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秦常贵广东松山职业技术学院
摘要：目前交通信号灯的红绿灯时间设置是固定不变的。为此，采用基于 PLC 技术设计的交通信号灯控制系统。在满足基本功能的基础上，提出并着重解决了“24 小时分时段全自动智能切换红绿灯时间设置”的控制问题，以及“急通”功能的实现。同时，给出了完整的硬件接线图和控制程序。自制的模拟电路对控制系统进行了调试与运行。该系统具有多方面的功能，一是能够减轻交通高峰期的拥堵；二是可以减少非交通高峰期的时间等待；三是能够随时为紧急通行车辆开启绿灯。这些功能使得交通系统的运行效率和管理水平得到了有效提升，达到了预期的设计效果。
智能交通系统中，交通信号灯会根据高峰期和非高峰期进行分时段全自动切换。在高峰期和非高峰期，PLC 会控制交通信号灯的切换，以满足不同时段的交通需求。同时，在紧急情况下，交通信号灯也可以进行紧急通行的切换。
作者秦常贵，出生于 1973 年，男性，是湖南省双峰县人。他拥有硕士学位，担任副教授和高级实验师的职务，研究方向为 PLC 控制等自动化技术。其电子邮箱为：。
近年来，我国汽车保有量持续快速增长，这使得道路通行车辆急剧增多，交通拥堵状况愈发严重。为缓解交通拥堵，一些城市十字路口的交通信号灯的红绿灯时间设置逐渐变长。在交通高峰期，科学地延长红绿灯时间，能让更多车辆得以通行，进而提高通行效率。然而在非交通高峰期，尤其是交通低峰期和深夜时段，如果红绿灯时间过长，就会浪费驾驶者的时间。目前交通信号灯的红绿灯时间设置大多不分时段，24 小时都是固定的，这显然与现代快节奏的工作和生活不相符。 目前交通信号灯的红绿灯时间设置基本没有区分时段，全天 24 小时都是固定不变的，这明显与现代快节奏的工作及生活不适应。 目前交通信号灯的红绿灯时间设置通常是不分时段的，24 小时一直是固定的，这显然和现代快节奏的工作与生活不匹配。一些学者[1,2,3,4,5]针对不同时间段以及不同的红绿灯时间设置展开了研究，不过依然需要人工去进行手动模式的切换；还有一些研究[6,7,8]依据实时的车流量来对红绿灯时间实施控制，然而这类系统的配置要求比较高，并且后期的维护工作量也很大。所以，在实际的应用过程中，仍旧采用红绿灯时间固定设置的模式。当出现重大火灾或其他突发事件，且有大量消防车或其他救援车辆需紧急通过时。如果交通信号灯不能及时为其开启绿灯，那么就会影响救援时间。而目前十字路口的交通信号灯大多都不具备这样的功能。目前的交通信号灯大多是由单片机来控制的[9,10,11,12,13]。这种情况下，其控制系统的设计会比较繁琐，尤其是在控制功能较为复杂的时候。并且它的性能也不够稳定，故障率较高。一旦交通信号灯出现故障，就常常会使得交通变得无序，出现拥堵的情况，甚至会导致交通瘫痪。针对上述问题，本文将选用性能可靠且价格逐渐降低的 PLC 作为控制器。在能够满足交通信号灯基本功能的条件下，提出并着重解决 24 小时分时段全自动智能切换红绿灯时间设置的控制问题，以及实现“急通”功能。这样能让交通变得更智能，更贴合现场实际情况，也更具人性化。
1 系统简介及控制功能设计
本控制系统以十字路口交通信号灯为例，在东南西北四个方向分别安装：一个绿灯用于允许直行；一个黄灯用于警示直行停车；一个红灯用于禁止直行；一个绿灯用于允许左转；一个黄灯用于警示左转停车；一个红灯用于禁止左转；一个绿色数码管用于显示绿灯时间；一个红色数码管用于显示红灯时间。正常工作时，东方向的工作状态与西方向保持一致，南方向的工作状态与北方向保持一致。具体的控制功能如下：
目前的大部分交通状况表明，一天 24 小时大致可分为 7 个时间段，这如 图 1 所示。图 1 里，00:00 到 05:00 属于交通深夜期（这是自定义的时段）；05:00 到 07:00 是交通低峰期；07:00 到 09:00 为交通高峰期；09:00 到 18:00 是交通平峰期；18:00 到 20:00 是交通高峰期；20:00 到 22:00 是交通平峰期；22:00 到 24:00 为交通低峰期。交通部门要根据各个时间段的车流量大数据来分析、测算和决策，具体应划分多少个时间段以及每个时间段从几点到几点才更科学合理。交通低峰期、交通高峰期和交通平峰期的红绿灯时间设置不一样，并且能实现全自动切换，其中也包括交通深夜期。
图1 24 h交通状况分布 下载原图
Fig.1 in 24 h
交通处于深夜时段。此时车流量极少。东南西北 4 个方向的红绿灯都处于不亮的状态。然而，4 个方向的所有黄灯却以 1Hz 的频率不停闪烁，其作用是进行警示，提醒驾驶者要减速慢行。
交通处于低峰期时，车流量较少，所以设计的红绿灯时间较短。因为东西方向和南北方向的车流量存在差异，所以设计东西直行的时间为 30 秒，东西左转的时间为 20 秒，南北直行的时间为 25 秒，南北左转的时间为 15 秒。具体多长时间合适，由交通部门依据车流量大数据来进行测定，以下情况相同。东西方向允许直行的绿灯先亮，与此同时，东西左转、南北直行和左转的红灯亮起；当东西直行绿灯的时间结束后，东西直行绿灯熄灭，同时东西直行黄灯亮起 3 秒，接着东西直行黄灯熄灭，并且东西直行红灯亮起、东西左转红灯熄灭、东西左转绿灯亮起；东西左转、南北直行、南北左转的工作过程和东西直行是一样的，只是绿灯亮的时间有所差异（以下情况相同）。
交通处于平峰期时，车流量较为一般。其中，东西方向直行的时间为 60 秒，东西方向左转的时间为 40 秒，南北方向直行的时间为 50 秒，南北方向左转的时间为 30 秒。
交通高峰期时，车流量较大。其中，东西方向直行时间为 90 秒，东西方向左转时间为 60 秒，南北方向直行时间为 75 秒，南北方向左转时间为 45 秒。
急通结束后，东南西北 4 个方向黄灯持续亮 5 秒，之后系统自动恢复正常工作状态。
为节省输出点数的使用并且提高驾驶员的注意力，本系统仅使用了一位数码管来显示时间，即只有当时间小于 10 秒时才会进行倒计时显示。
在深夜的交通时段以及交通紧急状态下，数码管不会显示时间，而是处于关闭的状态。
系统启动时，若在非“交通深夜期”按下系统启动按钮，那么东南西北 4 个方向的黄灯会持续亮 5 秒，接着会自动进入红黄绿灯正常工作模式；倘若在“交通深夜期”按下启动按钮，系统就会直接进入“交通深夜期”工作模式。
系统停止时，不会采用瞬时停止的方式。即当按下系统停止按钮后，系统不会立即停止工作，而是会继续工作，直到当前循环结束，之后系统会自动停止。
2 PLC控制系统设计1) PLC选型
本控制系统选用了 PLC 实训室现有的三菱 FX2N-64MR 主机当作控制器。同时，还另外选取了 FX2N-48ER 扩展模块，目的是为了扩展输出点数。
2) PLC控制系统I/O分配及I/O接线原理
PLC控制系统I/O分配及I/O接线原理如图2所示。
图2 PLC控制系统I/O接线原理 下载原图
Fig.2 I/O of PLC
3)控制程序设计
PLC 控制程序设计通过将 SFC 与梯形图混合编写来实现。其中，SFC 程序如图 3 所展示，梯形图程序如图 4 所呈现。
图3 PLC控制程序SFC 下载原图
Fig.3 SFC of PLC
图4 PLC控制程序梯形图 下载原图
Fig.4 of PLC
三菱 FX2N 系列 PLC 的系统时间有这样的控制程序说明：其时间分别按“星期、年、月、日、时、分、秒”的顺序实时存储在特殊数据寄存器 D8019 至 D8013 中。如图 5 所示。
图5 PLC系统时间存储位置 下载原图
Fig.5 of PLC time
图 3 程序有两个作用：一是按下系统启动按钮后，不会让系统突然瞬时点亮红绿灯，而是先让东南西北 4 个方向的所有黄灯持续亮 5 秒，以此提示驾驶者交通信号灯即将开始正常工作；二是之后会自动进入红黄绿灯正常工作模式。这样做既能有效避免系统启动前正在通过路口的车辆来不及刹车而闯红灯，也能避免车辆紧急刹车而导致追尾事故，并且能在 05:00—24:00 非“交通深夜期”控制红黄绿灯正常工作。
2. 对于交通深夜期：首先需清除图 3 程序的工作，接着可直接借助特殊辅助继电器 M8013 来达成东南西北黄灯的闪烁效果。需明确，这段程序要放在图 3 程序之前。不然的话，系统就无法正常工作，这是由 PLC“从上至下”的循环扫描工作方式所导致的。确定红绿灯定时器的设置值时，定时器设置值等于时间除以精度。因为 T0 至 T199 的定时精度是 100ms，所以可以依据绿灯的具体时间来确定各设置值的大小。期间绿灯方向会亮 2 次黄灯，每次黄灯持续 3 秒。所以红灯方向的定时器设置值，等于绿灯方向 2 个绿灯的设置值再加上 60。本控制系统计时红绿灯时间的定时器设置值，不是采用常数，而是巧妙地运用了数据寄存器，以此达到大大优化程序的目的。在图中，S0、S10、S11 必须并联，不然的话，第一个循环就不会有绿灯亮。将定时器的设置值转换为时间。因为定时器的定时精度是 100ms，所以设置值是时间（s）的 10 倍。于是把设置值都除以 10，这样就把设置值转换为时间（s）了。在图中，S0、S10、S11 必须并联，不然的话，第一个循环就没有倒计时显示。倒计时显示的方式是：借助特殊辅助继电器 M8013，每 1 秒就会使时间减少 1 秒，接着通过七段译码指令 SEGD 与外接数码管来进行倒计时显示。因为所有的应用指令都具备保持功能，所以在倒计时结束后，需要利用区间复位指令 ZRST 及时把数码管的显示清除掉。充分利用 PLC“从上至下”的循环扫描工作方式，把急通控制放置在程序的最后。当急通开始时，首先要关闭所有的信号灯和数码管，并且清除图 3 程序的工作。与此同时，要置位 S10，为急通结束后恢复正常工作做好准备。接着，通过数据传送指令 MOV 以送十六进制数的方式来控制输出点，这样极大地简化了程序设计。急通结束时，通过巧用急通开关产生的下降沿信号来清除急通信号。与此同时，系统会进入刚启动的状态，也就是东南西北 4 个方向的所有黄灯会先持续亮 5 秒，以此来提示驾驶者急通结束，并且系统即将进入正常工作模式。
系统刚启动时，采用所有黄灯持续亮 5 秒后再进入红黄绿灯正常工作模式。“急通”结束后，也采用同样方式。这种模式有别于“交通深夜期”的工作模式（所有黄灯闪烁），有助于驾驶者进行观察、判断和驾驶。
在不同交通期进行切换的时候，为了保证红绿灯时间不会突然发生变化，程序控制会先把当前的循环运行完毕，然后在开始下一个循环的时候，自动去切换红绿灯时间的设置。
4)系统调试与运行
首先使用编程软件 GX 来设置 PLC 系统时间，这如图 6 所示。在保证某个交通期内运行无误之后，接着修改 PLC 系统时间，让其接近下个交通时段，然后仔细查看时间设置切换是否正确，如此这般便可以大幅缩短调试周期。
图6 PLC系统时间设置与校准 下载原图
Fig.6 Time and of PLC
为了模拟现场进行调试，笔者用万能板制作了模拟电路。通过该模拟电路，对系统进行了全面且反复的调试。调试内容包括系统的启动、停止，交通深夜期的工作情况，红绿灯时间设置的分时段全自动切换，以及急通等。所有的控制功能都已实现。系统调试与运行的情况如图 7 所示。系统在实训室连续运行了 2 个星期。在运行过程中，除了时间方面存在略微的差异，即 PLC 系统时间快约 10 秒外，其他方面都正常。PLC 系统时间受时钟精确度影响，与北京时间不同步是难以避免的。当两者相差较大时，在任何时刻，都可以在不停机且不影响系统工作的情况下，再次对 PLC 系统时间进行校准。校准界面如图 6 所示，以便按实际时间进行控制与运行。
图7 系统调试与运行 下载原图
Fig.7 and
3 结论
控制系统能够很好地满足交通信号灯直行的功能，能够很好地满足交通信号灯左转的功能，能够很好地实现时间倒计时显示的功能等基本功能。同时，该控制系统也能够很好地实现“24h 分时段全自动智能切换红绿灯时间设置”的控制。这种功能一方面能够减轻交通高峰期的拥堵，另一方面能够减少非交通高峰期的时间等待，从而能够有效提升交通系统的运行效率和管理水平。
设计的“急通”功能具备随时为紧急通行车辆开启绿灯的能力，能够最大限度地提供急通服务，并且还能随时恢复到正常工作状态。
系统控制功能具有科学性和合理性，其设计思路十分清晰。控制程序既优越又具有很强的可读性，运行时稳定且可靠，性价比也很高。它可以直接被用于对现有的交通信号灯控制系统进行技术方面的升级、改造以及优化。
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