車流量實時檢測的交通燈配時監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

孫竹梅，張玥玥，王 琦，王 政

(1.山西大學(xué)自動化系，山西 太原 030013；2.山西省實驗中學(xué)，山西 太原 030031)

0 引言

傳統(tǒng)城市干道的十字路口交通信號控制系統(tǒng)是按固定方式運(yùn)行的定時控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)有兩點不足：在車流量較少的夜間，由于交通燈仍按固定方式運(yùn)行，會造成不必要的通行等候；在車流量大的白天，尤其是車流高峰時段，在直行車道上經(jīng)常出現(xiàn)交通擁堵，降低了道路的通行能力。

本文提出一種基于車流量實時檢測的控制方案。該方案可根據(jù)車流量大小，及時合理調(diào)配十字路口各個方向信號燈時長，實現(xiàn)交通燈的有效控制，保持道路暢通；借助監(jiān)控組態(tài)技術(shù)，創(chuàng)建遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，遠(yuǎn)程監(jiān)控道路的通行狀況，將有助于提升交通管理的自動化水平。

1 現(xiàn)場情況調(diào)查分析與總體設(shè)計思路

某十字路口東西方向是連接居民區(qū)的主干道，車流量相對較小，車流高峰時段為早上和傍晚。南北方向為連接商業(yè)區(qū)和中小學(xué)校的主干道，在早7時至晚22時車流量都比較大，而且具有不確定性。南北方向在車流高峰時，車流量比東西方向大。另外，該十字路口左轉(zhuǎn)方向車流量相對較小，且平穩(wěn)。

通過對現(xiàn)場交通狀況調(diào)查，重新設(shè)計交通信號燈控制系統(tǒng)，以減少不必要的通行等候時間，緩解道路的擁堵情況。系統(tǒng)總體設(shè)計思路如下：將交通燈控制模式分為日間繁忙模式、日間正常模式和夜間模式，編寫相應(yīng)的交通燈配時控制程序。車流量檢測系統(tǒng)實時檢測車流量，可編程邏輯控制器(programmable logic comtroller,PLC)根據(jù)車流量實際情況調(diào)用不同的交通燈控制程序，自動合理調(diào)配各方向的紅綠燈時長。

2 設(shè)計方案

基于車流量實時檢測的交通燈遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)分為上位系統(tǒng)、下位PLC控制系統(tǒng)和現(xiàn)場監(jiān)控設(shè)備。上位系統(tǒng)為計算機(jī)，顯示W(wǎng)inCC監(jiān)控組態(tài)畫面，實現(xiàn)可視化監(jiān)視和控制；下位PLC控制系統(tǒng)主要由電源模塊、CPU模塊、數(shù)字量輸入輸出模塊組成；現(xiàn)場監(jiān)控設(shè)備主要包括車流輛檢測系統(tǒng)和交通信號燈被控對象[1-2]。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.1 車輛檢測系統(tǒng)

車流輛檢測系統(tǒng)由220 VAC電源、地感線圈、線圈引線(雙絞線)和地感線圈檢測器組成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 車流輛檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

地感線圈、線圈引線(雙絞線)和地感線圈檢測器(電容C)三者構(gòu)成了LC振蕩電路。

其振蕩頻率(f)可由式(1)算得。

(1)

式中:C為常數(shù)。

當(dāng)有金屬物通過地感線圈時，電感L發(fā)生改變。L值與線圈匝數(shù)、線圈的面積、線圈引線的長度和線圈中的介質(zhì)有關(guān)。在匝數(shù)、面積、引線的長度都確定的前提下，電感值只與介質(zhì)有關(guān)，即振蕩頻率與線圈內(nèi)通過的金屬物體有一一對應(yīng)關(guān)系。當(dāng)振蕩頻率相對于基準(zhǔn)頻率發(fā)生變化時，車流輛檢測系統(tǒng)輸出電壓為5 V的脈沖信號，據(jù)此判定有一輛車通過。通過統(tǒng)計車流輛檢測系統(tǒng)輸出5 V脈沖信號的次數(shù)，可以確定車流量的大小。

在東西向、南北向各設(shè)4個地感線圈，共計8個(因每一方向的紅綠燈時長應(yīng)保持一致，顧只需鋪設(shè)十字路口每一方向任一側(cè))，如圖2所示(只畫出一個方向直行道路的地感線圈)，以統(tǒng)計每個方向直行和左轉(zhuǎn)的車流量。線圈2鋪設(shè)在十字路口人行橫道內(nèi)測黃線處，線圈1則可鋪設(shè)在距離線圈2的100～200 m(也可根據(jù)實際路段長度而定)處。對線圈1和線圈2的檢測信號作差，即可得該方向的車流量。由于右轉(zhuǎn)車輛不受信號燈限制，故不作統(tǒng)計。

2.2 下位PLC控制系統(tǒng)

下位PLC控制系統(tǒng)采用西門子S7-300，由電源、CPU、輸入/輸出模塊組成。西門子S7-300 PLC控制系統(tǒng)與上位系統(tǒng)通過工業(yè)以太網(wǎng)通信，與現(xiàn)場監(jiān)控設(shè)備通過Profibus-DP現(xiàn)場總線通信[3]。

3 程序設(shè)計與調(diào)試

3.1 交通燈實時控制程序分析

交通燈實時控制系統(tǒng)的控制模式分為日間繁忙模式、日間正常模式和夜間模式3種。PLC根據(jù)車流量實際情況調(diào)用不同的控制程序，自動、合理地調(diào)控交通信號燈綠燈時長。

程序由組織塊OB1塊、OB35塊和10個功能(function,FC)子程序組成。組織塊OB1塊讀取車流量實時檢測信息，經(jīng)過與設(shè)定值的比較，判斷當(dāng)前所對應(yīng)的交通燈控制模式;通過調(diào)用FC子程序執(zhí)行相應(yīng)的控制程序，改變交通信號燈時長，從而控制車輛通行。考慮到交通控制系統(tǒng)的整體調(diào)度，當(dāng)接到上位系統(tǒng)的控制指令時，優(yōu)先執(zhí)行上位控制指令。上位控制指令執(zhí)行的相關(guān)程序放在組織塊OB35中[4]。OB35是放置中斷執(zhí)行程序。為配合其他道路的交通，以及管理員對整個市內(nèi)交通的整體調(diào)度而編寫的程序，該運(yùn)行方式可以隨時無條件地執(zhí)行，以提高城市道路整體通行能力和自動化管控水平。

交通信號燈控制系統(tǒng)中，東西方向直行程序流程如圖3所示。

圖3 東西方向直行程序流程圖

以東西方向直行交通燈控制為例，將地感線圈1和地感線圈2檢測的脈沖信號作為下位PLC控制系統(tǒng)加減計數(shù)器的兩個輸入。地感線圈1的脈沖信號是PLC程序加減計數(shù)器的CU端子輸入信號，地感線圈2的脈沖信號是PLC程序加減計數(shù)器的CD端子輸入信號，加減計數(shù)器的CV端子輸出值MW0是東西直行方向紅燈時滯留的車輛數(shù)，加減計數(shù)器的CV端子輸出值MW0與3種交通燈控制模式的各設(shè)定值進(jìn)行比較。根據(jù)比較結(jié)果，確定當(dāng)前交通狀況類型，然后調(diào)用相應(yīng)FC塊，執(zhí)行對應(yīng)的交通燈配時程序。東西直行方向的計數(shù)器在綠燈后復(fù)位清零，紅燈后計數(shù)器開始計數(shù)。東西左轉(zhuǎn)、南北方向直行與左轉(zhuǎn)的控制相同。PLC控制系統(tǒng)周期掃描，實現(xiàn)了基于車流量檢測的交通燈實時控制[5-6]。

下位PLC控制系統(tǒng)采用西門子S7-300 PLC控制系統(tǒng)，工程師可以隨時在線修改程序，修改交通燈的時長，并能夠根據(jù)實際情況編寫更合適的程序，在線下載并立刻投運(yùn)，使得交通更為順暢、合理。這是現(xiàn)在其他控制器不容易實現(xiàn)的。西門子S7-300 PLC的可靠性高，尤其在城市中電感、電磁等多種干擾共存的情況下，可以平穩(wěn)地運(yùn)行。

3.2 上位系統(tǒng)實時監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

西門子視窗控制中心SIMATIC WinCC可用于實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析管理、畫面動態(tài)顯示、報警記錄以及變量歸檔等功能[7-9]。在創(chuàng)建項目工程后，添加通信連接、建立過程變量、創(chuàng)建過程畫面、改變畫面對象屬性，保存下載，運(yùn)行工程，實現(xiàn)對交通燈的實時監(jiān)控[10]。

實時監(jiān)控畫面中包含系統(tǒng)的啟動、停止按鈕；根據(jù)實際運(yùn)行情況，可以在畫面上實現(xiàn)手動/自動運(yùn)行方式的切換，并能夠顧全大局，實現(xiàn)上位控制。

4 交通燈實時監(jiān)控系統(tǒng)效果

采用監(jiān)控組態(tài)技術(shù)，在上位系統(tǒng)中創(chuàng)建變量和人機(jī)接口畫面，并建立變量與人機(jī)接口畫面之間的連接。該系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控畫面可以顯示所有下位PLC控制系統(tǒng)及現(xiàn)場設(shè)備的實時檢測參數(shù)、交通燈狀態(tài)等信息，方便監(jiān)控室的監(jiān)控人員了解路口交通情況。監(jiān)控人員也可以根據(jù)整個路段的交通需求進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)配，隨時更改交通燈的運(yùn)行時長[11]，使得系統(tǒng)更及時地適應(yīng)現(xiàn)場需求。

十字路口的監(jiān)控信息可以通過光纖和以太網(wǎng)匯集到城市交通監(jiān)管中心，為城市路面交通的統(tǒng)籌協(xié)調(diào)提供便利。

5 結(jié)束語

本文針對城市高峰、夜間、正常交通現(xiàn)狀，提出了根據(jù)實際交通狀況對交通燈進(jìn)行實時配時的方案。通過地感線圈對車流量實時監(jiān)測，編寫西門子PLC設(shè)計控制程序。針對日間正常、高峰以及夜間車輛少等情況，采用不同的控制方案，及時、有效地緩解了交通壓力，提高了道路的利用率。同時，為配合全市交通統(tǒng)一調(diào)度，設(shè)計了上位控制方式。整個系統(tǒng)可以實現(xiàn)就地、遠(yuǎn)程、手自動切換，以及對上位指令的響應(yīng)。系統(tǒng)通過多種功能的自動調(diào)用，實現(xiàn)了對市內(nèi)交通的全局控制。