逻辑信号（共7篇）
逻辑信号 篇1
引言
在数字电路的调试和检修时, 常常要对电路中某点的逻辑信号进行测试, 采用万用表或示波器等仪器仪表很不方便, 而采用逻辑信号测试仪通过几个发光二极管就可以指示被测信号的逻辑状态及脉冲信号的频率范围, 使用简单方便, 给数字电路实验和电路设计开发带来便利[1]。本文采用中小规模集成电路设计并实现了一种逻辑信号测试仪, 不仅能区分逻辑电平的状态和脉冲信号频率的数量级, 而且适用于各种类型的数字电路逻辑信号的测试。如果将电路安装成逻辑测试笔, 使用就更为方便[2]。
设计与实现
功能设计
逻辑信号测试仪主要包括逻辑信号状态的区分和脉冲信号频率的区分两部分功能。其中逻辑信号状态的区分主要通过双电压比较器电路实现, 而脉冲信号频率的区分可利用数字频率计的原理实现。由于逻辑信号测试仪的电源来自被测电路, 为满足各种类型的数字电路逻辑信号的测试, 故所用芯片必须是能单电源供电且电源范围较宽的模拟电路芯片和CMOS类的数字集成电路芯片。
逻辑信号状态的区分
为实现逻辑信号状态的区分, 可用运算放大器 (如LM358) 或电压比较器 (如LM393) 实现一个双限电压比较器进行区分, 其关键在于参考电压的设定, 电路如图1所示。本设计为了适用于各种类型的数字电路逻辑信号的测试, 仅对逻辑电平作了简单区分, 设定为:被测信号如果小于0.2VCC则为低电平 (LED2亮) ;如果大于0.4VCC则为高电平 (LED1亮) ;如果介于两者之间则为高阻态 (两个发光二极管都不亮) ;如果时大时小交替的则为脉冲信号 (两个发光二极管常亮或交替亮) 。其中Vi为被测信号输入端, R1、R2和D1、D2起到了输入端静电防护功能, R3、R4保证了在输入端悬空时显示为高阻态。如需严格适应TTL和CMOS等各种类型集成电路的逻辑电平的测试, 应根据各种类型数字电路的逻辑电平特点, 严格设定各自的参考电压, 并将其参考电压设定支路区分开来, 用开关电路进行切换。
脉冲信号频率的区分
当被测信号被判定为脉冲信号时, 还需进一步区分脉冲信号的频率, 可利用数字频率计的基本原理实现[3]。用中小规模集成电路实现数字频率计的原理框图如图2所示。
若仅对脉冲信号区分频率的数量级, 电路更加简单, 既不需要整修放大, 又不需要锁存和译码显示, 而只需在计数电路输出端的相应数量级上接一个发光二极管体现其频率数量级即可。其中闸门电路
计时电路
为了计数方便, 计时信号的正频宽应约为1s, 而负频宽应较窄。由555时基电路实现的计时电路如图3所示。其中, Rw用于精确调试闸门的开启时间。
计数电路
为了使逻辑信号测试仪能区分Hz、kHz、MHz等数量级的脉冲信号, 而计时信号的正频宽约为1s, 故计数电路至少为106进制计数器。实现时, 为了简化电路可用两片CD4020 (14位同步二进制计数器) 实现, 如图3所示。其中, R和Z都为闸门电路的输出信号, 且应满足:当计时信号为低电平时, 计数器被清零。
区分方法为:当被测脉冲信号为H z级 (约<1 k H z) 时, L E D 3、L E D 4两个发光二极管不亮也不闪;当为kHz级 (约>1kHz, 但<1 M H z) 时, L E D 3闪动或常亮, LED4不亮也不闪;当为MHz级 (约>1MHz) 时, LED3常亮, 而LED4闪动或常亮。而且, 如果要对被测脉冲信号区分得更细些, 仅需在CD4020的不同输出端加上发光二极管指示电路即可。
闸门电路
闸门电路确保仅在计时信号为高电平时 (即计时时间内) , 闸门开启, 被测脉冲信号能传递给计数电路, 而在低电平时, 闸门关闭, 且应使计数器清零。因此, 可由“与非门”或“与门”电路实现。而CD4020的清零端为高电平有效, 故本设计中采用CD4011 (四2输入与非门) 实现, 如图5所示。其中, M为图1中被测信号经过静电防护电路后的信号。
结论
实践表明, 所设计的逻辑信号测试仪不仅能准确指示逻辑信号的状态, 区分脉冲信号频率的数量级, 而且适用于各种类型的数字电路逻辑信号的测试。
逻辑信号测试仪是目前数字电路测试中使用最为广泛的一种工具。本设计采用中小规模集成电路实现了功能较为全面的逻辑信号测试仪, 具有实现容易、操作简单、功能可靠、价格低廉、实用性强等优点[4]。该设计方法对电子电路设计具有一定的指导意义。
摘要：采用中小规模集成电路, 设计并实现了一种逻辑信号测试仪。该测试仪不仅能区分逻辑电平的三种状态:高电平、低电平、高阻, 而且还能区分脉冲信号及其频率的数量级。测试仪的电源电压范围宽 (3～18V) , 适用于各种类型的数字电路逻辑信号的测试, 具有实现容易、操作简单、功能可靠、价格低廉、实用性强等优点。
关键词：测试仪,逻辑信号,电路设计
参考文献
[1]孙建设, 王程有.改进型逻辑电平三态指示器[J].仪表技术与传感器, 2005, 4, (4) :41-42
[2]刘之义, 刘卫强.一种简单实用的三态指示电路[J].河北工业科技, 2001, 18, (1) :30-32
[3]岳玉霞.数字频率计[J].电子制作, 2006, (3) :45-47
[4]闫红, 刘之义等.一种功能优良的三态逻辑指示电路[J].河北工业科技, 2006, 23, (5) :284-286
逻辑信号 篇2
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一、参考书目
1、初试：《信号与线性系统》（上、下）（第四版），管致中，高等教育出版社；
《数字电子技术基础》（第五版），阎石，高等教育出版社。
2、复试：
电子与通信工程:电路分析或数字信号处理基础。
《电路（第五版）》，邱关源，高等教育出版社
《数字信号处理—理论与应用》（第二版），俞一彪、孙兵，东南大学出版社
信息与通信工程：（同上）
集成电路工程：模拟电子技术笔试和上机编程 或 微电子学概论笔试
《电子技术基础（模拟部分）》（第五版），康华光，高等教育出版社
《微电子学概论》（第三版），张兴、黄如、刘晓彦，北京大学出版社
3、同等学力加试科目
电子与通信工程和信息与通信工程：①微机原理②模拟电子技术
微机原理：《单片机原理与接口技术》，陈蕾、邓晶、仲兴荣，机械工业出版社
集成电路工程：①微机原理②电路分析③模拟电路④半导体器件任选两门
微机原理：《单片机原理与接口技术》，陈蕾、邓晶、仲兴荣，机械工业出版社
模拟电路：《电子技术基础（模拟部分）》（第五版），康华光，高等教育出版社
半导体器件：《半导体器件物理与工艺》（第三版），施敏，苏州大学出版社
二、复习资料书
1、《2018苏州大学837信号系统与数字逻辑考研专业课复习全书》
适用科目代码：837信号系统与数字逻辑
适用专业：电子信息学院：电子与通信工程（专业学位）、信息与通信工程、集成电路工程（专业学位）
本书内容：
第一部分历年真题（2009-2014）
第二部分参考教材每个章节重点笔记、参考教材每个章节典型题或章节真题解析
第三部分教材课件及相关扩充复习资料
2、《2018苏州大学837信号系统与数字逻辑物理考研专业课全真模拟题与答案解析》
适用科目代码：837信号系统与数字逻辑
适用专业：电子信息学院：电子与通信工程（专业学位）、信息与通信工程、集成电路工程（专业学位）
本书内容：对应目标专业科目模拟试卷或对应指定教材的模拟试卷（2009-2014）
陈坤微信号卖千万的暗逻辑 篇3
除了一个微信号就能卖千万的好处之外, 陈坤还可以“打包”这些花钱买了会员资格的粉丝, 靠“振臂一挥, 响着云集”来“挟百万粉丝”以“令经纪公司”, 从而使自己不再完全受制于它, 获得先前从未有过的“自由”。这些微信会员“粉丝”就是其与经纪公司博弈的新筹码。
“手中有人, 心中不慌”, 这大概是明星卖微信号最关键的暗逻辑吧, 何况这手中的“人”, 还是自已交钱送上门来的。对于明星而言, 通过粉丝会员可以获得博弈筹码, 而年入几千万的会费, 只不过是这场买卖的额外红利罢了。
此消息一出, 引发热议。不少网友虽然对这种行为嗤之以鼻, 但依旧认为陈坤的微信号能收到一笔不小的“入会费”, 理由是“我们从来不缺脑残粉儿”。当晚的媒体发布也佐证了众人的推测。据说, 陈坤的微信会员贩售当天就月入700万。这预示着网络营销的转型, 将进入“用户体验“与”粉丝时代”。
上网搜索“粉丝”的定义, 给出的答案是“粉丝”是中国常见的食品之一, 往往又叫做粉条丝、冬粉。然而, 粉丝在当下的中国语境中, 更多不是被用做“传统食品”, 而是“追随者”, 且这一追随者队伍构成多元、成份复杂、价码各异。比如“僵尸粉”最便宜, 几百块可以买一大把, “高仿真僵尸粉”则略贵些, 可以自言自语, 逼真地模仿真人“转发”“评论”;“V粉”最贵, 因为每个V粉后面, 是一个真实的人, 获得“V粉”不仅仅是一个网络营销的技术活儿。
除了微博微信这些虚拟平台上的“粉丝”外, 在现实生活中, 还存在一种“职业粉丝”, 即通过粉丝这一身份以及行动获得报酬的真实人。初级“职粉”一个月收入2000元左右, 只做现场举海报、呐喊等“体力活”;中级”职粉”则负责建立明星网页、博客等工作;更高级别的“职粉”则“高端、大气、上档次”, 他们与经纪公司和明星走得较近, 可以参与各种活动的举办, 并向加入粉丝团的“新粉”征收会费。
粉丝经济, 是消费时代的盲从经济。它源于虚无与鼓噪, 它充满浅薄与浮华。正如学者克里斯?罗杰克所言:“名人和奇观填补了空虚, 进而造就了娱乐崇拜, 同时也导致了一种浅薄、浮华的商品文化的统治。因而, 娱乐崇拜掩饰了文化瓦解。商品文化无法造就完整的文化, 因为它在每件商品上都打上了转瞬即逝和完全可替代的烙印。”
粉丝是一个面目模糊的群体, 是一个“盲从盲目”的行动团。他们能抢去路人手机发短信给电视节目表达对某位明星的支持;他们能不厌其烦地看N遍“粉丝电影”, 勤奋地给自己明星的电影贡献票房, 化“烂片”为大片。
尽管这是一个“盲从”的行动团, 但它依然会在大雾散去、真实尽显时消失得无影无踪, 弃彼奔此。
逻辑信号 篇4
据于74LS164十四进制扭环形计数器状态循环转换原理, 文章对交通信号逻辑电路的设计原理和设计方法作了深入全面的分析和阐述, 对从事数字电子逻辑电路的设计人员提高设计能力、拓宽设计思路、熟悉中小规模集成电路的综合应用能力、加深理解电路的控制原理、提高综合运用所学知识的工程实践能力具有重要的参考价值。
1 交通信号控制系统功能设计
1.1 十字交叉路口的交通信号控制系统平面布置 (见图1)
注:LMG—主干道绿灯LMY—主干道黄灯LMR—主干道红灯
LBG—支干道绿灯LBY—支干道黄灯LBR—支干道红灯
1.2 信号灯正常工作流程 (见图2)
因为主干道车辆多, 故放行时间相对比较长, 设计放行时间为48S;支干道的车辆少, 放行时间相对较短, 设计放行时间为24S;每次绿灯变红灯之前, 要求黄灯亮4S且为间歇闪烁, 此时另一干道的红灯状态仍然保持不变。在主干道和支干道均设有倒计时数字显示, 作为时间提示, 以便让行人和车辆直观掌握通行时间。数字显示变化情况应与信号灯状态始终保持同步。
2 交通信号逻辑电路的设计 (见图3)
3 交通信号控制系统电路分析
3.1 时钟信号源
时钟信号源由NE555时基电路组成, 用于产生1Hz的标准秒信号。
3.2 分频器
分频器由2片74LS74构成。第一片74LS74对1Hz的秒信号进行4分频, 获得周期为4S的信号, 另一片74LS74对4秒的信号进行2分频, 获得周期为8S的信号。周期为4S、8S的信号分时送到主控制器74LS164的时钟信号输入端, 用于控制信号灯处在不同状态的时间。
3.3 主控制器
主控制器是由一片74LS164构成的十四进制扭环形计数器, 是整个电路的核心, 用于定时控制两个方向红、黄、绿信号灯的亮与灭及持续时间, 在时钟CP上升沿的连续触发下其状态转换见表1
3.4 信号灯译码驱动电路的设计 (见图3)
信号灯译码驱动电路由若干个门电路组成, 用于对主控制器中Q5Q6的4种状态进行译码并直接驱动红、黄、绿三色信号灯。令扭环形计数器中Q5Q6的4种状态00、10、11、01分别代表主干道和支干道交通灯的4种工作状态:主干道绿灯亮、支干道红灯亮;主干道黄灯亮、支干道红灯亮;主干道红灯亮、支干道绿灯亮;主干道红灯亮、支干道黄灯亮。令灯亮为“1”, 灯灭为“0”, 则可得出信号灯译码驱动电路的真值表 (见表2)
由真值表可得出各信号灯的逻辑表达式:LMG=·;LMY=Q5·;LMR=Q6;LBG=Q5·Q6;LBY=·Q6;LBR=。因黄灯要间歇闪烁 (4秒期间闪4次) , 所以将LMY、LBY与1s的标准秒脉冲信号CP相“与”便得出:LMY’=LMY·CP;LBY’=LBY·CP。
3.5 信号灯工作时序
由时序图可知, 在Q5Q6=00期间, 共需6个CP触发脉冲, 所以应将周期为8秒的时基信号CP2送入扭环形计数器的CP端, 则6TCP2=6×8S=48S, 正好符合绿灯的放行时间为48秒。同理, 当Q5Q6处于10、11、01三种状态时, 应将周期为4秒的时基信号CP1送入扭环计数器的CP端, 才能满足这三种状态时信号灯亮灭的时间要求。以上8秒和4秒时基信号分时送入扭环计数器CP端是由74LS04的G9、74LS125的G10、G11共同完成的 (见图3) , 只有当LMG亮期间 (48秒) , G10导通G11截止, 将8秒时基信号送入扭环计数器CP端, 而在其余三种状态的时间段LMG都是灭的, G10截止G11导通, 将4秒时基信号送入扭环计数器CP端。
3.6 数字显示控制电路
数字显示控制电路是由4片74LS190组成的两个减法计数器组成, 用于进行倒计时数字显示的控制。当LMG亮、LBR亮 (Q5Q6=00) 时, 对应主干道的两片74LS190构成的52进制减法计数器开始工作, 从数字“52”开始, 每来一个秒脉冲, 显示数字减1, 当减到“0”时, LMR亮、LBG亮, 同时, 主干道的52进制减法计数器停止计数, 支干道的两片74LS190构成的28进制减法计数器开始工作, 从数字“28”开始, 每来一个秒脉冲, 显示数字减1, 直至减到“0”为止。减法计数前的初始值, 是利用另一个道路上的黄灯信号对74LS190的LD端进行控制实现的, 当黄灯亮时, 减法电路置入初始值;当黄灯灭而红灯亮时, 减法计数器开始进行减计数。
3.7 数字显示电路
数字显示电路是由两片74LS245和4片74LS49集成电路及4块LED七段数码管LDD580构成的, 用于进行倒计时数字的显示。因主干道和支干道的减法计数器是分时工作的, 而任何时刻两方向的数字显示均为相同的数字, 采用两片74LS245就可以实现这个功能。当主干道减法计数器计数时, 对应于主干道的74LS245工作, 将主干道计数器的工作状态同时送到两个方向的译码显示电路。反之, 当支干道减法计数器开始计数时, 对应于支干道的74LS245开始工作, 将支干道计数器的工作状态同时送到两个方向的译码显示电路。
4 结束语
主干道和支干道的放行时间是可以随意设置的, 比如可以设置主干道的放行时间为60秒, 支干道的放行时间为30秒, 黄灯闪烁的时间为5S, 改变分频器的分频系数即可实现这一功能, 将1Hz的标准秒信号经一个上升沿触发的5分频器分频得到一个周期为5S的信号, 再经过2分频得到周期为10S的信号, 将周期为5S和10S的信号轮流送入74LS164的CP端即可。其中, 5分频器可利用74LS290来实现。
参考文献
[1]曾令琴, 吕乐, 李林鹏.数字电子技术[M].北京:人民邮电出版社, 2009.
[2]龙治红, 谭本军, 黄华飞.数字电子技术[M].北京:北京理工大学出版社, 2010.
[3]焦素敏.数字电子技术基础[M]北京:人民邮电出版社, 2012.
[4]高燕梅, 沙晓菁, 粱超.数字电子技术基础[M]北京:电子工业出版社, 2012.
逻辑信号 篇5
城市交叉路口是道路网中道路通行能力的“隘路”和交通事故的“多发源”。对独立路口的多相位交通控制来说, 除了绿信比直接影响信号控制效果外, 相位的顺序也有其影响作用。传统的控制方案是由有一定经验的专家通过对某个路口的交通流数据进行归纳和研究, 得出固定的相位顺序[1]。但由于交叉口的交通状况随机性很强, 这必然会出现下一相位车流量很小甚至为零的情况。因此有必要对交叉口进行变相序信号控制。模糊控制具有不依赖对象的数学模型、鲁棒性好、简单实用等众多优点, 因此基于模糊控制技术对交叉口进行变相序信号控制设计并进行仿真。
1 交叉口交通流模型
典型的交叉口一般分为东、南、西、北四个方向, 每个方向均有右行、直行和左行三个方向的车流, 车辆靠右行走, 如图1所示。
假设四个方向均分别建有天桥和地下通道, 交叉口处设有单独的右转车道 (见图1) , 因此真正受控制的是直行车流和左行车流且过往机动车不受行人或非机动车的干扰。
文中以图1为模型进行变相序系统设计, 同时考虑到目前大多数交叉路口采用四相位定时控制策略, 且按四相位设计也比较合理, 所以也采用四相位信号控制, 相位信号见图2。
2 变相序模糊控制系统
为了获取可靠的交通流信息, 在交叉口每个入口方向的每个车道上分别设置两个信号检测器来构成一个检测区。如图1所示, 其中一个设在停车线处, 用于计算该车道的车辆离开数, 另一个设在距离第一个检测器D m处, 用于计算车辆的到达数。为了能确定接下来的10～15 s的时间内交通流情况, D一般取为100～150 m之间。
文中是以车辆在交叉口的延误时间最短为目标, 进行变相序设计, 系统结构如图3所示。
该系统在每个绿灯信号结束时便重新确定车流信息, 通过相序优化模糊控制器得出各红灯相位的优先级别Yi, 再将各红灯相位的优先级别通过相位选择器得出下一放行相位。
相位选择器主要是依据相位的优先级来选取出下一相位, 同时考虑到有可能出现级别相同的相位, 为此文中引入了方向车流量的对称系数P, P=a/b。
其中:a为测得等待车辆数较少方向上的车辆数目;b为测得等待车辆数较多方向上的车辆数目。
从上式可得P∈[0, 1], P越大则说明该相位上两方向上的车辆分布越对称。当有两个或三个红灯相位的优先级别相同时, 此时相位选择器则根据对称系数P来决定出下一相位, P最大的则被选为下一放行相位。如果还出现两个以上相位的方向车流量的对称系数P相同, 相位选择器则按相位的前后顺序给出下一相位。
3 相序优化模糊控制器设计
相序优化模糊控制器输入量为各红灯相位上测得的当前车辆总数qi (辆) 和各红灯相位的等待时间twi (s) , 输出量为各红灯相位的优先级别Yi。他们的论域、模糊子集、实际值域见表1。其中输出论域的输出数值越大, 表示级别越高可得到优先放行。
在表中, Qlimit=D/L, 其中D为两检测器之间的距离 (m) ;L为单位车辆长度 (m) 。
输入、输出变量模糊子集的隶属函数见图4、图5、图6。
模糊控制规则, 见表2。控制的基本原则是:当车道上到达的车辆数增多或红灯持续时间增加时, 相位的紧急程度就相应的增高。
该模糊控制器采用Mamdani推理, 并采用平均最大隶属度方法进行去模糊化[2,3]。
4 仿真
以交叉口处车辆的平均延误时间为评价指标, 采用MATLAB6.5软件[4,5]编写了在相同的时间内平面交叉口的四相位定相序定时控制和文中所设计的变相序定时控制仿真程序, 并对他们的结果进行比较。仿真参数设定如下:各相位的绿灯时间为25 s, 黄灯时间为4 s, 绿灯期间车流以1辆/s离去;根据各相位不同的车辆到达率a (辆/s) , 进行仿真, 得到车辆的平均延误时间见表3。
仿真结果表明:所设计的变相序控制方法在车辆延误时间上比定相序控制有所改善。
5 结语
由以上数据可知, 各相位车辆的平均到达率差异越大时, 文中所设计的变相序控制方法明显优于定相序控制方法, 反之则相差无几。除此之外车辆在交叉口的平均延误时间随着平均到达率的增加而增加。
参考文献
[1]李江.交通工程学[M].北京:人民交通出版社, 2002.
[2]王俊普.智能控制[M].合肥:中国科技大学出版社, 1996:90-135.
[3]易继锴, 侯媛彬.智能控制技术[M].北京:北京工业大学出版社, 1999:193-238.
[4]吴晓莉, 林哲辉.MATLAB辅助模糊系统设计[M].西安:西安电子科技大学出版社, 2002.
逻辑信号 篇6
关键词：多参数逻辑运算,信号控制,评价
1 引言
在平面交叉道口的独立信号控制中, 感应控制方式比多时段定周期控制方式具有更高的控制效率, 其根本原因就在于感应控制方式中引入了平面交叉道口的一些实时交通参数, 对控制方案进行实时的修正、优化。较之多时段定周期控制方式, 显然这种方式可更好的适应平面交叉道口交通状况的变化。控制方案的实施, 总是希望使交叉道口各个方向的车流累计总延误最小, 各个方向车流通过量最大, 各相位绿灯时间得到最有效的利用等等。总之, 就是要使控制方案根据交叉道口的具体交通情况达到最高的控制效率, 最大限度的实现交通工程师设定的控制目标和要求。但是在传统的感应控制方式下, 检测器一般都利用埋设于路面的环形线圈, 控制机利用这些环形线圈测得类别单一的如有无车、流量、速度等交通信息, 进行提炼预测, 生成具有交通含义的参数来对控制方案进行优化。而这类参数在表达平面交叉口的交通特征时都显得非常的抽象, 与现实世界的交通表征存在着较大的差别, 再加上其优化算法的简单和交叉道口不同驾车者不同驾驶行为的影响, 造成对交叉道口交通情况的错误判断不足为奇的。显然, 由于经常的错误判断, 在传统的感应控制方式下要进一步提高平面交叉口的控制效率是不可能的。
这种问题, 就是在当今世界交通界公认的两大高效率、高水准的道路交通控制系统 (SCATS和 SCOOT) 信号机用于平面交叉道口感应控制时都依然存在。在SCATS系统的感应模式中, 最重要的一个交通参数就是饱和度 (Degree of saturation) , 其定义为绿灯时间的有效利用率, 它通过埋设于停车线后的检测线圈, 找到有效利用的绿灯时间来对控制方案进行优化。姑且不论所测指标由交叉口几何线型、驾车者行为差异和算法本身带来的误差和误断, 而由其感应控制的负反馈方式 (即信号控制参数的改变未用于当前周期, 而是下一周期) 来看, 就存在对平面交叉道口的实时优化控制不强的问题。SCOOT系统在用于感应控制模式时所采用的优化方式比较复杂, 它包括了检测模型、预测模型、优化模型等多种算法, 通常感应控制需考虑 X、Y、Z或 X、Z检测才能比较准确地响应 Demand和Extension。 Demand和 Extension可以配置成锁定或非锁定。行人 Demand通过按钮按锁定方式响应。信号阶段顺序可以跳跃和变化, 如 Ripple Change (ST800 General Handbook C38) 。但是, 从其预测模型的原理和检测线圈埋设的位置来看, 它对平面交叉道口的优化也会受一些因素的影响, 如交叉道口前面路段存在支路和缺口, 有车时产生流量变化或路段异常堵塞等以及车队的离散系数的变化、延误时间的预测精度等。另外, 在 SCOOT系统的 ST800/ST700控制器中, 可以将LOOP设置在道口内, 用于 CALL/CANCEL、RED Extension、Exit Block等特殊条件下的时序和逻辑响应和控制。在美国的 NEMA标准中, 基于单 LOOP感应控制, 最小绿灯时间可以设置成随机可变的, 并伴随一些特殊的参数术语定义。当然, 上述的比较在某种意义上说显得并不公平。但是, 有一点是值得注意的:即使是目前最先进的控制设备, 在最大限度的提高平面交叉道口独立信号控制的效率上, 都或多或少的存在着一定的问题。
基于上述原因, 为了进一步提高平面交叉口独立信号控制的效率, 必须把着眼点放在交叉道口及其周围, 运用一些与日常交通管理者直观印象相吻合的交通参数来对道口控制方案进行实时的优化。为此, 本文提出了多参数逻辑运算控制模式。
2 多参数逻辑运算控制模式
2.1 概念的引入
平面交叉道口的交通特征是由众多交通信息构成的。在交通信号控制中, 选取一些能够代表交叉道口交通特征的关键信息进行分析处理, 再利用其结果来指导交通信号控制, 对控制方案实行实时的优化。显然, 这种方式是最切合交通信号控制实际的。要实现这样的控制目的, 利用单一类别的检测参数是很困难的, 流量参数可以表达交叉道口的流量, 速度参数可以表达车辆通过交叉道口的速度, 阻塞参数可以表达交叉口的阻塞情况, 排队参数可以表达交叉道口的排队长度等等, 不一而足。但是单一的参数只表达了交叉道口的部分交通特征, 不能表达交叉道口的全部甚至关键交通特征。而对平面交叉道口进行有效的实时优化控制, 却需要将众多表达不同交通特征的参数综合起来运用。如何将这些参数加以简单、有效的利用, 就是本章的目的。用这些参数的逻辑表达式可以较准确的表达交叉道口的特征, 并基于多参数的逻辑运算, 建立了多参数逻辑运算控制模式, 如图 1。
在该模式中, 由于在每一阶段采用了多个交通信息参数的逻辑运算, 可以准确地以逻辑语言来描述交叉口的实际交通情况。这样, 在该模式中, 完全可以取消最小绿灯时间的概念, 即最小绿灯时间为 0。
在各阶段多参数逻辑表达式都成立的情况下, 保留了最大绿灯时间的概念, 这一时间和平面交叉口的最大通行能力有关, 既可以按道口饱和交通流计算得出, 也可以由交通工程师根据情况自行任意设定。
由于每一阶段运行的条件是基于多个交通参数逻辑表达式的成立, 所以在控制方案的确定时可以有更多的阶段存在。因而就不会因阶段的增加而引起周期损失时间的增加, 使其具有更大的控制灵活性。
在各阶段 (相位) 都没有交通需求时, 交通控制停留在上一需求阶段上。一旦某一阶段 (相位) 产生需求时, 信号控制直接跳到该需求阶段上来。
2.2 检测器输出参数的定义
多参数逻辑运算信号控制模式之所以能对平面交叉口进行实时、有效、灵活的控制, 是因为该模式的运行是基于对交叉口关键交通信息的处理。它能真实、及时地收集道路交通情况;而多参数逻辑运算控制模式的控制软件算法和数据处理方式在很大程度上决定于检测器输出的性质。由于检测器的类型以及检测功能与检测逻辑各有不同, 所以, 该模式在对检测器输出信号进行预处理是必须的, 并由此带来了模式更大的控制灵活性。在该模式中定义了两种类型的检测器输出。
(1) 连续模式:
当检测器连续输出一定时间后即该检测输出为逻辑真。如图 2示。
在该模式中, 当检测时间 1内检测器有信号 1连续输出, 则该检测值为逻辑真;当检测时间 2内检测器虽有信号 2、3输出, 但不连续, 则该检测值为逻辑假。
(2) 断续模式:
在规定的检测时间内, 检测器只要有检测输出即为逻辑真。如图 3示。
在该模式中, 当检测时间 1内检测器有信号 1输出, 则该检测值为逻辑真;当检测时间 2内检测器无信号输出, 则该检测值为逻辑假。
为了保证控制灵活性, 所有检测器的检测模式都可以任意定义为连续模式和断续模式中任一种, 检测时间也可按需要任意可调。
3 平面交叉口信号控制评价
3.1 评价指标
交通信号控制的作用, 就是利用交通信号为相互冲突的车流、人流分配通行权, 确保交通安全和通畅。纵观国内、国外在平面交叉口设置交通信号控制的依据, 主要的都是看平面交叉口交通的繁忙程度、混乱程度和事故多少, 因此, 对平面交叉口信号控制评价也基于这几方面的因素, 根据其主要影响因素, 可以选取了下列指标, 建立了信号控制评价体系结构, 如图4。
由图可以看出, 交通信号控制评价由能力评价和安全评价共同组成。能力评价和安全评价由各种不同指标构成, 各指标标定如下所述。
(1) 最大通行量:
最大通行量是在实际的道路条件、交通条件和控制条件下, 在一定时间内通过进口道停车线的最大车辆数, 通常是在交叉口过饱和条件下 (即交叉口各向均有排队时) 测得。
(2) 平均排队长度 (平均排队车辆数)
排队长度是指滞留于交叉口停车线后的车队长度。单个相位的排队长度出现于绿灯启亮的瞬间, 交叉口的平均排队长度是指在评价指定时间 T内, 各相位平均排队长度之和, 即
式中:
Ni—i相位平均排队车辆数;
l—车辆平均占用长度。
(3) 平均延误
延误是指由于道路与环境条件、交通干扰以及交通管理与控制设施等驾驶员无法控制的因素而引起的行程时间损失, 以秒/辆表示, 是反映了驾驶员不舒适、受阻、油料消耗和行驶时间损失的指标, 以评价期内所有车的平均延误来表达。可以现场测定, 也可以由一些方法估算。
(4) 事故总量指标
事故总量指标由事故次数、死亡人数、受伤人数、直接经济损失四项指标构成, 在我国的交通安全管理中沿用至今。这一绝对量指标能很好的反应平面交叉口交通事故的总体规模和危害程度, 在信号控制评价指标体系中, 控制前后的绝对量比值, 可以较好的衡量交叉口的安全改善程度。
(5) 交通冲突数
由于事故的稀有性和随机性, 用事故总量指标导致评价周期过长或导致评价结果不可靠。并且, 事故统计管理也对安全评价存在一定程度影响, 为了弥补事故总量指标的不足, 在评价体系中引入了交通冲突数这个指标。
交通冲突技术 (Traffic Conflict Technique) :它是国际交通安全领域新开发的非事故统计评价方法。利用交通冲突所具备的大样本、短周期、小区域、高信度的统计学优势, 用定量测定准事故 (事故苗头) 的方法代替传统事故统计方法, 实现小区域地点的快速评价。
3.2 评价方法
平面交叉口信号控制评价体系是一个多目标、多层次的结构, 在作一些简单、粗略的评价时, 可以采用关心的单项指标来进行, 以减少工作量, 在评价其总体运行质量时, 可以采用加权的方式来建立广义价值评价函数。
通过对上述评价指标的分析可以知道, 除交通事故总量指标外, 其余指标的绝对量价值标定是有意义的, 而交通事故总量指标的绝对量对单个交叉口的评价来讲, 并不具备多大意义, 并且无法用价值准确标定, 而它的相对变化量可以比较准确的反映交通事故的长期变化程度, 而且也可以用价值较为准确标定。所以, 在对交叉口信号控制运行评价时, 我们采用了多重的广义价值评价函数。即交叉口基本运行质量评价和交叉口对比运行质量评价。
交叉口基本运行质量评价的广义价值函数为:
V=∑pisi
式中:V—表示交叉口基本运行质量的总价值, V值越大, 运行质量越优;
pi—交叉口单项评价指标的权重, ∑pi=1;
si—单项评价指标对应的价值。
权重pi根据两方面的因素确定, 一是单项指标对交叉口总体运行质量的影响程度, 二是对单项指标的关心程度。单项评价指标的价值si可以参考国内外相关指标评价标准等级确定。
在交叉口基本运行质量评价中, 选取了除事故总量指标以外的所有指标, 即最大通行量、平均排队长度、平均延误和交通冲突数, 其中, 最大通行量用效率系数表示。
效率系数E=实际最大通行量/理想最大通行量
这几项指标可以较为准确的反映交叉口基本运行质量, 其指标对应的价值见表1。
表1指标的对应价值是根据目前常用的等级划分来确定的, 实际上, 指标的价值不可能恰好与某个等级的标准值相吻合, 而可能介于两个或多个等级之间, 这时, 指标对应的价值就需依靠交通工程师的经验来确定了。
交叉口基本运行价值评价可以较准确的评价交叉口的运行状态, 要较为准确的评价交叉口运行质量改善程度, 我们又建立了交叉口对比运行价值评价的函数。
D=ΔV+∑mini
式中:D—交叉口运行质量改善价值;
ΔV—交叉口基本运行改善价值;
∑mini—事故总量指标改善价值;
mi—四项指标改善相对的权重;
ni—四项指标改善相对值对应的价值。
交叉口的对比运行质量价值函数由两部分组成, ΔV越大, 表示交叉口改善程度越优, ∑mini越大, 表示交叉口改善后的事故越少。
上述评价方法在对信号控制交叉口进行评价时, 方法简单、可信度高, 具有较强的实用性。
4 结语
交通信号控制是ITS的核心研究课题之一, 对各种控制方法的评价也是仁者见仁, 智者见智, 但同时也是一个极具挑战性的研究课题之一, 值得我们在实际工作不停地探索和研究。
参考文献
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逻辑信号 篇7
现有的交叉路口的信号灯控制方法有固定配时控制、感应式控制和自适应控制。由于在城市交通系统中, 到达交叉路口的车辆具有随机性、复杂性的特点, 想要建立准确的数学模型来描述它很困难。在实际应用中固定配时控制与感应式控制的效果不能完全令人满意。以SCOOT为代表的自适应控制系统能够根据实时交通状况自适应的调整信号配时, 控制效果较好, 但其控制精度受下游停车线断面流量图式的预测精度的影响, 对我国复杂的交通形式没有起到很好的效果[1]。
模糊数学针对的研究对象通常是那些包含非定量信息的不确定性系统, 它能利用模糊集的概念将不确定信息定量的表示, 并以接近人的形象思维方式进行定性分析和推理[2]。因此模糊数学在解决交通系统问题上有很好的效果。
1 排队车辆检测及相位确定
图1为道路交叉口示意图。因为右转的车辆可随时通过, 不会对交通灯的控制产生影响, 所以右转的车流在控制中就可以不考虑。规定以下相位:
第1相位。南北左行。
第2相位。南北直行。
第3相位。东西左行。
第4相位。东西直行。
在公路的左转相位和直行相位对应的道路上安装1.8m×1.8m的单回路检测器, 放置在路口近端及距离路口近端100m处, 用以检测每个相位的排队车辆数[3]。每当路口近端的检测器检测到有车经过时, 表示该相位离去1辆车;每当距路口近端100m处的检测器检测到有车经过时, 表示该相位到来1辆车。则
式中:mi (t+1) 、di (t+1) 和li (t+1) 分别为t+1s内第i相位的排队车辆数、到达的车辆数和离去的车辆数。
由于南—北、北—南以及东—西、西—东方向的左转、直行交通灯的控制是一致的, 所以对于同一相位, 如南—北直行和北—南直行, 我们取排队车辆数较多的那一个相位的排队车辆数作为该相位的排队车辆数。
2 相位选择控制器与绿灯延时模糊控制器设计
2.1 相位选择控制器设计
2.1.1 相位选择控制器的输入、输出
设当前第i红灯相位的排队车辆数为ai (i=1, 2, 3或1, 2, 4或1, 3, 4或2, 3, 4) , 持续红灯时间为bi (i=1, 2, 3或1, 2, 4或1, 3, 4或2, 3, 4) 。所谓持续红灯时间表示, 该红灯相位由最近一次绿灯切换为红灯的时刻一直到此刻所经过的时间。设选择出的下一绿灯相位的相位数为c。
因为当前共有3个红灯相位, 要选择出一个下一绿灯相位, 所以相位选择控制器有6个输入, 即3个当前红灯相位的排队车辆数和持续红灯时间;有1个输出, 即选择的下一绿灯的相位数。
2.1.2 相位选择控制器的相位选取规则
对于给定的输入, 制定以下规则得到输出。
规则一:
规则二:
规则三:
规则四:
规则五:
于是根据检测到的当前各红灯相位的车辆数, 以及红灯相位的持续时间, 确定出下一绿灯相位。
2.2 绿灯延时模糊控制器设计
2.2.1 绿灯时长及延时时间上限
设绿灯时长包括最短时间t1和绿灯延时时间t2。因为司机能够接受的红灯等待时间上限为180s, 每一相位的最大绿灯时间为60s[4], 所以根据专家经验, t1一般取20s, t2∈[0, 40]s。会出现这样的极端情况:4个相位的排队车辆都很多, 但3、4相位的车辆数始终没有相位1、2的车辆数多。假设相位1、2的绿灯时间都为60s, 经过120s后, 3、4相位的司机持续等待红灯的时间为120s, 假设此时相位3、4的车辆数仍然比相位1、2的车辆数少, 若相位3此时切换绿灯相位, 时间为60s, 那么相位4的司机持续等待红灯的时间为180s, 达到司机持续等待红灯时间上限。所以每当切换相位前要先检测是否有红灯相位已持续等待120s, 若已等待120s, 则必须选择该相位作为下一绿灯相位[5]。
2.2.2 模糊控制器组成
模糊控制器是由以下几部分构成的, 见图2。
2.2.3 输入、输出及模糊化
模糊化接口的作用是将输入的变量转化为[0, 1]上的模糊量, 即要知道模糊集的论域, 隶属度函数和模糊集的数量。设当前绿灯相位排队的车辆数为m1, 下一绿灯相位排队的车辆数为m2。规定模糊化接口的输入变量m1和m2的取值范围为[0, 40], 将论域划分为11个等级, 即11个模糊论域{0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10}。它的量化因子K1=K2=0.25, 真实值m相对应的模糊论域值M=[m/4] ([x]表示不大于x的最大整数) 。M1、M2的模糊语言值选取{X1, X2, X3, X4, X5, X6, X7}, 分别代表很少、少、较少、中等、较多、多、很多。选取正态分布函数作为模糊子集的隶属函数, 见图3。
设绿灯延时时间为t, 规定输出变量t∈[0, 40]s, 将论域划分为11个模糊论域{0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10}。它的量化因子K=0.25。真实值t相对应的模糊论域值T=[t/4]。T的模糊语言值取值{Y1, Y2, Y3, Y4, Y5, Y6, Y7, Y8, Y9}, 分别代表极短、很短、短、较短、中等、较长、长、很长、极长。选取正态分布函数作为模糊子集的隶属函数, 见图4。
2.2.4 模糊控制的规则库
规则库是由描述模糊子集之间关系的控制规则构成, 是人们对该问题的经验和知识的反映。基于路口的实际情况, 控制规则有49条语句构成, 分别为
把这些控制规则制作成表, 见表1。
2.2.5 模糊推理与逆模糊化
模糊关系是由模糊规则表中的模糊语句决定的, 因此由模糊规则表可以看出输入与输出之间的模糊关系有49个, 采用Mamdani和max-min合成推理方法计算出Ri[i=1, 2, …, 49][6]。
以R1的计算为例。其中:[X1]1为输入M1的模糊子集, [X1]2为输入M2的模糊子集, Y1为输出T的模糊子集。
则模糊关系矩阵为
当输入变量m1、m2分别为模糊论域M1、M2时, 由模糊推理合成得到输出变量t的模糊论域:
最后用最大隶属度法对模糊论域T进行逆模糊化处理, 得出绿灯延时时间表, 见表2。
s
2.3 模糊控制算法
在现行的绿灯相位绿灯时长结束前3s, 根据相位选择控制器选择下一绿灯相位, 把现行绿灯相位的车辆数和下一绿灯相位的车辆数作为输入送入绿灯延时模糊控制器, 若输出的延时时间为0s, 则亮黄灯3s切换相位, 进入下一绿灯相位, 依次循环。若输出的延时时间大于0s, 则判断已经亮灯的绿灯时间加上延时的绿灯时间是否不小于60s, 若不小于60s, 则延时到60s时强制切换到下一绿灯相位, 在57s时亮黄灯3s。若已经亮灯的绿灯时间加上延时的绿灯时间小于60s, 则绿灯持续亮到延时时间结束[7]。同上在绿灯延时时间结束前3s, 根据相位选择控制器选择下一绿灯相位, 把现行绿灯相位的车辆数和下一绿灯相位的车辆数作为输入送入绿灯延时模糊控制器, 得出延时时间, 再检测延时时间是否满足要求, 依次循环。
3 排队车辆的平均延误模型
先计算红灯相位的延误时间, 假设第i相位切换到红灯时, 该相位在第t+1s末的延误时间为[8]
式中:yid (t+1) 为第i相位第t+1s越过距路口100m处检测器的车辆产生的延误时间。因此
mi (t) 为第i相位t s末的排队车辆数, di (t+1) 为t+1s越过距路口100m处检测器的车辆数。
计算绿灯相位的延误时间, 假设第i相位切换到绿灯时, 该相位在第t+1s末的延误时间为[8]
式中:yil (t+1) 为第t+1s越过路口检测器的车辆产生的延误时间。设离去率为s, 因此:
li (t+1) 为t+1s越过交通灯路口检测器的车辆数。
综上, 车辆的延误时间的总和为
因为总的车辆数为
因此, 路口的平均延误为
4 计算机仿真及结果分析
设计的智能交通灯模糊控制器以车辆在路口的平均延误时间为评价标准, 使用Matlab进行仿真。仿真程序流程图见图5。
由于在Matlab仿真环境下无法用传感器测量到达和离开的车辆数, 所以采用模拟产生车辆的方式对到达交叉路口的车辆数进行仿真:设到达交叉路口的车辆数服从参数为1的泊松分布, 车辆通过绿灯的速率即离去率s=2辆/s。相位切换和绿灯延时服从已经给出的智能交通灯模糊控制器。我们假设定相位定时交通灯的相位循环切换, 绿灯时间为30s, 设定仿真总时间为60min, 仿真10次, 得到的数据见表3。
s
由仿真结果可以看出, 采用相位选择及绿灯延时模糊控制器的智能交通灯的平均车辆延误时间为32.1s, 比定相位定时长的交通灯的延误时间37.9s小了5.8s, 证明了基于流量控制的模糊控制器的有效性。
5 结束语
本文设计了相位选择控制器和绿灯延时模糊控制器, 根据给出的车辆平均延误时间的数学模型, 利用Matlab进行仿真实验, 对比传统的定相位定时长控制器, 证明了交通灯的模糊控制器的有效性。
摘要：设计了一种单交叉口交通信号灯的模糊控制器, 它是根据排队车辆数的多少来控制交通的。针对城市交通中到达路口车辆的随机性特点, 以及目前交通灯采用的定相位定时长控制器的缺点, 引入了交通灯的相位选择控制器和绿灯延时模糊控制器。相位选择控制器根据当前各红灯相位车流量的大小, 以及持续红灯时间来选择下一绿灯相位;绿灯延时模糊控制器根据当前绿灯相位和下一绿灯相位的车流量大小决定绿灯延时时间。然后根据给出的排队车辆平均延误时间模型, 对所设计的模糊控制器进行验证。利用Matlab进行仿真得到结果显示, 在模糊控制器的控制下, 车辆的平均延误时间要比传统的定相位定时长控制器控制下的时间小5.8s, 证明了所设计的模糊控制器的有效性。
关键词：模糊控制,相位选择,绿灯延时,平均延误时间,Matlab仿真
参考文献
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