基于PLC的交通燈自適應控制系統設計

宋秋實,馮博楷（菏澤學院　蔣震機電工程學院,山東　菏澤274000）

基于PLC的交通燈自適應控制系統設計

宋秋實,馮博楷
（菏澤學院蔣震機電工程學院,山東菏澤274000）

摘要：設計一種以PLC為控制核心, 以計算機為人機交互平臺，基于RS232串行通信接口的交通燈自適應控制系統。介紹了交通燈自適應控制系統的整體結構和硬件配置，對系統設計中的重點問題進行了分析，并說明了系統軟件的設計內容。

關鍵詞：PLC；計算機；自適應；RS232

中國城市交通情況復雜，具有機動車種類繁多、車速普遍較慢和時段差異大等特點。隨著城市道路交通量的增長，交叉口之間的相關性日益明顯。城市中一個交叉口的擁堵，隨著時間的推移會逐步波及到周邊數個交叉口乃至所在區域內的所有交叉口，城市交通擁擠問題日趨嚴重，原先的交通燈控制系統已經不能適應現在日益繁忙的交通狀況。因此，提高城市路網的通行能力、實現道路交通的科學化管理迫在眉睫。[1]

本文設計一種以PLC為控制核心,以計算機為人機交互平臺，基于RS232串行通信接口的交通燈自適應控制系統。該系統能夠實現交通流量實時監測，上位機對監測數據快速處理，對信號燈配時快速優化計算；下位機根據交通流的動態隨機變化而自動地調整信號控制參數數，控制單個交叉口交通燈的綠信比，并協調交叉口群的相位差，實現區域內交叉口的聯動控制和自適應控制。采用歐姆龍CPM2APLC為控制系統的核心，可靠性高、抗干擾能力強、定時資源豐富、具有聯網功能；交通流檢測采用英國PEEK公司的526B線圈檢測器，環形線圈的采樣信號通過耦合電路傳送到處理器，處理器根據的振蕩頻率來判斷車輛的通過與存在。

1　系統總體結構

整個交通燈自適應控制系統分為三部分：交通流量檢測系統，上位機數據優化處理，交通燈自適應控制。系統的三個部分之間需要密切的通信聯系，考慮上位機通常位于中央控制室，而下位機通常位于控制現場，通訊距離較遠，通訊環境惡劣的特點，因此采用RS232串行接口加Mode轉電話線的通信方式。三個部分構成一個實時通信網絡，實現系統之間的數據交互。基本結構如圖1所示。

當車輛通過感應線圈時，線圈檢測器采集原始交通數據，并以存在式或脈沖式輸出的方式通過總線提供給上位機；上位機根據這些數據及線圈的長度、車輛通過的時間等數據計算出車輛的速度、交通量及占有率等參數，最終轉化成各交叉路口優化后的配時方案；配時方案在上位機上形成以后，傳輸到PLC數據存儲區，并發出指令來讀數據，以實時地更新配時時間，使交通燈控制系統自動地適應交通流的隨機變化。

2　系統硬件結構

2.1交通流量檢測裝置

526B線圈檢測器是一種專門為車輛出入口控制而設計的雙通道盒式車輛檢測器，每個通道可設置為存在式或脈沖式兩種輸出方式。當金屬物體接近埋設在路面以下下的環形線圈時，線圈的電感就會發生變化，這種變化通過耦合電路后轉換成振蕩信號，處理器根據振蕩頻率來判斷車輛的通過與存在；檢測器到環形線圈的電纜線長度必須小于150m。線圈電感量的有效范圍在20～2200uH。

2.2耦合振蕩電路

耦合振蕩電路如圖2所示。耦合振蕩電路采用的是電容反饋三點式振蕩電路。圖中耦合變壓器原副邊匝數比例為1∶1；兩個反接的穩壓二極管可以將正弦振蕩信號的電壓輸出范圍抑制在-5～+5V之間；二極管P6KE12CA的作用是消除由靜電等原因引起的瞬間電壓變化。比較器LM339將正弦振蕩信號整形后，信號會被送入整形和放大電路，進行二次整形和放大；被放大了的信號最終輸出到微處理器的計數單元。該振蕩電路科根據實際需要，增加多路檢測通道。

2.3交通燈控制器

采用歐姆龍CPM2A-PLC為控制系統的核心。一方面接受來自上位機發出數據信息，存儲在PLC數據存儲區；另一方面發出控制指令指令，以實現各個交叉口信號燈配時時間的實時更新，調節信號燈的綠信比，從而實現區域內交通流自適應控制。[2]

2.4通信接口

中央控制室中的計算機作為上位機，控制現場PLC作為下位機。上位機與PLC距離較遠，故采用RS232C串行接口加Modem轉電話線的方式進行通信。[3]一方面，CPM2A-PLC的CPU單元和PC機都帶有RS232C串行端口，因此不必配置專門的串口驅動模塊，用電纜接口直與串行口相連即可；RS232C串口通信技術已經非常成熟，穩定性好，可靠性高。另一方面利用已經鋪設好的電話線進行遠程通信，只需通過Modem對接口進行簡單轉換，節約了重新打量布線的成本。通信端口連接如圖3所示。

3　軟件設計

智能交通控制系統需要采樣的基本交通參數主要有：速度、密度、占有率、交通流量、排隊長度等。這些參數可以通過檢測器直接獲取測量數據并通過進一步分析計算，進行優化。在一條車道上，相距一定距離的兩個位置分別鋪設環形線圈，環形線圈的輸出方式可以是方波或脈沖，讓處理單元對輸出信號的上升沿或下降沿進行計數，從而檢測交通流量。線圈埋設位置如圖4所示。

當有車輛經過環形線圈時，記下車輛進入前置線圈的時刻t1、離開前置線圈的時刻t2、進入后置線圈的時刻t3和離開后置線圈的時刻t4，假定線圈之間的距離為S。

由處理單元給出一個等間隔序列的時間脈沖，如間隔為p(ms)的時間脈沖。當有車輛進入前置線圈A時，脈沖開始計數；當車輛進入后置線圈B時，脈沖計數結束，從而就可以得到車輛通過距離為S所需要的脈沖個數N，則汽車的速度可以計算為：[4]

系統可以計算在一個記錄周期內通過車道的車輛速度的算術平均值。即該時間段內的交通流的時間平均速度為：

當一個記錄周期內沒有車輛通過時，那么時間平均速度可視為零。

空間平均速度是指在某一時間內通過某一個路段的所有車輛的平均速度的均值。假設路段的長度為L，在一個記錄周期內一共有n輛車通過了該路段，那么這n輛車通過該路段的平均行駛時間就是：

于是該記錄周期內的空間平均速度為：

占有率定義為一路段內車輛所占用的道路長度總和與道路長度之比。由于難以測量通常用時間占有率代替。用環形線圈檢測器來測量時間占有率必須將檢測器工作方式置成方波工作方式。設在某個記錄周期期T內，共有n輛車通過了檢測線圈，測得第i車道的車輛j通過環形線圈的方波寬度為tij，那么在該時間段內，車道i上車輛的時間占有率就是：

交通密度為：

交通量和車流來向及去向:

記錄周期T內經過車道的車輛數為n。第i車道在該周期的交通流量為：

ni——第i車道檢測器的計數值；T——記錄周期。

信號交叉口延誤和排隊長度的計算：

信號交叉口延誤比較復雜，涉及因素多.延誤與排隊相互關聯，延誤和排隊主要與信號周期、配時以及交通量有關，此外還與一些隨機因素有關。[5]

Webster交叉口進口車道延誤的的計算公式如下：

式中，d為每輛車的平均延誤，c為信號周期時長，λ為綠信比，即有效綠燈時間與信號周期時長的比率；q為車流量，x為飽和度。[6]

信號交叉口的排隊長度計算，按流量飽和和流量非飽和可以分成兩類：

當車流量不飽和的時候，排隊長度N為：N=qr

車流量達到飽和時，排隊長度N為：N=qd

綠燈啟亮時的平均排隊長度N為：N=qd+qr/2

N為飽和綠燈啟亮時的初始排隊車數，r為有效紅燈時間的時長，d為單線進口道上每車的平均延誤。

車輛檢測器程序如圖5所示。

4　結論

該系統采用計算機與PLC相結合的結構，為用戶提供一種可以根據車流量自動調節各個交叉路口配時比的自適應交通燈聯合控制系統。在該系統中，計算機作為上位機，可以對由檢測器傳送過來的數據進行計算處理，將各個交叉路口的配時進行優化；可以為用戶提供良好的人機交互界面，在控制室中對整個系統進行監控和管理；PLC作為下位機，是整個交通控制系統的執行者，它將上位機發送過來的配時時間轉換成控制信號，向交通燈發送指令，實現自適應控制。

參考文獻：

[1]孔慶華.現代交通電子控制技術[M].東北林業大學出版社,2004.

[2]求是科技.PLC應用開發技術與工程實踐[M].人民郵電出版社，2005(01).

[3]王立權,王宗義,王淑鈞.可編程控制器原理與應用[M].哈爾濱工程大學出版社,2004.

[4]張艷芳,夏守先.基于可編程控制器的車輛檢測器系統設計[M].廣東科學院自動化工程研制中心.

[5]臧利林，賈磊，秦偉剛等.基于環形線圈車輛監測系統的研究與設計[M].濟南:山東大學控制科學與工程學院,250061.

[6]吳兵,李曄.交通管理與控制（第三版）[M].人民交通出版社,2005(08).

作者簡介：宋秋實（1986-），男，碩士，研究方向：機械電子工程。