初探物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能交通信號(hào)燈控制系統(tǒng)的應(yīng)用

南京市公安局交通管理局 / 李效 葉堅(jiān) 徐冉 汪兆斌 姜釗

1.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)分布式系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 控制器

分布式的智能交通信號(hào)燈控制系統(tǒng)的控制器主要是以單機(jī)片為核心，對(duì)系統(tǒng)中的復(fù)位電路、LED顯示、信號(hào)同步、鍵盤(pán)操控等諸多模塊進(jìn)行控制，分控制器和上位機(jī)之間有單片機(jī)的通信連接口，能夠加強(qiáng)各模塊的連接效應(yīng)。其中單片機(jī)和智能控制系統(tǒng)軟件各模塊主要是以串口通信的方式進(jìn)行連接，在系統(tǒng)內(nèi)能夠起到調(diào)制模塊的作用，非常適用于遠(yuǎn)距離的通信，能夠滿足分布式智能交通信號(hào)燈控制系統(tǒng)的連接需求。分控制器和主控制器之間主要使用485通信，分控制器只能單向傳遞給主控制器數(shù)據(jù)，各分控制器之間的連接也是使用485通信。在控制系統(tǒng)之中，傳輸數(shù)據(jù)是分控制器向主控制器進(jìn)行傳輸，每個(gè)控制器所負(fù)責(zé)的數(shù)據(jù)都是不同的。分控制器之間也是通過(guò)485通信建立連接，而相鄰的分控制器可以通過(guò)單片機(jī)中的接口實(shí)現(xiàn)連接，另外單片機(jī)還需要承擔(dān)與其他模塊進(jìn)行連接的責(zé)任。

1.2 外圍電路

外圍電路主要包含了復(fù)位電路、電源電路、晶振電路以及專用配件接口電路，通過(guò)這四部分的電路組成完整的分布式控制系統(tǒng)的外圍電路。在設(shè)置外圍電路的時(shí)候必須要使用直流電，為了確保控制系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，就需要使用晶振電路。對(duì)于控制紅綠燈的合理轉(zhuǎn)換，就需要用到復(fù)位電路，相關(guān)人員需要對(duì)系統(tǒng)使用過(guò)程中的數(shù)據(jù)輸入給予重視，避免造成紅綠燈信號(hào)延遲的情況。

1.3 存儲(chǔ)器

在控制系統(tǒng)的眾多硬件設(shè)施中，存儲(chǔ)器模塊是至關(guān)重要的部分，相關(guān)設(shè)計(jì)人員在對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)的過(guò)程中必須要科學(xué)合理的配置存儲(chǔ)器，確保能夠完全對(duì)交通信號(hào)燈的硬件進(jìn)行控制，合理的選擇存儲(chǔ)器。存儲(chǔ)器中包含了SRAN存儲(chǔ)器以及FLASH存儲(chǔ)器兩個(gè)主要部分，開(kāi)展設(shè)計(jì)的過(guò)程中必須要對(duì)此進(jìn)行精準(zhǔn)的設(shè)計(jì)，確保存儲(chǔ)器能夠發(fā)揮最佳功效。

2.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)分布式系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 中斷控制

在設(shè)計(jì)交通信號(hào)燈控制軟件時(shí)，利用中斷控制來(lái)對(duì)信號(hào)燈進(jìn)行控制，在中斷控制的時(shí)候，需要經(jīng)歷保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)、啟動(dòng)子程序、恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)等幾個(gè)流程，系統(tǒng)軟件是保障模塊運(yùn)行的基礎(chǔ)，控制系統(tǒng)需要制定獨(dú)立的中斷控制，且需要放在優(yōu)先級(jí)，才能精準(zhǔn)的控制系統(tǒng)。只有這樣才能確保系統(tǒng)能夠更好的檢測(cè)實(shí)時(shí)道路交通狀況，并將數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)娇刂浦匦?，然后按照控制中心下達(dá)的指令來(lái)進(jìn)行處理。

2.2 通信軟件

通信軟件在分布式智能交通信號(hào)燈控制系統(tǒng)中發(fā)揮著重要的通信功能，以RS485通信軟件為例，在模塊之中能夠集成雙工串行通信接口，然后其所裝配的發(fā)送器以及接受緩沖器都是獨(dú)立存在的，可以同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)的接受與發(fā)送。在此類信號(hào)燈控制系統(tǒng)之中，包含了嵌入式的技術(shù)與PLC，能夠讓信號(hào)燈的通信系統(tǒng)按照主控制下達(dá)的指令來(lái)做出相應(yīng)的動(dòng)作，此類通信模式能夠?yàn)榇┬型ㄐ刑峁┍憷麠l件，同時(shí)也是分控制器和主控制器進(jìn)行通信的主要來(lái)源。通過(guò)控制器合理的配置通信軟件，再使用控制器指定統(tǒng)一的串口數(shù)值，確保通信軟件在科學(xué)的規(guī)范下進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)。

2.3 數(shù)據(jù)同步

在分布式信號(hào)燈控制系統(tǒng)正常運(yùn)行過(guò)程之中，需要通過(guò)利用系統(tǒng)內(nèi)的全部控制器來(lái)做到信號(hào)與數(shù)據(jù)的同步，進(jìn)而確保信號(hào)燈控制系統(tǒng)能夠依照控制器中的模塊周期來(lái)對(duì)信號(hào)進(jìn)行控制并同步傳輸。在設(shè)計(jì)信號(hào)燈控制系統(tǒng)的軟件時(shí)，必須要做到數(shù)據(jù)同步，進(jìn)而才能實(shí)現(xiàn)同步控制信號(hào)，需要給予數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程高度重視，在這個(gè)過(guò)程中絕對(duì)不能出現(xiàn)錯(cuò)誤，保障交通信號(hào)燈轉(zhuǎn)換運(yùn)行的準(zhǔn)確性。

2.4 系統(tǒng)建模

我國(guó)城市交叉路口普遍為雙向6車道，其中每個(gè)方向都包含了左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)與直行車道，在交叉路口之中安裝有交通信號(hào)燈。一般情況下信號(hào)燈都是使用四相位的方式對(duì)車輛進(jìn)行放行，具體如圖1所示。其中第一相位是指引車輛東西方向直行，第二相位是指引車輛東西方向左轉(zhuǎn)，第三相位是指引車輛南北直行，第四相位是指引車輛南北左轉(zhuǎn)。這個(gè)四個(gè)相位依次切換，使用紅燈、綠燈、黃燈短時(shí)相位切換，黃燈起到預(yù)警的作用，提醒車輛即將進(jìn)入紅燈時(shí)間，右轉(zhuǎn)車輛一般情況下不受燈控，所以不計(jì)入車流量。

圖1 交通信號(hào)燈相位交替

3.仿真實(shí)驗(yàn)

為了測(cè)試物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在交通信號(hào)燈中應(yīng)用的可行性，使用Matlab軟件進(jìn)行模擬，路口的車輛到達(dá)服從Poisson的分布。對(duì)車的延誤時(shí)間進(jìn)行測(cè)試，判斷應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。

公式之中的N表示的是每一個(gè)相位之中兩個(gè)方向在綠燈的時(shí)候經(jīng)過(guò)該路口車輛的總和，Ti-delay代表的是每一輛車經(jīng)過(guò)路口需要等待的時(shí)間，測(cè)試用時(shí)總共為600s。為了方便進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比分析，在保持其他環(huán)境、條件相同的情況下，分隊(duì)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)信號(hào)燈以及傳統(tǒng)信號(hào)燈進(jìn)行模擬測(cè)試，將路口車流量分為三個(gè)強(qiáng)度場(chǎng)景，分別是高強(qiáng)度（40輛）、中等強(qiáng)度（30輛）以及低強(qiáng)度（20輛），經(jīng)過(guò)多次模擬提取處平均數(shù)值，數(shù)據(jù)結(jié)果見(jiàn)表1。

通過(guò)對(duì)模擬實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果對(duì)比可知，在中低強(qiáng)度的時(shí)候，物聯(lián)網(wǎng)信號(hào)燈技術(shù)能夠起到小幅度的改善效果，當(dāng)車流量巨大的時(shí)候，物聯(lián)網(wǎng)信號(hào)燈技術(shù)就能夠發(fā)揮出較為顯著的優(yōu)化效果。由此可見(jiàn)，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用在智能交通信號(hào)燈控制系統(tǒng)是未來(lái)交通發(fā)展的重要趨勢(shì)。

表1 相同環(huán)境條件下不同車流量平均車輛延誤時(shí)間對(duì)比

4.結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，通過(guò)科學(xué)的管理交通信號(hào)燈，能夠有效的緩解道路交通擁堵的壓力，其中分布式智能交通信號(hào)燈能夠通過(guò)控制系統(tǒng)對(duì)交通信號(hào)燈進(jìn)行科學(xué)的管理，進(jìn)而合理的利用各項(xiàng)交通資源。在分布式智能交通信號(hào)燈之中，主要分為軟件與硬件兩大模塊，相關(guān)設(shè)計(jì)、維保人員需要加強(qiáng)針對(duì)這兩個(gè)模塊的相關(guān)技術(shù)的研發(fā)應(yīng)用，優(yōu)化相關(guān)工作流程，確保分布式智能交通信號(hào)燈能夠發(fā)揮出最佳效果。