交通信號(hào)機(jī)相位運(yùn)行故障自診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真驗(yàn)證

許正芳 王兵 戶建平 孫均友

交通信號(hào)控制系統(tǒng)是保障各類交通流安全通過(guò)道路平面交叉路口的關(guān)鍵交通管控設(shè)施，主要由交通信號(hào)機(jī)和交通信號(hào)燈組成，其中，交通信號(hào)機(jī)是信控系統(tǒng)的核心設(shè)備 ，在我國(guó)各地區(qū)應(yīng)用廣泛。受開(kāi)放式工作環(huán)境的影響，機(jī)內(nèi)電子元器件受極限溫度與濕度、異常供電電壓和電流、各類雜散電流，以及自身壽命影響，導(dǎo)致現(xiàn)實(shí)中交通信號(hào)機(jī)發(fā)生相位運(yùn)行故障致使交通信號(hào)異常，極易造成平交口交通混亂，加劇交通擁堵，甚至引發(fā)交通事故[1]。而常用交通信號(hào)機(jī)不具備故障自動(dòng)檢測(cè)功能，部分智能交通信號(hào)機(jī)雖在一定程度上考慮到了信號(hào)機(jī)控制信號(hào)出現(xiàn)錯(cuò)誤導(dǎo)致信號(hào)燈出現(xiàn)紅、綠信號(hào)沖突的相位運(yùn)行故障的判斷，但是，暫時(shí)沒(méi)有提供除紅、綠信號(hào)沖突以外的信號(hào)機(jī)相位運(yùn)行故障檢測(cè)的具體方法，僅限于基礎(chǔ)探討式研究，更無(wú)出廠產(chǎn)品，現(xiàn)場(chǎng)維修人員對(duì)交通信號(hào)機(jī)故障往往難以迅速診斷，修復(fù)效率低[2-3]。

本文利用Proteus軟件和Keil軟件聯(lián)合仿真建立一套交通信號(hào)機(jī)相位運(yùn)行故障自診斷系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，能為后續(xù)交通信號(hào)機(jī)相位運(yùn)行故障診斷技術(shù)發(fā)展奠定理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持，系統(tǒng)一經(jīng)應(yīng)用，將大大減少道路擁堵時(shí)間，降低事故發(fā)生率。

1、交通信號(hào)機(jī)相位運(yùn)行故障分析

圖1為常見(jiàn)十字形平交口信控系統(tǒng)基本構(gòu)成?？刂菩盘?hào)機(jī)運(yùn)行相位狀態(tài)對(duì)應(yīng)各輸出端子連接信號(hào)燈組，信號(hào)燈組中的R、Y和G分別表示紅、黃、綠三色信號(hào)燈。在一個(gè)周期內(nèi)，平面交叉口上某一支或幾支交通流所獲得的通行權(quán)稱為信號(hào)相位，一個(gè)周期內(nèi)有幾個(gè)信號(hào)相位，則稱該信號(hào)系統(tǒng)為幾相位系統(tǒng)。本文研究主體為常用兩相位信號(hào)機(jī)。

本文兩相位信號(hào)機(jī)預(yù)設(shè)的信號(hào)燈燈色和時(shí)間如表1所示。當(dāng)信號(hào)機(jī)自身發(fā)生故障或信號(hào)機(jī)配置出現(xiàn)錯(cuò)誤使其相位運(yùn)行狀態(tài)與實(shí)際運(yùn)行結(jié)果不一致，例如：信號(hào)機(jī)同一相位紅、綠燈一起亮等運(yùn)行狀態(tài)出現(xiàn)錯(cuò)誤即為相位運(yùn)行故障。

2、 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的交通信號(hào)機(jī)相位運(yùn)行故障自診斷系統(tǒng)以單片機(jī)AT89C51為主控制器，利用Proteus軟件繪制硬件電路，利用Keil軟件進(jìn)行編程[4-6]。其中，故障實(shí)時(shí)檢測(cè)電路和故障自動(dòng)診斷電路采用PCF8591芯片，PCF8591芯片對(duì)信號(hào)機(jī)運(yùn)行相位狀態(tài)對(duì)應(yīng)各輸出端子的多路模擬輸入進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)巡回選通到單片機(jī)I/O口，實(shí)時(shí)分析信號(hào)機(jī)輸出端電壓狀態(tài)變化;故障報(bào)警提示電路由6個(gè)LED指示燈和蜂鳴器組成，且6個(gè)LED指示燈分別表示東、西方向紅、黃、綠信號(hào)燈運(yùn)行狀態(tài)和南、北方向紅、黃、綠信號(hào)燈運(yùn)行狀態(tài)。

本系統(tǒng)硬件模塊主要由信號(hào)機(jī)相位運(yùn)行故障診斷模塊和故障報(bào)警提示模塊組成。其中，信號(hào)機(jī)相位運(yùn)

行故障診斷模塊包括故障實(shí)時(shí)檢測(cè)電路和故障自動(dòng)診斷電路，系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)圖如圖2所示。

當(dāng)信號(hào)機(jī)與預(yù)設(shè)的相位運(yùn)行狀態(tài)不一致，即信號(hào)燈出現(xiàn)異常亮、滅，例如：信號(hào)機(jī)一路輸出端子控制的兩路交通信號(hào)燈其一或都發(fā)生故障，信號(hào)燈負(fù)載發(fā)生變化，系統(tǒng)不但能采集到信號(hào)機(jī)控制端口信息，也能采集到信號(hào)燈電壓信息。例如，控制東西方向紅燈的信號(hào)機(jī)運(yùn)行相位的接線端子在運(yùn)行時(shí)發(fā)生故障（即斷開(kāi)左邊信號(hào)機(jī)東西相位方向紅燈的控制端P1.0口），此時(shí)，系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)電路中對(duì)應(yīng)東西方向紅燈的LED提示燈亮，蜂鳴器鳴響，起到故障報(bào)警提示作用。

3 、結(jié)論

本文建立的一套交通信號(hào)機(jī)相位運(yùn)行故障自診斷系統(tǒng)，通過(guò)Proteus聯(lián)合Keil C51實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能仿真。系統(tǒng)硬件以AT89C51單片機(jī)為主控制器，利用PCF8581芯片實(shí)時(shí)采集信號(hào)機(jī)運(yùn)行相位狀態(tài)對(duì)應(yīng)各輸出端子的電壓信息。當(dāng)故障實(shí)時(shí)檢測(cè)電路檢測(cè)到信號(hào)機(jī)運(yùn)行相位狀態(tài)對(duì)應(yīng)的輸出端子發(fā)生故障時(shí)，報(bào)警提示模塊電路對(duì)信號(hào)機(jī)運(yùn)行相位狀態(tài)出現(xiàn)故障的具體輸出端子做出自動(dòng)報(bào)警提示，本系統(tǒng)可以快速、準(zhǔn)確的檢測(cè)到信號(hào)機(jī)運(yùn)行相位狀態(tài)對(duì)應(yīng)各輸出端子出現(xiàn)的故障，成本低、效率高、穩(wěn)定性好，具有很好的推廣價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1]王兵，王滿滿，許正芳等.一種交通信號(hào)機(jī)故障自動(dòng)檢測(cè)與遠(yuǎn)程報(bào)警系統(tǒng)[P].中國(guó)發(fā)明專利：106157671，2016-11-23.

[2]王兵.西部邊遠(yuǎn)城市交通改善設(shè)計(jì)案例[M].北京：人民交通出版社，2016.

[3]李瑞敏.城市交通信號(hào)控制[M].上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，2004.

[4]袁振洲，魏麗英，谷遠(yuǎn)利.道路交通管理與控制[M].北京：人民交通出版社，2007.12.

[5]Jesse L，Jake A，Jennifer D，et al.Traffic light mapping，localization and state detection for autonomous vehicles[C]//IEEE International Conference on Robotics and Automation，ICRA 2011：5784-5791.

[6]Ying J，Chen X M，Gao P F，et al.A new traffic light detection and recognition algorithm for electronic travel aid[C]//Proceedings of the 2013 international conference on Intelligent Control and Information Processing，ICICIP 2013：644-648.