PLC在智能交通信号灯控制系统中的应用

吴淑娟

(闽西职业技术学院电气工程系，福建龙岩364021)

我国目前大多数的交通信号灯控制系统是采用事先预定好调节方式的定时控制系统，由于道路交通流的易变性和不确定性的特点，这种控制系统存在不能实时对道路交通的实际情况进行合理监管的弊端。这个弊端具体体现：某方向的车流量小甚至无车等待，但一直绿灯通行；而另一方向的车流量很大却一直要滞留等待。[1]这种情况引起的交通拥堵其实就是交通控制系统低效率的表现，同时也浪费了大量的资源。所以设计一种能根据道路交通车流量的大小自动对交通红绿灯时长进行调整的智能化交通灯控制系统是很有必要的。以某城市一要求人车分流的中型十字路口交通信号灯控制系统设计为例，设计一种基于PLC的智能交通灯控制系统。该十字路口经常出现拥堵现象，需要对其交通信号灯控制系统进行重新设计。

1 十字路口路况调查

该十路口东西直行走向是连接两条商业街的次干道，一般从上午9点以后车流开始增多，一直至晚上22点后车流量才会减少，总体车流相对较多也较稳定；而南北直行走向车流量大体上比东西走向少，但它连接的是居住区和高新区以及附近的学校，所以南北直行走向的车流会在早上7点至8点30分、中午11点半至14点、晚上17点至19点30分的上、下班和上、下学3个时段激增。基于上述分析，该路口的东西、南北两个方向的直行段在不同的时间段会出现不合理的拥堵，而据现场观察统计各个方向的左转车流量相对直行道小15%～20%。所以设计考虑在早上7点至夜间23点区间内对直行车道交通信号灯控制采用根据流量自动延长绿灯时长的方案。

2 方案设计

2.1 环形检测器与信号灯的布置

环形线圈检测器是利用电磁感应原理的车辆检测器，其传感器的主要部件是埋设在公路下十几厘米深处的环状绝缘电线[2]。系统运行时，车辆驶过环形检测器的范围，车辆检测器将输出5 V脉冲信号。在十字路口直行车道的停止线前和距离停止线Lm的位置各设置一个环形检测器，并将反映车辆经过的脉冲信号送至PLC，利用PLC内置计数器计算经过该区间的车辆数目。十字路口车辆环形检测器设置如图1所示。

交通信号灯在道路正对面右边布置，选择单

排横式排列，这种排列一方面能使人行道和路口停车线安排更合理，另一方面也可以避免交通信号被绿化树木遮挡。

图1 环形车辆检测器及交通信号灯设置图

2.2 配时设计

对于这种要求人行和车行分离的十字路口，可选择简单一些的配时方案，将1个控制周期过程分为四阶段，控制相位图如图2所示，右转车辆不受灯控。各个车道通行方向都设有红、黄、绿3种信号灯，人行道只设红、绿2种信号灯，人行道的绿灯时长与同一方向直行车道的绿灯时长一致。

图2 交通信号灯控制相位图

2.3 延时设计

绿灯延时设计须同时满足3个条件：①当前放行直行车道2个单向车道中的任一方向车道的平均车流量Q大于允许车流量最大值Qm；②等待放行的直行道2个单向车道中的任一方向车道的停车数量小于允许停车数量最大值γm；③延时的时长小于允许最大延时时间Tm。

根据上个世纪30年代格林希尔提出的交通流量与车速、车流密度的关系式[3]：

Q=KVf(1-K/Kj)

(1)

其中：Q为车道平均流量；K为车流密度，K=N/L，辆/km ，L为设置环形检测器的车道长度，N为通过环形检测器检测出并利用PLC计数得到的车辆数量；Vf为畅通车速(车辆自由通行时的平均速度)；Kj为阻塞密度(车速为零时的密度，假设车长平均αm，那么在设定Lm区间内，Kj近似取(1/α)1 000,辆/km)。

图3 流量与车流密度关系图

3 PLC程序整体设计思路

将交通信号灯系统的控制模式分2种，即白天模式和深夜模式：若当前时间为凌晨5点至夜间23点，控制模式为白天模式；23点至次日5点为深夜模式。当PLC启动后，首先将所有输出和计数器、数据寄存器清零，并设置初始值(包括L，Vf，Tm及事先计算的Kj，Qm，γm)，然后读取PLC当前时间并将其与设定时间值比较，从而判断将执行哪种控制模式。PLC在每个运行周期结束后都要读取当前时间，将其与设定时间阶段进行比较判断。

3.1 白天模式

当PLC读取的当前时间为凌晨5点至夜间23点，交通灯控制系统运行为白天模式。白天控制模式是交通灯控制系统的主要控制模式，在该工作模式下，信号灯工作的同时启动车辆检测计数功能。白天模式的工作过程：PLC按白天模式启动后，交通灯进入第一工作阶段即东西方向的左转绿灯亮20 s，接着闪2 s，然后黄灯亮3 s后变红灯；左转变红灯后进入第二工作阶段，即东西方向直行绿灯亮40 s，40 s时间到时，根据延时判断规则判断是否合理延长东西方向直行绿灯时长；当东西方向直行绿灯不满足延时条件，则东西方向绿灯闪2 s后改成黄灯亮3 s然后变红灯，接着依次进行第三工作阶段和第四工作阶段，这2个工作阶段的控制过程分别和第一、第二阶段类似，仅方向改为南北方向。4个阶段结束后即1个工作周期结束。

3.2 夜间模式

当PLC读取的当前时间为夜间23点至次日凌晨5点，由于此时车流量少，不需要交通信号灯系统全部运行，所以采用简单的控制模式。这个时段车道只使用黄灯，并且关闭车辆检测和计数的功能，以节约资源。

4 PLC程序控制的实现

4.1 I/O分配

交通灯控制系统的主要I/O分配如表1、表2所示，各个数值量存放的数据寄存器分配如表3所示。

表1 主要输入分配表(环形线圈车辆检测传感器)

表2 主要输出分配表

表3 数据寄存器分配表

4.2 PLC编程设计

交通灯控制系统的PLC程序设计包括主程序、车辆计数子程序、车流量计算子程序、比较子程序。

4.2.1 主程序

主程序主要是进行控制模式选择和实现交通信号灯周期轮换功能。利用读实时时钟指令TODR将PLC当前时间以BCD码的形式存入起始地址为T的1个8字节缓冲区中，将其小时数存入寄存器VB30中，然后将VB30中的数据与预定的数值区间[5，23]进行比较。当VB30中的数据在[5，23]区间时，则控制模式采用白天模式；若VB30中的数据不在[5，23]区间时，则采用深夜模式，而交通信号灯周期轮换功能直接使用梯形图步转换功能指令即可实现。

4.2.2 车辆计数子程序

车道车辆进入车辆检测器的传感器检测范围时，车辆检测器将会有5 V的脉冲输出[4]，将此脉冲信号送至PLC输入端相应端子(例如东—西方向，I0.0为驶入，I0.1为驶出)，再利用PLC内置计数器对脉冲进行计数。当车辆驶入计数区域时，计数器当前值加1；车辆驶出计数区域时，计数器当前值减1。计数器C0计算东—西车辆数量，计数器C1计算西—东车辆数量，计数器C2计算南—北车辆数量，C3计算北—南车辆数量。用MOV指令将C0～C3计数器的当前值分别传至VW24、VW26、VW28、VW30数据寄存器中，以供比较子程序和车流量计算子程序查询使用。

4.2.3 车辆流量计算子程序

此子程序按式(1)编写，主要是计算当前直行放行车道车流量。在确定Vf和Kj后，PLC子程序将当前车道车辆数量的当前值从相应的数据寄存器中取出，按式(1)进行计算得到当前车道的车流量Q，并将其放入相应寄存器中，以供比较程序查询。比如计算由东—西车流量，PLC子程序将在VW24中的数据取出，按式(1)计算，得到东—西车流量Q，并将其存放于VW14。

4.2.4 比较子程序

比较子程序主是要是判断是否延长当前直行车道绿灯的时间，按2.2节延时方案,以判断是否延长东西方向绿灯时长,具体如下:

若VW14或VW16中的数据大于VW12中的数据，且VW28及VW30中的数据都小于VW22中的数据，并且绿灯总时长小于等于VW32中的数据，那么延长东西方向的绿灯时长；南北向的判断与此相类似。

4.2.5 PLC程序流程图

交通信号灯控制PLC程序流程图如图4所示。

5 系统调试与试运行

系统调试与试运行结果如下说明：

①白天模式信号灯正常无延时运行结果如表4所示。

②人为给计数器C0～C3输入脉冲，根据各个计数器的当前值，信号灯会有相应的智能延时。例如，在东西向绿灯亮时候，让C2和C3的计数器当前值定在小于γm，而不断给C0或C1手动输入加脉冲，东西向的绿灯会有应的延时，直到延时时间超过Tm；若在延时期间给C2或C3手动输入加脉冲，使其当前值大于γm，或是给C0和C1不断输入减脉冲使其平均流量Q小于Qm，那么东西向绿灯延时会结束。

③人为改变PLC当前时间，系统能进行相应的白天和深夜模式转换。

④十字路口交通信号灯系统运行1个月后，根据统计，与原交通信号灯控制系统相比，拥堵率减少了17.6%，节电率达8.7%。

图4 信号灯控制PLC程序流程图

时间/sPLC输出 交通信号灯状态 20Q0.5 Q0.0 Q0.6 Q1.0 Q1.3 Q1.6东西向左转绿灯,其余红灯2Q0.5(闪)Q0.0 Q0.6 Q1.0 Q1.3 Q1.6东西向左转绿灯闪,其余红灯3Q0.4 Q0.0 Q0.6 Q1.0 Q1.3 Q1.6东西向左转黄灯亮,其余红灯40Q0.2 Q0.3 Q0.7 Q1.0 Q1.3 Q1.6东西向直行及人行道绿灯亮,其余红灯2Q0.2(闪) Q0.3 Q0.7 Q1.0 Q1.3 Q1.6东西向直行绿灯闪及人行道绿灯亮,其余红灯3Q0.1 Q0.3 Q0.6 Q1.0 Q1.3 Q1.6东西向直行黄灯闪及人行红灯,其余红灯12Q0.0 Q0.3 Q0.6 Q1.0 Q1.5 Q1.6南北向左转绿灯,其余红灯2Q0.0 Q0.3 Q0.6 Q1.0 Q1.5(闪) Q1.6南北向左转绿灯闪,其余红灯3Q0.0 Q0.3 Q0.6 Q1.0 Q1.4 Q1.6南北向左转黄灯亮,其余红灯40Q0.0 Q0.3 Q0.6 Q1.2 Q1.3 Q1.7南北向直行及人行道绿灯亮,其余红灯2Q0.0 Q0.3 Q0.6 Q1.2(闪)Q1.3 Q1.7南北向直行绿灯闪及人行道绿灯亮,其余红灯3Q0.0 Q0.3 Q0.6 Q1.1 Q1.3 Q1.6南北向直行黄灯闪及人行红灯,其余红灯

6 结语

本文以提高系统利用率、缓解白天交通高峰期不合理道路拥堵为目的，设计了智能交通信号灯控制系统。系统利用环形线圈车辆检测器实时检测车辆滞留量，按一定的控制规则判断是否合理延长某一方向绿灯时长，避免出现某一方向车道车辆量少却一直绿灯通行，而另一车道却有大量车辆滞留的不合理交通拥堵现象，使道路交通效率大大提高。