基于VHDL的交通绿波带控制系统设计.docx

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基于VHDL的交通绿波带控制系统设计

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【摘要】：交通信号灯以其工程上易实现以及易理解的逻辑规则的特性被广泛认可。交通绿波带的主要原理是通过模拟一个恒流速的交通流获得一路段的通行时间，以此协调各个路口的交通灯变化，从而实现绿波交通。本文探析一种交通绿波带系统，本质上是基于VHDL的多个路口的交通控制系统，采用硬件描述语言进行程序设计和QuartusⅡ软件仿真测试。仿真结果表明，三个路口的交通灯能够实现双向的交通绿波带。如果付诸实践，在各个路段都采用这种基于FPGA的交通绿波系统，预计会大大提升车辆流速以及在此路段的行车体验。

【关键词】：交通绿波系统仿真VHDL语言

解决城市主干道拥堵问题，行之有效的方法是搭建交通绿波带，让车辆尽快通过，从而提高单位时间内车辆通行效率。对此，需要先设计出各个路口合适的交通灯模式，测算和获取设计所需的交通参数和信号灯参数，测算出最人性化的行人绿灯时间，选择合适的交通灯变换周期。本文选择某城市WY大道上的三个路口，利用VHDL硬件描述语言进行绿波带交通灯系统设计，具有很强的移植性，稍作改编，可用于更大更复杂的交通绿波带设计。

1参数的获取与处理

在设计一条在主干线上的交通绿波带时，主要原则利用优化算法对各种参数进行处理，从而确定出一条延误时间最短的干线绿波帶。有很多参数需要实地考察或者建模计算来确定。

1、路段长度及车速：

路段选择以WY大道牌楼口为起点A，其与WY大道桃子湖路口B相距476米，而B与WY大道新民路口C相距924米。从起点A到终点C总长达1.4公里。

经实地考察，南北走向车辆速度一般为60Km/h，而东西走向直行都是行人和非机动车，东西左转的车流量较小。

2、周期时长

为了干线上的各交叉口的信号灯能协调统一，各个信号灯的周期必须相同。一般情况下，信号灯周期不能小于一分钟，否则会出现车辆和行人无法及时通过路口以致交叉路口堵塞。周期也不能太长，因为A路口到B路口的距离只有四百多米，在车流速度平均为50-60Km/h的情况下，只需半分钟车辆就可以穿过，若周期时长大于三分钟，就会造成较长放入延误时间，甚至会导致延误放入车辆由第一个路口延伸到下一路口。本文将A、B、C三个路口的信号灯周期都定为180秒。

3、绿信比

绿信比定义为：在一个周期下，一个路口的绿灯时长与总周期时长的比率。绿信比是调节其所在路口的通行能力的重要参数。在交叉路口中，一个方向的绿信比增加必须是以减少另一方向的绿信比为代价，所以在确定绿信比时一定要如实反映路口的车流量，以达到各个方向的通行能力一致。

4、相位及相位差

一个路口的交通灯相位设置要兼顾各个方向车辆通行的需求，不合理的相位设置会导致交通混乱及交通堵塞。

本文所实现的交通绿波带主要靠调节相位差，使相位差的时间刚好是车流通过这些交叉口的时间差。这样，当车辆从路口出发到达下一路口时，刚好是绿灯。由于三个路口的信号灯周期一致，只要实现第一次信号灯相位差优化成绿波带，接下来每个周期的相位差就固定下来了，从而实现一条持续的绿波带。

在测得各路口的车流速度和路段距离的情况下，可依据公式pn=sn/v求得相位差。

其中pn为相位差，单位是秒，sn为路段的长度，单位是米，v是平均车流速度，单位是m/s。实际中不同方向的平均车速是一个不定值，它会随着上下班高峰期、节假日出城高峰或返程高峰、上下学时间变动。为了工程上的简便，让相位差是整数，取v=57Km/h，s1=476m，s2=924m代入上式，得p1=30s，p2=60s。

2绿波系统的设计及仿真

2.1系统框架和程序设计

本文采用双向绿波带模式进行设计，可以全时段地实现干线的上行和下行无滞留调制。对于两个端口，要求当其开放主干线的通行权时，既要作为入口去放行一波将驶入绿波带的车流，同时要作为出口去精准无滞留地放行一波已驶过绿波带的车流。对于路段中间的交叉口，由于上下游的路口距离不同，很难做到每次放行都是刚好囊括两个方向的绿波带，所以其主干线的通行时间较长，同时绿信比增大、效率下降。这是无法避免却可以通过系统设计来优化的问题。

2.1.1绿波系统框架的设计

在一个周期中A、C路口相位1的通行权时间为80s，其他相位的总通行时间为100s，而B路口的相位1通行时间为140s，其他相位的总通行时间为40s。对于A、C路口，其绿信比是能够忠实反映个方向的车流量的，在对其进行信号灯设计时，按照正常的相位依次转换模式设计即可。而对于B路口，显然其主干线的绿信比过大，留给其他的相位的通行权时间总共只有40s，再采用上述模式是行不通的，需要适当权衡和改变。

假设0s时刻C点交叉口调制出80s主干道的通行权，那么大概在60s的时刻，放行的这一波车流开始通过B点交叉口，大概在90s时刻开始通过A点交叉口。在A点