基于PLC的交通灯实时控制研究

图2
车流排队量检测示意图
目前，我国城市的十字路口交通灯基本上都是固定配时的，红绿灯的工作时长是由交通部门根据统计人员的道路车流量统计数字确定的固定值，而这一固定值不能随着实际道路上的车流量灵活改变，因此设计一种新的控制方案使得红绿灯能够根据车流量大小实时的调节工作时长，将大大提高车辆通行效率。

目前，交通灯控制系统大都采用继电器或是单片机来实现，存在着功能少，可靠性差，维护量大等缺点，本文将工程上常用的S7－200系列PLC 用于对十字路口交通灯的实时控制。

根据交通灯的每个工作周期内道路车流排队量进行计算，得到下一周期交通灯工作的最优时间值，避免了复杂的数学建模问题，取得了较好的控制性能。

1控制原理描述
如图1所示的十字路口，设路口由东西向和南北向两条道
路构成，箭头代表车流。

实时控制规律作如下阐述：
1）当两条道路上的车流量均大于一定值时，为保持车辆通
行的连贯性，避免因汽车启动时间造成绿灯时间的浪费，两个方向上的绿灯工作时间应尽可能长。

但绿灯时间一般最长不应超过70s ，否则另一道路上司机和行人在等待红灯时将不能忍受。

2）当一条道路上车流量大于一定值，而另一条道路车流较少，则将车流大的道路绿灯工作时间设置为上限70s ，而车流少
的则按比例安排绿灯时间，但应注意绿灯时间一般最少不得少于15s ，否则车辆来不及通行而影响安全。

3）当两条道路上车流量均不大时，则按比例灵活设置两方向的绿灯工作时间，同理应注意最少不得少于15s 。

4）当任一方向出现车流为0时，则该道路上红灯常亮对应另一道路上绿灯常亮。

直至，车流量为0的道路上有车辆出现。

为避免交通事故，当两道路上车流量均为零时，系统不会让两道路上的绿灯均常亮，而只是选择任一道路上绿灯亮，这一暂态当有车辆驶近十字路口时将被立即改变。

人行道红绿灯控制信号可与同侧交通灯信号并行，故暂不考虑。

黄灯作为红灯与绿灯的过渡信号灯，通常为3s ，可由得出的绿灯时间划出相应时间。

2系统设计
2．1系统的硬件组成
本系统主要由三个部分组成，即检测装置、PLC 和交通信号灯，构成示意图如图1。

图1系统的硬件结构
在交通灯的每一个工作周期内，车流的通过由检测装置检测，PLC 通过内部计数器计算出该周期内道路上的车流排队量，经CPU 进行计算，得到下一周期红绿灯各自工作时间的最佳值，并赋值给定时器控制交通灯下一周期的工作。

2．2车流排队量的检测
PLC 内部的计数器可用来数输入端子送来的脉冲数，是本
系统中车流检测装置的重要组成部分，它简化了车流检测的设计，使得外部只需常开式开关，可将这些常开开关安装在道路的减速带内，当汽车轮子压在减速带上，开关闭合，汽车轮子离开减速带后开关断开，因此产生一个脉冲信号，脉冲信号传递到
PLC 输入端，输入
端子与计数器相对应，从而计数器累加1。

由于大多数车辆为四轮，通过减速带时前后轮各产生一个脉冲信号，因此一辆车通过计数器累加2。

对于更多轮子的汽车，它经过会产生两个以上的脉冲信号，但因
基于PLC 的交通灯实时控制研究
经张俊
程向红（东南大学仪器科学与工程学院，江苏南京210096）
Research on Real－time Control of Traffic Lights Based on PLC
摘
要
提出了一种基于PLC 的十字路口交通灯实时控制系统实现方案。

该系统可根据十字路口各车道上的车流量大小自动调节红绿灯的时间长度；采用了一种易于实现的车流量检测方法，使得在调节红绿灯时间长度时无需进行复杂计算，从而简化了PLC 的程序设计，设计的控制系统具有可靠性高、实时性好的特点。

关键词：交通灯，可编程控制器，实时控制
Abstract
A real－time control system of crossroads＇traffic lights based PLC is presented in this paper．This system can automati-cally allocate the traffic lights＇working time according to the volume of vehicles,which are detected by an easy to realize method．It doesn＇t need complicated algorithm to ascertain the traffic lights＇working time,so the program design of PLC is
simplified．The control system has characteristics of high reliable and good timeliness．
Keywords :traffic light,PLC,real－time
control
基于PLC 的交通灯实时控制研究
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《工业控制计算机》2008年21卷第12期
为车长明显比四轮的汽车长，所以不影响计算的准确性。

将计数器的计数值除以2可以得到通过该减速带的汽车车辆数。

但这一数值不能准确反映道路上的车流情况，例如在“道路拥堵车辆不前”和“道路畅通无车辆通过”这两种截然相反的情况下，这一数值均为0。

为了准确反映道路车流状况，在一个区间长度内检测道路车流排队量，检测方式如图2所示。

在每个方向上的直行、右行、左行车道上均设有一对检测装置，每一对开关的距离尽可能远，但应保证各方向的开关距离均相等，例如可取150m。

每一个开关对应PLC中的一个输入继电器I点。

远离路口的开关用于检测进入车道区间的车辆数，靠近路口的开关用于检测驶出区间的车辆数。

以东西向车道为例，图中所示n i是每个开关由于汽车通过而产生的脉冲数，由西向东的车流排队量N a＝[(n1－n2)＋(n3－n4)＋(n5－n6)]／2＋N a＇；由东向西的车流排队N b＝[(n7－n8)＋(n9－n10)＋(n11－n12)]／2＋N b＇，其中N a＇，N b＇为上一周期车流排队积压量。

取N a和N b较大的为东西车道车流排队量N ew，即N ew＝max(N a，N b)。

同理可得到南北车道车流排队量N sn＝max(N c，N d)。

2．3PLC功能图设计
PLC功能图如图3所示，初始化阶段完成状态元件S清零等工作；定时器PT端与变量寄存器V相关联，变量寄存器V的值即为定时器的设定值，初始时由于未进行道路车流量测量，可按经验值进行赋值，待工作一个周期后按实际道路车流量设定定时器值；PLC采用并行工作方式，由定时器完成对交通灯的工作控制，由计数器
完成车流量数据的
采集；由于PLC具
有极其丰富的运算
功能指令，对计数
器所检测的车流量
的数据处理快速高
效，经过计算得到
下一周期的红绿灯
工作时间，赋值给
变量寄存器V。

依此
循环，每一个工作
周期末，交通灯的
工作时间均可根据
该周期内道路车流
排队量的实时值进
行刷新。

2．4数据处理
实现实时控制的关键是依据检测到的车流排队量计算下一周期红绿灯工作时间的最优值。

因此，对车流排队量的处理十分重要。

数据处理的流程图如图4所示，其中，M为检测区间内车辆排队量最大值，它可事先根据检测区间长度确定，为已知量；New为东西向车流排队量；Nsn为南北向车流排队量；V0．1对应东西向绿灯时长；V0．4对应南北向绿灯时长。

3系统实现
车辆通过十字路口时有三种情况，即左转、直行、右转。

因此将图1具体化，综合考虑车辆通行等各种情况同时兼顾行人的通行，将实际通行状况控制为如下四种连续的情况，如图5所示。

（1）对应于东西向直行车流通行；（2）对应于东西向左右转车流通行，同时为了充分利用道路资源，允许南北向右转车流通行；（3）对应于南北向直行车流通行；（4）对应于南北向左右转车流通行，同时允许东西向右转车流通行。

红绿灯工作时间的分配：（1）、（2）对应于东西向车流通行，由以上讨论已得到东西向绿灯时间V0．1，在车流检测时可以检测出直行车流排队量，以及左右转车流排队量，因此按照比例关系分配时间值V0．1，可以得到（1）和（2）的时间值；同理可以得到（3）和（4）的时间值。

图5交通流示意图
4结束语
本文基于PLC的特点，合理利用了PLC内部的计数器构成车流量检测装置，充分应用了PLC丰富的运算指令对检测到的车流排队量进行数据处理，得到下一周期交通灯工作时间的合理值。

系统设计过程中避免了复杂的数学建模，而是应用结构清晰的流程图处理数据，简单快速，实时性高。

参考文献
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［收稿日期：2008．7．14
］
图4PLC
数据处理流程图
图3PLC程序功能示意图
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