一種用于應急情況下的交通信號燈改變裝置設計

陳紀龍，逯兆友

(東北林業大學交通學院，黑龍江 哈爾濱 150040)

1 引 言

應急車輛在執行任務時如何快速通過城市信號控制交叉口一直是一個長期備受關注的問題。由于近幾年來城市突發性事件數量不斷增多，使得應急情況下的交通控制變得更加重要，鑒于應急車輛運行有緊急性的特點，希望應急車輛盡可能快地到達救援地點或醫療場所。

目前普遍存在的交通擁堵容易使應急車被困堵在車流中，造成應急車輛無法迅速、安全地到達目的地，由于普通車輛需自發為應急車輛讓行，使得應急車輛的運行可能會進一步加劇交通擁堵，甚至造成新的事故。因此，如何保證應急車輛快速、安全地通過道路交叉口，是亟需解決的問題。

在解決上述問題上，吉林大學豆雪珊等人搭建了在車路協同環境下應急車輛交叉口優先通行硬件平臺，對緊急情況下應急車輛在不同行駛方向下優先通行控制模型進行了研究和探討，提出了應急車輛優先通行前與優先通行后的輔助方法及平滑過渡的協調控制策略，明顯降低了緊急車輛通過交叉口的行程時間、停車次數及時間延誤，提高應急車輛在交叉口的通行效率;應急車輛通過交叉口后，在交通狀態恢復過程中采用平滑過渡協調控制策略可以減少對普通車輛的影響；武漢理工大學趙欣等人提出應急車輛在交叉口的可變導向車道優先控制概念，并建立交叉口車輛實時延誤模型，制定對應的信號優先控制及時空組合優先控制策略，在實現應急車輛無延誤的前提下，以交叉口車輛總延誤最小為目標，建立多相位信號優化配時模型。

本文為解決信號燈處于紅燈狀態下應急車輛無法快速地通過道路交叉口的問題，設計了一種應急情況下信號燈的改變裝置。

2 裝置設計

本裝置包括應急車輛遙控器和信號燈改變器。

應急車輛遙控器設置在應急車輛上，主要包括遙控器外殼1、開關按鈕2、無線電遙控發射器3和無線電發射天線4，遙控器外殼1為帶有空腔的長方體，無線電遙控發射器3安裝在遙控器外殼1的空腔內，開關按鈕2安裝在遙控器外殼1的上蓋外部，無線電發射天線4安裝在遙控器外殼1的前端。

圖1 應急車輛遙控器的結構示意圖

圖2 無線電遙控發射器和無線電發射天線的電路圖

無線電遙控發射器3包括電阻R6、電阻R7、電阻R8、晶振B、電容C11、電容C12、NPN三極管VT5、電感線圈L3、電感線圈L4和開關SB，電阻R6的一端同時連接+9V電壓輸入端、電容C11的一端，線圈L3的一端、線圈L4的一端和無線電發射天線4的無線電發射接口，線圈L4的另一端接地，電阻R6的另一端同時連接晶振B的一端、NPN三極管VT5的基極和電阻R7的一端，晶振B的的另一端同時連接電容C11的另一端、線圈L3的另一端和NPN三極管VT5的集電極，NPN三極管VT5的發射極同時連接電阻R8的一端和電容C12的一端，電阻R8的另一端連接開關SB的一端，電容C12的另一端和開關SB的另一端同時接地；開關按鈕2與開關SB連接；

信號燈改變器包括無線電接收器和信號燈接口電路。

無線電接收器包括無線電接收天線、電容C1、可變電容C2、電容C3、電容C4、電容C5、電容C6、電容C7、電容C8、電容C9、電容C10、可變電阻RP、電阻R1、電阻R2、電阻R3、電阻R4、電阻R5、電感L1、電感L2、NPN三極管VT1、NPN三極管VT2、PNP三極管VT3、NPN三極管VT4、音頻變壓器T、二極管VD和繼電器線圈KM；

無線電接收天線的無線電接收接口連接電容C1的一端，電容C1的另一端同時連接電容C4的一端、NPN三極管VT1的基極、NPN三極管VT1的集電極、電容C3的一端、電感L1的一端、可變電容C2的一端和可變電阻RP的一端，NPN三極管VT1的發射極同時連接電容C3的另一端和電感L2的一端，電感L2的另一端同時連接電容C5的一端、電阻R1的一端和電容C6的一端，電容C6的另一端連接電阻R2的一端，電阻R2的另一端同時連接NPN三極管VT2的基極、電容C9的一端和電阻R3的一端，NPN三極管VT2的集電極同時連接電容C9的另一端、電阻R3的另一端、電容C8的一端和音頻變壓器T初級線圈的一端，音頻變壓器T次級線圈的一端同時連接音頻變壓器T次級線圈的中間抽頭、電容C10的一端、PNP三極管VT3的發射極和PNP三極管VT3的基極，PNP三極管VT3的集電極同時連接電容C10的另一端和電阻R4的一端，電阻R4的另一端同時連接電阻R5的一端、NPN三極管VT4的基極，NPN三極管VT4的集電極同時連接繼電器線圈KM的一端和二極管VD的陽極；可變電阻RP的另一端、電感L1的另一端、可變電容C2的另一端、電容C7的一端、電容C8的另一端、音頻變壓器T初級線圈的另一端、音頻變壓器T次級線圈的一端、二極管VD的陰極和繼電器線圈KM的另一端同時連接+9V電壓輸入端；電容C7的另一端接地；電容C4的另一端、電容C5的另一端、電阻R1的另一端、接NPN三極管VT2的發射極、電阻R5的另一端和NPN三極管VT4的發射極同時接地。

圖3 無線電接收器的電路圖

信號燈接口電路包括電阻R9、電阻R10、電阻R11、電阻R12、應急車道綠燈G1、應急車道紅燈R1、非應急車道紅燈R2、非應急車道綠燈G2、繼電器常開觸點KM1、繼電器常閉觸點KM2、繼電器常開觸點KM3和繼電器常閉觸點KM4；繼電器常開觸點KM1的一端、繼電器常閉觸點KM2的一端、繼電器常開觸點KM3的一端和繼電器常閉觸點KM4的一端同時連接+5V電壓輸入端的正極，繼電器常開觸點KM1的另一端連接應急車道綠燈G1的一端，應急車道綠燈G1的另一端連接電阻R9的一端，繼電器常閉觸點KM2的另一端連接應急車道紅燈R1的一端，應急車道紅燈R1的另一端連接電阻R10的一端，繼電器常開觸點KM3的另一端的另一端連接非應急車道紅燈R2的一端， 非應急車道紅燈R2的另一端連接電阻R11的一端，繼電器常閉觸點KM4的另一端連接非應急車道綠燈G2的一端，非應急車道綠燈G2的另一端連接電阻R12的一端，電阻R9的另一端、電阻R10的另一端、電阻R11的另一端和電阻R12的另一端同時連接+5V電壓輸入端的負極。

圖4 信號燈接口電路的電路圖

3 可行性分析

本裝置采用Arduino控制信號燈實現與車輛和控制系統的互聯。在定時控制信號燈中，當緊急車輛要通過紅色信號交叉口時，緊急車輛通過該裝置向控制系統發送信息，使Arduino的通信引腳電位發生改變，啟動中斷函數使現有信號發生改變——使紅色信號燈臨時轉變為黃色，3 s后轉變為綠色。

圖5 裝置運行流程圖

待緊急車輛通過交叉口時，再次發送信號，程序跳出中斷函數，使信號燈恢復到原來的周期；在感應控制信號燈中，由于增加固定周期，使其線控系統中周期不至于紊亂，從而能夠達到基本線控的效果。

4 結 論

本裝置在應急車輛通過十字路口的信號燈時，所在道路無法通車時，按下應急車輛上設置的應急車輛遙控器的開關按鈕，繼電器線圈得電吸合，應急車道的信號燈由紅燈變為綠燈，非應急車道的信號燈由綠燈變為紅燈，應急車輛得以通行，當應急車輛通過該路口后，再次按下應急車輛上設置的應急車量遙控器的開關按鈕，繼電器線圈失電釋放，應急車輛的信號燈由綠燈變為紅燈，非應急車道的信號燈由紅燈變為綠燈，十字路口的信號燈恢復為原工作狀態。解決了現有應急車輛在通過道路交叉口時，信號燈處于紅燈狀態下無法快速地通過道路交叉口的問題。

圖6 周期復位說明圖