新型交通信號燈線路系統設計

王標 李春明

摘要：交通信號燈是交通管理的一種重要工具，但是由于環境或人為等原因，交通信號燈故障時有發生。若交通信號燈出現故障，則會導致交通堵塞且極易引發交通事故。在長期的交通燈維護工作中發現這些故障中最常見的原因主要有線路故障，且由于線路設計陳舊，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計了一種高可靠供電傳輸線路系統，該系統借助原有線纜結構（傳統四芯線供電架構）組成2+2芯線冗余供電架構，利用電力線載波技術進行通訊。先將市電整流成直流并經電纜傳輸到燈桿，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就癱瘓的問題。實驗結果表明，該系統能夠顯著提高供電傳輸環節的可靠性，節省了大量的人力物力，具有重要的實用意義。

關鍵詞：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的末端，對城市交通起著直接調節的作用。隨著城市高速發展，道路、地下管網大量改擴建，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，經常引發信號燈故障。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的信號燈控制架構（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計了兼容現有線路的新型控制系統，避免了重新鋪設管路，降低了系統造價。如圖1所示為當前交通信號燈控制系統架構。

二、現有方案

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，交流電經過高頻隔離變壓器實現各個線路的隔離，當其中一條線路出現障礙時，對總體線路無影響;為實現線路過電流和漏電流的保護，增加了保險模塊;為實現線路隔離，在分機控制器部分再次經過隔離變壓器，經ACDC轉換為直流;為適應以往設備的使用，增加了DCAC轉換模塊，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，經過系統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，不影響系統工作，信號機不會進入保護狀態。

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

主機控制器端發出的高壓交流經高頻變壓器轉換為直流低壓，經直流線路隔離輸出至分機控制器。經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，同時滿足了系統的需求。該方案原理框圖如圖3所示。

（二）系統結構

信號主機發出交通燈控制信號，經過MCU1和PLC模塊將燈控信號加載在電力線上傳輸，經過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。系統結構框圖如圖4所示。

四、結語

針對目前交通信號燈控制系統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，本文設計了一種高可靠供電傳輸線路系統，該系統在原有輸電線路的基礎上改造，減少了重新鋪設電纜的成本，利用電力線載波技術實現了信號主機對分機的控制，經過原理分析和實驗驗證，充分證明了該方案的可行性，符合城市交通建設需要，對提高交通信號系統可靠性，保障交通參與者的生命財產安全，優化提高道路通行效率，建設智能交通具有重大意義。

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