劉 娟，寧平華，缸明義，夏興國

基于PLC的智能交通燈系統(tǒng)設(shè)計

劉 娟，寧平華，缸明義，夏興國

（馬鞍山職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程系，安徽 馬鞍山 243000）

為實現(xiàn)交通燈的智能化控制，使用PLC可對交通燈控制算法進(jìn)行優(yōu)化。借助通行車輛的數(shù)據(jù)，運(yùn)用模糊PID控制算法自動調(diào)節(jié)紅綠燈的時間長短，提高交通控制效率。

PLC控制系統(tǒng)；PID；智能交通燈；梯形圖

交通控制系統(tǒng)是一個典型的分布式非線性系統(tǒng)，具有多種信息來源、多傳感器的特點(diǎn)，用傳統(tǒng)的理論與方法很難進(jìn)行有效的控制[1]。通過檢測路口的車流量，將反饋的數(shù)據(jù)輸入計算機(jī)中進(jìn)行分析，從而智能判定路口的擁擠情況。若路口出現(xiàn)緊急狀況該系統(tǒng)要能快速地切換到人工控制模式，實現(xiàn)人工強(qiáng)通控制，這樣才能更好地保證路面交通的正常、安全運(yùn)行[2]。

1 基于PLC智能交通燈總體設(shè)計

1.1 通過車輛的檢測和系統(tǒng)構(gòu)建

借助可編程邏輯控制器和傳感器[3]，判斷是否處于工作繁忙狀態(tài)。

圖1以東西方向作為突破口，每當(dāng)路口有車輛進(jìn)入時，檢測器5和7發(fā)生響應(yīng)，產(chǎn)生2個脈沖并由可編程邏輯控制器反饋到總系統(tǒng)中。設(shè)此時等待綠燈車輛的總數(shù)為1。若進(jìn)入路口的車輛繼續(xù)向前，檢測器6和8產(chǎn)生脈沖反饋給系統(tǒng)[4]。設(shè)開出路口的車輛總數(shù)為1，那么

1（進(jìn)入總和）—1（駛出總和）=1（東西方向車輛滯留數(shù)）。

南北方向同理，可編程邏輯控制器也會通過對檢測器脈沖數(shù)據(jù)的記錄從而得到滯留量2。

假設(shè)1-2>30，設(shè)置東西方向處于繁忙的狀態(tài)，南北方向設(shè)為正常狀態(tài)。東西方向直行綠燈時間加10 s，東西左轉(zhuǎn)綠燈時間加10 s，南北紅燈時間加15 s。

假設(shè)1-2<-30，設(shè)南北方向處于繁忙狀態(tài)，東西方向設(shè)為正常狀態(tài)。南北直行綠燈時間加10 s，南北左轉(zhuǎn)綠燈時間加10 s，東西紅燈時間加15 s。

若-30<=1-2<=30，則設(shè)為正常狀態(tài)[5]。

圖1 路口傳感檢測器分布圖

以上數(shù)據(jù)均由可編程邏輯控制器所控制[6]。

1.2 用PLC控制智能交通燈

交通燈處于正常的時候，任何干道上右行方向燈會一直顯示綠色，說明此時路口的車輛可以向右行駛通過。十字路口車輛反饋的情況如圖2所示，南北路口方向上車輛可以先直行通過，然后依次是向左拐；東西路口方向上的車輛可以先直行通過，然后依次是向左拐。

圖2 交通燈示意圖

1.2.1 傳統(tǒng)控制方案

系統(tǒng)由輸入接口電路、位置感知傳感器、PLC、信號燈、電源等組成。車輛放行的依次順序為南、東、西、北，如圖2所示。按綠燈指示方向行駛（向左、直行和向右），人行道在南面車輛放行時，東面人行道放行，依此類推，順序為東、北、南、西。綠燈的放行時間初始值為30秒，時間結(jié)束后綠燈閃三次（1秒一次），黃燈亮2秒，黃燈滅，紅燈亮，三秒后黃燈滅，紅燈亮。每個方向循環(huán)一次90秒。人行道只有綠燈和紅燈，由放行車道的綠、紅燈并聯(lián)控制，綠燈結(jié)束后，綠燈閃爍三秒后常亮。

1.2.2 優(yōu)化后的智能控制方案

優(yōu)化后的智能控制方案是相對兩個方向上的直行通過和左行通過同時進(jìn)行。倘若直行或左行方向上的車輛不是很多（如在10秒內(nèi)沒有一個車通過），則就可以改變?yōu)榧t燈，以減少等待時間，提高路口的通行效率[7]。

如圖3所示，如果南邊方向沒有直行的車輛，可以先讓東邊方向上的車輛左行通過，南北方向上沒有車輛通過時，可以將其變?yōu)榧t色，此時東西方向變?yōu)榫G色，讓東西方向上的車輛先通行，以此類推。

圖3 優(yōu)化后的智能控制方案示意圖

檢測器產(chǎn)生脈沖信號，反饋給可編程邏輯控制器?？删幊踢壿嬁刂破鲗⒔邮盏降拿}沖信號進(jìn)行分析判斷。若連續(xù)10秒沒有收到脈沖信號，就判斷無車輛通過，讓其他方向上的車輛先行通過，并在對應(yīng)的信號燈上顯示剩余時間，提高準(zhǔn)確率，減少闖紅燈的現(xiàn)象。

圖4 急車強(qiáng)通控制流程圖

1.3 急車強(qiáng)通控制方式

急車強(qiáng)通控制是智能交通燈系統(tǒng)設(shè)計中不可或缺的[8]。當(dāng)沒有急車時，交通燈會跟往常一樣正常的運(yùn)轉(zhuǎn)；當(dāng)有急車時，強(qiáng)通開關(guān)就會處于打開狀態(tài)，此時不管先前信號燈是怎樣的狀態(tài)，它會強(qiáng)制讓有急車方向上呈現(xiàn)出綠色，讓急車通過，減少這條道路上的壓力，減少事故的發(fā)生[9]。當(dāng)急車通行過后，又會變成原有的狀態(tài)。若兩個方向先后來急車，則按先后順序依次響應(yīng)。若兩個方向同時來急車，則先東西，后南北[10]。

急車強(qiáng)通控制的邏輯流程圖如圖4所示。

2 智能交通燈的軟件設(shè)計與仿真

交通燈工作時序圖如圖5所示。

采用STEP-Mirco/WIN32編程軟件和順序控制指令進(jìn)行編程[11-14]，具體程序如下：

網(wǎng)絡(luò)一置位初始狀態(tài)，網(wǎng)絡(luò)二開始狀態(tài)S0.0

網(wǎng)絡(luò)三：在狀態(tài)S0.0中，實現(xiàn)東西、南北方向交通燈以及人行道交通燈的復(fù)位和置位。

網(wǎng)絡(luò)四：若啟動按鈕有效，分支開始，順序狀態(tài)轉(zhuǎn)移到狀態(tài)S0.1

仿真數(shù)據(jù)詳見表1。

表1 兩種控制方案控制效果對比

3 結(jié)論

軟件仿真結(jié)果表明，改進(jìn)后的信號燈控制方案縮短了車輛平均等待時間，提高了通行效率。

[1] 李艷樂.基于PLC的智能交通燈控制系統(tǒng)設(shè)計[J].自動化應(yīng)用,2018,59(12):16-17.

[2] 陳吹信,蔡嘉弘.智能交通燈控制系統(tǒng)[J].信息技術(shù), 2011,35(18):32-33.

[3] 孫玉芳.一種新型的智能交通燈控制系統(tǒng)[J].黑龍江科技信息,2011,15(24):71-71.

[4] 于泉.城市交通信號控制基礎(chǔ)[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2011:67-69.

[5] 韓九強(qiáng),傳感器與檢測技術(shù)[M].北京:清華大學(xué)出版社, 2010:45-47.

[6] 郭雪峰,基于數(shù)據(jù)融合的短時交通流預(yù)測與智能交通信號系統(tǒng)的研究[D].湘潭:湘潭大學(xué),2007:22-25.

[7] 唐小嵐,鄧焱,杜曉.基于LabWindows/CVI的直線一級倒立擺系統(tǒng)PID控制[J].唐山師范學(xué)院學(xué)報,2017,39(2):62-64.

[8] 白永鑫.基于汽車行駛速度隨動系統(tǒng)的模糊PID控制及仿真[J].唐山師范學(xué)院學(xué)報,2015,37(5):60-63.

[9] 徐明銘.城市十字路口交通燈控制系統(tǒng)的PLC程序設(shè)計[J].福建電腦,2007,23(10):146.

[10] 馬軍爽,郭耀華,王維.模糊-PID雙?？刂破髟谒豢刂浦械膽?yīng)用[J].唐山師范學(xué)院學(xué)報,2007,29(5):104-106.

[11] 王兆義.可編程序控制器教程[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2014:78-80.

[12] 李輝.S7-200PLC編程原理與工程實訓(xùn)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版2008:48-56.

[13] 鄭風(fēng)翼,圖解西門子S7-200PLC入門[M].北京:電子工業(yè)出版社,2009:89-95.

[14] Ed Brinksma, Angelika Mader. Verification and optimization of a PLC control schedule[J]. Inter- national Journal on Software Tools for Technology Transfer (STTT), 2002, 4(1): 21-33.

Design of Intelligent Traffic Light System Based on PLC and Improved PID Algorithm

LIU Juan,NING Ping-hua, GANG Ming-yi, XIA Xing-guo

(Department of Electrical Engineering, Maanshan Technical College, Maanshan 243000, China)

In order to realize the intelligent control of traffic lights, the control algorithm of traffic lights is optimized by using PLC. By recording the number of vehicles in the road, we can make good use of PLC to complete the corresponding feedback to the various abnormal conditions in the traffic. According to the number of waiting queue traffic flow, we can automatically adjust the setting time of red street lights. According to the obtained data, PLC uses the fuzzy PID control algorithm to automatically adjust the time length of traffic lights, which can improve the efficiency of traffic control, and can alleviate the problem of urban traffic congestion, so that the system can achieve the optimal control system. By comparison, the intelligent traffic light control system reduces the phenomenon of vehicle detention, thus alleviating the degree of traffic jam.

PLC control system; PID; intelligent traffic light; ladder diagram.

TP273

A

1009-9115(2019)06-0071-04

10.3969/j.issn.1009-9115.2019.06.018

安徽省高校省級自然科學(xué)研究重點(diǎn)項目（KJ2016A697）

2019-01-26

2019-05-01

劉娟（1982-），女，山東章丘人，碩士，講師，研究方向為電氣自動化、智能控制。

（責(zé)任編輯、校對：田敬軍）