胡明偉，呂 品，蔡金梅

（1.深圳大學 土木與交通工程學院，廣東 深圳 518060；2.深圳大學 未來地下城市研究院，廣東 深圳 518060；3.深圳大學 濱海城市韌性基礎設施教育部重點實驗室，廣東 深圳 518060）

0 引 言

伴隨我國經(jīng)濟實力的增強，城市私家車日漸增多，交通擁堵——特別是高峰時段的塞車已成為社會焦點話題。目前評價智慧城市發(fā)展水平的核心指標之一便是城市的交通基礎設施建設。能否讓交通系統(tǒng)迅速、安全、有序地運轉(zhuǎn)是交通強國戰(zhàn)略下，每個交通行業(yè)建設者急需解決的問題?，F(xiàn)有紅燈與綠燈管控模式通過對公路上車流量進行調(diào)研統(tǒng)籌來預設紅綠燈的固定時長。但是，城市交通是繁雜多變的整體體系，車流量隨時間變化，在車流量少的時段，應適度縮減循環(huán)時間與候車時間；在車流量較大的高峰時段，應適度地增加車輛的通行時間，以便讓更多的車輛通過；當有些路口的南北方向車流量與東西方向車流量之間的懸殊較大時，可以在車流量偏多的方向，延長車輛的綠燈通行時間；此外，還要考慮救護車、消防車等特殊車輛通行的狀況，以便迅速應對火災等事故。所以，交通信號燈控制必須是多工作模式系統(tǒng)。

1 交通數(shù)據(jù)獲取

1.1 感應管控

交通信號燈的管控模式分為定時管控與感應管控兩種。傳統(tǒng)的定時管控不能依照公路上具體的車流情況管控交通信號燈，城市交通通行率過低；而感應管控憑借裝設在交叉口路段的車輛檢測設備，例如環(huán)形線圈檢驗設備中各方向車道的車輛數(shù)目信息來調(diào)節(jié)交通信號燈信號，進而提升城市交通通行率?，F(xiàn)有感應管控通常使用單點的管控模式，而本文采用在交叉口路段的全部進口位置裝設環(huán)形測試器的模式來完成全感應管控。

1.2 車輛監(jiān)測

車輛監(jiān)測設備能夠?qū)崟r監(jiān)測車流量、車輛保有量、速度等各類交通數(shù)據(jù)，這部分數(shù)據(jù)能夠用于預設交通管控體系的配置用時。監(jiān)測設備將收集到的交通信息進行再處理并將處理后的參數(shù)上傳到主機，為體系優(yōu)化配置時間提供動態(tài)參數(shù)。交通監(jiān)測設備充當管控體系的參數(shù)窗口，決定著智能交通管制體系的效率。本文使用當前廣泛應用的環(huán)形線圈車輛監(jiān)測設備對既定時段內(nèi)通過的車輛實施計算。環(huán)形線圈檢驗設備使用電磁感應理論來完成車輛檢驗，其由感應零件、轉(zhuǎn)化零件與轉(zhuǎn)化電路幾大元素構(gòu)成。傳感設備結(jié)構(gòu)圖見圖1。

圖1 傳感設備結(jié)構(gòu)圖

本文使用電感式傳感設備，電感式傳感設備輸出脈沖直接對接PLC，實施時將電感式傳感設備埋置于城市道路地下十多厘米的位置。圖2是運用電感式傳感設備完成車輛檢驗的原理結(jié)構(gòu)圖。

圖2 電感式傳感設備車輛檢驗結(jié)構(gòu)圖

2 PLC管控系統(tǒng)的構(gòu)建

首先構(gòu)建PLC管控系統(tǒng)，系統(tǒng)正常運轉(zhuǎn)后，接下來需要判定是否處于白日時段，假如答案為否，則轉(zhuǎn)入夜晚模式；假如答案為是，就開啟傳感設備檢驗工作模式。如果聲響監(jiān)測設備識別到特殊聲響信號，系統(tǒng)就轉(zhuǎn)入緊急作業(yè)狀態(tài)；車流量檢驗設備檢驗到的數(shù)據(jù)比預設閾值大，則轉(zhuǎn)入智能作業(yè)形式，預設緊急作業(yè)模式為優(yōu)先級；如果智能作業(yè)模式和緊急作業(yè)模式都運轉(zhuǎn)，則轉(zhuǎn)為緊急作業(yè)模式。當傳感設備均無法作業(yè)，則轉(zhuǎn)入常規(guī)模式。

2.1 普通作業(yè)模式

對十字路口紅綠燈根據(jù)傳統(tǒng)模式完成時間預設，在常規(guī)狀況下紅綠燈按照此模式工作。在普通工況下，首先系統(tǒng)會自動判別當前的時段是白日還是夜晚；通常，界定晚間時段是晚上11時到凌晨6時，相異城市可以預設相異的時段。假如是處于白日時段，系統(tǒng)會根據(jù)提前預設的時間進行高強度作業(yè)；假如是位于晚間時段，行駛車輛很少，各方位的黃燈交替閃耀，警示車輛緩速通過，從而縮短了等車的用時。

2.2 智能作業(yè)模式

提前在十字路口的每條道路兩側(cè)敷設感應式地感線圈測試設備。交通信號燈在初始作業(yè)階段的作業(yè)狀態(tài)是普通模式，運行智能作業(yè)模式時需要提前給交通信號燈一個預設數(shù)據(jù)，交通信號燈就可以開始往復作業(yè)；之后在紅綠燈轉(zhuǎn)換的各時間段，統(tǒng)計各方向位于檢驗區(qū)內(nèi)的車輛數(shù)。智能交通管控體系的特征是逐漸疏散道路上不斷增大的車流量。在循環(huán)往復一段時間后，十字路口的交通情況可以得到改善。

3 控制系統(tǒng)硬件設計

3.1 編程管控設備的挑選及其硬件預設

3.1.1 PLC規(guī)格的明確

本文將使用可編程管控設備構(gòu)建十字路口交通信號燈系統(tǒng)，可操作性強、維護方便。在西門子可編程管理設備中，S7?200 CPU22X規(guī)格的產(chǎn)品質(zhì)量最好，故在此采用CPU22X型可編寫管理設備。S7?200規(guī)格CPU22X可編寫管理設備具備以下特性：所有輸入輸出電能都運用雙向光耦合DC 24 V數(shù)字輸入模式。這種繼電模式還包含數(shù)字傳播，并且使用單向光耦合技術(shù)。可編寫管控設備具有高速計算的能力，其運用PPI、MPI與其余協(xié)約通信。

PLC具有強大的外圍設備拓展能力與PID管控能力，軟件功能全面、命令具有多樣性。因此，本文系統(tǒng)使用CPU226完成單元的管控，可編程管控設備包括24點數(shù)據(jù)錄入、16點數(shù)據(jù)輸出，可拓展，最多能夠拓展至七大模塊。根據(jù)預設情況與具體需要，使用S7?200 CPU226 PLC可編程管控設備對本設計實施硬件預設與程序編寫。

3.1.2 PLC的I/O口配 置

依照交通信號燈的管控需求，錄入以下數(shù)據(jù)：管控體系PLC管控錄入I/O口。PLC錄入端數(shù)據(jù)表如表1所示。

表1 PLC錄入端數(shù)據(jù)表

3.2 PLC的硬件電路圖

3.2.1 控制零件驅(qū)動需要分析

解讀交通信號燈的管控需求，明確錄入輸出數(shù)據(jù)與輸入數(shù)據(jù)；PLC的每個I/O點的售價不菲，因此明確PLC的I/O極為關(guān)鍵。在管控需要吻合的基礎上，要讓PLC的錄入輸出（I/O）點極少，所以需要預留一部分余量。

3.2.2 畫出外端線路圖

本文選用西門子S7?200 PLC。交通信號燈管控體系內(nèi)，上位設備、管控設備必須盡快就位。機械作業(yè)負責全部設施的交通信號燈管控體系的運轉(zhuǎn)，計算機對工況實施動態(tài)追蹤，上位設施通信運用COM端口連接到PLC MPI，并且PLC必須訪問220 V交流電流器，從而保證之后開啟按鈕、終止按鈕、限位開閉的24 V直流電能接入PLC寫入段，使用編程的輸出位置的功能來驅(qū)動信號，或者使用中央的繼電設備驅(qū)動PLC的輸出光線，即添加一部中間繼電設備。

3.3 管控體系的軟件設計

STEP7?Micro/WIN32是西門子公司的SIMATIC S7?200系統(tǒng)可編寫管理設施二次開發(fā)的一款軟件，其是以Windows為基礎的軟件，功能強大，既能靈活實現(xiàn)用戶程序的開發(fā)，也能動態(tài)管理用戶使用狀態(tài)。根據(jù)設計需求，需要讓分配的軟件完成系統(tǒng)配置屏幕的自動操控工作，故使用MCGS十字路口交通燈管控體系屏幕決策與屏幕分配。相關(guān)應用的編譯頁面如圖3所示。

圖3 MCGS軟件頁面

3.4 交通信號燈預設模塊

系統(tǒng)以開發(fā)板為主要元件，包含流量測試與鍵盤檢測兩大核心功能模塊，依照檢驗結(jié)果和程序預設的模式管控交通信號燈、放音設備與倒數(shù)計時數(shù)碼設備。圖4是模仿交通信號燈運轉(zhuǎn)的電路圖。

由圖4可知，假若1L、1S通過時，其余的通道隔離無法放行。因此在設計交通信號燈階段，包含四類（1L?1S、2L?2S、3L?3S、4L?4S），使其能夠兩相配對。通行次序圖如圖5所示。

圖4 模仿交通等控制板電路圖

圖5 通過次序簡圖

3.5 模仿語音交通信號燈的實現(xiàn)流程

3.5.1 實物對接圖

參考仿真模型與實踐階段對接的SPCE061板及有關(guān)模塊后，客戶應在開發(fā)板位置對接電源、播音設備等；再將調(diào)整好的程序通過下載設備下載到開發(fā)板上，一鍵運轉(zhuǎn)后觀測運轉(zhuǎn)情況，根據(jù)具體需要來實施調(diào)試作業(yè)。SPCE061板與有關(guān)元件如圖6所示。

圖6 SPCE061板與有關(guān)元件

3.5.2 管控流程

假如調(diào)整完成，那么系統(tǒng)就可以實現(xiàn)常規(guī)運轉(zhuǎn)；但假如客戶要變更其狀態(tài)，或?qū)嵤┢溆嗟墓δ軝z測，則通過以往定義的按鍵進行操控。例如：本體系定義三大按鈕，能夠直觀地運用SPCE061板上的三大按鈕，用以管控體系的狀態(tài)。這三大按鈕具有相異的功能，常規(guī)模式下，預設狀態(tài)功能用按鈕2、預警狀態(tài)用按鈕1、檢索狀態(tài)用按鈕3。在預設階段，預設方位的綠燈用按鈕2，預設方位的紅燈用按鈕1，回歸常規(guī)模式使用按鈕3。假如是在檢索狀況下，播送相異路口狀態(tài)車流量使用按鈕1與按鈕2，回歸常規(guī)狀態(tài)使用按鈕3。假如遭遇緊急狀態(tài)，使用按鈕3回歸正常態(tài)勢。

4 運轉(zhuǎn)檢測與結(jié)果解讀

本文設計的以PLC為核心的多工況交通控制系統(tǒng)在檢測階段進行了試運轉(zhuǎn)，并與傳統(tǒng)的固定用時預設模式進行比對。通過對車輛分狀況進行解讀，選擇場景為三大工況：雙向車流量差別小、雙向車流量差別大與有特殊車輛駛過。

通過數(shù)十次的測試與解析，深入了解每類狀況下每部車經(jīng)過十字街道的平均用時。對比后發(fā)現(xiàn)，在雙向車流量差別不大的階段，兩類管控模式差異并不明顯，但在車流量差別大與有特殊車輛兩類狀況下，多類運轉(zhuǎn)模式的交通管控體系相較于傳統(tǒng)的模式效率更高。運轉(zhuǎn)解讀表如表2所示。

表2 運轉(zhuǎn)解讀表 s

5 結(jié) 語

綜上所述，城市道路交通是繁雜多變的體系，其隨時變化的特征所需的管控系統(tǒng)也是多元化的，唯有如此才可滿足系統(tǒng)的需要。本文根據(jù)PLC智能交通的需要搭建了支持PLC的仿真系統(tǒng)，探討了PLC系統(tǒng)的通信技術(shù)與科技。與此同時，在對PLC交通信號燈智能系統(tǒng)進行解讀的前提下，本研究將系統(tǒng)的總體框架和各分工功能塊進行了有效梳理，由上往下對整個系統(tǒng)實施了全方位的規(guī)劃。本文依照系統(tǒng)功能需求選擇適用的硬件平臺，對起到樞紐功能的通信模塊進行了詳盡的研究，使通信模塊的全部功能得到發(fā)揮。