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智能交通灯系统设计

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2020年4月19日
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智能交通灯系统设计
1. 背景及意义
1.1. 目的与意义
随着社会经济的发展，城市交通问题也越来越引起人们的关注，交通堵塞也成为人们每天必须面正确问题；交通堵塞不但浪费大量的时间，而且排队过程中刹车和怠速会浪费能源，同时也造成空气污染，如何有效的降低城市交通堵塞，协调好人、车、路三者之间的关系，已成为各大城市面临的难题之一。交通灯系统作为交通系统中的重要元素，对缓解交通堵塞扮演者重要角色。随着现在社会的飞速发展，红绿灯在道路上比较普遍，几乎每个路口都会出现，特别是较大的路口，变换时间周期更长，效率低。因此，如何保证紧急车辆在道路上不受红绿灯的限制但又不闯红灯，使之畅通无阻的行驶，这便成为亟待解决的问题。本文主要针对这些问题，提出了智能交通灯系统的设计，该系统能够智能合理地设置红绿灯的时长以及相位的切换，就能够减少一个周期内十字路口前排队的车辆，从而有效地缓解交通堵塞。
1.2. 国内外现状
交通灯诞生于19世纪的英国，1958年，在英国伦敦主要街头安装了以燃煤气为光源的红、蓝两色的机械扳手式信号灯，用以指挥马车通行。1868年，英国机械工程师纳伊特在伦敦威斯敏斯特区的会议大厦前的广场上安装了煤气红绿灯。19 ，电气启动的红绿灯出现在美国，这种红绿灯由红绿黄三色圆形的投光器组成。19 又出现了带控制的红绿灯和红外线红绿灯，带控制的红绿灯，一种是把压力探测器按在地下，车辆接近时，红灯变为绿灯；另一种是用扩音器来启动红绿灯，司机遇红灯是按一下喇叭，就使红灯变为绿灯。红外线红绿灯当当行人踏上对压力敏感的路面时，它就能觉察到有人要过马路。红外光束能把红灯延长一段时间，推迟汽车放行。信号灯的出现，对交通进行有效管理，疏导交通流量、提高了道路通行能力，减少交通事故具有显著效果。欧洲及日本在交通灯的研究上起步较早，美国于上世纪九十年代才开始逐渐重视智能交通信号控制系统的研究。
20世纪70年代末，澳大利亚成功研制出了SCATS系统，该系统采用分层控制，以饱和度和综合量为主要依据，分别对信号周期、相位差和绿信比进行优选，该系统没有建立数学模型而是根据情况从各种已经制定的方案选择最优的方案，可是该系统配时方案有限。20世纪70年代初，英国研制出了SCOOT系统，该系统是一种自适应系统，采用小步长渐进寻优的办法，以使配时参数随交通流量改变而作适量调整，从而短期内适应交通流量的变化趋势，以防止因配时突变而引起的车流不稳定。
，英国推出了全面升级的SCOOT摄像技术智能交通灯系统，该系统采用的是视频摄像技术，经过自动计算需要过马路的人群数量来调整相应的红绿灯时间。当检测到大量的行人在等待，系统会自动延长绿灯放行的时间，让人们有充分的时间过马路。另外，如果检测到没有人过马路，以及有人按了穿行键就走了的情况，系统会自动切换到“呼叫取消”状态而不激活绿灯。
另外在行人方面，经过采用puffin人行道，该系统也能够提高行人穿越马路时的安全系数。现在，这种人行道在信号灯箱上安装了传感器，探测到有行人等待时，就能主动更换信号灯颜色。不同于以前的pelican人行道，升级后的信号灯从红绿灯图案转换为人形的“行走/停止”样式，方便了对信号灯颜色查看有障碍的残障人士，还省去了换信号时的闪烁过程。
国内对交通的研究主要集中在交通流的微观模拟与仿真、交叉口交通控制策略优化以及交通流参数的检测与车流量监测等几个方面。大连理工大学提出的基于视频虚拟监测线特征的交通流参数检测系统已经在PC上实现，并对不同典型天气下的交通流下的视频做了实验，结果表明该系统具有较高的车流统计精度。西南交通大学提出了交叉口信号的评价指标、系统组成原理以及交叉口信号控制常见方法，分析平面交叉口的安全性、通行能力和车辆延误等主要技术指标。山东大学提出以城市交通信号为研究对象基于混沌时间序列的城市交通流短时预测模型与研究方法，为后续的交通信号控制提供必要的交通流数据。大连海事大学采用模糊逻辑、遗传算法和神经网络等智能理论，对单交叉口展开研究，确保车流能够最小延误地顺畅通行，以缓解城市交通拥堵造成的危害。哈尔滨工业大学分析了智能交通信号灯控制所需的关键技术和发展现状，建立了基于图像处理的智能交通灯控制系统，并经过实验验证了该系统的有效性。南京邮电大学对基于视频的车辆检测与跟踪的算法进行了研究与实现，并取得了良好的实验效果。
国外的交通灯控制系统在国内的实用性有待进一步验证，根据调研当前国内采用西门子提供的SCOOT智能控制系统，也是国内规模最大、最先进的控制系统。该系统虽然在一定程度上缓解了城市交通拥堵问题，可是随着社会的发展，该系统也逐渐暴露出了种种缺陷，如配时的有限性，据调研发现大部分路口的交通灯系统配时只有几个预先设置好的时间，交通灯根据埋藏在距离路口100左右地下的感应线圈粗略算出车流量，再根据流量选择配时，而且相位不能够切换，只能按顺序一个一个完成，这就导致当其中一个相位没有或者车很少而另外的相位车流很大，排队车辆很多时，车少的相位的交通灯依然要经过一个红绿灯周期，而车流量很大的相位只有等到轮到该相位时车辆才能通行，这样既造成交通拥堵还浪费了时间，还有我们经常晚上经过十字路口时，即使其它方向没车没行人，可是遇到红灯依然要等候；鉴于此，设计了一种基于PLC控制的智能交通灯系统。
2. 总体方案设计
针对现实中交通堵塞问题，本文提出了一种经过控制器智能控制交通灯的时间的解决方案，该控制系统的主要构思如图2-1流程图所示。

图2-1总体流程图
基于PLC的智慧交通灯采用红外传感器与声音传感器相配合的感知系统，红外传感器实时计算经过路口的车流量，而且实时与微处理器通讯，反馈车流量数据。同时声音传感器采集相应车辆声音频率，如消防车、医疗车等具有特殊发声器的特殊车辆。若匹配对应频率，将数据及时反馈给微处理器。经由微处理器计算处理，统计出车流量数据和标识特殊车辆。
一方面微处理器能够经过车流量数据与特殊车辆数据控制交通灯本体，自适应改变交通灯红绿灯时间。在车流量高峰期，如上下班以及上下学等特殊时期，增加或减少红灯时间，车辆能够有序快速经过路口，利于减少交通堵塞。若遇特殊情况，如火灾、事故，经过声音传感器识别到特殊车辆，减少相应车道的红灯时间，特殊车辆能够快速经过，及时救灾，减少人员财产损失。
另一方面经过Zigbee、Wifi、4G网络等无线通信协议，车流量数据与特殊车辆数据传送到云端。经过云计算与云数据存储，开放相应接口，提供给车辆管理中心、开发者及用户。车辆管理中心实时监控相关路面的车流量信息，如遇特殊车流量高峰，能够及时派发人手疏导交通，减少交通拥挤情况，同时减少二氧化碳的排放，保护环境，促进绿色经济发展。开发者经过车流量数据及特殊车辆数据，为用户开发出相应的app以及相应的车载硬件系统。用户获取每个路口车流量数据，能够合理规划自己时间路程安排，不给交通添堵，不耽误自己事情。总体方案如图2所示。
微处理器
红外传感器
声音传感器
特殊车辆标识
车流量统计

云
车辆管理中心
用户移动设备
交通灯本体
图2 智慧交通灯总体方案图

控制系统具体实施设想如下：
车辆检测装置实施方法有以下几种：
在紧急车辆上安装红外发射器或超声波发射器，在距红绿灯一定距离的空间安装红外接收器或声波接收器，经过接收器对紧急车辆进行检测；
在距离红绿灯一定距离的地方安装车牌辨别器，按车道对紧急车辆进行检测；
检测信号处理方法：对检测器检测的信号进行初步处理，该处理的思想是把检测信号处理为0、1信号，0是常值信号，为无紧急车辆经过，不对红绿灯系统产生任何影响，当检测器检测到信号时，0便变为1，代表有紧急车辆经过，对红绿灯产生控制；
检测信号的传输及对红绿灯系统的控制：检测信号经过处理后，根据紧急车辆所在车道，经过有线传输方式或无线传输方式传输到相应红绿灯信号控制系统（推荐用无线信号传输方式，例电磁波传输），信号传输到红绿灯信号控制系统后，根据以前的分析，0时无影响，1时强制性使红绿灯系统变为绿灯；
当车辆经过红绿灯时检测装置、信号处理、信号传输均与前面所述相似，只是在控制时，1时表示车辆尚未经过,0时表示车辆已经经过，使红绿灯控制系统恢复正常。
3. 车流量监测模块设计
3.1. 车流量监测原理
十字路口的车流量实时监测对于交通控制系统具有十分重要的意义，传统的监测方式一般在距离十字路口约一百米的地下埋上感应线圈，当车辆经过时便能够计数，可是该方法实时性比较差，误差较大，因此在本文中采用红外传感器监测的方式。即在距离十字路口一定距离的道路两旁安装红外传感器，当车辆经过时传感器便开始计数，这种流量监测方式实时性好，误差较小，其微处理器采用的是PLC，其原理框图如下图1.1所示；车辆的流量记数、交通灯的时长控制可由可编程控制器(PLC)来实现。当然，也可选用其它种类的计算机作为控制器。本文选用PLC作为控制器件是因为可编程控制器核心是一台计算机，它是专为工业环境应用而设计制造的计算机。它具有高可靠性丰富的输入/输出接口，而且具有较强的驱动能力；它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并经过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程；它采用模块化结构，编程简单。

图3-1 检测模块原理框图
本文中PLC选用三菱FX2N，其输入端接收来自各个路口的车辆探测器测得的输出标准电脉冲，输出接十字路口的红绿信号交通灯。
3.2. 车流量监测放大电路的设计
在本文中,采用新型热释电红外传感器探测车流量信息,并将其转换成微弱的电信号输出，再经运算放大器放大及比较器滤去干扰后，所得信号被送入PLC以启动计数器计数。检测放大电路的原理图如图3-2所示。

图3-2 检测放大电路原理图
上图中: PT为高灵敏度热释电红外传感器，放大器选用LM324集成运算放大器。当检测区间有车辆经过时，PT输出相应的电压脉冲信号，经U1D放大、电容C5隔直后，由U1C进行第二级放大，输出信号进入窗口电压比较器。电位器RW2决定了一个窗口电压区间，低于该电压区间，则或门U3A输出为低电平；高于该电压区间，则或门U3A输出为高电平。或门的输出与PLC T0 端和INT0端同时相连接。R2和C1构成阻容滤波，其它滤波电路根据测试情况进行调整。RW1是对放大倍数进行调整。
当U1C的输出在V1 (U1B - )和V2 (U1A + ) 之间时，比较器1 (U1B)和比较器2 (U1A)均输出低电压，或门U3A输出为低电平；当U1 C的输出高于V1 (U1B - )时，比较器1 (U1B)输出高电平，或门U3A输出为高电平；U1C的输出低于V2 (U1A + ) 时，比较器2 (U1A)输出高电平，或门U3A输出为高电平，即U1B和U1A的输出经逻辑或输出脉冲信号到PLC。变阻器RW2用于设定窗口的阀值电平，RW1和RW2可调节检测放大电路的灵敏度，使得低于车辆红外特征的干扰信号被滤除。

3.3. 车流量检测系统组成
该车流量监测系统由热释电红外传感器检测电路、放大电路、PLC FX2N、MAX813L 组成的看门狗电路等组成。该系统能够实现对应车道的车流量统计。车流量检测系统的方案设计如图3-3所示。
图3-3 车流量检测系统框图

3.4. 传感器的放置
热释电红外传感器需安装于道路上方适当的高度和位置。当有车辆经过时，传感器输出的微弱信号被送到检测放大电路，经放大整形后输出脉冲信号，最终形成矩形脉冲送入PLC进行计数处理。我们设定在每个车行道上中的出口地(停车线处)以及在离出口地一定远的进口的地方各安放一个相同的传感器，方案如图3-4(以典型的十子路口为例)，同一股道上的两传感器相距的距离为该股道正常运行时所允许的最长停车车长为好。
图3-4 传感器的安装图
4. 声音检测模块设计
随着当代科学技术的飞速发展，在智能交通中，交通灯（红绿灯）系统的人性化、智能化控制越来越重要。红绿灯是对行人和车辆起到秩序化的放行和安全通行的交通设备，红绿灯安装在各个道口上，已成为疏通交通车辆最常见和最有效的手段，交通灯使交通得到有效的管制，对于疏导交通流量、提高道路通行能力、减少交通事故有明显的效果。可是随着现在社会的发展，道路上行驶的车辆也越来越多，且红绿灯在道路上比较普遍，几乎每个路口都会出现，变换时间周期长。遇到紧急情况后，比较常见的便是联系110、119、120三个救助站，需要这些紧急车辆以最快的速度到达现场。当前虽然紧急车辆能够不受交通系统的限制，可是紧急车辆闯红灯会导致交通系统的混乱，也极有可能出现交通事故，因此，如何保证紧急车辆在道路上不受红绿灯的限制但又不闯红灯，使之畅通无阻的行驶，这便成为亟待解决的问题。
针对以上提出的问题，本文提出紧急车辆安全通行系统，以保证紧急车辆在行驶过程中能够更加通畅的行驶。紧急车辆安全通行系统总体方案如图4-1所示，每台紧急车辆上配有特殊超声波的声音发射装置，在距离每个安装交通灯路口的相应位置设置能够识别该超声波的声音传感器，当紧急车辆行驶距离交通路口一定距离时，声音传感器便可识别紧急车辆发出的相应超声波，随即传输到PLC控制端子。PLC控制端子接收到来自声音传感器传递的信号后，对信号进行处理，处理后的信号经PLC控制系统的输出端输出，传输到交通灯控制系统，完成对交通灯的控制。

PLC
紧急车辆
声音传感器

运算并处理
检测
传输
控制
交通灯系统
图4-1 紧急车辆安全通行系统总体方案

1) 超声波发生
超声波是用来判别进给车辆与普通车辆的重要方式。在每个进给车辆上都可配备同一波频的超声波发生器。发生器的原理是首先由信号发生器来产生一个特定频率的信号，这个信号能够是正弦信号，也能够是脉冲信号，这个特定频率就是换能器的频率，一般应用在超声波设备中的超声波频率为20KHz、25KHz、28KHz、33KHz、40KHz、60KHz等。
2) 超声波检测
紧急车辆发出特定频率的超声波后，需要特定的装置对该超声波进行检测并识别。超声波检测能够采用声音传感器来实现，声音传感器能够检测到由超声波发生器发出的超声波，对其进行识别，并作初步的简单处理。经声音传感器检测并处理的信号传输到PLC数据处理系统中，以完成后期的工作。
3) 信息处理
PLC数据处理系统接收到来自声音传感器简单处理的信号后，需对其进行相应的处理，由声音信号转换为电信号，不同的信号其对应的波频不同，根据不同的波频便可输出相应的电信号，电信号可用方波信号来实现，即0/1信号，以便后期的处理。
4) 控制交通灯
经PLC处理的信号传输到交通灯系统后，根据不同的信号对交通灯实现不同的控制，如检测到紧急车辆时，即便现在正处于红灯状态，也需强制性的转换为绿灯，直至紧急车辆经过该路口为止。
5. 创新点
1) 采用声音识别模块，能够准确识别特殊车辆，使其快速经过路口，减少特殊车辆等待时间。
2) 基于云服务，将实时车流量数据发送到云端进行处理。