以車流量為核心的智能交通燈自動控制系統(tǒng)

1、引言

汽車數(shù)量越來越多，而傳統(tǒng)的交通信號燈控制模式采用的是定時控制，由于車流量是隨時變化的，當此時沒有車通過，而相對的車要等到此方向的綠燈結束顯示紅燈才能通過，在時間和空間方面的應變性能較差，這樣不僅浪費了時間，還使得相對方向的車輛造成“堵車”現(xiàn)象。為克服這種少車路口綠燈時無車通行或多車路口綠燈通行時間短而堵車等資源浪費的現(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)有以紅外感應車流量的、有桉預定時間段改變通行時間的、有以電視監(jiān)控信息來干預的等多種方法與手段，各有特點。本設計是一個以車流量為核心的智能交通燈自動控制系統(tǒng)，通過使用地感線圈檢測車流量，實現(xiàn)了十字路口交通燈的智能控制。隨著數(shù)字化城市建設的進程，對城市交通的要求不僅是智能化，而是網(wǎng)絡化、信息化。

2、系統(tǒng)結構

系統(tǒng)主控制器選用西門子的S7-300系列PLC，車流量檢測裝置采用基于電磁感應原理的地感線圈，系統(tǒng)由PLC控制器、信號檢測裝置、信號轉(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。

每個路口的各個車道均安裝地感線圈，當?shù)馗芯€圈感應到車量通過的信號后，該信號通過信號轉(zhuǎn)換裝置轉(zhuǎn)換為0~10V的標準電壓信號輸入到PLC，PLC控制系統(tǒng)通過判斷該信號的狀態(tài)，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理和計算得到各路口實際車流量的數(shù)據(jù)，自動控制系統(tǒng)根據(jù)各個路口的實際車流量自動調(diào)節(jié)其所在路口的信號燈的通行狀態(tài)。同時，系統(tǒng)在各個人行路口設置了緊急按鈕，按動此按鈕也會起到干預路口交通信號燈狀態(tài)的作用。該系統(tǒng)所設置的以太網(wǎng)接口，為實現(xiàn)多個路口之間的交通燈的聯(lián)鎖控制、交通燈的遠程計算機監(jiān)控和交通系統(tǒng)的網(wǎng)絡化、信息化管理奠定了基礎。

圖1 ? 系統(tǒng)結構圖

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

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

3、車流量檢測

3.1、地感線圈

地感線圈是本智能交通自控系統(tǒng)中的最主要的檢測元件，主要由埋設在地表面下的線圈和信號提取與輸出裝置構成。地感線圈的技術規(guī)格由車道的大小和埋設的深度決定，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)格型號即可確定。

地感線圈工作在最佳狀態(tài)下，線圈的電感量應保持在100uH-300uH之間，在線圈電感不變的情況下，線圈的匝數(shù)與周長有關系，周長越小、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有各種電纜管線、鋼筋、下水道蓋等金屬物質(zhì)，這些都會對線圈的實際電感值產(chǎn)生很大影響，在實際施工時應使用電感測試儀實際測試地感線圈的電感值來確定施工的實際匝數(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，應對線圈的匝數(shù)進行調(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小（或周長）和匝數(shù)，可以不考慮導線的材質(zhì)。但在實際工程中，必須考慮導線的機械強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。在實際的工程中，建議采用0.1cm以上鐵氟龍高溫多股軟導線。

以一個60X60cm的模擬十字路口交通模型為例，根據(jù)實際十字路口的尺寸按比例縮放，得到的車道大小約為3cm。設計時選擇的線圈內(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、信號轉(zhuǎn)換裝置

地感線圈的工作原理基于振蕩電路原理，信號轉(zhuǎn)換裝置是由一種基于電磁感應原理的信號轉(zhuǎn)換線路構成，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，信號轉(zhuǎn)換裝置的電路原理如圖2所示。

圖2 ?信號轉(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，并構成正反饋，地感線圈T作為檢測器諧振電路中的一個電感元件，與振蕩回路一起形成LC諧振。當有大的金屬物（汽車）通過時，由于空間介質(zhì)發(fā)生變化引起了振蕩頻率的變化（有金屬物體時振蕩頻率升高），將會使線圈中單位電流產(chǎn)生的磁通量增加，從而導致線圈電感值發(fā)生微小變化，進而改變LC諧振的頻率，這個頻率的變化就作為有汽車經(jīng)過地感線圈的路面時的輸入信號，再將此信號通過由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、地感線圈的埋設方法

以十字路口中一個方向的道路為例，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地感線圈。在每個通道上均埋設了兩個地感線圈，具體埋設位置參考圖3。前一個緊挨停車線，檢測駛離該車道的車量數(shù);后一個埋設在距停車線5~10cm處，一般考慮埋設在預計可正常停車數(shù)量所占位置的1~2倍處，檢測駛入該車道的車量數(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 ? 地感線圈埋設平面位置圖

地感線圈埋設首先要用切路機在路面上切出槽來，在四個角上進行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。地感線圈埋設是在車道路面鋪設完成后或鋪設路面的同時進行的，在線圈埋好以后，為了加強保護，用瀝青或軟性樹脂將切槽封上。

線圈安裝時，應該盡量避免焊接點，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轉(zhuǎn)換器端良好接地;使用雙絞線，防止兩個相鄰線圈的饋線或與電源220v之間的相互干擾。

4、系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)的輸入輸出信號及其I/O地址分配如表2所示。

表2 ? ?I/O分配表

系統(tǒng)的主控制程序設計成功能模塊式，由正常運行模塊、車流量信號智能處理模塊、緊急按鈕動作模塊組成。

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

圖4 ?正常運行模塊程序框圖

車流量信號智能處理模塊：以一個方向為例，時序控制如圖5所示。

圖5 ?時序圖

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

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

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

緊急按鈕動作模塊：系統(tǒng)在人行道上安裝了緊急按鈕，具有優(yōu)先權，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調(diào)節(jié)各路口信號燈的通行時間，在傳統(tǒng)十字路口交通燈控制的基礎上，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間短而堵車等資源浪費的缺點，提高了通行效率，減輕路口的交通堵塞壓力。

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

網(wǎng)絡化，系統(tǒng)的以太網(wǎng)接口，可以實現(xiàn)多個路口之間的交通燈的聯(lián)鎖自動控制，實現(xiàn)對整個交通狀況的遠程監(jiān)控，同時也為城市交通的數(shù)字化、信息化奠定了基礎。實用性，系統(tǒng)性價比較優(yōu)，且安裝方便。

6、結束語

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，對解決城市交通問題、提高道路利用率、提升交通自動化水平和管理水平方面具有一定的意義。本設計投資少、制作簡單、安裝方便、硬件穩(wěn)定可靠、功能實用，具有實際推廣應用價值。