自适应智能交通疏导系统设计毕业论文
2021-05-06 01:05
摘 要
本文针对目前的城市交通拥堵情况以及道路交叉口控制问题设计了自适应智能交通疏导系统，旨在提升当前交叉路口的通行能力，降低拥挤发生的可能性。提出了基于NIOS II的自适应交通控制系统硬件构成和设计方法，分析了系统工作流程以及软件设计方法，并建立了基于遗传算法的城市交通信号优化模型，在Altera公司的Cyclone V系列FPGA芯片上完成了算法仿真，以及NIOS II软核系统的搭建，实现了整个系统的功能。并将使用该系统控制前后的数据作对比，对于实际城市交通信号的控制具有重要的指导意义。整个设计流程在Altera的Quartus II 14.1集成环境下完成。
本文主要研究了城市交通控制的基本理论、遗传算法在城市交通信号控制中的应用、基于FPGA的遗传算法仿真、基于NIOS II的SOPC设计方法以及自适应交通控制系统的设计与实现。并进一步完成了整个系统的软硬件设计研究，制作了相应实物进行测试。
研究结果表明了设计的自适应智能交通疏导系统能满足预期的设计目标。
本文的特色：本次设计基于多个交叉口协调控制，相比单点的自适应控制，对于提高城市交通路口的通行率、缓解交通拥堵有着更大的实际意义。同时在控制区域边界还增加了显示拥堵状况的指示屏，使系统具备一定的疏导功能，避免拥堵情况加重。
关键词：智能交通；遗传算法；FPGA；NIOS II；协调控制
Abstract
In this paper, due to the current urban traffic congestion and road intersection ,an adaptive intelligent traffic control system is designed to enhance the capacity of the current intersections, reducing the likelihood of occurrence of congestion.Caming up with an adaptive traffic control system hardware configuration and design method based on NIOS II.Analyzing workflow and software design methods of system , and the establishment of urban traffic signal optimization model based on genetic algorithms.We completed the build algorithm simulation, and NIOS II soft-core systems on Altera's Cyclone V FPGA chip series, realized the function of the entire system.And comparing the data before and after using the control system ,it has important guid-
-ing significance for the actual urban traffic signal controlling. Throughout the design process is completed in Altera's Quartus II 14.1 integrated environment.
This paper studies the basic theory of urban traffic control, genetic algorithm in urban traffic signal control, based on genetic algorithm FPGA simulation, design and realization of SOPC based on NIOS II and adaptive traffic control system.And further studies to complete the hard-
-ware and software design of the system to produce the corresponding physical testing.
The results show that the adaptive intelligent traffic control system designed to meet the ex-
-pected design goals.
Features of this article:The design is based on a plurality of intersections coordinated control, adaptive control as compared to a single point for improving the traffic rate of urban traffic inter-
-section to ease traffic congestion has more practical significance.While in the control zone bou-
-ndary also increases the congestion indication display screen, the system has a certain function of the ease and avoid congestion worse.
Key Words：Smart Transportation；GA；FPGA；NIOS II；Coordinated Control
目 录
第1章 绪论 1
1.1 论文研究背景 1
1.2 国内外研究现状 1
1.3 论文研究目的及意义 3
1.4 研究主要内容与基本方案 3
1.4.1 研究主要内容 3
1.4.2 基本的实现方案 4
1.5 小结 4
第2章 自适应交通控制系统的设计 5
2.1 交通信号控制基本理论 5
2.2 数据采集模块设计 6
2.3 网络通信平台设计 7
2.3.1 TCP/IP通信方式 7
2.3.2 系统组件 7
2.4 交通信号灯控制模块的设计 8
2.5 小结 10
第3章 交通信号的遗传算法优化 12
3.1 几种典型交通信号优化算法简介 12
3.2 遗传算法（GA）理论介绍 12
3.3 一般遗传算法的运用步骤 13
3.4 遗传策略和遗传参数简析 14
3.4.1 选择编码方式 14
3.4.2 设定适应度函数 15
3.4.3 基本操作算子 15
3.4.4 遗传参数的选取 15
3.5 基于遗传算法的道路交通信号优化分析 16
3.6 小结 16
第4章 遗传算法基本操作的FPGA仿真 17
4.1 设计所用FPGA芯片简介及其开发环境 17
4.1.1 设计所用FPGA芯片简介 17
4.1.2 FPGA开发环境 17
4.2 硬件描述语言Verilog HDL简介 18
4.3 FPGA设计流程 18
4.4 遗传算法基本操作仿真分析 19
4.4.1 选择操作的仿真 19
4.4.2 交叉操作的仿真 19
4.4.3 变异操作的仿真 20
4.5 小结 21
第5章 基于Nios II的交通信号控制系统 22
5.1 Nios II的SOPC设计 22
5.1.1 概述 22
5.1.2 Nios II CPU简介 22
5.1.3 Nios II的开发环境 23
5.2 控制系统硬件设计 23
5.2.1 用Qsys设计硬件系统 23
5.2.2 生成系统映像 25
5.3 控制系统的软件设计 28
5.3.1 Nios II软件设计流程 28
5.3.2 Nios II编程理论——访问外设 28
5.3.3 控制系统软件编程 29
5.4 搭载系统的开发板简介 31
5.5 系统运行结果 32
5.6 小结 37
第6章 总结与展望 38
6.1 对本次设计的总结 38
6.2 对设计工作的展望 38
参考文献 39
致谢 40
附录A 41
第1章 绪论
1.1 论文研究背景
2015年我国增加的汽车约达2385万辆，净增1781万辆，全部为有史以来最高水平，近五年汽车占机动车比率从47.06%提高到61.82%。机动车辆的持续增加也带来了像交通拥堵这样的“城市病”。在影响投资吸引力的原因中，交通占比达27%，其重要性可见一斑。Intelligence Unit等机构的最新数据显示出在城市发展的过程中，交通运输的效率有很大的重要性。统计资料显示，德国因为交通拥堵等问题每年损失约1000亿欧元。在中国的某个特大城市，因交通拥堵，每个人平均在一天里浪费的时间多达66分钟，因此损失的收入高达3万元人民币，每年浪费超过价值200亿元的燃油。与此同时，交通拥堵还会带来大气污染等环境问题。
造成交通拥堵的原因主要有两个方面：一个是在交通的需求量上面；另一个是由于目前对于道路的管理不完善，没有明确的管理方案，管理效果达不到预期目标，反而造成甚至加剧了交通拥挤[1]。目前，解决城市交通问题常用的有两个方法：1.加大供应量，即大力发展和建设道路交通基础设施，满足交通需求的增长；2.通过出台一些行政政策抑制交通需求的过饱和增长，具体对策有单双号限行、拥堵收费、公交优先等[2]。
