智能红绿灯在城市中的应用探讨

2019-01-23刘胤哲

中国设备工程 2019年1期

刘胤哲

（山东济宁 272000）

由于机动车的不断普及，在各大城市十字路口经常出现等红灯的拥堵现象。很多时候我们会看到一种情况：红灯方向的车道车辆数量比较多，而绿灯通行的车道车流量却很少。某一方向出现拥堵，而车流量与红绿灯状况不相适应，导致了交通的进一步拥堵。

20世纪70年代末，澳大利亚成功研制了“悉尼自适应交通控制系统（SCATS）”，该系统能够根据红外测距改变各相位绿灯时间，但灵活度不够，控制策略欠佳。2015年，英国推出了SCOOT系统，采用了视频摄像技术，根据检测器得到的实时数据，对子区和路网的信号配时进行优化。但其实用性和可靠性之间存在矛盾。

目前智能红绿灯的应用不够，但交通拥堵状况严重，亟需一种能够智能控制红绿灯的系统。本文采用智能红绿灯系统，根据车流量多少合理地调控红绿灯时间的长短，就能减少一个周期内十字路口前排队的车辆数，从而很好地缓解堵车的问题，还能进一步减少碳排放。

1 监测车流量原理

本方案设计在距离十字路口交通灯前方60m处地下一前一后相聚8米埋置2个电磁感应线圈，前一个线圈旁有一个计时器，后一个线圈旁边有一个计数器。两个电感线圈相互通信，预先在电磁感应线圈中通上电流，从而计算出流量，如图1所示。由于当有大的金属物（汽车）通过电感线圈时，空间介质发生变化引起了电磁场B的变化，根据安培力的计算公式F=BIL，所以当力传感器测得力发生变化时，就代表有汽车经过这个方向的十字路口。

图1 电感线圈埋布示意图

力的变化作为有汽车经过电感线圈的路面时的输入信号，再将此信号通过信号转换装置输出一个脉冲电压，使得开关S抖动一次，此脉冲电压即可输入到计数器，使得计数器中的数量加1，如图2所示。参考红绿灯标准时长，计时器只需要显示“分”、“秒”，用4片中规模计数器，各为十六进制计数器，都选用74LS161集成块来实现，采用反馈清零法，如图2所示。计数器则采用采用74193，经过功能扩展，可连接成任意模M的计数器，根据实际路口的车辆最大数量来具体的确定所需的模M的值。

当有车经过了这两个电感线圈时，计时器会显示出相距的时间，系统则会判断出车速，计数器则会测出这段时间内通过的车辆数。

图2 车辆数监测原理图

2 基于单片机的车流量计算分析

2.1 单片机控制原理

单片微型计算机（单片机）就是将微处理器（CPU）、存储器、I/O接口电路和相应实时控制器件集成在一块芯片上的芯片级微型计算机。

单片机底层控制可分为两个模块：车辆流量数据采集与通讯模块和信号灯的控制模块。各十字路口的数据采集系统采集到的数据通过通信线路（总线）传送至单片机系统，单片机产生各信号灯的控制信号。接着单片机将各信号灯的控制信号反馈回信号灯中，信号灯就按要求进行合适的时间走动了。对单片机本身进行初始化，对中断，定时器等参数做出定义，启动红绿灯进行工作，监测是否存在触发的车辆信号并进行车辆计数，同时监测是否存在主程序对控制板进行的调用。在采集车辆信号后对单位时间内的车辆变动情况进行分析，按照网络最大流算法对控制时间进行优化，智能地处理各路口的通行时间。系统在人行道上安装了紧急按钮，具有优先权，人行道上发生了突发事件，只要按一下紧急按钮，5秒钟后此通道即可通行；紧急事故通过后，又恢复到正常的状态。控制系统结构图如图3所示。

图3 单片机控制系统结构图

2.2 系统控制策略

整个系统的控制策略可以采用集总式或分布式控制。

集总式控制是将所有路口数据通过光缆传输到一台大型主机终端，并进行整体调控。

该控制策略的优点如下：后台整体调控，具有强大的可视性。在一些特殊情况下，例如重要人物经过、救护车紧急救援、交通警察捉拿嫌犯，都可以起到很大的作用，而且不会影响到其他正常时间的交通。缺点如下：数据传输来回约有一秒延迟；一旦终端被黑客入侵，整个系统将会崩溃，城市交通将会瘫痪，在非常时段将是黑客对主线城市进行攻击的重要手段。相比较分布式而言，单个大型主机在系统规模到达一定程度时成本较高，且计算能力要求很高，正常检视也需要不少人力。

分布式控制是在每个路口安置一套处理系统，互不连接，互不干扰。

该控制策略的优点如下：基本上没有延迟问题。性价比比大型主机更好，总的计算能力比单个大型主机更强。如果一个机器崩溃，整个系统还可以运转，就安全而言，可靠性更高。更重要的是，和集总式相比，仅给系统增加一些处理机就可以解决需求扩大的问题。缺点如下：不能对特殊事件进行整体的调控处理，不具有宏观可视性，且网络易饱和。