城市交通信号控制系统原理及实现

本书全面、系统地介绍了城市交通控制系统的设计及实现方法，包括城市交通信号控制系统概述、控制系统实验平台开发环境、交通信号控制理论基础、固定配时信号控制器程序设计、感应信号控制原理及程序设计、信号控制系统数据库设计、信号控制系统通信设计以及信号控制系统管理平台设计等内容。
本书可作普通高等院校交通设备与控制工程、交通运输工程、交通工程、智慧交通及自动化等专业本科生和研究生的教材，也可作从事相关工作的工程技术人员和科研人员的参考书。

★重点介绍了城市交通信号控制系统相关的理论知识、模型算法、技术工具以及实现案例； ★主要内容包括现场控制系统、数据库系统、通信系统、中心系统等； ★配套图书有《城市交通信号控制系统实验教程》； ★本书可作交通设备与控制工程、交通运输工程、交通工程、智慧交通及自动化等专业的教材，也可作从事相关工作的工程技术人员和科研人员的参考书。

交通信号控制是定义道路通行权分配的重要工具。自交通信号控制出现以来，其由传统固定配时信号控制到感应式信号控制，再到车路协同环境下的交通感知与控制，完成了从宏观到微观、从路权粗放式管理到道路资源全时空精细化分配的进阶。
本书面向交通设备与控制工程、交通运输工程、交通工程、智慧交通及自动化等专业本科生和研究生，以及从事交通控制相关工作的技术及管理人员，重点介绍了与城市交通控制系统相关的理论知识、模型算法、技术工具以及实现案例，包括现场控制系统、数据库系统、通信系统、中心系统等主要内容。本书配套了城市交通控制系统开发平台及实验教程，读者可参阅辅助使用。
本书共分为8 章，由浅入深、理论联系实际地对城市交通控制系统相关基础知识及技术实现进行了介绍和阐述：第1 章介绍了城市交通控制发展历程和趋势，并对典型交通控制系统进行了说明；第2 章介绍了该教材配套实验平台的基础研发环境；第3 章对交通信号控制理论进行了讲解，包括固定配时信号控制、感应信号控制和干线协调控制等常见控制模式；第4 章和第5 章分别讲解了固定配时信号控制、感应信号控制的算法需求分析、控制器程序设计、实现和优化；第6 章介绍了数据库系统基础知识和数据库设计常用方法，并结合两类典型数据需求阐述了控制系统数据库设计及实现过程；第7 章介绍了计算机网络基础知识和socket 编程接口，并结合控制器通信需求特点，讲解了控制系统通信协议设计和通信程序设计及实现方法；第8 章介绍了信号控制系统管理平台的业务需求、系统框架以及功能结构，并通过典型平台界面进行展示。期望读者通过学习本书内容，能够掌握城市交通控制系统的基础概念、关键技术及实现方法。
在本书的编写过程中，清华大学李力教授为第1 章城市交通信号控制系统概论提供了无私帮助，特此感谢！胡钰琴、袁倩、刘福裕等在资料收集、文字及文献整理、图表绘制等方面做了大量工作，在此向他们的辛勤、无私付出表示感谢！此外，书中参阅了国内外学术论文、技术手册、MOOC 等文献资料，在此对各文献作者一并致谢！
本书涉及内容较多，由于编者水平所限，书中难免存在不足之处，欢迎广大读者批评指正。

编 者

第1 章 城市交通信号控制系统概论 1
1.1 城市交通控制发展历程1
1.2 典型交通控制系统5
1.2.1 英国SCOOT 系统 5
1.2.2 美国ACTRA 系统 8
1.2.3 澳大利亚SCATS 9
1.2.4 典型系统结构及功能10
1.3 交通信号控制发展趋势 15

第2 章 控制系统实验平台开发环境 18
2.1 Linux 操作系统基础 19
2.1.1 Linux 系统登录方式19
2.1.2 Linux 系统目录结构20
2.1.3 Linux 系统常用基本命令21
2.2 C 语言程序设计基础 21
2.2.1 编译与链接21
2.2.2 C 程序构成23
2.2.3 数据结构23
2.2.4 输入与输出24
2.2.5 基本结构24
2.2.6 函数及形参实参25
2.2.7 程序的调试27
2.3 MySQL 数据库基础 27
2.3.1 MySQL 数据库常见指令27
2.3.2 MySQL 数据库管理软件 28
2.3.3 MySQL 数据库C 语言接口 29
2.4 实验平台库函数29

第3 章 交通信号控制理论基础 31
3.1 信号控制基础31
3.1.1 信号控制的设置依据 32
3.1.2 信号控制类别 32
3.1.3 信号控制基本概念 33
3.2 固定配时信号控制原理36
3.2.1 周期计算 36
3.2.2 绿灯时间计算 36
3.3 感应信号控制原理39
3.4 干线协调控制原理42

第4 章 固定配时信号控制器程序设计 47
4.1 固定配时信号控制器需求分析47
4.1.1 控制器输入 48
4.1.2 控制器输出 48
4.2 固定配时信号控制器程序设计49
4.2.1 主流程设计 49
4.2.2 子流程设计 50
4.3 固定配时信号控制器程序优化52
4.3.1 方案结构可变 52
4.3.2 过渡灯态执行 54
4.3.3 输出函数封装 54
4.3.4 特殊常量处理 56
4.3.5 配时方案输入 57
4.4 固定配时信号倒计时算法及程序设计58
4.4.1 绿灯倒计时程序设计 59
4.4.2 全灯态倒计时程序框架 63
4.4.3 全灯态倒计时计算方法 66
4.4.4 全灯态倒计时程序设计 67

第5 章 感应信号控制原理及程序设计69
5.1 感应控制器需求分析69
5.1.1 控制器输入 69
5.1.2 控制器输出 70
5.2 车辆检测算法原理及设计70
5.2.1 检测器类型及特点 71
5.2.2 多线程独立检测72
5.2.3 车辆检测原理及设计73
5.3 全感应信号控制算法及设计 75
5.3.1 全感应控制程序框架76
5.3.2 绿灯时长算法设计76
5.3.3 全感应控制程序设计77
5.4 半感应信号控制算法及设计 79
5.4.1 主路半感应控制程序设计79
5.4.2 支路半感应控制程序设计80

第6 章 信号控制系统数据库设计 82
6.1 数据库系统概述 82
6.1.1 什么是数据库系统82
6.1.2 关系数据模型84
6.1.3 数据库设计步骤85
6.1.4 概念数据库设计87
6.1.5 逻辑数据库设计90
6.2 控制方案数据库设计 93
6.2.1 需求分析93
6.2.2 概念数据库设计94
6.2.3 逻辑数据库设计96
6.3 控制方案程序设计 98
6.3.1 控制器主流程设计98
6.3.2 数据库连接和查询流程设计99
6.3.3 数据解析和输出流程设计99
6.4 时间表/调度表控制器设计及实现102
6.4.1 需求分析 102
6.4.2 数据库设计 103
6.4.3 C 语言时间头文件 104
6.4.4 控制器程序设计 105

第7 章 信号控制系统通信设计107
7.1 计算机网络基础107
7.1.1 计算机网络体系结构 108
7.1.2 常用通信协议 112
7.1.3 TCP/IP 网络模型 113
7.2 socket 接口基础114
7.2.1 socket 常用函数 115
7.2.2 socket 调用流程 117
7.3 信号控制器应用层通信协议设计122
7.3.1 通信协议架构设计122
7.3.2 通信协议内容设计124
7.4 信号控制器通信程序设计 128
7.4.1 数据封装及发送129
7.4.2 数据接收及解析134

第8 章 信号控制系统管理平台设计 140
8.1 系统管理模块 141
8.2 配置模块 141
8.2.1 基础信息配置141
8.2.2 控制信息配置145
8.2.3 辅助参数配置148
8.3 监控模块 150
8.3.1 空间监控150
8.3.2 机柜监控150
8.4 数据查询模块 151
8.4.1 管理日志151
8.4.2 运行状态151
8.4.3 交通数据151

参考文献 152