車流量實時檢測的交通燈配時監控系統設計

孫竹梅，張玥玥，王 琦，王 政

(1.山西大學自動化系，山西 太原 030013；2.山西省實驗中學，山西 太原 030031)

0 引言

傳統城市干道的十字路口交通信號控制系統是按固定方式運行的定時控制系統。該控制系統有兩點不足：在車流量較少的夜間，由于交通燈仍按固定方式運行，會造成不必要的通行等候；在車流量大的白天，尤其是車流高峰時段，在直行車道上經常出現交通擁堵，降低了道路的通行能力。

本文提出一種基于車流量實時檢測的控制方案。該方案可根據車流量大小，及時合理調配十字路口各個方向信號燈時長，實現交通燈的有效控制，保持道路暢通；借助監控組態技術，創建遠程監控系統，遠程監控道路的通行狀況，將有助于提升交通管理的自動化水平。

1 現場情況調查分析與總體設計思路

某十字路口東西方向是連接居民區的主干道，車流量相對較小，車流高峰時段為早上和傍晚。南北方向為連接商業區和中小學校的主干道，在早7時至晚22時車流量都比較大，而且具有不確定性。南北方向在車流高峰時，車流量比東西方向大。另外，該十字路口左轉方向車流量相對較小，且平穩。

通過對現場交通狀況調查，重新設計交通信號燈控制系統，以減少不必要的通行等候時間，緩解道路的擁堵情況。系統總體設計思路如下：將交通燈控制模式分為日間繁忙模式、日間正常模式和夜間模式，編寫相應的交通燈配時控制程序。車流量檢測系統實時檢測車流量，可編程邏輯控制器(programmable logic comtroller,PLC)根據車流量實際情況調用不同的交通燈控制程序，自動合理調配各方向的紅綠燈時長。

2 設計方案

基于車流量實時檢測的交通燈遠程監控系統分為上位系統、下位PLC控制系統和現場監控設備。上位系統為計算機，顯示WinCC監控組態畫面，實現可視化監視和控制；下位PLC控制系統主要由電源模塊、CPU模塊、數字量輸入輸出模塊組成；現場監控設備主要包括車流輛檢測系統和交通信號燈被控對象[1-2]。系統結構如圖1所示。

圖1 系統結構圖

2.1 車輛檢測系統

車流輛檢測系統由220 VAC電源、地感線圈、線圈引線(雙絞線)和地感線圈檢測器組成，其結構如圖2所示。

圖2 車流輛檢測系統結構圖

地感線圈、線圈引線(雙絞線)和地感線圈檢測器(電容C)三者構成了LC振蕩電路。

其振蕩頻率(f)可由式(1)算得。

(1)

式中:C為常數。

當有金屬物通過地感線圈時，電感L發生改變。L值與線圈匝數、線圈的面積、線圈引線的長度和線圈中的介質有關。在匝數、面積、引線的長度都確定的前提下，電感值只與介質有關，即振蕩頻率與線圈內通過的金屬物體有一一對應關系。當振蕩頻率相對于基準頻率發生變化時，車流輛檢測系統輸出電壓為5 V的脈沖信號，據此判定有一輛車通過。通過統計車流輛檢測系統輸出5 V脈沖信號的次數，可以確定車流量的大小。

在東西向、南北向各設4個地感線圈，共計8個(因每一方向的紅綠燈時長應保持一致，顧只需鋪設十字路口每一方向任一側)，如圖2所示(只畫出一個方向直行道路的地感線圈)，以統計每個方向直行和左轉的車流量。線圈2鋪設在十字路口人行橫道內測黃線處，線圈1則可鋪設在距離線圈2的100～200 m(也可根據實際路段長度而定)處。對線圈1和線圈2的檢測信號作差，即可得該方向的車流量。由于右轉車輛不受信號燈限制，故不作統計。

2.2 下位PLC控制系統

下位PLC控制系統采用西門子S7-300，由電源、CPU、輸入/輸出模塊組成。西門子S7-300 PLC控制系統與上位系統通過工業以太網通信，與現場監控設備通過Profibus-DP現場總線通信[3]。

3 程序設計與調試

3.1 交通燈實時控制程序分析

交通燈實時控制系統的控制模式分為日間繁忙模式、日間正常模式和夜間模式3種。PLC根據車流量實際情況調用不同的控制程序，自動、合理地調控交通信號燈綠燈時長。

程序由組織塊OB1塊、OB35塊和10個功能(function,FC)子程序組成。組織塊OB1塊讀取車流量實時檢測信息，經過與設定值的比較，判斷當前所對應的交通燈控制模式;通過調用FC子程序執行相應的控制程序，改變交通信號燈時長，從而控制車輛通行。考慮到交通控制系統的整體調度，當接到上位系統的控制指令時，優先執行上位控制指令。上位控制指令執行的相關程序放在組織塊OB35中[4]。OB35是放置中斷執行程序。為配合其他道路的交通，以及管理員對整個市內交通的整體調度而編寫的程序，該運行方式可以隨時無條件地執行，以提高城市道路整體通行能力和自動化管控水平。

交通信號燈控制系統中，東西方向直行程序流程如圖3所示。

圖3 東西方向直行程序流程圖

以東西方向直行交通燈控制為例，將地感線圈1和地感線圈2檢測的脈沖信號作為下位PLC控制系統加減計數器的兩個輸入。地感線圈1的脈沖信號是PLC程序加減計數器的CU端子輸入信號，地感線圈2的脈沖信號是PLC程序加減計數器的CD端子輸入信號，加減計數器的CV端子輸出值MW0是東西直行方向紅燈時滯留的車輛數，加減計數器的CV端子輸出值MW0與3種交通燈控制模式的各設定值進行比較。根據比較結果，確定當前交通狀況類型，然后調用相應FC塊，執行對應的交通燈配時程序。東西直行方向的計數器在綠燈后復位清零，紅燈后計數器開始計數。東西左轉、南北方向直行與左轉的控制相同。PLC控制系統周期掃描，實現了基于車流量檢測的交通燈實時控制[5-6]。

下位PLC控制系統采用西門子S7-300 PLC控制系統，工程師可以隨時在線修改程序，修改交通燈的時長，并能夠根據實際情況編寫更合適的程序，在線下載并立刻投運，使得交通更為順暢、合理。這是現在其他控制器不容易實現的。西門子S7-300 PLC的可靠性高，尤其在城市中電感、電磁等多種干擾共存的情況下，可以平穩地運行。

3.2 上位系統實時監控系統設計

西門子視窗控制中心SIMATIC WinCC可用于實現數據采集、數據分析管理、畫面動態顯示、報警記錄以及變量歸檔等功能[7-9]。在創建項目工程后，添加通信連接、建立過程變量、創建過程畫面、改變畫面對象屬性，保存下載，運行工程，實現對交通燈的實時監控[10]。

實時監控畫面中包含系統的啟動、停止按鈕；根據實際運行情況，可以在畫面上實現手動/自動運行方式的切換，并能夠顧全大局，實現上位控制。

4 交通燈實時監控系統效果

采用監控組態技術，在上位系統中創建變量和人機接口畫面，并建立變量與人機接口畫面之間的連接。該系統遠程監控畫面可以顯示所有下位PLC控制系統及現場設備的實時檢測參數、交通燈狀態等信息，方便監控室的監控人員了解路口交通情況。監控人員也可以根據整個路段的交通需求進行統一調配，隨時更改交通燈的運行時長[11]，使得系統更及時地適應現場需求。

十字路口的監控信息可以通過光纖和以太網匯集到城市交通監管中心，為城市路面交通的統籌協調提供便利。

5 結束語

本文針對城市高峰、夜間、正常交通現狀，提出了根據實際交通狀況對交通燈進行實時配時的方案。通過地感線圈對車流量實時監測，編寫西門子PLC設計控制程序。針對日間正常、高峰以及夜間車輛少等情況，采用不同的控制方案，及時、有效地緩解了交通壓力，提高了道路的利用率。同時，為配合全市交通統一調度，設計了上位控制方式。整個系統可以實現就地、遠程、手自動切換，以及對上位指令的響應。系統通過多種功能的自動調用，實現了對市內交通的全局控制。