城市交通灯监控系统设计综述

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随着我国社会和经济的持续快速发展，我国城市化的步伐正在加快，城市规模不断扩大，从而导致机动车拥有量的持续增加，交通问题日趋复杂［1］。因此，改善与提高现有的交通系统的效率已成为当务之急，而提高交通控制系统的效率更是重中之重。传统的单片机控制交通灯系统结构简单，功能较为容易实现，但是其可靠性不高，无法实现对整体网络交通的控制;而且，它的智能化程度不高，缺乏实时控制效果，可拓展性不强。为此，本文设计了一种基于Rockwell现场总线系统的交通灯监控系统。

1Rockwell系统

1．1Rockwell三层网络结构

Rockwell自动化公司在RSNetwork中提出了三层网络体系，即以太网、控制网和设备网的综合系统结构体系。它是搭建Rockwell现场总线系统的核心，其各层网络结构和功能如图1所示。在本体系中，以太网上可设有系统主控设备。系统管理员可在这层网上对系统进行监控，对控制器中的程序进行修改，使计算机系统存取生产现场的数据达到实时监控的目的，并提供对可编程控制器的支持。控制网完成智能化的高速实时控制，并共享数据和信息。设备网主要用于控制和监视设备的协调，操作员接口、远程设备的组态，编程和故障处理。数据可以双向流通，也可以在层与层之间交换，涉及具体应用时，根据需要可以采用其中的某一层或某几层实现用户所需要的控制功能。

1．2Rockwell硬件平台

Rockwell系统Control-Logix系统组成结构如图2所示。Control-Logix面板基本设计的特点是:控制器在控制系统中只作为控制的核心，而不再作为通信和连接的枢纽;无需控制器的介入，基板上任一个设备可以发出广播信息，进而和任何一个设备进行通讯;提高了系统的带宽和性能，为构造一个控制系统提供了极大的方便，让控制器更好的专注于控制。

2交通灯控制策略

本设计的交通灯监控系统需要对两个路口的交通灯进行优化控制，其中一个路口为中心十字路口，另一路口为丁字形三岔路口。通过对交通规则和基本交通控制策略的学习［2］，以及现场的实际观察，制定的控制策略如下:

1)十字路口控制策略十字路口的车流行驶分为四个部分:东西双向直行、左转弯;南北双向直行、左转弯。第一步:放行东西双向的直行车辆，其余方向禁行。时间45秒。第二步:放行南北双向的左转车辆，其余方向禁行。时间45秒。第三步:放行东西双向的左转车辆，其余方向禁行。时间45秒。第四步:放行南北双向的直行车辆，其余方向禁行。时间45秒。此后，回到第一步执行，并按上述顺序循环执行此策略。

2)丁字路口的控制策略丁字路口只需要控制两个方向来车的左转弯和北向的直行即可，其第一步的开始时间与十字路口的起始时间相同，且整个时间周期也与十字路口相同。第一步:放行西向来车的左转弯，其余方向禁行。时间60秒。其作为第一步主要是考虑到能使从十字路口到丁字路口的车辆尽快分流，防止西向来车发生阻塞。第二步:放行北向来车的直行，其余方向禁行。时间60秒。第三步:放行南向车辆的左转弯，其余方向禁行。时间60秒。放行期间，正好是十字路口南北双向直行的放行时间，这样的安排也有助于提高车辆的分流速度。

3)智能控制策略和紧急情况控制策略根据实现电路的具体情况，当发现十字路口南向来车道出现阻塞情况时，控制策略改变。第一步:放行东西双向的直行车辆，其余方向禁行。时间35秒。第二步:放行南北双向的左转车辆，其余方向禁行。时间55秒。第三步:放行东西双向的左转车辆，其余方向禁行。时间35秒。第四步:放行南北双向的直行车辆，其余方向禁行。时间55秒。第五步:回到第一步，再次执行一次上述步骤。

4)第六步:当智能控制模式执行过两次以后，重新回到十字路口控制策略的正常控制策略执行。其中，在智能控制阶段，丁字路口的控制策略也稍有变化。第一步:放行西向来车的左转弯，其余方向禁行。时间75秒。第二步:放行北向来车的直行，其余方向禁行。时间70秒。第三步:放行南向车辆的左转弯，其余方向禁行。时间40秒。第四步:回到第一步，再执行一次上述步骤。

5)第五步:当智能控制模式执行过两次以后，重新回到丁字路口的控制策略的正常控制策略执行。对于十字路口来说，南北双向放行的时间增长能够有效的缓解车流压力，而东西向减少的时间由于并不是很长，所以在短时间内不会造成交通的阻塞。至于丁字路口的时间调整，首先是为了能使十字路口南北向涌来的车流迅速分流，其次也减少了由丁字路口向十字路口行进的车流，配合十字路口缓解交通压力。此外，当出现特殊情况需要进行交通管制时，可以通过人工干预的手段使所有的交通灯均变为红灯禁行，从而达到交通管制目的。

3监控系统总体方案设计

通过对Rockwell控制系统和交通灯控制策略的介绍，我们所设计的基于Rockwell的交通灯控制系统框架为三层网络结构。其中设置有位置信号、紧急信号和其他信号三个信号参数，它们均来自于外部设备。当整个交通网络处于正常运行状态时，交通灯监控系统根据常规程序实现对各交通灯的控制，按照交通规则对交通灯进行切换控制，保障各路口通行的安全和畅通。当外部传感器信号或其它人为信号(紧急情况)切入以后，常规程序控制被中断，由备用程序进行智能控制(或手动控制)，实现实时交通疏导，分散车流，达到更人性化交通管制的目的［3］。图3为监控系统总体方案框图，电路中的位置信号、紧急信号、其它信号通过通信模块与可编程控制器和人机界面进行通信，可编程控制器再将相关控制信号和人为干预信号传输给交通灯等设备元件，实现对电路的控制作用。

总体设计方案中还存在对交通灯系统的智能控制部分，即通过识别系统判断各个车道的车流量情况。随后，Rockwell系统根据各识别系统的反馈数据调用相应的中断程序改变现行控制，最终达到及时疏导交通的目的。在系统模型电路中，此部分主要由红外线收发装置组成，通过红外光的通、断调节输出电压的大小，为Rockwell系统提供反馈数据。此外，模型中还存在应用于交通红绿灯变化的反向器电路和显示中断程序运行情况的指示电路等其它部分。

4软件设计

4．1软件介绍

本设计中的软件编程主要是针对Rokwell自动化系统中的PLC进行梯形图编程，从而实现控制策略。主要用到的软件有:

1)编程软件:RSLlogix-5000;

2)网络组态软件:RSLinx、RSNetworkforControl-Net;

3)上位机监控软件:RSView32。Rockwell系统的核心部分是PLC，几乎所有的编程均是在PLC上进行功能实施。其中RSLogix-5000软件是Control-Logix系列处理器专用的编程开发环境［4］。利用RSLogix-5000编程软件可以组态Control-Logix系统的I/O和通讯模块，以及对Control-Logix5550处理器编程，包括对运动控制编程。用户可以在上位机中直接进行梯形图编程，指令的添加既可以用拖拽的方式，也可以直接录入指令文本。同时，RSLogix-5000支持Logix-5000系列可编程控制器［5］。RSLinx是A-B可编程控制器在Windows环境下建立工厂所用通信方案的工具。它为A-B的可编程控制器与各种RockwellSoftware，如RSLogix5/500、RSView32、RSBatch等软件建立起通信联系。RSView32采用了开放的技术，如ODBC、OLE和DDE，并提供了先进的、功能齐全的工具允许现场设备的在线修改，如RSView32允许在运行时改变图形显示、Tag地址、节点地址以及PLC网和设备驱动器的组态调整。RSView32利用MicrosoftWindows操作系统的多任务环境加上自己功能完善的多形式数据记录、实时与历史趋势、报警监控和事件检测等来完成监控系统的控制要求，可以成功的实现控制系统的分析、设计和运行监控［6］。

4．2软件编程

Rockwell自动化控制系统采用的编程方式为梯形图编程，编程软件为RSLogix-5000，该软件能够通过设备网实现在线调试功能。本软件设计中，所有路口的交通控制策略均会在RSLogix-5000的梯形图编程环境中实现，两路口正常情况下的控制策略和紧急情况控制策略将是梯形编程图的主程序，而智能控制策略为中断程序。4．2．1I/O端口分配本设计中，交通灯电路部分需要分配I/O端口的参量有:交通灯输出参量(7个output端口)、中断程序指示输出参量(1个output端口)，其中，交通灯输出参量将对应其控制车流的行驶方向按交通控制策略顺序对应I/O端口。根据演示情况将I/O端口做如表1的分配。4．2．2功能框图综上所述，图4为梯形图软件设计的功能框图［7］。从框图中可以看到，梯形图主程序的主要功能大致分为四个方面:实现一般正常情况下的交通控制策略。车流阻塞识别电路输入信号的处理。智能控制的策略转换。中断程序的入口以及紧急情况下的交通管制处理。中断程序则主要完成两方面的任务，道路阻塞情况下的智能控制策略和实现交通管制控制策略。

4．3监控软件设计

在完成梯形图编程之后，必须通过RSView32组态软件与梯形图建立相对应的联系，通过设置按键、图表、显示窗口的途径对梯形图程序实现结果和各种中间参数实行实时监控，并能对实际电路中交通灯的各种状态加以模拟。

5结束语

本文提出了一种交通灯控制系统的设计方案，采用Rockwell自动化控制系统的三层网络结构，以太网将与控制计算机相连接，作为控制中枢，控制网除连接系统自带的辅助设备外，主要起到使以太网和设备网完成通信的目的，所有的交通灯、传感器将连接到设备网，完成在正常情况和紧急状况下对十字路口和丁字路口两路口红绿灯进行交通控制的基本任务。实现的系统能根据南向来车的等待车队长度判断是否改变现行控制策略，进行智能优化分流操作及人性化交通管制。软件上采用RSLogix-5000编程软件采用梯形图编程，实现设计所要求的功能。其人机界面十分友好且拥有很多独特的功能模块，能够帮助编程者尽量简化程序长度，从而提高了程序的可靠性。监控界面采用RSView32组态软件，利用其良好的通用性及可扩展性完成了系统的监控功能。Rockwell系统实现的交通灯控制具有较强的抗干扰能力，系统结构简单紧凑，可靠性高。