摘要：针对目前交通信号灯红绿灯时间设置固定不变的情况，采用基于PLC技术设计的交通信号灯控制系统，在满足基本功能的前提下，提出并重点解决了“24h分时段全自动智能切换红绿灯时间设置”的控制及“急通”功能的实现，同时给出了完整的硬件接线图和控制程序。通过自制的模拟电路对控制系统进行了调试与运行，该系统既能减轻交通高峰期的拥堵，又能减少非交通高峰期的时间等待，还能随时为紧急通行车辆开启绿灯，能有效提升交通系统运行效率和管理水平，达到了预期设计效果。
关键词：智能交通;全自动切换;PLC;交通信号灯;高峰期;非高峰期;分时段;紧急通行;
作者简介：秦常贵(1973—)，男，湖南省双峰县人，硕士，副教授，高级实验师，研究方向为PLC控制等自动化技术。E-mail:qin-changgui@163.com。;
近年来，随着我国汽车保有量的持续快速增长，道路通行车辆剧增，交通拥堵严重。为了缓解交通拥堵，一些城市十字路口的交通信号灯的红绿灯时间设置越来越长。在交通高峰期，科学延长红绿灯时间有助于更多车辆的通行，从而提高通行效率。但在非交通高峰期，特别是交通低峰期和深夜，如果红绿灯时间过长，则浪费驾驶者的时间。而目前交通信号灯的红绿灯时间设置基本上都是不分时段，即24h都是固定的，这显然与现代快节奏的工作与生活不相适应。已有学者[1,2,3,4,5]对不同时间段、不同红绿灯时间设置进行了研究，但仍需要人工进行手动模式切换;另有研究[6,7,8]根据实时车流量来控制红绿灯时间，但系统配置要求高，且后期维护工作量大。因此，在实际应用中仍采用红绿灯时间固定设置模式。另外，当发生重大火灾或其他突发事件，有大量消防车或其他救援车辆需要紧急通过时，如交通信号灯不能为其及时开启绿灯，势必影响救援时间，而目前十字路口的交通信号灯基本上都不具备这一功能。由于目前的交通信号灯大多采用单片机控制[9,10,11,12,13]，其控制系统设计相对繁琐(尤其在控制功能复杂的情况下)，且性能不够稳定，故障率高。交通信号灯一旦出现故障，往往导致交通无序、拥堵甚至瘫痪。针对上述问题，本文将采用性能可靠、价格越来越便宜的PLC作为控制器，在满足交通信号灯基本功能的前提下，提出并重点解决24h分时段全自动智能切换红绿灯时间设置的控制及“急通”功能的实现，让交通变得更智能、更符合现场实际、更人性化。
1系统简介及控制功能设计本控制系统以最常见的十字路口交通信号灯为例，东南西北各装一个允许直行的绿灯、一个警示直行停车的黄灯、一个禁止直行的红灯、一个允许左转的绿灯、一个警示左转停车的黄灯、一个禁止左转的红灯、一个显示绿灯时间的绿色数码管、一个显示红灯时间的红色数码管。正常工作时，东与西、南与北2组相对方向的工作状态保持一致。具体控制功能如下:
1)根据目前的大部分交通状况，大致可以将一天24h分为7个时间段，如图1所示。图1中，00:00—05:00为交通深夜期(自定义)，05:00—07:00为交通低峰期，07:00—09:00为交通高峰期，09:00—18:00为交通平峰期，18:00—20:00为交通高峰期，20:00—22:00为交通平峰期，22:00—24:00为交通低峰期。具体应划分多少个时间段以及每个时间段从几点到几点更科学合理，由交通部门根据各个时间段的车流量大数据来分析、测算和决策。交通低峰期、交通高峰期和交通平峰期的红绿灯时间设置各不相同，且实现全自动切换(包括交通深夜期)。
图124h交通状况分布下载原图
2)交通深夜期:车流量很少，东南西北4个方向的红绿灯都不亮，只有4个方向的所有黄灯以1Hz的频率闪烁来进行警示作用，提醒驾驶者减速慢行即可。
3)交通低峰期:车流量少，设计红绿灯时间短。考虑到东西方向和南北方向车流量的不同，设计东西直行30s，东西左转20s，南北直行25s，南北左转15s(具体多长时间合适，由交通部门根据车流量大数据来测定，下同)。先东西方向允许直行的绿灯亮，同时东西左转、南北直行和左转的红灯亮;东西直行绿灯时间一到，东西直行绿灯灭，同时东西直行黄灯亮3s，然后东西直行黄灯灭，同时东西直行红灯亮、东西左转红灯灭、东西左转绿灯亮;东西左转、南北直行、南北左转的工作过程与东西直行一样，只是绿灯亮的时间不同(下同)。
4)交通平峰期:车流量一般，设计东西直行60s，东西左转40s，南北直行50s，南北左转30s。
5)交通高峰期:车流量大，设计东西直行90s，东西左转60s，南北直行75s，南北左转45s。
6)急通功能:消防车等紧急车辆需要通行的方向，直行和左转的绿灯都亮、红灯都灭，其余3个方向都亮红灯，禁止通车，为急通车辆让行。急通功能由急通开关控制，某方向的急通开关接通，该方向急通开始，急通开关断开，急通结束。急通结束后，先东南西北4个方向的黄灯持续亮5s，然后系统自动恢复正常工作状态。
7)时间倒计时显示:有绿灯的方向倒计时显示绿灯的时间，全红灯的方向倒计时显示红灯的时间;为节省输出点数的使用，同时提高驾驶员的注意力，本系统只使用了一位数码管来显示时间，也就是只有当时间小于10s时才进行倒计时显示。
8)在交通深夜期和急通状态时，数码管不显示时间，处于关闭状态。
9)系统启动时，如果在非“交通深夜期”按下系统启动按钮，先东南西北4个方向的黄灯持续亮5s，然后再自动进入红黄绿灯正常工作模式;如果在“交通深夜期”按下启动按钮，则系统直接进入“交通深夜期”工作模式。
10)系统停止时，不采用瞬时停止，也就是当按下系统停止按钮时，系统不会马上停止工作，而是继续工作到当前循环结束之后再自动停止。
2PLC控制系统设计1)PLC选型本控制系统选用PLC实训室现有的三菱FX2N-64MR主机作为控制器，另选FX2N-48ER扩展模块以扩展输出点数。
2)PLC控制系统I/O分配及I/O接线原理PLC控制系统I/O分配及I/O接线原理如图2所示。
图2PLC控制系统I/O接线原理下载原图
/OwiringprincipleofPLCcontrolsystem
3)控制程序设计PLC控制程序设计采用SFC与梯形图混编实现，SFC程序如图3所示，梯形图程序如图4所示。
图3PLC控制程序SFC下载原图
图4PLC控制程序梯形图下载原图
控制程序说明:三菱FX2N系列PLC的系统时间按“星期、年、月、日、时、分、秒”分别实时存储在特殊数据寄存器D8019～D8013中[14]，如图5所示。
图5PLC系统时间存储位置下载原图
图3程序的作用有2个:按下系统启动按钮，不让系统突然瞬时点亮红绿灯，而是先让东南西北4个方向的所有黄灯持续亮5s，提示驾驶者交通信号灯即将开始正常工作，然后再自动进入红黄绿灯正常工作模式，这既能有效避免系统启动前正在通过路口的车辆来不及刹车而导致闯红灯或紧急刹车而导致追尾事故，又能控制红黄绿灯在05:00—24:00非“交通深夜期”正常工作。
图4中，①系统启动与停止:结合图3程序，按系统启动按钮，系统启动。按系统停止按钮，系统采用延时到当前循环结束时再自动停止。②交通深夜期:首先清除图3程序的工作，然后直接利用特殊辅助继电器M8013实现东南西北黄灯的闪烁。需注意，本段程序须放在图3程序前，否则，系统工作不正常，这是由PLC“从上至下”的循环扫描工作方式决定的。③确定红绿灯定时器设置值:定时器设置值=时间/精度，由于T0～T199的定时精度是100ms，因此可根据绿灯的具体时间得到各设置值的大小。期间绿灯方向会亮2次黄灯(各3s)，因此红灯方向的定时器设置值等于绿灯方向2个绿灯的设置值再加60。本控制系统计时红绿灯时间的定时器的设置值未采用常数，而是巧用数据寄存器，从而达到大大优化程序的目的。图中S0、S10、S11必须并联，否则，第一个循环无绿灯亮。④将定时器设置值转换为时间:由于定时器的定时精度为100ms，致使设置值是时间(s)的10倍，因此将设置值都除以10，从而将设置值转换为时间(s)。图中S0、S10、S11必须并联，否则，第一个循环无倒计时显示。⑤倒计时显示:利用特殊辅助继电器M8013每隔1s将时间减少1s，然后用七段译码指令SEGD和外接数码管进行倒计时显示。由于所有应用指令都具有保持功能，因此，当倒计时完毕，要利用区间复位指令ZRST及时将数码管显示清除。⑥急通:充分利用PLC“从上至下”的循环扫描工作方式，将急通控制放在程序的最后。急通开始时，先关闭所有信号灯和数码管、清除图3程序的工作，同时置位S10，为急通结束恢复正常工作做好准备，然后通过数据传送指令MOV以送十六进制数的方式控制输出点，极大简化程序设计。急通结束时，巧用急通开关产生的下降沿信号清除急通信号，同时让系统进入刚启动状态，即东南西北4个方向的所有黄灯先持续亮5s，提示驾驶者急通结束，系统即将进入正常工作模式。
系统刚启动和“急通”结束后，采用所有黄灯持续亮5s后再进入红黄绿灯正常工作模式，有别于“交通深夜期”工作模式(所有黄灯闪烁)，这有助于驾驶者观察、判断和驾驶。
在不同交通期切换时，为确保红绿灯时间不会发生突变，程序控制先运行完当前循环后，下个循环开始时再自动切换红绿灯时间设置。
4)系统调试与运行首先利用编程软件GXDeveloper设置PLC系统时间，如图6所示。在确保某个交通期内运行正确之后，再修改PLC系统时间，使之接近下个交通时段，再仔细观察时间设置切换正确与否，这样可以大大缩短调试周期。
图6PLC系统时间设置与校准下载原图
为了能够模拟现场进行调试，笔者特地用万能板制作了模拟电路对系统进行了全面反复的调试，包括系统启动、系统停止、交通深夜期的工作、红绿灯时间设置的分时段全自动切换、急通等，所有控制功能全部实现。系统调试与运行如图7所示。系统已在实训室连续运行了2个星期，除了时间上略有一点点误差(PLC系统时间快约10s)，其他一切正常。由于受时钟精确度的影响，PLC系统时间与北京时间不同步是不可避免的，当两者相差较多时，在任何时候可不停机、不影响系统工作的情况下，再次校准PLC系统时间，校准界面如图6所示，以按实际时间控制与运行。
图7系统调试与运行下载原图
3结论1)控制系统可很好地满足交通信号灯直行、左转、时间倒计时显示等基本功能，同时也能很好地实现“24h分时段全自动智能切换红绿灯时间设置”的控制;该功能既能减轻交通高峰期的拥堵，又能减少非交通高峰期的时间等待，能有效提升交通系统运行效率和管理水平。
2)设计的“急通”功能能随时为紧急通行车辆开启绿灯，最大限度地提供急通服务，并能随时恢复正常工作。
3)系统控制功能科学合理，设计思路清晰，控制程序优越且可读性强，运行稳定可靠，性价比高，可直接用来对现有交通信号灯控制系统进行技术升级、改造和优化。
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