交通信號機相位運行故障自診斷系統設計與仿真驗證

許正芳 王兵 戶建平 孫均友

交通信號控制系統是保障各類交通流安全通過道路平面交叉路口的關鍵交通管控設施，主要由交通信號機和交通信號燈組成，其中，交通信號機是信控系統的核心設備 ，在我國各地區應用廣泛。受開放式工作環境的影響，機內電子元器件受極限溫度與濕度、異常供電電壓和電流、各類雜散電流，以及自身壽命影響，導致現實中交通信號機發生相位運行故障致使交通信號異常，極易造成平交口交通混亂，加劇交通擁堵，甚至引發交通事故[1]。而常用交通信號機不具備故障自動檢測功能，部分智能交通信號機雖在一定程度上考慮到了信號機控制信號出現錯誤導致信號燈出現紅、綠信號沖突的相位運行故障的判斷，但是，暫時沒有提供除紅、綠信號沖突以外的信號機相位運行故障檢測的具體方法，僅限于基礎探討式研究，更無出廠產品，現場維修人員對交通信號機故障往往難以迅速診斷，修復效率低[2-3]。

本文利用Proteus軟件和Keil軟件聯合仿真建立一套交通信號機相位運行故障自診斷系統。該系統采用模塊化設計，結構簡單可靠，能為后續交通信號機相位運行故障診斷技術發展奠定理論基礎和技術支持，系統一經應用，將大大減少道路擁堵時間，降低事故發生率。

1、交通信號機相位運行故障分析

圖1為常見十字形平交口信控系統基本構成。控制信號機運行相位狀態對應各輸出端子連接信號燈組，信號燈組中的R、Y和G分別表示紅、黃、綠三色信號燈。在一個周期內，平面交叉口上某一支或幾支交通流所獲得的通行權稱為信號相位，一個周期內有幾個信號相位，則稱該信號系統為幾相位系統。本文研究主體為常用兩相位信號機。

本文兩相位信號機預設的信號燈燈色和時間如表1所示。當信號機自身發生故障或信號機配置出現錯誤使其相位運行狀態與實際運行結果不一致，例如：信號機同一相位紅、綠燈一起亮等運行狀態出現錯誤即為相位運行故障。

2、 系統設計

本文設計的交通信號機相位運行故障自診斷系統以單片機AT89C51為主控制器，利用Proteus軟件繪制硬件電路，利用Keil軟件進行編程[4-6]。其中，故障實時檢測電路和故障自動診斷電路采用PCF8591芯片，PCF8591芯片對信號機運行相位狀態對應各輸出端子的多路模擬輸入進行數據處理后轉化成數字信號巡回選通到單片機I/O口，實時分析信號機輸出端電壓狀態變化;故障報警提示電路由6個LED指示燈和蜂鳴器組成，且6個LED指示燈分別表示東、西方向紅、黃、綠信號燈運行狀態和南、北方向紅、黃、綠信號燈運行狀態。

本系統硬件模塊主要由信號機相位運行故障診斷模塊和故障報警提示模塊組成。其中，信號機相位運

行故障診斷模塊包括故障實時檢測電路和故障自動診斷電路，系統整體設計圖如圖2所示。

當信號機與預設的相位運行狀態不一致，即信號燈出現異常亮、滅，例如：信號機一路輸出端子控制的兩路交通信號燈其一或都發生故障，信號燈負載發生變化，系統不但能采集到信號機控制端口信息，也能采集到信號燈電壓信息。例如，控制東西方向紅燈的信號機運行相位的接線端子在運行時發生故障（即斷開左邊信號機東西相位方向紅燈的控制端P1.0口），此時，系統總體設計電路中對應東西方向紅燈的LED提示燈亮，蜂鳴器鳴響，起到故障報警提示作用。

3 、結論

本文建立的一套交通信號機相位運行故障自診斷系統，通過Proteus聯合Keil C51實現系統功能仿真。系統硬件以AT89C51單片機為主控制器，利用PCF8581芯片實時采集信號機運行相位狀態對應各輸出端子的電壓信息。當故障實時檢測電路檢測到信號機運行相位狀態對應的輸出端子發生故障時，報警提示模塊電路對信號機運行相位狀態出現故障的具體輸出端子做出自動報警提示，本系統可以快速、準確的檢測到信號機運行相位狀態對應各輸出端子出現的故障，成本低、效率高、穩定性好，具有很好的推廣價值。

參考文獻：

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