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原文传递嵌入式单点交通感应控制系统设计研究

论文题名：	嵌入式单点交通感应控制系统设计研究
关键词：	单点交通控制;感应控制系统;切换算法;嵌入式微处理器
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。
作者：	蔡云
专业：	交通信息工程及控制
导师：	杨晓光
授予学位：	硕士
授予学位单位：	同济大学交通运输工程学院
学位年度：	2009
正文语种：	中文