秦常貴

(廣東松山職業(yè)技術學院， 廣東 韶關 512126)

近年來，隨著我國汽車保有量的持續(xù)快速增長，道路通行車輛劇增，交通擁堵嚴重。為了緩解交通擁堵，一些城市十字路口的交通信號燈的紅綠燈時間設置越來越長。在交通高峰期，科學延長紅綠燈時間有助于更多車輛的通行，從而提高通行效率。但在非交通高峰期，特別是交通低峰期和深夜，如果紅綠燈時間過長，則浪費駕駛者的時間。而目前交通信號燈的紅綠燈時間設置基本上都是不分時段，即24 h都是固定的，這顯然與現(xiàn)代快節(jié)奏的工作與生活不相適應。已有學者[1-5]對不同時間段、不同紅綠燈時間設置進行了研究，但仍需要人工進行手動模式切換；另有研究[6-8]根據(jù)實時車流量來控制紅綠燈時間，但系統(tǒng)配置要求高，且后期維護工作量大。因此，在實際應用中仍采用紅綠燈時間固定設置模式。另外，當發(fā)生重大火災或其他突發(fā)事件，有大量消防車或其他救援車輛需要緊急通過時，如交通信號燈不能為其及時開啟綠燈，勢必影響救援時間，而目前十字路口的交通信號燈基本上都不具備這一功能。由于目前的交通信號燈大多采用單片機控制[9-13]，其控制系統(tǒng)設計相對繁瑣(尤其在控制功能復雜的情況下)，且性能不夠穩(wěn)定，故障率高。交通信號燈一旦出現(xiàn)故障，往往導致交通無序、擁堵甚至癱瘓。針對上述問題，本文將采用性能可靠、價格越來越便宜的PLC作為控制器，在滿足交通信號燈基本功能的前提下，提出并重點解決24 h分時段全自動智能切換紅綠燈時間設置的控制及“急通”功能的實現(xiàn)，讓交通變得更智能、更符合現(xiàn)場實際、更人性化。

1 系統(tǒng)簡介及控制功能設計

本控制系統(tǒng)以最常見的十字路口交通信號燈為例，東南西北各裝一個允許直行的綠燈、一個警示直行停車的黃燈、一個禁止直行的紅燈、一個允許左轉(zhuǎn)的綠燈、一個警示左轉(zhuǎn)停車的黃燈、一個禁止左轉(zhuǎn)的紅燈、一個顯示綠燈時間的綠色數(shù)碼管、一個顯示紅燈時間的紅色數(shù)碼管。正常工作時，東與西、南與北2組相對方向的工作狀態(tài)保持一致。具體控制功能如下：

1) 根據(jù)目前的大部分交通狀況，大致可以將一天24 h分為7個時間段，如圖1所示。圖1中，00:00—05:00為交通深夜期(自定義)，05:00—07:00 為交通低峰期，07:00—09:00為交通高峰期，09:00—18:00為交通平峰期，18:00—20:00為交通高峰期，20:00—22:00為交通平峰期，22:00—24:00 為交通低峰期。具體應劃分多少個時間段以及每個時間段從幾點到幾點更科學合理，由交通部門根據(jù)各個時間段的車流量大數(shù)據(jù)來分析、測算和決策。交通低峰期、交通高峰期和交通平峰期的紅綠燈時間設置各不相同，且實現(xiàn)全自動切換(包括交通深夜期)。

圖1 24 h交通狀況分布

2) 交通深夜期：車流量很少，東南西北4個方向的紅綠燈都不亮，只有4個方向的所有黃燈以1 Hz的頻率閃爍來進行警示作用，提醒駕駛者減速慢行即可。

3) 交通低峰期：車流量少，設計紅綠燈時間短?？紤]到東西方向和南北方向車流量的不同，設計東西直行30 s，東西左轉(zhuǎn)20 s，南北直行25 s，南北左轉(zhuǎn)15 s(具體多長時間合適，由交通部門根據(jù)車流量大數(shù)據(jù)來測定，下同)。先東西方向允許直行的綠燈亮，同時東西左轉(zhuǎn)、南北直行和左轉(zhuǎn)的紅燈亮；東西直行綠燈時間一到，東西直行綠燈滅，同時東西直行黃燈亮3 s，然后東西直行黃燈滅，同時東西直行紅燈亮、東西左轉(zhuǎn)紅燈滅、東西左轉(zhuǎn)綠燈亮；東西左轉(zhuǎn)、南北直行、南北左轉(zhuǎn)的工作過程與東西直行一樣，只是綠燈亮的時間不同(下同)。

4) 交通平峰期：車流量一般，設計東西直行60 s，東西左轉(zhuǎn)40 s，南北直行50 s，南北左轉(zhuǎn)30 s。

5) 交通高峰期：車流量大，設計東西直行90 s，東西左轉(zhuǎn)60 s，南北直行75 s，南北左轉(zhuǎn)45 s。

6) 急通功能：消防車等緊急車輛需要通行的方向，直行和左轉(zhuǎn)的綠燈都亮、紅燈都滅，其余3個方向都亮紅燈，禁止通車，為急通車輛讓行。急通功能由急通開關控制，某方向的急通開關接通，該方向急通開始，急通開關斷開，急通結(jié)束。急通結(jié)束后，先東南西北4個方向的黃燈持續(xù)亮5 s，然后系統(tǒng)自動恢復正常工作狀態(tài)。

7) 時間倒計時顯示：有綠燈的方向倒計時顯示綠燈的時間，全紅燈的方向倒計時顯示紅燈的時間；為節(jié)省輸出點數(shù)的使用，同時提高駕駛員的注意力，本系統(tǒng)只使用了一位數(shù)碼管來顯示時間，也就是只有當時間小于10 s時才進行倒計時顯示。

8) 在交通深夜期和急通狀態(tài)時，數(shù)碼管不顯示時間，處于關閉狀態(tài)。

9) 系統(tǒng)啟動時，如果在非“交通深夜期”按下系統(tǒng)啟動按鈕，先東南西北4個方向的黃燈持續(xù)亮5 s，然后再自動進入紅黃綠燈正常工作模式；如果在“交通深夜期”按下啟動按鈕，則系統(tǒng)直接進入“交通深夜期”工作模式。

10) 系統(tǒng)停止時，不采用瞬時停止，也就是當按下系統(tǒng)停止按鈕時，系統(tǒng)不會馬上停止工作，而是繼續(xù)工作到當前循環(huán)結(jié)束之后再自動停止。

2 PLC控制系統(tǒng)設計

1) PLC選型

本控制系統(tǒng)選用PLC實訓室現(xiàn)有的三菱FX2N-64MR主機作為控制器，另選FX2N-48ER擴展模塊以擴展輸出點數(shù)。

2) PLC控制系統(tǒng)I/O分配及I/O接線原理

PLC控制系統(tǒng)I/O分配及I/O接線原理如圖2所示。

圖2 PLC控制系統(tǒng)I/O接線原理

3) 控制程序設計

PLC控制程序設計采用SFC與梯形圖混編實現(xiàn)，SFC程序如圖3所示，梯形圖程序如圖4所示。

圖3 PLC控制程序SFC

圖4 PLC控制程序梯形圖

控制程序說明：三菱FX2N系列PLC的系統(tǒng)時間按“星期、年、月、日、時、分、秒”分別實時存儲在特殊數(shù)據(jù)寄存器D8019～D8013中[14]，如圖5所示。

圖5 PLC系統(tǒng)時間存儲位置

圖3程序的作用有2個：按下系統(tǒng)啟動按鈕，不讓系統(tǒng)突然瞬時點亮紅綠燈，而是先讓東南西北4個方向的所有黃燈持續(xù)亮5 s，提示駕駛者交通信號燈即將開始正常工作，然后再自動進入紅黃綠燈正常工作模式，這既能有效避免系統(tǒng)啟動前正在通過路口的車輛來不及剎車而導致闖紅燈或緊急剎車而導致追尾事故，又能控制紅黃綠燈在05:00—24:00非“交通深夜期”正常工作。

圖4中，①系統(tǒng)啟動與停止：結(jié)合圖3程序，按系統(tǒng)啟動按鈕，系統(tǒng)啟動。按系統(tǒng)停止按鈕，系統(tǒng)采用延時到當前循環(huán)結(jié)束時再自動停止。②交通深夜期：首先清除圖3程序的工作，然后直接利用特殊輔助繼電器M8013實現(xiàn)東南西北黃燈的閃爍。需注意，本段程序須放在圖3程序前，否則，系統(tǒng)工作不正常，這是由PLC“從上至下”的循環(huán)掃描工作方式?jīng)Q定的。③確定紅綠燈定時器設置值：定時器設置值=時間/精度，由于T0～T199的定時精度是100 ms，因此可根據(jù)綠燈的具體時間得到各設置值的大小。期間綠燈方向會亮2次黃燈(各3 s)，因此紅燈方向的定時器設置值等于綠燈方向2個綠燈的設置值再加60。本控制系統(tǒng)計時紅綠燈時間的定時器的設置值未采用常數(shù)，而是巧用數(shù)據(jù)寄存器，從而達到大大優(yōu)化程序的目的。圖中S0、S10、S11必須并聯(lián)，否則，第一個循環(huán)無綠燈亮。④將定時器設置值轉(zhuǎn)換為時間：由于定時器的定時精度為100 ms，致使設置值是時間(s)的10倍，因此將設置值都除以10，從而將設置值轉(zhuǎn)換為時間(s)。圖中S0、S10、S11必須并聯(lián)，否則，第一個循環(huán)無倒計時顯示。⑤倒計時顯示：利用特殊輔助繼電器M8013每隔1 s將時間減少1 s，然后用七段譯碼指令SEGD和外接數(shù)碼管進行倒計時顯示。由于所有應用指令都具有保持功能，因此，當?shù)褂嫊r完畢，要利用區(qū)間復位指令ZRST及時將數(shù)碼管顯示清除。⑥急通：充分利用PLC“從上至下”的循環(huán)掃描工作方式，將急通控制放在程序的最后。急通開始時，先關閉所有信號燈和數(shù)碼管、清除圖3程序的工作，同時置位S10，為急通結(jié)束恢復正常工作做好準備，然后通過數(shù)據(jù)傳送指令MOV以送十六進制數(shù)的方式控制輸出點，極大簡化程序設計。急通結(jié)束時，巧用急通開關產(chǎn)生的下降沿信號清除急通信號，同時讓系統(tǒng)進入剛啟動狀態(tài)，即東南西北4個方向的所有黃燈先持續(xù)亮5 s，提示駕駛者急通結(jié)束，系統(tǒng)即將進入正常工作模式。

系統(tǒng)剛啟動和“急通”結(jié)束后，采用所有黃燈持續(xù)亮5 s后再進入紅黃綠燈正常工作模式，有別于“交通深夜期”工作模式(所有黃燈閃爍)，這有助于駕駛者觀察、判斷和駕駛。

在不同交通期切換時，為確保紅綠燈時間不會發(fā)生突變，程序控制先運行完當前循環(huán)后，下個循環(huán)開始時再自動切換紅綠燈時間設置。

4) 系統(tǒng)調(diào)試與運行

首先利用編程軟件GX Developer設置PLC系統(tǒng)時間，如圖6所示。在確保某個交通期內(nèi)運行正確之后，再修改PLC系統(tǒng)時間，使之接近下個交通時段，再仔細觀察時間設置切換正確與否，這樣可以大大縮短調(diào)試周期。

圖6 PLC系統(tǒng)時間設置與校準

為了能夠模擬現(xiàn)場進行調(diào)試，筆者特地用萬能板制作了模擬電路對系統(tǒng)進行了全面反復的調(diào)試，包括系統(tǒng)啟動、系統(tǒng)停止、交通深夜期的工作、紅綠燈時間設置的分時段全自動切換、急通等，所有控制功能全部實現(xiàn)。系統(tǒng)調(diào)試與運行如圖7所示。系統(tǒng)已在實訓室連續(xù)運行了2個星期，除了時間上略有一點點誤差(PLC系統(tǒng)時間快約10 s)，其他一切正常。由于受時鐘精確度的影響，PLC系統(tǒng)時間與北京時間不同步是不可避免的，當兩者相差較多時，在任何時候可不停機、不影響系統(tǒng)工作的情況下，再次校準PLC系統(tǒng)時間，校準界面如圖6所示，以按實際時間控制與運行。

(a) 調(diào)試現(xiàn)場

(d) 西急通

3 結(jié)論

1) 控制系統(tǒng)可很好地滿足交通信號燈直行、左轉(zhuǎn)、時間倒計時顯示等基本功能，同時也能很好地實現(xiàn)“24 h分時段全自動智能切換紅綠燈時間設置”的控制；該功能既能減輕交通高峰期的擁堵，又能減少非交通高峰期的時間等待，能有效提升交通系統(tǒng)運行效率和管理水平。

2) 設計的“急通”功能能隨時為緊急通行車輛開啟綠燈，最大限度地提供急通服務，并能隨時恢復正常工作。

3) 系統(tǒng)控制功能科學合理，設計思路清晰，控制程序優(yōu)越且可讀性強，運行穩(wěn)定可靠，性價比高，可直接用來對現(xiàn)有交通信號燈控制系統(tǒng)進行技術升級、改造和優(yōu)化。