智能交通灯系统设计

　智能交通灯系统设计

　1. 背景及意义 1.1. 目标和意义 伴随社会经济发展，城市交通问题也越来越引发大家关注，交通堵塞也成为大家天天必需面正确问题；交通堵塞不仅浪费大量时间，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，怎样有效降低城市交通堵塞，协调好人、车、路三者之间关系，已成为各大城市面临难题之一。交通灯系统作为交通系统中关键元素，对缓解交通堵塞饰演者关键角色。伴随现在社会飞速发展，红绿灯在道路上比较普遍，几乎每个路口全部会出现，尤其是较大路口，变换时间周期更长，效率低。所以，怎样确保紧急车辆在道路上不受红绿灯限制但又不闯红灯，使之通畅无阻行驶，这便成为亟待处理问题。本文关键针对这些问题，提出了智能交通灯系统设计，该系统能够智能合理地设置红绿灯时长和相位切换，就能够降低一个周期内十字路口前排队车辆，从而有效地缓解交通堵塞。

　1.2. 中国外现实状况 交通灯诞生于 19 世纪英国，1958 年，在英国伦敦关键街头安装了以燃煤气为光源红、蓝两色机械扳手式信号灯，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会议大厦前广场上安装了煤气红绿灯。19 ，电气开启红绿灯出现在美国，这种红绿灯由红绿黄三色圆形投光器组成。19 又出现了带控制红绿灯和红外线红绿灯，带控制红绿灯，一个是把压力探测器按在地下，车辆靠近时，红灯变为绿灯；另一个是用扩音器来开启红绿灯，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路面时，它就能觉察到有些人要过马路。红外光束能把红灯延长一段时间，推迟汽车放行。信号灯出现，对交通进行有效管理，疏导交通流量、提升了道路通行能力，降低交通事故含有显著效果。欧洲及日本在交通灯研究上起步较早，美国于上世纪九十年代才开始逐步重视智能交通信号控制系统研究。

　20 世纪 70 年代末，澳大利亚成功研制出了 SCATS 系统，该系统采取分层控制，以饱和度和综合量为关键依据，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依据情况从多种已经制订方案选择最优方案，不过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，该系统是一个自适应系统，采取小步长渐进寻优措施，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改变趋势，以预防因配时突变而引发车流不稳定。

　，英国推出了全方面升级 SCOOT 摄像技术智能交通灯系统，该系统采取是视频摄像技术，经过自动计算需要过马路人群数量来调整对应红绿灯时间。当检测到大量行人在等候，系统会自动延长绿灯放行时间，让大家有充足时间过马路。另外，假如检测到没有些人过马路，和有些人按了穿行键就走了情况，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，经过采取 puffin 人行道，该系统也能够提升行人穿越马路时安全系数。现在，这种人行道在信号灯箱上安装了传感器，探测到有行人等候时，就能主动更换信号灯颜色。不一样于以前 pelican 人行道，升级后信号灯从红绿灯图案转换为人形“行走/停止”样式，方便了对信号灯颜色查看有障碍残障人士，还省去了换信号时闪烁过程。

　中国对交通研究关键集中在交通流微观模拟和仿真、交叉口交通控制策略优化和交通流参数检测和车流量监测等多个方面。大连理工大学提出基于视频虚拟监测线特征交通流参数检测系统已经在 PC 上实现，并对不一样经典天气下交通流下视频做了试验，结果表明该系统含有较高车流统计精度。西南交通大学提出了交叉口信号评价指标、系统组成原理和交叉口信号控制常见方法，分析平面交叉口安全性、通行能力和车辆延误等关键技术指标。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城市交通流短时估计模型和研究方法，为后续交通信号控制提供必需交通流数据。大连海事大学采取模糊逻辑、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通畅行，以缓解城市交通拥堵造成危害。哈尔滨工业大学分析了智能交通信号灯控制所需关键技术和发展现实状况，建立了基于图像处理智能交通灯控制系统，并经过试验验证了该系统有效性。南京邮电大学对基于视频车辆检测和跟踪算法进行了研究和实现，并取得了良好试验效果。

　国外交通灯控制系统在中国实用性有待深入验证，依据调研现在中国采取西门子提供 SCOOT 智能控制系统，也是中国规模最大、最优异控制系统。该系统即使在一定程度上缓解了城市交通拥堵问题，不过伴随社会发展，该系统也逐步暴露出了种种缺点，如配时有限性，据调研发觉大部分路口交通灯系统配时只有多个预先设置好时间，交通灯依据埋藏在距离路口 100 左右地下感应线圈粗略算出车流量，再依据流量选择配时，而且相位不能够切换，只能按次序一个一个完成，这就造成当其中一个相位没有或车极少而另外相位车流很大，排队车辆很多时，车少相位交通灯仍然要经过一个红绿灯周期，而车流量很大相位只有等到轮到该相位时车辆才能通行，这么既造成交通拥堵还浪费了时间，还有我们常常晚上经过十字路口时，即使其它方向没车没行人，不过碰到红灯仍然要等候；鉴于此，设计了一个基于 PLC 控制智能交通灯系统。

　2. 总体方案设计 针对现实中交通堵塞问题，本文提出了一个经过控制器智能控制交通灯时间处理方案，该控制系统关键构思图 2-1 步骤图所表示。

　 图 2-1 总体步骤图 基于 PLC 智慧交通灯采取红外传感器和声音传感器相配合感知系统，红外传感器实时计算经过路口车流量，而且实时和微处理器通讯，反馈车流量数据。同时声音传感器采集对应车辆声音频率，如消防车、医疗车等含有特殊发声器特殊车辆。若匹配对应频率，将数据立即反馈给微处理器。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。

　首先微处理器能够经过车流量数据和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，如上下班和上下学等特殊时期，增加或降低红灯时间，车辆能够有序快速经过路口，利于降低交通堵塞。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，降低对应车道红灯时间，特殊车辆能够快速经过，立即救灾，降低人员财产损失。

　其次经过 Zigbee、Wifi、4G 网络等无线通信协议，车流量数据和特殊车辆数据传送到云端。经过云计算和云数据存放，开放对应接口，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车流量信息，如遇特殊车流量高峰，能够立即派发人手疏导交通，降低交通拥挤情况，同时降低二氧化碳排放，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，为用户开发出对应 app 和对应车载硬件系统。用户获取每个路口车流量数据，能够合理计划自己时间旅程安排，不给交通添堵，不耽搁自己事情。总体方案图 2 所表示。

　 控制系统具体实施设想以下：

　车辆检测装置实施方法有以下多个：

　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地方安装车牌分辨器，按车道对紧急车辆进行检测； 检测信号处理方法：对检测器检测信号进行初步处理，该处理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； 检测信号传输及对红绿灯系统控制：检测信号经过处理后，依据紧急车辆所在车道，经过有线传输方法或无线传输方法传输到对应红绿灯信号控制系统（推荐用无线信号传输方法，例电磁波传输），信号传输到红绿灯信号控制系统后，依据以前分析，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、信号传输均和前面所述相同，只是在控制时，1 时表示车辆还未经过,0 时表示车辆已经经过，使红绿灯控制系统恢复正常。

　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

　3. 车流量监测模块设计 3.1. 车流量监测原理 十字路口车流量实时监测对于交通控制系统含有十分关键意义，传统监测方法通常在距离十字路口约一百米地下埋上感应线圈，当车辆经过时便能够计数，不过该方法实时性比较差，误差较大，所以在本文中采取红外传感器监测方法。即在距离十字路口一定距离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，这种流量监测方法实时性好，误差较小，其微处理器采取是 PLC，其原理框图以下图1.1所表示；车辆流量记数、交通灯时长控制可由可编程控制器(PLC)来实现。当然，也可选择其它种类计算机作为控制器。本文选择 PLC 作为控制器件是因为可编程控制器关键是一台计算机，它是专为工业环境应用而设计制造计算机。它含有高可靠性丰富输入/输出接口，而且含有较强驱动能力；它采取一类可编程存放器，用于其内部存放程序，实施逻辑运算、次序控制、定时、计数和算术操作等面向用户指令，并经过数字或模拟式输入/输出控制多种类型机械或生产过程；它采取模块化结构，编程简单。

　红外线传感器PLC 交通灯配时 车辆行驶 图 3-1 检测模块原理框图 本文中 PLC 选择三菱 FX2N，其输入端接收来自各个路口车辆探测器测得输出标准电脉冲，输出接十字路口红绿信号交通灯。

　3.2. 车流量监测放大电路设计 在本文中,采取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 以开启计数器计数。检测放大电路原理图图 3-2 所表示。

　 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，放大器选择 LM324 集成运算放大器。当检测区间有车辆经过时，PT 输出对应电压脉冲信号，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。或门输出和 PLC T0 端和 INT0 端同时相连接。R2 和 C1 组成阻容滤波，其它滤波电路依据测试情况进行调整。RW1 是对放大倍数进行调整。

　当 U1C 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 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 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 输出经逻辑或输出脉冲信号到 PLC。变阻器 RW2 用于设定窗口阀值电平，RW1 和 RW2可调整检测放大电路灵敏度，使得低于车辆红外特征干扰信号被滤除。

　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 组成看门狗电路等组成。该系统能够实现对应车道车流量统计。车流量检测系统方案设计图 3-3 所表示。

　3.4. 传感器放置 热释电红外传感器需安装于道路上方合适高度和位置。当有车辆经过时，传感器输出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出口地(停车线处)和在离出口地一定远进口地方各安放一个相同传感器，方案图 3-4(以经典十子路口为例)，同一股道上两传感器相距距离为该股道正常运行时所许可最长停车车 长 为 好 。

　热 释 电传感器 滤波及二级放大电路 窗 口 比较器

　PLC

　FX2N 看 门 狗电路 图 3-3 车流量检测系统框图

　 图 3-4 传感器安装图 4. 声音检测模块设计

　伴随现代科学技术飞速发展，在智能交通中，交通灯（红绿灯）系统人性化、智能化控制越来越关键。红绿灯是对行人和车辆起到秩序化放行和安全通行交通设备，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手段，交通灯使交通得到有效管制，对于疏导交通流量、提升道路通行能力、降低交通事故有显著效果。不过伴随现在社会发展，道路上行驶车辆也越来越多，且红绿灯在道路上比较普遍，几乎每个路口全部会出现，变换时间周期长。碰到紧急情况后，比较常见便是联络 110、119、120 三个救助站，需要这些紧急车辆以最快速度抵达现场。现在即使紧急车辆能够不受交通系统限制，不过紧急车辆闯红灯会造成交通系统混乱，也极有可能出现交通事故，所以，怎样确保紧急车辆在道路上不受红绿灯限制但又不闯红灯，使之通畅无阻行驶，这便成为亟待处理问题。

　针对以上提出问题，本文提出紧急车辆安全通行系统，以确保紧急车辆在行驶过程中能够愈加通畅行驶。紧急车辆安全通行系统总体方案图 4-1 所表示，每台紧急车辆上配有特殊超声波声音发射装置，在距离每个安装交通灯路口对应位置设置能够识别该超声波声音传感器，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对应超声波，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输信号后，对信号进行处理，处理后信号经PLC控制系统输出端输出，传输到交通灯控制系统，完成对交通灯控制。

　 1) 超声波发生 超声波是用来判别进给车辆和一般车辆关键方法。在每个进给车辆上全部可配置同一波频超声波发生器。发生器原理是首先由信号发生器来产生一个特定频率信号，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频率，通常应用在超声波设备中超声波频率为 20KHz、25KHz、28KHz、33KHz、40KHz、60KHz 等。

　2) 超声波检测 紧急车辆发出特定频率超声波后，需要特定装置对该超声波进行检测并识别。超声波检测能够采取声音传感器来实现，声音传感器能够检测到由超声波发生器发出超声波，对其进行识别，并作初步简单处理。经声音传感器检测并处理信号传输到 PLC 数据处理系统中，以完成后期工作。

　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信号后，需对其进行对应处理，由声音信号转换为电信号，不一样信号其对应波频不一样，依据不一样波频便可输出对应电信号，电信号可用方波信号来实现，即 0/1 信号，方便后期处理。

　4) 控制交通灯 经 PLC 处理信号传输到交通灯系统后，依据不一样信号对交通灯实现不一样控制，如检测到紧急车辆时，即便现在正处于红灯状态，也需强制性转换为绿灯，直至紧急车辆经过该路口为止。

　5. 创新点 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) 采取声音识别模块，能够正确识别特殊车辆，使其快速经过路口，降低特殊车辆等候时间。

　2) 基于云服务，将实时车流量数据发送到云端进行处理。