單交叉路口半感應(yīng)控制器設(shè)計(jì)

1 引言
    隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，城市交通日益擁擠，交叉路口是造成交通阻塞的主要因素，交通信號(hào)控制作為減少交通沖突的重要方法之一，廣泛應(yīng)用于城市交叉路口。目前實(shí)現(xiàn)交通信號(hào)控制器的方法有很多種，可采用標(biāo)準(zhǔn)邏輯器件、PLC控制器、單片機(jī)控制器等。控制方式主要有多時(shí)段、多相位、定時(shí)控制及感應(yīng)控制等多種模式。
    定時(shí)控制是根據(jù)以往觀測(cè)的實(shí)際交通狀況，按照預(yù)先設(shè)定的周期和信綠比進(jìn)行控制，它對(duì)交通流的突然變化毫無(wú)反應(yīng)，無(wú)法應(yīng)付交通量無(wú)規(guī)律的交叉路口。所以這種控制方式在實(shí)際應(yīng)用中不可避免地存在著無(wú)車開(kāi)綠燈，造成時(shí)間損失；有車開(kāi)紅燈，造成車輛等待以及停車等弊端。本文采用的半感應(yīng)控制，在一定程度上可以克服以上弊端，其特點(diǎn)是信號(hào)燈的信綠比不再依靠過(guò)去觀測(cè)到的交通狀況，而是依賴現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的實(shí)際交通狀況，以實(shí)時(shí)檢測(cè)的交通數(shù)據(jù)為依據(jù)來(lái)確定信號(hào)的綠燈時(shí)間，因而能適應(yīng)交通流的隨機(jī)變化，對(duì)于主干道交通流穩(wěn)定、支干道交通流隨機(jī)波動(dòng)比較大的路口，這種控制方式極為有效。
    隨著EDA技術(shù)的發(fā)展，CPLD/FPGA的優(yōu)點(diǎn)越來(lái)越明顯。CPLD是一種用戶可以根據(jù)實(shí)際需要自行構(gòu)造邏輯功能的數(shù)字集成電路。編程可以通過(guò)硬件描述語(yǔ)言VHDL設(shè)計(jì)電子產(chǎn)品，具有很好的兼容性、可移植性、開(kāi)發(fā)周期短。在單交叉路口采用半感應(yīng)控制方式時(shí)，由于系統(tǒng)的具體參數(shù)相位、最小綠燈時(shí)間和最大紅燈時(shí)間等都要根據(jù)具體的路口規(guī)模和交通流量來(lái)決定。所以采用CPLD實(shí)現(xiàn)的控制器，具有高密度和現(xiàn)場(chǎng)可編程、保密性、抗干擾能力強(qiáng)，便于集成等優(yōu)點(diǎn)。該單交叉路口半感應(yīng)控制以CPLD為控制核心，使用VHDL語(yǔ)言編程，可以方便地實(shí)現(xiàn)不同控制參數(shù)的設(shè)定和次干道控制信號(hào)信綠比的調(diào)節(jié)，并對(duì)控制結(jié)果進(jìn)行仿真。

2 總體設(shè)計(jì)
2．1 設(shè)計(jì)思想
    對(duì)一個(gè)交叉路口實(shí)行半感應(yīng)控制，在次干道的兩個(gè)路口設(shè)置車輛檢測(cè)器。主干道通行的信號(hào)相位為非感應(yīng)相，次干道獲得通行權(quán)的信號(hào)相為感應(yīng)相。一般情況下，主干道一直是綠燈，只有次干道檢測(cè)到車輛，發(fā)出感應(yīng)信號(hào)時(shí)，其信號(hào)才可轉(zhuǎn)為綠燈信號(hào)。非感應(yīng)信號(hào)相，設(shè)置最小綠燈時(shí)間，在次干道車輛檢測(cè)器監(jiān)測(cè)到車輛時(shí)，必須等到主干道最小綠燈時(shí)間結(jié)束時(shí)，綠燈信號(hào)才能轉(zhuǎn)移到次干道。也就是說(shuō)次干道獲得通行權(quán)，必須具備兩個(gè)條件：檢測(cè)器檢測(cè)到車輛到達(dá)，主干道最小綠燈時(shí)間結(jié)束。
    感應(yīng)信號(hào)相(即次干道通行相)設(shè)置初始綠燈時(shí)間、單位延續(xù)綠燈時(shí)間和最大綠燈時(shí)間。當(dāng)次干道獲得通行權(quán)后，控制器先給感應(yīng)相一個(gè)最小綠燈時(shí)間，使到達(dá)的車輛通過(guò)交叉口。如果此后再無(wú)車到達(dá)，初始綠燈接受，通行權(quán)又將轉(zhuǎn)移到主干道，如果在初始綠燈時(shí)間內(nèi)又有車到達(dá)，就要在延續(xù)一個(gè)單位綠燈時(shí)間，直到累計(jì)達(dá)最大綠燈時(shí)間。此后，即使次干道再有車輛到達(dá)，綠燈時(shí)間不再延長(zhǎng)，通行權(quán)

轉(zhuǎn)移到主干道。半感應(yīng)控制流程如圖1所示

2．2 感應(yīng)配時(shí)設(shè)置
    單交叉路口半感應(yīng)控制需要恰當(dāng)?shù)拇_定主干道最小綠燈時(shí)間、次干道初始綠燈時(shí)間、單位延續(xù)綠燈時(shí)間和最大綠燈時(shí)間，以下簡(jiǎn)要討論各個(gè)參數(shù)的設(shè)置。
    (1)主干道最小綠燈時(shí)間 主要由主干道的交通流量來(lái)決定，如果次干道只是偶爾有車輛通過(guò)，且主干道不是特別主要的城市道，可以取較小的綠燈時(shí)間(20～40 s)；如果次干道上交通流量較大，為了保證主干道交通不致頻繁中斷，取較長(zhǎng)的最小綠燈時(shí)間(40～75 s)。
    (2)次干道初始綠燈時(shí)間 初始綠燈時(shí)間與檢測(cè)器到停車的距離有關(guān)，當(dāng)然也與檢測(cè)器到停車線所能容納的車輛數(shù)有關(guān)。根據(jù)《交通信號(hào)設(shè)計(jì)手冊(cè)》所推薦的數(shù)值轉(zhuǎn)化成米制單位，如表1所示。

    (3)次干道單位延續(xù)綠燈時(shí)間 對(duì)于檢測(cè)器與停車線間距離較大的交叉路口，單位延續(xù)時(shí)間就是車輛從檢測(cè)器行駛到進(jìn)入交叉路口所需的時(shí)間；而對(duì)于檢測(cè)器與停車線間距離較小的交叉路口，單位延時(shí)綠燈時(shí)間是綠燈信號(hào)期間駛進(jìn)交叉口的車對(duì)相鄰車輛的最大空間時(shí)距。一旦單位延時(shí)綠燈時(shí)間確定，只要車輛間的空間時(shí)距小于此值，綠燈信號(hào)就停留在次干道，除非最大綠燈時(shí)間到達(dá)。單位延時(shí)綠燈時(shí)間可以根據(jù)交通調(diào)查分析來(lái)確定，一般取3～4 s。
    (4)最大綠燈時(shí)間確定 最大綠燈時(shí)間通常取30～60 s，根據(jù)路口交通條件決定，當(dāng)單位延時(shí)綠燈時(shí)間取值較小時(shí)，只要交叉路口交通量不是過(guò)飽和，次干道綠燈信號(hào)不會(huì)經(jīng)常達(dá)到最大綠燈時(shí)間。
2．3 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
    系統(tǒng)采用CPLD實(shí)現(xiàn)，基準(zhǔn)時(shí)鐘廠由外部電路提供，設(shè)戶10 MHz。按照設(shè)計(jì)要求，將系統(tǒng)分為半感應(yīng)主控制、分頻、非感應(yīng)相和感應(yīng)相計(jì)數(shù)等模塊。分頻電路對(duì)輸入f=1 MHz的時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行1 05分頻。得到10 Hz信號(hào)用作半感應(yīng)主控制模塊的時(shí)鐘信號(hào)：將主控部分時(shí)鐘再10分頻，得到1 Hz信號(hào)作為非感應(yīng)相和感應(yīng)相計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘輸入信號(hào)。半感應(yīng)主控部分是設(shè)計(jì)核心，由其產(chǎn)生感應(yīng)相和非感應(yīng)相的控制信號(hào)，各個(gè)信號(hào)燈的控制信號(hào)時(shí)序應(yīng)滿足半感應(yīng)控制和相位轉(zhuǎn)換要求，圖2為其系統(tǒng)整體電路結(jié)構(gòu)。

3 VHDL程序設(shè)計(jì)與仿真
3．1 層次化設(shè)計(jì)
    編程使用VHDL硬件描述語(yǔ)言。對(duì)于頂層設(shè)計(jì)模塊，其輸入信號(hào)為時(shí)鐘信號(hào)(f)和復(fù)位信號(hào)(Reset)以及車輛檢測(cè)信號(hào)(Sensor)，輸出信號(hào)包括主、支干道綠燈、黃燈、紅燈控制信號(hào)。底層設(shè)計(jì)，按其功能可分為分頻、主控制器、感應(yīng)相信號(hào)計(jì)時(shí)、非感應(yīng)相信號(hào)計(jì)時(shí)等4個(gè)單元。
3．2 主控制模塊的VHDL設(shè)計(jì)
    主控制模塊在時(shí)鐘脈沖和復(fù)位信號(hào)的控制下，形成感應(yīng)相和非感應(yīng)相的綠、黃、紅燈的控制信號(hào)。程序設(shè)計(jì)采用2個(gè)進(jìn)程，分別實(shí)現(xiàn)有限狀態(tài)機(jī)(4個(gè)狀態(tài))和狀態(tài)譯碼。圖3為主控制器的狀態(tài)，s0為非感應(yīng)相綠燈，感應(yīng)相紅燈；s1為非感應(yīng)相黃燈，感應(yīng)相紅燈；s2為非感應(yīng)相紅燈，感應(yīng)相綠燈；s3為非感應(yīng)相紅燈，感應(yīng)相黃燈；Sensor為感應(yīng)相有車標(biāo)志，mgt_1為非感應(yīng)相最小綠燈到標(biāo)志；bgt_1為感應(yīng)相最大綠燈到標(biāo)志。

3．3 仿真與時(shí)序分析
    采用CPLD設(shè)計(jì)單交叉路口半感應(yīng)控制器，設(shè)計(jì)完成后使用MAXPLUSⅡ?qū)Ω鱾€(gè)模塊進(jìn)行系統(tǒng)仿真。系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置：非感應(yīng)相最小綠燈時(shí)間為40 s，黃燈為2 s，感應(yīng)相單位綠燈延續(xù)為4 s，感應(yīng)相最大綠燈時(shí)間為28 s。my，mr，mg分別為非感應(yīng)相黃、紅、綠燈控制信號(hào)；by，br，bg分別為感應(yīng)相黃、紅、綠燈控制信號(hào)。圖4為感應(yīng)相有車時(shí)仿真圖，圖5為感應(yīng)相仿真圖。

    圖4表明，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)感應(yīng)相和非感應(yīng)相的正常順序切換。當(dāng)感應(yīng)相有車輛時(shí)，綠燈信號(hào)并不能立即從非感應(yīng)相切換到感應(yīng)相，必須等到非感應(yīng)相最小綠燈時(shí)間到達(dá)后，實(shí)現(xiàn)通行權(quán)的轉(zhuǎn)換，保證主干道的車輛通行。
    圖5表明，當(dāng)通行權(quán)轉(zhuǎn)移到感應(yīng)相時(shí)，如果在經(jīng)過(guò)單位綠燈延續(xù)后，沒(méi)有車輛到達(dá)感應(yīng)相，則通行權(quán)又轉(zhuǎn)移到非感應(yīng)相，這樣既保證了感應(yīng)相車輛的通行需求，又避免了因感應(yīng)相車流量小而造成的交通資源浪費(fèi)。

4 結(jié)束語(yǔ)
    仿真結(jié)果表明，以CPLD為核心控制器，使用VHDL語(yǔ)言編程，可以實(shí)現(xiàn)單交叉路口半感應(yīng)控制器的設(shè)計(jì)。使用CPLD可編程器件，靈活性好、開(kāi)發(fā)周期短、抗干擾能力強(qiáng)。分析半感應(yīng)控制方法的基本原理，并簡(jiǎn)要說(shuō)明系統(tǒng)參數(shù)選取時(shí)應(yīng)考慮的問(wèn)題，并介紹用CPLD實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的基本方法。