基于自學(xué)習(xí)的組網(wǎng)式交通信號(hào)燈異常檢測(cè)研究

劉永濤,樊亞敏，張 莉，黎 冠

(1. 華北科技學(xué)院 電子信息工程學(xué)院，河北 燕郊 065201； 2. 中國農(nóng)業(yè)大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院，北京 100083)

0 引 言

交通信號(hào)燈作為智慧城市和智慧交通的重要組成部分，工作環(huán)境經(jīng)常要面臨雷雨、低溫、暴曬等惡略天氣，并且需要不間斷運(yùn)行，因此經(jīng)常導(dǎo)致信號(hào)燈故障。 由于位置遠(yuǎn)離交通監(jiān)管中心，分布范圍廣泛，交通監(jiān)管人員無法及時(shí)獲知路口信號(hào)燈的工作狀態(tài)，進(jìn)而造成車輛通行不暢或引發(fā)交通事故[1]。 目前通過高清攝像機(jī)圖像識(shí)別技術(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)判斷[2-3]，但該方案監(jiān)測(cè)硬件成本較高，并且在雨、雪、霧、霾等惡劣天氣易發(fā)生信號(hào)燈故障和交通事故的情況下識(shí)別率反而最低。文獻(xiàn) [4]、文獻(xiàn) [5]采用了多路數(shù)據(jù)采集或A/D轉(zhuǎn)換判斷的方式，硬件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，單路采集成本較高。

在實(shí)際應(yīng)用中由于信號(hào)燈檢測(cè)裝置一般是在道路修繕完畢后安裝。以上設(shè)計(jì)需要將每一路信號(hào)燈控制線路接入檢測(cè)裝置，因此需要架高或者刨地走線或者為每個(gè)信號(hào)燈桿安裝一套完整的檢測(cè)裝置，包括處理器、GPRS通信模塊、SIM流量卡等，一個(gè)路口需要4套裝置。這些均造成了安裝施工困難和后期運(yùn)維成本較高。

針對(duì)以上問題，通過深入研究交通信號(hào)燈的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和運(yùn)行期間的信號(hào)變化特性，研發(fā)出了一套切實(shí)可行、成本較低、檢測(cè)準(zhǔn)確穩(wěn)定、具有自學(xué)習(xí)功能的無線組網(wǎng)式診斷系統(tǒng)。

1 檢測(cè)裝置系統(tǒng)研究設(shè)計(jì)

系統(tǒng)包括自主學(xué)習(xí)狀態(tài)與故障檢測(cè)狀態(tài)。自主學(xué)習(xí)狀態(tài)是指在預(yù)設(shè)的或者用戶指定的學(xué)習(xí)時(shí)間內(nèi),裝置對(duì)信號(hào)燈的各路電流及電壓進(jìn)行測(cè)量、統(tǒng)計(jì)和記錄;故障檢測(cè)狀態(tài)是指經(jīng)過設(shè)定學(xué)習(xí)之后,裝置可以自動(dòng)地或經(jīng)人工干預(yù)進(jìn)入地對(duì)信號(hào)燈進(jìn)行故障檢測(cè)的狀態(tài)。自主學(xué)習(xí)狀態(tài)與故障檢測(cè)狀態(tài)可以相互轉(zhuǎn)換。

整體使用ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)[6-9]，包含檢測(cè)節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器。一個(gè)路口檢測(cè)需要一個(gè)協(xié)調(diào)器，檢測(cè)節(jié)點(diǎn)數(shù)量可任意配置。節(jié)點(diǎn)核心采用CC2530處理器，通過處理器自帶的12位A/D轉(zhuǎn)換器完成交通信號(hào)燈電流采樣，如圖8(a)，一個(gè)節(jié)點(diǎn)的4個(gè)互感器可以完成4組左拐、直行、右拐、行人信號(hào)燈的撿測(cè)，大大簡化了硬件結(jié)構(gòu)，降低了成本。ZigBee協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)建立星型網(wǎng)絡(luò)傳輸方式，接收來自檢測(cè)節(jié)點(diǎn)的診斷結(jié)果，無故障時(shí)執(zhí)行定時(shí)握手通信檢測(cè)節(jié)點(diǎn)是否正常，當(dāng)節(jié)點(diǎn)檢測(cè)出故障后即時(shí)發(fā)送給協(xié)調(diào)器[6]。協(xié)調(diào)器遠(yuǎn)程通信采用GPRS技術(shù)或者當(dāng)下流行的NBIOT技術(shù)與數(shù)據(jù)中心服務(wù)器通信。具體結(jié)構(gòu)如圖1，該方案可以大大簡化施工安裝，降低硬件成本和后期運(yùn)維成本。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

1.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)及信號(hào)分析

檢測(cè)節(jié)點(diǎn)包括了互感器采樣電路、Zigbee處理器電路、按鍵電路、撥碼電路、同步調(diào)試指示電路、電源模塊電路。協(xié)調(diào)器在原節(jié)點(diǎn)電路的基礎(chǔ)上增加了STM32處理器、GPRS遠(yuǎn)程通信電路、OLED顯示電路和按鍵電路。結(jié)構(gòu)如圖2。

圖2 協(xié)調(diào)器硬件結(jié)構(gòu)

檢測(cè)節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器中AC220V轉(zhuǎn)DC3.3V電路用于給本模塊供電，AP功放電路+天線用于Zigbee無線信號(hào)的增強(qiáng)，保證組網(wǎng)距離和穩(wěn)定性。

協(xié)調(diào)器具有檢測(cè)節(jié)點(diǎn)的全部功能，工作流程相同，但是增加了檢測(cè)節(jié)點(diǎn)顯示和故障顯示，組網(wǎng)確認(rèn)，以及遠(yuǎn)程通信功能。

交通信號(hào)燈單個(gè)顏色燈體點(diǎn)亮為220 V/50 Hz交流電，一組3盞燈(紅、綠、黃)共用一根零線，最大可以滿足兩組同相信號(hào)燈共用一個(gè)采集電路。互感器輸出信號(hào)經(jīng)過全橋整流和巴特沃斯濾波后通過接入合適的采用電阻將采樣信號(hào)的電壓控制在0～2.5 V區(qū)間，頻率為99.911 2 Hz，然后接入CC2530處理器的A/D轉(zhuǎn)換口。

圖3 采樣電壓信號(hào)

通過電流信號(hào)可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)信號(hào)燈在紅→綠→黃→紅換相期間采樣信號(hào)電壓均會(huì)出現(xiàn)1～4個(gè)較為明顯的高電平換相脈沖。

信號(hào)燈紅綠換相期間通過圖4(a)可以看出，有兩個(gè)特征點(diǎn)可以判斷出綠燈的起始時(shí)間，首先是綠燈的峰值電壓相差了ΔV=152 mV；其次是紅燈綠燈換相時(shí)存在明顯的尖峰跳變脈沖。通過圖4(b)可以看出，峰值脈沖高出綠燈脈沖ΔV=176 mV。這兩個(gè)特征電壓值可以通過A/D轉(zhuǎn)換輕易識(shí)別判斷。

圖4 紅綠換相

信號(hào)燈綠黃換相期間通過圖5(a)可以看出，有兩個(gè)特征點(diǎn)可以判斷出綠燈的結(jié)束時(shí)間和黃燈的起始時(shí)間，首先是綠燈與黃燈的峰值電壓相差了ΔV=152 mV；其次是綠燈黃燈換相時(shí)存在明顯的尖峰跳變脈沖。通過圖5(b)可以看出，峰值脈沖高出綠燈脈沖ΔV=528 mV。同樣這兩個(gè)特征電壓值也可以通過A/D轉(zhuǎn)換輕易識(shí)別判斷。對(duì)于綠燈至黃燈換相期間有閃爍信號(hào)的信號(hào)燈，則此換相點(diǎn)更容易捕捉。

圖5 綠黃換相

信號(hào)燈黃紅換相期間總體相位如圖3，黃紅信號(hào)燈采樣電壓信號(hào)基本相同，放大采樣后信號(hào)如圖6。很難通過信號(hào)電壓判斷出黃燈和紅燈切換，但是切換時(shí)的換相脈沖非常明顯，脈沖幅值差可以達(dá)到ΔV=348 mV，ΔT=4.4 ms。通過A/D采樣仍然可以準(zhǔn)確判斷出黃燈結(jié)束時(shí)間和紅燈起始時(shí)間。

圖6 黃紅換相

1.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)工作時(shí)，首先通過信號(hào)機(jī)設(shè)定好信號(hào)燈使之正常運(yùn)行。將檢測(cè)節(jié)點(diǎn)互感器接入信號(hào)機(jī)每組信號(hào)燈的零線端，任意時(shí)間按下學(xué)習(xí)鍵，信號(hào)燈循環(huán)超過一個(gè)周期，則系統(tǒng)完成運(yùn)行狀態(tài)的學(xué)習(xí),保存為模式1。如果信號(hào)機(jī)還有其它模式則在執(zhí)行其它模式期間按下學(xué)習(xí)鍵可完成多種模式的學(xué)習(xí)。軟件設(shè)計(jì)流程如圖7。

圖7 軟件流程

關(guān)于檢測(cè)裝置的檢測(cè)方法,步驟如下：

1)組網(wǎng)：在一個(gè)信號(hào)燈安裝點(diǎn)，將檢測(cè)節(jié)點(diǎn)上的撥碼開關(guān)撥至與協(xié)調(diào)器撥碼開關(guān)相同狀態(tài)，檢測(cè)節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器上電，協(xié)調(diào)器自動(dòng)搜索模塊，協(xié)調(diào)器顯示出全部相同地址檢測(cè)節(jié)點(diǎn)后通過按下協(xié)調(diào)器上組網(wǎng)確認(rèn)按鍵完成網(wǎng)絡(luò)組建。檢測(cè)節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器組網(wǎng)完成后組網(wǎng)指示燈點(diǎn)亮。

2)學(xué)習(xí)模式：檢測(cè)節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器上電，組網(wǎng)指示燈點(diǎn)亮，3 s內(nèi)人為按下自學(xué)習(xí)按鍵一次，則進(jìn)入模式1的學(xué)習(xí)，按下兩次則進(jìn)入模式2的學(xué)習(xí)。如沒有按下自學(xué)習(xí)按鍵則學(xué)習(xí)模式被跳過，直接進(jìn)入正常工作模式。

3 s計(jì)時(shí)滿，如自學(xué)習(xí)按鍵有操作則CC2530處理器開始對(duì)信號(hào)燈電流值開始采集，采集時(shí)間大于信號(hào)燈一個(gè)正常工作周期。采集期間節(jié)點(diǎn)根據(jù)采集電流峰值啟動(dòng)CC2530處理器內(nèi)部定時(shí)器，記錄3個(gè)時(shí)間段，邏輯判斷出紅、黃、綠燈點(diǎn)亮?xí)r間，存儲(chǔ)3種燈電流采樣值于CC2530處理器內(nèi)部閃存當(dāng)中，完成信號(hào)燈正常模式的電流值和時(shí)間統(tǒng)計(jì)。學(xué)習(xí)完成后自動(dòng)重啟。學(xué)習(xí)模式核心在于通過換相電流峰值計(jì)算出各相燈的點(diǎn)亮?xí)r間。

3)正常工作模式：檢測(cè)節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器上電，組網(wǎng)指示燈點(diǎn)亮，如果3 s內(nèi)自學(xué)習(xí)按鍵沒有操作，則按鍵標(biāo)志位為零檢測(cè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)入正常檢測(cè)狀態(tài)。采集電流值和各相燈的點(diǎn)亮?xí)r間與各存儲(chǔ)模式數(shù)據(jù)相比較，處于正常范圍內(nèi)則系統(tǒng)正常，不在正常范圍內(nèi)則根據(jù)邏輯關(guān)系推導(dǎo)出是否信號(hào)燈的故障，并將檢測(cè)結(jié)果同步顯示于運(yùn)行指示燈上。如有故障則將故障信息通過Zigbee網(wǎng)絡(luò)傳輸給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器在OLED屏上顯示故障信息并通過GPRS網(wǎng)絡(luò)上報(bào)給遠(yuǎn)程服務(wù)器端進(jìn)行后期處理。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)及驗(yàn)證

實(shí)際完成的檢測(cè)節(jié)點(diǎn)如圖8(a)，通過板載三色LED可以完全同步顯示出信號(hào)燈當(dāng)前狀態(tài)。與協(xié)調(diào)器進(jìn)行實(shí)時(shí)通信交互，測(cè)試了雙向綠燈同時(shí)點(diǎn)亮、單組信號(hào)燈兩燈同時(shí)點(diǎn)亮、單盞燈不亮以及時(shí)序錯(cuò)誤等多種故障狀態(tài)，節(jié)點(diǎn)均可以快速檢測(cè)出故障現(xiàn)象，發(fā)送給協(xié)調(diào)器。協(xié)調(diào)器同時(shí)還具有節(jié)點(diǎn)同樣的檢測(cè)功能，實(shí)物如圖8(b)，最后檢測(cè)結(jié)果通過GPRS模塊發(fā)送節(jié)點(diǎn)編碼和故障編碼至后臺(tái)服務(wù)器。

圖8 實(shí)際測(cè)試

由于CC2530內(nèi)部具有12位A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換分辨率為0～2 047，通過其采集信號(hào)電壓值，采集數(shù)據(jù)如表1。經(jīng)過整流之后的波形頻率為100 Hz，周期為10 ms，處理器一個(gè)周期完成10次A/D采集。

2.1 峰值檢測(cè)算法實(shí)現(xiàn)

處理器完成10次采樣后數(shù)據(jù)分布并不一定符合峰值分布曲線，尤其是換相期間脈沖波形。因此需要對(duì)采樣值進(jìn)行數(shù)據(jù)排序，找到信號(hào)峰值和次峰值，筆者采用了希爾排序算法。

例如紅綠燈換相脈沖采樣數(shù)據(jù)：{0251,0347,1509,2047,0251,0250,0251,0251,0250,0251}，因?yàn)椴蓸訑?shù)據(jù)值一組有10個(gè)，所以第一次補(bǔ)償step=10/2=5，其希爾排序算法的過程如圖9。

可見采用希爾排序算法，經(jīng)過3次排序即可快速完成每組10個(gè)采樣數(shù)據(jù)的從小到大排序。

2.2 時(shí)序判定分析

通過采樣數(shù)據(jù)排序后分析，每組10個(gè)數(shù)據(jù)中后3個(gè)數(shù)據(jù)可以很直觀地區(qū)分出換相脈沖值的存在。因此截取了40組采樣排序完成后的每組后3個(gè)數(shù)據(jù)峰值、次峰值、第3峰值進(jìn)行分析，如表1。

圖9 希爾排序算法過程

表1 紅綠燈換相脈沖采集數(shù)據(jù)

通過分析表1中綠燈峰值和次峰值，可以很容易判斷出綠燈第1、2組數(shù)據(jù)為紅燈-綠燈之間的換相脈沖，此值明顯高于紅燈和綠燈正常峰值。為了增加系統(tǒng)判斷穩(wěn)定性，避免高次雜波的影響，將每組數(shù)據(jù)峰值和次峰值取平均作為判斷換相的依據(jù)，通過此值可以準(zhǔn)確得到信號(hào)燈換相的起始時(shí)間和結(jié)束時(shí)間。

從表1中峰值也可以看出，綠燈峰值明顯高于紅燈峰值。因此可以判斷出此峰值時(shí)信號(hào)燈為綠燈狀態(tài)，以此作為信號(hào)燈時(shí)序判斷的起始點(diǎn)，從而準(zhǔn)確捕捉綠燈、黃燈、紅燈的點(diǎn)亮?xí)r間。通過綠燈、黃燈、紅燈的判斷峰值浮動(dòng)閾值可以準(zhǔn)確地判斷出有無單組多燈同時(shí)點(diǎn)亮或出現(xiàn)不亮的故障。

2.3 滑動(dòng)窗口差值判斷法

為了判斷信號(hào)燈換相時(shí)間的節(jié)點(diǎn)，通常使用的方法是設(shè)定一個(gè)固定的電壓采樣閾值，若檢測(cè)到電壓采樣值超過這個(gè)閾值，則判定該時(shí)刻換相事件出現(xiàn)[11]。但這種方式未考慮在不同規(guī)格的信號(hào)燈以及信號(hào)燈老化等問題引起的閾值偏差，該偏差往往會(huì)造成誤判斷，因此固定閾值法具有較大局限性。為了解決這一問題，筆者提出一種雙滑動(dòng)窗口判斷法，首先通過滑動(dòng)窗口濾波生成滑動(dòng)判據(jù)數(shù)組，然后再利用滑動(dòng)窗口進(jìn)行換相判斷和信號(hào)燈顏色判斷。滑動(dòng)判據(jù)數(shù)據(jù)計(jì)算如式(1)：

(1)

式中：m和T0為滑動(dòng)窗口長度，本設(shè)計(jì)中該值設(shè)為3；D(t)是為濾波器的輸出即滑動(dòng)均值數(shù)據(jù)，其中t為1，2，3，…，7保留7組滑動(dòng)窗口采樣均值數(shù)據(jù)；F1n和F2n為單脈沖A/D采集峰值和次峰值。

例如，從紅燈第18組數(shù)據(jù)開始，按3個(gè)長度進(jìn)行滑動(dòng)均值計(jì)算，可得到結(jié)果如表2。

表2 滑動(dòng)判據(jù)數(shù)組

在執(zhí)行滑動(dòng)窗口換相脈沖掃描時(shí)，滑動(dòng)串口首先以4組數(shù)據(jù)為單位滑動(dòng)，判據(jù)數(shù)組需要存儲(chǔ)區(qū)中開辟7個(gè)數(shù)據(jù)的暫存區(qū)，將信號(hào)采集非換相脈沖A/D值濾除不予保存。每新計(jì)算出一組滑動(dòng)均值便存入暫存區(qū)中，同時(shí)去掉一個(gè)最老數(shù)據(jù)，保持這7個(gè)數(shù)據(jù)始終是最新更新的數(shù)據(jù)。程序采用環(huán)型隊(duì)列結(jié)構(gòu)很好地滿足了這種數(shù)據(jù)存放方式。

即使燈組大小型號(hào)改變或者后期老化使信號(hào)電壓發(fā)生偏差，因?yàn)槠浠瑒?dòng)均值差的設(shè)置范圍足夠?qū)挘⑶彝ㄟ^按鍵設(shè)定可以選定型號(hào)從而適應(yīng)不同的應(yīng)用場(chǎng)景。滑動(dòng)均值判別方法流程如圖10。

圖10 滑動(dòng)窗口均值判據(jù)流程

2.4 測(cè)試驗(yàn)證

系統(tǒng)采用南京永順交通設(shè)備有限公司生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)300型信號(hào)燈和通用信號(hào)機(jī)進(jìn)行了實(shí)際測(cè)試。過程測(cè)試了整個(gè)交通信號(hào)燈的正常工作時(shí)序?qū)W習(xí)和檢測(cè)以及故障模擬診斷。學(xué)習(xí)和檢測(cè)中設(shè)定信號(hào)燈綠燈為30 s，黃燈為3 s，紅燈為27 s，一鍵學(xué)習(xí)值和后期檢測(cè)數(shù)據(jù)如表3。

表3 節(jié)點(diǎn)檢測(cè)時(shí)間數(shù)據(jù)

從最后實(shí)際測(cè)試效果來看，黃燈的時(shí)間檢測(cè)準(zhǔn)確度較低，但也達(dá)到了97%以上，檢測(cè)數(shù)據(jù)最大時(shí)間浮動(dòng)差為0.04 s，穩(wěn)定度非常理想，經(jīng)過誤差補(bǔ)償和時(shí)間閾值判據(jù)分析裝置沒有出現(xiàn)誤判斷現(xiàn)象。

3 結(jié) 語

通過與現(xiàn)有研究和實(shí)施方案相比，筆者設(shè)計(jì)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1)通過無線組網(wǎng)的方式，解決了路口多信號(hào)燈之間檢測(cè)線纜鋪設(shè)施工問題，確保一個(gè)路口最多只需要一個(gè)故障檢測(cè)遠(yuǎn)程通信協(xié)調(diào)器，降低了硬件成本和后期運(yùn)行成本，使信號(hào)燈故障檢測(cè)更加實(shí)用化。

2)通過零線電流檢測(cè)法，使一組(紅、黃、綠)信號(hào)燈只需要一路檢測(cè)處理電路。相對(duì)于傳統(tǒng)每個(gè)燈一路檢測(cè)處理電路的設(shè)計(jì)，此部分降低硬件成本50%以上，減少了自身故障隱患。根據(jù)實(shí)際信號(hào)燈安裝情況，一個(gè)自學(xué)習(xí)檢測(cè)節(jié)點(diǎn)最多可以檢測(cè)出同道路直行、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)6盞信號(hào)燈故障。一個(gè)信號(hào)機(jī)只需要一個(gè)協(xié)調(diào)器和一個(gè)節(jié)點(diǎn)即可完成路口四方向信號(hào)燈的監(jiān)測(cè)。

3)學(xué)習(xí)效率明顯提升。系統(tǒng)增加了學(xué)習(xí)模式按鍵，可以在信號(hào)燈運(yùn)行兩個(gè)周期以內(nèi)完成一種模式學(xué)習(xí)。能夠完成正常模式、夜晚黃燈模式、潮汐模式等多種狀態(tài)學(xué)習(xí)和后期自動(dòng)模式故障判斷，去除累積時(shí)間誤差影響。

4)檢測(cè)模塊增加運(yùn)行同步同色指示燈，將檢測(cè)狀態(tài)實(shí)時(shí)體現(xiàn)在節(jié)點(diǎn)上，方便進(jìn)行安裝時(shí)調(diào)試觀測(cè)。

設(shè)計(jì)中系統(tǒng)的組網(wǎng)、學(xué)習(xí)、故障分析判斷等均由檢測(cè)節(jié)點(diǎn)完成，達(dá)到了邊緣計(jì)算的效果，減少了數(shù)據(jù)發(fā)送量，降低了后臺(tái)服務(wù)器處理負(fù)擔(dān)。通過長時(shí)間實(shí)際運(yùn)行，故障監(jiān)測(cè)效果良好。