有效缓解城市交通压力的智能交通信号灯的研究与开发

王　甫,江德松,岳宏梅

(1.安徽机电职业技术学院，安徽 芜湖 241002； 2.安徽芜湖技师学院，安徽 芜湖 241001)



有效缓解城市交通压力的智能交通信号灯的研究与开发

王甫1,江德松1,岳宏梅3

(1.安徽机电职业技术学院，安徽 芜湖 241002； 2.安徽芜湖技师学院，安徽 芜湖 241001)

随着私家车的增多，城市交通堵塞问题也越来越严重，研究并开发一种智能交通信号灯，实现路口交通信号灯的智能化是解决路口通行效率的有效方法。智能交通信号灯可以根据路口的车流量大小自动调整交通信号灯的时间，使少车或无车方向绿灯时间自动变短，反之，车多方向绿灯时间自动延长，提高了车辆通行效率。

城市交通；智能化；交通信号灯

0　前言

随着生活水平的快速提高，家庭汽车越来越多，城市交通越来越堵，解决城市交通堵塞问题也变得越来越紧迫。迫切地需要设计一种新型的智能交通信号灯控制系统，实现十字路口交通信号灯的智能控制。这种智能控制系统通过地面上的地感线接收到路面上的车流信号，传给信息接收系统PLC，然后传给计算机处理系统进行车流量信息的数据计算，由计算机处理系统对计算出来的数据进行判断，再把信号传给交通信号灯，使之自动调整红、黄、绿三色灯的通行时间[1]，使车流量大的一方绿灯自动延时，而车流量小的一方绿灯自动减时。笔者从地感线、PLC控制器、计算机和编程等方面介绍智能交通信号灯的设计思路和方法。

1　交通信号灯现状

尽管交通信号灯已普遍使用,但城市的路口通行堵塞情况还是越来越严重，传统的固定配置时间的交通信号灯已不能适应当前车辆较多的城市需求了。近年来,很多研究人员已提出了一些智能交通信号灯的控制方法和措施，也进行了系统的研究[2],并取得了不少进展，但城市交通系统是一个多变的、复杂的超大系统,其设计方案难以适应变化的交通系统,所以控制效果也不理想，并没有较好的成果。因此,研究一种智能交通信号灯来控制城市车辆的通行效率是十分必要的[3]。

2　地感线圈原理

地感线圈是由智能交通信号灯中埋在地下的接收信号的线圈和输出装置构成，是最主要的信号检测元件。地感线圈主要由内径、外径、线径和匝数四大因素组成。在最佳的工作状态下，线圈的电感量应保持在100～300 μH之间，在线圈电感不变的情况下，周长与匝数有直接关系，周长越小、匝数就越多，见表1所示。由于实际施工时要考虑导线的机械强度、耐高温、抗老化、耐酸碱腐蚀等因素，故线圈线的选用要经过慎重考虑[4]。

表1　线圈的匝数与周长关系

在实际埋设地感线圈时，要应用检测仪检测埋好的电感线圈的实际值来确定匝数，考虑到地下埋的电缆管线、钢筋、下水道盖，只要保证最终电感值在100～300 μH之间[4]即可，否则，应对线圈的匝数进行调整。

3　智能交通信号灯设计方案

根据智能交通信号灯的功能和动作流程，进行控制系统的总体结构设计，该控制系统由PLC、地感线圈、光纤收发器/交换机、计算机、控制按钮、信号灯等元器件组成的，系统结构图如图1所示。

图1　智能交通信号灯控制系统结构

当车辆经过地感线圈时会产生电感量的变化，这样地感线圈开始检测车流量，将检测的车流量信号传输给PLC，同时高清摄像机进行摄像或抓拍，PLC对接收到的车流量信息进行处理，就会发出2路信号，一路信号传送给PLC的输出端，调整路口南北或东西方向绿灯亮的时间，一路信号传送给光纤收发器/交换机再次进行信号处理，将处理后的信号传输给指挥中心计算机，让信号灯实时监控各路口的通行状况。

4　智能交通信号灯工作原理

1)按下交通信号灯启动按钮，先按照正常车流量运行(若南北方向绿灯时间设置20 s通过7辆车，那么东西方向就红灯时间设置20 s)，如果车流量不大于7辆就正常运行，指令就是Y。

2)如果不正常(指令是N)，就会把东西方向和南北方向同时与正常情况比较，若一个正常一个不正常，就会执行不正常方向的绿灯自动调整延时的操作；若比较结果两个方向都不正常，就会选择车流量大的先执行绿灯自动调整延时的操作，然后再自动调整另一方向的绿灯延时，依次如此判断循环下去。

3)延时时间可以分4个档，即：7辆<20 s内行过的车量≤14辆，绿灯延时到40 s；14辆<20 s内行过的车量≤21辆，绿灯延时到60 s；21辆<20 s内行过的车量≤28辆，绿灯延时到80 s；28辆<20 s内行过的车量≤35辆，绿灯延时到100 s。信号灯究竟会选择哪个档由设定好的控制系统根据接收到的车量信息大小进行判断[5]。

4)通过比较车流量大小信息来控制交通灯的读秒时间范围，使系统自动选择南北车道或东西车道的[6]绿灯延时，以此来缓解交通的压力，也可以合理地利用交通资源，如图2所示。

5　智能交通信号灯程序设计

5.1根据智能交通信号灯控制动作过程

以三菱FX2NPLC为控制装置，定义了相应的I/O口，并对相应的I/O口、辅助继电器和定时器进行注释说明[7]，见表2所示。

图2　智能交通信号灯工作流程图

输入序号符号地址注释输出序号符号地址注释1SA1X0手/自动起动开关1HL1Y1东西方向绿灯2LC1X1西方地感线圈输入2HL2Y2东西方向黄灯3LC2X2东方地感线圈输入3HL3Y3东西方向红灯4LC3X3北方地感线圈输入4HL4Y4南北方向绿灯5LC4X4南方地感线圈输入5HL5Y5南北方向黄灯6SB2X5停止按钮6HL6Y6南北方向红灯

5.2PLC I/O端子接线图

根据输入、输出的地址分配，PLC I/O端子接线图如图3所示。

图3　PLC I/O端子接线图

5.3智能交通信号灯动作流程

根据信号灯红、黄、绿三色灯点亮的依次动作要求，该信号灯的PLC控制流程[8]如图4所示。本控制程序设计成自动和手动两种工作方式，自动工作方式用于交通信号灯日常工作中；手动工作方式其一作用是对交通信号灯初次调试，二是当其发生故障时进行检查和维修，同时还设计换向功能，即南北、东西方向相互切换。

5.4智能交通信号灯控制系统的程序设计

根据智能交通信号灯控制原理，在GX Developer V8软件中编制PLC梯形图，如图5所示为部分梯形图，并通过PLC成功调试。

图4　智能交通信号灯动作流程

图5　部分梯形图程序

6　结语

本文是在研究传统的交通信号灯的基础上，开发了一种智能交通信号灯，通过地感线接收到车流量传给PLC控制器，经PLC对数据运算和处理后，传输到输出端调节南北或东西红、绿两种信号灯亮的时间来指挥路面上的车辆通行。这种智能控制系统可以根据车流量的大小自动调整信号灯的时间，使少车或无车方向绿灯的时间自动变短，多车方向绿灯时间自动变长，根据路口实时通过的车流量大小来自动、合理地调节信号灯的时间长短，从而提高路口车辆的通行效率，极大地缓解了城市的交通压力，减少了交通事故和城市堵车现象的发生，缩短了车辆的等待时间，提高了市民的出行质量，使城市车流的调节达到最优，为人民节省大量出行时间，节约大量的交通资源和人力，创造出更多的社会价值。

[1] 黄敏,张旭,李尔达.基于车道级基础路网的微观交通仿真数据建模与应用研究[J].中山大学学报：自然科学版，2015(2):8—13

[2] 范腾飞.面向色觉异常人群的交通信号识别解决方案研究[D].成都：西南交通大学，2014.

[3] 崔祎,周力.基于PLC的交通信号灯智能控制系统设计[J].工业仪表与自动化装置，2009(3):22—25.

[4] 温志达,梁桂荣,陈碧铭,等.基于车流量的智能交通灯控制系统[J].自动化技术与应用，2009(6):115—118.

[5] 肖质红,官宗琪.高速公路不停车收费系统的研究与开发[J].广西轻工业，2007(3):71—73.

[6] 陈明.智能交通灯设计[D].合肥：安微科技学院，2014.

[7] 樊明龙.PLC仿真实验系统的设计[D].南京：东南大学，2002.

[8] 冉徐江.十字路口交通信号灯系统设计[J].科技资讯，2010(8):41.

The Research and Development of Intelligent Traffic Lights to Effectively Reduce the Pressure on Urban Traffic

WANG Fu，etc.

(AnhuiTechnicalCollegeofMechanicalandElectricalEngineering，WuhuAnhui241002，China)

With more private cars increasing，city traffic congestion problem has become more and more serious.The research and development of intelligent traffic lights to implement the intelligent of the intersection traffic lights is the solution to solve the intersection traffic efficiency.In this paper，the design of intelligent traffic lights can automatically adjust the time of traffic lights according to the vehicle flow rate of intersection to make a green light time shorter automatically in the less cars or no cars direction.On the other hand，the green light time is lengthened automatically in more car direction.It can improve the traffic efficiency，make the traffic lights more intelligent，humanization and scientification.

effectively reduce；traffic pressure；intelligent；traffic lights

10.3969/j.issn.1009-8984.2016.03.023

2016-06-06

安徽机电职业技术学院院级项目(2015yjzr08)

王甫(1978-)，男(汉)，安徽霍邱，讲师

主要研究机械工程。

U491.51:TP391

A

1009-8984(2016)03-0101-04