基于PLC 技術(shù)的信號交叉口道閘柵欄設(shè)置方法

韓 蕊， 張 麗， 李陸君， 亓洋洋， 張 智

（上海工程技術(shù)大學(xué) 航空運(yùn)輸學(xué)院， 上海201600）

0 引 言

信號交叉口闖紅燈現(xiàn)象普遍。 由于不同方向的機(jī)動(dòng)車流、非機(jī)動(dòng)車流及行人流在交叉口交匯，交叉口的交通組織顯得尤為復(fù)雜。 目前中國很多交通參與者安全意識薄弱，“中國式”過馬路具有湊數(shù)成團(tuán)的集體效應(yīng)，大眾常對紅綠燈視而不見。 行人及非機(jī)動(dòng)車橫穿馬路、闖紅燈等不安全行為較為普遍，且不易管理與控制。

闖紅燈造成的交通事故傷亡嚴(yán)重。 統(tǒng)計(jì)表明，涉及行人或非機(jī)動(dòng)車的事故占總事故數(shù)的比例較高。 2018 年，杭州市涉及電動(dòng)車的道路事故1200余起，造成250 人死亡，占道路交通事故死亡總?cè)藬?shù)近三成［1］。 據(jù)上海交警發(fā)布的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2018年，電動(dòng)自行車闖紅燈、亂穿馬路和逆行導(dǎo)致的交通死亡人數(shù)同比增長10.2%，而交通事故死亡人數(shù)同比增長23.8%。 中國每年有53%的致人死亡交通事故是由行人和非機(jī)動(dòng)車過馬路闖紅燈引起的。

相關(guān)研究。 有很多關(guān)于阻止行人和車輛闖紅燈的研究。 1858 年，倫敦的主要街道上安裝了紅色和藍(lán)色的機(jī)械扳手燈，用來引導(dǎo)馬車。 這是世界上第一個(gè)紅綠燈。 今天，各種新的理論和技術(shù)層出不窮。就行人而言，梁宇基于視頻監(jiān)控、人臉識別和大數(shù)據(jù)分析，提出了行人闖紅燈自動(dòng)報(bào)警顯示系統(tǒng)［2］。 張帆等以計(jì)劃行為理論為框架，采用問卷調(diào)查的方法研究外賣配送員闖紅燈的行為。 研究發(fā)現(xiàn)，只有交通環(huán)境對其闖紅燈行為意向有顯著影響［3］。 陳曉紅等設(shè)計(jì)了單一入口放行模式下十字路口行人嵌套相位，以減少車輛和行人的延誤［4］。 在車輛方面，裴瑩瑩利用三幀差分法和閾值分割法提出了一種有效的紅燈檢測算法［5］。 韓寶睿等研究了前車遮擋后車視線造成闖紅燈的具體原理，并構(gòu)建了兩種不誤闖紅燈的條件跟馳模型［6］。 劉巖等引入臨界距離的概念，將機(jī)動(dòng)車闖紅燈的行為類型分為了3 類，并用Z 檢驗(yàn)法探究了3 類闖紅燈行為的特征［7］。

切入點(diǎn)。 目前，關(guān)于行人闖紅燈的研究大多集中在行人闖紅燈的原因和行為特征上。 行人安全可以通過設(shè)置行人專用相位和闖紅燈預(yù)警系統(tǒng)來提高，但這些都不能完全消除闖紅燈行為。 同時(shí)，許多技術(shù)被用來捕捉機(jī)動(dòng)車闖紅燈的行為，而對非機(jī)動(dòng)車闖紅燈的研究并不多。 因此，本文基于PLC 技術(shù)，研究在信號交叉口設(shè)置柵欄以防止行人和非機(jī)動(dòng)車闖紅燈的方法。 在分流島上設(shè)置柵欄，當(dāng)紅燈亮?xí)r，這些柵欄就會關(guān)閉，強(qiáng)制阻止行人及非機(jī)動(dòng)車闖紅燈行為，避免與機(jī)動(dòng)車相撞，從而減少交通事故的發(fā)生和人員的傷亡。

1 交叉口柵欄設(shè)置方法

1.1 整體思路

結(jié)合城市道路典型交叉口的交通狀況和幾何特征，確定柵欄形式設(shè)計(jì)、設(shè)置地點(diǎn)以及開啟時(shí)間。 在確定配時(shí)方案的基礎(chǔ)上，利用PLC 編程軟件TIA V13 SP1 編寫各項(xiàng)程序段，實(shí)現(xiàn)柵欄與信號燈的協(xié)同控制。

1.2 柵欄設(shè)置地點(diǎn)與樣式

本文所提出的柵欄適用于擁有導(dǎo)流島的十字交叉口。 柵欄安裝在導(dǎo)流島上以便于在紅燈時(shí)，對行人及非機(jī)動(dòng)車進(jìn)行阻攔。 如圖1 所示。 柵欄在十字交叉口的整體布局情況如圖2 所示。 綠燈時(shí)柵欄開啟，允許行人及非機(jī)動(dòng)車通過，如圖3 所示。

1.3 配時(shí)方案

交通信號燈有自己的配時(shí)系統(tǒng)，要實(shí)現(xiàn)柵欄與信號燈的聯(lián)動(dòng)，必須要清楚信號燈的綠燈時(shí)長、紅燈時(shí)長。 本文擬定的模型中，十字交叉口共有4 個(gè)相位，分別為南北方向直行、南北方向左轉(zhuǎn)、東西方向直行、東西方向左轉(zhuǎn)。 正常配時(shí)時(shí)，南北方向直行綠燈時(shí)長設(shè)為20 s，南北方向左轉(zhuǎn)綠燈時(shí)長設(shè)為15 s，東西方向直行綠燈時(shí)長設(shè)為20 s，東西方向左轉(zhuǎn)綠燈時(shí)長設(shè)為15 s。 此外，在綠燈變?yōu)榧t燈的間隙，設(shè)置黃燈亮3 s 以起到提醒作用。 整體的配時(shí)方案如圖4 所示。

圖1 設(shè)置在導(dǎo)流島上的柵欄Fig. 1 A fence on a diversion island

圖2 柵欄整體布局Fig. 2 Overall layout of fence

圖3 柵欄抬起Fig. 3 The raised fence

圖4 配時(shí)方案Fig. 4 Timing plan

1.4 柵欄與信號燈的聯(lián)動(dòng)

利用PLC 技術(shù)強(qiáng)大的控制能力、擴(kuò)展能力和通信能力，實(shí)現(xiàn)交叉口柵欄與交通信號燈的協(xié)調(diào)運(yùn)行系統(tǒng)。 可編程邏輯控制器（PLC）是工業(yè)控制的核心部分，可以嚴(yán)格執(zhí)行邏輯操作、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等面向用戶的指令，通過數(shù)字或模擬輸入輸出控制各類機(jī)械或生產(chǎn)過程。 PLC 作為控制系統(tǒng)的核心設(shè)備，不僅具有用戶自定義的邏輯設(shè)計(jì)和程序執(zhí)行功能，而且在通信、抗干擾和穩(wěn)定性方面也有突出的表現(xiàn)［8］。

在本文中，PLC 系統(tǒng)承接了原交叉口的全部控制任務(wù)，實(shí)現(xiàn)了交通燈與柵欄的協(xié)同工作。 本文將PLC 的IP 地址設(shè)置為192.168.1.113，HMI 的IP 地址設(shè)置為192.168.1.114。 兩者通過雙絞線連接，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。 利用s7-1200 編程軟件TIA V13 SP1編寫相應(yīng)的控制程序，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。 編程軟件組態(tài)如圖5 所示。 主要操作界面如圖6 所示。

圖5 編程軟件組態(tài)Fig. 5 Programming software configuration

圖6 主要操作界面Fig. 6 Main operating interface

本文的編程不僅考慮了正常配時(shí)，還考慮了交通高峰以及綠色通道的情況。 有時(shí)，當(dāng)某一方向的交通流量較大時(shí)，需要增加該方向的綠燈時(shí)間，以保證車輛及行人通行順暢。 該模型假設(shè)南北方向交通流較大。 當(dāng)啟動(dòng)高峰配時(shí)模式時(shí)，南北方向的直行綠燈時(shí)長由原來的20 s 變?yōu)?0 s，南北方向左轉(zhuǎn)的綠燈時(shí)長由原來的15 s 變?yōu)?0 s，東西方向直行綠燈時(shí)長由原來的20 s 變?yōu)?5 s。

綠色通道的目的是讓一些特殊的車輛和人員更快速、更安全地通過十字路口。 例如，緊急救護(hù)車、消防車、臨時(shí)高考車輛等。 在該模型中，假設(shè)南北方向直行行駛的車輛及行人可以享受綠色通道。 當(dāng)啟動(dòng)綠色通道模式時(shí)，南北方向直行的綠燈一直亮著，此時(shí)只有南北方向直行的車輛及行人可以通行。

另外，該模型還設(shè)有倒計(jì)時(shí)牌，用以提醒市民等待時(shí)間。 由于篇幅限制，本文只展示部分程序代碼，如下所示：

IF ＂GVL＂.ALLTime ＝0 OR ＂FirstScan＂ OR ＂GVL＂. Stop OR ＂ GVL＂. HOTTime OR ＂ GVL＂.COLDTime THEN

＂ GVL＂. ALLTime ： ＝12 + ＂ GVL＂.＂ N -SLineTime＂ + ＂GVL＂.＂N-SLiftTime＂ + ＂GVL＂.＂EWLineTime＂ + ＂GVL＂.＂E-WLiftTime＂；

#＂N-SLine＂ ：＝12+＂GVL＂.＂N-SLiftTime＂ +＂GVL＂.＂E-WLineTime＂ + ＂GVL＂.＂E-WLiftTime＂；

#＂N-SLift＂ ：＝9+＂GVL＂.＂E-WLineTime＂ + ＂GVL＂.＂E-WLiftTime＂；

#＂E-WLine＂ ：＝6+ ＂GVL＂.＂E-WLiftTime＂；

END_IF；

2 柵欄設(shè)置效果評價(jià)

2.1 柵欄可有效減少交通沖突

在沒有柵欄的情況下，行人和非機(jī)動(dòng)車很容易無視交通燈的存在，在交叉口隨意穿行，車輛與行人沖突點(diǎn)較多，安全隱患大。 而設(shè)置柵欄后，可以強(qiáng)制阻攔行人及非機(jī)動(dòng)車，防止其闖紅燈，從而保障安全。 以本模型為例，設(shè)置柵欄前后沖突點(diǎn)的變化如圖7 和圖8 所示。 圖7 展示的是南北方向直行綠燈開啟時(shí)的情形，圖8 展示的是南北方向左轉(zhuǎn)綠燈開啟時(shí)的情形。 同理，可以得出東西方向時(shí)的情形，這里不予贅述。

圖7 柵欄開啟前＆ 柵欄開啟后（南北方向直行綠燈）Fig. 7 Before ＆ after（Green light in straight direction）

圖8 柵欄開啟前＆ 柵欄開啟后（南北方向左轉(zhuǎn)綠燈）Fig. 8 Before ＆ after （ Turn left at a green light）

由圖7、8 可知，安裝柵欄后，在整個(gè)交通信號燈周期內(nèi)，沖突點(diǎn)一共減少了16 個(gè)，說明此柵欄有助于減少交通事故。

2.2 群眾接受程度調(diào)查

為了解群眾對道閘柵欄的看法及認(rèn)可度，在網(wǎng)上發(fā)布問卷鏈接進(jìn)行問卷調(diào)查。 本次調(diào)查共收到167 份有效問卷。 統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，62.87%的被調(diào)查者擁有駕照，說明大部分人知悉交通規(guī)則，但是155 人表示自己在充當(dāng)行人及非機(jī)動(dòng)車駕駛者過馬路時(shí)有過闖紅燈行為，說明大部分人安全意識薄弱。 31.14%的被調(diào)查者是私家車車主，其中超86%的車主表示非常支持柵欄的設(shè)置。 總的來看，63%的被調(diào)查者表示能接受柵欄的存在，9%的人采取觀望態(tài)度，28%的人表示不能接受柵欄的存在，設(shè)置該柵欄的認(rèn)可度整體較高，可以考慮將其作為交叉口管理的一種手段。

3 結(jié)束語

非機(jī)動(dòng)車和行人是交通中的弱勢群體。 隨著私家車的增多，為了避免行人和非機(jī)動(dòng)車闖紅燈造成的交通事故，開發(fā)一種新的裝置。 提出在分流島上設(shè)置柵欄，利用PLC 技術(shù)實(shí)現(xiàn)了柵欄與交通燈的協(xié)同工作，可以有效地防止非機(jī)動(dòng)車和行人闖紅燈，從而減少交通事故的發(fā)生和人員傷亡。 PLC 技術(shù)編程簡便，開發(fā)周期短，可以很簡單地進(jìn)行代碼移植以及安裝，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)多個(gè)交叉口信號燈與柵欄的協(xié)同作用。 當(dāng)機(jī)動(dòng)車在交叉口發(fā)生碰撞時(shí)，柵欄可以在一定程度上保護(hù)導(dǎo)流島上的行人。 柵欄配合信號燈，可實(shí)現(xiàn)高峰配時(shí)、綠色通道等功能。 如果將該項(xiàng)目應(yīng)用于現(xiàn)實(shí)生活中，可以有效減少行人和非機(jī)動(dòng)車闖紅燈造成的交通事故，減少直接經(jīng)濟(jì)損失。