基于Labview的城市道路交通管制系統設計與仿真

張鵬展，高航，張冷，程任翔，張金，劉飛，李玉魁

（金陵科技學院電子信息工程學院，江蘇南京，211169）

0 引言

現代城市交通負荷大，交通事故頻發加劇。同時由于城市高速路構造的固有特點，相應交通情況與普通道路耦合處有所不同。開發一套有效服務于城市交通的控制系統，用于交通數據監測、交通疏導與控制，非常必要及時。如今，計算機管理系統已成為城市交通指揮系統中最重要組成部分，計算機與儀器技術相結合，使得交通系統更加便捷智能化，智能交通將會是未來城市交通建設的發展趨勢[1-2]。用于設計交通控制系統的方法較多，如可編程控制PLC、單片機、標準邏輯器件燈等；然而這些需要調試電路，更需硬件支持，增加了設計的難度與工作量。虛擬儀器技術的出現，打破了傳統儀器由生產廠家定義，用戶無法改變的模式。LabVIEW軟件具有編程簡單、靈活、可靠性高等優點，成本低、經濟效益高，給傳統交通燈控制技術產生了不小的影響[3-4]。盧佩等人報道，使用LabVIEW可模擬出傳統交通燈中三色交替點亮功能[5]。吳義滿指出，利用LabVIEW設計的交通燈不僅能模擬真實交通燈工作，工程師還可創建更高效便捷的自定義解決方案[6]。徐曉龍等人使用LabVIEW進行教學改革創新，通過虛擬儀器設計出的交通燈可改善傳統交通燈設計過于死板的缺陷[7]。本文中，我們基于虛擬儀器LabVIEW軟件開發平臺，設計出了一套不同于以往報道的交通燈管理控制系統。該系統不僅具有傳統交通燈紅黃綠三色燈的交換，同時還加入了相應的計時功能，并且實現了一鍵紅綠燈的轉換。

1 設計簡介

整個道路交通管制系統共分為3個大模塊，其中包括了交通燈模塊、倒計時模塊和一鍵紅綠燈功能模塊。通過簇創建交替燈，使用循環結構并配合使用層疊順序結構實現紅綠黃燈交替變化，模擬出真實道路交通路況[5-7]。通過對路口實時監控，添加倒計時模塊，使用數組的索引來控制簇控件模擬的LED燈，之后加上相應算法實現紅綠黃燈倒計時功能。根據實際交通路況，黃燈并非一直處于點亮狀態，而需閃爍一段時間為路口等待車輛緩沖，黃燈閃爍模塊功能通過某數除以2得到余數為1或0來控制點亮與熄滅，并將循環時間縮短以實現燈閃爍。最后設計GUI界面，根據實際情況合理布置相關路口與圖形化圖標。

2 交通燈模塊設計

2.1 交通燈模塊

交通燈模塊為整個系統設計的核心模塊。首先創建一個自定義模型，自定義一個.ctl文件，以此創建自定義交通燈控件。當然，也可放入3個圓形LED燈控件作為交通燈。在不同的零件層添加不同的圖形數據，底層為矩形框，中層為圓形框，并將3個圓形分子（element）設置為布爾常量分別顯示為綠、紅、黃，最上層為名稱顯示框，顯示控件名稱為交通燈，便于下面模塊調用。將3種顏色燈光分別設置為3個布爾常量（bool），倒計時結束時，依次調用這三個bool，就可實現紅綠黃燈交替。

2.2 倒計時模塊

倒計時模塊整合了倒計時和時間設置，使用LabVIEW中時間應用快速VI，通過對快速VI所提供的時間端子進行設置，以實現所需的各種功能。如圖1所示，在快速VI重啟端子（reset）接入預先設計好的案例結構，圖中true代表南北方為綠燈，東西方為紅燈，false時相反。時間目標端子（target）接入的是用戶自定義設置的時間數據，然后和時間消耗端子（elapsed time）輸出的經過時間進行減法操作得出剩余的時間，最后通過轉換函數（U8）將時間數據轉換為無符號的8b位整數（unsigned 8 bit integer）進行輸出。

2.3 一鍵紅綠燈功能和黃燈功能模塊

黃燈功能與一鍵紅綠燈功能集成在一起，所以當正常運行時黃燈會閃爍，當一鍵紅或綠燈后，時間結束時黃燈還是會進行閃爍，之后回歸正常。這里用到的設計為枚舉法，通過枚舉依次實現紅、綠、正常。當選擇一鍵紅燈或綠燈時，程序進入枚舉選擇并將選擇信息存入數組，通過屬性節點（property node）返回到交通燈模塊并將數據傳送到for循環并根據枚舉選擇，決定是一直讓綠燈亮還是紅燈亮。圖2為交通燈模塊中的for循環以及枚舉操作中屬性節點。

當枚舉信息進入交通燈模塊時，還會經過黃燈功能區。黃燈架構和正常紅綠燈運行架構相似。如圖3所示，枚舉信息返回后，黃燈功能區通過循環迭代端子（loop iteration）與數據流相聯通，并隨信息流向一并發送到最終顯示控件中，并隨結果顯現出來。對于黃燈的閃爍和倒計時功能，用戶通過for循環數值來改變黃燈運行時間，而閃爍功能則是直接使用了not函數。我們預設輸入為F，第一次循環黃燈亮起，此時x為T；第二次循環時x的輸出為flase，黃燈熄滅；添加一個300ms延時后，黃燈就能實現閃爍功能了。

圖1 倒計時功能程序框圖

圖2 for循環（左）和屬性節點（右）

圖3 黃燈功能

3 GUI界面設計

本交通燈管制系統的圖形用戶界面，根據實際情況中的交通路口所創作示意，視覺效果更加的人性化，完全符合城市交通管控所需，比早起的命令行界面，用戶更易于從視覺上接受。圖4為操作界面GUI，界面的圖標功能與軟件的實際功能相匹配，不會出現有任何功能不能夠正常使用。

圖4 操作界面GUI

4 結語

本文針對日益嚴峻的交通問題，介紹了使用虛擬儀器LabVIEW平臺研究開發新交通控制系統的方法，不僅實現了傳統紅黃綠三色燈的交換，同時還加入了相應計時功能與一鍵紅綠燈轉換功能。通過接入GUI界面，使用者能更直觀了解并實際操作交通控制仿真所實現的功能。后期可使用NI ELVIS平臺與LED實物化并加以完善，使用硬件完整還原本次設計中的仿真。