城市交通燈監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)綜述的論文

　　隨著我國社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的持續(xù)快速發(fā)展，我國城市化的步伐正在加快，城市規(guī)模不斷擴(kuò)大，從而導(dǎo)致機(jī)動(dòng)車擁有量的持續(xù)增加，交通問題日趨復(fù)雜［1］。因此，改善與提高現(xiàn)有的交通系統(tǒng)的效率已成為當(dāng)務(wù)之急，而提高交通控制系統(tǒng)的效率更是重中之重。傳統(tǒng)的單片機(jī)控制交通燈系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，功能較為容易實(shí)現(xiàn)，但是其可靠性不高，無法實(shí)現(xiàn)對(duì)整體網(wǎng)絡(luò)交通的控制;而且，它的智能化程度不高，缺乏實(shí)時(shí)控制效果，可拓展性不強(qiáng)。為此，本文設(shè)計(jì)了一種基于Rockwell現(xiàn)場總線系統(tǒng)的交通燈監(jiān)控系統(tǒng)。

　　1Rockwell系統(tǒng)

　　1．1Rockwell三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

　　Rockwell自動(dòng)化公司在RSNetwork中提出了三層網(wǎng)絡(luò)體系，即以太網(wǎng)、控制網(wǎng)和設(shè)備網(wǎng)的綜合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)體系。它是搭建Rockwell現(xiàn)場總線系統(tǒng)的核心，其各層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和功能如圖1所示。在本體系中，以太網(wǎng)上可設(shè)有系統(tǒng)主控設(shè)備。系統(tǒng)管理員可在這層網(wǎng)上對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控，對(duì)控制器中的程序進(jìn)行修改，使計(jì)算機(jī)系統(tǒng)存取生產(chǎn)現(xiàn)場的數(shù)據(jù)達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)控的目的，并提供對(duì)可編程控制器的支持。控制網(wǎng)完成智能化的高速實(shí)時(shí)控制，并共享數(shù)據(jù)和信息。設(shè)備網(wǎng)主要用于控制和監(jiān)視設(shè)備的協(xié)調(diào)，操作員接口、遠(yuǎn)程設(shè)備的組態(tài)，編程和故障處理。數(shù)據(jù)可以雙向流通，也可以在層與層之間交換，涉及具體應(yīng)用時(shí)，根據(jù)需要可以采用其中的某一層或某幾層實(shí)現(xiàn)用戶所需要的控制功能。

　　1．2Rockwell硬件平臺(tái)

　　Rockwell系統(tǒng)Control-Logix系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)如圖2所示。Control-Logix面板基本設(shè)計(jì)的特點(diǎn)是:控制器在控制系統(tǒng)中只作為控制的核心，而不再作為通信和連接的樞紐;無需控制器的介入，基板上任一個(gè)設(shè)備可以發(fā)出廣播信息，進(jìn)而和任何一個(gè)設(shè)備進(jìn)行通訊;提高了系統(tǒng)的帶寬和性能，為構(gòu)造一個(gè)控制系統(tǒng)提供了極大的方便，讓控制器更好的專注于控制。

　　2交通燈控制策略

　　本設(shè)計(jì)的交通燈監(jiān)控系統(tǒng)需要對(duì)兩個(gè)路口的交通燈進(jìn)行優(yōu)化控制，其中一個(gè)路口為中心十字路口，另一路口為丁字形三岔路口。通過對(duì)交通規(guī)則和基本交通控制策略的學(xué)習(xí)［2］，以及現(xiàn)場的實(shí)際觀察，制定的控制策略如下:

　　1)十字路口控制策略十字路口的車流行駛分為四個(gè)部分:東西雙向直行、左轉(zhuǎn)彎;南北雙向直行、左轉(zhuǎn)彎。第一步:放行東西雙向的直行車輛，其余方向禁行。時(shí)間45秒。第二步:放行南北雙向的左轉(zhuǎn)車輛，其余方向禁行。時(shí)間45秒。第三步:放行東西雙向的左轉(zhuǎn)車輛，其余方向禁行。時(shí)間45秒。第四步:放行南北雙向的直行車輛，其余方向禁行。時(shí)間45秒。此后，回到第一步執(zhí)行，并按上述順序循環(huán)執(zhí)行此策略。

　　2)丁字路口的控制策略丁字路口只需要控制兩個(gè)方向來車的左轉(zhuǎn)彎和北向的直行即可，其第一步的開始時(shí)間與十字路口的起始時(shí)間相同，且整個(gè)時(shí)間周期也與十字路口相同。第一步:放行西向來車的左轉(zhuǎn)彎，其余方向禁行。時(shí)間60秒。其作為第一步主要是考慮到能使從十字路口到丁字路口的車輛盡快分流，防止西向來車發(fā)生阻塞。第二步:放行北向來車的直行，其余方向禁行。時(shí)間60秒。第三步:放行南向車輛的左轉(zhuǎn)彎，其余方向禁行。時(shí)間60秒。放行期間，正好是十字路口南北雙向直行的放行時(shí)間，這樣的安排也有助于提高車輛的分流速度。

　　3)智能控制策略和緊急情況控制策略根據(jù)實(shí)現(xiàn)電路的具體情況，當(dāng)發(fā)現(xiàn)十字路口南向來車道出現(xiàn)阻塞情況時(shí)，控制策略改變。第一步:放行東西雙向的直行車輛，其余方向禁行。時(shí)間35秒。第二步:放行南北雙向的左轉(zhuǎn)車輛，其余方向禁行。時(shí)間55秒。第三步:放行東西雙向的左轉(zhuǎn)車輛，其余方向禁行。時(shí)間35秒。第四步:放行南北雙向的直行車輛，其余方向禁行。時(shí)間55秒。第五步:回到第一步，再次執(zhí)行一次上述步驟。

　　4)第六步:當(dāng)智能控制模式執(zhí)行過兩次以后，重新回到十字路口控制策略的正常控制策略執(zhí)行。其中，在智能控制階段，丁字路口的控制策略也稍有變化。第一步:放行西向來車的左轉(zhuǎn)彎，其余方向禁行。時(shí)間75秒。第二步:放行北向來車的直行，其余方向禁行。時(shí)間70秒。第三步:放行南向車輛的左轉(zhuǎn)彎，其余方向禁行。時(shí)間40秒。第四步:回到第一步，再執(zhí)行一次上述步驟。

　　5)第五步:當(dāng)智能控制模式執(zhí)行過兩次以后，重新回到丁字路口的控制策略的正常控制策略執(zhí)行。對(duì)于十字路口來說，南北雙向放行的時(shí)間增長能夠有效的緩解車流壓力，而東西向減少的時(shí)間由于并不是很長，所以在短時(shí)間內(nèi)不會(huì)造成交通的阻塞。至于丁字路口的時(shí)間調(diào)整，首先是為了能使十字路口南北向涌來的車流迅速分流，其次也減少了由丁字路口向十字路口行進(jìn)的車流，配合十字路口緩解交通壓力。此外，當(dāng)出現(xiàn)特殊情況需要進(jìn)行交通管制時(shí)，可以通過人工干預(yù)的手段使所有的交通燈均變?yōu)榧t燈禁行，從而達(dá)到交通管制目的。

　　3監(jiān)控系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

　　通過對(duì)Rockwell控制系統(tǒng)和交通燈控制策略的介紹，我們所設(shè)計(jì)的基于Rockwell的交通燈控制系統(tǒng)框架為三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。其中設(shè)置有位置信號(hào)、緊急信號(hào)和其他信號(hào)三個(gè)信號(hào)參數(shù)，它們均來自于外部設(shè)備。當(dāng)整個(gè)交通網(wǎng)絡(luò)處于正常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，交通燈監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)常規(guī)程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)各交通燈的控制，按照交通規(guī)則對(duì)交通燈進(jìn)行切換控制，保障各路口通行的安全和暢通。當(dāng)外部傳感器信號(hào)或其它人為信號(hào)(緊急情況)切入以后，常規(guī)程序控制被中斷，由備用程序進(jìn)行智能控制(或手動(dòng)控制)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)交通疏導(dǎo)，分散車流，達(dá)到更人性化交通管制的目的［3］。圖3為監(jiān)控系統(tǒng)總體方案框圖，電路中的位置信號(hào)、緊急信號(hào)、其它信號(hào)通過通信模塊與可編程控制器和人機(jī)界面進(jìn)行通信，可編程控制器再將相關(guān)控制信號(hào)和人為干預(yù)信號(hào)傳輸給交通燈等設(shè)備元件，實(shí)現(xiàn)對(duì)電路的控制作用。

　　總體設(shè)計(jì)方案中還存在對(duì)交通燈系統(tǒng)的智能控制部分，即通過識(shí)別系統(tǒng)判斷各個(gè)車道的車流量情況。隨后，Rockwell系統(tǒng)根據(jù)各識(shí)別系統(tǒng)的反饋數(shù)據(jù)調(diào)用相應(yīng)的中斷程序改變現(xiàn)行控制，最終達(dá)到及時(shí)疏導(dǎo)交通的目的。在系統(tǒng)模型電路中，此部分主要由紅外線收發(fā)裝置組成，通過紅外光的通、斷調(diào)節(jié)輸出電壓的大小，為Rockwell系統(tǒng)提供反饋數(shù)據(jù)。此外，模型中還存在應(yīng)用于交通紅綠燈變化的反向器電路和顯示中斷程序運(yùn)行情況的指示電路等其它部分。

　　4軟件設(shè)計(jì)

　　4．1軟件介紹

　　本設(shè)計(jì)中的軟件編程主要是針對(duì)Rokwell自動(dòng)化系統(tǒng)中的PLC進(jìn)行梯形圖編程，從而實(shí)現(xiàn)控制策略。主要用到的軟件有:

　　1)編程軟件:RSLlogix-5000;

　　2)網(wǎng)絡(luò)組態(tài)軟件:RSLinx、RSNetworkforControl-Net;

　　3)上位機(jī)監(jiān)控軟件:RSView32。Rockwell系統(tǒng)的核心部分是PLC，幾乎所有的編程均是在PLC上進(jìn)行功能實(shí)施。其中RSLogix-5000軟件是Control-Logix系列處理器專用的編程開發(fā)環(huán)境［4］。利用RSLogix-5000編程軟件可以組態(tài)Control-Logix系統(tǒng)的I/O和通訊模塊，以及對(duì)Control-Logix5550處理器編程，包括對(duì)運(yùn)動(dòng)控制編程。用戶可以在上位機(jī)中直接進(jìn)行梯形圖編程，指令的添加既可以用拖拽的方式，也可以直接錄入指令文本。同時(shí)，RSLogix-5000支持Logix-5000系列可編程控制器［5］。RSLinx是A-B可編程控制器在Windows環(huán)境下建立工廠所用通信方案的工具。它為A-B的可編程控制器與各種RockwellSoftware，如RSLogix5/500、RSView32、RSBatch等軟件建立起通信聯(lián)系。RSView32采用了開放的技術(shù)，如ODBC、OLE和DDE，并提供了先進(jìn)的、功能齊全的工具允許現(xiàn)場設(shè)備的在線修改，如RSView32允許在運(yùn)行時(shí)改變圖形顯示、Tag地址、節(jié)點(diǎn)地址以及PLC網(wǎng)和設(shè)備驅(qū)動(dòng)器的組態(tài)調(diào)整。RSView32利用MicrosoftWindows操作系統(tǒng)的多任務(wù)環(huán)境加上自己功能完善的多形式數(shù)據(jù)記錄、實(shí)時(shí)與歷史趨勢、報(bào)警監(jiān)控和事件檢測等來完成監(jiān)控系統(tǒng)的控制要求，可以成功的實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的分析、設(shè)計(jì)和運(yùn)行監(jiān)控［6］。

　　4．2軟件編程

　　Rockwell自動(dòng)化控制系統(tǒng)采用的編程方式為梯形圖編程，編程軟件為RSLogix-5000，該軟件能夠通過設(shè)備網(wǎng)實(shí)現(xiàn)在線調(diào)試功能。本軟件設(shè)計(jì)中，所有路口的交通控制策略均會(huì)在RSLogix-5000的梯形圖編程環(huán)境中實(shí)現(xiàn)，兩路口正常情況下的控制策略和緊急情況控制策略將是梯形編程圖的主程序，而智能控制策略為中斷程序。4．2．1I/O端口分配本設(shè)計(jì)中，交通燈電路部分需要分配I/O端口的參量有:交通燈輸出參量(7個(gè)output端口)、中斷程序指示輸出參量(1個(gè)output端口)，其中，交通燈輸出參量將對(duì)應(yīng)其控制車流的行駛方向按交通控制策略順序?qū)��?yīng)I/O端口。根據(jù)演示情況將I/O端口做如表1的分配。4．2．2功能框圖綜上所述，圖4為梯形圖軟件設(shè)計(jì)的功能框圖［7］。從框圖中可以看到，梯形圖主程序的主要功能大致分為四個(gè)方面:實(shí)現(xiàn)一般正常情況下的交通控制策略。車流阻塞識(shí)別電路輸入信號(hào)的處理。智能控制的策略轉(zhuǎn)換。中斷程序的入口以及緊急情況下的交通管制處理。中斷程序則主要完成兩方面的任務(wù)，道路阻塞情況下的智能控制策略和實(shí)現(xiàn)交通管制控制策略。

　　4．3監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)

　　在完成梯形圖編程之后，必須通過RSView32組態(tài)軟件與梯形圖建立相對(duì)應(yīng)的聯(lián)系，通過設(shè)置按鍵、圖表、顯示窗口的途徑對(duì)梯形圖程序?qū)崿F(xiàn)結(jié)果和各種中間參數(shù)實(shí)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并能對(duì)實(shí)際電路中交通燈的各種狀態(tài)加以模擬。

　　5結(jié)束語

　　本文提出了一種交通燈控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，采用Rockwell自動(dòng)化控制系統(tǒng)的三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，以太網(wǎng)將與控制計(jì)算機(jī)相連接，作為控制中樞，控制網(wǎng)除連接系統(tǒng)自帶的輔助設(shè)備外，主要起到使以太網(wǎng)和設(shè)備網(wǎng)完成通信的目的，所有的交通燈、傳感器將連接到設(shè)備網(wǎng)，完成在正常情況和緊急狀況下對(duì)十字路口和丁字路口兩路口紅綠燈進(jìn)行交通控制的基本任務(wù)。實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)能根據(jù)南向來車的等待車隊(duì)長度判斷是否改變現(xiàn)行控制策略，進(jìn)行智能優(yōu)化分流操作及人性化交通管制。軟件上采用RSLogix-5000編程軟件采用梯形圖編程，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)所要求的功能。其人機(jī)界面十分友好且擁有很多獨(dú)特的功能模塊，能夠幫助編程者盡量簡化程序長度，從而提高了程序的可靠性。監(jiān)控界面采用RSView32組態(tài)軟件，利用其良好的通用性及可擴(kuò)展性完成了系統(tǒng)的監(jiān)控功能。Rockwell系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的交通燈控制具有較強(qiáng)的抗干擾能力，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單緊湊，可靠性高。

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