基于单片机的交通灯控制.doc

学校代码：10904 学 士 学 位 论 文基于单片机的交通灯控制姓 名：学 号：指导教师：学 院：专 业：完成日期： 学 士 学 位 论 文基于单片机的交通灯控制姓 名：学 号：指导教师：学 院：机电工程学院专 业：机械设计制造及其自动化完成日期：2016年5月14日摘 要交通在人们的日常生活中占有重要的地位，随着人们社会活动的日益频繁，这点更是体现的淋漓尽致。交通信号灯的出现，使交通得以有效管制，对于疏导交通流量、提高道路通行能力，减少交通事故有明显效果。近年来随着科技的飞速发展，单片机的应用正在不断深入，同时带动传统控制检测技术日益更新。本文针对BRT优先通行的交通信号控制系统进行了分析和研究，设计出了具有优先通行的交通信号控制方案。该系统除基本的交通灯功能外，还具有倒计时、时间设置、紧急情况处理及手动控制等功能。本文以AT89C51单片机为主控制器，并且采用LED七段数码管显示路口通行的倒计时，采用C51编程，实现了LED数码管显示、中断程序延时、手动控制等过程。经过整机调试，能够较好的实现BRT优先通行的十字路口交通灯的模拟。系统稳定可靠，同时系统内集成芯片运用，系统不会因为死机而停止工作。关键字： 单片机 交通灯 模拟 BRTAbstractThe traffic is very important in Peoples Daily life, with the increasing of peoples social activities; it is reflecting incisively and vividly. Traffic lights appear, to effectively control the traffic, the traffic flow, improve road traffic capacity, reduce the number of traffic accidents have obvious effect. In recent years, with the rapid development of science and technology, SCM applications are deepening, drive traditional control test technology is increasingly update at the same time.BRT priority of traffic signal control system, this paper has carried on the analysis and research, designed the traffic signal control scheme with priority. In addition to the basic function of traffic lights, the system also has a countdown, time setting, emergency treatment and manual control, and other functions. Based on AT89C51 as the main controller and USES the LED seven-segment digital tube display intersection traffic countdown, using C51 programming, has realized the LED digital tube display, interrupt program delay process, manual control, etc. After machine commissioning, can better realize the simulation of the BRT priority intersection traffic lights. System is stable and reliable, and system integration chip is applied, the system will not stop working because of the crash.Key words：Single chip microcomputer; The traffic light; Simulation; Bus Rapid Transit II目 录摘 要IAbstractII第1章 课题研究目的意义及现状11.1 研究目的和意义11.1.1 研究目的11.1.2 研究意义11.2 国内外研究现状21.2.1 国内研究现状21.2.2 国外研究现状21.2.3 交通控制中存在的问题21.3 本章小节3第2章 设计要求及模块方案42.1 设计要求42.2 通行方案42.3 单片机交通控制系统的功能要求52.3.1 倒计时显示52.3.2 紧急处理52.4 本章小结6第3章 基于GPS的 BRT 公交优先控制系统73.1 公交优先控制系统73.2 控制系统模型与算法设计83.2.1 BRT 多车辆实时动态定位模型83.2.2 BRT公交信号优先控制策略及算法93.2.3 BRT 公交信号优先控制策略研究103.2.4 被动优先控制策略113.2.5 主动优先控制策略123.2.6 BRT 公交信号优先控制系统算法设计153.3 本章小结19第4章 电路的设计204.1 交通灯电路204.2 倒计时显示电路214.3 紧急通行电路214.4 本章小结22第5章 系统软件程序设计235.1 主程序流程图235.2 定时中断子程序流程图245.3 按键子程序流程图25第6章 调试与检测276.1 硬件检测276.2 软件调试27参考文献28附 录30致 谢37基于单片机的交通灯控制第1章 课题研究目的意义及现状 1.1 研究目的和意义1.1.1 研究目的随着我国交通事业的迅速发展，各种机动车数量急剧增加，使得城市道路日渐拥挤，在不同规模的城市中均出现了城市超负荷运行的情况。因此，提高城市路网的通行能力、实现道路交通的科学化管理迫在眉睫。虽然各城市已在路口安装了交通灯控制系统，这些信号系统取得了较好的效果，但是随着社会、经济的迅速发展，现存的交通灯控制系统已经不能适应现在日益繁忙的交通状况。因此本文着重对常见十字路口进行仿真以及对含有BRT通行路段的交通灯优先通行方案进行研究。1.1.2 研究意义随着经济发展，城市机动车数量急剧增加，城市道路日渐拥挤，许多中小型城市到特大型城市均出现了交通超负荷运行的情况，因此，我国各城市均发展公共交通方式来解决城市交通问题，随着交通量的快速增长和城市基础设施建设的滞后，极易造成交通拥堵，车速缓慢，公共交通服务质量下降，尤其是上下班高峰时间，公交车上乘客密度高达每平方米挤站1012人，即使如此拥挤还有很多人一时上不了车，公共交通并没有发挥预期的效果。人们的消费水平不断的提高，私人车辆不断增加，人多车多道路拥堵的交通情况越来越明显，我国是13亿多人口的大国，截止2015年底，全国机动车保有量达2.79亿辆，其中汽车1.72亿辆，而全国公路通车总里程达457万公里，高速公路里程突破12万公里，农村公路里程突破397万公里。静态比例为：人均车辆0.21辆，而人均道路只有0.003515公里；每辆均占有量约为0.016公里，且其中97.4%的道路属于机动车与非机动车和行人混杂。虽然车辆的增加反映了国家综合国力的提升，但也给人民带来了其他的一些负面影响。今后几年机动车的数量还将急剧增加，道路的超负荷承载致使交通事故数量逐年增加，在一个交通十字路口，如果还是像以前一样单纯的一种信号灯和交通警察的协调来维持交通是不够的。根据统计每年因为交通事故死亡的人数占所有事故死亡人数的85%。而这个比例还在不断增加。如果将每个交通十字路口的多余交通警察撤回，安排在不利于管理和事故率高的地方，不但可以大大降低交通事故的发生率，而且可以节省大量的人力物力财力。因此，基于新型规则的可编程交通控制系统可以实现对车辆、行人的控制，使得交通便于管理。所以，采用单片机自动控制交通灯对于缓解城市交通压力和提升人民生活质量具有重要意义。1.2 国内外研究现状1.2.1 国内研究现状我国交通领域的发展起步比较晚，基本是从新中国建国之后，随着各方面的条件的成熟以及社会发展的要求，才建立及健全交通系统1。20世纪80年代以来，我国一方面进行与改善城市市中心交通为核心的UTSM(urban traffic system manage)技术研究；另一方面采取引进与开发相结合的方针，建立了一些城市道路交通控制系统2。以北京、上海为代表的大城市，交通控制系统主要是简易单点信号机、SCOOT系统、TRANSYT系统和SCATS系统其中几个相结合使用，而国内中小城市，交通控制系统主要还是使用国产的简易单点信号机和集中协调式信号机。这些信号系统虽然取得了较好的效果，但我国城市经济和社会的高速发展使得社会对交通的需求急剧增加，也对此提出了严峻的挑战。因此我国城市发展的规划，建设和运行应当在广泛借鉴和吸取国外先进经验的基础上建立并完善适合我国国情的城市交通系统。1.2.2 国外研究现状当前世界广泛使用的最具代表性却有实施的城市道路交通信号控制系统有英国的TRANSYT与SCOOTS交通控制系统和澳大利亚的SCATS系统3。在信号机的发展过程中，自适应理论一直受到各研究机构的欢迎，比如上面所说的SCOOTS与SCATS系统4。最近几年，国外仍偏向于引进自适应理论来对交通控制系统进行研制，特别是美国有十几个大学或研制机构正在研制自适应交通信号控制系统，具有代表性的有美国亚利桑那大学研制的RHODES5。1.2.3 交通控制中存在的问题我国借鉴国外城市交通管理的先进经验，强调建立城市交通管理体制的重要性，提出加强城市交通研究的交通规划，建立稳定的交通基础设施建设的资金出道，实行公交优先政策6，建立先进的交通信息系统等对策7。近几年，国家虽不断加大城市道路建设的力度，但仍赶不上车辆的增长速度，且与发达国家相比，差距仍很大。出租车以及公交的发展运营情况并不尽如人意，虽然车辆和线路长度增长8，但运营速度成了瓶颈，新增的运输方式被运输效率低下所抵消9。交通管理水平还有待提高，随着交通需求越来越旺盛，而我国中小城市交通管理和交通安全的现代化设施滞后。虽然我国在车辆，道路和交通管理系统，城市交通信号控制系统和城市交通管制中应用人工智能技术，但是在信息采集等方面都与发达国家有存在很大差距。近几年，虽然有部分城市研究和引进一些国外先进的交通信号管理系统，但是由于交通管理设施不足等原因，我国交通事故率居高不下10。城市车流行驶速度逐年下降，目前不少城市交通运量年年增长，但运输速度普遍下降，这都源于交通通行不佳。1.3 本章小节本章主要研究了交通灯对于交通控制的意义，详细说明了交通灯的研究在国内外的发展现状以及现存的问题，并提出了基于单片机的交通灯控制系统的研究在接下来的章节中将对常见十字路口的交通灯控制进行研究以及对含有BRT通行路段如何实现BRT优先通行进行研究。第2章 设计要求及模块方案2.1 设计要求1、设计一个十字路口的交通灯控制电路，要求东西方向（主干道）车道和南北方向（从干道）车道两条交叉道路上的车辆交替运行，时间可设置修改。2、在绿灯转为红灯时，要求黄灯闪烁，才能变换运行车道3、黄灯亮时，要求每秒闪亮一次。4、紧急情况发生，如消防车、救护车等紧急车辆通过时，要求四个路口同时加亮黄灯闪烁，并且倒计时显示装置关闭，四个路口的信号灯全部变成红灯。5、当BRT车辆到达时具有优先通行权利，四个路口加亮黄灯进行闪烁，倒计时显示装置关闭，只允许东西或南北方向车辆通行。2.2 通行方案设在十字路口，分为东西向和南北向，在任一时刻只有一个方向通行，另一个方向进行禁行，持续一定时间，经过短暂的过渡时间，将通行禁行方向对换。如图2-1所示 图2-1 十字路口示意图1、正常时交通灯控制（1）初始状态东西南北全为红灯 （2）东西绿灯、南北红灯（3）东西绿灯、南北红灯转黄灯闪烁 （4）南北绿灯、东西红灯（5）南北绿灯、东西红灯转黄灯闪烁 （6）转（2）2、有急救车通过时：两个方向的交通灯全为红，急救车通过后恢复正常。3、当东西或南北方向车流量大时，四个路口同时加亮黄灯进行闪烁，并且倒计时显示装置关闭，黄灯闪烁5秒后，只允许东西或南北方向车辆通行。下面我们可以用图表表示通行状态和行止状态的关系如下:表2-1交通状态及红绿灯状态状态2状态3状态4状态5东西向通行等待转换禁止等待转换南北向禁止等待转换通行等待转换东西红0010东西黄0001东西绿1100南北红1000南北黄0100南北绿0011东西南北四个路口均为红黄绿3灯和数码显示管2个，在任意路口，遇到红灯禁止通行，转绿灯允许通行，之后黄灯亮警告行止状态将变换。状态及红绿灯转换如表2-1所示。说明：0代表灭，1代表亮。2.3 单片机交通控制系统的功能要求本设计能模拟基本的交通控制系统，用红灯表示禁行、绿灯表示通行和黄灯表示等待的信号发生，还能进行倒计时显示，紧急处理等功能。2.3.1 倒计时显示倒计时显示可以提醒驾驶员在信号灯灯色发生改变的时间、在“停止”和“通过”两者间做出合适选择。驾驶员和行人普遍都愿意选择有倒计时显示的信号控制方式，并且认为有倒计时显示的路口更加安全。倒计时显示是用来减少驾驶员在信号灯色改变的关键时刻做出复杂判断的一种方法，它可以提醒驾驶人员灯色发生改变的时间，帮助驾驶员在“停止”和“通行”两者间做出合适的选择。本设计采用数码管进行显示。由于数码管显示速度快，编程简单，显示效果简洁，因此应用场合比较广泛。2.3.2 紧急处理交通路口出现紧急状况在所难免，如特大事故，救护车等急行车通过等，我们都需要尽量允许其畅通无阻，毕竟在这种情况下分秒必争，时时刻刻关系着公共财产安全，个人生死攸关等。由此在交通控制中增设禁停按键，就可达到此目的。2.4 本章小结本章主要讲述了交通控制系统的通行方案和控制系统的功能要求，最终选择了以AT89C51单片机为控制核心，通过单片机实现交通的行止状态，通过按键处置紧急状态，并通过数码管来告知驾乘人员红绿灯变换时间。第3章 基于GPS的 BRT 公交优先控制系统3.1 公交优先控制系统基于 GPS 的BRT公交优先控制系统，它是结合全球定位系统GPS对BRT 车辆进行实时动态定位、控制、让其优先通行的综合应用系统。主要完成功能有实时接收 BRT 车辆定位信息、处理定位信息、传输定位信息和对其优先控制。它的原理是利用 GPS 连续、实时的定位功能来获取 BRT车辆的位置信息，通过RF 无线传输技术自动发送 BRT 车辆定位信息到地面接收装置，地面接收装置通过MCU 对 BRT 车辆和交通信号控制机这两点所在位置，计算出 BRT 车辆到公共交叉区间的相对距离、位置、速度和行使方向，结合当时路口交通流按照 BRT 公交优先通行策略，通知交通信号机给予最大优先权，从而为各路口的交通信号控制机提供 BRT 车辆的准确信息。这样，各路口的交通信号控制机就可根据 BRT 车辆的相对距离、位置、速度和行使方向，及时为 BRT 车辆提供优先服务。 BRT优先控制系统组成如图3-1所示。图3-1 基于 GPS 的 BRT 公交优先控制系统原理图车载装置部分：安装在BRT车辆上，该车载装置途经各路口或者公共交叉区域时实时、自动地发送BRT车辆的动态信息。 地面接收装置部分：该装置安装在交通信号控制机内11，其具体功能是接收BRT车载装置发送来的信息，并将接收到的信息进行有效处理，结合当时路口的交通灯信号时段情况，按照优先控制策略把最后优先通信权通过串口形式发送给交通信号控制机。交通信号机部分：交通信号机接收到地面接收装置传来的信息对路口的交通信号灯进行及时、有效地切换，优先为BRT车辆让道12，从而保证BRT车辆优先、快速通行，充分发挥出BRT的优越性。3.2 控制系统模型与算法设计3.2.1 BRT 多车辆实时动态定位模型 实时动态测量系统，是GPS 测量技术与数据传输技术相结合而构成的组合系统，是 GPS 测量技术发展中的一个新的突破13。本文需要建立 BRT 车辆相对路口交通信号机距离和方位的多点实时动态定位模型，撑握BRT 车辆的实时动态定位信息14，然后才能有效快速解决 BRT 共享公共交通交叉口区间时优先通行问题。首先建立一个 BRT 车辆单点实时动态定位模型，然后由单点向多点转换。根据模型才可以找到解决问题的方法，推导有效定位算法15。本模型涉及到 BRT 车辆，交通信号控制机。根据以上 BRT 共享公共交叉口区间的处理技术分析，建立的系统模型如图 3-2 所示 其中，P为BRT车辆，O为交通信号机，P2 为地球球心。PN1，ON2分别为所在经线一段弧，P1为PN1与O所在纬线交点。图3-2 系统实时动态定位模型建立以上模型主要作用是如何求解P点相对O点的距离和方位。根据以上模型找到如下算法：现以交通信号控制机为原点建立一个平面二维坐标，X 轴正方向为 360 度方向，反方向为 180 度方向；Y 轴正方向为 90 度方位，负方向为 270 度方位。以交通信号控制机 O 点为坐标原点，BRT 车辆为 P 点，这样就建立了一个平面二维坐标系（如图 3-3），并得到OP两点的距离和的度数。设 O 点的纬度为，经度为；P点的纬度为，经度。跟据1纬度长度在地球表面对应长度为110880m，则=110880。设0所在圆半径为，则=； （3-1）根据,两点与地球球心的关系，则,所以，。在，由此可算出由此可算出，则。 （3-2）由以上公式可以精确得到OP两点的距离和的度数。图3-3 两点定位坐标通过距离和角度，可以确定 BRT 车辆相对交通信号机的准确位置，可以对 BRT车辆实行实时动态定位。由图 3-3方法可以实现对 P 点的单点实时动态定位。然而，本系统所需要多车辆的实时动态定位技术，所以要转化为多点实时动态定位技术。通过给每辆 BRT车辆编号排队，当 BRT 车辆经过路口时在地面接收装置的显示屏上就会显示该车辆的车号，这样可以得到一点到多点的实时动态定位，从而实现了BRT 多车辆的实时动态定位。3.2.2 BRT公交信号优先控制策略及算法 BRT公交信号优先控制系统包括两方面的含义，即“空间优先”和“时间优先”。所谓“空间优先”是通过设置各类BRT专用进口道加以实现；而“时间优先”则主要体现在BRT优先通行信号控制上，它是指在交叉口为 BRT 公交车辆（优先车辆）提供优先通行信号，BRT公交信号优先实施的理念是在保证不对整个交叉口或干线车辆运行产生严重影响的前提下，减少 BRT 公交车辆的延误（使 BRT 公交车辆顺利通过交叉口），降低 BRT公交车辆的路线行程时间，提高 BRT 公交准点率，提高 BRT公交车辆的运行效率16。在具体的信号优先控制上，还有两个概念必须进行区分，即信号优先与强制优先，美国国家运输ITS通信协议对此做出了明确的定义：强制优先：将正常的交通信号强制转换成为火车、应急车辆、大运量客运车辆及执行其他特殊任务的特种车辆通行服务的特殊信号控制模式。在这种控制模式下，当车辆到达时，将立即切断正常的信号控制模式强制进行特定的信号控制状态。信号优先：在信号控制交叉口，一种类型的车辆（公交车辆、应急车辆、商业车队）优先于其他类型的车辆，在不改变信号或严重影响信号协调关系的前提下。通过改变当前的信号相位时间、相位相序、插入专用相位等方法为优先车辆提供信号优先。 虽然信号优先和强制优先经常同在一个系统中，而且使用的设备基本相同，但是它们的执行过程不一样，而且目标各异，强制优先的目标是降低紧急事件的响应时间，减少交叉口车辆对应急车辆的影响，使应急车辆安全、快速地通过交叉口。BRT公交信号优先的目标则是以最小的社会车辆代价换取 BRT 公交车辆的准点率，降低 BRT 公交车辆的路线行程时间、提高 BRT 公交车辆的运行效率。本文研究的重点是基于公交信号优先的平面交叉口区间的 BRT 公交信号优先控制系统。3.2.3 BRT 公交信号优先控制策略研究 根据BRT线路网的特点和平面交叉口处理技术，对 BRT 公交信号的优先控制策略进行深入研究，分“空间优先”和“时间优先”两方面。BRT 空间优先通行策略主要包括两种：一是拓宽交叉口、增加进口车道数；二是设置锯齿型进口车道。这在前面也提到过，本文研究的是 BRT 公交优先重在时间优先通行策略的研究。BRT车辆在交叉口的时间优先通行策略主要通过为BRT公交车辆提供优先通行信号来实现。有数据表明，交叉口延误占公交整个行程时间的 10%-20%，占整个延误时间的 50%。因此，为了提高公交服务水平，在信号控制的交叉口实施公交优先通行信号是非常必要的，BRT公交优先信号一般都设置在有 BRT 公交“空间优先”措施的路口。BRT信号优先通行策略包括被动优先策略和主动优先策略两部分。 3.2.4 被动优先控制策略 被动优先控制策略的实施不依靠检测器获取BRT公交车辆到达的数据，而是根据 BRT公交线路、BRT公交车辆的发车频率、行车速度等历史数据设计、协调路网内交叉口的信号配时，同时降低交叉口信号周期长度以减少BRT公交车辆停车、延误。由于被动优先控制策略的实施以 BRT 公交车辆的历史数据为依据，比较适合于 BRT 公交发出频率高，交通量小，乘客出行需求稳定的线路。策略一般有以下几种形式171、网络化配时规划 网络化信号配时规划是根据 BRT 公交车辆通过路网的运行情况对交叉口信号配时进行方案设计，方案设计一般有两种形式： 第一种是根据通过路网的乘客出行量而不是车辆数分配绿信比，由于 BRT 公交车辆的单车载客量明显大于社会车辆的单车载客量，因此这种相位绿灯时间分配方式有利于 BRT 公交车辆较多的相位，从而体现“以人为本”的交通理念。但是对于乘客流量小的相位，计算的绿灯时间有可能小于最短绿灯时间，因此还必须对相位绿灯时间进行条件约束。第二种是根据 BRT 公交车辆的运行速度或行程时间协调公交线网内的信号配时方案，使 BRT公交车辆在路网内遇到的红灯数最少。由于 BRT 公交站点公交车停靠时间的不稳定性，这种技术实施的效率在很大程度上取决 BRT 公交车辆交叉口之间行程时间预测精度18。 2、信号周期调整 在BRT公交线路上减少信号周期长度意味着降低BRT公交车辆的交叉口等待时间，获得更高频率的信号服务。但是信号周期长度减少，交叉口的通行能力也随之降低。因此，在实际应用中必须权衡 BRT 公交车辆的出行效益与交叉口的通行能力损失。 3、增加相位时间 增加BRT公交线路上相位绿灯时间，以增加 BRT 公交车辆通过信号控制交叉口的可能性，减少 BRT 公交车辆的交叉口信号等待时间。 4、相位分割 在同一个信号周期内，将 BRT 公交车辆的优先相位分割多个相位。从而在不减少信号周期长度的条件下增加BRT公交车辆的信号服务频率。但是由于相位数的增加，信号损失时间也随之增加，从而降低了交叉口的通行能力19。5、限制转弯 通过信号控制限制车辆进入指定的道路，从而降低下游瓶颈路段的交通流量。但该信号不对 BRT 公交车辆进行限制。 3.2.5 主动优先控制策略 相对于被动优先，主动优先控制策略具有更强的适应性，当检测到 BRT 公交车辆存在，根据特定的公交信息、当时的交通状态以及信号控制逻辑，为 BRT 公交车辆提供相应的服务。这种控制策略要求具有更加完善的基础设施：先进、高效的通讯技术；可靠、精确的公交车辆检测技术；先进的信号控制器以及触发优先控制策略。主动优先控制策略一般有以下几种控制形式20：1、绿灯延长 绿灯延长（Green Extension），即延长相位绿灯时间。当BRT公交车辆到达交叉口时，若该相位的绿灯信号即将结束，这时采用延长该相位的绿灯时间，以使BRT 公交车辆有足够的时间通过交叉口，如图3-4所示。BRT公交车辆通过交叉口后，控制系统将恢复原有的信号配时。图3-4 BRT绿灯延长优先控制策略示意图2、绿灯提前 绿灯提前（Early Green/ Red Truncation），即缩短车辆等待绿灯信号的红灯时间，当BRT公交车辆到达交叉口时，公交车辆通行方向所在的相位处于红灯状态，这时通过缩短交叉口当前相位的绿灯执行时间，使BRT公交车辆到达交叉口时，可以以绿灯信号顺利通过交叉口。如图3-5所示。在这种控制策略下，在周期长度不变的情况下，可以在后续执行相位相序方案中对前一相位进行绿灯补偿。图3-5 BRT绿灯提前控制策略示意图3、相位插入 相位插入（Phase Insertion），即在正常的相位相序中为BRT公交车辆增加一个特定的相位。当BRT公交车辆到达交叉口时，公交车辆通行方向为红灯信号，且交叉口当前相位的下一个执行相位仍不允许公交车辆通过，这时要为BRT公交车辆提供信号优先，必须在当前相位和下一相位之间插入一个BRT公交专用相位，如图3-6所示。在这种控制策略下，BRT公交专用相位的前一相位和下一相位进行调整，必要时可以对后续相位进行调整。其中后续相位包括本周期或后续几个信号周期。图3-6 BRT相位插入优先控制策略示意图4、跳跃相位 跳跃相位（Phase Skipping），即忽略某一相位的绿灯信号。当BRT公交车辆到达交叉口时，BRT公交车辆通行方向的为红灯信号，且交叉口当前相位的执行绿灯时间即将结束，而下一个执行相位仍不是BRT公交车辆通行方向的相位，只有等到该相位执行完毕后，才能允许BRT公交车辆通过。由于交叉口下一个执行相位等待通行的社会车辆较少，在权衡效益的基础上，跳过该下一个执行相位，直接执行 BRT 公交车辆通行方向的相位绿灯。从而使BRT公交车辆以绿灯信号顺利通过交叉口，如图3-7所示。图3-7 BRT跳跃相位优先控制策略示意图5、相位倒转 相位倒转（Phase Rotation）：即改变信号周期的相位相序。当BRT公交车辆到达交叉口时，交叉口即将执行的相位并非BRT公交车辆通行方向的相位，为使BRT公交车辆能够顺利通过交叉口，可以通过调整即将执行的相位相序，将 BRT公交车辆通行方向的相位提到最前执行，将原本即将执行的相位置于BRT公交车辆通行相位之后，它与跳跃相位不同的是，跳跃相位不执行相位，而相位倒转则将相位置后执行，如图3-8所示。图3-8 BRT相位倒转优先控制策略示意图6、专用相位 专用相位（Actuated Transit Phase），即专为BRT公交车辆提供的信号相位。只有当检测到BRT公交车辆时，才会启动该专用信号相位。如对需要左转的 BRT公交车辆，在正常的信号配时方案中，不存在左转专用信号。只有当检测到 BRT公交车辆进入车道时，才启动左转专用相位，以保证BRT公交车辆顺利安全通过交叉口，如图3-9所示。这种控制策略与相位插入相似，区别在执行这种相位只允许BRT公交车辆通行21。图3-9 BRT专用相位优先控制策略示意图3.2.6 BRT 公交信号优先控制系统算法设计 优先通行系统的设计原则是为了改善道路运行秩序，提高BRT优先车辆行驶速度，尽量少地影响其他车辆的通行22。优先通行系统的策略是主动优先原则，优先车辆预先设定优先级别和自适应优先策略，交通信号控制机按优先级别下达优先通行指令。 根据以上BRT公交信号优先控制策略的研究，结合枣庄市公共交通线网的实际情况分析，建立如下规划模型求解交叉口群最优的控制策略： Minimize： （3-3）式(3-3)中：-BRT公交车辆信号控制延误；-BRT公交车辆停靠延误； 系统界定的公交车辆许可延误约束条件： (1)优先策略实用条件约束； (2)周期时长约束； (3)相位持续时间约束。 优先策略约束为系统提供的每一种优先策略的实用范围约束和多申请条件下各优先策略可选择的约束。周期长度约束用于保持原来的信号协调，为一简单的等式约束： （3-4）式(3-4)中：-优先后交叉口i的相位数；-优先后交叉口i相位j与下一相位的绿灯间隔时间。相位持续时间约束主要用于确保行人的清空时间，各个相位的初始最大最小绿灯需要根据实际需求进行确定。 （3-5）式（3-5）中：为交叉口i相位j的最小绿灯时间；为交叉口i相位j的最大绿灯时间。为防止优先造成非优先车流服务水平的恶化，最小绿灯时间须根据实时的相位排队长度进行更新。由于假定原信号方案为不考虑公交优先控制下的最佳方案，因而，如果该相位的排队长度大于设定的最大排队长度，则将其当前的绿灯时间设定为该周期该相位的最小绿灯时间。这意味着该相位绿灯只可能扩展而不可以压缩23。 通过系统模型和两点定位算法的研究，可以（系统发送端、接收端）实时计算出两者距离 DIS、角度 ANG、行驶方向和平均速度；基于交叉口群最优的控制策略模型，有如下策略：当 BRT优先车辆行驶到离交通路口50m-100m(根据现场环境而定)时，有两种情况：一是到达时为绿灯，检测车辆到达路口所需时间为 T。因此当所剩绿灯时间 tT 时，车辆直接通过，当所剩绿灯时间时 tT 时，检测是否可以延时，设绿灯延时最大时间为 t1，当 t1+tT 时延时，车辆通过，否则车辆停车等待下一周期。二是到达时为红灯，设剩余红灯时间为 t2。当 t2T 车辆直接通过，当 t2T 时检测是否可以提前绿灯，设绿灯提前最大时间为 t3，当 t2-t3T 车辆通过，否则车辆停车等待。信号配时如图3-10 所示。 图3-10交叉信号配时1、在按时序控制（定时控制）管理的路口：BRT优先车辆优先通行后，恢复原来的时序控制，从而解决了在公共区间内有冲突时，让优先车辆优先、快速通行的同时，尽量减少对其他方向车辆的通行影响。 2、在线、区域协调控制（车辆感应式控制）管理线路上：当 BRT 优先车辆进入该线路或区域的第一个路口时，将终止协调相位，采取主动优先的工作方式，“一路绿灯”，BRT 优先车辆通过后，协调相位不再返回原顺序，按新的协调相位执行，BRT 优先车辆通过所延长的绿灯时间，被平均分配到各个协调相位时序中，以尽量减少对其他方向车辆的通行影响（不考虑右转车辆）。 3、当 BRT 优先车辆优先通行要求（不同方向的优先通行要求）冲突时，按预先设定的优先级别进行优先相位的放行。在绿灯信号时段吗？不改变基本控制方案BRT在该信号时段通过在提前开启绿灯时段吗？在延长绿灯信号时段吗？在插入专用相位时段吗？吗？延长绿灯时间BRT在该信号时段通过提前开启绿灯BRT在该信号时段通过插入专用相位BRT在该信号时段通过采用主动优先其他策略，给予最大优先确定BRT车辆到达交叉口时所处信号周期时段计算BRT车辆到达交叉口时间检测BRT车辆位置YNYYYNNN图3-11 BRT公交优先控制系统流程图3.3 本章小结 本章分别从系统模型、优先控制策略算法进行了深入研究，这是BRT公交优先控制系统最为核心的部分。在系统模型分析的基础上，得到了BRT车辆的实时动态定位算法；从优先控制策略算法可以得到如何解决BRT交叉口区间的优先通行问题。综合系统两大部分的深入分析，论述了主动信号优先的关键技术、控制方法、约束条件、工作原理及控制流程，并对优先控制策略进行了综合对比分析，提出了优先控制策略的实施方案。第4章 电路的设计实现本设计要求的具体功能，可以选用 AT89C51 单片机及外围器件构成最小控制系统，12个发光二极管分成 4 组红绿黄三色灯构成信号灯指示模块，8个 LED 东西南北各两个构成倒计时显示模块，若干按键模式选择按钮和紧急按钮等组成。4.1 交通灯电路为了方便实验，可以用发光二极管作为交通灯来使用，单片机的I/O接口直接和交通灯（发光二极管）连接。在十字路口的四组红、黄、绿三色交通灯中，东西方向道路上的两组同色灯连接在一起，南北方向道路上的两组同色的灯也彼此连接在，受单片机P1.0P1.5控制。单片机的I/O接口与交通灯电路的具体连接方式为：P1.0P1.2分别接东西方向的红、黄、绿共6个放光二极管， P1.3P1.5分别接南北方向的红、黄、绿共6个发光二极管。12个发光二极管采用了共阳极的连接方式，因此I/O口输出低电平时，与之相连的发光二极管会亮，I/O输出高电平时，相应的发光二极管会灭。交通灯电路如图4-1所示。图4-1 交通灯电路4.2 倒计时显示电路该交通灯控制系统在正常情况下，每60s循环一次，为方便提示路上行人及车辆交通灯转换的剩余时间，专门为控制系统设计了一个倒计时显示装置。该显示装置选用七段数码管来显示交通灯转换的剩余时间，根据控制要求，每个路口需要两个数码管，这样四个路口就要求八个数码管。有序AT89C51单片机的I/O作为输出时，具有较强吸收电流能力，因此我们可以选用共阳型数码管，这样由单片机的I/O就可以直接驱动，从而简化硬件电路的设计。四个路口倒计时显示被置在同一时刻显示相