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地铁综合监控系统设计与仿真分析

第 1 章绪论

1.1 引言

随着社会的发展和进步，路上的车辆越来越多，而地铁建设往往跟不上城市发展的速度，因此

城市交通问题日益突出，经常在十字路口等交通繁忙的地方发生堵塞情况，出现交通混乱。为了解

决车和路的矛盾，常用的有两种方法：一是控制需求，最直接的办法就是限制车辆的增加；二是增

加供给，也就是修路。但是这两个办法都有其局限性。我国汽车工业正处在起步阶段，限制车辆的

增加不是解决问题的好方法。而采取增加供给，即大量修路，在资源、环境矛盾越来越突出的今天，

有限的源和财力以及环境的压力，也将受到限制。

由于我国经济的快速发展从而导致了汽车数量的猛增，大中型城市的城市交通，正面临着严峻

的考验，从而导致交通问题日益严重，其主要表现如下：交通事故频发，对人类生命安全造成极大

威胁；交通拥堵严重，导致出行时间增加，能源消耗加大；空气污染和噪声污染程度日益加深等。

日常的交通堵塞成为人们司空见惯而又不得不忍受的问题，在这种背景下，结合我国城市道路交通

的实际情况，开发出真正适合我们自身特点的智能信号灯控制系统已经成为当前的主要任务。随着

电子技术的发展，利用单片机技术对交通灯进行智能化管理，已成为目前广泛采用的方法。

这就需要依靠除限制需求和提供道路设施之外的其他方法来满足日益增长的交通需求。交通系

统正是解决这一矛盾的途径之一。

1.2 选题背景及研究的目的与意义

1.2.1 选题背景

近年来随着科技的飞速发展，单片机的应用正在不断地走向深入，同时也带动着传统控制的日

新月异更新。在自动控制的单片机应用系统中，单片机往往是作为一个核心部件来使用，仅单片机

方面知识是不够的，还应根据具体硬件结构，以及针对具体应用对象特点的软件结合，加以完善。

十字路口车辆穿梭，行人熙攘，车行车道，人行人道，有条不紊。那么靠什么来实现这井然秩

序呢？靠的是交通信号灯的自动指挥系统。交通信号灯控制方式很多。本系统采用 MSC-51 系列单

片机 AT89C51 为中心器件来设计交通灯控制器，实现了通过单片机芯片的 P0 口设置红、绿灯燃亮

时间的功能；显示时间直接通过单片机的 P1 口输出，系统实用性强、操作简单、扩展性强。

随着电子技术的发展，电子设计的方式也不断增多，proteus 嵌入式虚拟开发系统与仿真平台是

一款可以实现数字电路，模拟电路，微控制系统仿真以及 pcb 设计等功能的 eda 软件。电路的软，

硬的设计与调试都是在计算机模拟的环境下进行的。

基于这一设计思想开发的 proteus 软件，可以在原理设计图设计阶段对设计的电路进行验证，并

可以通过改变原件参数使整个电路优化。

当今，红绿灯安装在各个道口上，已经成为疏导交通车辆最常见和最有效的手段。但这一技术

在 19 世纪就已出现了。

1858 年，在英国伦敦主要街头安装了以燃煤气为光源的红，蓝两色的机械扳手式信号灯，用以

指挥马车通行。这是世界上最早的交通信号灯。1868 年，英国机械工程师纳伊特在伦敦威斯敏斯特

区的议会大厦前的广场上，安装了世界上最早的煤气红绿灯。它由红绿两以旋转式方形玻璃提灯组

成，红色表示“停止”，绿色表示“注意”。1869 年 1 月 2 日，煤气灯爆炸，使警察受伤，遂被取消。

电气启动的红绿灯出现在美国，这种红绿灯由红绿黄三色圆形的投光器组成，1914 年始安装于

纽约市 5 号大街的一座高塔上。红灯亮表示“停止”，绿灯亮表示“通行”。

1918 年，又出现了带控制的红绿灯和红外线红绿灯。带控制的红绿灯，一种是把压力探测器安

在地下，车辆一接近红灯便变为绿灯；另一种是用扩音器来启动红绿灯，司机遇红灯时按一下嗽叭，

就使红灯变为绿灯。红外线红绿灯当行人踏上对压力敏感的路面时，它就能察觉到有人要过马路。

红外光束能把信号灯的红灯延长一段时间，推迟汽车放行，以免发生交通事故。

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。

1968 年，联合国《道路交通和道路标志信号协定》对各种信号灯的含义作了规定。绿灯是通行

信号，面对绿灯的车辆可以直行，左转弯和右转弯，除非另一种标志禁止某一种转向。左右转弯车

辆都必须让合法地正在路口内行驶的车辆和过人行横道的行人优先通行。红灯是禁行信号，面对红

灯的车辆必须在交叉路口的停车线后停车。黄灯是警告信号，面对黄灯的车辆不能越过停车线，但

车辆已十分接近停车线而不能安全停车时可以进入交叉路口。

1.2.2 研究的目的与意义

研究目的：交通是城市经济活动的命脉，对城市经济发展、人民生活水平的提高起着十分重要

的作用。汽车现已成为人们日常生活必不可少的交通工具。汽车给人们带来便利的同时，也带来了

一系列令人困惑的问题，如环境污染、交通拥挤、交通事故频繁发生、给人们的生命财产带来了很

大的损失。城市交通问题困扰城市的发展、制约城市经济建设的重要因素、人们对于交通有效控制

的意识越来越强烈。

城市交通信号控制是通过对交通的调节、警告和诱导以达到改善人和货物的运输安全，提高运

输效率。其目标在于改善交通的流量，更好地利用现有运输能力，提高交通流的安全性、快捷性和

舒适性。

交叉口时组成城市道路网的基本单元，城市交通控制分为单交叉口控制和多交叉口协调控制，

并非前者比后者控制效果好，他们各自有自己的适用范围。单交叉口负担着线控、面控制方案的落

实。

我国城市建设资金短缺，而协调控制一般投资较大，这就限制了其使用。所以我国目前各城市

的绝大多数交叉口都在使用单交叉口控制方式。如何赋予单路口控制方式一些新的策略，使之对于

大量交叉口进行行之有效的控制，最大限度的提高其通行能力及安全对于我国目前城市交通有着非

常现实的意义，也可为协调控制的研究提供帮助。

研究意义：在十字路口设置交通灯可以对交通进行有效的疏通,并为交通参与者的安

全提供了强有力的保障。但是随着社会、经济的快速发展,原先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。如何改善交通灯控制系统,使其适应现在的交通状况,

成为研究的课题。

　　传统的十字路口交通控制灯,通常的做法是:事先经过车辆流量的调查,运用统计的

方法将两个方向红绿灯的延时预先设置好。然而,实际上车辆流量的变化往往是不确定的,

有的路口在不同的时段甚至可能产生很大的差异。

即使是经过长期运行、较适用的方案,仍然会发生这样的现象:绿灯方向几乎没有什

么车辆,而红灯方向却排着长队等候通过。这种流量变化的偶然性是无法建立准确模型的,

统计的方法已不能适应迅猛发展的交通现状。更为现实的需要是能有一种能够根据流量

变化情况自适应控制的交通灯。　　

大部分城市中十字路口交通灯的控制普遍采用固定转换时间间隔的控制法。由于十

字路口不同时刻车辆的流量是复杂的、随机的和不确定的,采用固定时间的控制方法,经

常造成道路有效利用时间的浪费,出现空等现象,影响了道路的畅通,还行成拥堵现象。采

用不依赖数学模型的模糊控制方法设计交通灯控制器,能较好地解决这个问题。为保证交

通控制的可靠、稳定,选择了能够在恶劣的电磁干扰环境下正常工作的单片机是必要的。

　　8051 单片机交通灯控制系统集成自动控制技术、计量技术、新传感器技术、计算

机管理技术于一体的机电一体化产品;充分利用计算机技术对生产过程进行集中监视、控

制管理和分散控制;充分吸收了分散式控制系统和集中控制系统的优点,采用标准化、模

块化、系统化设计,配置灵活、组态方便。

1.3 研究内容

本设计需研究的内容为：单片机交通灯机系统的发展状况；单片机交通灯机控制系统的结构及

组成，即选择系统设计的基本方案与硬件及软件等方面的设计。在硬件方面，需研究整体硬件框图

以及各种器件的选型及连接方法；在软件方面，要明确主程序及各个主要部分的流程以及相应的程

序控制清单。

1.4 单片机交通灯的国内外的研究现状及存在问题

当今，红绿灯安装在各个道口上，已经成为疏导交通车辆最常见和最有效的手段。但这一技术

在 19 世纪就已出现了。

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。1968年，联合国《道路交通和道路标志信号协定》对各种信号灯的含义作了规定。绿

灯是通行信号，面对绿灯的车辆可以直行，左转弯和右转弯，除非另一种标志禁止某一种转向。左

右转弯车辆都必须让合法地正在路口内行驶的车辆和过人行横道的行人优先通行。红灯是禁行信号，

面对红灯的车辆必须在交叉路口的停车线后停车。黄灯是警告信号，面对黄灯的车辆不能越过停车

线，但车辆已十分接近停车线而不能安全停车时可以进入交叉路口。

在国内，受客观条件的制约，ITS起步比较晚，在20世纪90年代初，我国的相关学者开始意识到

研究和开发ITS的重要性。到90年代中期，由于受到国外ITS研发的影响，政府部门也开始重视对ITS

的研究，随后，又得到中央部门和部分地方政府的支持。

1999年，我国成立了全国智能交通系统(ITS)协调指导小组及办公室，同年，又成立了全国智能

交通运输系统(ITS)专家咨询委员会，其中，同济大学、清华大学、北方交通大学、北京航空航天大

学、吉林工业大学、东南大学等高校的有关专家为咨询委员，并启动了国家“九五”科技攻关课题和

国家“十五”科技攻关课题。目前在对一些大中型城市引入的国外ITS进行研究的基础上已经逐渐开始

摸索开发设计适合自己国情的ITS系统。

电气启动的红绿灯出现在美国，这种红绿灯由红绿黄三色圆形的投光器组成，1914 年始安装于

纽约市 5 号大街的一座高塔上。红灯亮表示“停止”，绿灯亮表示“通行”。

1918 年，又出现了带控制的红绿灯和红外线红绿灯。带控制的红绿灯，一种是把压力探测器安

在地下，车辆一接近红灯便变为绿灯；另一种是用扩音器来启动红绿灯，司机遇红灯时按一下嗽叭，

就使红灯变为绿灯。红外线红绿灯当行人踏上对压力敏感的路面时，它就能察觉到有人要过马路。

红外光束能把信号灯的红灯延长一段时间，推迟汽车放行，以免发生交通事故。

从1868年英国伦敦首次使用燃汽色灯信号以来，城市交通信号机由手动到自动，交通信号由固

定周期到可变周期，系统控制方式由点控到面控，从无车辆检测器到有车辆检测器，经历了近百年

的历史。到1963年加拿大多伦多市建立了一套使用IBM650型计算的集中协调感应控制信号系统。之

后，美国、英国、德国、日本、澳大利亚等多家相继建成数字电子计算机区域交通控制系统，这种

系统一般还配备交通监视系统组成交通管制中心。到80年代初，全世界建有交通管制中心的城市有

300多个，代表了未来交通控制的发展方向。

表1.1交通信号系统发展状况

简称

时间

国别

城市

名称

控制路

口数

信号周

期

检测器

控制方式

1868

英国

伦敦

燃气色灯

单

无

1914

美国

克利夫兰

电力色灯

单

无

点控

1926

英国

各城市

单点定周期

自动信号机

单

定

无

自动

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