嵌入式单点交通感应控制系统设计研究

摘要

目前中国交通控制系统的发展正处于标准化逐渐完善、技术积累逐渐成熟和中国特色日益明显的交汇期。单点交通控制系统作为城市交通控制的基本单元尤其受到关注。协调控制功能、交叉口群控制功能、网络控制功能的实现均是在其基础上的扩展和集成。 在单点交通控制领域，主要存在控制理论及系统开发两方面的研究。在交通控制理论的研究方面，相关学术机构及高校往往具有优势，但在硬件开发和系统集成上无法与市场接轨，往往不能使复杂的模型算法得到有效利用。而硬件设备生产厂家虽然具有较强的开发实力，但由于对交通控制科学理论方面认识的缺乏，无法充分理解交通控制策略及模型算法。此外由于交通控制系统本身是一个缺乏标准化的开放的复杂的系统，各家生产单位在研发系统的过程中又往往“各自为政”，导致系统的运行效果、兼容性以及可扩展性都不尽如人意。因此本文以国家自然科学基金重点项目—“城市道路信号控制交叉口群交通阻塞机理”为依托，寻找控制算法与硬件开发的结合点，研究以当前发展迅速且技术日趋成熟的嵌入式技术为实现平台，单点控制理论为基础的交通控制系统设计方法，旨在为填补国内单点交通控制系统设计理论的缺乏与不足提供一定的借鉴作用。 本文以交通控制系统工程学为研究视角，运用系统设计方法，在理论和应用两方面展开以下研究内容： 国内外交通控制系统及其相关技术梳理归纳—论文在查阅大量国内外文献的基础上，围绕本文研究对象—嵌入式单点交通感应控制系统，将前人的研究成果分成四方面进行总结。首先对国外成熟交通控制系统的系统组成、功能特征进行分析，进而对交通信号控制器国内外两方面的发展轨迹进行梳理。然后针对目前控制器先进的实现技术—嵌入式系统，从结构、处理器以及操作系统的发展脉络进行了归纳。最后详细总结了具有不同控制规则和算法多种感应控制策略的原理，并指出单点交通控制系统的发展趋势和研究的切入点，即以嵌入式系统为实现平台的单点交通感应控制系统的设计研究。 单点感应控制理论分析与系统需求分析—基于交通控制系统工程学的系统设计方法决定了系统的设计必须从系统拟实现的功能着手。论文描述了单点感应控制策略的上层参数计算获取方法(包括最小绿灯时间、最大绿灯时间和通过时间)，分析了标准相位结构的特点和组合方案。在此基础上论文制定了系统需求分析的架构内容，并对系统的功能性需求，包括功能需求、数据需求以及非功能性需求，包括运行需求、接口需求进行了全面的阐述。 嵌入式单点交通感应控制系统框架体系与方案研究—在系统需求分析的基础上，从交通控制系统结构入手，对系统的模块进行划分，并建立了与控制主板以外设备的映射，设计了以嵌入式处理器为核心的硬件结构标准化的系统框架。对系统的数据流进行分层描述，并给出了系统的处理器、操作系统以及网络通信协议的选择方案。 考虑安全的单点感应控制算法研究—与以往的单点感应控制策略不同，本文在实现感应控制基本功能的前提下，提出了以解决“两难区”问题为重点的控制算法。在双环结构的基础上，将相位切换点划分成两类。针对第一类切换点，提出了将绿灯延长时间根据不同控制目标划分为两个阶段—绿灯延长阶段一及绿灯延长阶段二。这对第二类切换点，提出了相位组的切换算法。根据控制算法的要求，设计了预测时间窗和观测时间窗方法，并建立了上游检测器的距离模型。 嵌入式控制主板的硬件结构以及感应控制软件设计研究—在系统原型的基础上，以嵌入式微处理器为核心扩展功能模块，设计了系统的硬件组成结构，指出了微处理器I/O及引脚输出的分配。并针对各个功能模块进行了分析阐述。根据单点感应控制算法以及嵌入式软件实现要求，分析了控制软件程序的分析和建模过程，并给出三大模块的程序流程。 本文创新点包括：以交通控制系统工程的崭新视角剖析了城市嵌入式单点交通感应控制系统的需求分析、框架组成、算法模型以及开发实现过程；建立了一种考虑安全的单点感应控制策略。设计预测时间窗与观测时间窗来动态预测车辆进出“两难区”的时间点，并对相位组切换算法进行了研究；建立了一种适用于单点感应交通控制系统，面向本文提出算法的检测器布设方法和距离模型。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1课题来源

1.2研究背景

1.3研究目的与意义

1.3.1研究目的

1.3.2研究意义

1.4研究内容与方法

1.4.1研究范围界定

1.4.2研究内容

1.4.3研究方法

1.5技术路线与章节安排

1.5.1技术路线

1.5.2章节安排

1.6本章小结

第2章交通控制系统及其相关技术综述

2.1典型交通控制系统

2.2交通信号控制器

2.2.1国外信号控制器发展及应用

2.2.2国内信号控制器发展及应用

2.3嵌入式系统发展

2.3.1嵌入式系统结构及特点

2.3.2嵌入式处理器

2.3.3嵌入式操作系统

2.4单点感应控制策略

2.4.1传统感应控制方法

2.4.2流量—密度控制

2.4.3考虑绿时有效利用率的感应控制

2.4.4基于模糊控制和绿时有效利用率的感应控制

2.4.5基于流量—占有率模型的全感应控制

2.4.6具有相序优化功能的感应控制

2.4.7优化感应控制

2.5研究评述

2.6本章小结

第3章单点感应控制理论及系统需求分析

3.1交通控制系统工程

3.1.1系统的定义

3.1.2系统工程设计方法

3.1.3交通控制系统工程

3.2单点感应控制上层参数

3.2.1最小绿灯时间

3.2.2最大绿灯时间

3.2.3通过时间

3.2.4相位结构

3.3系统需求分析概述

3.3.1系统需求分析描述内容

3.3.2系统的基本概念

3.4系统功能需求分析

3.4.1单点感应控制

3.4.2数据采集分析

3.4.3优化方案配置

3.4.4通信处理

3.4.5控制模式

3.4.6故障检测处理

3.5系统数据需求分析

3.5.1静态配置参数

3.5.2实时动态数据

3.5.3控制参数

3.6系统运行需求分析

3.6.1性能需求

3.6.2安全性需求

3.6.3可靠性需求

3.6.4开放性需求

3.7系统接口需求分析

3.8本章小结

第4章嵌入式单点感应控制系统原型设计

4.1控制系统的概念及功能

4.1.1系统的概念

4.1.2系统功能分析

4.2控制系统框架设计

4.2.1设计切入点

4.2.2系统模块划分

4.2.3模块功能与硬件映射

4.2.4系统框架设计

4.2.5嵌入式最小系统

4.3系统数据流图

4.3.1系统上层数据流图

4.3.2系统分层数据流图

4.4系统方案选择

4.4.1嵌入式处理器

4.4.2嵌入式操作系统

4.4.3控制系统网络通信协议

4.5本章小结

第5章考虑安全的单点感应控制算法研究

5.1控制思想及设计目标

5.2控制算法体系架构

5.2.1两类切换点

5.2.2相位切换技术架构

5.3检测器布设

5.3.1检测器设计原则

5.3.2考虑"两难区"的检测器空间布设

5.4可变MAH模型

5.5"清空区"计算

5.6时间窗

5.6.1预测时间窗

5.6.2观测时间窗

5.7上游检测器距离模型

5.8控制算法流程

5.8.1绿灯延长阶段一

5.8.2绿灯延长阶段二

5.8.3相位组切换流程

5.9本章小结

第6章嵌入式系统软硬件设计研究

6.1系统硬件总体结构

6.1.1系统硬件组成

6.1.2处理器I/O及引脚分配

6.2系统外围模块设计

6.2.1电源/晶振模块

6.2.2 RTC模块及复位模块

6.2.3存储器模块

6.2.4以太网模块

6.2.5 USB接口

6.2.6串行通信接口和GPS

6.2.7 Debug接口

6.2.8系统总线扩展模块

6.3系统单点感应控制软件设计

6.3.1软件总体结构

6.3.2开发环境及流程

6.3.3程序分析与建模

6.3.4软件运行流程

6.4本章小结

第7章结论与展望

7.1本文主要研究成果

7.2论文创新点

7.3论文的不足之处及研究展望

致谢

参考文献

个人简历 在读期间发表的学术论文与研究成果