新型交通信号灯线路系统设计

王标 李春明

摘要：交通信号灯是交通管理的一种重要工具，但是由于环境或人为等原因，交通信号灯故障时有发生。若交通信号灯出现故障，则会导致交通堵塞且极易引发交通事故。在长期的交通灯维护工作中发现这些故障中最常见的原因主要有线路故障，且由于线路设计陈旧，单条线路故障可能会引起整个路口信号灯瘫痪。针对这种不足本文设计了一种高可靠供电传输线路系统，该系统借助原有线缆结构（传统四芯线供电架构）组成2+2芯线冗余供电架构，利用电力线载波技术进行通讯。先将市电整流成直流并经电缆传输到灯杆，然后再逆变回交流电为信号灯供电。这样避免了控制电缆只要一根线短路或者断路系统就瘫痪的问题。实验结果表明，该系统能够显著提高供电传输环节的可靠性，节省了大量的人力物力，具有重要的实用意义。

关键词：交通灯;线路故障;解决方案

一、绪论

交通信号灯作为城市交通管理系统的末端，对城市交通起着直接调节的作用。随着城市高速发展，道路、地下管网大量改扩建，以及长期受到恶劣天气的影响，造成了交通信号灯传输电缆老化破损严重，经常引发信号灯故障。信号灯故障时容易引起交通混乱，甚至造成交通事故。在这些故障中最常见的是线路故障，且由于线路设计陈旧，单条线路故障可能会引起整个路口信号灯瘫痪。目前广泛应用的是传统的信号灯控制架构（为四芯线控制方式，三根线分别控制红黄绿灯，共用一根零线），这种控制方式存在只要有一根线短路或者断路系统就不能正常工作的问题。增加备用电缆是最直接的办法，但成本较高。针对上述问题本文设计了兼容现有线路的新型控制系统，避免了重新铺设管路，降低了系统造价。如图1所示为当前交通信号灯控制系统架构。

二、现有方案

目前存在以下几种解决方案，比如：总线式供电，交流输电总线隔离等，但这些方案在实际应用中有很大问题。下面以交流输电总线隔离方案为例进行介绍。

信号主机与分机间的电缆利用交流输电控制，交流电经过高频隔离变压器实现各个线路的隔离，当其中一条线路出现障碍时，对总体线路无影响;为实现线路过电流和漏电流的保护，增加了保险模块;为实现线路隔离，在分机控制器部分再次经过隔離变压器，经ACDC转换为直流;为适应以往设备的使用，增加了DCAC转换模块，还原为50HZ 220V的正弦波。

该方案电路原理简单，但是主变压器的次级绕组数量太多（如一路分机端即有2绕组），成本较高。且分机的直流侧无法接地，存在安全隐患。该方案原理框如图2所示。

三、改进方案

由以上讨论看到，目前存在的方案存在较大缺陷和不足，经过系统论证和实验验证最终选定低压直流输电总线隔离方案。

（一）方案原理

信号主机与分机间的电缆利用低压直流输电控制，将交流市电转换为低压直流，将信号机至信号灯的灯线作为多条总线，在总线上传输电力;对直流总线进行电气隔离和保护，线路断路时由冗余线路输电，线路短路时自动退出输电。这样部分线路短路和断路，不影响系统工作，信号机不会进入保护状态。

在总线两端的主机和分机复用总线进行载波通信，无需敷设额外的通信线路，可靠性显著提高。在总线两端实时监测线路状态，状态实时上传至后台服务器，便于维护。

主机控制器端发出的高压交流经高频变压器转换为直流低压，经直流线路隔离输出至分机控制器。经低压传输虽然增加了少量成本，但是解决了因意外导致的触电问题，同时满足了系统的需求。该方案原理框图如图3所示。

（二）系统结构

信号主机发出交通灯控制信号，经过MCU1和PLC模块将灯控信号加载在电力线上传输，经过PLC模块和MCU2将灯控信号恢复出来，传送到从机灯控单元，进而控制交通信号灯的亮灭状态。系统结构框图如图4所示。

四、结语

针对目前交通信号灯控制系统中单条线路故障可能会引起整个路口信号灯瘫痪的常见问题，本文设计了一种高可靠供电传输线路系统，该系统在原有输电线路的基础上改造，减少了重新铺设电缆的成本，利用电力线载波技术实现了信号主机对分机的控制，经过原理分析和实验验证，充分证明了该方案的可行性，符合城市交通建设需要，对提高交通信号系统可靠性，保障交通参与者的生命财产安全，优化提高道路通行效率，建设智能交通具有重大意义。

参考文献：

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