交通信号机相位运行故障自诊断系统设计与仿真验证

许正芳 王兵 户建平 孙均友

交通信号控制系统是保障各类交通流安全通过道路平面交叉路口的关键交通管控设施，主要由交通信号机和交通信号灯组成，其中，交通信号机是信控系统的核心设备 ，在我国各地区应用广泛。受开放式工作环境的影响，机内电子元器件受极限温度与湿度、异常供电电压和电流、各类杂散电流，以及自身寿命影响，导致现实中交通信号机发生相位运行故障致使交通信号异常，极易造成平交口交通混乱，加剧交通拥堵，甚至引发交通事故[1]。而常用交通信号机不具备故障自动检测功能，部分智能交通信号机虽在一定程度上考虑到了信号机控制信号出现错误导致信号灯出现红、绿信号冲突的相位运行故障的判断，但是，暂时没有提供除红、绿信号冲突以外的信号机相位运行故障检测的具体方法，仅限于基础探讨式研究，更无出厂产品，现场维修人员对交通信号机故障往往难以迅速诊断，修复效率低[2-3]。

本文利用Proteus软件和Keil软件联合仿真建立一套交通信号机相位运行故障自诊断系统。该系统采用模块化设计，结构简单可靠，能为后续交通信号机相位运行故障诊断技术发展奠定理论基础和技术支持，系统一经应用，将大大减少道路拥堵时间，降低事故发生率。

1、交通信号机相位运行故障分析

图1为常见十字形平交口信控系统基本构成。控制信号机运行相位状态对应各输出端子连接信号灯组，信号灯组中的R、Y和G分别表示红、黄、绿三色信号灯。在一个周期内，平面交叉口上某一支或几支交通流所获得的通行权称为信号相位，一个周期内有几个信号相位，则称该信号系统为几相位系统。本文研究主体为常用两相位信号机。

本文两相位信号机预设的信号灯灯色和时间如表1所示。当信号机自身发生故障或信号机配置出现错误使其相位运行状态与实际运行结果不一致，例如：信号机同一相位红、绿灯一起亮等运行状态出现错误即为相位运行故障。

2、 系统设计

本文设计的交通信号机相位运行故障自诊断系统以单片机AT89C51为主控制器，利用Proteus软件绘制硬件电路，利用Keil软件进行编程[4-6]。其中，故障实时检测电路和故障自动诊断电路采用PCF8591芯片，PCF8591芯片对信号机运行相位状态对应各输出端子的多路模拟输入进行数据处理后转化成数字信号巡回选通到单片机I/O口，实时分析信号机输出端电压状态变化;故障报警提示电路由6个LED指示灯和蜂鸣器组成，且6个LED指示灯分别表示东、西方向红、黄、绿信号灯运行状态和南、北方向红、黄、绿信号灯运行状态。

本系统硬件模块主要由信号机相位运行故障诊断模块和故障报警提示模块组成。其中，信号机相位运

行故障诊断模块包括故障实时检测电路和故障自动诊断电路，系统整体设计图如图2所示。

当信号机与预设的相位运行状态不一致，即信号灯出现异常亮、灭，例如：信号机一路输出端子控制的两路交通信号灯其一或都发生故障，信号灯负载发生变化，系统不但能采集到信号机控制端口信息，也能采集到信号灯电压信息。例如，控制东西方向红灯的信号机运行相位的接线端子在运行时发生故障（即断开左边信号机东西相位方向红灯的控制端P1.0口），此时，系统总体设计电路中对应东西方向红灯的LED提示灯亮，蜂鸣器鸣响，起到故障报警提示作用。

3 、结论

本文建立的一套交通信号机相位运行故障自诊断系统，通过Proteus联合Keil C51实现系统功能仿真。系统硬件以AT89C51单片机为主控制器，利用PCF8581芯片实时采集信号机运行相位状态对应各输出端子的电压信息。当故障实时检测电路检测到信号机运行相位状态对应的输出端子发生故障时，报警提示模块电路对信号機运行相位状态出现故障的具体输出端子做出自动报警提示，本系统可以快速、准确的检测到信号机运行相位状态对应各输出端子出现的故障，成本低、效率高、稳定性好，具有很好的推广价值。

参考文献：

[1]王兵，王满满，许正芳等.一种交通信号机故障自动检测与远程报警系统[P].中国发明专利：106157671，2016-11-23.

[2]王兵.西部边远城市交通改善设计案例[M].北京：人民交通出版社，2016.

[3]李瑞敏.城市交通信号控制[M].上海：同济大学出版社，2004.

[4]袁振洲，魏丽英，谷远利.道路交通管理与控制[M].北京：人民交通出版社，2007.12.

[5]Jesse L，Jake A，Jennifer D，et al.Traffic light mapping，localization and state detection for autonomous vehicles[C]//IEEE International Conference on Robotics and Automation，ICRA 2011：5784-5791.

[6]Ying J，Chen X M，Gao P F，et al.A new traffic light detection and recognition algorithm for electronic travel aid[C]//Proceedings of the 2013 international conference on Intelligent Control and Information Processing，ICICIP 2013：644-648.