道路交通倒計時的變頻控制技術概論

錢學志

摘 要 本文提出一種道路交通倒計時變頻控制系統的軟硬件技術，在不改變交通信號機控制邏輯和運行模式的情況下，通過在原有通信鏈路中嵌入變頻控制模塊，實現實時自適應交通信號控制下，紅綠倒計時器以變頻方式連續計數，以達到改善交通參與者心理感受的目的。

關鍵詞 變頻控制;交通倒計時;交通信號機;單片機;RS485

交通信號倒計時顯示器在南京市已經使用了近十五年，在南京市的道路交通信號控制中發揮了巨大的作用。在運行自適應交通控制系統后，原先信號機對倒計時的控制方式將不再適用。為保留倒計時器功能，本文提出一種可變頻顯示的倒計時控制方法，有效地解決了自適應信號控制和倒計時器連續顯示的技術矛盾。

1背景

道路交通信號倒計時顯示器[1]（以下簡稱倒計時器），顯示單元由LED陣列構成，是能夠以每秒倒計時的方式準確顯示相應交通信號燈燈色（綠色、黃色、紅色）及剩余時間的顯示設備。南京市目前采用倒計時器的類型統一為通訊式，是由交通信號機通過串行數據通信的方式，直接設定倒計時顯示的顏色和時間，采用兩位數七段碼顯示，數值范圍為1～159秒（十位采用十六進制方式表達）。

根據自適應信號控制系統（如英國SCOOT系統）原理，系統根據路口感應線圈采集到的交通流數據自動調整交通信號控制的三個核心參數，包括綠信比、周期和相位差，并命令信號機實時地調整當前信號階段長度。因此，路口信號機無法預知當前階段的結束時刻，從而倒計時器也無法顯示準確的倒計數。

倒計時器運行顯示情況如下：

（1）當階段運行無優化時，信號機控制的倒計時始終逐秒顯示;

（2）當階段運行極限優化時，單階段的最大綠燈時間變化幅度為±18秒。即綠燈倒計時從剩余28秒跳變至剩余9秒顯示，再進入階段間隔逐秒顯示;或綠燈倒計時在數字“09”上等待18秒，再進入階段間隔逐秒顯示;

（3）當信號機進入階段間隔后，最后9秒為逐秒綠燈倒計時。

2變頻控制算法

為解決現有倒計時器在自適應控制系統運行控制下出現“跳變”和“等待”現象，本文提出一種“倒計時變頻”控制系統。通過在原有倒計時控制回路中嵌入變頻處理模塊，可自動實現倒計時“全程計數”。如圖1所示。

在引入“倒計時變頻”控制計數的概念后，原先以“秒”為單位的倒計時理念轉變為可變計時間隔的“變頻倒計數”。

2.1 綠燈倒計時時間縮短

設倒計時變頻計數后頻率為F，縮短的時間長度為?S，A 為倒計時恢復1Hz 計數點，信號機最后9 秒綠燈時間為強制綠燈時間，根據對應時間關系，有如下等式：

（?S+9-A）/F= （9-A）/1 （1）

等式（1）需符合以下條件：0≤A<9，?S≥0，A， ?S? Z

即，變頻頻率F為：

F= （?S+9-A）/ （9-A）? （2）

變頻周期 T為：

變頻周期 T= （9-A）/ （?S+9-A） （3）

舉例說明：如下圖2所示，假設當前階段綠燈縮短的時間長度為6秒，即當倒計時顯示第16秒結束后，從第15秒開始以0.5秒的周期開始倒計數，當倒計數至第3秒時，恢復周期為1秒的倒計數。

根據交通參與者對倒計時數字變化的感受，若T可以減小，則?S可以增加，這將增大系統可跳變時間，可以提高系統的優化效果。

2.2 綠燈倒計時時間延長

由于在綠燈時間延長時，信號機和倒計時無法“預知”延長的時間長度，倒計時也就無法進行一次固定的變頻頻率進行倒計數，因此我們考慮采用“兩次變頻”方式以實現倒計數。當倒計時器進入“09”并等待時，變頻模塊先按照第一個固定頻率（如0.33Hz，即周期3 秒）輸出倒計數;當信號機再次恢復倒計數時，處理板在計算后將第二次調整倒計數頻率，從而實現“全程倒計時”。

設延長的時間長度為?S，B為第二次變頻后倒計時恢復1Hz開始倒數數字，F1（T1） 為第一次變頻頻率（周期），F2（T2） 為第二次變頻頻率（周期）。經過第n次T1變頻后，有如下關系：

（n-1）×T1

（?S+8-B）/1=n×T1+ （8-n-B）×T2 （4）

關系式（3）和（4）需符合以下條件： 0

舉例說明：如下圖3所示，假設當前階段綠燈延長的時間長度為8秒，變頻模塊先從第8秒開始以T1=2秒的周期輸出倒計數，當倒計數至第4秒時，再以T2=2秒的周期輸出倒計數至綠燈結束。

根據交通參與者對倒計時數字變化的感受，若T2可以增大，則?S可以增加，這將增大系統可跳變時間，可以提高系統的優化效果。

2.3 綠燈倒計數變頻參數

在實際運用過程中，需要考慮交通參與者視覺能夠接受的“數字變化間隔”，合理制定以上一系列參數，即可實現自適應控制下的“全程倒計數”功能。

在自適應控制下，單個階段的最大綠燈時間變化幅度可限制在±18s范圍內。根據上述算法，可歸納出倒計時變頻參數表，作為變頻方式選擇和單片機編程依據。

如果自適應系統的綠燈變化范圍超出±18s，可采取下述辦法：-18～+18秒范圍內的綠燈時間變化，根據倒計時變頻參數表做變頻處理;超出18秒的變化，則先做“跳變”或“等待”處理，再做變頻處理。

2.4 紅燈倒計時

由于一個方向的紅燈倒計時時間為其他方向的綠燈時間和，因此紅燈倒計時可根據當前階段綠燈倒計時做同樣處理，即在某階段中如果綠燈倒計時依照變頻參數表做變頻處理，則在相應階段中的紅燈倒計時也做相同的變頻處理。

3系統硬件設計

3.1 硬件電路

變頻模塊采用ATMEL公司的AT89S51單片機作為主控制器，該單片機內含4KBYTE的可系統編程的FLASH存儲器，兼容標準的8051指令系統及引腳，其FLASH存儲器既可ISP在線編程，也可使用傳統方法編程。該單片機可滿足該變頻模塊的硬件需求。

由于常規信號機配備兩個控制倒計時的RS485串行總線端口，而選用的AT89S51單片機僅一個串口可用，所以必須使用串口擴展芯片進行串口功能擴展。經過比較，本文選用1擴3通用異步串口擴展芯片GM8123，連接方法如圖4所示，該芯片可工作在單通道工作模式，并可設置與倒計時相同的通訊波特率。

MAX813L為電源監控芯片，可對單片機進行上電復位和供電監控，防止固件運行跑飛。固件須以小于1.5秒的時間間隔“喂狗”，防止單片機復位。

LED1和LED2為運行指示燈，對系統工作狀態指示。

3.2 固件程序

該程序關鍵之處在于需要對綠燈倒計時數據和紅燈倒計時的分開處理，以及對倒計時七段碼的判斷。

在發生“跳變”或“等待”時，綠燈倒計時數據會出現跳變的十進制數據，如12跳至9，而紅燈倒計時數據卻因為信號機的倒計時機制未發生“跳變”或“等待”，所以程序必須對此做特別處理。

源程序使用C51語言進行編寫，使用KEIL C51平臺編譯，經實踐證明可行。

以下是固件程序的核心代碼。

4結束語

當今世界范圍內，在實時自適應交通信號系統的控制下，還未有倒計時成功運轉的經驗。本文運用“變頻控制”算法和開發技術，首次實現了實時交通信號系統與交通倒計時器的聯合運行，即發揮了實時交通信號控制系統的交通流控制優勢，又能給交通參與者帶來積極的“時間受控”感受。

參考文獻

[1] 道路交通信號倒計時顯示器：GA/T508-2004[S].北京：中國標準出版社，2004.