专利名称：一种道路入口匝道控制器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种道路入口匝道控制器，属于交通运输自动控制技术领域。
背景技术：
城市快速道路是城市经济发展的动脉。
国外的交通事业发展的比较早，其匝道控制进行科研和实用也较早，发达国家的城市快速道路建设从上个世纪50年代开始。美国于上个世纪60年代在芝加哥的Eisenhower快速路进行了入口匝道控制。其后，美国的洛杉矶、西雅图、凤凰城等城市先后进行了城市快速路的匝道控制。并且，国外对匝道控制经历了从单点控制到网路整体控制的过程，对缓解交通堵塞起到了良好的效果。
国内进行交通控制的研究自上个世纪的80年代就开始，原有的匝道控制系统控制方式单一，不能构成一个完整的系统进行自动控制，使得在局部区域某些特定的时间内出现了越控制越堵塞的现象，从而没能达到预先的设计目的。而且专门的城市快速路匝道研究并不多，没有成功的先例。有些地方，例如北京，更缺乏所谓的匝道。所以上海要进行的这项研究是带有一定开创性质的，在将来的应用中，匝道控制器将在城市快速路体现出巨大的优势和作用。
上海市智能交通系统的研究和实施正以迅猛的势头快速发展，自2001年上海市科委的“机动车交通信息采集、处理与发布”智能交通重大研究课题研究到2004年上海市建委的“上海市中心区道路交通信息采集系统”再到2006年中环线(浦西段)交通监控系统，上海已经基本建成以市中心区为主的交通信息采集、处理与发布系统。上海市中心区快速路范围中，每隔400-500米的车道和高架上下匝道均已经铺设了感应线圈车辆检测器，交通诱导信息牌的数量逐渐增加。通过不同类型(图形和文字、大中小板)的可变信息板(VMS)实时动态地向驾驶员提供道路交通信息，将实时的交通状况信息、交通事件信息以基于GIS-T的方式及时地向相关交通管理人员报警、提示，并发布到相关的部门终端。同时，2004年的高架上匝道实时调控工程，也实现了对高架路入口匝道实施通行控制功能。该工程的入口匝道控制中，匝道的通行控制可以由交警现场控制，也可以在交警总队的控制中心远程控制；在匝道关闭或恢复为开放时，设置在相关地面道路上的S型可变信息板会按照其布设相对入口匝道的距离，分时序发布匝道状态(关闭、畅通或拥挤)信息。
然而，虽然上海市已经实现了对入口匝道的通行控制，但是这种以人工干为主的控制方式还满足不了快速路交通监控系统需要。
以中国上海市为例，自1985年以来就开始计划着手建设快速道路，20世纪90年代以来，实施了大规模的道路交通基础设施建设，逐渐形成了以内环、南北、延安高架等为骨干的城市快速路交通网络。2002年，“申”字形快速路网形成。2006年，中环线快速路(浦西段)的建成，又填补了内、外环线之间的城市环形快速路的空白。
截至到现在，总长约为110km的上海市中心区快速路网基本建成，一定程度上缓解了本市中心区以及边缘的交通矛盾，为城市交通提供了较高的道路服务水平。其快速、便捷、通畅、安全的交通条件吸引了大量的机动车流量，使得城市快速道路成为驾驶员和市民出行的首选路线。
然而随着上海经济的快速发展，汽车保有量激增，上海市的交通问题日益严峻，同时，快速路为地面道路系统分担了近50％的机动车交通量，其交通压力也日益变得严重。
在如此大流量的交通压力下，内环高架频繁出现拥堵现象，并有进一步恶化的趋势，严重影响了城市骨干路网的交通运行。
预计2020年才可能出现的高架道路交通饱和现象提前到来。2000年和2001年内环高架道路路段日平均交通流量分别为6.8万辆和7.4万辆，部分路段呈现出超饱和的状态，其中沪太路-广中路路段的日流量已超过10万辆，宛平南路-秣陵路的日流量近9万辆。2003年共和新路高架和卢浦大桥通车，使得更多的外围地区车辆能够快速的进入中心区，在逸仙路、沪闵路和卢浦大桥等入口，在高峰时进入市中心方向的流量达到了每小时20000辆，饱和度超过1.25。2006年，被希望于改善高架道路交通饱和现象的中环线通车，但仅一个月后，其个别路段就出现了严重拥堵现象。
不仅如此，高架路主线交通的过饱和还容易导致出入口匝道以及与之相连接交叉口交通拥堵的出现。
目前，上海市快速路系统(浦西，且不包括外环和中环)匝道临近地面交叉口共计65个，其中上匝道临近交叉口(无下匝道)共计10个；其余55个交叉口中，属严重阻塞的交叉口有23个；属阻塞交叉口的有19个；属基本畅通交叉口的仅有13个。并且由于主线交通量大，入口处车辆的汇入将引起主线车流较大的波动，从而导致交通拥堵的发生，而出口处的车流量超过了交叉口的通行能力而难以疏散，造成交通拥堵，同时回溢到主线造成主线的拥堵。形成进一步的恶性循环。联系到其他大城市快速路系统，也存在上述问题。
因此，快速路在高峰甚至非高峰时期常常出现拥堵，难以保证交通的连续性，车辆运行时快时慢，快速道路系统也已不再“快速”，对入口匝道必须实施控制。
发明内容
本发明的目的在于提供一种道路入口匝道控制器，该控制器可以实现实时的自适应自动控制、就地控制、远程控制，通过采集交通参数检测设备检测到的交通参数、控制本地控制和通讯设备达到调节匝道汇入主线的车辆数。该控制器具有可扩展性、设备无关性、算法可替换性。
为达到上述目的，本发明的解决技术方案由硬件和软件两部分结合而成。入口匝道控制器的硬件包括嵌入式计算机、接线端子排、工业电源、继电器、光端机、光缆终端盒。嵌入式计算机放在经过防尘防潮处理的机箱内。外部器件通过通讯控制线从机箱外连接到箱内的端子排上，如通行灯和信号灯的控制线是从端子排上连接到相对应的继电器上，然后再通过继电器连接到I/O板卡上；情报板和车检器的通讯线是从端子排上直接连接到主机的RS485通讯接口上面；便携设备(如PDA、笔记本电脑等不固定连接设备)在必要时(如调试、维修等)连接到嵌入式计算机面板处的通讯端口上。嵌入式主机通过网线连接到光端机上，光端机再通过光纤与光缆终端盒相连，最后接入INTERNET，从而与中控监控机通讯。
所述的嵌入式计算机，包括CPU模块组、功能模块组和扩展模块组，各个模块组使用通讯总线以插接方式与底板相连接，从而组成整个主机系统。
以上为匝道控制器硬件部分；以下为软件部分。
软件是匝道控制器中核心的内容，应用软件构架和实现中所需要的关键技术，决定了整个系统是否能稳定、高效地运行。
在对常用的嵌入式操作系统进行比较后，选择了Linux操作系统作为本发明的系统软件。控制算法作为整个软件的核心，根据快速路的特点，对ALINEA算法进行了改进和修正。
Linux操作系统是一个支持多用户，多任务的操作系统，它以稳定可靠，安全以及支持多种平台，对硬件的要求低。
本发明的有益效果本匝道控制器，其÷控制系统由本地设备和中控监控机两部分组成，在总体效果评估中采用以平均速度指标为主、辅以占有率、排队长度和总旅行时间指标作为实际上路调试的效果评估指标，入口匝道控制器的开发，使得其可以适应不断发展变化的交通领域。现在，通过匝道控制器可以实现实时的自适应自动控制，具有可扩展性、设备无关性、算法可替换性，随着将来的进一步研究和开发，可以很方便地改用其他更加有效的控制算法，具有明显的经济效益和社会效益。
以下结合附图和实施例对本发明作比较详细地说明。
图1为本发明的匝道控制器硬件原理框图；图2为本发明的匝道控制器软件结构原理框图；图3为本发明的匝道控制器软件中控制算法模块的工作流程图；图4为本发明的匝道控制器软件中控制算法模块的工作原理图；具体实施方式
参照图1，这是本发明的匝道控制器硬件原理框图。
如图所示，其硬件包括嵌入式计算机1、接线端子排2、工业电源3、继电器4、光端机5、光缆终端盒6。
嵌入式计算机放在经过防尘防潮处理的机箱内，外部器件连接通讯控制线从机箱外先连到箱内的端子排上，通行灯和信号灯的控制线再从端子排连接到相互对应的继电器上，然后再通过继电器连接到I/O板卡上。情报板和车检器的通讯线从端子排上直接连接到主机的RS485接头上面。手操器则是不固定连接设备，只有调试维修时才连接到嵌入式计算机面板处的通讯端口上。嵌入式主机通过网线连接到光端机上，光端机再通过光纤与光缆终端盒相连，最后接入INTERNET，从而与中控监控机通讯。
所述的嵌入式计算机1，包括SOM系统8、PC/104模块9、单板电脑10、半长CPU卡11、POS控制系统12硬件结构。
根据匝道控制器硬件系统架构，PC/104模块9硬件结构灵活，扩展设备包括PCMCIA、以太网、GPS、数字I/O、以及多串口多种模块，能充分满足匝道控制器今后扩展需求。
由PC/104结构特性决定其各个PC/104模块间可以进行堆栈式的再组合，而且还可以将PC/104模块当成一个“宏器件”嵌入到特定的产品中。PC/104模块的特性完全符合匝道控制器嵌入式主机设备，将嵌入式主机设计为插接方式，使用16位PC/104总线作为底板连接通用总线，分为将CPU模块组、功能模块组、扩展模块组以插接方式与底板连接，从而组成整个主机系统。
本模块由PC/104 CPU板、主板转接板、硬盘/电子盘、硬盘转接板四部分组成，PC/104与主板转接板采用16位PC/104总线连接；硬盘/电子盘通过IDE与硬盘转接版连接并固定，硬盘转接板与主板转接板通过IDE连接通讯。在初期设计当中由于当时考虑侧重方面不同，使得起初想通过软排线进行端口的导出。
功能模块组根据匝道控制要求，需要I/O和RS485通讯功能，所以本模块组由PC/104 I/O板和多串口卡、扩展转接板3部分组成，PC/104 I/O板和多串口卡以堆栈式连接，再连接到扩展转接板上。这样使得各个PC/104模块可以通过底板总线结构进行互相间的通行，构建出整体系统。
扩展模块组扩展模块组主要是由于在PC/104 I/O板上没有进行全面的光电隔离的处理，匝道控制器又是应用在工控领域当中，对I/O器件隔离很重要，从而需要专门设计辅助的光电隔离板，还需要对多串口卡进行端口外接处理，进行功能的完善匝道控制器嵌入式主机箱体确定主机箱体使用3U插接箱体，箱内板卡可以自由组合、自由插拔扩展，对维修调试极为的方便，结构也适合匝道控制器整体结构的设计由于匝道控制器嵌入式主机箱为无电源设备，所以匝道控制器内需要设置工业电源，对外的INTERNET通讯需要用光端机和光缆终端盒进行通讯，匝道控制器属于标准的工业控制柜体。
参照图2，这是本发明的匝道控制器软件结构原理图。
如图所示，其软件结构分为应用层、通讯控制层和基本层。应用层包括数据管理、算法、设备管理、车检器、情报板、通行灯、信号灯；通讯控制层包括基于Modbus协议的通讯管理、IO管理；基本层包括串口读写、定时器、存储管理、网络Socket读写、IO读写。
数据管理分别到车检器、算法，算法分别到情报板、通行灯、信号灯，设备管理分别到情报板、通行灯、信号灯；从应用层到通讯控制层其中车检器、情报板到基于Modbus协议的通讯管理；通行灯、信号灯到IO管理；从通讯控制层到基本层其中基于Modbus协议的通讯管理、IO管理到串口读写、定时器、存储管理、网络Socket读写、IO读写。
参照图3，这是本发明的匝道控制器软件中控制算法模块的工作流程图如图所述，其工作流程步骤如下从[开始]到[从配置文件获取静态配置参数]、[每20s从主线程获取实时交通数据]、[处于控制时段内？]进行判断，如果否，便进入[调节率置饱和值]、[返回匝道单车道调节率]；如果是，便进入[数据处理]、[数据无效/设备故障？]，进行判断，如果是，便进入[调节率上一周期调节率]、[返回匝道单车道调节率]；如果否，便进入[符合调节率置0条件？]；另一路到[符合调节率置0条件？]进行判断，如果是，进入[调节率置0值]，如果否，则进入[符合置饱和调节率条件？]进行判断，如果是，则进入[调节率置饱和值]， 如果否，则进入[符合排队优先条件？]如果是，则进入[调节率置排队优先值]；[符合排队优先条件？]进入到[算法计算(包括排队约束)]、[调节率平滑]，[返回匝道单车道调节率]、[结束]。
在整个软件部分，控制算法处于核心地位，控制算法的优劣在很大程度上决定了匝道控制器的控制效果。采用标准的C语言，展开控制算法的实现工作。
控制算法，根据快速路的特点对ALINEA算法进行了改进。
Linux具有裁减定制的功能，可以根据实际硬件的需求对系统进行裁减定制，对Linux系统进行了相应的裁减。裁减的内容包括以下3个部分内核的裁减，根文件系统的定制和引导器的制作。
匝道控制器按照功能需求的不同，在整个系统中可以处于两种不同的角色上位机和下位机。当它作为上位机的时候，其主要的功能是检测外部设备，处理相关数据，然后再控制相关的设备；当它作为下位机时，其主要的功能是响应来自PDA或者是控制中心的命令。
如果从资源的使用角度来讲可以对整个系统作出如下的划分，通讯中使用到的串口(PDA线程)，网口(远程控制线程)，两个485接口(道路信息数据采集线程和情报板线程)；I/O口(信号灯控制部分)；这种以硬件资源划分的方式和实现各个相对独立的功能模块紧密相关，在实现的过程中这些相对独立的功能模块主要体现在线程所完成的功能上，各个线程任务的功能说明如下道路信息数据采集线程。此线程的主要功能是完成车检器数据的采集周期性的访问车检器，并将车检器传输的原始数据以及车道状态保存下来；数据的处理按照算法所需要的接口以及根据配置文件中的内容，将采集的数据处理为专门的结构数组；提供服务检测是否有来自别的线程数据请求的标志信息，如果有的话，将会对相关的数据进行复制，进行数据传递。
主线程。主线程的主要功能包括获取数据在对算法的调用之前要先获取算法所需的数据；算法的调用对每一个周期内采集的数据要根据自动控制算法生成一种配置方案不管这种方案是否得到执行；数据保存为了方便修正自动控制中算法，将每一次产生控制所涉及到的各个数据进行保存；检测控制由于控制的来源有三种(自动、就地和远程)，所以在控制之前先要检测控制来源，然后再对外设进行控制。
情报板线程。其主要的功能包括检测情报板状态周期性的访问情报板将状态以及显示的内容保存下来；提供服务检测数据请求标志信息，将相关的数据进行复制，进行数据传递；控制情报板检测控制信号的来源对情报板进行相应的控制。
就地控制线程。其主要的功能包括等待接收命令判断是否有来自PDA所发送的命令；响应相关命令根据接收到的命令判断后返回相关的数据。
远程控制线程。主要功能包括判断是否有来自控制中心所发送的命令；响应相关命令根据接收到的命令判断后返回相关的数据。
为了便于调试时参数的调节，将可调参数都放置在配置文件中。因而，软件中控制算法模块的工作主要是通过从主线程读取车检器的交通参数、从配置文件读取算法相关参数，根据ALINEA算法进行计算，得到一个配流率，然后将配流率返回给主线程。
参照图4，这是本发明的匝道控制器软件中控制算法模块的工作原理图。
如图所示，分为后台控制程序和控制算法模块，从后台控制程序通过实时交通流数据、调节参数到读取参数、算法计算后返回结果到后台控制程序。
虽然本发明已参照上述的实施例来描述，但是本技术领域中的普通技术人员，应当认识到以上的实施例仅是用来说明本发明，应理解其中可作各种变化和修改而在广义上没有脱离本发明，所以并非作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述的实施例的变化、变形都将落入本发明权利要求的保护范围。
权利要求
1.一种道路入口匝道控制器，其特征在于本发明由硬件和软件两部分结合而成，硬件包括嵌入式计算机(1)、接线端子排(2)、工业电源(3)、继电器(4)、光端机(5)、光缆终端盒(6)；嵌入式计算机放在经过防尘防潮处理的机箱内，外部器件通过通讯控制线从机箱外连接到箱内的端子排上，通行灯和信号灯的控制线是从端子排上连接到相对应的继电器上，然后再通过继电器连接到I/O板卡上；情报板和车检器的通讯线是从端子排上直接连接到主机的RS485通讯接口上面；便携设备连接到嵌入式计算机面板处的通讯端口上，嵌入式主机通过网线连接到光端机上，光端机再通过光纤与光缆终端盒相连，最后接入INTERNET，从而与中控监控机通讯。
2.如权利要求1所述的道路入口匝道控制器，其特征在于所述的嵌入式计算机(1)，包括SOM系统、PC/104模块、单板电脑、半长CPU卡、POS控制系统硬件结构；嵌入式计算机使用16位PC/104总线作为底板连接通用总线，分为将CPU模块组、功能模块组、扩展模块组以插接方式与底板连接组成主机系统。
3.如权利要求1所述的道路入口匝道控制器，其特征在于所述的PC/104模块，包括PCMCIA、以太网、GPS、数字I/O、以及多串口多种模块，能充分满足匝道控制器今后扩展需求。
4.如权利要求1所述的道路入口匝道控制器，其特征在于所述的PC/104模块，其各个PC/104模块间可以进行堆栈式的再组合，而且将PC/104模块当成一个“宏器件”嵌入到特定的产品中；PC/104模块，使用16位PC/104总线作为底板连接通用总线，分为CPU模块组、功能模块组、扩展模块组以插接方式与底板连接。
5.如权利要求1所述的道路入口匝道控制器，其特征在于所述的主机箱体，使用3U插接箱体，箱内板卡自由组合、自由插拔扩展。
6.如权利要求1所述的道路入口匝道控制器，其特征在于所述的软件，是匝道控制器中核心，其应用软件构架和实现中所需要的控制算法，决定了整个系统的稳定性、高效运行。
7.如权利要求1所述的道路入口匝道控制器，其特征在于所述的软件结构，其结构分为应用层、通讯控制层和基本层；应用层包括数据管理、算法、设备管理、车检器、情报板、通行灯、信号灯；通讯控制层包括基于Modbus协议的通讯管理、IO管理；基本层包括串口读写、定时器、存储管理、网络Socket读写、IO读写；数据管理分别到车检器、算法，算法分别到情报板、通行灯、信号灯，设备管理分别到情报板、通行灯、信号灯；从应用层到通讯控制层其中车检器、情报板到基于Modbus协议的通讯管理；通行灯、信号灯到IO管理；从通讯控制层到基本层其中基于Modbus协议的通讯管理、IO管理到串口读写、定时器、存储管理、网络Socket读写、IO读写。
8.如权利要求1所述的道路入口匝道控制器，其特征在于所述的软件中控制算法模块，其工作步骤为其工作流程步骤如下从[开始]到[从配置文件获取静态配置参数]、[每20s从主线程获取实时交通数据]、[处于控制时段内？]进行判断，如果否，便进入[调节率置饱和值]、[返回匝道单车道调节率]；如果是，便进入[数据处理]、[数据无效/设备故障？]，进行判断，如果是，便进入[调节率上一周期调节率]、[返回匝道单车道调节率]；如果否，便进入[符合调节率置0条件？]；另一路到[符合调节率置0条件？]进行判断，如果是，进入[调节率置0值]，如果否，则进入[符合置饱和调节率条件？]进行判断，如果是，则进入[调节率置饱和值]， 如果否，则进入[符合排队优先条件？]如果是，则进入[调节率置排队优先值]；[符合排队优先条件？]进入到[算法计算(包括排队约束)]、[调节率平滑]，[返回匝道单车道调节率]、[结束]。
9.如权利要求1所述的道路入口匝道控制器，其特征在于所述的软件中控制算法模块，分为后台控制程序和控制算法模块，从后台控制程序通过实时交通流数据、调节参数到读取参数、算法计算后返回结果到后台控制程序。
全文摘要
本发明涉及一种道路入口匝道控制器，其硬件包括嵌入式计算机、接线端子排、工业电源、继电器、光端机、光缆终端盒；嵌入式计算机放在经过处理的机箱内，外部器件连接通讯控制线从机箱外先连到箱内的端子排上，通行灯和信号灯的控制线再从端子排连接到相互对应的继电器上，再通过继电器连接到I/O板卡上，情报板和车检器从端子排上直接连接到主机的RS485接头上面，手操器则是不固定连接设备，只有调试维修时才连接到嵌入式计算机面板处的通讯端口上，嵌入式主机通过网线连接到光端机上，光端机再通过光纤与光缆终端盒相连，最后接入INTERNET，从而与中控监控机通讯。其软件构架和实现中所需要的控制算法，决定了整个系统的稳定性、高效运行。
文档编号G08G1/01GK101055671SQ20071004068
公开日2007年10月17日 申请日期2007年5月15日 优先权日2007年5月15日
发明者陈华, 冯雷, 陆小芳, 陈平, 巢国平, 徐力平, 陈茂 申请人:上海电器科学研究所(集团)有限公司