有效緩解城市交通壓力的智能交通信號燈的研究與開發(fā)

王　甫,江德松,岳宏梅

(1.安徽機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 蕪湖 241002； 2.安徽蕪湖技師學(xué)院，安徽 蕪湖 241001)

?

有效緩解城市交通壓力的智能交通信號燈的研究與開發(fā)

王甫1,江德松1,岳宏梅3

(1.安徽機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 蕪湖 241002； 2.安徽蕪湖技師學(xué)院，安徽 蕪湖 241001)

隨著私家車的增多，城市交通堵塞問題也越來越嚴(yán)重，研究并開發(fā)一種智能交通信號燈，實(shí)現(xiàn)路口交通信號燈的智能化是解決路口通行效率的有效方法。智能交通信號燈可以根據(jù)路口的車流量大小自動調(diào)整交通信號燈的時間，使少車或無車方向綠燈時間自動變短，反之，車多方向綠燈時間自動延長，提高了車輛通行效率。

城市交通；智能化；交通信號燈

0　前言

隨著生活水平的快速提高，家庭汽車越來越多，城市交通越來越堵，解決城市交通堵塞問題也變得越來越緊迫。迫切地需要設(shè)計一種新型的智能交通信號燈控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)十字路口交通信號燈的智能控制。這種智能控制系統(tǒng)通過地面上的地感線接收到路面上的車流信號，傳給信息接收系統(tǒng)PLC，然后傳給計算機(jī)處理系統(tǒng)進(jìn)行車流量信息的數(shù)據(jù)計算，由計算機(jī)處理系統(tǒng)對計算出來的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，再把信號傳給交通信號燈，使之自動調(diào)整紅、黃、綠三色燈的通行時間[1]，使車流量大的一方綠燈自動延時，而車流量小的一方綠燈自動減時。筆者從地感線、PLC控制器、計算機(jī)和編程等方面介紹智能交通信號燈的設(shè)計思路和方法。

1　交通信號燈現(xiàn)狀

盡管交通信號燈已普遍使用,但城市的路口通行堵塞情況還是越來越嚴(yán)重，傳統(tǒng)的固定配置時間的交通信號燈已不能適應(yīng)當(dāng)前車輛較多的城市需求了。近年來,很多研究人員已提出了一些智能交通信號燈的控制方法和措施，也進(jìn)行了系統(tǒng)的研究[2],并取得了不少進(jìn)展，但城市交通系統(tǒng)是一個多變的、復(fù)雜的超大系統(tǒng),其設(shè)計方案難以適應(yīng)變化的交通系統(tǒng),所以控制效果也不理想，并沒有較好的成果。因此,研究一種智能交通信號燈來控制城市車輛的通行效率是十分必要的[3]。

2　地感線圈原理

地感線圈是由智能交通信號燈中埋在地下的接收信號的線圈和輸出裝置構(gòu)成，是最主要的信號檢測元件。地感線圈主要由內(nèi)徑、外徑、線徑和匝數(shù)四大因素組成。在最佳的工作狀態(tài)下，線圈的電感量應(yīng)保持在100～300 μH之間，在線圈電感不變的情況下，周長與匝數(shù)有直接關(guān)系，周長越小、匝數(shù)就越多，見表1所示。由于實(shí)際施工時要考慮導(dǎo)線的機(jī)械強(qiáng)度、耐高溫、抗老化、耐酸堿腐蝕等因素，故線圈線的選用要經(jīng)過慎重考慮[4]。

表1　線圈的匝數(shù)與周長關(guān)系

在實(shí)際埋設(shè)地感線圈時，要應(yīng)用檢測儀檢測埋好的電感線圈的實(shí)際值來確定匝數(shù)，考慮到地下埋的電纜管線、鋼筋、下水道蓋，只要保證最終電感值在100～300 μH之間[4]即可，否則，應(yīng)對線圈的匝數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

3　智能交通信號燈設(shè)計方案

根據(jù)智能交通信號燈的功能和動作流程，進(jìn)行控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計，該控制系統(tǒng)由PLC、地感線圈、光纖收發(fā)器/交換機(jī)、計算機(jī)、控制按鈕、信號燈等元器件組成的，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1　智能交通信號燈控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

當(dāng)車輛經(jīng)過地感線圈時會產(chǎn)生電感量的變化，這樣地感線圈開始檢測車流量，將檢測的車流量信號傳輸給PLC，同時高清攝像機(jī)進(jìn)行攝像或抓拍，PLC對接收到的車流量信息進(jìn)行處理，就會發(fā)出2路信號，一路信號傳送給PLC的輸出端，調(diào)整路口南北或東西方向綠燈亮的時間，一路信號傳送給光纖收發(fā)器/交換機(jī)再次進(jìn)行信號處理，將處理后的信號傳輸給指揮中心計算機(jī)，讓信號燈實(shí)時監(jiān)控各路口的通行狀況。

4　智能交通信號燈工作原理

1)按下交通信號燈啟動按鈕，先按照正常車流量運(yùn)行(若南北方向綠燈時間設(shè)置20 s通過7輛車，那么東西方向就紅燈時間設(shè)置20 s)，如果車流量不大于7輛就正常運(yùn)行，指令就是Y。

2)如果不正常(指令是N)，就會把東西方向和南北方向同時與正常情況比較，若一個正常一個不正常，就會執(zhí)行不正常方向的綠燈自動調(diào)整延時的操作；若比較結(jié)果兩個方向都不正常，就會選擇車流量大的先執(zhí)行綠燈自動調(diào)整延時的操作，然后再自動調(diào)整另一方向的綠燈延時，依次如此判斷循環(huán)下去。

3)延時時間可以分4個檔，即：7輛<20 s內(nèi)行過的車量≤14輛，綠燈延時到40 s；14輛<20 s內(nèi)行過的車量≤21輛，綠燈延時到60 s；21輛<20 s內(nèi)行過的車量≤28輛，綠燈延時到80 s；28輛<20 s內(nèi)行過的車量≤35輛，綠燈延時到100 s。信號燈究竟會選擇哪個檔由設(shè)定好的控制系統(tǒng)根據(jù)接收到的車量信息大小進(jìn)行判斷[5]。

4)通過比較車流量大小信息來控制交通燈的讀秒時間范圍，使系統(tǒng)自動選擇南北車道或東西車道的[6]綠燈延時，以此來緩解交通的壓力，也可以合理地利用交通資源，如圖2所示。

5　智能交通信號燈程序設(shè)計

5.1根據(jù)智能交通信號燈控制動作過程

以三菱FX2NPLC為控制裝置，定義了相應(yīng)的I/O口，并對相應(yīng)的I/O口、輔助繼電器和定時器進(jìn)行注釋說明[7]，見表2所示。

圖2　智能交通信號燈工作流程圖

輸入序號符號地址注釋輸出序號符號地址注釋1SA1X0手/自動起動開關(guān)1HL1Y1東西方向綠燈2LC1X1西方地感線圈輸入2HL2Y2東西方向黃燈3LC2X2東方地感線圈輸入3HL3Y3東西方向紅燈4LC3X3北方地感線圈輸入4HL4Y4南北方向綠燈5LC4X4南方地感線圈輸入5HL5Y5南北方向黃燈6SB2X5停止按鈕6HL6Y6南北方向紅燈

5.2PLC I/O端子接線圖

根據(jù)輸入、輸出的地址分配，PLC I/O端子接線圖如圖3所示。

圖3　PLC I/O端子接線圖

5.3智能交通信號燈動作流程

根據(jù)信號燈紅、黃、綠三色燈點(diǎn)亮的依次動作要求，該信號燈的PLC控制流程[8]如圖4所示。本控制程序設(shè)計成自動和手動兩種工作方式，自動工作方式用于交通信號燈日常工作中；手動工作方式其一作用是對交通信號燈初次調(diào)試，二是當(dāng)其發(fā)生故障時進(jìn)行檢查和維修，同時還設(shè)計換向功能，即南北、東西方向相互切換。

5.4智能交通信號燈控制系統(tǒng)的程序設(shè)計

根據(jù)智能交通信號燈控制原理，在GX Developer V8軟件中編制PLC梯形圖，如圖5所示為部分梯形圖，并通過PLC成功調(diào)試。

圖4　智能交通信號燈動作流程

圖5　部分梯形圖程序

6　結(jié)語

本文是在研究傳統(tǒng)的交通信號燈的基礎(chǔ)上，開發(fā)了一種智能交通信號燈，通過地感線接收到車流量傳給PLC控制器，經(jīng)PLC對數(shù)據(jù)運(yùn)算和處理后，傳輸?shù)捷敵龆苏{(diào)節(jié)南北或東西紅、綠兩種信號燈亮的時間來指揮路面上的車輛通行。這種智能控制系統(tǒng)可以根據(jù)車流量的大小自動調(diào)整信號燈的時間，使少車或無車方向綠燈的時間自動變短，多車方向綠燈時間自動變長，根據(jù)路口實(shí)時通過的車流量大小來自動、合理地調(diào)節(jié)信號燈的時間長短，從而提高路口車輛的通行效率，極大地緩解了城市的交通壓力，減少了交通事故和城市堵車現(xiàn)象的發(fā)生，縮短了車輛的等待時間，提高了市民的出行質(zhì)量，使城市車流的調(diào)節(jié)達(dá)到最優(yōu)，為人民節(jié)省大量出行時間，節(jié)約大量的交通資源和人力，創(chuàng)造出更多的社會價值。

[1] 黃敏,張旭,李爾達(dá).基于車道級基礎(chǔ)路網(wǎng)的微觀交通仿真數(shù)據(jù)建模與應(yīng)用研究[J].中山大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2015(2):8—13

[2] 范騰飛.面向色覺異常人群的交通信號識別解決方案研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2014.

[3] 崔祎,周力.基于PLC的交通信號燈智能控制系統(tǒng)設(shè)計[J].工業(yè)儀表與自動化裝置，2009(3):22—25.

[4] 溫志達(dá),梁桂榮,陳碧銘,等.基于車流量的智能交通燈控制系統(tǒng)[J].自動化技術(shù)與應(yīng)用，2009(6):115—118.

[5] 肖質(zhì)紅,官宗琪.高速公路不停車收費(fèi)系統(tǒng)的研究與開發(fā)[J].廣西輕工業(yè)，2007(3):71—73.

[6] 陳明.智能交通燈設(shè)計[D].合肥：安微科技學(xué)院，2014.

[7] 樊明龍.PLC仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計[D].南京：東南大學(xué)，2002.

[8] 冉徐江.十字路口交通信號燈系統(tǒng)設(shè)計[J].科技資訊，2010(8):41.

The Research and Development of Intelligent Traffic Lights to Effectively Reduce the Pressure on Urban Traffic

WANG Fu，etc.

(AnhuiTechnicalCollegeofMechanicalandElectricalEngineering，WuhuAnhui241002，China)

With more private cars increasing，city traffic congestion problem has become more and more serious.The research and development of intelligent traffic lights to implement the intelligent of the intersection traffic lights is the solution to solve the intersection traffic efficiency.In this paper，the design of intelligent traffic lights can automatically adjust the time of traffic lights according to the vehicle flow rate of intersection to make a green light time shorter automatically in the less cars or no cars direction.On the other hand，the green light time is lengthened automatically in more car direction.It can improve the traffic efficiency，make the traffic lights more intelligent，humanization and scientification.

effectively reduce；traffic pressure；intelligent；traffic lights

10.3969/j.issn.1009-8984.2016.03.023

2016-06-06

安徽機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院院級項(xiàng)目(2015yjzr08)

王甫(1978-)，男(漢)，安徽霍邱，講師

主要研究機(jī)械工程。

U491.51:TP391

A

1009-8984(2016)03-0101-04