基于PLC的交通灯自适应控制系统设计

宋秋实,冯博楷（菏泽学院　蒋震机电工程学院,山东　菏泽274000）

基于PLC的交通灯自适应控制系统设计

宋秋实,冯博楷
（菏泽学院蒋震机电工程学院,山东菏泽274000）

摘要：设计一种以PLC为控制核心, 以计算机为人机交互平台，基于RS232串行通信接口的交通灯自适应控制系统。介绍了交通灯自适应控制系统的整体结构和硬件配置，对系统设计中的重点问题进行了分析，并说明了系统软件的设计内容。

关键词：PLC；计算机；自适应；RS232

中国城市交通情况复杂，具有机动车种类繁多、车速普遍较慢和时段差异大等特点。随着城市道路交通量的增长，交叉口之间的相关性日益明显。城市中一个交叉口的拥堵，随着时间的推移会逐步波及到周边数个交叉口乃至所在区域内的所有交叉口，城市交通拥挤问题日趋严重，原先的交通灯控制系统已经不能适应现在日益繁忙的交通状况。因此，提高城市路网的通行能力、实现道路交通的科学化管理迫在眉睫。[1]

本文设计一种以PLC为控制核心,以计算机为人机交互平台，基于RS232串行通信接口的交通灯自适应控制系统。该系统能够实现交通流量实时监测，上位机对监测数据快速处理，对信号灯配时快速优化计算；下位机根据交通流的动态随机变化而自动地调整信号控制参数数，控制单个交叉口交通灯的绿信比，并协调交叉口群的相位差，实现区域内交叉口的联动控制和自适应控制。采用欧姆龙CPM2APLC为控制系统的核心，可靠性高、抗干扰能力强、定时资源丰富、具有联网功能；交通流检测采用英国PEEK公司的526B线圈检测器，环形线圈的采样信号通过耦合电路传送到处理器，处理器根据的振荡频率来判断车辆的通过与存在。

1　系统总体结构

整个交通灯自适应控制系统分为三部分：交通流量检测系统，上位机数据优化处理，交通灯自适应控制。系统的三个部分之间需要密切的通信联系，考虑上位机通常位于中央控制室，而下位机通常位于控制现场，通讯距离较远，通讯环境恶劣的特点，因此采用RS232串行接口加Mode转电话线的通信方式。三个部分构成一个实时通信网络，实现系统之间的数据交互。基本结构如图1所示。

当车辆通过感应线圈时，线圈检测器采集原始交通数据，并以存在式或脉冲式输出的方式通过总线提供给上位机；上位机根据这些数据及线圈的长度、车辆通过的时间等数据计算出车辆的速度、交通量及占有率等参数，最终转化成各交叉路口优化后的配时方案；配时方案在上位机上形成以后，传输到PLC数据存储区，并发出指令来读数据，以实时地更新配时时间，使交通灯控制系统自动地适应交通流的随机变化。

2　系统硬件结构

2.1交通流量检测装置

526B线圈检测器是一种专门为车辆出入口控制而设计的双通道盒式车辆检测器，每个通道可设置为存在式或脉冲式两种输出方式。当金属物体接近埋设在路面以下下的环形线圈时，线圈的电感就会发生变化，这种变化通过耦合电路后转换成振荡信号，处理器根据振荡频率来判断车辆的通过与存在；检测器到环形线圈的电缆线长度必须小于150m。线圈电感量的有效范围在20～2200uH。

2.2耦合振荡电路

耦合振荡电路如图2所示。耦合振荡电路采用的是电容反馈三点式振荡电路。图中耦合变压器原副边匝数比例为1∶1；两个反接的稳压二极管可以将正弦振荡信号的电压输出范围抑制在-5～+5V之间；二极管P6KE12CA的作用是消除由静电等原因引起的瞬间电压变化。比较器LM339将正弦振荡信号整形后，信号会被送入整形和放大电路，进行二次整形和放大；被放大了的信号最终输出到微处理器的计数单元。该振荡电路科根据实际需要，增加多路检测通道。

2.3交通灯控制器

采用欧姆龙CPM2A-PLC为控制系统的核心。一方面接受来自上位机发出数据信息，存储在PLC数据存储区；另一方面发出控制指令指令，以实现各个交叉口信号灯配时时间的实时更新，调节信号灯的绿信比，从而实现区域内交通流自适应控制。[2]

2.4通信接口

中央控制室中的计算机作为上位机，控制现场PLC作为下位机。上位机与PLC距离较远，故采用RS232C串行接口加Modem转电话线的方式进行通信。[3]一方面，CPM2A-PLC的CPU单元和PC机都带有RS232C串行端口，因此不必配置专门的串口驱动模块，用电缆接口直与串行口相连即可；RS232C串口通信技术已经非常成熟，稳定性好，可靠性高。另一方面利用已经铺设好的电话线进行远程通信，只需通过Modem对接口进行简单转换，节约了重新打量布线的成本。通信端口连接如图3所示。

3　软件设计

智能交通控制系统需要采样的基本交通参数主要有：速度、密度、占有率、交通流量、排队长度等。这些参数可以通过检测器直接获取测量数据并通过进一步分析计算，进行优化。在一条车道上，相距一定距离的两个位置分别铺设环形线圈，环形线圈的输出方式可以是方波或脉冲，让处理单元对输出信号的上升沿或下降沿进行计数，从而检测交通流量。线圈埋设位置如图4所示。

当有车辆经过环形线圈时，记下车辆进入前置线圈的时刻t1、离开前置线圈的时刻t2、进入后置线圈的时刻t3和离开后置线圈的时刻t4，假定线圈之间的距离为S。

由处理单元给出一个等间隔序列的时间脉冲，如间隔为p(ms)的时间脉冲。当有车辆进入前置线圈A时，脉冲开始计数；当车辆进入后置线圈B时，脉冲计数结束，从而就可以得到车辆通过距离为S所需要的脉冲个数N，则汽车的速度可以计算为：[4]

系统可以计算在一个记录周期内通过车道的车辆速度的算术平均值。即该时间段内的交通流的时间平均速度为：

当一个记录周期内没有车辆通过时，那么时间平均速度可视为零。

空间平均速度是指在某一时间内通过某一个路段的所有车辆的平均速度的均值。假设路段的长度为L，在一个记录周期内一共有n辆车通过了该路段，那么这n辆车通过该路段的平均行驶时间就是：

于是该记录周期内的空间平均速度为：

占有率定义为一路段内车辆所占用的道路长度总和与道路长度之比。由于难以测量通常用时间占有率代替。用环形线圈检测器来测量时间占有率必须将检测器工作方式置成方波工作方式。设在某个记录周期期T内，共有n辆车通过了检测线圈，测得第i车道的车辆j通过环形线圈的方波宽度为tij，那么在该时间段内，车道i上车辆的时间占有率就是：

交通密度为：

交通量和车流来向及去向:

记录周期T内经过车道的车辆数为n。第i车道在该周期的交通流量为：

ni——第i车道检测器的计数值；T——记录周期。

信号交叉口延误和排队长度的计算：

信号交叉口延误比较复杂，涉及因素多.延误与排队相互关联，延误和排队主要与信号周期、配时以及交通量有关，此外还与一些随机因素有关。[5]

Webster交叉口进口车道延误的的计算公式如下：

式中，d为每辆车的平均延误，c为信号周期时长，λ为绿信比，即有效绿灯时间与信号周期时长的比率；q为车流量，x为饱和度。[6]

信号交叉口的排队长度计算，按流量饱和和流量非饱和可以分成两类：

当车流量不饱和的时候，排队长度N为：N=qr

车流量达到饱和时，排队长度N为：N=qd

绿灯启亮时的平均排队长度N为：N=qd+qr/2

N为饱和绿灯启亮时的初始排队车数，r为有效红灯时间的时长，d为单线进口道上每车的平均延误。

车辆检测器程序如图5所示。

4　结论

该系统采用计算机与PLC相结合的结构，为用户提供一种可以根据车流量自动调节各个交叉路口配时比的自适应交通灯联合控制系统。在该系统中，计算机作为上位机，可以对由检测器传送过来的数据进行计算处理，将各个交叉路口的配时进行优化；可以为用户提供良好的人机交互界面，在控制室中对整个系统进行监控和管理；PLC作为下位机，是整个交通控制系统的执行者，它将上位机发送过来的配时时间转换成控制信号，向交通灯发送指令，实现自适应控制。

参考文献：

[1]孔庆华.现代交通电子控制技术[M].东北林业大学出版社,2004.

[2]求是科技.PLC应用开发技术与工程实践[M].人民邮电出版社，2005(01).

[3]王立权,王宗义,王淑钧.可编程控制器原理与应用[M].哈尔滨工程大学出版社,2004.

[4]张艳芳,夏守先.基于可编程控制器的车辆检测器系统设计[M].广东科学院自动化工程研制中心.

[5]臧利林，贾磊，秦伟刚等.基于环形线圈车辆监测系统的研究与设计[M].济南:山东大学控制科学与工程学院,250061.

[6]吴兵,李晔.交通管理与控制（第三版）[M].人民交通出版社,2005(08).

作者简介：宋秋实（1986-），男，硕士，研究方向：机械电子工程。