楊志華1,2
（1.城市交通管理集成與優(yōu)化技術(shù)公安部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230088；2.安徽科力信息產(chǎn)業(yè)有限責(zé)任公司，安徽 合肥 230088）
摘要：當(dāng)前降低交通信號(hào)控制系統(tǒng)能耗的主要方法是采用更低能耗的信號(hào)燈或信號(hào)機(jī)，但受制于新技術(shù)的進(jìn)步及推廣，且需更高的應(yīng)用成本。為此，文章綜合研究信號(hào)機(jī)和信號(hào)燈的連接控制，充分利用信號(hào)燈的交流供電控制線，提出了一種基于組合式觸發(fā)脈沖信號(hào)的信息傳遞方式，并用于交通信號(hào)控制系統(tǒng)的功率調(diào)控。通過信號(hào)機(jī)對(duì)信號(hào)燈的遠(yuǎn)程調(diào)控，實(shí)現(xiàn)了對(duì)單路口多組信號(hào)燈降低功率的集中控制、遠(yuǎn)程管理及智能配置；該控制方法有利于系統(tǒng)節(jié)能減排的有效實(shí)現(xiàn)及交通信號(hào)的優(yōu)化管理。
關(guān)鍵詞：信號(hào)機(jī)；信號(hào)燈；節(jié)能控制；脈沖信號(hào)；功率調(diào)節(jié)
中圖分類號(hào)：TP273文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI： 10.19358/j.issn.1674-7720.2017.09.019
引用格式：楊志華.基于組合脈沖的交通信號(hào)節(jié)能控制研究［J］.微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36（9）：64-66.
0引言
交通信號(hào)控制系統(tǒng)用于控制并指示道路交通信號(hào)的運(yùn)行，是智能交通系統(tǒng)的重要研究領(lǐng)域之一［1］。隨著節(jié)能降耗標(biāo)準(zhǔn)在各行業(yè)的深入應(yīng)用發(fā)展，交通信號(hào)控制系統(tǒng)的節(jié)能指標(biāo)也越來越高。如在城郊地區(qū)或者鄉(xiāng)鎮(zhèn)等地方，信號(hào)控制系統(tǒng)的普及率也越來越高，但在夜間等特殊時(shí)間或車流量很少的時(shí)間段，可進(jìn)一步考慮降低功耗的方法。當(dāng)前對(duì)交通信號(hào)控制系統(tǒng)的節(jié)能方式一般主要采用進(jìn)一步降低信號(hào)燈功耗的方法，或者采用降低信號(hào)機(jī)的功耗、采用夜間熄燈等方式。信號(hào)燈功耗的降低與節(jié)能燈及電子技術(shù)的發(fā)展及成本的控制密切相關(guān)，較低的功耗設(shè)備需較先進(jìn)的技術(shù)水平及較高的推廣成本，只可逐步發(fā)展應(yīng)用，如調(diào)光電路［2］和LED燈［34］的推廣應(yīng)用。不同于路燈的控制［5］，單獨(dú)調(diào)整某個(gè)信號(hào)燈的亮度［6］則無法實(shí)現(xiàn)路口的集中控制和遠(yuǎn)程管理；信號(hào)機(jī)自身的功耗降低更與電子控制技術(shù)的發(fā)展密切相關(guān)，在滿足可靠性的前提下，其功耗的降低對(duì)成本的影響更大；夜間直接將部分信號(hào)燈熄滅的方法［78］也存在較多應(yīng)用不足，如采用夜間熄滅左轉(zhuǎn)右轉(zhuǎn)的箭頭燈而只亮中間圓盤燈的方式，容易導(dǎo)致直行左轉(zhuǎn)的通行沖突，不利用交通信號(hào)控制的最優(yōu)管控。本文充分利用當(dāng)前的信號(hào)燈及控制系統(tǒng)條件，基于觸發(fā)脈沖技術(shù)［9］，采用組合式觸發(fā)脈沖信號(hào)的方式，研究信號(hào)機(jī)對(duì)信號(hào)燈節(jié)能降耗的智能管理方法。
1觸發(fā)脈沖信號(hào)的實(shí)現(xiàn)
觸發(fā)脈沖信號(hào)控制可用于無通信連接的設(shè)備間的簡(jiǎn)單信息交互，如圖1所示，控制設(shè)備通過其脈沖信號(hào)控制源發(fā)送一定時(shí)間寬度的脈沖信號(hào)，終端設(shè)備的接收器接收并判斷該脈沖信號(hào)的有效性，并根據(jù)預(yù)定的協(xié)定改變終端設(shè)備的工作模式，實(shí)現(xiàn)終端設(shè)備工作狀態(tài)的變換。如圖2所示，觸發(fā)脈沖信號(hào)一般為在一定周期T的高電平時(shí)間內(nèi)，發(fā)出一個(gè)時(shí)間段為t的低電平脈沖，該低電平脈沖不影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行，并可被終端設(shè)備有效檢測(cè)。
道路交通信號(hào)控制系統(tǒng)的信號(hào)機(jī)與信號(hào)燈的連接一般為僅有交流電源控制線的連接，信號(hào)機(jī)通過對(duì)其輸出的單個(gè)信號(hào)燈供電電源的控制，可控制信號(hào)燈的開關(guān)；由于信號(hào)機(jī)與信號(hào)燈之間無通信連接，信號(hào)機(jī)要實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)燈開關(guān)狀態(tài)外的狀態(tài)控制也只能通過交流電源線來管理。在運(yùn)行期間，信號(hào)機(jī)通過發(fā)送單脈沖觸發(fā)信號(hào)，可實(shí)現(xiàn)與信號(hào)燈之間的協(xié)定信息傳遞，實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)燈的遠(yuǎn)程控制。然而由于單脈沖信號(hào)表達(dá)的信息唯一，只能實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的狀態(tài)觸發(fā)，無法實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)燈的更復(fù)雜管理，為此，本文開展了基于組合式觸發(fā)脈沖信號(hào)的節(jié)能控制方法研究及應(yīng)用分析，以實(shí)現(xiàn)利用信號(hào)燈交流電源控制線，遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)信號(hào)燈的功率。
2基于組合式脈沖的節(jié)能控制系統(tǒng)
實(shí)現(xiàn)信號(hào)機(jī)對(duì)信號(hào)燈的遠(yuǎn)程節(jié)能信息傳遞，需具備三個(gè)條件：觸發(fā)信息的有效識(shí)別、節(jié)能信息的增減識(shí)別、節(jié)能調(diào)節(jié)比例。為此，本文采用組合式觸發(fā)脈沖開關(guān)信號(hào)實(shí)現(xiàn)信號(hào)控制設(shè)備對(duì)信號(hào)燈設(shè)備的功率調(diào)整信息傳遞，信號(hào)控制系統(tǒng)通過發(fā)送時(shí)間寬度不同的多個(gè)脈沖組合，分別表示是否觸發(fā)功率調(diào)整功能、降低信號(hào)燈的功率還是增加功率、功率調(diào)整的額度等信息，通過對(duì)信號(hào)燈的控制開關(guān)進(jìn)行觸發(fā)式脈沖開關(guān)控制將功率調(diào)整信息傳遞給信號(hào)燈設(shè)備。信號(hào)控制系統(tǒng)采用對(duì)整個(gè)信號(hào)燈輸出回路電壓和電流進(jìn)行檢測(cè)的方法，通過檢測(cè)并分析在相同的燈組狀態(tài)時(shí)信號(hào)燈總功率的變化來判斷功率調(diào)整功能執(zhí)行的效果，將相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行保存或上傳，供后期分析使用。其控制流程如圖3所示。
交通信號(hào)燈設(shè)備采用實(shí)時(shí)檢測(cè)及分析相應(yīng)的信號(hào)機(jī)開關(guān)脈沖信息方法，判斷對(duì)信號(hào)燈的功率調(diào)整脈沖信息；根據(jù)與信號(hào)機(jī)的協(xié)定，信號(hào)燈的燈控模塊首先檢測(cè)判斷脈沖是為進(jìn)行功率調(diào)整的脈沖還是其他干擾脈沖，然后判斷增加或降低功率，最后檢測(cè)功率調(diào)整的額度；根據(jù)以上脈沖信息，在符合相應(yīng)的增減條件下，燈控模塊執(zhí)行對(duì)信號(hào)燈的功率調(diào)整。其調(diào)控流程如圖4所示。
3功率調(diào)節(jié)的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)
如圖5所示，由于當(dāng)前信號(hào)燈多為L(zhǎng)ED燈，每個(gè)紅黃綠信號(hào)燈組一般由一個(gè)總的燈控模塊進(jìn)行管理。紅黃綠信號(hào)燈開關(guān)分別為K1、K2、K3，信號(hào)機(jī)通過燈控模塊對(duì)相應(yīng)紅黃綠信號(hào)燈進(jìn)行開關(guān)控制。信號(hào)機(jī)通過觸發(fā)脈沖信號(hào)對(duì)信號(hào)燈進(jìn)行功率調(diào)節(jié)時(shí)，只需觸發(fā)一個(gè)交流控制線即可，考慮到實(shí)際的信號(hào)運(yùn)行時(shí)，黃燈和綠燈有閃光控制功能，一般通過對(duì)紅燈控制線施加脈沖信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)信號(hào)燈組的功率調(diào)節(jié)。信號(hào)機(jī)通過對(duì)紅燈開關(guān)K1的脈沖觸發(fā)控制，即可實(shí)現(xiàn)觸發(fā)脈沖信號(hào)的有效發(fā)送。
應(yīng)用實(shí)現(xiàn)時(shí)，信號(hào)機(jī)與交通信號(hào)燈的脈沖信息控制，采用3次連續(xù)的脈沖開關(guān)信號(hào)。第一個(gè)脈沖表示調(diào)整功率信息的觸發(fā)信號(hào)，為100 ms的脈沖，信號(hào)燈檢測(cè)到該脈沖信號(hào)則初步判斷為需要進(jìn)行功率調(diào)節(jié)，需繼續(xù)檢測(cè)后續(xù)脈沖信號(hào)的有效性，設(shè)置100 ms的脈沖以與干擾脈沖有效區(qū)分。第二個(gè)脈沖表示功率增減信息，設(shè)定100 ms的脈沖表示功率減小，200 ms的脈沖表示功率增加。第三個(gè)脈沖表示功率調(diào)整的比例，時(shí)間控制為100 ms~500 ms，每100 ms表示功率在基本功率的基礎(chǔ)上增加或減小10%，這樣可將信號(hào)燈的功率降低到正常值的一半；對(duì)于低于50%的功率降低調(diào)節(jié)需求，一般直接采用熄燈的控制方法；同時(shí)，脈沖信號(hào)的時(shí)間一般不要超過500 ms，以免產(chǎn)生信號(hào)燈誤滅的故障，影響交通的正常運(yùn)行。為更好地降低對(duì)交通運(yùn)行的影響，信號(hào)機(jī)發(fā)送功率調(diào)整脈沖信號(hào)固定在每個(gè)信號(hào)控制狀態(tài)切換前的3 s進(jìn)行，每一秒通過紅燈控制線發(fā)送一個(gè)脈沖，實(shí)現(xiàn)組合脈沖信號(hào)的有效發(fā)送。
本文中，電流檢測(cè)采用20 A/20 mA的TS060-1電流互感器，最大測(cè)量20 A的交流供電，可直接將交流火線L穿過其內(nèi)孔來檢測(cè)電流，并實(shí)時(shí)檢測(cè)電流互感器的電流值。根據(jù)交通信號(hào)控制需要對(duì)信號(hào)燈進(jìn)行脈沖開關(guān)控制時(shí)，在每次功率調(diào)整前后，需對(duì)信號(hào)燈的電壓和總電流進(jìn)行檢測(cè)并保存，如果調(diào)整后的功率與調(diào)整前的功率變化比例與調(diào)整的比例一致，則可判定為調(diào)整成功；如差異較大，則判斷為調(diào)整不成功。微控器對(duì)功率調(diào)整信息及檢測(cè)的電壓電流信息均進(jìn)行保存，以便后期分析查看。
燈控模塊在檢測(cè)到相應(yīng)的功率調(diào)整的脈沖開關(guān)信號(hào)后，執(zhí)行對(duì)信號(hào)燈的功率調(diào)整。考慮信號(hào)燈的最大功率限制以及最低亮度要求，如功率降低信息低于信號(hào)燈的最低亮度及功率限制要求，則只調(diào)整至最低限制功率；如功率增加信息高于信號(hào)燈的最高亮度及功率限制要求，則只調(diào)整至最高限制功率，以確保信號(hào)燈及道路交通的正常運(yùn)行。
4結(jié)論
本文采用觸發(fā)脈沖的形式，通過組合式觸發(fā)脈沖開關(guān)信號(hào)的有效設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了信號(hào)機(jī)對(duì)信號(hào)燈設(shè)備的功率調(diào)整，有效地實(shí)現(xiàn)了信號(hào)機(jī)的節(jié)能降耗；無需信號(hào)燈節(jié)能技術(shù)的深入發(fā)展，且無需增加相應(yīng)的布線成本，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)燈的功率調(diào)節(jié)；在夜間車輛較少的情況下，也無需通過熄燈的方式降低信號(hào)燈的功耗，可更好地保證交通信號(hào)控制的優(yōu)化。由于該節(jié)能控制方法由信號(hào)機(jī)統(tǒng)一控制，實(shí)現(xiàn)信號(hào)燈功率的統(tǒng)一調(diào)節(jié)，無需對(duì)單個(gè)信號(hào)燈組進(jìn)行設(shè)置。同時(shí)由于信號(hào)機(jī)具備聯(lián)網(wǎng)功能，可根據(jù)需求遠(yuǎn)程控制信號(hào)燈的功率變化。信號(hào)機(jī)也可通過對(duì)車流量及外部光線等環(huán)境的檢測(cè)，自適應(yīng)地調(diào)整功率變化狀況；對(duì)于設(shè)定固定時(shí)間段的功率調(diào)整需求，如車流量較大或者可見度不高，則可不執(zhí)行設(shè)定的功率降低參數(shù)。因此，該方法具有較好的靈活性及智能性。
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