智能交通燈系統(tǒng)設(shè)計說明書

1、word格式整理版智能交通燈系統(tǒng)設(shè)計1. 背景及意義1.1. 目的與意義隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，城市交通問題也越來越引起人們的關(guān)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(xié)調(diào)好人、車、路三者之間的關(guān)系，已成為各大城市面臨的難題之一。交通燈系 統(tǒng)作為交通系統(tǒng)中的重要元素，對緩解交通堵塞扮演者重要角色。 隨著現(xiàn)在社會 的飛速發(fā)展，紅綠燈在道路上比較普遍，幾乎每個路口都會出現(xiàn)，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

2、暢通無阻的行駛，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(tǒng)的設(shè)計，該系統(tǒng)能夠智能合理地設(shè)置 紅綠燈的時長以及相位的切換，就能夠減少一個周期內(nèi)十字路口前排隊的車輛， 從而有效地緩解交通堵塞。12 國內(nèi)外現(xiàn)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(qū)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(xiàn)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(xiàn)了帶控制的紅綠燈和紅外線紅綠燈，帶控制的紅 綠燈，一

3、種是把壓力探測器按在地下，車輛接近時，紅燈變?yōu)榫G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?yōu)榫G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(xiàn)，對交通進行有效管理， 疏導(dǎo)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(tǒng)的研究。20世紀70年代末，澳大利亞成功研制出了 SCATS統(tǒng)，該系統(tǒng)采用分層控 制，以飽和度和綜合量為主要依據(jù)，分別對信號周期、相位差和綠信比進行優(yōu)選， 該系統(tǒng)沒有

4、建立數(shù)學(xué)模型而是根據(jù)情況從各種已經(jīng)制定的方案選擇最優(yōu)的方案， 但是該系統(tǒng)配時方案有限。20世紀70年代初，英國研制出了 SCOO系統(tǒng)，該系 統(tǒng)是一種自適應(yīng)系統(tǒng)，采用小步長漸進尋優(yōu)的辦法，以使配時參數(shù)隨交通流量改 變而作適量調(diào)整，從而短期內(nèi)適應(yīng)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(wěn)定。2015年，英國推出了全面升級的SCOO攝像技術(shù)智能交通燈系統(tǒng)，該系統(tǒng)采 用的是視頻攝像技術(shù)，通過自動計算需要過馬路的人群數(shù)量來調(diào)整相應(yīng)的紅綠燈 時間。當檢測到大量的行人在等待，系統(tǒng)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?jīng)]有人過馬路，以及有人按了穿行鍵就走 了的情況，系

5、統(tǒng)會自動切換到“呼叫取消”狀態(tài)而不激活綠燈。另外在行人方面，通過采用 puffin 人行道，該系統(tǒng)也可以提高行人穿越馬 路時的安全系數(shù)。現(xiàn)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(zhuǎn)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(nèi)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(yōu)化以及交通流參數(shù)的檢測與車流量監(jiān)測等幾個方面。大連理工大學(xué)提出的基 于視頻虛擬監(jiān)測線特征的交通流參數(shù)檢測系統(tǒng)已經(jīng)在PC上實現(xiàn)，并對不同典型天氣

6、下的交通流下的視頻做了實驗，結(jié)果表明該系統(tǒng)具有較高的車流統(tǒng)計精度。 西南交通大學(xué)提出了交叉口信號的評價指標、 系統(tǒng)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(shù)指標。 山 東大學(xué)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(yù) 測模型與研究方法，為后續(xù)的交通信號控制提供必要的交通流數(shù)據(jù)。 大連海事大 學(xué)采用模糊邏輯、遺傳算法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)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(yè)大 學(xué)分析了智能交通信號燈控制所需的關(guān)鍵技術(shù)和發(fā)展現(xiàn)狀，建立了基于圖像處理 的智能交通燈控制系統(tǒng)

7、，并通過實驗驗證了該系統(tǒng)的有效性。 南京郵電大學(xué)對基 于視頻的車輛檢測與跟蹤的算法進行了研究與實現(xiàn)，并取得了良好的實驗效果。國外的交通燈控制系統(tǒng)在國內(nèi)的實用性有待進一步驗證，根據(jù)調(diào)研目前國內(nèi)采用西門子提供的SCO0智能控制系統(tǒng)，也是國內(nèi)規(guī)模最大、最先進的控制系統(tǒng)。 該系統(tǒng)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(fā)展，該系統(tǒng)也逐漸暴露出了種種缺陷，如配時的有限性，據(jù)調(diào)研發(fā)現(xiàn)大部分路口的交通燈 系統(tǒng)配時只有幾個預(yù)先設(shè)置好的時間，交通燈根據(jù)埋藏在距離路口 100左右地下 的感應(yīng)線圈粗略算出車流量，再根據(jù)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(dǎo)致當其中一個相位沒

8、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(jīng)過一個紅綠燈周期，而車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(jīng)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(shè)計了一種基于PLC控制的智能交通燈系統(tǒng)。2. 總體方案設(shè)計針對現(xiàn)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(tǒng)的主要構(gòu)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(tǒng)，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

9、通訊，反饋車流量數(shù) 據(jù)。同時聲音傳感器采集相應(yīng)車輛聲音頻率，如消防車、醫(yī)療車等具有特殊發(fā)聲 器的特殊車輛。若匹配對應(yīng)頻率，將數(shù)據(jù)及時反饋給微處理器。經(jīng)由微處理器計 算處理，統(tǒng)計出車流量數(shù)據(jù)和標識特殊車輛。一方面微處理器可以通過車流量數(shù)據(jù)與特殊車輛數(shù)據(jù)控制交通燈本體，自適應(yīng)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(xué)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(zāi)、事故，通過聲音傳感器識別到特殊車輛，減少相應(yīng)車道的紅燈 時間，特殊車輛能夠快速通過，及時救災(zāi)，減少人員財產(chǎn)損失。另一方面通過Zigbee、Wifi、4G網(wǎng)絡(luò)等無線通信協(xié)議

10、，車流量數(shù)據(jù)與特殊 車輛數(shù)據(jù)傳送到云端。經(jīng)過云計算與云數(shù)據(jù)存儲，開放相應(yīng)接口，提供給車輛管理中心、開發(fā)者及用戶。車輛管理中心實時監(jiān)控相關(guān)路面的車流量信息，如遇特殊車流量高峰，可以及時派發(fā)人手疏導(dǎo)交通，減少交通擁擠情況，同時減少二氧 化碳的排放，保護環(huán)境，促進綠色經(jīng)濟發(fā)展。開發(fā)者通過車流量數(shù)據(jù)及特殊車輛 數(shù)據(jù)，為用戶開發(fā)出相應(yīng)的app以及相應(yīng)的車載硬件系統(tǒng)。用戶獲取每個路口車 流量數(shù)據(jù)，能夠合理規(guī)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。圖2智慧交通燈總體方案圖控制系統(tǒng)具體實施設(shè)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(fā)射器或超聲波發(fā)射器，在距紅

11、綠燈一定距離的空間 安裝紅外接收器或聲波接收器，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(tǒng)產(chǎn)生任何影響，當檢測器檢測到信號時，0便變?yōu)?,代表有緊急車輛通過，對紅綠燈產(chǎn)生控制；檢測信號的傳輸及對紅綠燈系統(tǒng)的控制：檢測信號通過處理后，根據(jù)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?shù)较鄳?yīng)紅綠燈信號控制系統(tǒng) （推薦用無線信號傳輸方式，例電磁波傳輸），信號傳輸?shù)郊t綠燈信號控制系統(tǒng) 后，根據(jù)以前

12、的分析，0時無影響，1時強制性使紅綠燈系統(tǒng)變?yōu)榫G燈；當車輛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(jīng)通過，使紅綠燈控制系統(tǒng) 恢復(fù)正常。3. 車流量監(jiān)測模塊設(shè)計3.1. 車流量監(jiān)測原理十字路口的車流量實時監(jiān)測對于交通控制系統(tǒng)具有十分重要的意義，傳統(tǒng)的監(jiān)測方式一般在距離十字路口約一百米的地下埋上感應(yīng)線圈，當車輛經(jīng)過時便可以計數(shù)，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(jiān) 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(jīng)過時傳感器便開始計數(shù)，這種流量監(jiān)測方式實時性好，誤差較小，其微處理器采用

13、 的是PLC其原理框圖如下圖1.1所示；車輛的流量記數(shù)、交通燈的時長控制可 由可編程控制器（PLC）來實現(xiàn)。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(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)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(qū)動能力；它采用一類可編程的存儲器，用于其內(nèi)部存儲程序，執(zhí)行 邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或 模擬式輸入/輸出控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程；它采用模塊化結(jié)構(gòu)，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

14、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. 車流量監(jiān)測放大電路的設(shè)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(zhuǎn)換成微弱的電信號輸出，再經(jīng)運算放大器放大及比較器濾去干擾后，所得信號被送入PLC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(qū)間有車輛通過時，PT輸出相應(yīng)的電壓脈沖信號，經(jīng) 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定了一個窗口電壓區(qū)間，低于該電壓區(qū)間，貝咸門U3A俞出為低電平；高于該電壓區(qū)間，則或門U3A輸出為高電平?；蜷T的輸出與 PLC T0端和I

15、NTO端 同時相連接。R2和C1構(gòu)成阻容濾波，其他濾波電路根據(jù)測試情況進行調(diào)整。RW1 是對放大倍數(shù)進行調(diào)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U1C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(jīng)邏輯或輸出脈沖信號到 PLC變阻器RW2用于設(shè)定窗口的閥值電 平，RW和 RW訓(xùn)調(diào)節(jié)檢測放大電路的靈敏度，使得低于

16、車輛紅外特征的干擾信號被濾除。3.3. 車流量檢測系統(tǒng)組成該車流量監(jiān)測系統(tǒng)由熱釋電紅外傳感器檢測電路、放大電路、PLC FX2NMAX813L組成的看門狗電路等組成。該系統(tǒng)可以實現(xiàn)對應(yīng)車道的車流量統(tǒng)計。 車 流量檢測系統(tǒng)的方案設(shè)計如圖3-3所示。N圖3-3車流量檢測系統(tǒng)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?shù)母叨群臀恢?。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(jīng)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(shù)處理。我們設(shè)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（以典型的十子路

17、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。S m S 8架空爻通燈3南Z O/ O0O東感 傳入 探車其同此圖3-4傳感器的安裝圖4. 聲音檢測模塊設(shè)計隨著當代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，在智能交通中，交通燈（紅綠燈）系統(tǒng)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(shè)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(dǎo)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(xiàn)在社會的發(fā)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

18、口都會出現(xiàn)，變換時間周 期長。遇到緊急情況后，比較常見的便是聯(lián)系 110、119、120三個救助站，需要 這些緊急車輛以最快的速度到達現(xiàn)場。目前雖然緊急車輛可以不受交通系統(tǒng)的限 制，但是緊急車輛闖紅燈會導(dǎo)致交通系統(tǒng)的混亂，也極有可能出現(xiàn)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(tǒng)，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(tǒng)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(fā)射裝置， 在距離每個安裝交通燈路口的 相應(yīng)位置設(shè)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(fā)出的相應(yīng)超聲波，隨即傳輸?shù)絇LC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(jīng)PLC控制系統(tǒng)的輸出端輸出，傳輸?shù)浇煌艨刂葡到y(tǒng)，完成對交 通燈的控制。交通燈系統(tǒng)圖4-1緊急車輛安全通行系統(tǒng)總