楊志華

(1.城市交通管理集成與優(yōu)化技術(shù)公安部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230088；2.安徽科力信息產(chǎn)業(yè)有限責(zé)任公司，安徽 合肥 230088)

基于組合脈沖的交通信號節(jié)能控制研究

楊志華1,2

(1.城市交通管理集成與優(yōu)化技術(shù)公安部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230088；2.安徽科力信息產(chǎn)業(yè)有限責(zé)任公司，安徽 合肥 230088)

當(dāng)前降低交通信號控制系統(tǒng)能耗的主要方法是采用更低能耗的信號燈或信號機(jī)，但受制于新技術(shù)的進(jìn)步及推廣，且需更高的應(yīng)用成本。為此，文章綜合研究信號機(jī)和信號燈的連接控制，充分利用信號燈的交流供電控制線，提出了一種基于組合式觸發(fā)脈沖信號的信息傳遞方式，并用于交通信號控制系統(tǒng)的功率調(diào)控。通過信號機(jī)對信號燈的遠(yuǎn)程調(diào)控，實(shí)現(xiàn)了對單路口多組信號燈降低功率的集中控制、遠(yuǎn)程管理及智能配置；該控制方法有利于系統(tǒng)節(jié)能減排的有效實(shí)現(xiàn)及交通信號的優(yōu)化管理。

信號機(jī)；信號燈；節(jié)能控制；脈沖信號；功率調(diào)節(jié)

0 引言

交通信號控制系統(tǒng)用于控制并指示道路交通信號的運(yùn)行，是智能交通系統(tǒng)的重要研究領(lǐng)域之一[1]。隨著節(jié)能降耗標(biāo)準(zhǔn)在各行業(yè)的深入應(yīng)用發(fā)展，交通信號控制系統(tǒng)的節(jié)能指標(biāo)也越來越高。如在城郊地區(qū)或者鄉(xiāng)鎮(zhèn)等地方，信號控制系統(tǒng)的普及率也越來越高，但在夜間等特殊時間或車流量很少的時間段，可進(jìn)一步考慮降低功耗的方法。當(dāng)前對交通信號控制系統(tǒng)的節(jié)能方式一般主要采用進(jìn)一步降低信號燈功耗的方法，或者采用降低信號機(jī)的功耗、采用夜間熄燈等方式。信號燈功耗的降低與節(jié)能燈及電子技術(shù)的發(fā)展及成本的控制密切相關(guān)，較低的功耗設(shè)備需較先進(jìn)的技術(shù)水平及較高的推廣成本，只可逐步發(fā)展應(yīng)用，如調(diào)光電路[2]和LED燈[3-4]的推廣應(yīng)用。不同于路燈的控制[5]，單獨(dú)調(diào)整某個信號燈的亮度[6]則無法實(shí)現(xiàn)路口的集中控制和遠(yuǎn)程管理；信號機(jī)自身的功耗降低更與電子控制技術(shù)的發(fā)展密切相關(guān)，在滿足可靠性的前提下，其功耗的降低對成本的影響更大；夜間直接將部分信號燈熄滅的方法[7-8]也存在較多應(yīng)用不足，如采用夜間熄滅左轉(zhuǎn)右轉(zhuǎn)的箭頭燈而只亮中間圓盤燈的方式，容易導(dǎo)致直行左轉(zhuǎn)的通行沖突，不利用交通信號控制的最優(yōu)管控。本文充分利用當(dāng)前的信號燈及控制系統(tǒng)條件，基于觸發(fā)脈沖技術(shù)[9]，采用組合式觸發(fā)脈沖信號的方式，研究信號機(jī)對信號燈節(jié)能降耗的智能管理方法。

1 觸發(fā)脈沖信號的實(shí)現(xiàn)

觸發(fā)脈沖信號控制可用于無通信連接的設(shè)備間的簡單信息交互，如圖1所示，控制設(shè)備通過其脈沖信號控制源發(fā)送一定時間寬度的脈沖信號，終端設(shè)備的接收器接收并判斷該脈沖信號的有效性，并根據(jù)預(yù)定的協(xié)定改變終端設(shè)備的工作模式，實(shí)現(xiàn)終端設(shè)備工作狀態(tài)的變換。如圖2所示，觸發(fā)脈沖信號一般為在一定周期T的高電平時間內(nèi)，發(fā)出一個時間段為t的低電平脈沖，該低電平脈沖不影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行，并可被終端設(shè)備有效檢測。

圖1 脈沖信號的發(fā)送與接收

圖2 脈沖信號基本形式

道路交通信號控制系統(tǒng)的信號機(jī)與信號燈的連接一般為僅有交流電源控制線的連接，信號機(jī)通過對其輸出的單個信號燈供電電源的控制，可控制信號燈的開關(guān)；由于信號機(jī)與信號燈之間無通信連接，信號機(jī)要實(shí)現(xiàn)對信號燈開關(guān)狀態(tài)外的狀態(tài)控制也只能通過交流電源線來管理。在運(yùn)行期間，信號機(jī)通過發(fā)送單脈沖觸發(fā)信號，可實(shí)現(xiàn)與信號燈之間的協(xié)定信息傳遞，實(shí)現(xiàn)對信號燈的遠(yuǎn)程控制。然而由于單脈沖信號表達(dá)的信息唯一，只能實(shí)現(xiàn)簡單的狀態(tài)觸發(fā)，無法實(shí)現(xiàn)對信號燈的更復(fù)雜管理，為此，本文開展了基于組合式觸發(fā)脈沖信號的節(jié)能控制方法研究及應(yīng)用分析，以實(shí)現(xiàn)利用信號燈交流電源控制線，遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)信號燈的功率。

2 基于組合式脈沖的節(jié)能控制系統(tǒng)

圖3 信號機(jī)調(diào)控流程圖

實(shí)現(xiàn)信號機(jī)對信號燈的遠(yuǎn)程節(jié)能信息傳遞，需具備三個條件：觸發(fā)信息的有效識別、節(jié)能信息的增減識別、節(jié)能調(diào)節(jié)比例。為此，本文采用組合式觸發(fā)脈沖開關(guān)信號實(shí)現(xiàn)信號控制設(shè)備對信號燈設(shè)備的功率調(diào)整信息傳遞，信號控制系統(tǒng)通過發(fā)送時間寬度不同的多個脈沖組合，分別表示是否觸發(fā)功率調(diào)整功能、降低信號燈的功率還是增加功率、功率調(diào)整的額度等信息，通過對信號燈的控制開關(guān)進(jìn)行觸發(fā)式脈沖開關(guān)控制將功率調(diào)整信息傳遞給信號燈設(shè)備。信號控制系統(tǒng)采用對整個信號燈輸出回路電壓和電流進(jìn)行檢測的方法，通過檢測并分析在相同的燈組狀態(tài)時信號燈總功率的變化來判斷功率調(diào)整功能執(zhí)行的效果，將相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行保存或上傳，供后期分析使用。其控制流程如圖3所示。

圖4 信號燈調(diào)控流程圖

交通信號燈設(shè)備采用實(shí)時檢測及分析相應(yīng)的信號機(jī)開關(guān)脈沖信息方法，判斷對信號燈的功率調(diào)整脈沖信息；根據(jù)與信號機(jī)的協(xié)定，信號燈的燈控模塊首先檢測判斷脈沖是為進(jìn)行功率調(diào)整的脈沖還是其他干擾脈沖，然后判斷增加或降低功率，最后檢測功率調(diào)整的額度；根據(jù)以上脈沖信息，在符合相應(yīng)的增減條件下，燈控模塊執(zhí)行對信號燈的功率調(diào)整。其調(diào)控流程如圖4所示。

3 功率調(diào)節(jié)的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)

如圖5所示，由于當(dāng)前信號燈多為LED燈，每個紅黃綠信號燈組一般由一個總的燈控模塊進(jìn)行管理。紅黃綠信號燈開關(guān)分別為K1、K2、K3，信號機(jī)通過燈控模塊對相應(yīng)紅黃綠信號燈進(jìn)行開關(guān)控制。信號機(jī)通過觸發(fā)脈沖信號對信號燈進(jìn)行功率調(diào)節(jié)時，只需觸發(fā)一個交流控制線即可，考慮到實(shí)際的信號運(yùn)行時，黃燈和綠燈有閃光控制功能，一般通過對紅燈控制線施加脈沖信號，實(shí)現(xiàn)對整個信號燈組的功率調(diào)節(jié)。信號機(jī)通過對紅燈開關(guān)K1的脈沖觸發(fā)控制，即可實(shí)現(xiàn)觸發(fā)脈沖信號的有效發(fā)送。

圖5 信號控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

應(yīng)用實(shí)現(xiàn)時，信號機(jī)與交通信號燈的脈沖信息控制，采用3次連續(xù)的脈沖開關(guān)信號。第一個脈沖表示調(diào)整功率信息的觸發(fā)信號，為100 ms的脈沖，信號燈檢測到該脈沖信號則初步判斷為需要進(jìn)行功率調(diào)節(jié)，需繼續(xù)檢測后續(xù)脈沖信號的有效性，設(shè)置100 ms的脈沖以與干擾脈沖有效區(qū)分。第二個脈沖表示功率增減信息，設(shè)定100 ms的脈沖表示功率減小，200 ms的脈沖表示功率增加。第三個脈沖表示功率調(diào)整的比例，時間控制為100 ms～500 ms，每100 ms表示功率在基本功率的基礎(chǔ)上增加或減小10%，這樣可將信號燈的功率降低到正常值的一半；對于低于50%的功率降低調(diào)節(jié)需求，一般直接采用熄燈的控制方法；同時，脈沖信號的時間一般不要超過500 ms，以免產(chǎn)生信號燈誤滅的故障，影響交通的正常運(yùn)行。為更好地降低對交通運(yùn)行的影響，信號機(jī)發(fā)送功率調(diào)整脈沖信號固定在每個信號控制狀態(tài)切換前的3 s進(jìn)行，每一秒通過紅燈控制線發(fā)送一個脈沖，實(shí)現(xiàn)組合脈沖信號的有效發(fā)送。

本文中，電流檢測采用20 A/20 mA的TS060-1電流互感器，最大測量20 A的交流供電，可直接將交流火線L穿過其內(nèi)孔來檢測電流，并實(shí)時檢測電流互感器的電流值。根據(jù)交通信號控制需要對信號燈進(jìn)行脈沖開關(guān)控制時，在每次功率調(diào)整前后，需對信號燈的電壓和總電流進(jìn)行檢測并保存，如果調(diào)整后的功率與調(diào)整前的功率變化比例與調(diào)整的比例一致，則可判定為調(diào)整成功；如差異較大，則判斷為調(diào)整不成功。微控器對功率調(diào)整信息及檢測的電壓電流信息均進(jìn)行保存，以便后期分析查看。

燈控模塊在檢測到相應(yīng)的功率調(diào)整的脈沖開關(guān)信號后，執(zhí)行對信號燈的功率調(diào)整?？紤]信號燈的最大功率限制以及最低亮度要求，如功率降低信息低于信號燈的最低亮度及功率限制要求，則只調(diào)整至最低限制功率；如功率增加信息高于信號燈的最高亮度及功率限制要求，則只調(diào)整至最高限制功率，以確保信號燈及道路交通的正常運(yùn)行。

4 結(jié)論

本文采用觸發(fā)脈沖的形式，通過組合式觸發(fā)脈沖開關(guān)信號的有效設(shè)計，實(shí)現(xiàn)了信號機(jī)對信號燈設(shè)備的功率調(diào)整，有效地實(shí)現(xiàn)了信號機(jī)的節(jié)能降耗；無需信號燈節(jié)能技術(shù)的深入發(fā)展，且無需增加相應(yīng)的布線成本，即可實(shí)現(xiàn)對信號燈的功率調(diào)節(jié)；在夜間車輛較少的情況下，也無需通過熄燈的方式降低信號燈的功耗，可更好地保證交通信號控制的優(yōu)化。由于該節(jié)能控制方法由信號機(jī)統(tǒng)一控制，實(shí)現(xiàn)信號燈功率的統(tǒng)一調(diào)節(jié)，無需對單個信號燈組進(jìn)行設(shè)置。同時由于信號機(jī)具備聯(lián)網(wǎng)功能，可根據(jù)需求遠(yuǎn)程控制信號燈的功率變化。信號機(jī)也可通過對車流量及外部光線等環(huán)境的檢測，自適應(yīng)地調(diào)整功率變化狀況；對于設(shè)定固定時間段的功率調(diào)整需求，如車流量較大或者可見度不高，則可不執(zhí)行設(shè)定的功率降低參數(shù)。因此，該方法具有較好的靈活性及智能性。

[1] 肖圣兵．新型智能交通信號機(jī)的研究與設(shè)計[D]．合肥：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2009.

[2] 戚偉,邱旭偉,劉勁松,等. 基于PIC16單片機(jī)的正弦調(diào)光電路[J]. 電子技術(shù)應(yīng)用, 2014, 40(10): 30-32.

[3] 包勇強(qiáng),鄒永良,邱紅桐．LED在交通信號燈中的應(yīng)用及其評價[J]．中國人民公安大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2000(4):30-35.

[4] 宗平．一種LED交通信號燈的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[D]．北京：北京交通大學(xué)，2010.

[5] 湯鎮(zhèn)輝,張正明．基于CC2530的ZigBee無線路燈節(jié)能智能監(jiān)控系統(tǒng)[J]. 微型機(jī)與應(yīng)用，2011,30(19): 81-83.

[6] 高利芬,高力波,王慧敏,等．自適應(yīng)信號燈亮度控制系統(tǒng)研究[J]. 交通標(biāo)準(zhǔn)化，2010(3):115-117.

[7] 唐企堯．基于車流量的自動調(diào)時交通信號燈設(shè)計[J]. 科技視界，2015(35):342-342.

[8] 張亮,王洪儉,沈拓. 淺談基于現(xiàn)場總線的信號機(jī)[J]. 中國科技信息，2013(17):81.

[9] 王中華,高超,戴勝,等．觸發(fā)式控制顯示的倒計時顯示器:中國，201220230628.7[P]. 2013-02-06.

Study on energy saving control of traffic signal based on combined pulse

Yang Zhihua1,2

(1.Key Laboratory of Urban ITS Technology Optimization and Integration, Ministry of Public Security, Hefei 230088, China;2.Anhui KeLi Information Industry Co.,Ltd., Hefei 230088, China)

The main way to reduce the energy consumption of traffic signal control system is to use low-power signal lights or signal controllers, but it limits by the progress and promotion of new technologies, and needs for higher application costs. Therefore, this paper studies the connection control of signal controller and signal light, makes full use of AC power supply control line of signal light, presents a kind of information transmission method based on combined trigger pulse signal, and is used in power regulation of traffic signal control system. The signal control system can realize the centralized control, remote management and intelligent configuration of the multiple single lights reducing power, through remote control of the signal controller. The control method is beneficial to the realization of energy saving and emission reduction and the optimization of traffic signal management.

signal controller; signal light; energy-saving control; pulse signal; power adjustment

TP273

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.09.019

楊志華.基于組合脈沖的交通信號節(jié)能控制研究[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36(9)：64-66.

2016-12-05)

楊志華(1983-)，男，碩士，主要研究方向：交通信號控制及優(yōu)化技術(shù)。