GPS精确授时技术在交通红绿灯绿波带控制系统的应用     DATE: 2017-05-16 10:04

由于我国城市发展水平差异较大,许多城市不具备在路口实现光纤、宽带或其他专用通信网络组网的条件,不能实施区域控制。在这种情况下,许多城市都在提倡干道协调控制,以提高干道通行能力,保证城市主要交通干道的协调控制是最实际、最经济的办法。

干线协调控制又常称为“绿波信号控制”,实现“绿波信号控制”通常有两种方法:一种是有线方式实现联动,另一种采用无线的方式实现同步。传统的无电缆协调控制是使用在路口机中嵌入高精度时钟芯片,但是受精度限制,误差非常大,常常是一年会达到10min左右,而无电缆协调控制的精度要求常在8s以内,因此系统很快丧失协调控制的作用。文中介绍一种利用GPS精确授时技术在城市干线实现快速、双向无电缆协调控制的方法。

1.GPS精确授时技术与时间同步
在路口控制系统中嵌入GPS高精度授时模块,能够实现干线路口问时间基准的高精度同步。GPS具有从卫星获取实时定位信息,同时这种定位信息中含有时间数据。定位信号从卫星至接收机的传播时间中包含了卫星和接收机的钟差。卫星本身有钟差,可以通过GPS广播星历求出,而接收机的钟差则可以在定位解算中求出。由于单点绝对定位至少要同时观测4颗卫星,获得4个伪距方程才能完成定位解码。在定位的同时定时,所求得的接收机钟差是相对GPS标准时间的偏差,其精度优于30ns。需要注意的是,GPS时间应该根据实际需要转换为本地时间或协调时间时(UTC)。对于数字通信、有线电视网络、电力系统等涉及时间信息的行业,也可以选择使用方便、廉价的GPS OEM板。它有两个输出端口,一个是每秒输出一个脉冲的1pps秒脉冲端口,另一个是输出GPS电文信息的RS232接口。GPS OEM板在接收到的带有有效时间信息的卫星电文后,输出的秒脉冲信号与GPS时问的同步误差在50 ns内,与世界协调时(UTC)的同步误差在1us内。将其应用到需要精密授时的系统中,可以得到精度较高的时间同步系统。

2.基于GPS精确授时技术的干线无电缆协调控制
(1)系统方案
基于GPS精确授时技术的干线无电缆协调控制采用:在各个路口控制系统中嵌入GPS模块;根据各个路口的交通流特点计算出周期(cycle time)和绿信比(split)参数,再以协调路口中周期最长的路口周期为干线协调路口的公共周期,利用MAXBAND算法计算出各个路口的相位差(offset)参数;将配时方案和相位差数据输入到各个路口控制系统;实现路口的高精度协调控制。上述方案在中心最新研制的CITS城市交通智能监控系统干线控制模式中得到应用,CITS的路口控制系统FMT810A采用多处理器完成路口的控制,其中信号控制MCU采用了TI公司近年推出的16位混合信号微控制器MSP430F135芯片。
系统干线协调控制算法包括两个方面:干线无线同步软件算法、干线配时相位差算法。干线无线同步软件算法主要包括自校时、最优相位切入等算法,用来确保处在干线协调中的路口在各种情况下快速、准确的实现同步。

(2)干线无线同步软件算法
1)信号定时误差
信号灯定时指的是MCU根据步长做出的定时,它是系统中最重要的定时。采用干线无电缆协调控制对定时精度依赖较大,如果干线上路口的协调相位的相位差发生变化,会严重影响干线交通流,容易引起紊乱。通常步长定时范围在1 s~128 s。为了实现步长的定时,FMT8IOA采用MSP430F135的低速晶振做计数源,利用MCU内部的定时器实现信号灯的定时。
2)步长定时误差的消除
FMT810A采用的方法是连续计数、循环累积比较,消除了步长定时误差e。在MSP430内部定时器可以有4种工作模式:停止、增计数模式、连续和增/减计数模式。为了消除累积误差,让定时器工作在连续计数模式(如图1所示),同时使用一个捕获比较寄存器工作在比较模式,采用循环累积计数的方法消除了定时累积误差,信号定时误差只取决于晶振误差,实现了高精度的信号定时。
3)平滑自校时
循环累积计数的方法消除了定时累积误差,但是系统的信号定时误差还受到晶体振荡器精度而导致的晶体振荡误差e的影响。虽然系统里采用了±5ppm精度的晶体,然而如果不采取定期的校正,1年的累积误差仍然很大。

为了克服晶体精度带来的累积误差,FMT810A系统采用24h平滑自校时的方法,将晶体精度带来的累积误差控制在t=86 400s。根据1d中的车流特点,平滑自校时算法发生在凌晨零点,因为这个时间点车流较小,有些城市甚至在这个时间段实施关闭信号灯。在零点执行平滑自校时算法带来的对交通流负面影响可以减小到最小。平滑自校时实现的思路是:在步长定时到零点时,读取系统时间,判断系统时间。如果系统时间没有到达零点,则保持当前信号相位直到零点,执行新的信号相位;如果系统时间过零点,则使用最小相位切入的方法,执行新的相位。可见,平滑自校时算法没有明显的信号切换过渡期,且以最优的方式切入到新的相位执行。

(3)最优相位切入指标
控制切入是指任何需要在配时方案中寻找当前或即将要执行的信号控制状态的时机,并在合适的时机执行方案,使系统进入正常的多时段控制或与多个路口协调控制。控制切入根据切人的级别,通常有时段级切入、周期级切人和相位级切入。时段级切入指系统搜索方案时根据当前所处的时段直接执行本时段开始方案,周期级切人指系统在合适的时间从完整周期开始执行,而相位级切入指系统能够在合适的时机在特定的周期特定的完整相位执行控制方案。最优相位切入指的是系统能够从不完整的相位切入到控制方案,最优相位切入是控制切入最快的途径。图2显示了4种控制切入的方法,CITS能够做到最优相位切入。

最优相位切人算法能够保证系统以最短的时间、平滑过渡到完整步长的相位或剩余步长大于最小剩余步长的不完整步长的相位中去。最优相位切人指标是多时段控制与干线无电缆协调控制方案切入的最重要指标。FMT810A拥有非常灵活、非常高效的最优相位切入算法,能够保证最优的切入指标。

3.结语
利用成本低廉的GPS OEM模块嵌入到路口控制系统中,使得干线具有精确的时间基准,配合干线无线同步软件算法和干线配时相位差算法可以实现高精度、高稳定、快速双向“绿波带”控制。CITS系统采用干线协调控制模式的实际工程应用表明,这种控制方法尤其适合在不具备路口组网条件的中小城市使用,其成本低、配置灵活、控制精度高且能够显著改善城市干线的交通流控制效果。