田海，李雅妮，肖鵬

（內(nèi)蒙古科技大學(xué) 信息工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010）

1 引言

交通信號燈的控制是城市道路和交通管理體系的一個重要組成部分。它對城市發(fā)展和經(jīng)濟(jì)建設(shè)有著重要的關(guān)系。要想從根本上解決這個問題，除了要大力加大城市道路的建設(shè)，建立健全的交通管理體系等，更重要的是設(shè)計出一套對交通信號燈智能控制的系統(tǒng)，還要建立起監(jiān)控中心站，對交通信號燈隨時隨地的遠(yuǎn)程監(jiān)控和無線通訊，對突發(fā)的事件可以及時采取措施，合理地緩解交通擁堵的問題，平衡交通流量。

近些年來，我國大多數(shù)城市都采用傳統(tǒng)的控制方法，它是通過對兩個方向的紅綠燈流量進(jìn)行統(tǒng)計，再把兩個方向的延時事先設(shè)定好的方法，但是一個路口的實際車流量是隨機(jī)的、模糊的變量，不能用精確的數(shù)學(xué)模型來表達(dá)。這就需要把模糊控制的理論運(yùn)用到PLC中，便于合理地解決紅綠燈延時時間不足的問題，為了更好地及時解決交通滯留及突發(fā)事件的發(fā)生，我們采用了GPRS無線通訊技術(shù)在交通指揮中心站已組態(tài)好的畫面中對交通信號燈進(jìn)行遠(yuǎn)程無線監(jiān)控，必要時可以采取緊急的強(qiáng)制措施來滿足交通控制需求。

2 監(jiān)控系統(tǒng)的總體方案設(shè)計

2.1 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的原理

交通信號燈遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)有監(jiān)控終端站和監(jiān)控中心主站組成，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。由于交通需求量的不確定性和隨機(jī)性，我們把模糊控制的思想運(yùn)用到監(jiān)控終端站的PLC中去，監(jiān)控終端站將交通燈及車輛傳感器采集的信號通過自身配置的無線通訊模塊 MD720－3發(fā)送到GPRS網(wǎng)絡(luò)上，再通過GPRS網(wǎng)絡(luò)將實時數(shù)據(jù)發(fā)送到公網(wǎng)Internet上，Internet公網(wǎng)通過防火墻的設(shè)備連接到交警指揮中心的內(nèi)部局域網(wǎng)，這時監(jiān)控中心站的計算機(jī)通過安裝SINAUT MICRO SC和WINCC通訊管理軟件就可以訪問到實時數(shù)據(jù)［1］。

圖1 交通路口信號燈無線智能監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure block diagram of wireless and intelligentized monitoring system for traffic lights

2.2 監(jiān)控終端站的設(shè)計

我國城市交通信號燈控制系統(tǒng)主要有兩種：一種是繼電接觸式控制系統(tǒng)，另一種是單片機(jī)的信號控制系統(tǒng)。前者采用硬件接線邏輯和機(jī)械觸點(diǎn)，因此靈活性和可靠性差；后者盡管功能很強(qiáng)大，靈活性也較強(qiáng)，但是不能大批量的生產(chǎn)，可靠性也很難保證。由于PLC的價格相對較高，所以在交通信號燈中的應(yīng)用受到限制，近些年來PLC的性價比大大提高，功能強(qiáng)大，靈活性極強(qiáng)，可靠性和抗干擾能力也越發(fā)的顯現(xiàn)。

由于西門子公司生產(chǎn)的PLC在抗電磁干擾能力，聯(lián)網(wǎng)通訊及軟件配套能力等方面尤為突出，所以監(jiān)控終端站的硬件采用西門子小型的整體式PLC［2］。選擇型號為 S7－200CPU－226，CPU－226有24個輸入16個輸出，共40個數(shù)字量I／O點(diǎn)及模擬量和數(shù)字量擴(kuò)展模塊。在監(jiān)控終端站的PLC上配置了專用于S7－200系列PLC的GRPS無線數(shù)據(jù)通訊模塊 MD 720－3，由 SINAUT MD720－3GPRS調(diào)制解調(diào)器、天線和GPRS通訊管理軟件SINAUT MICRO SC（集成OPC Server）等組成，其調(diào)制解調(diào)器可以直接通過專用的數(shù)據(jù)電纜線與PLC的串口相連。用于發(fā)送數(shù)據(jù)的天線采用的是圓鋼天線，它可以直接連到GRPS無線數(shù)據(jù)通訊模塊 MD 720－3上，并且適合戶外使用。

2.3 監(jiān)控主站的設(shè)計

監(jiān)控中心主站的設(shè)計是設(shè)立在交通指揮中心的監(jiān)控室內(nèi)，監(jiān)控中心主站是一個計算機(jī)監(jiān)控控制系統(tǒng)。需要在監(jiān)控中心主站計算機(jī)上安裝SINAUT MICRO SC軟件和WinCC監(jiān)控軟件，前者是具有特殊通訊功能的OPC路由軟件，可以完成SINAUT MICRO SC［3］與遠(yuǎn)程PLC的連接和通訊任務(wù)。后者是對數(shù)據(jù)進(jìn)行連接和組態(tài)等設(shè)計，操作人員可以輕松的監(jiān)控、數(shù)據(jù)存儲、查詢、打印報表等，并且緊急狀況下可強(qiáng)制設(shè)定等功能。

3 無線通訊網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計

本系統(tǒng)采用GPRS無線網(wǎng)絡(luò)通訊方式，具體模塊采用西門子公司的無線通訊模塊SINAUT MD720－3來實現(xiàn)WinCC與100多個S7－200PLC的遠(yuǎn)程通信。

3.1 GPRS技術(shù)簡介

通用分組無線業(yè)務(wù)（GPRS）是在現(xiàn)有GSM系統(tǒng)基礎(chǔ)上發(fā)展出來的一種新的網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)。GPRS采用分組交換技術(shù)，每個用戶可同時占用多個無線信道，同一個無線信道又可以由多個用戶共享，實現(xiàn)資源有效的利用，從而實現(xiàn)高速率數(shù)據(jù)傳輸。GPRS支持基于標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)通信協(xié)議的應(yīng)用，可以實現(xiàn)與IP網(wǎng)、X.25網(wǎng)互聯(lián)互通。GPRS具有全雙工運(yùn)作，間隙收發(fā)，永遠(yuǎn)在線，只有在收發(fā)數(shù)據(jù)時才占用系統(tǒng)資源，計費(fèi)方式以數(shù)據(jù)傳輸量為準(zhǔn)等特點(diǎn)，由于GPRS的核心層采用IP技術(shù)，底層可使用多種傳輸技術(shù)，這使得它較易實現(xiàn)端到端及廣域的無線IP連接，以實現(xiàn)某種特定功能。

3.2 對比其他無線通訊方式

目前還有兩種比較普遍的通訊方式。

1）無線以太網(wǎng)技術(shù)，它是當(dāng)前最為廣泛的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，通訊速率高，有廣泛的技術(shù)支持，但是由于它的無線網(wǎng)絡(luò)有效范圍小于1km，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模小，硬件的成本比例高，不適合本系統(tǒng)采用。

2）數(shù)傳電臺技術(shù)，它具有實時性好，專用數(shù)據(jù)傳輸通道，組網(wǎng)靈活，適合于惡劣環(huán)境，穩(wěn)定性好。不足是對于同一頻點(diǎn)上，同時只能有一個設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡(luò)覆蓋面積小，容量有限，而且對于城市建設(shè)的網(wǎng)絡(luò)后期的運(yùn)營成本很高［4］。

對比以上兩種方案，GPRS通訊方式是利用公網(wǎng)實現(xiàn)的無線通訊方式，具有通訊速率快、有效范圍較大、持久在線強(qiáng)、費(fèi)用低、延時小等優(yōu)點(diǎn)，更適合PLC控制系統(tǒng)與高層信息管理系統(tǒng)的通訊。所以綜合以上方案，本系統(tǒng)選擇了GPRS無線通訊網(wǎng)絡(luò)的通訊方式。

4 監(jiān)控系統(tǒng)的具體實現(xiàn)

4.1 二維模糊控制器的設(shè)計

二維Fuzzy控制器的構(gòu)造是整個無線監(jiān)控系統(tǒng)的核心工作，其中模糊語言變量的選擇是否合理對最終系統(tǒng)性能的優(yōu)劣起到至關(guān)重要的作用。為了便于描述，對于交通十字路口的交通方向規(guī)定為東西和南北4個方向。通過長期觀測某中型十字路口的交通流量情況，發(fā)現(xiàn)在各時段的正常交通情況下，無論是東西方向還是南北方向通行時，都存在著一個基礎(chǔ)的交通需求流量，在每次通行的基礎(chǔ)流量之外再施加模糊控制，對于控制的準(zhǔn)確性和實時性就更為合理。固定延時時間到時，測量到的綠燈方向的交通需求量X和紅燈方向（此時為南北方向）的交通需求量Y作為二維Fuzzy控制器的兩個輸入模糊變量。

對于綠燈方向的交通需求量X是指亮綠燈的兩個方向（此時為東西方向）在延時時間到時，尚未通過路口的車輛數(shù)（不計算已通過的車輛數(shù)）中的最大值。對于紅燈方向的交通需求量Y是指亮紅燈的兩個方向（此時為南北方向）在延時時間到時，檢測的未通過路口的車輛數(shù)中的最大值?？刂破鬏敵瞿：兞縕為延時時間到時，綠燈方向（此時為東西方向）的綠燈追加延時時間。南北方向的通行時亦然。在實際控制中，在固定延時時間到時，4個方向的未通過車輛數(shù)是通過安裝在每個路口方向的近端和遠(yuǎn)端的車輛檢測器，測量到的每個路口停車線以外的車輛排隊長度，按5m1臺車輛計算出來的。

結(jié)合實際情況，綠燈方向交通需求量X的論域選擇（0～15臺），選取5個模糊子集﹛很少，少，中等，多，很多｝，隸屬度函數(shù)的設(shè)計如圖2所示。紅燈方向交通需求量Y的論域選擇（0～20臺），選取5個模糊子集｛很少，少，中等，多，很多｝，隸屬度函數(shù)的設(shè)計如圖3所示。輸出模糊變量Z的論域選擇（0～30s），選取5個模糊子集｛很短，短，適中，長，很長｝，隸屬度函數(shù)的設(shè)計如圖4所示。

圖2 變量X的隸屬度函數(shù)曲線Fig.2 Membership function curves of variable X

圖3 變量Y的隸屬度函數(shù)曲線Fig.3 Membership function curves of variable Y

圖4 變量Z的隸屬度函數(shù)曲線Fig.4 Membership function curves of variable Z

監(jiān)控系統(tǒng)智能水平的高低是通過模糊控制規(guī)則的好壞來體現(xiàn)的，模糊控制規(guī)則是模糊控制器的靈魂，它包含著豐富的、模糊的人的智能判斷。通過大量的實地觀測，再結(jié)合現(xiàn)場指揮交警的豐富經(jīng)驗，最終設(shè)計的模糊控制規(guī)則25條，模糊輸出Z如表1所示。

表1 模糊控制規(guī)則表Tab.1 Fuzzy control rules table

從模糊控制規(guī)則表中得到的結(jié)果仍然是模糊量，還要通過模糊推理和反模糊算法才能得到精確量的輸出。本系統(tǒng)采用較為實用和經(jīng)典的簡易模糊推理算法。對于一個確定X和Y的輸入，運(yùn)用Min的模糊策略，求出每條激活規(guī)則的從屬強(qiáng)度，然后采用重心法［5］（加權(quán)平均數(shù)法）解模糊，得到綠燈方向的精確追加延時時間（精確到s）。

4.2 監(jiān)控系統(tǒng)的PLC實現(xiàn)

為增強(qiáng)監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性并降低開發(fā)成本，具體設(shè)計時，在不增加額外的硬件和軟件開銷的情況下，模糊控制器直接通過監(jiān)控終端站的S7－200PLC來實現(xiàn)；同時，為增加系統(tǒng)控制的實時性，盡量減小PLC用于模糊控制算法的計算和編程量，利用Matlab軟件提供的模糊邏輯控制工具箱進(jìn)行模糊控制器的軟件輔助設(shè)計，直接獲得模糊控制器在各種可能輸入條件下的輸出結(jié)果（模糊控制查詢表），事先將模糊控制查詢表存儲在S7－200CPU226的變量存儲器V內(nèi)［6］。在實際控制中，在每次固定延時時間到時，PLC根據(jù)實時的綠燈方向的交通需求量X和紅燈方向的交通需求量Y的值，通過讀取簡單的查表子程序就可以在模糊控制查詢中直接獲取追加延時時間的輸出值。

由于交通路口的特殊性，為了盡量縮短現(xiàn)場調(diào)試的時間，可以通過S7－200CPU226自身的硬件配置對模糊控制器進(jìn)行仿真實驗。借助S7－200CPU226本機(jī)攜帶的兩個旋轉(zhuǎn)電位器SMB28、SMB29（數(shù)據(jù)占用一個字節(jié)，變化范圍0～255）直接模擬綠燈方向的交通需求量X和紅燈方向的交通需求量Y，通過簡單的轉(zhuǎn)換程序，先將兩個電位器的模擬量輸入值分別轉(zhuǎn)換為相應(yīng)基本論域范圍的對應(yīng)值，再通過取正指令ROUND將其變?yōu)閄和Y內(nèi)所對應(yīng)的具體車輛臺數(shù)，最后通過查表程序找到對應(yīng)的追加延時時間；用PLC內(nèi)的定時器T37來設(shè)定固定延時時間，并用定時器T37定時到時的狀態(tài)位控制兩個模擬電位器的采樣開始時刻；用S7－200CPU226開關(guān)量輸出點(diǎn)上自帶LED指示燈模擬相應(yīng)的交通信號燈，觀察4個方向紅燈和綠燈模糊輸出的變化情況。4個方向的黃燈、左、右轉(zhuǎn)彎燈及人行燈與相應(yīng)的綠燈追加延時時間都有固定的時序關(guān)系，編制相應(yīng)的邏輯控制程序即可實現(xiàn)。

4.3 遠(yuǎn)程無線通訊的實現(xiàn)

4.3.1 控制中心站的設(shè)計

首先要在監(jiān)控中心主站的計算機(jī)上安裝SINAUT MICRO SC通信路由軟件和WinCC監(jiān)控組態(tài)軟件。主站計算機(jī)必須擁有一個動態(tài)域名或公網(wǎng)的固定IP地址，聯(lián)網(wǎng)的方式一般有3種：通過Modem直接撥號連接Internet、通過ADSL Modem撥號連接Internet及通過路由器連接Internet。前兩種方法相當(dāng)于將計算機(jī)直接連接到Internet網(wǎng)上，容易受到網(wǎng)絡(luò)攻擊，而通過路由器連接Internet一般都具有防火墻的保護(hù)功能，可以增強(qiáng)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)陌踩?。通過路由器聯(lián)網(wǎng)，相當(dāng)于把監(jiān)控中心主站計算機(jī)設(shè)在內(nèi)網(wǎng)的一臺計算機(jī)上，該計算機(jī)擁有的是內(nèi)網(wǎng)IP地址，而在路由器上獲得的是公網(wǎng)IP地址。在路由器上進(jìn)行端口映射，在接收數(shù)據(jù)時，把指定端口的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到內(nèi)網(wǎng)指定IP地址的計算機(jī)上；而具有內(nèi)網(wǎng)IP地址的主站計算機(jī)往外發(fā)送數(shù)據(jù)信息時，通過路由器把其內(nèi)網(wǎng)IP地址替換成公網(wǎng)的IP地址后，再將數(shù)據(jù)打包發(fā)向Internet公網(wǎng)［7］。

4.3.2 控制終端站的設(shè)計

監(jiān)控終端站的S7－200CPU226PLC及擴(kuò)展模塊、無線通訊模塊SINAUT MD 720－3及專用圓鋼天線配置連接好后，還必須在SINAUT MD 720－3模塊內(nèi)插入在移動公司辦理已開通GPRS服務(wù)的SIM卡，并且要知道該SIM卡的PIN碼。PC／PPI通訊電纜（適配器）的撥碼開關(guān)位置設(shè)置為：1，2，3，6，7開關(guān)撥到 ON 位，4，5，8開關(guān)撥到OFF位。

硬件設(shè)置完成后，在SINAUT MICRO SC軟件的光盤上找到庫文件，添加GPRS通信的庫程序，對監(jiān)控終端站進(jìn)行初始化軟件設(shè)置。該庫文件包含4個子程序模塊，其中，WDC－INIT模塊需要設(shè)置的參數(shù)主要包含中心主站獲得的公網(wǎng)IP地址、在中心主站中定義的終端站的端口號、Modem名、Modem密碼、SIM卡的PIN碼及移動網(wǎng)絡(luò)的無線接入點(diǎn)等；WDC－SEND模塊需要設(shè)置的參數(shù)主要包含發(fā)送觸發(fā)條件、發(fā)送目的站地址、發(fā)送緩沖區(qū)起始地址、長度等；WDC－RECEIVE模塊需要設(shè)置的參數(shù)主要包含接收緩沖區(qū)起始地址、長度等。WDC－CONTROL模塊需要設(shè)置的參數(shù)主要包含自由口與GPRS模式切換條件、延時時間等。初始設(shè)置完成后，根據(jù)要傳送數(shù)據(jù)編寫用戶的通訊程序，該程序基本就是順序的調(diào)用以上4個功能模塊。對于這4個通訊模塊，只有WDC－SEND模塊可以控制發(fā)送條件，其余3個就是賦值相應(yīng)參數(shù)且在每個PLC掃描周期調(diào)用即可。

4.3.3 實時數(shù)據(jù)的傳輸

實時數(shù)據(jù)的雙向無線傳輸是一個較為復(fù)雜的過程，現(xiàn)以從監(jiān)控終端站向監(jiān)控中心主站傳送一個8s的追加延時時間為例說明其主要過程：首先S7－200將模糊控制器輸出的8s時間傳送到其內(nèi)部的變量寄存器V（在 WDC－SEND中已定義的發(fā)送緩沖區(qū)）中；在用戶通訊程序中調(diào)用WDCSEND模塊將該數(shù)據(jù)發(fā)到Modem上；Modem將數(shù)據(jù)8s轉(zhuǎn)化為GPRS的數(shù)據(jù)包格式，通過GPRS服務(wù)轉(zhuǎn)發(fā)到移動服務(wù)供應(yīng)商；移動網(wǎng)絡(luò)服務(wù)供應(yīng)商提供了與Internet的接入點(diǎn)，將數(shù)據(jù)8s轉(zhuǎn)發(fā)到Internet公網(wǎng)上；Internet通過路由方式把數(shù)據(jù)8 s轉(zhuǎn)發(fā)到Internet網(wǎng)絡(luò)服務(wù)供應(yīng)商的中心站，通過端口映射和防火墻將該數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到SINAUT MICRO SC；SINAUT MICRO SC將數(shù)據(jù)8s作為外部變量提供給WinCC軟件進(jìn)行組態(tài)連接的同時，會發(fā)一個確認(rèn)信息給遠(yuǎn)程監(jiān)控終端站；遠(yuǎn)程的Modem接收到確認(rèn)信息后，將其轉(zhuǎn)發(fā)給S7－200CPU226，PLC的CPU 通過 WDC－RECEIVE模塊接收確認(rèn)信息，緊接著又通過 WDC－SEND模塊發(fā)送一個發(fā)送完成的確認(rèn)信息給用戶程序［8］。

5 結(jié)論

本文針對城市交通路口交通流量的隨機(jī)性和不確定性的特點(diǎn)，將模糊控制策略引入到交通路口的控制系統(tǒng)中，有效地解決了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)中固定定時方法的不足，合理動態(tài)地分配了交通流量的通行時間，提高了交通資源的利用率。在充分調(diào)研現(xiàn)有交通路口控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，在監(jiān)控終端站的硬件構(gòu)成上，采用了可靠性高、抗干擾效果好、通訊聯(lián)網(wǎng)能力強(qiáng)的西門子S7－2 0 0 PLC。

在模糊控制器的構(gòu)造方法上，直接利用現(xiàn)有的PLC硬件資源，提高了系統(tǒng)的可靠性和性價比；在模糊控制器的軟件設(shè)計時，利用Matlab軟件進(jìn)行輔助設(shè)計，加強(qiáng)了控制的實時性。借助S7－200的硬件配置進(jìn)行模糊控制的仿真實驗，可以方便模糊控制器性能的修正，大大地縮短了現(xiàn)場調(diào)試的時間。通過對比幾種PLC無線通訊方式特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，在采取了有效的數(shù)據(jù)安全性措施后，選擇了GPRS通訊方式，結(jié)合本系統(tǒng)設(shè)計，其顯著的優(yōu)點(diǎn)是可以在公網(wǎng)覆蓋的范圍內(nèi)隨時進(jìn)行持久在線通訊，充分利用已有的網(wǎng)絡(luò)資源，設(shè)備傳輸功率要求小、性價比高，通訊系統(tǒng)的擴(kuò)容性和傳輸容量較大。

城市十字交通路口信號燈智能無線監(jiān)控系統(tǒng)是整個城市智能交通系統(tǒng)乃至城市數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化管理系統(tǒng)的一個組成部分。本系統(tǒng)首先選擇一個交通十字路口進(jìn)行實驗性投入，自投入運(yùn)行1a來，監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、效果良好，達(dá)到了設(shè)計要求。SINAUT MICRO SC是S7－200PLC用于遠(yuǎn)程無線通訊的一個用途極為廣泛的軟件包，OPC服務(wù)器可以通過GPRS最多連接256個遠(yuǎn)程的S7－200監(jiān)控站到中心監(jiān)控主站。若一個區(qū)域內(nèi)多個路口（監(jiān)控終端站）之間可以動態(tài)的交互數(shù)據(jù)，由監(jiān)控終端主站進(jìn)行統(tǒng)一的協(xié)調(diào)，必將進(jìn)一步提高城市交通的綜合控制技術(shù)和管理水平。

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