关键词：交通灯 智能 控制系统 PLC
一、研究背景
随着国家经济水平的快速发展，城市道路中的机动车数量快速增长，给城市交通带来了巨大的压力，而城市道路的扩容和改善却相对滞后，因此，交通拥堵已经成为影响城市发展的一个重要问题。而交通拥堵常常发生在道路的十字路口等车辆汇入或者流出的交通节点上。
现有道路的十字口交通灯控制，通常采用程序控制和人工控制两种模式。即在正常情况下，采用程序控制模式，十字路口的四个方向按程序设置依次红绿灯亮灭。而在某些特殊情况下，采用人工干预模式，手动控制四个方向的红绿灯亮灭。这种十字路口红绿灯控制系统优点是简单方便，缺点是对于人流量变化较大的场合或者某些突发交通状况下的应对能力不足。而程序控制模式中，常常采用单级定时控制，设定值是固定的，设定值固定，就意味着在某段时间或者整段时间内时间间隔是固定的。而交通情况是一个动态的，在某一时间内测定的时间设定值是最优化的，但是从整体来看，这种控制方式并不是最优化的。
二、工作原理
因为道路上车辆型号性能不同，驾驶员驾驶习惯不同，因此在设计方案时，首先需要设定一个理想的十字路口场景。因此结合具体道路状况，设定了如下的十字路口模拟场景：双向每个周期绿灯亮20秒，绿灯闪3秒，黄灯亮2秒，红灯亮25秒。车辆运行平均速度为5公里/小时（即约1.4米/秒）。结合场景，车辆在离停车线约30米远处才可能在黄灯亮起前，驶过停车线。也就是一个一个红灯周期内，放行车辆长度约为30米。
1、单一路口
在每个十字路口的停止线后方30米处，安装一套感应线。当红灯亮起时，某一方向的感应线检测到车辆则认定为该方向车辆较多，即认定为单一方向道路拥挤状态，因此在下一个红灯周期里，该方向绿灯点亮时间从20秒增加到30秒。而如果多条非直行道路（如南北和东西向）同时出现感应线检测到车辆，则绿灯点亮时间均为30秒。
同时，绿灯亮起时，通过检测车辆通过感应线时间长短，即被感应线检测到至信号消失，来判定车辆的通行速度。如果有大型车辆、前方事故等状况，则检测到的时间较长，可以判定为道路拥堵，则该方向在下一个红灯周期中，绿灯点亮时间从20秒增加到30秒。
2、主干道
城市主干道中，常有多条支路汇入车辆，有些汇入车辆的路口还不一定有红绿灯，当当前路口因为大量车辆而造成拥堵情况后，意味着相邻的下一路口也将发生类似情况，这时候，下一路口的交通灯，不应该车辆检测信号产生才在下一周期绿灯延长点亮时间，而是要提前一个或若干个周期延长绿灯点亮时间。
3、人工控制
人工控制分两种，现场人工控制和总控人工控制。其中现场人工控制和现在的人工控制一样，具有最高优先权，当手自转换开关选择手动后，直接由现场人员进行手动控制交通灯。而总控人工控制，针对于人员无法及时到达现场或不需要到达现场，因此通过远程访问，实现交通灯的控制。
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三、硬件组成
1、现场控制设计
1）车流量检测
现阶段，有多种车流量检测的方法，各有利弊。本方案通过比较后，选择地感线圈车辆检测器。其中，地感线圈L1埋设在道路中。隔离变压器T匝数比是1：1，三极管Q1和Q2构成共发射极振荡器，电阻R3是共发射极电阻的两个晶体管,并构成一个积极的反馈。当车辆通过时,地感线圈中电流产生的磁通单元将会增加,导致线圈电感值的变化,然后改变LC谐振频。
再通过LM567,将获得的频率和样本频率比较，如果有车来，则输出高电平信号给PLC，反之，则输出低电平信号给PLC。
2）现场交通灯控制系统
虽然接触器—继电器控制系统、单片机控制系统等都具有各自的优点，但是结合实际情况，由于PLC具有可靠稳定、抗干扰能力强、使用灵活等优点，因此采用PLC，来作为现场交通灯控制系统的核心部件。
2、系统总体设计
采用PLC作为现场交通灯控制系统和下面的输入/输出设备相连，同时因为各个十字路口及控制室距离较远，因此通过Modem，从以太网，和上位的服务器及各操作站相连，实现数据和控制信号的传递。
四、PLC实现交通灯控制
1、PLC类型的确定
每个PLC用于一个十字路口的交通灯控制。每个十字路口的交通灯控制系统需要8个输入信号，其中有4个需要用作计数器的信号输入。另外，4个方向各红绿黄三灯，因为对向显示相同，可以采用并联输出，减少输出信号数量，所以输出信号6个。同时，该路口的PLC还需要通过以太网和上位机相连。因此，本系统选用罗克韦尔公司的型号为2080-LC50-24QBB的PLC，即850系列PLC。Micro850 PLC是一种新型经济型PLC，具有嵌入式输入和输出。
2、软件设计
1）加时原则
每条行车道的车流量通过PLC来统计。当绿灯亮起时，用_IO_EM_DI_00~03四个输入端高速计数器对进入路口的车辆进行计数和计时，等红灯亮起时，通过记录下来的车辆数及经过的时间，计算出平均速度，同时_IO_EM_DI_00~03四个输入端检测是否有车辆滞留。然后，结合上述两项数据，查表确定下一周期是否需要加时。如果是主干道，那么如果前一个十字路口已经出现拥堵，需要加时的状况，则当前十字路口的上述两项数据需要再乘以一个经验值后，再查表确定下一周期是否需要加时。
2）控制优先级设定
根据控制系统的要求设置，在程序执行时，按照现场手动控制>远程手动控制>智能自动控制>定时自动控制的顺序，依次执行控制程序。
五、总结
本系统相较于以往的定时控制系统而言，能有效减缓交通拥堵的现象，提高车辆通行率。同时，本系统结合网络，及时应对道路突发事件引起的交通拥堵。
参考文献
[1]蔡军，曹慧英.智能交通灯控制系统的设计与实现[J].重庆邮电学院,2004.6,129-132
[2]洪清辉，何燕阳.基于PLC的交通灯智能控制[J].漳州师范学院学报（自然科学报）,2005，（3） 66-70
作者介绍
王骅（1978- ）男，汉族，江苏无锡人，无锡机电高等职业技术学校，讲师，本科，研究方向：机电一体化技术
论文作者:王骅
论文发表刊物:《教育学文摘》2019年18期
论文发表时间:2020/1/15
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