新型交通信號燈線路系統(tǒng)設(shè)計

王標 李春明

摘要：交通信號燈是交通管理的一種重要工具，但是由于環(huán)境或人為等原因，交通信號燈故障時有發(fā)生。若交通信號燈出現(xiàn)故障，則會導致交通堵塞且極易引發(fā)交通事故。在長期的交通燈維護工作中發(fā)現(xiàn)這些故障中最常見的原因主要有線路故障，且由于線路設(shè)計陳舊，單條線路故障可能會引起整個路口信號燈癱瘓。針對這種不足本文設(shè)計了一種高可靠供電傳輸線路系統(tǒng)，該系統(tǒng)借助原有線纜結(jié)構(gòu)（傳統(tǒng)四芯線供電架構(gòu)）組成2+2芯線冗余供電架構(gòu)，利用電力線載波技術(shù)進行通訊。先將市電整流成直流并經(jīng)電纜傳輸?shù)綗魲U，然后再逆變回交流電為信號燈供電。這樣避免了控制電纜只要一根線短路或者斷路系統(tǒng)就癱瘓的問題。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠顯著提高供電傳輸環(huán)節(jié)的可靠性，節(jié)省了大量的人力物力，具有重要的實用意義。

關(guān)鍵詞：交通燈;線路故障;解決方案

一、緒論

交通信號燈作為城市交通管理系統(tǒng)的末端，對城市交通起著直接調(diào)節(jié)的作用。隨著城市高速發(fā)展，道路、地下管網(wǎng)大量改擴建，以及長期受到惡劣天氣的影響，造成了交通信號燈傳輸電纜老化破損嚴重，經(jīng)常引發(fā)信號燈故障。信號燈故障時容易引起交通混亂，甚至造成交通事故。在這些故障中最常見的是線路故障，且由于線路設(shè)計陳舊，單條線路故障可能會引起整個路口信號燈癱瘓。目前廣泛應用的是傳統(tǒng)的信號燈控制架構(gòu)（為四芯線控制方式，三根線分別控制紅黃綠燈，共用一根零線），這種控制方式存在只要有一根線短路或者斷路系統(tǒng)就不能正常工作的問題。增加備用電纜是最直接的辦法，但成本較高。針對上述問題本文設(shè)計了兼容現(xiàn)有線路的新型控制系統(tǒng)，避免了重新鋪設(shè)管路，降低了系統(tǒng)造價。如圖1所示為當前交通信號燈控制系統(tǒng)架構(gòu)。

二、現(xiàn)有方案

目前存在以下幾種解決方案，比如：總線式供電，交流輸電總線隔離等，但這些方案在實際應用中有很大問題。下面以交流輸電總線隔離方案為例進行介紹。

信號主機與分機間的電纜利用交流輸電控制，交流電經(jīng)過高頻隔離變壓器實現(xiàn)各個線路的隔離，當其中一條線路出現(xiàn)障礙時，對總體線路無影響;為實現(xiàn)線路過電流和漏電流的保護，增加了保險模塊;為實現(xiàn)線路隔離，在分機控制器部分再次經(jīng)過隔離變壓器，經(jīng)ACDC轉(zhuǎn)換為直流;為適應以往設(shè)備的使用，增加了DCAC轉(zhuǎn)換模塊，還原為50HZ 220V的正弦波。

該方案電路原理簡單，但是主變壓器的次級繞組數(shù)量太多（如一路分機端即有2繞組），成本較高。且分機的直流側(cè)無法接地，存在安全隱患。該方案原理框如圖2所示。

三、改進方案

由以上討論看到，目前存在的方案存在較大缺陷和不足，經(jīng)過系統(tǒng)論證和實驗驗證最終選定低壓直流輸電總線隔離方案。

（一）方案原理

信號主機與分機間的電纜利用低壓直流輸電控制，將交流市電轉(zhuǎn)換為低壓直流，將信號機至信號燈的燈線作為多條總線，在總線上傳輸電力;對直流總線進行電氣隔離和保護，線路斷路時由冗余線路輸電，線路短路時自動退出輸電。這樣部分線路短路和斷路，不影響系統(tǒng)工作，信號機不會進入保護狀態(tài)。

在總線兩端的主機和分機復用總線進行載波通信，無需敷設(shè)額外的通信線路，可靠性顯著提高。在總線兩端實時監(jiān)測線路狀態(tài)，狀態(tài)實時上傳至后臺服務(wù)器，便于維護。

主機控制器端發(fā)出的高壓交流經(jīng)高頻變壓器轉(zhuǎn)換為直流低壓，經(jīng)直流線路隔離輸出至分機控制器。經(jīng)低壓傳輸雖然增加了少量成本，但是解決了因意外導致的觸電問題，同時滿足了系統(tǒng)的需求。該方案原理框圖如圖3所示。

（二）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

信號主機發(fā)出交通燈控制信號，經(jīng)過MCU1和PLC模塊將燈控信號加載在電力線上傳輸，經(jīng)過PLC模塊和MCU2將燈控信號恢復出來，傳送到從機燈控單元，進而控制交通信號燈的亮滅狀態(tài)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

四、結(jié)語

針對目前交通信號燈控制系統(tǒng)中單條線路故障可能會引起整個路口信號燈癱瘓的常見問題，本文設(shè)計了一種高可靠供電傳輸線路系統(tǒng)，該系統(tǒng)在原有輸電線路的基礎(chǔ)上改造，減少了重新鋪設(shè)電纜的成本，利用電力線載波技術(shù)實現(xiàn)了信號主機對分機的控制，經(jīng)過原理分析和實驗驗證，充分證明了該方案的可行性，符合城市交通建設(shè)需要，對提高交通信號系統(tǒng)可靠性，保障交通參與者的生命財產(chǎn)安全，優(yōu)化提高道路通行效率，建設(shè)智能交通具有重大意義。

參考文獻：

[1]GB252802010，道路交通信號控制機[S].2010.

[2]GB148872011，道路交通信號燈[S].2011.

[3]GB48862006，道路交通信號燈設(shè)置與安裝規(guī)范[S].2006.

[4]方學新，何廣進，胡家彬，嚴曉東.交通信號機的信號燈故障檢測技術(shù)研究[J].道路交通與安全，2009.

[5]韓學輝，孫慧蓮.交通信號燈PLC控制的實現(xiàn)[J].長春理工大學學報，2003，14.

[6]Martin Hoch.Comparison of PLC G3 and PRIME[C]2011 IEEE International Symposium on Power Line Communications and Its Applications（ISPLC）.Udine，Italy：IEEE，2011：165169.