摘 要

随着越来越多的汽车出现在人们生活中，城市道路拥堵状况也越发的严重。解决这一问题的必要途径就是在大中型城市中开展智能城市的建设，而在此建设中智能交通的建设和应用又尤为重要。据不完全统计，大多数的路口都采用的定时系统控制。这样会导致如下错误:当某些特殊的天气、节日或者不同的时间段，有时车流量会猛增，而交通灯时间却分配不合理造成车辆拥堵。

本论文重在研究车流量与交通灯时间的自适应设置关系。要实现目的初期设想是在十字路口东西南北各个方向上都安装上检测距离超长的光电传感器,。并当有车辆进经过时来计数，以此来统计各个路口的车的流量, 再将该数据输入传送给PLC进行量化的处理，对车流量进行评级，根据不同等级来匹配不通的时间设置。从而达到根据车流量智能改变交通灯时间的目的。

本论文为了研究的准确与可靠性，选取了武汉市某十字路口进行研究。来了解车流量与交通灯的时间自适应设置关系，完成智能交通自适应流量检测与监控。从而缓解城市中的交通拥堵的现状。

关键词：智能交通；交通灯；PLC；自适应

Abstract

With more and more cars appearing in people's lives, the congestion of urban roads is becoming more and more serious. The necessary way to solve this problem is to carry out the construction of smart cities in large and medium-sized cities. In this construction, the construction and application of intelligent transportation are particularly important.According to incomplete statistics, most intersections use timing system controls. This can lead to the following mistakes: When some special weather, festivals or different time periods, sometimes the traffic volume will increase sharply, but the traffic light time is allocated unreasonably and cause vehicle congestion.

This thesis focuses on the self-adaptive relationship between traffic flow and traffic light time. To realize the goal, the initial idea is to install a photoelectric sensor with a long detection distance in all directions in the east, west, and north of the crossroads. And when there are vehicles passing through to count, in order to count the traffic at each intersection, and then the data input to the PLC for quantitative processing, traffic rating, according to different levels to match the time setting. In order to achieve the purpose of intelligently changing the traffic light time according to the flow of traffic.

In order to study the accuracy and reliability of this study, we selected a crossroads in Wuhan for research. To understand the self-adaptation relationship between traffic flow and traffic lights, complete intelligent traffic adaptive traffic detection and monitoring. This alleviates the current state of traffic congestion in the city.

Keywords: Intelligent Transportation; Traffic Lights;PLC；Self-adaption

目录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.3 研究的内容 3

第2章 系统的整体方案设计 5

2.1 系统方案比较与选择 5

2.2 系统结构原理框图 6

2.3 本章小结 8

第3章 系统硬件电路设计 9

3.1 硬件选型 9

3.1.1 传感器选型 9

3.1.2 PLC选型 10

3.2 检测电路设计 13

3.2.1 光电传感器原理 13

3.2.2 车流量检测与数据传送 14

3.3 控制电路设计 15

3.3.1 PLC 原理介绍 15

3.3.2 IO控制表及地址分配 16

3.3.3 数据处理 17

3.4 本章小节 18

第4章 交通灯的时间设计 19

4.1 交通灯的时间设置方案 19

4.2 交通灯的时间与车流量的关系建模 20

4.3 本章小结 21

第5章 仿真 22

5.1 仿真程序 22

5.2 仿真程序的监测分配表 26

5.3 仿真结果分析 27

5.4 本章小结 27

第6章 总结与展望 29

6.1 工作总结 29

6.2 未来展望 29

参考文献 31

附录1 32

附录2 32

致谢 36

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

近年来，随着中国各方面实力的显著提高，我国的汽车人均占有率呈现爆炸上涨，甚至出现了一家有几辆车的情况，并且城市道路建设的也越来越宽大，以适应城市化道路的加速。但伴随而来的是交通道路拥挤现状和交通供需关系的不平衡。随着人们对汽车的需求越来越多，城市道路拥堵状况也越发的严重。解决这一问题的重要途径就是开展智能城市的建设，而在此建设中智能交通又尤为重要，而我国用来缓解交通压力的交通灯确还是以前的老样子采用定时控制，这样无法满足日益加剧的车辆拥堵情况。（见图1.1）

图1.1 我国的交通拥堵现状

据不完全统计，目前我国的大中小型城市里的十字路口仍然未出现智能的交通灯系统，而大都采用固定模式的定时系统来控制（见图1.2）这样会导致如下错误^[5]:1）当城市的某些路段的主干道的车流量很大时，造成路口的拥挤需要有较长的红灯等待时间，而此时次干道的路段车流量却相对较少，但是道路口却长时间亮的是绿灯，这样就会出现车多的路口反而需要较长的等待而造成拥堵车少路口反而没有啥车量通过的这以尴尬现象，而这种现状在实际情况下是对车流资源分配、人力资源和能源的浪费。2）某些特殊的时段，天气，日期车流量的猛增也无法用传统的交通系统去解决。  目前各国的研究的方向主要集中在智能控制交通系统这一块，在这方面我国也已经取得不少科技研究成果，并且在这方面少数的发达国家已经能够改进并采用智能交通控制系统的方式来控制交通信号灯的时间，从而来缓解交通压力。

图1.2 我国智能交通灯与非智能交通等占比图

本文正是为了针对这一现状，实现智能交通的自适应与检测，以达到缓解目前交通道路路口的拥堵状况，进而调整交通灯的时间系统,从而改善各个路口处的交通压力,同时也可以节约燃料、人力资源等，以达到更加环保的效用。

1.2 国内外研究现状

1. 英国在道路研究所花费了好几十年的时间, 在大量的实验数据和经验学习的基础之上,先后研制出了TRANSYT 路面交通控制系统和自适应的SCOOT路面控制系统这两种系统先后被各国采用，是非常成功的系统。特别是英国在8年后以TRANSYT 路面交通控制系统为基础上研制出来了更加高级实用的SCOOT路面控制系统，这种系统以有别与TRANSYT 路面交通控制系统的无线方式而采用有线的方式进行通讯，从而能够更加有效的控制各个路口的交通灯，使得控制效率大大的提高，能够满足那个时代英国的交通系统的需求。

2. 70年代,澳大利亚在学习英国的基础上开发SCAT 路面控制系统。SCAT系统采用的是计算机网络控制技术，从而能够实现SCAT通过有线来通信来满足大量数据处理需求。

在某些地区可以进行联机处理，并分写路面情况，然后根据实际的情况来改变控制方案。

这种系统更能贴近实际情况使得交通拥堵状况大为改善。

1. 日本设计的路面控制系统出现了有交通控制中心控制的集成式管理控制，这样的方式式是各国之前没有但能大大控制效率的新方式。它通过对雷达、摄像机、红外线等的信息收集起来，然后集中处理发布交通状况，可以高效的对交通的路面进行实时全面的监控，也可以实时的控制各个路口的交通灯时间情况，可以说是最接近现代智能控制的控制系统，它能极大的缓解交通现状，以适应日本那种高密度人群的出行需要。

用智能交通灯控制系统和传统的定时交通灯控制系统比较，可知前者的最大优点在于减能够减缓车辆的缓滞流现象，也不会出现没有车辆的空道却白白耗费时间的情形，能够提高公共交通的交通通行率，能够更加节省运营和社会资源成本。随着智能交通系统的出现，能为改善和提高交通运营效率发挥重要作用。其中，交通信号的控制是智能交通自适应控制系统中的一个重要环节^[12]。交通信号控制系统具有较强的模糊性、不确定性和非线性，无法用现在的理论对其进行有效的控制^[1]。1999年我国的刘志勇等学者在《信息与控制》杂志上发表了单交叉路口的多相位模糊控制系统的论文。2005年我国的杨立才等学者在《中国公路学报》杂志上发表了基于粗集理论的交通控制系统研究的论文。2012年我国学者杨燕等学者在《电子设计工程》杂志上提出了一种智能交通的自适应拥塞控制方法，其控制效果较好。2017年国外学者的 Kosonen I等也在智能交通中的信号灯控制这块做出了研究。

1.3 研究的内容

此次论文的设计的主要内容是在传统的交通灯基础之上做出改进，以适应人们在消费水平不断提高后买车作为代步，而导致的道路上的车的剧增和交通拥堵问题。本论文主要的研究内容就是基于此的，通过对长距离的光电传感器的运用在交通路口中，对车的流量进行数字化监控,并将得到的数据通过一定的方式传输给PLC设备进行编程处理，从而设计出能够根据车流量的变化来智能化调整交通灯时间的交通灯控制系统。要实现这一设想是在武汉的某十字路口东西南北上距离各个路口的较远处的地方安装上对射型光电传感器, 以此来统计各个路口的车流量数据, 再将数据输入传送给PLC进行量化的处理，然后依研究依据对车流量进行评级，根据不同等级来匹配不通的时间设置，从而达到根据车流量智能改变交通灯时间的目的。且交通灯每段的时间设置，是根据从武汉市某以交通路口得到的数据加以分析而合理设定的。

本文要实现智能交通的自适应与检测，以达到缓解该路口的交通拥堵状况。目标：利用传感器对武汉市某十字交叉路口的车流量状况进行实际的监控，并传送给PLC设备做实际的运算，并以此来调整交通灯的时间，来缓解该路口的交通拥堵情况。

为实现目标如下安排：

1. 第一章主要介绍本论文研究智能交通十字路口自适应流量检测与控制系统的背景资料和其研究的意义，并介绍国内外的研究现状。
2. 第二章主要介绍为了完成这项研究而提出的合理方案，从中选出最好的方案加以阐述。
3. 第三章主要在所选方案的基础上给出电路图并选型。然后结合选型给出各中器件的应用方法以及它们之间的通讯方式。
4. 第四章主要介绍交通灯的时间设置的安排方案，及对车流量和交通灯时间的自适应设置关系的研究。
5. 第五章主要是PLC程序的介绍以及程序仿真结果的分析。
6. 第六章主要是对全文工作的总结以及对这方面研究的未来发展的分析与介绍。

第2章 系统的整体方案设计

本章主要是介绍智能交通十字路口自适应流量检测与控制系统整体方案设计的探讨，并在对其研究的基础上给出一些合理的方案并介绍。然后对比这些方案，得出它们各自优缺点。最后确定所选方案，给出所选方案的系统框图和流程图。

2.1 系统方案比较与选择

1. 方案一

对某路口的车流量进行分时间段的数据采集，并根据许多天的数据采集后对每个时间段的车流量进行量化考量，即对每个时间段内的车流量匹配一个合理的时间然后对每个时间段的交通灯时间进行预定设计，使每个时间段的交通灯时间是根据已经记录的车流量数据变化的，这样就可以比传统的交通灯定时方案更容易缓解不同时间段内的车流状况，以达到缓解交通拥堵的现状的目的。（其框图见下图2.1）

图2.1 方案一系统框图

1. 方案二

通过研究对大量的不同城市不同路口在不同天气下的交通灯时间与车流量的关系的数据，以最好是能得出一定的数学模型或者是它们之间的量化关系，然后再根据不同路口的时间情况确定不同的数学模型，并以此来编写程序PLC程序，以达到交通灯时间可以在不同的车流量时及时的做出改变，以使各种路口的时间都能够在适应车流量的情况下，缓解交通压力来满足人们对智能交通的需求。（其框图见下图2.2）

图2.2 方案二系统框图

1. 方案三

研究交通灯时间与车流量的关系，并针对特定路口进行数据采集，按方案一和原有的定时交通灯的方案进行时间的预设，然后根据车流量与时间的关系把，车流量的大小进行分级处理，每一段车流量等级匹配一个合理的交通灯时间，从而能够在不同的时间段内也能根据车流量大小的不同来改变交通灯时间情况，从而缓解交通拥堵情况。

比较三种不同的方案，可以得出方案一最省时省力只需要根据以往的每个时间段内车流量的不同，对每个时间段内的时间进行改变，但这样不易应对突发情况，比如某个节日或某个恶劣天气带来突然的车流量的变化。方案二是最能够缓解交通压力的方案但是操作起来过于麻烦费时费力，且需要大量不同的数据取支持研究的正确性，且对所选的硬件有很高的要求，且PLC编程困难几乎无法完成而且交通灯时间随车流量不断变化会使一些经常在路上驾驶的人群的不适应（例如的士司机）。综合考虑所以选择方案三，这个方案可以说是方案一二的结合体，既能应对突发状况，也能够很好的进行编程操作，且该方案不像方案二对车流量那么细化，（这在实际状况中也没必要），也可以降低对硬件的要求，也可根据不同路口的不同的状况进行改变，是一个不错的解决交通拥堵状况的方案。

2.2 系统结构原理框图

出于对控制效率和搭建成本的考虑，我们可用如下方案三来控制交通路况：将光电传感器安装在十字路口，用于检测过往的车流量并传输给PLC设备处理。具体如下：在进行道路实际检测前，先要通过一定渠道对该路口拥堵的时间情况和车流量的状况进行了解，再根据以前的定时交通灯的时间结合考虑对该道路的交通灯时间进行预设。然后在道路实际检测阶段，首先，将所选的光电传感器放置在距路口100M（可以根据实际的交通状况和道路的长宽来抉择）处，当有一车辆经过时光电传感器会产生一个开关信号，然后光电传感器会通过网线或其他方式(本方案拟采用网线传输)传给PLC设备，PLC设备会记一次数。每隔6分钟（此时间可以根据部同情况予以改变），PLC设备会对这段时间内的计数的多少进行一次评估（先大致分为三级，拥堵、一般、良好，当然为了精确可以分为更多等级，但在本论文中因编程方便会采用两级编程）即因传感器传来的开关信号反应了这段时间内的大致车流量，然后PLC对计数的多少进行评估即使对车流量的大小进行评估，从而得出这段时间内的车流量等级，确定该时间段内的车流量的拥塞程度，如果该拥塞程度与上一个6分钟的拥塞程度一样，则红绿灯的时间不变。否则根据相应的拥塞程度等级进行红绿灯的时间变化（红绿灯的时间会先进行预设，就是根据以往的测量情况对红绿灯时间进行设置）。（根据研究的内容与方案画出了系统框图和流程图（见图2.3、图2.4）

图2.3 系统框图

图2.4 系统流程图

2.3 本章小结

至此，已经确定了所选的方案，且其更适合在实际的城市道路中运用。基于所选方案出的流程图和系统框图能够对方案进行很好的阐述，便于理解。根据已选方案，接下来就能够有进行很好的器件选型等工作。

第3章 系统硬件电路设计

本章主要介绍，在方案三的基础上设计的电路和所需的主要器件的选型，并随之介绍传感器的原理及应用，还有PLC设备的原理、特点和工作方式等的介绍。并在方案三的基础上，确定了PLC设备IO口给出了表格并画出了整个系统电路原理图。（见下图3.1）

图3.1 系统原理简图

硬件选型

本节主要进行的是选型的工作。对传感器的选型主要考虑的是工作的地点的实际情况，使其能够满足要求。对与PLC的选型主要考虑的主要是IO口以及需要扩展的模块，使其能够顺利编程完成数据处理等工作。

3.1.1 传感器选型

因为本论文中用到的传感器不涉及太多复杂的车辆型号，颜色等的分辨，所以不采用摄像头或者是其他高级的传感器，而综合考虑采用了简单的光电传感器就可满足本论文设计的需求：在固定时间在内记录路过车的数量。

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