智能交通信號(hào)控制系統(tǒng)發(fā)展史

1、智能交通信號(hào)控制系統(tǒng)發(fā)展史交通信號(hào)是汽車工業(yè)發(fā)展所帶來(lái)的產(chǎn)物，凡在道路上用以傳達(dá)具有法定意義、指揮交通行、止、左、右的手勢(shì)、聲響、燈光等都是交通信號(hào)。但目前使用的最為普遍、效果最好的是燈光交通信號(hào)。色燈交通信號(hào)控制技術(shù)的發(fā)展是隨著現(xiàn)代科學(xué)與汽車技術(shù)的發(fā)展，汽車數(shù)量增長(zhǎng)，路口沖突矛盾激化，人們?yōu)榱税踩?、迅速通過(guò)，不得不將最新的科技成果用以解決路口的交通阻塞問(wèn)題，從而推動(dòng)了自動(dòng)控制技術(shù)在交通領(lǐng)域的迅速發(fā)展。1886年倫敦的威斯敏斯特教堂安裝了一臺(tái)紅綠兩色煤氣照明燈，用以指揮路口馬車的通行，不幸發(fā)生意外爆炸，遭到人們反對(duì)而夭折。1917年美國(guó)鹽湖城開(kāi)始使用聯(lián)動(dòng)式信號(hào)系統(tǒng)，將六個(gè)路口作為一個(gè)系統(tǒng)，用人

2、工手動(dòng)方式加以控制。1918年初紐約街頭出現(xiàn)了新的人工手動(dòng)紅黃綠三色信號(hào)燈，同現(xiàn)在的信號(hào)機(jī)基本相似。1922年美國(guó)休斯頓建立了一個(gè)同步控制系統(tǒng)，以一個(gè)崗?fù)橹行目刂茙讉€(gè)路口。1926年英國(guó)倫敦成立了第一臺(tái)自動(dòng)交通信號(hào)機(jī)在大街上使用，可以說(shuō)是城市交通自動(dòng)控制信號(hào)機(jī)的開(kāi)始。1928年人們?cè)谏鲜龈鞣N信號(hào)機(jī)的基礎(chǔ)上，制成“靈活步進(jìn)式”適時(shí)系統(tǒng)。由于其構(gòu)造簡(jiǎn)單、可靠、價(jià)廉，很快得到推廣普及，以后經(jīng)不斷改進(jìn)、更新、完善，發(fā)展成現(xiàn)在的交通協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)。在計(jì)算機(jī)應(yīng)用方面的發(fā)展也很快，先是模擬式電子計(jì)算機(jī)，1952年美國(guó)丹佛市首先安裝，經(jīng)過(guò)改進(jìn)成為“PR”(program register)，在美國(guó)發(fā)展很快，至

3、1962年已經(jīng)安裝了100多個(gè)“PR”系統(tǒng)。以后數(shù)字計(jì)算機(jī)也進(jìn)入了交通控制領(lǐng)域，1963年多倫多市第一個(gè)完成了以數(shù)字計(jì)算機(jī)為核心的城市交通控制系統(tǒng)（UTC系統(tǒng)）。接著西歐、北美、日本很快也建立了改進(jìn)式的UTC系統(tǒng)。在軟件開(kāi)發(fā)方面，1967年英國(guó)運(yùn)輸與道路研究實(shí)驗(yàn)室的專家們研制了“TRANSYT”(TRAFFIC NETWORK STUDY TOOL)。它是一個(gè)脫機(jī)仿真優(yōu)化的配時(shí)程序，應(yīng)用很廣，效果很好。TRANSYT主要由兩部分組成。一部分為仿真模型，其目的使用數(shù)學(xué)方法模擬車流在交通網(wǎng)上的運(yùn)行狀態(tài)，研究交通網(wǎng)配時(shí)參數(shù)的改變對(duì)車流運(yùn)行的影響，能夠?qū)Σ煌鋾r(shí)方案控制下的車流運(yùn)行參數(shù)作出可靠地估算；

4、另一部分為優(yōu)化，將仿真所得到的性能指標(biāo)送入優(yōu)化程序，作為優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)，通過(guò)綠時(shí)差的優(yōu)選、綠燈時(shí)間的優(yōu)選、控制子區(qū)的劃分及信號(hào)周期時(shí)間的選擇等環(huán)節(jié)，取得性能指標(biāo)達(dá)到最佳的系統(tǒng)最佳配時(shí)。由于TRANSYT配時(shí)方案以歷史資料為依據(jù)，不能有效的及時(shí)隨交通流量變化而改變，該實(shí)驗(yàn)室在1980年又提出了SCOOT(split offset optimization technique)實(shí)時(shí)自適應(yīng)交通控制系統(tǒng)，接受進(jìn)口道上游安裝車輛檢測(cè)器所采集到的車輛到達(dá)信息，通過(guò)聯(lián)機(jī)處理形成控制方案，并可適時(shí)調(diào)整綠信比、周期長(zhǎng)度及時(shí)差等參數(shù)，使之同變化的交通流相適應(yīng)。SCOOT是在TRANSYT的基礎(chǔ)上反戰(zhàn)起來(lái)的，不同的

5、是方案形成方式的控制系統(tǒng)，通過(guò)安裝在各路口的進(jìn)口道上游的車輛檢測(cè)器所采集到的車輛到達(dá)信息，聯(lián)機(jī)處理，形成控制方案，連續(xù)的實(shí)時(shí)調(diào)整綠信比、周期長(zhǎng)度及綠時(shí)差三參數(shù)，使之同變化的交通流相適應(yīng)。在SCOOT面世的同時(shí)，澳大利亞也開(kāi)發(fā)了SCATS（sydney-coordinated adaptive traffic system）系統(tǒng)，并在悉尼市開(kāi)始應(yīng)用，它是一個(gè)能自選方案適時(shí)自適應(yīng)控制系統(tǒng)。SCATS為分層式三級(jí)控制，即中央監(jiān)控中心地區(qū)控制中心信號(hào)控制機(jī)。在實(shí)行對(duì)若干子系統(tǒng)的整體協(xié)調(diào)的同時(shí)，也允許每個(gè)交叉口“各自為政”的實(shí)行感應(yīng)控制，前者稱為“戰(zhàn)略控制”，后者稱為“戰(zhàn)術(shù)控制”，兩者有機(jī)的結(jié)合，大大提

6、高了系統(tǒng)本身的控制效率。上述三個(gè)系統(tǒng)是當(dāng)今普遍采用較為著名的交通控制系統(tǒng)，其他各地開(kāi)發(fā)或使用的軟件還有很多，但未能在較大的范圍內(nèi)應(yīng)用。從目前國(guó)際上流行的信號(hào)控制技術(shù)看，對(duì)交通需求和交通供給基本平衡的城市，采用TRANSYT這類定時(shí)多方案協(xié)調(diào)信號(hào)系統(tǒng)基本滿足要求，對(duì)于交通需求大于交通供給但供需矛盾不突出的城市，SCAT、SCOOT這類自適應(yīng)信號(hào)系統(tǒng)也可以滿足要求，但是車路不均衡發(fā)展的矛盾是道路交通的主流，當(dāng)交通發(fā)展到一定程度時(shí)，交通供需矛盾就會(huì)十分突出。此時(shí)自適應(yīng)信號(hào)系統(tǒng)已無(wú)法滿足需求，需要用一種靈活的、多控制戰(zhàn)略的智能信號(hào)控制系統(tǒng)來(lái)主動(dòng)調(diào)控路網(wǎng)流量負(fù)荷，而不是被動(dòng)的適應(yīng)流量變化。線圈監(jiān)測(cè)器介紹

7、環(huán)形感應(yīng)線圈的工作原理：環(huán)形線圈是電路的電感元件，當(dāng)電流通過(guò)環(huán)形線圈時(shí)，在其周圍形成一個(gè)電磁場(chǎng)，當(dāng)車輛通過(guò)環(huán)形地脈線圈或停在環(huán)形地埋線圈上時(shí)車輛自身鐵質(zhì)切割磁通線，將導(dǎo)致環(huán)形線圈回路電感量的變化，而線圈電感量的變化又引起車輛檢測(cè)器的LC振蕩電路的振蕩頻率和相位相應(yīng)也發(fā)生變化。因此，檢測(cè)器通過(guò)檢測(cè)該電感變化量就可以檢測(cè)出車輛的存在。（1）環(huán)形線圈環(huán)形線圈由專用電纜幾匝構(gòu)成（一般為4匝），一般規(guī)格為2m2m的正方形，根據(jù)不同的需要，可以改變線圈的形狀和尺寸。對(duì)車輛檢測(cè)起直接作用的是環(huán)形線圈回路的總電感?？傠姼兄饕ōh(huán)形線圈的自感和線圈與車輛之間的互感。載流導(dǎo)線將在其周圍產(chǎn)生磁場(chǎng)，對(duì)于長(zhǎng)度為l，匝

8、數(shù)為N的螺線管型線圈，線圈內(nèi)磁場(chǎng)強(qiáng)度均勻。道路上的環(huán)形線圈不能完全等同于螺線管，考慮其磁場(chǎng)的不均勻修正因子F1,其自感量可近似于螺線管得自感量乘修正因子F1，即： （3-1）式中是介質(zhì)的相對(duì)磁導(dǎo)率，空氣的，；A為線圈面積。由上式可知，環(huán)形線圈自感的大小取決于線圈的周長(zhǎng)、橫截面的面積、匝數(shù)、周圍介質(zhì)情況，當(dāng)線圈埋設(shè)在路面下時(shí)，上述參數(shù)就基本確定了。當(dāng)車輛進(jìn)入環(huán)線線圈時(shí)，改變了環(huán)形線圈周圍介質(zhì)情況。鐵磁車體使磁導(dǎo)率增加，從而感量增加。另一方面，環(huán)形線圈是有源探頭在其中加上交變電流，則在其周圍建立起交變電場(chǎng)。當(dāng)鐵磁性的車體進(jìn)入環(huán)形線圈時(shí)，車體內(nèi)會(huì)感生渦電流，并且產(chǎn)生與環(huán)路向耦合但方向相反的電磁場(chǎng)，即

9、互感，降低線圈環(huán)路電感。由于線圈設(shè)計(jì)成渦流影響占支配地位的狀態(tài)，所以環(huán)路總電感量L減少。檢測(cè)出線圈環(huán)路電感量的變化，就可以判斷車輛的存在或通過(guò)。（2）調(diào)諧回路環(huán)形線圈作為一個(gè)感應(yīng)元件，通過(guò)一個(gè)變壓器接到被恒流源支持的調(diào)諧回路上，該調(diào)諧回路是LC諧振回路，設(shè)計(jì)選擇電容C,使調(diào)諧回路有一個(gè)固定的震蕩頻率。由電子線路知識(shí)可知，LC諧振回路的震蕩頻率f為： 這表明，f與成反比。前面已分析，車輛進(jìn)入環(huán)形線圈將使回路總電感L減少，因而也會(huì)使震蕩回路頻率增大。只要將該回路的輸出送檢測(cè)電路處理得到頻率隨時(shí)間變化的信號(hào)就可以檢測(cè)出是否有車輛通過(guò)。（3）信號(hào)檢測(cè)與輸出檢測(cè)電路包括相位鎖定器、相位比較器、輸出電路等

10、，現(xiàn)在很多型號(hào)的環(huán)形線圈檢測(cè)器還包含微處理器，它與檢測(cè)電路一起構(gòu)成信號(hào)檢測(cè)處理單元。相位比較器的一個(gè)輸入信號(hào)是相位鎖定器的輸出信號(hào)，其頻率為調(diào)諧回路的固有震蕩頻率，另一個(gè)輸入信號(hào)跟蹤車輛通過(guò)線圈時(shí)諧振回路的頻率變化，從而使輸出的信號(hào)為一反映頻率隨時(shí)間變化的電壓信號(hào)也就是反映車輛通過(guò)環(huán)形線圈的過(guò)程的信號(hào)。輸出電路先將相位比較器輸出的信號(hào)進(jìn)行放大，然后以兩種方式輸出，即模擬量輸出、數(shù)字量輸出。模擬量輸出用來(lái)分別車型，數(shù)字信號(hào)輸出用來(lái)計(jì)數(shù)或控制。亦可用微機(jī)綜合處理輸出信號(hào)獲得各種交通參數(shù)。帶有微處理機(jī)的環(huán)形線圈檢測(cè)器則可以直接做到這一點(diǎn)。當(dāng)車輛前沿進(jìn)入線圈一邊時(shí)，檢測(cè)器被觸發(fā)產(chǎn)生信號(hào)輸出，而當(dāng)車輛后

11、沿離駛線圈另一邊時(shí)，信號(hào)強(qiáng)度低于閾值，輸出電平降為零。車輛這個(gè)實(shí)際對(duì)環(huán)形線圈作用的長(zhǎng)度Lji稱為車輛有效長(zhǎng)度。車輛有效長(zhǎng)度數(shù)值上約等于車輛長(zhǎng)度與線圈長(zhǎng)度之和。顯然，大多數(shù)情況下都使用檢測(cè)器的數(shù)字電平輸出。為了檢測(cè)不同的交通參數(shù)和適應(yīng)不同檢測(cè)或控制要求可設(shè)置檢測(cè)器工作于方波和短脈沖兩種輸出方式。當(dāng)檢測(cè)器運(yùn)行于“方波”的工作方式時(shí)，只要車輛進(jìn)入環(huán)形線圈，檢測(cè)器就產(chǎn)生并保持信號(hào)輸出（當(dāng)車輛離開(kāi)環(huán)形線圈后，仍可設(shè)置信號(hào)持續(xù)一段時(shí)間）。電路中的計(jì)時(shí)器自動(dòng)計(jì)測(cè)信號(hào)持續(xù)時(shí)間，這對(duì)有些交通控制參數(shù)如占有率等的檢測(cè)計(jì)算很有用處。當(dāng)檢測(cè)器運(yùn)行于“短脈沖”的輸出方式時(shí)，每當(dāng)車輛通過(guò)環(huán)形線圈檢測(cè)器就產(chǎn)生一個(gè)短脈沖（1

12、00s150s），這種方式在雙線圈測(cè)速系統(tǒng)中得以應(yīng)用。環(huán)形線圈檢測(cè)器是傳統(tǒng)的交通檢測(cè)器，是目前世界上用量最大的一種檢測(cè)設(shè)備。車輛通過(guò)埋設(shè)在路面下的環(huán)形線圈，引起線圈磁場(chǎng)的變化，檢測(cè)器據(jù)此計(jì)算出車輛的流量、速度、時(shí)間占有率和長(zhǎng)度等交通參數(shù)，并上傳給中央控制系統(tǒng)，以滿足交通控制系統(tǒng)的需要。此種方法技術(shù)成熟，易于掌握，并有成本較低的優(yōu)點(diǎn)。這種方法也有以下缺點(diǎn)：a. 線圈在安裝或維護(hù)時(shí)必須直接埋入車道，這樣交通會(huì)暫時(shí)受到阻礙。b. 埋置線圈的切縫軟化了路面，容易使路面受損，尤其是在有信號(hào)控制的十字路口，車輛啟動(dòng)或者制動(dòng)時(shí)損壞可能會(huì)更加嚴(yán)重。c. 感應(yīng)線圈易受冰凍、路基下沉、鹽堿等自然環(huán)境的影響。d. 感應(yīng)線圈由于自身的測(cè)量原理所限制，當(dāng)車流擁堵，車間距小于3m的時(shí)候，其檢測(cè)精度 稍有下降，有些廠商的產(chǎn)品甚至無(wú)法檢測(cè)。主要功能1）交通信息采集及處理功能：交通信息采集是檢測(cè)器基本功能，檢測(cè)器通過(guò)檢測(cè)線圈感應(yīng)量的變化判斷車輛的有無(wú)，然后CPU對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算后得出車流量、平均速度、時(shí)間占有率、平均車長(zhǎng)、平均車間距等信息。2）數(shù)據(jù)儲(chǔ)存功能：檢