GPS高精度授时在交通干线协调控制系统中的应用

　　1 引言

　　经验表明[1]：在城市交通中，交通干线承担了大量的交通负荷，干线的交通畅通对改善城市交通状况往往具有很大作用。交通干线上的交通信号如果不进行协调控制往往会造成沿线行驶的车辆频繁停车，或浪费绿灯时间，引起交通拥挤。

　　干线信号协调控制实际上就是把干线上一批相邻交叉路口的交通信号进行协调配时，使得进入干线的车队按某一车速行驶时，能不遇或少遇红灯，从而形成绿波带。为了保持干线上路口间的相位差，要求每个路口信号机具有统一的时钟和统一的信号周期。因此，保持干线上每个路口信号机的时钟一致性成为协调控制的关键。GPS授时模块含有高精度时间信息，利用这一功能可以为干线上每个路口信号机校时。本文研制出内嵌GPS授时模块的交通信号控制机，并将其用于交通干线协调控制。

　　2 GPS授时系统

　　GPS授时模块采用HOLUX公司生产的GR-87接收模块和车载有源天线[2]，它采用最新的高性能SiRFstarIII芯片组。GR-87接收模块采用3.3-5.5VDC的宽电压供电方式，冷启动时间小于45秒，热启动时间8秒左右。输出数据格式为NEMA0183格式，信息更新时间为1s，TTL电平，波特率为4800bps，数据位8位，起始位1位，停止位1位，无校验位，数据更新时间每秒1次，时间脉冲输出1PPS，精度小于1μs。

　　GR-87模块接收卫星信号进行解码处理后，从串行通讯口输出时间信号，其格式采用美国国家海洋电子协会的NEMA0183　ASCⅡ码接口协议。除了串行输出数据外，GR-87提供了1PPS秒同步脉冲输出，脉冲前沿误差小于1μs，该信号用来作为秒时间的更新时刻点，使各交通信号控制器内的时间相差在ms级以内(由于单片机的速度所决定)，该时间精确度已经远远高于交通干线协调控制所要求的时间精度，可以满足本系统控制的需要。

　　由于实现定位需要三颗以上卫星信号，而时间信息只要接收到两颗以上就有效，因此在实际应用中，可以根据定位状态位是否是A(0x41)进行判断时间信息的有效与否。

　　3 交通干线协调控制原理

　　在交通干线协调控制中主要用到3个最基本的交通参数：周期、绿信比和相位差。在协调控制中，指定的参照交叉路口与协调路口相位的绿灯起始时间或结束时间之差称为相位差。相位差分为绝对相位差和相对相位差。绝对相位差是指当前路口与基准路口的绿灯起始时间之差，相对相位差是指相邻路口间的绿灯起始时间之差。

　　通过时距图对可以对相位差进行较详细的说明，如图1所示，设路口1为基准路口，相位差以绿灯起点时间通信论文发表计算，则路口2的绝对相位差是A2，路口3的绝对相位差是A3，路口4的绝对相位差是A4。显然，基准路口的绝对相位差是0。相对相位差则与基准路口无关，例如路口2相对路口1的相对相位差为O2-1，路口3相对路口2的相对相位差为O3-2，路口4相对路口3的相对相位差为O4-3。

　　它们之间有如下的关系：

　　A2=O2-1　　　　　　　 　　　　　　　　　 (1)

　　A3=A2+O3-2　　　　 　 　　　　　　　　   (2)

　　A4=A3+O4-3　　　　　　 　　　　　　　　 (3)

　　很明显，路口的绝对相位差等于前一个路口的绝对相位差加上这两个路口之间的相对相位差。也就是说，绝对相位差反映了路口与基准路口的绿灯起始时间之差，相对相位差反映了相邻路口之间绿灯起始时间之差。

　　图1　交通干线相位差时距图

　　4 内嵌GPS授时模块的交通信号控制器设计

　　4.1 硬件设计

　　交通信号控制器是安装于交叉路口，用来控制交通信号的设备。交通信号控制器主要由微处理器系统和GPS授时模块、输出模块、通讯模块、检测模块、人机界面模块、安全监控模块以及其他一些电路组成，是一个复杂的计算机系统。

　　交通信号控制器需要2-3个串行通讯接口，但一般单片机都只有一个串行通讯接口，这时就需要进行串行通讯接口的扩展了。ST16C2552芯片[3]是两通道的串行通讯接口扩展芯片，它内部带有16BYTE的FIFO，最高通讯速度1.5Mbit/s，两个通道独立控制，还有中断输出和DMA传送方式，适合进行通讯扩展。 [3]

　　4.2 软件设计

　　(1) 授时信息接收软件

　　授时信息接收软件主要是接收GPS模块传送的时间和日历信息，并校准交通信号控制器内的实时时钟的处理过程。

　　GPS模块在出厂时就可以设置每秒自动输出一条NAME0183格式的GPRMC语句[4]，因此上电无须对GPS模块进行初始化。交通信号控制器上电后初始化串行通讯口的格式为4800bps，8位数据位，1个起始位，1个停止位，无奇偶校验位。在接收到的信息中，分别找出其中的时间和日期数据，并根据接收的定位信息的有效位，如果该位数据为A(0x41)，则该次接收到的时间和日期数据是准确的，经过时区转换后可用来校准交通信号控制器内的实时时钟。北京位于第8时区，所以北京时间=GPS时间+8。

　　GPS模块一般设置为每秒输出GPRMC语句1次，因此可以很好地保证交通信号控制器内部的时钟与UTC时间同步。

　　(2) 线协调控制算法软件设计

　　在统一时钟的情况下，首先需要设置绝对相位差，然后根据绝对相位差的值临时调整过度周期值，如果绿灯需要迟启动，则临时增加周期时间，反之则临时减少周期时间，使控制器达到绝对相位差的要求(这就是所谓的“同步”)。

　　在实际应用中，临时增加或减少周期时间的处理过程是比较关键的，因为交通信号周期的变化幅度不能太大，选择增加周期时间或减少周期时间都能最终达到协调，但哪种方法是最优的，调整的时间如何分配到每个相位中，这些都需要结合路口的实际情况进行优化选择。

　　5 结束语

　　本文所开发的内嵌GPS授时模块的交通干线协调控制系统已在多个城市交通干线应用，例如广州市南沙港的进港大道、惠州市的麦地路和汕头市的金砂中路等等。在实际应用中，GR-87模块接收灵敏度较高，即使有较高建筑物遮挡也能正常接收到卫星信号，授时精确。应用结果表明：该系统操作简单，成本较低，可靠性高，校时准确，从而保证了交通信号协调的正确性;能有效减少主干线上车辆的停车次数和延误时间，效果明显，达到了设计目标。

　　参考文献：

　　[1] 刘智勇. 《智能交通控制理论及其应用》. 北京:北京科学出版社，2003

　　[2] 广州鑫图科技有限公司研发部. GR-87 serials GPS接收模块使用说明. 广州鑫图科技有限公司，2006

　　[3] PHILIPS CO,LTD. SC16C2552 Dual UART with 16-byte transmit and receive FIFOs, Rev.01-10 September 2002，PHILIPS CO,LTD.。

　　[4] 李华等. 《MCS-51系列单片机实用接口技术》. 北京:北京航空航天大学出版社，1993