道路交通倒计时的变频控制技术概论

钱学志

摘 要 本文提出一种道路交通倒计时变频控制系统的软硬件技术，在不改变交通信号机控制逻辑和运行模式的情况下，通过在原有通信链路中嵌入变频控制模块，实现实时自适应交通信号控制下，红绿倒计时器以变频方式连续计数，以达到改善交通参与者心理感受的目的。

关键词 变频控制;交通倒计时;交通信号机;单片机;RS485

交通信号倒计时显示器在南京市已经使用了近十五年，在南京市的道路交通信号控制中发挥了巨大的作用。在运行自适应交通控制系统后，原先信号机对倒计时的控制方式将不再适用。为保留倒计时器功能，本文提出一种可变频显示的倒计时控制方法，有效地解决了自适应信号控制和倒计时器连续显示的技术矛盾。

1背景

道路交通信号倒计时显示器[1]（以下简称倒计时器），显示单元由LED阵列构成，是能够以每秒倒计时的方式准确显示相应交通信号灯灯色（绿色、黄色、红色）及剩余时间的显示设备。南京市目前采用倒计时器的类型统一为通讯式，是由交通信号机通过串行数据通信的方式，直接设定倒计时显示的颜色和时间，采用两位数七段码显示，数值范围为1～159秒（十位采用十六进制方式表达）。

根据自适应信号控制系统（如英国SCOOT系统）原理，系统根据路口感应线圈采集到的交通流数据自动调整交通信号控制的三个核心参数，包括绿信比、周期和相位差，并命令信号机实时地调整当前信号阶段长度。因此，路口信号机无法预知当前阶段的结束时刻，从而倒计时器也无法显示准确的倒计数。

倒计时器运行显示情况如下：

（1）当阶段运行无优化时，信号机控制的倒计时始终逐秒显示;

（2）当阶段运行极限优化时，单阶段的最大绿灯时间变化幅度为±18秒。即绿灯倒计时从剩余28秒跳变至剩余9秒显示，再进入阶段间隔逐秒显示;或绿灯倒计时在数字“09”上等待18秒，再进入阶段间隔逐秒显示;

（3）当信号机进入阶段间隔后，最后9秒为逐秒绿灯倒计时。

2变频控制算法

为解决现有倒计时器在自适应控制系统运行控制下出现“跳变”和“等待”现象，本文提出一种“倒计时变频”控制系统。通过在原有倒计时控制回路中嵌入变频处理模块，可自动实现倒计时“全程计数”。如图1所示。

在引入“倒计时变频”控制计数的概念后，原先以“秒”为单位的倒计时理念转变为可变计时间隔的“变频倒计数”。

2.1 绿灯倒计时时间缩短

设倒计时变频计数后频率为F，缩短的时间长度为?S，A 为倒计时恢复1Hz 计数点，信号机最后9 秒绿灯时间为强制绿灯时间，根据对应时间关系，有如下等式：

（?S+9-A）/F= （9-A）/1 （1）

等式（1）需符合以下条件：0≤A<9，?S≥0，A， ?S  Z

即，变频频率F为：

F= （?S+9-A）/ （9-A）  （2）

变频周期 T为：

变频周期 T= （9-A）/ （?S+9-A） （3）

举例说明：如下图2所示，假设当前阶段绿灯缩短的时间长度为6秒，即当倒计时显示第16秒结束后，从第15秒开始以0.5秒的周期开始倒计数，当倒计数至第3秒时，恢复周期为1秒的倒计数。

根据交通参与者对倒计时数字变化的感受，若T可以减小，则?S可以增加，这将增大系统可跳变时间，可以提高系统的优化效果。

2.2 绿灯倒计时时间延长

由于在绿灯时间延长时，信号机和倒计时无法“预知”延长的时间长度，倒计时也就无法进行一次固定的变频频率进行倒计数，因此我们考虑采用“两次变频”方式以实现倒计数。当倒计时器进入“09”并等待时，变频模块先按照第一个固定频率（如0.33Hz，即周期3 秒）输出倒计数;当信号机再次恢复倒计数时，处理板在计算后将第二次调整倒计数频率，从而实现“全程倒计时”。

设延长的时间长度为?S，B为第二次变频后倒计时恢复1Hz开始倒数数字，F1（T1） 为第一次变频频率（周期），F2（T2） 为第二次变频频率（周期）。经过第n次T1变频后，有如下关系：

（n-1）×T1

（?S+8-B）/1=n×T1+ （8-n-B）×T2 （4）

关系式（3）和（4）需符合以下条件： 0

举例说明：如下图3所示，假设当前阶段绿灯延长的时间长度为8秒，变频模块先从第8秒开始以T1=2秒的周期输出倒计数，当倒计数至第4秒时，再以T2=2秒的周期输出倒计数至绿灯结束。

根据交通参与者对倒计时数字变化的感受，若T2可以增大，则?S可以增加，这将增大系统可跳变时间，可以提高系统的优化效果。

2.3 绿灯倒计数变频参数

在实际运用过程中，需要考虑交通参与者视觉能够接受的“数字变化间隔”，合理制定以上一系列参数，即可实现自适应控制下的“全程倒计数”功能。

在自适应控制下，单个阶段的最大绿灯时间变化幅度可限制在±18s范围内。根据上述算法，可归纳出倒计时变频参数表，作为变频方式选择和单片机编程依据。

如果自适应系统的绿灯变化范围超出±18s，可采取下述办法：-18～+18秒范围内的绿灯时间变化，根据倒计时变频参数表做变频处理;超出18秒的变化，则先做“跳变”或“等待”处理，再做变频处理。

2.4 红灯倒计时

由于一个方向的红灯倒计时时间为其他方向的绿灯时间和，因此红灯倒计时可根据当前阶段绿灯倒计时做同样处理，即在某阶段中如果绿灯倒计时依照变频参数表做变频处理，则在相应阶段中的红灯倒计时也做相同的变频处理。

3系统硬件设计

3.1 硬件电路

变频模块采用ATMEL公司的AT89S51单片机作为主控制器，该单片机内含4KBYTE的可系统编程的FLASH存储器，兼容标准的8051指令系统及引脚，其FLASH存储器既可ISP在线编程，也可使用传统方法编程。该单片机可满足该变频模块的硬件需求。

由于常规信号机配备两个控制倒计时的RS485串行总线端口，而选用的AT89S51单片机仅一个串口可用，所以必须使用串口扩展芯片进行串口功能扩展。经过比较，本文选用1扩3通用异步串口扩展芯片GM8123，连接方法如图4所示，该芯片可工作在单通道工作模式，并可设置与倒计时相同的通讯波特率。

MAX813L为电源监控芯片，可对单片机进行上电复位和供电监控，防止固件运行跑飞。固件须以小于1.5秒的时间间隔“喂狗”，防止单片机复位。

LED1和LED2为运行指示灯，对系统工作状态指示。

3.2 固件程序

该程序关键之处在于需要对绿灯倒计时数据和红灯倒计时的分开处理，以及对倒计时七段码的判断。

在发生“跳变”或“等待”时，绿灯倒计时数据会出现跳变的十进制数据，如12跳至9，而红灯倒计时数据却因为信号机的倒计时机制未发生“跳变”或“等待”，所以程序必须对此做特別处理。

源程序使用C51语言进行编写，使用KEIL C51平台编译，经实践证明可行。

以下是固件程序的核心代码。

4结束语

当今世界范围内，在实时自适应交通信号系统的控制下，还未有倒计时成功运转的经验。本文运用“变频控制”算法和开发技术，首次实现了实时交通信号系统与交通倒计时器的联合运行，即发挥了实时交通信号控制系统的交通流控制优势，又能给交通参与者带来积极的“时间受控”感受。

参考文献

[1] 道路交通信号倒计时显示器：GA/T508-2004[S].北京：中国标准出版社，2004.