时段多相位、半/全感应控制、区域协调控制、指挥中心步进控制等一系列模式)的选择，使信号机按选择的工作模式进行工作。

交通管制：完成特殊情况下，各路口通行情况的设置。

II、网络设置：用于完成系统以太网通信的基本参数设置。

III、信号控制机监测：完成对下位信号控制机以及各路口信号灯运行状态的实时监测，故障点判断和处理建议，从而减少事故的发生，提高路口通信效率。

②路口状态图：模拟各实际交叉路口特征，并实时显示各交叉路口的车流和交通信号灯色。

③路口特征：实时显示信号控制机对路口交通流控制的现行方案信息。

④当前相位状态：实时显示路口灯色配时的剩余时间。

上位机采用数据库存放现场采集的交通流数据，通过智能计算方法对现有数据进行分析并预测得到下一个信号周期各路口的交通流量，自动生成最优的控制方案，从而实现整个城市的交通区域协调管理和控制。

因此，智能交通信号控制系统结合光纤使用以太网技术，可以实时响应各路口交通流的变化，对城市各路口交通流实施区域协调控制。

在上文中，虽然参照本发明的具体实施例详细描述了本发明，但是，很明显，在本发明的范围和精神内，本领域技术人员能对实施例进行修改、变更以及改进。因此，将理解本发明并不局限于具体的说明性实施例，而仅仅被附加权利要求的范围所限定。

Claims (12)

1.一种智能交通控制系统，包括：

交通信号控制机，可通过经典定时方案、路口检测数据融合或者区域中心协调智能算法提供有效灯色方案，以实现对交叉口左转、直行、右转及人行道灯色的有效控制；

路口信号灯组，其显示交叉口实时控制的左转、直行、右转及人行道的灯色。

以太网通讯系统，其实现信号控制机与区域中心计算机的联网，以完成智能交通控制系统远程数据收集与传送；

计算机监控中心，其接收信号控制机传送的交通信息，通过后台智能算法处理显示相关数据，并对信号控制机进行远程控制。

2.根据权利要求1所述的智能交通控制系统，其中所述信号控制机由微处理器、色灯驱动、人机接口、车辆检测、故障自测、以太通信接口部分组成。

3.根据权利要求1所述的智能交通控制系统，其中所述以太网通讯系统其以太通信接口由以太网控制器ENC28J60、网络接口0810-1X1T-06-F等组成。

4.根据权利要求1所述的智能交通控制系统，其中所述计算机监控中心其由路口特征、当前相位状态、路口状态图以及控制、设置区组成。

5.根据权利要求2所述的智能交通控制系统，其中所述信号控制机的特征在于，交通流量检测由安装在路口附近的检测设备来完成，检测设备利用地磁线圈或超声波检测传感器等来检测车流量，然后将数据传给信号控制机，信号控制机经过模糊逻辑处理，可自动生成下一周期的配时信号；检测数据同时可以由以太网传给指挥监控中心，由中心计算机完成区域协调控制，并将生成的区域协调控制配时信号下发到各信号机，单机模糊自适应控制和区域协调控制方式可由用户设置，且任意时刻只能选择一种控制方式工作。

6.根据权利要求2所述的智能交通控制系统，其中所述微处理器采用美国Microchip的单片机PIC18F8722。PIC18F8722采用哈佛总线结构，指令执行实现“流水作业”，且功耗低，抗干扰性强，适合于工业控制。工作频率高(25MHz)，FLASH程序存储器为128K，非常适合用来处理复杂的TCP/IP协议。

7.根据权利要求2所述的智能交通控制系统，其中所述信号控制机的特征在于，具有绿冲突检测模块和绿不一致检测模块。

8.根据权利要求7所述的智能交通控制系统，其中所述绿冲突检测模块的特征在于，如得到绿冲突或绿不一致信号，一方面送给PIC18F8722，信号控制机系统经过处理点亮控制面板上相应信号指示灯；另一方面送给CPLD(EPM7128STC100-10)，切断所有灯色输出，并启动黄闪电路。

9.根据权利要求4所述的智能交通控制系统，其中所述计算机监控中心实现指挥中心采集显示路口的交通参数，下达交通中心协调控制、多时段控制、感应自适应控制、黄闪、交通管制等多种交通控制参数。

10.根据权利要求4所述的智能交通控制系统，其中所述路口特征模块可以反映路口的当前工作模式、总相位数、当前相位号、当前时段方案号、当前配时方案号、当前时段以及路口信号控制机时间等一些参数。

11.根据权利要求4所述的智能交通控制系统，其中所述控制、设置区，其由信号控制机设置、网络设置和信号控制机监测部分组成。信号控制机设置中主要是实现相位配时、时段方案设置、工作模式选择、时间、相位差、黄闪降相位控制以及交通管制等功能。在网络设置页，用户可以看到以太网信息状态，包括客户端/服务器端主机名、主机地址、目的、端口信息等。信号控制机监测部分主要通过信号控制机反馈的各类信息来获取路口灯的损坏情况、信号控制机以及各路口设备是否正常工作等。

12.根据权利要求5所述的智能交通控制系统，其上位机融入智能优化算法，能根据历史数据和实时交通流信息自动生成最优配时方案，包括：

步骤(1)，信号控制机将通过路口车辆检测传感器实时采集交通流数据，并通过以太网光纤传输送给中心计算机；

步骤(2)，中心计算机采用智能计算方法处理各路口交通流数据，并根据综合性能指标采用智能优化方法确定配时控制方案，实现各路口周期和绿信比的优化；

步骤(3)，区域协调控制中利用关键相位的相位差优化来实现区域控制优化；

步骤(4)，中心计算机通过以太网光纤传输将优化后的各路口配时信号和相位差数据下发到相应的信号控制机。

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