基于自學習的組網(wǎng)式交通信號燈異常檢測研究

劉永濤,樊亞敏，張 莉，黎 冠

(1. 華北科技學院 電子信息工程學院，河北 燕郊 065201； 2. 中國農(nóng)業(yè)大學 信息與電氣工程學院，北京 100083)

0 引 言

交通信號燈作為智慧城市和智慧交通的重要組成部分，工作環(huán)境經(jīng)常要面臨雷雨、低溫、暴曬等惡略天氣，并且需要不間斷運行，因此經(jīng)常導(dǎo)致信號燈故障。 由于位置遠離交通監(jiān)管中心，分布范圍廣泛，交通監(jiān)管人員無法及時獲知路口信號燈的工作狀態(tài)，進而造成車輛通行不暢或引發(fā)交通事故[1]。 目前通過高清攝像機圖像識別技術(shù)進行監(jiān)測判斷[2-3]，但該方案監(jiān)測硬件成本較高，并且在雨、雪、霧、霾等惡劣天氣易發(fā)生信號燈故障和交通事故的情況下識別率反而最低。文獻 [4]、文獻 [5]采用了多路數(shù)據(jù)采集或A/D轉(zhuǎn)換判斷的方式，硬件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，單路采集成本較高。

在實際應(yīng)用中由于信號燈檢測裝置一般是在道路修繕完畢后安裝。以上設(shè)計需要將每一路信號燈控制線路接入檢測裝置，因此需要架高或者刨地走線或者為每個信號燈桿安裝一套完整的檢測裝置，包括處理器、GPRS通信模塊、SIM流量卡等，一個路口需要4套裝置。這些均造成了安裝施工困難和后期運維成本較高。

針對以上問題，通過深入研究交通信號燈的結(jié)構(gòu)特點和運行期間的信號變化特性，研發(fā)出了一套切實可行、成本較低、檢測準確穩(wěn)定、具有自學習功能的無線組網(wǎng)式診斷系統(tǒng)。

1 檢測裝置系統(tǒng)研究設(shè)計

系統(tǒng)包括自主學習狀態(tài)與故障檢測狀態(tài)。自主學習狀態(tài)是指在預(yù)設(shè)的或者用戶指定的學習時間內(nèi),裝置對信號燈的各路電流及電壓進行測量、統(tǒng)計和記錄;故障檢測狀態(tài)是指經(jīng)過設(shè)定學習之后,裝置可以自動地或經(jīng)人工干預(yù)進入地對信號燈進行故障檢測的狀態(tài)。自主學習狀態(tài)與故障檢測狀態(tài)可以相互轉(zhuǎn)換。

整體使用ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)[6-9]，包含檢測節(jié)點和協(xié)調(diào)器。一個路口檢測需要一個協(xié)調(diào)器，檢測節(jié)點數(shù)量可任意配置。節(jié)點核心采用CC2530處理器，通過處理器自帶的12位A/D轉(zhuǎn)換器完成交通信號燈電流采樣，如圖8(a)，一個節(jié)點的4個互感器可以完成4組左拐、直行、右拐、行人信號燈的撿測，大大簡化了硬件結(jié)構(gòu)，降低了成本。ZigBee協(xié)調(diào)器負責建立星型網(wǎng)絡(luò)傳輸方式，接收來自檢測節(jié)點的診斷結(jié)果，無故障時執(zhí)行定時握手通信檢測節(jié)點是否正常，當節(jié)點檢測出故障后即時發(fā)送給協(xié)調(diào)器[6]。協(xié)調(diào)器遠程通信采用GPRS技術(shù)或者當下流行的NBIOT技術(shù)與數(shù)據(jù)中心服務(wù)器通信。具體結(jié)構(gòu)如圖1，該方案可以大大簡化施工安裝，降低硬件成本和后期運維成本。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

1.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)及信號分析

檢測節(jié)點包括了互感器采樣電路、Zigbee處理器電路、按鍵電路、撥碼電路、同步調(diào)試指示電路、電源模塊電路。協(xié)調(diào)器在原節(jié)點電路的基礎(chǔ)上增加了STM32處理器、GPRS遠程通信電路、OLED顯示電路和按鍵電路。結(jié)構(gòu)如圖2。

圖2 協(xié)調(diào)器硬件結(jié)構(gòu)

檢測節(jié)點和協(xié)調(diào)器中AC220V轉(zhuǎn)DC3.3V電路用于給本模塊供電，AP功放電路+天線用于Zigbee無線信號的增強，保證組網(wǎng)距離和穩(wěn)定性。

協(xié)調(diào)器具有檢測節(jié)點的全部功能，工作流程相同，但是增加了檢測節(jié)點顯示和故障顯示，組網(wǎng)確認，以及遠程通信功能。

交通信號燈單個顏色燈體點亮為220 V/50 Hz交流電，一組3盞燈(紅、綠、黃)共用一根零線，最大可以滿足兩組同相信號燈共用一個采集電路?；ジ衅鬏敵鲂盘柦?jīng)過全橋整流和巴特沃斯濾波后通過接入合適的采用電阻將采樣信號的電壓控制在0～2.5 V區(qū)間，頻率為99.911 2 Hz，然后接入CC2530處理器的A/D轉(zhuǎn)換口。

圖3 采樣電壓信號

通過電流信號可以發(fā)現(xiàn)當信號燈在紅→綠→黃→紅換相期間采樣信號電壓均會出現(xiàn)1～4個較為明顯的高電平換相脈沖。

信號燈紅綠換相期間通過圖4(a)可以看出，有兩個特征點可以判斷出綠燈的起始時間，首先是綠燈的峰值電壓相差了ΔV=152 mV；其次是紅燈綠燈換相時存在明顯的尖峰跳變脈沖。通過圖4(b)可以看出，峰值脈沖高出綠燈脈沖ΔV=176 mV。這兩個特征電壓值可以通過A/D轉(zhuǎn)換輕易識別判斷。

圖4 紅綠換相

信號燈綠黃換相期間通過圖5(a)可以看出，有兩個特征點可以判斷出綠燈的結(jié)束時間和黃燈的起始時間，首先是綠燈與黃燈的峰值電壓相差了ΔV=152 mV；其次是綠燈黃燈換相時存在明顯的尖峰跳變脈沖。通過圖5(b)可以看出，峰值脈沖高出綠燈脈沖ΔV=528 mV。同樣這兩個特征電壓值也可以通過A/D轉(zhuǎn)換輕易識別判斷。對于綠燈至黃燈換相期間有閃爍信號的信號燈，則此換相點更容易捕捉。

圖5 綠黃換相

信號燈黃紅換相期間總體相位如圖3，黃紅信號燈采樣電壓信號基本相同，放大采樣后信號如圖6。很難通過信號電壓判斷出黃燈和紅燈切換，但是切換時的換相脈沖非常明顯，脈沖幅值差可以達到ΔV=348 mV，ΔT=4.4 ms。通過A/D采樣仍然可以準確判斷出黃燈結(jié)束時間和紅燈起始時間。

圖6 黃紅換相

1.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)工作時，首先通過信號機設(shè)定好信號燈使之正常運行。將檢測節(jié)點互感器接入信號機每組信號燈的零線端，任意時間按下學習鍵，信號燈循環(huán)超過一個周期，則系統(tǒng)完成運行狀態(tài)的學習,保存為模式1。如果信號機還有其它模式則在執(zhí)行其它模式期間按下學習鍵可完成多種模式的學習。軟件設(shè)計流程如圖7。

圖7 軟件流程

關(guān)于檢測裝置的檢測方法,步驟如下：

1)組網(wǎng)：在一個信號燈安裝點，將檢測節(jié)點上的撥碼開關(guān)撥至與協(xié)調(diào)器撥碼開關(guān)相同狀態(tài)，檢測節(jié)點和協(xié)調(diào)器上電，協(xié)調(diào)器自動搜索模塊，協(xié)調(diào)器顯示出全部相同地址檢測節(jié)點后通過按下協(xié)調(diào)器上組網(wǎng)確認按鍵完成網(wǎng)絡(luò)組建。檢測節(jié)點和協(xié)調(diào)器組網(wǎng)完成后組網(wǎng)指示燈點亮。

2)學習模式：檢測節(jié)點和協(xié)調(diào)器上電，組網(wǎng)指示燈點亮，3 s內(nèi)人為按下自學習按鍵一次，則進入模式1的學習，按下兩次則進入模式2的學習。如沒有按下自學習按鍵則學習模式被跳過，直接進入正常工作模式。

3 s計時滿，如自學習按鍵有操作則CC2530處理器開始對信號燈電流值開始采集，采集時間大于信號燈一個正常工作周期。采集期間節(jié)點根據(jù)采集電流峰值啟動CC2530處理器內(nèi)部定時器，記錄3個時間段，邏輯判斷出紅、黃、綠燈點亮時間，存儲3種燈電流采樣值于CC2530處理器內(nèi)部閃存當中，完成信號燈正常模式的電流值和時間統(tǒng)計。學習完成后自動重啟。學習模式核心在于通過換相電流峰值計算出各相燈的點亮時間。

3)正常工作模式：檢測節(jié)點和協(xié)調(diào)器上電，組網(wǎng)指示燈點亮，如果3 s內(nèi)自學習按鍵沒有操作，則按鍵標志位為零檢測節(jié)點進入正常檢測狀態(tài)。采集電流值和各相燈的點亮時間與各存儲模式數(shù)據(jù)相比較，處于正常范圍內(nèi)則系統(tǒng)正常，不在正常范圍內(nèi)則根據(jù)邏輯關(guān)系推導(dǎo)出是否信號燈的故障，并將檢測結(jié)果同步顯示于運行指示燈上。如有故障則將故障信息通過Zigbee網(wǎng)絡(luò)傳輸給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器在OLED屏上顯示故障信息并通過GPRS網(wǎng)絡(luò)上報給遠程服務(wù)器端進行后期處理。

2 系統(tǒng)設(shè)計實現(xiàn)及驗證

實際完成的檢測節(jié)點如圖8(a)，通過板載三色LED可以完全同步顯示出信號燈當前狀態(tài)。與協(xié)調(diào)器進行實時通信交互，測試了雙向綠燈同時點亮、單組信號燈兩燈同時點亮、單盞燈不亮以及時序錯誤等多種故障狀態(tài)，節(jié)點均可以快速檢測出故障現(xiàn)象，發(fā)送給協(xié)調(diào)器。協(xié)調(diào)器同時還具有節(jié)點同樣的檢測功能，實物如圖8(b)，最后檢測結(jié)果通過GPRS模塊發(fā)送節(jié)點編碼和故障編碼至后臺服務(wù)器。

圖8 實際測試

由于CC2530內(nèi)部具有12位A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換分辨率為0～2 047，通過其采集信號電壓值，采集數(shù)據(jù)如表1。經(jīng)過整流之后的波形頻率為100 Hz，周期為10 ms，處理器一個周期完成10次A/D采集。

2.1 峰值檢測算法實現(xiàn)

處理器完成10次采樣后數(shù)據(jù)分布并不一定符合峰值分布曲線，尤其是換相期間脈沖波形。因此需要對采樣值進行數(shù)據(jù)排序，找到信號峰值和次峰值，筆者采用了希爾排序算法。

例如紅綠燈換相脈沖采樣數(shù)據(jù)：{0251,0347,1509,2047,0251,0250,0251,0251,0250,0251}，因為采樣數(shù)據(jù)值一組有10個，所以第一次補償step=10/2=5，其希爾排序算法的過程如圖9。

可見采用希爾排序算法，經(jīng)過3次排序即可快速完成每組10個采樣數(shù)據(jù)的從小到大排序。

2.2 時序判定分析

通過采樣數(shù)據(jù)排序后分析，每組10個數(shù)據(jù)中后3個數(shù)據(jù)可以很直觀地區(qū)分出換相脈沖值的存在。因此截取了40組采樣排序完成后的每組后3個數(shù)據(jù)峰值、次峰值、第3峰值進行分析，如表1。

圖9 希爾排序算法過程

表1 紅綠燈換相脈沖采集數(shù)據(jù)

通過分析表1中綠燈峰值和次峰值，可以很容易判斷出綠燈第1、2組數(shù)據(jù)為紅燈-綠燈之間的換相脈沖，此值明顯高于紅燈和綠燈正常峰值。為了增加系統(tǒng)判斷穩(wěn)定性，避免高次雜波的影響，將每組數(shù)據(jù)峰值和次峰值取平均作為判斷換相的依據(jù)，通過此值可以準確得到信號燈換相的起始時間和結(jié)束時間。

從表1中峰值也可以看出，綠燈峰值明顯高于紅燈峰值。因此可以判斷出此峰值時信號燈為綠燈狀態(tài)，以此作為信號燈時序判斷的起始點，從而準確捕捉綠燈、黃燈、紅燈的點亮時間。通過綠燈、黃燈、紅燈的判斷峰值浮動閾值可以準確地判斷出有無單組多燈同時點亮或出現(xiàn)不亮的故障。

2.3 滑動窗口差值判斷法

為了判斷信號燈換相時間的節(jié)點，通常使用的方法是設(shè)定一個固定的電壓采樣閾值，若檢測到電壓采樣值超過這個閾值，則判定該時刻換相事件出現(xiàn)[11]。但這種方式未考慮在不同規(guī)格的信號燈以及信號燈老化等問題引起的閾值偏差，該偏差往往會造成誤判斷，因此固定閾值法具有較大局限性。為了解決這一問題，筆者提出一種雙滑動窗口判斷法，首先通過滑動窗口濾波生成滑動判據(jù)數(shù)組，然后再利用滑動窗口進行換相判斷和信號燈顏色判斷?；瑒优袚?jù)數(shù)據(jù)計算如式(1)：

(1)

式中：m和T0為滑動窗口長度，本設(shè)計中該值設(shè)為3；D(t)是為濾波器的輸出即滑動均值數(shù)據(jù)，其中t為1，2，3，…，7保留7組滑動窗口采樣均值數(shù)據(jù)；F1n和F2n為單脈沖A/D采集峰值和次峰值。

例如，從紅燈第18組數(shù)據(jù)開始，按3個長度進行滑動均值計算，可得到結(jié)果如表2。

表2 滑動判據(jù)數(shù)組

在執(zhí)行滑動窗口換相脈沖掃描時，滑動串口首先以4組數(shù)據(jù)為單位滑動，判據(jù)數(shù)組需要存儲區(qū)中開辟7個數(shù)據(jù)的暫存區(qū)，將信號采集非換相脈沖A/D值濾除不予保存。每新計算出一組滑動均值便存入暫存區(qū)中，同時去掉一個最老數(shù)據(jù)，保持這7個數(shù)據(jù)始終是最新更新的數(shù)據(jù)。程序采用環(huán)型隊列結(jié)構(gòu)很好地滿足了這種數(shù)據(jù)存放方式。

即使燈組大小型號改變或者后期老化使信號電壓發(fā)生偏差，因為其滑動均值差的設(shè)置范圍足夠?qū)?，并且通過按鍵設(shè)定可以選定型號從而適應(yīng)不同的應(yīng)用場景。滑動均值判別方法流程如圖10。

圖10 滑動窗口均值判據(jù)流程

2.4 測試驗證

系統(tǒng)采用南京永順交通設(shè)備有限公司生產(chǎn)的標準300型信號燈和通用信號機進行了實際測試。過程測試了整個交通信號燈的正常工作時序?qū)W習和檢測以及故障模擬診斷。學習和檢測中設(shè)定信號燈綠燈為30 s，黃燈為3 s，紅燈為27 s，一鍵學習值和后期檢測數(shù)據(jù)如表3。

表3 節(jié)點檢測時間數(shù)據(jù)

從最后實際測試效果來看，黃燈的時間檢測準確度較低，但也達到了97%以上，檢測數(shù)據(jù)最大時間浮動差為0.04 s，穩(wěn)定度非常理想，經(jīng)過誤差補償和時間閾值判據(jù)分析裝置沒有出現(xiàn)誤判斷現(xiàn)象。

3 結(jié) 語

通過與現(xiàn)有研究和實施方案相比，筆者設(shè)計具有以下優(yōu)點：

1)通過無線組網(wǎng)的方式，解決了路口多信號燈之間檢測線纜鋪設(shè)施工問題，確保一個路口最多只需要一個故障檢測遠程通信協(xié)調(diào)器，降低了硬件成本和后期運行成本，使信號燈故障檢測更加實用化。

2)通過零線電流檢測法，使一組(紅、黃、綠)信號燈只需要一路檢測處理電路。相對于傳統(tǒng)每個燈一路檢測處理電路的設(shè)計，此部分降低硬件成本50%以上，減少了自身故障隱患。根據(jù)實際信號燈安裝情況，一個自學習檢測節(jié)點最多可以檢測出同道路直行、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)6盞信號燈故障。一個信號機只需要一個協(xié)調(diào)器和一個節(jié)點即可完成路口四方向信號燈的監(jiān)測。

3)學習效率明顯提升。系統(tǒng)增加了學習模式按鍵，可以在信號燈運行兩個周期以內(nèi)完成一種模式學習。能夠完成正常模式、夜晚黃燈模式、潮汐模式等多種狀態(tài)學習和后期自動模式故障判斷，去除累積時間誤差影響。

4)檢測模塊增加運行同步同色指示燈，將檢測狀態(tài)實時體現(xiàn)在節(jié)點上，方便進行安裝時調(diào)試觀測。

設(shè)計中系統(tǒng)的組網(wǎng)、學習、故障分析判斷等均由檢測節(jié)點完成，達到了邊緣計算的效果，減少了數(shù)據(jù)發(fā)送量，降低了后臺服務(wù)器處理負擔。通過長時間實際運行，故障監(jiān)測效果良好。