基于組合脈沖的交通信號節能控制研究

楊志華

(1.城市交通管理集成與優化技術公安部重點實驗室，安徽 合肥 230088；2.安徽科力信息產業有限責任公司，安徽 合肥 230088)

基于組合脈沖的交通信號節能控制研究

楊志華1,2

(1.城市交通管理集成與優化技術公安部重點實驗室，安徽 合肥 230088；2.安徽科力信息產業有限責任公司，安徽 合肥 230088)

當前降低交通信號控制系統能耗的主要方法是采用更低能耗的信號燈或信號機，但受制于新技術的進步及推廣，且需更高的應用成本。為此，文章綜合研究信號機和信號燈的連接控制，充分利用信號燈的交流供電控制線，提出了一種基于組合式觸發脈沖信號的信息傳遞方式，并用于交通信號控制系統的功率調控。通過信號機對信號燈的遠程調控，實現了對單路口多組信號燈降低功率的集中控制、遠程管理及智能配置；該控制方法有利于系統節能減排的有效實現及交通信號的優化管理。

信號機；信號燈；節能控制；脈沖信號；功率調節

0 引言

交通信號控制系統用于控制并指示道路交通信號的運行，是智能交通系統的重要研究領域之一[1]。隨著節能降耗標準在各行業的深入應用發展，交通信號控制系統的節能指標也越來越高。如在城郊地區或者鄉鎮等地方，信號控制系統的普及率也越來越高，但在夜間等特殊時間或車流量很少的時間段，可進一步考慮降低功耗的方法。當前對交通信號控制系統的節能方式一般主要采用進一步降低信號燈功耗的方法，或者采用降低信號機的功耗、采用夜間熄燈等方式。信號燈功耗的降低與節能燈及電子技術的發展及成本的控制密切相關，較低的功耗設備需較先進的技術水平及較高的推廣成本，只可逐步發展應用，如調光電路[2]和LED燈[3-4]的推廣應用。不同于路燈的控制[5]，單獨調整某個信號燈的亮度[6]則無法實現路口的集中控制和遠程管理；信號機自身的功耗降低更與電子控制技術的發展密切相關，在滿足可靠性的前提下，其功耗的降低對成本的影響更大；夜間直接將部分信號燈熄滅的方法[7-8]也存在較多應用不足，如采用夜間熄滅左轉右轉的箭頭燈而只亮中間圓盤燈的方式，容易導致直行左轉的通行沖突，不利用交通信號控制的最優管控。本文充分利用當前的信號燈及控制系統條件，基于觸發脈沖技術[9]，采用組合式觸發脈沖信號的方式，研究信號機對信號燈節能降耗的智能管理方法。

1 觸發脈沖信號的實現

觸發脈沖信號控制可用于無通信連接的設備間的簡單信息交互，如圖1所示，控制設備通過其脈沖信號控制源發送一定時間寬度的脈沖信號，終端設備的接收器接收并判斷該脈沖信號的有效性，并根據預定的協定改變終端設備的工作模式，實現終端設備工作狀態的變換。如圖2所示，觸發脈沖信號一般為在一定周期T的高電平時間內，發出一個時間段為t的低電平脈沖，該低電平脈沖不影響系統的正常運行，并可被終端設備有效檢測。

圖1 脈沖信號的發送與接收

圖2 脈沖信號基本形式

道路交通信號控制系統的信號機與信號燈的連接一般為僅有交流電源控制線的連接，信號機通過對其輸出的單個信號燈供電電源的控制，可控制信號燈的開關；由于信號機與信號燈之間無通信連接，信號機要實現對信號燈開關狀態外的狀態控制也只能通過交流電源線來管理。在運行期間，信號機通過發送單脈沖觸發信號，可實現與信號燈之間的協定信息傳遞，實現對信號燈的遠程控制。然而由于單脈沖信號表達的信息唯一，只能實現簡單的狀態觸發，無法實現對信號燈的更復雜管理，為此，本文開展了基于組合式觸發脈沖信號的節能控制方法研究及應用分析，以實現利用信號燈交流電源控制線，遠程調節信號燈的功率。

2 基于組合式脈沖的節能控制系統

圖3 信號機調控流程圖

實現信號機對信號燈的遠程節能信息傳遞，需具備三個條件：觸發信息的有效識別、節能信息的增減識別、節能調節比例。為此，本文采用組合式觸發脈沖開關信號實現信號控制設備對信號燈設備的功率調整信息傳遞，信號控制系統通過發送時間寬度不同的多個脈沖組合，分別表示是否觸發功率調整功能、降低信號燈的功率還是增加功率、功率調整的額度等信息，通過對信號燈的控制開關進行觸發式脈沖開關控制將功率調整信息傳遞給信號燈設備。信號控制系統采用對整個信號燈輸出回路電壓和電流進行檢測的方法，通過檢測并分析在相同的燈組狀態時信號燈總功率的變化來判斷功率調整功能執行的效果，將相應參數進行保存或上傳，供后期分析使用。其控制流程如圖3所示。

圖4 信號燈調控流程圖

交通信號燈設備采用實時檢測及分析相應的信號機開關脈沖信息方法，判斷對信號燈的功率調整脈沖信息；根據與信號機的協定，信號燈的燈控模塊首先檢測判斷脈沖是為進行功率調整的脈沖還是其他干擾脈沖，然后判斷增加或降低功率，最后檢測功率調整的額度；根據以上脈沖信息，在符合相應的增減條件下，燈控模塊執行對信號燈的功率調整。其調控流程如圖4所示。

3 功率調節的應用實現

如圖5所示，由于當前信號燈多為LED燈，每個紅黃綠信號燈組一般由一個總的燈控模塊進行管理。紅黃綠信號燈開關分別為K1、K2、K3，信號機通過燈控模塊對相應紅黃綠信號燈進行開關控制。信號機通過觸發脈沖信號對信號燈進行功率調節時，只需觸發一個交流控制線即可，考慮到實際的信號運行時，黃燈和綠燈有閃光控制功能，一般通過對紅燈控制線施加脈沖信號，實現對整個信號燈組的功率調節。信號機通過對紅燈開關K1的脈沖觸發控制，即可實現觸發脈沖信號的有效發送。

圖5 信號控制系統結構圖

應用實現時，信號機與交通信號燈的脈沖信息控制，采用3次連續的脈沖開關信號。第一個脈沖表示調整功率信息的觸發信號，為100 ms的脈沖，信號燈檢測到該脈沖信號則初步判斷為需要進行功率調節，需繼續檢測后續脈沖信號的有效性，設置100 ms的脈沖以與干擾脈沖有效區分。第二個脈沖表示功率增減信息，設定100 ms的脈沖表示功率減小，200 ms的脈沖表示功率增加。第三個脈沖表示功率調整的比例，時間控制為100 ms～500 ms，每100 ms表示功率在基本功率的基礎上增加或減小10%，這樣可將信號燈的功率降低到正常值的一半；對于低于50%的功率降低調節需求，一般直接采用熄燈的控制方法；同時，脈沖信號的時間一般不要超過500 ms，以免產生信號燈誤滅的故障，影響交通的正常運行。為更好地降低對交通運行的影響，信號機發送功率調整脈沖信號固定在每個信號控制狀態切換前的3 s進行，每一秒通過紅燈控制線發送一個脈沖，實現組合脈沖信號的有效發送。

本文中，電流檢測采用20 A/20 mA的TS060-1電流互感器，最大測量20 A的交流供電，可直接將交流火線L穿過其內孔來檢測電流，并實時檢測電流互感器的電流值。根據交通信號控制需要對信號燈進行脈沖開關控制時，在每次功率調整前后，需對信號燈的電壓和總電流進行檢測并保存，如果調整后的功率與調整前的功率變化比例與調整的比例一致，則可判定為調整成功；如差異較大，則判斷為調整不成功。微控器對功率調整信息及檢測的電壓電流信息均進行保存，以便后期分析查看。

燈控模塊在檢測到相應的功率調整的脈沖開關信號后，執行對信號燈的功率調整。考慮信號燈的最大功率限制以及最低亮度要求，如功率降低信息低于信號燈的最低亮度及功率限制要求，則只調整至最低限制功率；如功率增加信息高于信號燈的最高亮度及功率限制要求，則只調整至最高限制功率，以確保信號燈及道路交通的正常運行。

4 結論

本文采用觸發脈沖的形式，通過組合式觸發脈沖開關信號的有效設計，實現了信號機對信號燈設備的功率調整，有效地實現了信號機的節能降耗；無需信號燈節能技術的深入發展，且無需增加相應的布線成本，即可實現對信號燈的功率調節；在夜間車輛較少的情況下，也無需通過熄燈的方式降低信號燈的功耗，可更好地保證交通信號控制的優化。由于該節能控制方法由信號機統一控制，實現信號燈功率的統一調節，無需對單個信號燈組進行設置。同時由于信號機具備聯網功能，可根據需求遠程控制信號燈的功率變化。信號機也可通過對車流量及外部光線等環境的檢測，自適應地調整功率變化狀況；對于設定固定時間段的功率調整需求，如車流量較大或者可見度不高，則可不執行設定的功率降低參數。因此，該方法具有較好的靈活性及智能性。

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Study on energy saving control of traffic signal based on combined pulse

Yang Zhihua1,2

(1.Key Laboratory of Urban ITS Technology Optimization and Integration, Ministry of Public Security, Hefei 230088, China;2.Anhui KeLi Information Industry Co.,Ltd., Hefei 230088, China)

The main way to reduce the energy consumption of traffic signal control system is to use low-power signal lights or signal controllers, but it limits by the progress and promotion of new technologies, and needs for higher application costs. Therefore, this paper studies the connection control of signal controller and signal light, makes full use of AC power supply control line of signal light, presents a kind of information transmission method based on combined trigger pulse signal, and is used in power regulation of traffic signal control system. The signal control system can realize the centralized control, remote management and intelligent configuration of the multiple single lights reducing power, through remote control of the signal controller. The control method is beneficial to the realization of energy saving and emission reduction and the optimization of traffic signal management.

signal controller; signal light; energy-saving control; pulse signal; power adjustment

TP273

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.09.019

楊志華.基于組合脈沖的交通信號節能控制研究[J].微型機與應用，2017,36(9)：64-66.

2016-12-05)

楊志華(1983-)，男，碩士，主要研究方向：交通信號控制及優化技術。