基于PLC的交通信号灯智能控制系统设计
收稿日期 : 2008 - 07 - 22
基金项 目 : 安 徽 省 教 育 厅 自 然 科 学 重 点 科 研 项 目 资 助
(2006KJ017A)
作者简介 :崔 祎 ( 1975) ,男 ,硕士研究生 ,副教授 ,从事自动控
制、人工智能控制研究。
基于 PLC的交通信号灯智能控制系统设计
崔 祎 ,周 力
(安徽工程科技学院 电气工程系 ,安徽 芜湖 241000)
摘要 :该文针对城市交通道路十字交叉路口的交通灯信号控制存在的问题进行了探讨 ,提出一
种新的控制方案 ,由 PLC承担主要的控制任务 ,采用模糊控制的算法 ,通过主相位和辅相位的自选
择 ,建立拟人化的多相位信号灯智能控制。实验表明 ,该控制方法对减少车辆平均延误时间、提高
路口通行能力具有很好的控制效果。
关键词 :十字交叉路口 ;交通灯 ;模糊控制 ;多相位 ; PLC
中图分类号 : TP273 + 11 文献标志码 : A 文章编号 : 1000 - 0682 (2009) 03 - 0022 - 04
The design of traffic signal light in telligent con trol system ba sed on PLC
CU I Yi, ZHOU L i
(Science Electrical Engineering Departm ent, Anhui University of Technology, AnhuiW uhu 241000, China)
Abstract: The content of text is concentrated on the discussion in view of the municipal transporta2
tion crossroad traffic light signal control existence question, proposed one kind of new control plan, uses
the fuzzy control the algorithm, through the host phase and the auxiliary phase from the choice, establi2
shes the personification the signal light intelligence control, and undertakes the main control task by per2
formance superior PLC. Indicated after the modeling that, this control method to reduces average delay
time of the vehicle to have the obvious control effect.
Key words: crossroad; traffic light; fuzzy control; multiphase; PLC
0 引言
由于城市的发展和人们生活水平的提高 ,交通
路口通行问题已变得越来越严重。尽管交通路口的
信号控制已普遍使用 ,但由于控制方法的落后而达
不到良好的控制效果。多年来 ,人们对城市交通控
制进行了系统的研究 ,也取得了不少的研究成果 ,其
一般的方法是先建立城市交通控制系统的数学模
型 ,然后进行最优控制 ,例如目前应用比较多的两个
系统 : SCATS、SCOOT,他们或采用方案选择式或需
建立精确的参数模型。但城市交通系统是一个复杂
的、多变的超大型系统 ,不仅准确的数学模型难以建
立并且方案的有限性也难以适应变化的交通系统 ,
所以它们的控制效果也不理想。另外 ,很多研究人
员也提出了一些方法和措施 ,但由于各种原因 ,这些
方法和措施都存在着一定的不足之处。因此 ,研究
一种高效的、智能的交通控制系统是十分必要的。
随着计算机技术、自动控制技术和人工智能技
术不断发展 ,城市交通的智能控制有了强硬的基础 ,
实现的可能性大大提高。该文基于我国交通的现
状 ,提出一种新的控制方案 ,根据十字路口停车道前
的车队长度和各相位换相的要求 ,采用模糊控制的
算法 ,通过主相位和辅相位的自选择 ,建立拟人化的
多相位信号灯智能控制 ,并由性能优越的 PLC为控
制核心 ,以降低路口车辆停车延误时间 ,提高路口的
通行能力。
1 控制方案
1. 1 控制对象
城市道路的十字路口是城市交通运输的咽喉 ,
如何使各种交通流顺畅地通过是城市交通信号控制
系统成功与否的关键。随着现代城市的发展 ,交通
流量的增加 ,现在的大中城市都以 6车道居多 ,该控
·22· 工业仪表与自动化装置 2009年第 3期
制方案即以 6车道为控制对象 ,其结构如图 1所示。
图 1 十字路口结构图
在以前研究中 ,往往只考虑两个方向的直行车
流 ,并把右转方向作为常通来考虑 ,这忽视了在我国
大多数城市里没有过街天桥或地下通道的情况下行
人安全通行的要求 ,所以 ,在设计中 ,把右转相位加
以考虑。经过对交通路口的长时间调查和研究 ,设
计将路口的信号相位分为主信号相位和辅信号相
位。其中 ,主信号相位为东西向直行、东西向左转加
右行、南北向直行、南北向左转加右行。一般情况
下 ,控制信号在主相位之间进行转换 ,但根据交通流
的实时需要可以转换到辅相位 ,如图 2所示。
图 2 信号控制系统相位转换图
当主相位 1执行完毕后 ,控制系统将同时进行
相位 2、5、6转换条件的模糊判断 ,一般情况下 ,系统
将会直接将相位转换到主相位 2,但当系统发现满
足辅相位 5或 6的触发条件时 ,系统将会选择该相
位 ,待执行完毕后直接转换到主相位 2。依此类推 ,
周期性的进行信号灯的智能控制。
112 控制量
智能信号的控制实质上就是模拟一个有经验的
交通警察面对复杂的交通情况如何有效的指挥各车
道车辆通行的行为 ,也就是根据正在放行的相位各
车道上车辆的多少与下一相位上排队等待的车辆的
多少进行比较 ,判断是否将通行权转给下一相位。
因而 ,在对队长的判断时一般是以各车道的平均车
队长度 LP 作为判据。LP 的计算是用同相位各车道
的队长除以车道数。
设定放行相位初始绿灯时间为 Gs、该相位的最
大绿灯时间为 Gm (为防止该相位长时间占用通行
权 )以及根据模糊判决在该相位应增加的绿灯延长
时间 △T。
113 具体控制方案
由图 2可知 ,信号系统共有 8个相位 (即 8个状
态 ) ,在一个周期内这 8个相位按实际的要求进行
换相 ,对 PLC控制来说 ,这相当于 8个状态 , PLC在
控制时按实际的要求进行状态的转移。一般情况
下 ,主要进行状态 1、2、3、4 (相位 1、2、3、4)的顺序转
移 ,但在转移过程中 ,若满足辅相位 (状态 5、6、7、8)
换相 (转移 )条件时 , PLC就利用选择分支与汇合技
术进行状态转移。对于多相位信号控制系统 ,通行
相位的选择方式是关系到系统能否正常、有效运行
的重要方面。将系统的相位分为主相位和辅相位增
加了相位选择的灵活性和相位转换的合理性。其辅
相位触发条件为 :正在通行相位的直行两个行驶方
向中 ,一个队长 L1 为零 ,另一个方向队长 L2 为中等
以上。
PLC信号控制的具体方法为 :
(1)在状态 1,首先根据 LP 的检测数据 ,采用模
糊控制算法 ,得出初始绿灯时间 Gs , 令 Gs = T, 将 T
通过 PLC的功能指令传送给计时器并由 PLC开始
执行。
(2)当执行完初始绿灯时间 Gs 时 ,输入检测到
的各队长数据 ,判断是否满足辅相位触发条件 ,若满
足则根据 L1 、L2 的数据转到对应的状态 5或状态 6;
若不满足 ,则根据 LP 通过模糊控制来判定是否转移
到状态 2,若不转移 ,则由模糊控制算法得到一绿灯
延长时间 △T,如果 T + △T > Gm ,则将 △T = Gm - T
通过 PLC的功能指令传送给计时器并由 PLC执行 ,
执行结束后 ,立即进行状态转移。如果 T + △T <
Gm ,则将 △T通过 PLC的功能指令传送给计时器并
由 PLC执行 ,同时令 T + △T = T,重复 (2) (此时的
Gs 为 △T) 。
(3)在状态 5或 6,先执行 ( 1) ,然后根据 LP 由
模糊控制判定是否转移到状态 2,若不转移则按 (2)
中所述进行控制。
(4)在状态 2,仍是先执行 (1) ,然后根据 LP 由
模糊控制的判定是否转移到状态 3, 若不转移则按
(2)中所述进行控制。
(5)对状态 3、4和 7、8,控制方法同上述方法基
本相同 ,不再赘述。
通过对控制方案的描述 ,可以看出此方案有如
下特点 :
·32·2009年第 3期 工业仪表与自动化装置
(1)控制信号能在多个设定的相位间自主地进
行转换 ,充分地适应交通流变化的需要 ;
(2)在各相位 Gs 的设定上 ,根据该相位实际车
队长度给出 ,提高了信号长度的灵活性;
(3)能根据各相位的实际车流通过模糊控制算
法动态调节各相位的绿灯信号长度 ,实现信号随交
通流变化进行实时控制。
2 模糊控制算法
2. 1 相位初始绿灯时间的模糊设定
在传统的信号控制中 ,一般都给初始绿灯一固
定的时间 ,其不足之处是不考虑具体车流情况 ,从而
在很多时候会使绿灯时间白白浪费 ,因此 ,该设计采
取模糊控制的方法 ,根据各相位的实时队长 LP , 对
相位初始绿灯时间进行模糊设定。
模糊控制器的输入变量为相位的 LP ,其变化范
围为 1～30;输出为 Gs ,其变化范围为 15～60,它们
的论域分别为 {1, 2, 3, 4, 5, 6}、{1, 2, 3, 4, 5},量化
因子和比例因子分别为 0. 18和 0. 9,模糊集都为
{S,M, B } ,其隶属函数赋值表分别如表 1、表 2所
示。
表 1 L p 赋值表
隶属度 LP
模糊集
1 2 3 4 5 6
S 0. 6 1 0. 4 0 0 0
M 0 0 0. 5 1 0. 5 0
B 0 0 0 0 0. 6 1
表 2 Gs 赋值表
隶属度 Gs
模糊集
1 2 3 4 5
S 1 0. 5 0 0 0
M 0 0. 5 1 0. 5 0
B 1 0. 5 0 0 0
信号相位初始绿灯时间的模糊控制规则为 :
IF LP = S THEN Gs = S
IF LP =M THEN Gs =M
IF LP =B THEN Gs =B
根据 Mamdani推理法可求出模糊关系 R,然后
用重心法进行模糊判决求出模糊控制查询表 ,再由
比例因子进行论域变换求出精确量输出查询表就可
以对相位绿灯信号进行实时控制了。
212 相位转换模糊控制
相位转换包括主相位到主相位和辅相位到主相
位的转换。在下面两种情况下 ,相位发生转换 : (1)
队长 LP 为零; ( 2)达到最大绿灯时间。但是 , 如果
当前相位的队长 LP 和下一待转相位的队长 LP 相比
很短并且当前相位已用较长时间时 ,综合来看就应
当结束当前相位而转到下一相位 ,以让更需要通行
的相位通行。另一方面 ,如果当前相位的队长 LP 和
下一待转相位的队长 LP 相比很短但当前相位只用
了较短的时间时 ,就不能进行相位的转换 ,以免相位
过早的转换。因此 ,对多相位控制系统 ,既要避免某
一相位长时间占用绿灯时间 ,又要防止绿灯信号的
早断。为做到这一点 ,排队队长和绿灯所用时间是
重要的参数。为此设当前相位的队长 LP 与下一待
转相位的队长 LP 之差 △W 和最大绿灯时间 Gm 与
当前相位已用时间之差 △G作为相位转换模糊控制
的输入量 ,把相位是否转换 C作为其输出量。
△W、△G的论域分别为 { - 3, - 2, - 1, 0, 1, 2,
3}、{ 1, 2, 3, 4, 5} ,语言变量分别为 {负大 , 负中 , 负
小 ,零 ,正小 ,正中 ,正大 }、{很小 ,小 ,中 ,大 ,很大 } ,
其隶属函数赋值表分别和表 1、表 2类同 ,此处不再
赘述。
相位转换的模糊控制规则比较简单。用 Y表
示进行相位转换 , N 表示不进行相位转换。经过模
糊推理和判决 ,进行 0、1输出控制相位的转换。
213 绿灯延长时间 △T的模糊控制
当系统判定相位不进行转换时 ,就给当前通行
相位增加一延长绿灯时间 △T。
在前面的初始绿灯时间模糊设定的时候 ,并没
有把时间范围的最大值定在最大绿灯时间上 ,这是
由于所取输入量为平均队长的缘故 ,比如在相位 1,
若根据 LP 大取 Gs 为 Gm 就可能会造成某一方向在
绿灯时间内有通行权而无车。所以 ,在系统判定不
换相时 ,通过模糊控制根据新的交通数据给当前相
位加一延长绿灯时间 △T。
LP 和 △T的论域分别为 {1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8}、
{1, 2, 3, 4, 5, 6, 7},语言变量分别为 {短 ,较短 ,中 ,
较长 ,长 }、{小 ,较小 ,中 ,较大 ,大 },隶属函数表分
别和表 1、表 2类同 ,此处不再赘述。经过模糊推理
和模糊判决得出模糊控制查询表 ,再由比例因子进
行论域变换求出精确量输出查询表就可以对当前相
位的绿灯时间进行实时控制了。
214 模糊控制在 PLC中的实现
当模糊控制表完成后 ,将此表存放在 PLC的内
存里。首先 ,将各个量化因子置入 PLC的保持继电
器中 ,再将采集到的各个输入量置入 PLC的数据寄
·42· 工业仪表与自动化装置 2009年第 3期
存器中 ,根据它们所对应的输入模糊论域中的相应
元素 ,查模糊控制查询表 (即模糊控制表 ) ,求得模
糊输出量 ,再乘以输出量化因子即可得实际输出量
(也可如文中所述 , 可直接制成精确量输出查询
表 ) ,以达到对相位信号的实时控制。
图 3 实现模糊控制查询的梯形图程序
在整个程序编制中 ,最重要的就是模糊控制查询
表的查询程序编制。该文在此提出一种实现模糊控
制查询表查询的新方法。其梯形图程序如图 3所示。
图中 FNC 10 CMP和 FNC 12 MOV 分别是 FX2N 型
PLC的比较功能指令和传送功能指令。当继电器
X000由 OFF变为 ON时 ,第 1操作数 (如 D202)中数
据分别与第二操作数 (如 D210)开始的连续 7个数字
寄存器中预置的数据进行比较 ,若第一操作数中的数
据与第 2操作数中的某一数据相同 ,则第 3操作数
(如 M0)中的相应位 M1置“1”,否则 M1仍为“OFF”。
D300～D348中按顺序存储着模糊控制查询表中的 49
个控制结果 ,将 D202与 D203中数据分别与输入论域
中的元素 (D210～D216中数据 )相比较 ,由比较结果 ,
根据 M100与 M200的状态查询输出量 ,将其送入
D400,以备输出使用。
3 实验结果
系统由一台 FX2N - 48MR ( FX0N - 8EX、FX0N -
8EYR为扩展模块 )作为主控机 ,实际的交通流数据
由环型线圈检测传输给 PLC输入端 ,检测器安装在
直行和左转车道上 ,每条道安装两个分别检测进入
和离开的车流数 ;十字路口共有 12盏灯 ,每个灯红、
黄、绿三色。PLC输入、输出接线图如图 4所示。
图 4 PLC输入 /输出连接图
在实验室条件下 ,对程序进行了运行实验。实
验以市中心地段一十字路口交通信号控制为样本 ,
此路口采用 SCOOT系统控制。实验前 ,对该路口在
各个时段的数据做了较为详细的采集 ,并进行了归
纳总结。实验时 ,车流数据由自脉冲发生器模拟产
生送入 ,并保证在实验时间内各车道的车辆均匀到
达 ,到达率通过调整自脉冲发生器的周期与该路口
的数据基本相同 ,每次实验时间为 20 m in,在绿灯时
间 ,车辆以 1辆 / s的速率离开路口。实验部分结果
和实地采集的数据对照表如表 3所示。
从表 3可以看出 ,文中所提出的智能拟人多相
位交通信号控制方法 ,可使平均停车延误时间减少
提高 23. 5﹪ ,尽管实验与实际情况存在一定的误
差 ,但仍可表明本文所提出的方法具有明显的控制
效果 ,这为提高交通控制的效率 ,降低交通堵塞 ,减
少路口车辆延误时间 ,提高路口的通行能力 ,加强交
通信号控制的智能性 ,提供了新的方法。
参考文献 :
[ 1 ] 闻淑芳 ,饶 泓. 智能交通系统的发展与思考 [ J ]. 科技
广场 , 2005, (2) : 114 - 117.
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(下转第 93页 )
·52·2009年第 3期 工业仪表与自动化装置
台 UPS脱离进行维修而不影响仪控系统正常运行。
注意正常运行时维修旁路开关禁止合闸。系统正常
运行时若 380 V交流电源掉电 ,所并各台 UPS同时
转电池逆变运行状态并均流运行。以上功能都是在
智能管理下自动完成的 ,在每一种状态变化时 ,都有
相应的报警提示并发出通讯检测信号。
112 直流电源的设计
一般在控制系统中间继电器联锁保护、程序控
制的现场电磁阀电源 ,有的 DCS或 PLC的 I/O卡件
驱动电源等使用 24 V 直流电源。一旦在仪控系统
中 24 V直流供电网络中出现故障 ,也会直接影响到
整个控制系统和生产装置的安全运行。在永煤空分
装置界区内配置了两台西门子 SITOP直流电源 ,输
出 24 VDC,额定电流 10 A。这种直流电源有电子
短路保护、自动再启动、导轨安装等功能 ,可以并联
使用 ,最大并联个数为 5台。电路如图 2所示。
图 2 永煤 52 000 m3 /h空分装置直流电源配置图
从图 2可以看出 ,两台 10 A的直流电源并用实
现了冗余配置 ,同时可靠的 UPS供电更是确保了直
流电源网络的安全性。在设计中 ,虽然 SITOP直流
电源本身可以实现并联应用 ,为了更好的解决两台
电源的匹配和环流的产生 ,在两台直流电源的正极
输出端加入两个正向导通二极管 ,从而避免了由于
两台直流电源输出电压不同而产生的环流影响。
113 仪表电源元器件选型原则
为了保证仪表电源系统在任何情况下都万无一
失 ,必须遵照系统安全的法则实行保守设计。在配
置 UPS和直流电源时 ,单台额定设备容量应该按照
仪表实际耗电总量的 2～3倍考虑 ,且应环形对负载
母线供电。与电源系统配套的辅助设备及辅助材
料 ,如空气开关、熔断器、导线等也需按照仪表实际
耗电量总和的 2～3倍考虑或更大些 ,以满足个别仪
表回路、电磁阀、行程开关等现场个体仪表出现短
路、接地等准故障造成的电流冲击 ,这就是故障安全
的基本思路。在设计中 ,还应当考虑电源系统故障
预报警系统。
2 结束语
人们在使用时往往注重仪表和计算机控制系统
的选型和冗余配置 ,电源系统的设计往往被忽略 ,或
者简单的进行冗余 ,这样容易造成一些安全隐患。
在永煤 52 000m3 /h空分设计中加强了对电源的设
计 ,使得控制系统更加可靠。永煤 52 000 m3 /h空
分装置运行一年多时间非常平稳 ,没有出现什么问
题 ,证明其电源设计是可靠的。
参考文献 :
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(上接第 25页 )
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[ 5 ] 邹金慧. 可编程控制器及其系统 [M ]. 重庆 :重庆大学
出版社 , 2002.
表 3 实验结果比较
平均延误时间
原系统 智能
到达率
直行 左转 右转
东 南 西 北 东 南 西 北 东 南 西 北
提高率
%
38. 2 27. 5 0. 2 0. 4 0. 3 0. 2 0. 05 0. 1 0. 1 0. 0. 5 0. 4 0. 2 0. 4 28
69. 4 62. 1 0. 3 0. 5 0. 2 0. 3 0. 1 0. 15 0. 13 0. 08 0. 6 0. 2 0. 3 0. 4 10. 5
25. 6 14. 1 0. 2 0. 1 0. 3 0. 2 0. 1 0. 03 0. 04 0. 13 0. 4 0. 3 0. 3 0. 2 44. 7
74. 1 66. 2 0. 4 0. 43 0. 2 0. 4 0. 1 0. 15 0. 05 0. 08 0. 3 0. 5 0. 4 0. 3 10. 6
44. 6 36. 7 0. 1 0. 1 0. 4 0. 3 0. 1 0. 05 0. 07 0. 15 0. 3 0. 3 0. 5 0. 6 17. 7
26. 1 15. 8 0. 3 0. 2 0. 1 0. 2 0. 14 0. 13 0. 06 0. 1 0. 4 0. 5 0. 1 0. 2 39. 4
平均 23. 5
·39·2009年第 3期 工业仪表与自动化装置
基于PLC的交通信号灯智能控制系统设计.pdf
