基于人工智能的交通灯控制系统的设计

(四川省温江中学　四川　成都　611130)

随着私家车的普及以及外来人口不断涌进大城市，造成了交通拥堵情况非常明显，如何能够有效地解决质疑问题事关城市发展大局。随着私家车的不断普及，城市的交通问题日益严重。如何有效地对交通流进行有效地管控以获得最高的交通运行效率，对城市的长期发展事关重大。基于以上考虑，本文研究开发出一种基于PLC的交通信号灯智能控制实验装置。该装置不仅具备了一些常规的控制功能，如南北、东西红黄绿灯循环启动；倒计时显示时间；手动调节红绿灯亮的时间；紧急情况下的红绿灯控制等，还能够根据主次干道车流量的大小自动调节红绿灯亮的时间；能够根据时间段调节红绿灯点亮的时间等。另外本文采用了一种易于实现的基于车流比的周期自动切换方法，使得在调节红绿灯时间长度时无需进行复杂计算，从而简化了PLC的程序设计，设计的控制系统具有可靠性高、实时性好等特点。

一、系统设计思路

整个系统采用触摸屏作为上位机，PLC为主要控制核心，光电开关与声音传感器为车辆检测元器件，红绿灯和数码管为主要控制对象。系统在智能工作模式下，能够根据交通灯的每个工作周期内道路的车流量，计算得到下一周期交通灯工作的最优时间值，以此为依据，通过PLC控制方式自动调节红绿灯亮的时间，并能够根据时间段调节红绿灯亮的时间。当特种车辆(如救护车、消防车)到来时，还能够自动启动急车强通通行模式。触摸屏作为一种智能控制设备，可以实现远距离控制和系统状态显示，可以实现工作模式的切换，用于代替传统的按钮输入，同时可以实时监控交通灯的工作状态。

二、系统元器件选型与硬件结构设计

本装置中上位机采用了触摸屏。触摸屏提供了320×240像素的分辨率，具有多种通讯端口。由于其界面良好、功能多样、控制灵活、方便、价格便宜等优点，在工业控制领域得到了广泛的应用。

在PLC选择方面，根据系统的控制要求，需要模式选择开关4个，东西和南北向车辆检测传感器4个，4个方向的声音传感器4个。由于南北向车辆检测传感器可以共用1个输入点，东西向车辆检测传感器可以共用1个输入点，4个方向的声音传感器可以共用1个输入点，因此本系统总共需要输入点7个。输出部分需要控制信号灯和倒计时时间显示，以及人行横道灯等，其中信号灯需要6个输出点，人行横道灯可以与信号灯共用输出点。由于只显示1位倒计时数据，4个方向的倒计时显示需要16个输出点，因此整个系统需要22个输出点。考虑到成本的因素，本系统中PLC主机采用了西门子S7-200CPU224(16个输入点，10个输出点)，外加2个EM2228路输出扩展模块，总共可以提供16个输入点和26个输出点，满足系统控制的需要。光电开关采用了飞凌公司生产的E3JK-DS30M1，能够实现30cm内的车辆检测。数码管采用常规的2HS228021型号数码管，用于倒计时显示1位时间。声音传感器采用声控开关代替。

三、系统软件设计

智能交通灯PLC控制实验装置的软件设计包括了2个部分：触摸屏组态软件设计和PLC控制程序设计。其中组态软件设计主要设计触摸屏的操作画面，便于实现人机交互。而PLC控制程序主要实现交通灯的循环显示功能与倒计时数码显示功能。

(一)触摸屏组态软件设计

利用与eView触摸屏相配套的EV5000组态软件可以实现本装置的触摸屏组态画面设计。EV5000组态软件功能强大，支持C语言宏脚本，简单易学，丰富的图库提供给用户自由选择，用户可以编辑触摸屏启动LOGO画面。

整个画面由信号灯、倒计时数码显示、车流检测显示、系统当前时间及操作菜单等几部分组成。通过点击相应的菜单项，可分别进入到“工作模式选择窗口”和“系统时钟设置窗口”。在“工作模式选择窗口”中提供了4个模式选择按钮，通过点击不同的按钮系统可以进入相应的工作模式。在“正常工作模式”下，可以通过手动设置东西绿灯和南北绿灯的点亮时间。在“系统时钟设置窗口”中可以手动改变当前的系统时间，用于时间的校正。

(二)PLC控制程序设计

1.主程序设计

系统首先通过READ_RTC指令读取PLC的时间，然后判断当前时间是否处在白天段还是夜晚段。如果处在白天段则系统自动进入智能工作模式；如何处在夜晚段则进入夜间工作模式。在智能工作模式或夜间工作模式期间，如果声音传感器检测到有紧急车辆通过时，则系统暂停原先的工作模式，快速进入到紧急情况工作模式，并开始计时，15s后待车辆通过，则系统回到原先的工作模式继续工作。在任何一种工作模式下，均可通过触摸屏来手动修改工作模式，进入相应的处理环节。

2.智能工作模式

智能工作模式下，系统通过设置在每个方向的交通灯上方的车流检测传感器，检测一定时间内该方向的车流数量。由于南北向共用1个车辆检测传感器，东西向共用1个车辆检测传感器，因此实际测得的车流量为2个方向车流量之和。系统然后根据2个方向的车流比值确定该方向绿灯点亮的时间。当车流值改变时，相应红绿灯点亮的时间也会随着改变。

智能工作模式下程序设计思路描述如下：

(1)设置车辆检测周期T0，周期可通过触摸屏进行手动调节。

(2)在一个车辆检测周期内，检测东西向和南北向的车流量，分别放入MW1000和MW2000数据变量存储器中。其中MW1000为一个车辆检测周期内东西向的车流量，MW2000为一个车辆检测周期内南北向的车流量。

(3)如果仅南北向的车流量MW2000为0，则设置VW10为35s，VW100为15s，其中VW10为东西向绿灯亮的时间，VW100为南北向绿灯亮的时间。如果仅东西向的车流量MW2000为0，则设置VW10为15s，VW100为35s。如果2个方向的车流量均为0，则设置VW10、VW100均为25s。

(4)如果MW1000和MW2000均不为零，则计算MW1000和MW2000的比值，放入存储器MW1500中。并根据比值的大小设置东西向和南北向绿灯点亮的时间。

(5)计算红黄绿灯的循环点亮周期T1：T1=VW10+VW100+绿灯闪烁时间(此处设置为3s)+黄灯点亮的时间(此处设置为2s)

(6)在一个循环周期内，依次点亮东西向和南北向的红绿黄灯。

(7)在1个循环周期内，触摸屏倒计时显示2位绿灯点亮及闪烁的时间，而数码管倒计时显示最后9s钟内绿灯点亮及闪烁的时间。

3.常规工作模式

常规工作模式的程序设计思路与智能工作模式相类似。只不过东西向绿灯点亮时间设定值VW10和南北向绿灯点亮时间设定值VW100由系统设定，同时可以通过触摸屏手动修改。

4.夜间工作模式

在20：00到6：00时间段，系统进入夜间工作模式，此时2个方向的黄灯以1s周期进行闪烁，提醒车辆注意，同时倒计时数码显示自动停止工作。

5.紧急工作模式

紧急工作模式下，系统利用在每条道路上设置的声音检测传感器，检测特种车辆的到来，如救护车、消防车、警车等。当任何一个方向的声音传感器检测到信号时，系统即进入紧急情况工作模式，此时2个方向的红灯以1s周期进行闪烁，提示有紧急车辆需要通过。同时倒计时数码显示自动停止工作。待紧急车辆通过时(此处设置为15s)，系统退出紧急工作模式，回到原先的工作模式继续工作。

四、交通灯实验装置与操作说明

本文研究开发的人工智能的交通灯PLC实验装置如图1所示。整个装置以1块有机玻璃为基底，其上按照真实道路情况绘制交通通道与人行横道，并安装有28盏交通信号灯、4个数码管、两个车辆检测传感器、电源、PLC、触摸屏等模块。接通电源后，打开电源开关，此时触摸屏显示出主界面。通过手指点击界面上的“菜单”项，弹出菜单窗口，在其中点击“工作模式选择”项，触摸屏进入到“工作模式选择窗口”，在其中可点击选择各种工作模式(如“智能模式”)，选择完后点击“返回”按钮，系统返回到主界面。点击主界面中的起动按钮，系统即进入智能工作模式，此时车流传感器处于工作状态，当有车辆经过时，主界面上的2个车辆检测数据值会显示具体的数目。当车辆检测周期到时(初始设置为2min)，2个方向的红绿灯会随着2个方向的车流量改变而改变。时间显示部分，触摸屏倒计时显示的是2位数据，而交通灯处显示的是1位数据。如果选择的是“正常工作模式”，则红绿灯会按固定周期进行循环工作。工作周期也可以通过点击相应的数值输入按钮进行调整。

图1　人工智能的交通灯PLC控制实验装置实物图

五、结语

本文研究开发出1种新型的交通信号灯智能控制实验装置。该装置的主要特点：①贴近现实，真实感强，其结构完全是依据真实交通灯控制系统进行设计的，能够激起学生的学习和研究兴趣；②功能多样，能够模拟现实交通灯控制的多种状态，如常规固定周期工作状态、夜间工作状态、紧急车辆通过工作状态，基于车流检测的智能工作状态等；③控制灵活。采用触摸屏作为人机交互界面，可实现远距离操作和状态监控，实时监测十字路口的交通状况，同时也可减少PLC输入输出点的数量；④实用性强。如果将装置中的车流检测传感器用红外摄像头或地感线圈代替，交通信号灯用实际应用的大功率信号灯代替，则该装置完全可以应用于现有的交通灯控制。该装置与现有的同类实验装置相比，主要创新点为：①采用了触摸屏与检测传感技术来调整和监控交通灯的运行状态，人机界面良好，可实现远距离控制；②能够根据每个方向的车流量自动调节红绿灯点亮的时间；能够根据系统时间自动调节红绿灯的工作模式；③该装置采用开放式三维立体结构，模拟真实的交通灯控制方式，方便学生自由设计实验项目，可锻炼学生触摸屏、PLC、算法设计等多种编程能力。今后将要改进的是，继续研究开发复杂路口的交通灯控制装置，将单一通行方向改为多车道通行方向，以更加贴近十字路口的真实交通状况。

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