以車流量為核心的智能交通燈自動(dòng)控制系統(tǒng)

1、引言

汽車數(shù)量越來越多，而傳統(tǒng)的交通信號(hào)燈控制模式采用的是定時(shí)控制，由于車流量是隨時(shí)變化的，當(dāng)此時(shí)沒有車通過，而相對(duì)的車要等到此方向的綠燈結(jié)束顯示紅燈才能通過，在時(shí)間和空間方面的應(yīng)變性能較差，這樣不僅浪費(fèi)了時(shí)間，還使得相對(duì)方向的車輛造成“堵車”現(xiàn)象。為克服這種少車路口綠燈時(shí)無車通行或多車路口綠燈通行時(shí)間短而堵車等資源浪費(fèi)的現(xiàn)象，出現(xiàn)了智能交通燈控制系統(tǒng)。

目前的智能交通燈控制系統(tǒng)有以紅外感應(yīng)車流量的、有桉預(yù)定時(shí)間段改變通行時(shí)間的、有以電視監(jiān)控信息來干預(yù)的等多種方法與手段，各有特點(diǎn)。本設(shè)計(jì)是一個(gè)以車流量為核心的智能交通燈自動(dòng)控制系統(tǒng)，通過使用地感線圈檢測(cè)車流量，實(shí)現(xiàn)了十字路口交通燈的智能控制。隨著數(shù)字化城市建設(shè)的進(jìn)程，對(duì)城市交通的要求不僅是智能化，而是網(wǎng)絡(luò)化、信息化。

2、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)主控制器選用西門子的S7-300系列PLC，車流量檢測(cè)裝置采用基于電磁感應(yīng)原理的地感線圈，系統(tǒng)由PLC控制器、信號(hào)檢測(cè)裝置、信號(hào)轉(zhuǎn)換裝置、緊急按鈕、十字路口交通燈組和以太網(wǎng)接口等幾部分組成，如圖1所示。

每個(gè)路口的各個(gè)車道均安裝地感線圈，當(dāng)?shù)馗芯€圈感應(yīng)到車量通過的信號(hào)后，該信號(hào)通過信號(hào)轉(zhuǎn)換裝置轉(zhuǎn)換為0~10V的標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)輸入到PLC，PLC控制系統(tǒng)通過判斷該信號(hào)的狀態(tài)，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理和計(jì)算得到各路口實(shí)際車流量的數(shù)據(jù)，自動(dòng)控制系統(tǒng)根據(jù)各個(gè)路口的實(shí)際車流量自動(dòng)調(diào)節(jié)其所在路口的信號(hào)燈的通行狀態(tài)。同時(shí)，系統(tǒng)在各個(gè)人行路口設(shè)置了緊急按鈕，按動(dòng)此按鈕也會(huì)起到干預(yù)路口交通信號(hào)燈狀態(tài)的作用。該系統(tǒng)所設(shè)置的以太網(wǎng)接口，為實(shí)現(xiàn)多個(gè)路口之間的交通燈的聯(lián)鎖控制、交通燈的遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)監(jiān)控和交通系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化、信息化管理奠定了基礎(chǔ)。

圖1 ? 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)選用的西門子S7-300系列PLC主要包括，CPU314IFM模塊1個(gè)、SM332開關(guān)量模塊1個(gè)、SM334模擬量模塊1個(gè)，電源模塊1個(gè)、通信模塊1個(gè)。該P(yáng)LC為24V供電，系統(tǒng)共有36點(diǎn)開關(guān)量輸入信號(hào)、32點(diǎn)開關(guān)量輸出信號(hào)、6路模擬量輸入信號(hào)、4路模擬量輸出信號(hào)的容量，滿足了一個(gè)3~4車道的十字路口交通燈的控制要求。

系統(tǒng)控制的是一個(gè)實(shí)際的普通十字路口交通燈，由主干道和支干道組成，每個(gè)方向都有三個(gè)車道，即直行車道、左轉(zhuǎn)彎車道和右轉(zhuǎn)彎車道;每個(gè)路口均設(shè)有紅、黃、綠色直行和綠色轉(zhuǎn)彎方向燈。

3、車流量檢測(cè)

3.1、地感線圈

地感線圈是本智能交通自控系統(tǒng)中的最主要的檢測(cè)元件，主要由埋設(shè)在地表面下的線圈和信號(hào)提取與輸出裝置構(gòu)成。地感線圈的技術(shù)規(guī)格由車道的大小和埋設(shè)的深度決定，地感線圈主要由內(nèi)徑，外徑，線徑和匝數(shù)四大因素組成，一旦這四大因素確定，線圈的規(guī)格型號(hào)即可確定。

地感線圈工作在最佳狀態(tài)下，線圈的電感量應(yīng)保持在100uH-300uH之間，在線圈電感不變的情況下，線圈的匝數(shù)與周長(zhǎng)有關(guān)系，周長(zhǎng)越小、匝數(shù)就越多，線圈匝數(shù)參考表1。

表1 ?線圈匝數(shù)參考表

由于道路下可能埋設(shè)有各種電纜管線、鋼筋、下水道蓋等金屬物質(zhì)，這些都會(huì)對(duì)線圈的實(shí)際電感值產(chǎn)生很大影響，在實(shí)際施工時(shí)應(yīng)使用電感測(cè)試儀實(shí)際測(cè)試地感線圈的電感值來確定施工的實(shí)際匝數(shù)，只要保證線圈的最終電感值在合理的工作范圍之內(nèi)（如在100uH-300uH之間），否則，應(yīng)對(duì)線圈的匝數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

在理想狀況下（不考慮一切環(huán)境因素的影響），地感線圈只考慮面積的大?。ɑ蛑荛L(zhǎng)）和匝數(shù)，可以不考慮導(dǎo)線的材質(zhì)。但在實(shí)際工程中，必須考慮導(dǎo)線的機(jī)械強(qiáng)度和高低溫抗老化問題，在某些環(huán)境惡劣的地方還必須考慮耐酸堿腐蝕問題。在實(shí)際的工程中，建議采用0.1cm以上鐵氟龍高溫多股軟導(dǎo)線。

以一個(gè)60X60cm的模擬十字路口交通模型為例，根據(jù)實(shí)際十字路口的尺寸按比例縮放，得到的車道大小約為3cm。設(shè)計(jì)時(shí)選擇的線圈內(nèi)徑為1.8*2.3cm、外徑為2.0*2.5cm、線徑為0.05cm、扎數(shù)為180n。

3.2、信號(hào)轉(zhuǎn)換裝置

地感線圈的工作原理基于振蕩電路原理，信號(hào)轉(zhuǎn)換裝置是由一種基于電磁感應(yīng)原理的信號(hào)轉(zhuǎn)換線路構(gòu)成，該轉(zhuǎn)換電路主要由兩只三極管組成共射極振蕩器和地感線圈（電感元件）、電阻、電容等元件組成的耦合振蕩電路組成，信號(hào)轉(zhuǎn)換裝置的電路原理如圖2所示。

圖2 ?信號(hào)轉(zhuǎn)換裝置電路原理圖

Ul和U2組成共射極振蕩器，電阻R3是兩只三極管的公共射極電阻，并構(gòu)成正反饋，地感線圈T作為檢測(cè)器諧振電路中的一個(gè)電感元件，與振蕩回路一起形成LC諧振。當(dāng)有大的金屬物（汽車）通過時(shí)，由于空間介質(zhì)發(fā)生變化引起了振蕩頻率的變化（有金屬物體時(shí)振蕩頻率升高），將會(huì)使線圈中單位電流產(chǎn)生的磁通量增加，從而導(dǎo)致線圈電感值發(fā)生微小變化，進(jìn)而改變LC諧振的頻率，這個(gè)頻率的變化就作為有汽車經(jīng)過地感線圈的路面時(shí)的輸入信號(hào)，再將此信號(hào)通過由R7和C3組成的LC濾波電路，輸出穩(wěn)定的直流電壓，此電壓即可輸入到PLC系統(tǒng)。

3.3、地感線圈的埋設(shè)方法

以十字路口中一個(gè)方向的道路為例，考慮到右行通道車輛可以直接通過，只在直行通道和左行通道上埋設(shè)地感線圈。在每個(gè)通道上均埋設(shè)了兩個(gè)地感線圈，具體埋設(shè)位置參考圖3。前一個(gè)緊挨停車線，檢測(cè)駛離該車道的車量數(shù);后一個(gè)埋設(shè)在距停車線5~10cm處，一般考慮埋設(shè)在預(yù)計(jì)可正常停車數(shù)量所占位置的1~2倍處，檢測(cè)駛?cè)朐撥嚨赖能嚵繑?shù);二者之差，既是該車道還存在的車輛數(shù)，也是等待通行的車輛數(shù)，此數(shù)據(jù)也是控制該路口交通燈狀態(tài)的依據(jù)。

圖3 ? 地感線圈埋設(shè)平面位置圖

地感線圈埋設(shè)首先要用切路機(jī)在路面上切出槽來，在四個(gè)角上進(jìn)行450倒角處理，防止尖角破壞線圈電纜;切槽寬度一般為0.4~0.8cm，深度3~5cm，同時(shí)還要為線圈引線切一條通到路邊的槽，將雙絞好的輸出引線通過引出線槽引出。地感線圈埋設(shè)是在車道路面鋪設(shè)完成后或鋪設(shè)路面的同時(shí)進(jìn)行的，在線圈埋好以后，為了加強(qiáng)保護(hù)，用瀝青或軟性樹脂將切槽封上。

線圈安裝時(shí)，應(yīng)該盡量避免焊接點(diǎn)，萬不得已則必須良好接觸并做好絕緣;為避免電磁干擾，饋線使用屏蔽電纜，屏蔽電纜的屏蔽線在信號(hào)轉(zhuǎn)換器端良好接地;使用雙絞線，防止兩個(gè)相鄰線圈的饋線或與電源220v之間的相互干擾。

4、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的輸入輸出信號(hào)及其I/O地址分配如表2所示。

表2 ? ?I/O分配表

系統(tǒng)的主控制程序設(shè)計(jì)成功能模塊式，由正常運(yùn)行模塊、車流量信號(hào)智能處理模塊、緊急按鈕動(dòng)作模塊組成。

正常運(yùn)行模塊：正常情況下各個(gè)路口的各個(gè)時(shí)間段的車流量基本相等，各個(gè)信號(hào)燈按照程序所設(shè)定的固定時(shí)間運(yùn)行;當(dāng)某路口的車流量發(fā)生變化，檢測(cè)到路口存在的車輛數(shù)達(dá)到設(shè)定值時(shí)，自動(dòng)調(diào)用車流量信號(hào)智能處理子程序;當(dāng)某個(gè)路口發(fā)生緊急事件，人要緊急通過時(shí)，按下該路口的緊急按鈕，程序自動(dòng)調(diào)用緊急按鈕信號(hào)子程序;執(zhí)行完子程序后，主程序自動(dòng)返回繼續(xù)檢索各種運(yùn)行條件與參數(shù)的狀態(tài)，程序控制框圖如圖4。

圖4 ?正常運(yùn)行模塊程序框圖

車流量信號(hào)智能處理模塊：以一個(gè)方向?yàn)槔?，時(shí)序控制如圖5所示。

圖5 ?時(shí)序圖

當(dāng)該車道的綠燈已經(jīng)亮了20S，仍沒有檢測(cè)到有車輛通過時(shí)：表示無車輛等待通過，若其它三個(gè)路口也無車，則維持原正常通行時(shí)間;若其它三個(gè)路口只要有一個(gè)路口有車，則立即結(jié)束該路口的綠燈通行時(shí)間，給有車的路口“讓道”。

當(dāng)該車道的綠燈已經(jīng)亮了40S，檢測(cè)到有車輛“累積”在此車道上：表示有車輛等待通過，則要根據(jù)實(shí)際的車輛數(shù)決定是按正常的通行時(shí)間控制，還是延遲通行時(shí)間，車輛越多延遲時(shí)間越長(zhǎng);同時(shí)考慮其它路口等待的車輛狀態(tài)，是適當(dāng)延時(shí)、還是無限延時(shí)。延遲時(shí)間段的劃分?jǐn)?shù)量及其具體延遲時(shí)間根據(jù)各實(shí)際路口的狀態(tài)進(jìn)行設(shè)定。

程序根據(jù)在不同的時(shí)間段檢測(cè)的各車道的實(shí)際車流量數(shù)，決定通行時(shí)間的長(zhǎng)短;也就是根據(jù)各路口的實(shí)際車流量，智能地處理各路口的通行時(shí)間。

緊急按鈕動(dòng)作模塊：系統(tǒng)在人行道上安裝了緊急按鈕，具有優(yōu)先權(quán)，如在人行道上發(fā)生了突發(fā)事件，只要按一下該方向的緊急按鈕，5秒鐘后此通道及可通行;緊急事故通過后，又恢復(fù)到正常的狀態(tài)。

5、系統(tǒng)功能

智能化，根據(jù)各路口車流量的大小自動(dòng)調(diào)節(jié)各路口信號(hào)燈的通行時(shí)間，在傳統(tǒng)十字路口交通燈控制的基礎(chǔ)上，克服了傳統(tǒng)系統(tǒng)的少車路口綠燈無車通行或多車路口綠燈時(shí)間短而堵車等資源浪費(fèi)的缺點(diǎn)，提高了通行效率，減輕路口的交通堵塞壓力。

人性化，系統(tǒng)在各個(gè)路口都設(shè)有人行通道的緊急通行按鈕，能靈活地控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、延時(shí)切換，并具有一定的優(yōu)先權(quán)，方便緊急事故中的人通行。

網(wǎng)絡(luò)化，系統(tǒng)的以太網(wǎng)接口，可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)路口之間的交通燈的聯(lián)鎖自動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)交通狀況的遠(yuǎn)程監(jiān)控，同時(shí)也為城市交通的數(shù)字化、信息化奠定了基礎(chǔ)。實(shí)用性，系統(tǒng)性價(jià)比較優(yōu)，且安裝方便。

6、結(jié)束語

以車流量的智能交通燈控制系統(tǒng)，在道路一定、車輛一定的情況下，對(duì)解決城市交通問題、提高道路利用率、提升交通自動(dòng)化水平和管理水平方面具有一定的意義。本設(shè)計(jì)投資少、制作簡(jiǎn)單、安裝方便、硬件穩(wěn)定可靠、功能實(shí)用，具有實(shí)際推廣應(yīng)用價(jià)值。