基于人工智能的交通燈控制系統(tǒng)的設(shè)計

(四川省溫江中學(xué)　四川　成都　611130)

隨著私家車的普及以及外來人口不斷涌進大城市，造成了交通擁堵情況非常明顯，如何能夠有效地解決質(zhì)疑問題事關(guān)城市發(fā)展大局。隨著私家車的不斷普及，城市的交通問題日益嚴重。如何有效地對交通流進行有效地管控以獲得最高的交通運行效率，對城市的長期發(fā)展事關(guān)重大。基于以上考慮，本文研究開發(fā)出一種基于PLC的交通信號燈智能控制實驗裝置。該裝置不僅具備了一些常規(guī)的控制功能，如南北、東西紅黃綠燈循環(huán)啟動；倒計時顯示時間；手動調(diào)節(jié)紅綠燈亮的時間；緊急情況下的紅綠燈控制等，還能夠根據(jù)主次干道車流量的大小自動調(diào)節(jié)紅綠燈亮的時間；能夠根據(jù)時間段調(diào)節(jié)紅綠燈點亮的時間等。另外本文采用了一種易于實現(xiàn)的基于車流比的周期自動切換方法，使得在調(diào)節(jié)紅綠燈時間長度時無需進行復(fù)雜計算，從而簡化了PLC的程序設(shè)計，設(shè)計的控制系統(tǒng)具有可靠性高、實時性好等特點。

一、系統(tǒng)設(shè)計思路

整個系統(tǒng)采用觸摸屏作為上位機，PLC為主要控制核心，光電開關(guān)與聲音傳感器為車輛檢測元器件，紅綠燈和數(shù)碼管為主要控制對象。系統(tǒng)在智能工作模式下，能夠根據(jù)交通燈的每個工作周期內(nèi)道路的車流量，計算得到下一周期交通燈工作的最優(yōu)時間值，以此為依據(jù)，通過PLC控制方式自動調(diào)節(jié)紅綠燈亮的時間，并能夠根據(jù)時間段調(diào)節(jié)紅綠燈亮的時間。當特種車輛(如救護車、消防車)到來時，還能夠自動啟動急車強通通行模式。觸摸屏作為一種智能控制設(shè)備，可以實現(xiàn)遠距離控制和系統(tǒng)狀態(tài)顯示，可以實現(xiàn)工作模式的切換，用于代替?zhèn)鹘y(tǒng)的按鈕輸入，同時可以實時監(jiān)控交通燈的工作狀態(tài)。

二、系統(tǒng)元器件選型與硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

本裝置中上位機采用了觸摸屏。觸摸屏提供了320×240像素的分辨率，具有多種通訊端口。由于其界面良好、功能多樣、控制靈活、方便、價格便宜等優(yōu)點，在工業(yè)控制領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

在PLC選擇方面，根據(jù)系統(tǒng)的控制要求，需要模式選擇開關(guān)4個，東西和南北向車輛檢測傳感器4個，4個方向的聲音傳感器4個。由于南北向車輛檢測傳感器可以共用1個輸入點，東西向車輛檢測傳感器可以共用1個輸入點，4個方向的聲音傳感器可以共用1個輸入點，因此本系統(tǒng)總共需要輸入點7個。輸出部分需要控制信號燈和倒計時時間顯示，以及人行橫道燈等，其中信號燈需要6個輸出點，人行橫道燈可以與信號燈共用輸出點。由于只顯示1位倒計時數(shù)據(jù)，4個方向的倒計時顯示需要16個輸出點，因此整個系統(tǒng)需要22個輸出點。考慮到成本的因素，本系統(tǒng)中PLC主機采用了西門子S7-200CPU224(16個輸入點，10個輸出點)，外加2個EM2228路輸出擴展模塊，總共可以提供16個輸入點和26個輸出點，滿足系統(tǒng)控制的需要。光電開關(guān)采用了飛凌公司生產(chǎn)的E3JK-DS30M1，能夠?qū)崿F(xiàn)30cm內(nèi)的車輛檢測。數(shù)碼管采用常規(guī)的2HS228021型號數(shù)碼管，用于倒計時顯示1位時間。聲音傳感器采用聲控開關(guān)代替。

三、系統(tǒng)軟件設(shè)計

智能交通燈PLC控制實驗裝置的軟件設(shè)計包括了2個部分：觸摸屏組態(tài)軟件設(shè)計和PLC控制程序設(shè)計。其中組態(tài)軟件設(shè)計主要設(shè)計觸摸屏的操作畫面，便于實現(xiàn)人機交互。而PLC控制程序主要實現(xiàn)交通燈的循環(huán)顯示功能與倒計時數(shù)碼顯示功能。

(一)觸摸屏組態(tài)軟件設(shè)計

利用與eView觸摸屏相配套的EV5000組態(tài)軟件可以實現(xiàn)本裝置的觸摸屏組態(tài)畫面設(shè)計。EV5000組態(tài)軟件功能強大，支持C語言宏腳本，簡單易學(xué)，豐富的圖庫提供給用戶自由選擇，用戶可以編輯觸摸屏啟動LOGO畫面。

整個畫面由信號燈、倒計時數(shù)碼顯示、車流檢測顯示、系統(tǒng)當前時間及操作菜單等幾部分組成。通過點擊相應(yīng)的菜單項，可分別進入到“工作模式選擇窗口”和“系統(tǒng)時鐘設(shè)置窗口”。在“工作模式選擇窗口”中提供了4個模式選擇按鈕，通過點擊不同的按鈕系統(tǒng)可以進入相應(yīng)的工作模式。在“正常工作模式”下，可以通過手動設(shè)置東西綠燈和南北綠燈的點亮?xí)r間。在“系統(tǒng)時鐘設(shè)置窗口”中可以手動改變當前的系統(tǒng)時間，用于時間的校正。

(二)PLC控制程序設(shè)計

1.主程序設(shè)計

系統(tǒng)首先通過READ_RTC指令讀取PLC的時間，然后判斷當前時間是否處在白天段還是夜晚段。如果處在白天段則系統(tǒng)自動進入智能工作模式；如何處在夜晚段則進入夜間工作模式。在智能工作模式或夜間工作模式期間，如果聲音傳感器檢測到有緊急車輛通過時，則系統(tǒng)暫停原先的工作模式，快速進入到緊急情況工作模式，并開始計時，15s后待車輛通過，則系統(tǒng)回到原先的工作模式繼續(xù)工作。在任何一種工作模式下，均可通過觸摸屏來手動修改工作模式，進入相應(yīng)的處理環(huán)節(jié)。

2.智能工作模式

智能工作模式下，系統(tǒng)通過設(shè)置在每個方向的交通燈上方的車流檢測傳感器，檢測一定時間內(nèi)該方向的車流數(shù)量。由于南北向共用1個車輛檢測傳感器，東西向共用1個車輛檢測傳感器，因此實際測得的車流量為2個方向車流量之和。系統(tǒng)然后根據(jù)2個方向的車流比值確定該方向綠燈點亮的時間。當車流值改變時，相應(yīng)紅綠燈點亮的時間也會隨著改變。

智能工作模式下程序設(shè)計思路描述如下：

(1)設(shè)置車輛檢測周期T0，周期可通過觸摸屏進行手動調(diào)節(jié)。

(2)在一個車輛檢測周期內(nèi)，檢測東西向和南北向的車流量，分別放入MW1000和MW2000數(shù)據(jù)變量存儲器中。其中MW1000為一個車輛檢測周期內(nèi)東西向的車流量，MW2000為一個車輛檢測周期內(nèi)南北向的車流量。

(3)如果僅南北向的車流量MW2000為0，則設(shè)置VW10為35s，VW100為15s，其中VW10為東西向綠燈亮的時間，VW100為南北向綠燈亮的時間。如果僅東西向的車流量MW2000為0，則設(shè)置VW10為15s，VW100為35s。如果2個方向的車流量均為0，則設(shè)置VW10、VW100均為25s。

(4)如果MW1000和MW2000均不為零，則計算MW1000和MW2000的比值，放入存儲器MW1500中。并根據(jù)比值的大小設(shè)置東西向和南北向綠燈點亮的時間。

(5)計算紅黃綠燈的循環(huán)點亮周期T1：T1=VW10+VW100+綠燈閃爍時間(此處設(shè)置為3s)+黃燈點亮的時間(此處設(shè)置為2s)

(6)在一個循環(huán)周期內(nèi)，依次點亮東西向和南北向的紅綠黃燈。

(7)在1個循環(huán)周期內(nèi)，觸摸屏倒計時顯示2位綠燈點亮及閃爍的時間，而數(shù)碼管倒計時顯示最后9s鐘內(nèi)綠燈點亮及閃爍的時間。

3.常規(guī)工作模式

常規(guī)工作模式的程序設(shè)計思路與智能工作模式相類似。只不過東西向綠燈點亮?xí)r間設(shè)定值VW10和南北向綠燈點亮?xí)r間設(shè)定值VW100由系統(tǒng)設(shè)定，同時可以通過觸摸屏手動修改。

4.夜間工作模式

在20：00到6：00時間段，系統(tǒng)進入夜間工作模式，此時2個方向的黃燈以1s周期進行閃爍，提醒車輛注意，同時倒計時數(shù)碼顯示自動停止工作。

5.緊急工作模式

緊急工作模式下，系統(tǒng)利用在每條道路上設(shè)置的聲音檢測傳感器，檢測特種車輛的到來，如救護車、消防車、警車等。當任何一個方向的聲音傳感器檢測到信號時，系統(tǒng)即進入緊急情況工作模式，此時2個方向的紅燈以1s周期進行閃爍，提示有緊急車輛需要通過。同時倒計時數(shù)碼顯示自動停止工作。待緊急車輛通過時(此處設(shè)置為15s)，系統(tǒng)退出緊急工作模式，回到原先的工作模式繼續(xù)工作。

四、交通燈實驗裝置與操作說明

本文研究開發(fā)的人工智能的交通燈PLC實驗裝置如圖1所示。整個裝置以1塊有機玻璃為基底，其上按照真實道路情況繪制交通通道與人行橫道，并安裝有28盞交通信號燈、4個數(shù)碼管、兩個車輛檢測傳感器、電源、PLC、觸摸屏等模塊。接通電源后，打開電源開關(guān)，此時觸摸屏顯示出主界面。通過手指點擊界面上的“菜單”項，彈出菜單窗口，在其中點擊“工作模式選擇”項，觸摸屏進入到“工作模式選擇窗口”，在其中可點擊選擇各種工作模式(如“智能模式”)，選擇完后點擊“返回”按鈕，系統(tǒng)返回到主界面。點擊主界面中的起動按鈕，系統(tǒng)即進入智能工作模式，此時車流傳感器處于工作狀態(tài)，當有車輛經(jīng)過時，主界面上的2個車輛檢測數(shù)據(jù)值會顯示具體的數(shù)目。當車輛檢測周期到時(初始設(shè)置為2min)，2個方向的紅綠燈會隨著2個方向的車流量改變而改變。時間顯示部分，觸摸屏倒計時顯示的是2位數(shù)據(jù)，而交通燈處顯示的是1位數(shù)據(jù)。如果選擇的是“正常工作模式”，則紅綠燈會按固定周期進行循環(huán)工作。工作周期也可以通過點擊相應(yīng)的數(shù)值輸入按鈕進行調(diào)整。

圖1　人工智能的交通燈PLC控制實驗裝置實物圖

五、結(jié)語

本文研究開發(fā)出1種新型的交通信號燈智能控制實驗裝置。該裝置的主要特點：①貼近現(xiàn)實，真實感強，其結(jié)構(gòu)完全是依據(jù)真實交通燈控制系統(tǒng)進行設(shè)計的，能夠激起學(xué)生的學(xué)習(xí)和研究興趣；②功能多樣，能夠模擬現(xiàn)實交通燈控制的多種狀態(tài)，如常規(guī)固定周期工作狀態(tài)、夜間工作狀態(tài)、緊急車輛通過工作狀態(tài)，基于車流檢測的智能工作狀態(tài)等；③控制靈活。采用觸摸屏作為人機交互界面，可實現(xiàn)遠距離操作和狀態(tài)監(jiān)控，實時監(jiān)測十字路口的交通狀況，同時也可減少PLC輸入輸出點的數(shù)量；④實用性強。如果將裝置中的車流檢測傳感器用紅外攝像頭或地感線圈代替，交通信號燈用實際應(yīng)用的大功率信號燈代替，則該裝置完全可以應(yīng)用于現(xiàn)有的交通燈控制。該裝置與現(xiàn)有的同類實驗裝置相比，主要創(chuàng)新點為：①采用了觸摸屏與檢測傳感技術(shù)來調(diào)整和監(jiān)控交通燈的運行狀態(tài)，人機界面良好，可實現(xiàn)遠距離控制；②能夠根據(jù)每個方向的車流量自動調(diào)節(jié)紅綠燈點亮的時間；能夠根據(jù)系統(tǒng)時間自動調(diào)節(jié)紅綠燈的工作模式；③該裝置采用開放式三維立體結(jié)構(gòu)，模擬真實的交通燈控制方式，方便學(xué)生自由設(shè)計實驗項目，可鍛煉學(xué)生觸摸屏、PLC、算法設(shè)計等多種編程能力。今后將要改進的是，繼續(xù)研究開發(fā)復(fù)雜路口的交通燈控制裝置，將單一通行方向改為多車道通行方向，以更加貼近十字路口的真實交通狀況。

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