1 引言
據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前我國(guó)城市里的十字路口交通系統(tǒng)大都采用定時(shí)來(lái)控制(不排除繁忙路段或高峰時(shí)段用交警來(lái)取代交通燈的情況)，這樣必然產(chǎn)生如下弊端:當(dāng)某條路段的車(chē)流量很大時(shí)卻要等待紅燈，而此時(shí)另一條是空道或車(chē)流量相對(duì)少得多的道卻長(zhǎng)時(shí)間亮的是綠燈，這種多等少的尷尬現(xiàn)象是未對(duì)實(shí)際情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控所造成的，不僅讓司機(jī)乘客怨聲載道，而且對(duì)人力和物力資源也是一種浪費(fèi)。
智能控制交通系統(tǒng)是目前研究的方向，也已經(jīng)取得不少成果，在少數(shù)幾個(gè)先進(jìn)國(guó)家已采用智能方式來(lái)控制交通信號(hào)，其中主要運(yùn)用GPS全球定位系統(tǒng)等。出于便捷和效果的綜合考慮，我們可用如下方案來(lái)控制交通路況:制作傳感器探測(cè)車(chē)輛數(shù)量來(lái)控制交通燈的時(shí)長(zhǎng)。具體如下:在入路口的各個(gè)方向附近的地下按要求埋設(shè)感應(yīng)線圈，當(dāng)汽車(chē)經(jīng)過(guò)時(shí)就會(huì)產(chǎn)生渦流損耗，環(huán)狀絕緣電線的電感開(kāi)始減少，即可檢測(cè)出汽車(chē)的通過(guò)，并將這一信號(hào)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)脈沖信號(hào)作為可編程控制器的控制輸入，并用PLC計(jì)數(shù)，按一定控制規(guī)律自動(dòng)調(diào)節(jié)紅綠燈的時(shí)長(zhǎng)。
比較傳統(tǒng)的定時(shí)交通燈控制與智能交通燈控制，可知后者的最大優(yōu)點(diǎn)在于減緩滯流現(xiàn)象，也不會(huì)出現(xiàn)空道占時(shí)的情形，提高了公路交通通行率，較全球定位系統(tǒng)而言成本更低。
2 車(chē)輛的存在與通過(guò)的檢測(cè)
(1) 感應(yīng)線圈(電感式傳感器)
電感式傳感器其主要部件是埋設(shè)在公路下十幾厘米深處的環(huán)狀絕緣電線(特別適合新鋪道路，可用混凝土直接預(yù)埋，老路則需開(kāi)挖再埋)。當(dāng)有高頻電流通過(guò)電感時(shí)，公路面上就會(huì)形成如圖1(a)中虛線所形成的高頻磁場(chǎng)。當(dāng)汽車(chē)進(jìn)入這一高頻磁場(chǎng)區(qū)時(shí)，汽車(chē)就會(huì)產(chǎn)生渦流損耗，環(huán)狀絕緣電線的電感開(kāi)始減少。當(dāng)汽車(chē)正好在該感應(yīng)線圈的正上方時(shí)，該感應(yīng)線圈的電感減到最小值。當(dāng)汽車(chē)離開(kāi)這高頻磁場(chǎng)區(qū)時(shí)，該感應(yīng)線圈電感逐漸復(fù)原到初始狀態(tài)。由于電感變化該感應(yīng)線圈中流動(dòng)的高頻電流的振幅(本論文所涉及的檢測(cè)工作方式)和相位發(fā)生變化，因此，在環(huán)的始端連接上檢測(cè)相位或振幅變化的檢測(cè)器，就可得到汽車(chē)通過(guò)的電信號(hào)。若將環(huán)狀絕緣電線作為振蕩電路的一部分，則只要檢測(cè)振蕩頻率的變化即可知道汽車(chē)的存在和通過(guò)。
電感式傳感器的高頻電流頻率為60kHz，尺寸為 2×3m，電感約為100μH.這種傳感器可檢測(cè)的電感變化率在0.3％以上[1，2]。
電感式傳感器安裝在公路下面，從交通安全和美觀考慮, 它是理想的傳感器。傳感器最好選用防潮性能好的原材料。
(2) 電路
檢測(cè)汽車(chē)存在的具體實(shí)現(xiàn)是在感應(yīng)線圈的始端連接上檢測(cè)電感電流變化的檢測(cè)器, 并將之轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)脈沖電壓輸出。其具體電路圖由三部分組成:信號(hào)源部分、檢測(cè)部分、比較鑒別部分。原理框圖如圖2所示, 輸出脈沖波形見(jiàn)圖1(b)。
(3) 傳感器的鋪設(shè)
圖1 車(chē)輛檢測(cè)原理圖及檢測(cè)電路電壓脈沖輸出波形
圖2 車(chē)輛存在與檢測(cè)電路原理框圖
車(chē)輛計(jì)數(shù)是智能控制的關(guān)鍵，為防止車(chē)輛出現(xiàn)漏檢的現(xiàn)象，環(huán)狀絕緣電線在地下的鋪設(shè)我們?cè)O(shè)采取在每個(gè)車(chē)行道上中的出口地(停車(chē)線處)以及在離出口地一定遠(yuǎn)的進(jìn)口的地方各鋪設(shè)一個(gè)相同的傳感器，方案如圖3(以典型的十子路口為例)，同一股道上的兩傳感器相距的距離為該股道正常運(yùn)行時(shí)所允許的最長(zhǎng)停車(chē)車(chē)龍為好。
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圖3 傳感器的鋪設(shè)
3 用PLC實(shí)現(xiàn)智能交通燈控制
3.1 控制系統(tǒng)的組成
車(chē)輛的流量記數(shù)、交通燈的時(shí)長(zhǎng)控制可由可編程控制器(PLC)來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)然，也可選用其他種類(lèi)的計(jì)算機(jī)作為控制器。本例選用PLC作為控制器件是因?yàn)榭删幊炭刂破骱诵氖且慌_(tái)計(jì)算機(jī)，它是專(zhuān)為工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計(jì)制造的計(jì)算機(jī)。它具有高可靠性豐富的輸入/輸出接口，并且具有較強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力;它采用一類(lèi)可編程的存儲(chǔ)器，用于其內(nèi)部存儲(chǔ)程序，執(zhí)行邏輯運(yùn)算,順序控制，定時(shí)，計(jì)數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過(guò)數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類(lèi)型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程;它采用模塊化結(jié)構(gòu)，編程簡(jiǎn)單，安裝簡(jiǎn)單，維修方便[3]。
利用PLC，可使上述描敘的各傳感器以及各道口的信號(hào)燈與之直接相連，非常方便可靠，如圖4所示。
圖4 用PLC實(shí)現(xiàn)智能交通燈控制原理框圖
本設(shè)計(jì)例中,PLC選用FX2N-64，其輸入端接收來(lái)自各個(gè)路口的車(chē)輛探測(cè)器測(cè)得的輸出標(biāo)準(zhǔn)電脈沖，輸出接十字路口的紅綠信號(hào)交通燈。信號(hào)燈的選擇:在本例中選用紅、黃、綠發(fā)光二極管作為信號(hào)燈(箭頭方向型)。
3.2 車(chē)流量的計(jì)量
車(chē)流量的計(jì)量有多種方式:
(1) 每股行車(chē)道的車(chē)流量通過(guò)PLC分別統(tǒng)計(jì)。當(dāng)車(chē)輛進(jìn)入路口經(jīng)過(guò)第一個(gè)傳感器1(見(jiàn)圖3)時(shí)，使統(tǒng)計(jì)數(shù)加1，經(jīng)過(guò)第二個(gè)傳感器2出路口時(shí)，使統(tǒng)計(jì)數(shù)減1，其差值為該股車(chē)道上車(chē)輛的滯留量(動(dòng)態(tài)值)，可以與其他道的值進(jìn)行比較，據(jù)此作為調(diào)整紅綠燈時(shí)長(zhǎng)的依據(jù)。
(2) 先統(tǒng)計(jì)每股車(chē)道上車(chē)輛的滯留量，然后按大方向原則累加統(tǒng)計(jì)。如，將東西向的(見(jiàn)圖3)左行、直行、右行道上的車(chē)輛的滯留量相加，再與其它的3個(gè)方向的車(chē)流量進(jìn)行比較，據(jù)此作為調(diào)整紅綠燈時(shí)長(zhǎng)的依據(jù)。
(3) 統(tǒng)計(jì)每股車(chē)道上車(chē)輛的滯留量后按通行最大化原則(不影響行車(chē)安全的多道相向行駛)累加統(tǒng)計(jì)。如，東、西相向的2個(gè)左行、直行、右行道上的車(chē)輛的滯留量全部相加，再與南北向的總車(chē)流量進(jìn)行比較，據(jù)此作為調(diào)整紅綠燈時(shí)長(zhǎng)的依據(jù)(下面的例子就是按此種方式)。
以上計(jì)算判別全部由PLC完成。可以把以上不同計(jì)量判別方式編成不同的子程序，方便調(diào)用。
3.3 程序流程圖
本例就上述所描述的車(chē)流量統(tǒng)計(jì)方式,就圖3中的十字路口給出一例PLC自動(dòng)調(diào)整紅綠燈時(shí)長(zhǎng)的程序流程圖如圖5所示，其行車(chē)順序與現(xiàn)實(shí)生活中執(zhí)行的一樣[4]，只是時(shí)間長(zhǎng)短不一樣。
程序的控制規(guī)律如下:
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圖5 十字路口PLC自動(dòng)調(diào)整紅綠燈時(shí)長(zhǎng)的程序流程圖
(1) 當(dāng)各路口的車(chē)輛滯留量達(dá)一定值溢滿時(shí)(相當(dāng)于比較嚴(yán)重的堵車(chē))，紅綠燈切換采用現(xiàn)有的常規(guī)定時(shí)控制方式;
(2) 當(dāng)東、西向路口的車(chē)輛滯留量比南、北向路口的大時(shí)(反之亦然)，該方向的通行時(shí)間=最小通行定時(shí)時(shí)間＋自適應(yīng)滯環(huán)比較增加的延時(shí)時(shí)間(是變化的)，但不大于允許的最大通行時(shí)間。其中最小定時(shí)時(shí)間是為了避免紅綠燈切換過(guò)快之弊;最大通行時(shí)間是為了保障公平性，不能讓其它的車(chē)或行人過(guò)分久等。進(jìn)一步的說(shuō)明在后面的注釋中。
圖6 自適應(yīng)調(diào)整時(shí)間的滯環(huán)特性
(3) 自適應(yīng)滯環(huán)比較(本例的核心控制規(guī)律)增加的時(shí)間的確定若東、西向車(chē)輛滯留量≥南、北向一個(gè)偏差量σ(如30輛車(chē)或其它值)時(shí)，先讓東、西向的左轉(zhuǎn)彎車(chē)左行15s(定時(shí)控制，值可改)，再讓直行車(chē)直行30s(直行時(shí)間的最小值，值可改)后再加一段延時(shí)保持，直至東、西向的車(chē)輛滯留量比南、北向的車(chē)輛滯留量還要少一個(gè)偏差量σ，才結(jié)束該方向的通行，切換到其它路上，否則一直延時(shí)繼續(xù)通行下去，直至到達(dá)最大通行時(shí)間而強(qiáng)制切換。滯環(huán)特性如圖6所示。實(shí)際應(yīng)用時(shí)σ的值需整定，過(guò)小則導(dǎo)致紅綠燈切換過(guò)頻，過(guò)大又不能實(shí)現(xiàn)適時(shí)控制。
3.4 流程圖注釋
(1) 流程圖中的15s、30s、75s等時(shí)間分別為交管部門(mén)定的車(chē)輛左轉(zhuǎn)彎時(shí)間、直行最小時(shí)間、允許的最大通行時(shí)間;σ為車(chē)流量的偏差量。以上值及其4個(gè)路口車(chē)流量的滿溢值均可在程序初始化中任意更改。
(2) 車(chē)輛左轉(zhuǎn)彎是造成交通堵塞很重要的一個(gè)方面，應(yīng)加以適當(dāng)限制，故車(chē)輛左轉(zhuǎn)彎始終采用最小定時(shí)控制，以減小系統(tǒng)的復(fù)雜程度，提高可靠性。
(3) 車(chē)輛通行的時(shí)間中包含綠、黃燈閃爍的時(shí)間，紅、黃、綠各燈的切換與現(xiàn)用的方式相同，不再贅述。
(4) 人行道的紅綠燈接線與現(xiàn)用的方式相同，其綠燈點(diǎn)亮的時(shí)刻與該方向車(chē)輛直行綠燈點(diǎn)亮的時(shí)刻同步一致，但要較車(chē)輛直行綠燈提前熄滅，采用定時(shí)控制，如綠燈定時(shí)亮18s。其目的是不讓右轉(zhuǎn)彎車(chē)輛過(guò)分受人行道燈的限制。若人車(chē)分流，右轉(zhuǎn)彎車(chē)輛不受限制。較簡(jiǎn)單，流程圖中略。
(5) 車(chē)流量的計(jì)量是不間斷的，與控制呈并行關(guān)系，該系統(tǒng)屬多任務(wù)處理，編程尤其應(yīng)注意。
4 結(jié)束語(yǔ)
比較傳統(tǒng)的定時(shí)交通燈控制與智能交通燈控制，可知后者的最大優(yōu)點(diǎn)在于減緩滯流現(xiàn)象，也不會(huì)出現(xiàn)空道占時(shí)的情形，提高了公路交通通行率，較全球定位系統(tǒng)而言成本更低，特別適合繁忙的、未立交的交通路口，更適合于四個(gè)以上的路口，也可方便連網(wǎng)。
：鞏經(jīng)理
：13915946763
：南京塞姆泵業(yè)有限公司
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