PLC在智能交通信號燈控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

吳淑娟

(閩西職業(yè)技術(shù)學院電氣工程系，福建龍巖364021)

我國目前大多數(shù)的交通信號燈控制系統(tǒng)是采用事先預(yù)定好調(diào)節(jié)方式的定時控制系統(tǒng)，由于道路交通流的易變性和不確定性的特點，這種控制系統(tǒng)存在不能實時對道路交通的實際情況進行合理監(jiān)管的弊端。這個弊端具體體現(xiàn)：某方向的車流量小甚至無車等待，但一直綠燈通行；而另一方向的車流量很大卻一直要滯留等待。[1]這種情況引起的交通擁堵其實就是交通控制系統(tǒng)低效率的表現(xiàn)，同時也浪費了大量的資源。所以設(shè)計一種能根據(jù)道路交通車流量的大小自動對交通紅綠燈時長進行調(diào)整的智能化交通燈控制系統(tǒng)是很有必要的。以某城市一要求人車分流的中型十字路口交通信號燈控制系統(tǒng)設(shè)計為例，設(shè)計一種基于PLC的智能交通燈控制系統(tǒng)。該十字路口經(jīng)常出現(xiàn)擁堵現(xiàn)象，需要對其交通信號燈控制系統(tǒng)進行重新設(shè)計。

1 十字路口路況調(diào)查

該十路口東西直行走向是連接兩條商業(yè)街的次干道，一般從上午9點以后車流開始增多，一直至晚上22點后車流量才會減少，總體車流相對較多也較穩(wěn)定；而南北直行走向車流量大體上比東西走向少，但它連接的是居住區(qū)和高新區(qū)以及附近的學校，所以南北直行走向的車流會在早上7點至8點30分、中午11點半至14點、晚上17點至19點30分的上、下班和上、下學3個時段激增。基于上述分析，該路口的東西、南北兩個方向的直行段在不同的時間段會出現(xiàn)不合理的擁堵，而據(jù)現(xiàn)場觀察統(tǒng)計各個方向的左轉(zhuǎn)車流量相對直行道小15%～20%。所以設(shè)計考慮在早上7點至夜間23點區(qū)間內(nèi)對直行車道交通信號燈控制采用根據(jù)流量自動延長綠燈時長的方案。

2 方案設(shè)計

2.1 環(huán)形檢測器與信號燈的布置

環(huán)形線圈檢測器是利用電磁感應(yīng)原理的車輛檢測器，其傳感器的主要部件是埋設(shè)在公路下十幾厘米深處的環(huán)狀絕緣電線[2]。系統(tǒng)運行時，車輛駛過環(huán)形檢測器的范圍，車輛檢測器將輸出5 V脈沖信號。在十字路口直行車道的停止線前和距離停止線Lm的位置各設(shè)置一個環(huán)形檢測器，并將反映車輛經(jīng)過的脈沖信號送至PLC，利用PLC內(nèi)置計數(shù)器計算經(jīng)過該區(qū)間的車輛數(shù)目。十字路口車輛環(huán)形檢測器設(shè)置如圖1所示。

交通信號燈在道路正對面右邊布置，選擇單

排橫式排列，這種排列一方面能使人行道和路口停車線安排更合理，另一方面也可以避免交通信號被綠化樹木遮擋。

圖1 環(huán)形車輛檢測器及交通信號燈設(shè)置圖

2.2 配時設(shè)計

對于這種要求人行和車行分離的十字路口，可選擇簡單一些的配時方案，將1個控制周期過程分為四階段，控制相位圖如圖2所示，右轉(zhuǎn)車輛不受燈控。各個車道通行方向都設(shè)有紅、黃、綠3種信號燈，人行道只設(shè)紅、綠2種信號燈，人行道的綠燈時長與同一方向直行車道的綠燈時長一致。

圖2 交通信號燈控制相位圖

2.3 延時設(shè)計

綠燈延時設(shè)計須同時滿足3個條件：①當前放行直行車道2個單向車道中的任一方向車道的平均車流量Q大于允許車流量最大值Qm；②等待放行的直行道2個單向車道中的任一方向車道的停車數(shù)量小于允許停車數(shù)量最大值γm；③延時的時長小于允許最大延時時間Tm。

根據(jù)上個世紀30年代格林希爾提出的交通流量與車速、車流密度的關(guān)系式[3]：

Q=KVf(1-K/Kj)

(1)

其中：Q為車道平均流量；K為車流密度，K=N/L，輛/km ，L為設(shè)置環(huán)形檢測器的車道長度，N為通過環(huán)形檢測器檢測出并利用PLC計數(shù)得到的車輛數(shù)量；Vf為暢通車速(車輛自由通行時的平均速度)；Kj為阻塞密度(車速為零時的密度，假設(shè)車長平均αm，那么在設(shè)定Lm區(qū)間內(nèi)，Kj近似取(1/α)1 000,輛/km)。

圖3 流量與車流密度關(guān)系圖

3 PLC程序整體設(shè)計思路

將交通信號燈系統(tǒng)的控制模式分2種，即白天模式和深夜模式：若當前時間為凌晨5點至夜間23點，控制模式為白天模式；23點至次日5點為深夜模式。當PLC啟動后，首先將所有輸出和計數(shù)器、數(shù)據(jù)寄存器清零，并設(shè)置初始值(包括L，Vf，Tm及事先計算的Kj，Qm，γm)，然后讀取PLC當前時間并將其與設(shè)定時間值比較，從而判斷將執(zhí)行哪種控制模式。PLC在每個運行周期結(jié)束后都要讀取當前時間，將其與設(shè)定時間階段進行比較判斷。

3.1 白天模式

當PLC讀取的當前時間為凌晨5點至夜間23點，交通燈控制系統(tǒng)運行為白天模式。白天控制模式是交通燈控制系統(tǒng)的主要控制模式，在該工作模式下，信號燈工作的同時啟動車輛檢測計數(shù)功能。白天模式的工作過程：PLC按白天模式啟動后，交通燈進入第一工作階段即東西方向的左轉(zhuǎn)綠燈亮20 s，接著閃2 s，然后黃燈亮3 s后變紅燈；左轉(zhuǎn)變紅燈后進入第二工作階段，即東西方向直行綠燈亮40 s，40 s時間到時，根據(jù)延時判斷規(guī)則判斷是否合理延長東西方向直行綠燈時長；當東西方向直行綠燈不滿足延時條件，則東西方向綠燈閃2 s后改成黃燈亮3 s然后變紅燈，接著依次進行第三工作階段和第四工作階段，這2個工作階段的控制過程分別和第一、第二階段類似，僅方向改為南北方向。4個階段結(jié)束后即1個工作周期結(jié)束。

3.2 夜間模式

當PLC讀取的當前時間為夜間23點至次日凌晨5點，由于此時車流量少，不需要交通信號燈系統(tǒng)全部運行，所以采用簡單的控制模式。這個時段車道只使用黃燈，并且關(guān)閉車輛檢測和計數(shù)的功能，以節(jié)約資源。

4 PLC程序控制的實現(xiàn)

4.1 I/O分配

交通燈控制系統(tǒng)的主要I/O分配如表1、表2所示，各個數(shù)值量存放的數(shù)據(jù)寄存器分配如表3所示。

表1 主要輸入分配表(環(huán)形線圈車輛檢測傳感器)

表2 主要輸出分配表

表3 數(shù)據(jù)寄存器分配表

4.2 PLC編程設(shè)計

交通燈控制系統(tǒng)的PLC程序設(shè)計包括主程序、車輛計數(shù)子程序、車流量計算子程序、比較子程序。

4.2.1 主程序

主程序主要是進行控制模式選擇和實現(xiàn)交通信號燈周期輪換功能。利用讀實時時鐘指令TODR將PLC當前時間以BCD碼的形式存入起始地址為T的1個8字節(jié)緩沖區(qū)中，將其小時數(shù)存入寄存器VB30中，然后將VB30中的數(shù)據(jù)與預(yù)定的數(shù)值區(qū)間[5，23]進行比較。當VB30中的數(shù)據(jù)在[5，23]區(qū)間時，則控制模式采用白天模式；若VB30中的數(shù)據(jù)不在[5，23]區(qū)間時，則采用深夜模式，而交通信號燈周期輪換功能直接使用梯形圖步轉(zhuǎn)換功能指令即可實現(xiàn)。

4.2.2 車輛計數(shù)子程序

車道車輛進入車輛檢測器的傳感器檢測范圍時，車輛檢測器將會有5 V的脈沖輸出[4]，將此脈沖信號送至PLC輸入端相應(yīng)端子(例如東—西方向，I0.0為駛?cè)耄琁0.1為駛出)，再利用PLC內(nèi)置計數(shù)器對脈沖進行計數(shù)。當車輛駛?cè)胗嫈?shù)區(qū)域時，計數(shù)器當前值加1；車輛駛出計數(shù)區(qū)域時，計數(shù)器當前值減1。計數(shù)器C0計算東—西車輛數(shù)量，計數(shù)器C1計算西—東車輛數(shù)量，計數(shù)器C2計算南—北車輛數(shù)量，C3計算北—南車輛數(shù)量。用MOV指令將C0～C3計數(shù)器的當前值分別傳至VW24、VW26、VW28、VW30數(shù)據(jù)寄存器中，以供比較子程序和車流量計算子程序查詢使用。

4.2.3 車輛流量計算子程序

此子程序按式(1)編寫，主要是計算當前直行放行車道車流量。在確定Vf和Kj后，PLC子程序?qū)斍败嚨儡囕v數(shù)量的當前值從相應(yīng)的數(shù)據(jù)寄存器中取出，按式(1)進行計算得到當前車道的車流量Q，并將其放入相應(yīng)寄存器中，以供比較程序查詢。比如計算由東—西車流量，PLC子程序?qū)⒃赩W24中的數(shù)據(jù)取出，按式(1)計算，得到東—西車流量Q，并將其存放于VW14。

4.2.4 比較子程序

比較子程序主是要是判斷是否延長當前直行車道綠燈的時間，按2.2節(jié)延時方案,以判斷是否延長東西方向綠燈時長,具體如下:

若VW14或VW16中的數(shù)據(jù)大于VW12中的數(shù)據(jù)，且VW28及VW30中的數(shù)據(jù)都小于VW22中的數(shù)據(jù)，并且綠燈總時長小于等于VW32中的數(shù)據(jù)，那么延長東西方向的綠燈時長；南北向的判斷與此相類似。

4.2.5 PLC程序流程圖

交通信號燈控制PLC程序流程圖如圖4所示。

5 系統(tǒng)調(diào)試與試運行

系統(tǒng)調(diào)試與試運行結(jié)果如下說明：

①白天模式信號燈正常無延時運行結(jié)果如表4所示。

②人為給計數(shù)器C0～C3輸入脈沖，根據(jù)各個計數(shù)器的當前值，信號燈會有相應(yīng)的智能延時。例如，在東西向綠燈亮時候，讓C2和C3的計數(shù)器當前值定在小于γm，而不斷給C0或C1手動輸入加脈沖，東西向的綠燈會有應(yīng)的延時，直到延時時間超過Tm；若在延時期間給C2或C3手動輸入加脈沖，使其當前值大于γm，或是給C0和C1不斷輸入減脈沖使其平均流量Q小于Qm，那么東西向綠燈延時會結(jié)束。

③人為改變PLC當前時間，系統(tǒng)能進行相應(yīng)的白天和深夜模式轉(zhuǎn)換。

④十字路口交通信號燈系統(tǒng)運行1個月后，根據(jù)統(tǒng)計，與原交通信號燈控制系統(tǒng)相比，擁堵率減少了17.6%，節(jié)電率達8.7%。

圖4 信號燈控制PLC程序流程圖

時間/sPLC輸出 交通信號燈狀態(tài) 20Q0.5 Q0.0 Q0.6 Q1.0 Q1.3 Q1.6東西向左轉(zhuǎn)綠燈,其余紅燈2Q0.5(閃)Q0.0 Q0.6 Q1.0 Q1.3 Q1.6東西向左轉(zhuǎn)綠燈閃,其余紅燈3Q0.4 Q0.0 Q0.6 Q1.0 Q1.3 Q1.6東西向左轉(zhuǎn)黃燈亮,其余紅燈40Q0.2 Q0.3 Q0.7 Q1.0 Q1.3 Q1.6東西向直行及人行道綠燈亮,其余紅燈2Q0.2(閃) Q0.3 Q0.7 Q1.0 Q1.3 Q1.6東西向直行綠燈閃及人行道綠燈亮,其余紅燈3Q0.1 Q0.3 Q0.6 Q1.0 Q1.3 Q1.6東西向直行黃燈閃及人行紅燈,其余紅燈12Q0.0 Q0.3 Q0.6 Q1.0 Q1.5 Q1.6南北向左轉(zhuǎn)綠燈,其余紅燈2Q0.0 Q0.3 Q0.6 Q1.0 Q1.5(閃) Q1.6南北向左轉(zhuǎn)綠燈閃,其余紅燈3Q0.0 Q0.3 Q0.6 Q1.0 Q1.4 Q1.6南北向左轉(zhuǎn)黃燈亮,其余紅燈40Q0.0 Q0.3 Q0.6 Q1.2 Q1.3 Q1.7南北向直行及人行道綠燈亮,其余紅燈2Q0.0 Q0.3 Q0.6 Q1.2(閃)Q1.3 Q1.7南北向直行綠燈閃及人行道綠燈亮,其余紅燈3Q0.0 Q0.3 Q0.6 Q1.1 Q1.3 Q1.6南北向直行黃燈閃及人行紅燈,其余紅燈

6 結(jié)語

本文以提高系統(tǒng)利用率、緩解白天交通高峰期不合理道路擁堵為目的，設(shè)計了智能交通信號燈控制系統(tǒng)。系統(tǒng)利用環(huán)形線圈車輛檢測器實時檢測車輛滯留量，按一定的控制規(guī)則判斷是否合理延長某一方向綠燈時長，避免出現(xiàn)某一方向車道車輛量少卻一直綠燈通行，而另一車道卻有大量車輛滯留的不合理交通擁堵現(xiàn)象，使道路交通效率大大提高。