1、精選優質文檔-傾情為你奉上智能交通燈系統設計1. 背景及意義1.1. 目的與意義隨著社會經濟的發展，城市交通問題也越來越引起人們的關注，交通堵塞也成為人們每天必須面對的問題；交通堵塞不但浪費大量的時間，而且排隊過程中剎車和怠速會浪費能源，同時也造成空氣污染，如何有效的降低城市交通堵塞，協調好人、車、路三者之間的關系，已成為各大城市面臨的難題之一。交通燈系統作為交通系統中的重要元素，對緩解交通堵塞扮演者重要角色。隨著現在社會的飛速發展，紅綠燈在道路上比較普遍，幾乎每個路口都會出現，尤其是較大的路口，變換時間周期更長，效率低。因此，如何保證緊急車輛在道路上不受紅綠燈的限制但又不闖紅燈，使之暢通無阻

2、的行駛，這便成為亟待解決的問題。本文主要針對這些問題，提出了智能交通燈系統的設計，該系統能夠智能合理地設置紅綠燈的時長以及相位的切換，就能夠減少一個周期內十字路口前排隊的車輛，從而有效地緩解交通堵塞。1.2. 國內外現狀交通燈誕生于19世紀的英國，1958年，在英國倫敦主要街頭安裝了以燃煤氣為光源的紅、藍兩色的機械扳手式信號燈，用以指揮馬車通行。1868年，英國機械工程師納伊特在倫敦威斯敏斯特區的會議大廈前的廣場上安裝了煤氣紅綠燈。1914年，電氣啟動的紅綠燈出現在美國，這種紅綠燈由紅綠黃三色圓形的投光器組成。1918年又出現了帶控制的紅綠燈和紅外線紅綠燈，帶控制的紅綠燈，一種是把壓力探測器按

3、在地下，車輛接近時，紅燈變為綠燈；另一種是用擴音器來啟動紅綠燈，司機遇紅燈是按一下喇叭，就使紅燈變為綠燈。紅外線紅綠燈當當行人踏上對壓力敏感的路面時，它就能覺察到有人要過馬路。紅外光束能把紅燈延長一段時間，推遲汽車放行。信號燈的出現，對交通進行有效管理，疏導交通流量、提高了道路通行能力，減少交通事故具有顯著效果。歐洲及日本在交通燈的研究上起步較早，美國于上世紀九十年代才開始逐漸重視智能交通信號控制系統的研究。20世紀70年代末，澳大利亞成功研制出了SCATS系統，該系統采用分層控制，以飽和度和綜合量為主要依據，分別對信號周期、相位差和綠信比進行優選，該系統沒有建立數學模型而是根據情況從各種已經

4、制定的方案選擇最優的方案，但是該系統配時方案有限。20世紀70年代初，英國研制出了SCOOT系統，該系統是一種自適應系統，采用小步長漸進尋優的辦法，以使配時參數隨交通流量改變而作適量調整，從而短期內適應交通流量的變化趨勢，以防止因配時突變而引起的車流不穩定。2015年，英國推出了全面升級的SCOOT攝像技術智能交通燈系統，該系統采用的是視頻攝像技術，通過自動計算需要過馬路的人群數量來調整相應的紅綠燈時間。當檢測到大量的行人在等待，系統會自動延長綠燈放行的時間，讓人們有充足的時間過馬路。此外，如果檢測到沒有人過馬路，以及有人按了穿行鍵就走了的情況，系統會自動切換到“呼叫取消”狀態而不激活綠燈。另

5、外在行人方面，通過采用puffin人行道，該系統也可以提高行人穿越馬路時的安全系數。現在，這種人行道在信號燈箱上安裝了傳感器，探測到有行人等待時，就能主動更換信號燈顏色。不同于以前的pelican人行道，升級后的信號燈從紅綠燈圖案轉換為人形的“行走/停止”樣式，方便了對信號燈顏色查看有障礙的殘障人士，還省去了換信號時的閃爍過程。國內對交通的研究主要集中在交通流的微觀模擬與仿真、交叉口交通控制策略優化以及交通流參數的檢測與車流量監測等幾個方面。大連理工大學提出的基于視頻虛擬監測線特征的交通流參數檢測系統已經在PC上實現，并對不同典型天氣下的交通流下的視頻做了實驗，結果表明該系統具有較高的車流統計

6、精度。西南交通大學提出了交叉口信號的評價指標、系統組成原理以及交叉口信號控制常用方法，分析平面交叉口的安全性、通行能力和車輛延誤等主要技術指標。山東大學提出以城市交通信號為研究對象基于混沌時間序列的城市交通流短時預測模型與研究方法，為后續的交通信號控制提供必要的交通流數據。大連海事大學采用模糊邏輯、遺傳算法和神經網絡等智能理論，對單交叉口展開研究，確保車流可以最小延誤地順暢通行，以緩解城市交通擁堵造成的危害。哈爾濱工業大學分析了智能交通信號燈控制所需的關鍵技術和發展現狀，建立了基于圖像處理的智能交通燈控制系統，并通過實驗驗證了該系統的有效性。南京郵電大學對基于視頻的車輛檢測與跟蹤的算法進行了研

7、究與實現，并取得了良好的實驗效果。國外的交通燈控制系統在國內的實用性有待進一步驗證，根據調研目前國內采用西門子提供的SCOOT智能控制系統，也是國內規模最大、最先進的控制系統。該系統雖然在一定程度上緩解了城市交通擁堵問題，但是隨著社會的發展，該系統也逐漸暴露出了種種缺陷，如配時的有限性，據調研發現大部分路口的交通燈系統配時只有幾個預先設置好的時間，交通燈根據埋藏在距離路口100左右地下的感應線圈粗略算出車流量，再根據流量選擇配時，而且相位不可以切換，只能按順序一個一個完成，這就導致當其中一個相位沒有或者車很少而另外的相位車流很大，排隊車輛很多時，車少的相位的交通燈依然要經過一個紅綠燈周期，而車

8、流量很大的相位只有等到輪到該相位時車輛才能通行，這樣既造成交通擁堵還浪費了時間，還有我們經常晚上通過十字路口時，即使其他方向沒車沒行人，但是遇到紅燈依然要等候；鑒于此，設計了一種基于PLC控制的智能交通燈系統。2. 總體方案設計針對現實中交通堵塞問題，本文提出了一種通過控制器智能控制交通燈的時間的解決方案，該控制系統的主要構思如圖2-1流程圖所示。圖2-1總體流程圖基于PLC的智慧交通燈采用紅外傳感器與聲音傳感器相配合的感知系統，紅外傳感器實時計算通過路口的車流量，并且實時與微處理器通訊，反饋車流量數據。同時聲音傳感器采集相應車輛聲音頻率，如消防車、醫療車等具有特殊發聲器的特殊車輛。若匹配對應

9、頻率，將數據及時反饋給微處理器。經由微處理器計算處理，統計出車流量數據和標識特殊車輛。一方面微處理器可以通過車流量數據與特殊車輛數據控制交通燈本體，自適應改變交通燈紅綠燈時間。在車流量高峰期，如上下班以及上下學等特殊時期，增加或減少紅燈時間，車輛能夠有序快速通過路口，利于減少交通堵塞。若遇特殊情況，如火災、事故，通過聲音傳感器識別到特殊車輛，減少相應車道的紅燈時間，特殊車輛能夠快速通過，及時救災，減少人員財產損失。另一方面通過Zigbee、Wifi、4G網絡等無線通信協議，車流量數據與特殊車輛數據傳送到云端。經過云計算與云數據存儲，開放相應接口，提供給車輛管理中心、開發者及用戶。車輛管理中心實

10、時監控相關路面的車流量信息，如遇特殊車流量高峰，可以及時派發人手疏導交通，減少交通擁擠情況，同時減少二氧化碳的排放，保護環境，促進綠色經濟發展。開發者通過車流量數據及特殊車輛數據，為用戶開發出相應的app以及相應的車載硬件系統。用戶獲取每個路口車流量數據，能夠合理規劃自己時間路程安排，不給交通添堵，不耽誤自己事情。總體方案如圖2所示。 微處理器紅外傳感器聲音傳感器特殊車輛標識車流量統計云車輛管理中心用戶移動設備交通燈本體圖2 智慧交通燈總體方案圖控制系統具體實施設想如下：車輛檢測裝置實施方法有以下幾種：在緊急車輛上安裝紅外發射器或超聲波發射器，在距紅綠燈一定距離的空間安裝紅外接收器或聲波接收器

11、，通過接收器對緊急車輛進行檢測；在距離紅綠燈一定距離的地方安裝車牌辨別器，按車道對緊急車輛進行檢測；檢測信號處理方法：對檢測器檢測的信號進行初步處理，該處理的思想是把檢測信號處理為0、1信號，0是常值信號，為無緊急車輛通過，不對紅綠燈系統產生任何影響，當檢測器檢測到信號時，0便變為1，代表有緊急車輛通過，對紅綠燈產生控制；檢測信號的傳輸及對紅綠燈系統的控制：檢測信號通過處理后，根據緊急車輛所在車道，通過有線傳輸方式或無線傳輸方式傳輸到相應紅綠燈信號控制系統（推薦用無線信號傳輸方式，例電磁波傳輸），信號傳輸到紅綠燈信號控制系統后，根據以前的分析，0時無影響，1時強制性使紅綠燈系統變為綠燈；當車輛

12、通過紅綠燈時檢測裝置、信號處理、信號傳輸均與前面所述相似，只是在控制時，1時表示車輛尚未通過,0時表示車輛已經通過，使紅綠燈控制系統恢復正常。 3. 車流量監測模塊設計3.1. 車流量監測原理十字路口的車流量實時監測對于交通控制系統具有十分重要的意義，傳統的監測方式一般在距離十字路口約一百米的地下埋上感應線圈，當車輛經過時便可以計數，但是該方法實時性比較差，誤差較大，因此在本文中采用紅外傳感器監測的方式。即在距離十字路口一定距離的道路兩旁安裝紅外傳感器，當車輛經過時傳感器便開始計數，這種流量監測方式實時性好，誤差較小，其微處理器采用的是PLC，其原理框圖如下圖1.1所示；車輛的流量記數、交通燈

13、的時長控制可由可編程控制器(PLC)來實現。當然，也可選用其他種類的計算機作為控制器。本文選用PLC作為控制器件是因為可編程控制器核心是一臺計算機，它是專為工業環境應用而設計制造的計算機。它具有高可靠性豐富的輸入/輸出接口，并且具有較強的驅動能力；它采用一類可編程的存儲器，用于其內部存儲程序，執行邏輯運算、順序控制、定時、計數與算術操作等面向用戶的指令，并通過數字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機械或生產過程；它采用模塊化結構，編程簡單。圖3-1 檢測模塊原理框圖本文中PLC選用三菱FX2N，其輸入端接收來自各個路口的車輛探測器測得的輸出標準電脈沖，輸出接十字路口的紅綠信號交通燈。3.2. 車

14、流量監測放大電路的設計在本文中,采用新型熱釋電紅外傳感器探測車流量信息,并將其轉換成微弱的電信號輸出，再經運算放大器放大及比較器濾去干擾后，所得信號被送入PLC以啟動計數器計數。檢測放大電路的原理圖如圖3-2所示。圖3-2 檢測放大電路原理圖上圖中: PT為高靈敏度熱釋電紅外傳感器，放大器選用LM324集成運算放大器。當檢測區間有車輛通過時，PT輸出相應的電壓脈沖信號，經U1D放大、電容C5隔直后，由U1C進行第二級放大，輸出信號進入窗口電壓比較器。電位器RW2決定了一個窗口電壓區間，低于該電壓區間，則或門U3A輸出為低電平；高于該電壓區間，則或門U3A輸出為高電平。或門的輸出與PLC T0

15、端和INT0端同時相連接。R2和C1構成阻容濾波，其他濾波電路根據測試情況進行調整。RW1是對放大倍數進行調整。當U1C的輸出在V1 (U1B - )和V2 (U1A + ) 之間時，比較器1 (U1B)和比較器2 (U1A)均輸出低電壓，或門U3A輸出為低電平；當U1 C的輸出高于V1 (U1B - )時，比較器1 (U1B)輸出高電平，或門U3A輸出為高電平；U1C的輸出低于V2 (U1A + ) 時，比較器2 (U1A)輸出高電平，或門U3A輸出為高電平，即U1B和U1A的輸出經邏輯或輸出脈沖信號到PLC。變阻器RW2用于設定窗口的閥值電平，RW1和RW2可調節檢測放大電路的靈敏度，使得

16、低于車輛紅外特征的干擾信號被濾除。3.3. 車流量檢測系統組成該車流量監測系統由熱釋電紅外傳感器檢測電路、放大電路、PLC FX2N、MAX813L 組成的看門狗電路等組成。該系統可以實現對應車道的車流量統計。車流量檢測系統的方案設計如圖3-3所示。圖3-3 車流量檢測系統框圖3.4. 傳感器的放置熱釋電紅外傳感器需安裝于道路上方適當的高度和位置。當有車輛通過時，傳感器輸出的微弱信號被送到檢測放大電路，經放大整形后輸出脈沖信號，最終形成矩形脈沖送入PLC進行計數處理。我們設定在每個車行道上中的出口地(停車線處)以及在離出口地一定遠的進口的地方各安放一個相同的傳感器，方案如圖3-4(以典型的十子

17、路口為例)，同一股道上的兩傳感器相距的距離為該股道正常運行時所允許的最長停車車長為好。圖3-4 傳感器的安裝圖4. 聲音檢測模塊設計隨著當代科學技術的飛速發展，在智能交通中，交通燈（紅綠燈）系統的人性化、智能化控制越來越重要。紅綠燈是對行人和車輛起到秩序化的放行和安全通行的交通設備，紅綠燈安裝在各個道口上，已成為疏通交通車輛最常見和最有效的手段，交通燈使交通得到有效的管制，對于疏導交通流量、提高道路通行能力、減少交通事故有明顯的效果。但是隨著現在社會的發展，道路上行駛的車輛也越來越多，且紅綠燈在道路上比較普遍，幾乎每個路口都會出現，變換時間周期長。遇到緊急情況后，比較常見的便是聯系110、11

18、9、120三個救助站，需要這些緊急車輛以最快的速度到達現場。目前雖然緊急車輛可以不受交通系統的限制，但是緊急車輛闖紅燈會導致交通系統的混亂，也極有可能出現交通事故，因此，如何保證緊急車輛在道路上不受紅綠燈的限制但又不闖紅燈，使之暢通無阻的行駛，這便成為亟待解決的問題。針對以上提出的問題，本文提出緊急車輛安全通行系統，以保證緊急車輛在行駛過程中可以更加通暢的行駛。緊急車輛安全通行系統總體方案如圖4-1所示，每臺緊急車輛上配有特殊超聲波的聲音發射裝置，在距離每個安裝交通燈路口的相應位置設置能夠識別該超聲波的聲音傳感器，當緊急車輛行駛距離交通路口一定距離時，聲音傳感器便可識別緊急車輛發出的相應超聲波，隨即傳輸到PLC控制端子。PLC控制端子接收到來自聲音傳感器傳遞的信號后，對信號進行處理，處理后的信號經PLC控制系統的輸出端輸出，傳輸到交通燈控制系統，完成對交通燈的控制。PLC緊急車輛聲音傳感器運算并處理檢測傳輸控制交通燈系統圖4-1 緊急車輛安全通行系統