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中国智能交通协会

基于电力载波交通信号控制器与倒计时牌数据传输方法

2017-07-21   来源:辽宁天久信息科技产业有限公司


一、 引言

    随着城镇化进程的不断深入和新兴城市的建设,由此带来城市道路的建设也在逐渐增多。特别是道路交通信号控制系统越来越显得十分重要。城市道路交叉口的交通信号控制,是城市道路交通中的重要组成部分,如果没有交通信号控制,则城市道路交通将会处于混乱和瘫痪的状态。

    道路交通信号控制系统是向交通参与者发出特定指令和指示的专用设备,通常被安装在道路交叉路口等需要的地方,用以指挥和疏导机动车辆、非机动车和行人安全通行。其中交通信号灯和交通信号倒计时装置是给交通者一直观的显示设备。利用红、黄、绿颜色灯组、数码显示灯等构织成一体,可以随着信号控制器的指令和运行状态同步显示现有信号相位的指示灯和剩余时间。特别是交通信号倒计时的运用,可以使交通参与者实时掌握交通信号的变化情况,从而采取相应的措施。

    交通信号倒计时器具有能够实时显示交通信号剩余时间的优点,使驾驶人对信号灯的变化做到心中有数,并据此调整自己的驾驶行为。交通信号倒计时能够有效使驾驶员预先了解各信号的启动时间,从而能及时控制发动机的操作。在绿灯信号有效时使驾驶员能够掌握速度而顺利通过路口,从而减少等待延误时间提高了路口的通行能力。同时,驾驶人可以根据红灯时间的长短决定是否关闭发动机等待,这样,既能减少燃油的消耗又能够减少空气污染,从而达到了能降低城市噪音的目的。

二、 当前信号灯控制模式

    现阶段应用的倒计时设备采用单点多时段的交通信号控制器较多。其特点是:交叉路口的信号控制时间是固定不变的,与之配合使用的倒计时设备可准确地显示当前信号灯色的剩余时间,因此倒计时牌设备适用于定时式交通信号控制方式。但是有些城市的交通信号控制系统则采用的是自适应控制和网络协调控制机等两种。其一,系统是通过现场感知传感器采集交叉口各方向交通流量信息,并据此进行交通信号配时调整,因而其交通信号周期可随时更新改变,而另一系统是通过多台信号控制器通过联网进行协调后,实时改变信号计时周期。因此对于上述两种信号控制使得倒计时牌显示信息不能与实际的信号控制周期相同,给交通参与者的通行带来很大麻烦。然而对于老设备更是无法实现两者同步。因此如果有方法使得信号控制系统无论在何种情况下都能够精准控制信号灯和倒计时牌,则是最理想的需求。

    现有倒计时器工作方式有通讯和自学习方式两种。通讯方式倒计时器是通过专有数据通讯接口与道路交通信号控制器进行数据通讯,而学习式倒计时器是通过倒计时器自行检测和记录信号相位时间,并能够自动调整显示倒计时器剩余时间。

    但是,路口中的倒计时器除了少数设备有通讯接口方式外,大部分倒计时牌的工作原理基本是以自学习方式运行,也就是说倒计时器每次所显示的时间是通过检测记录上一周期信号控制器的显示时间而得到的数据,因此,信号控制器和信号灯与倒计时牌的时间显示则存在一定的时间差异。而通过线缆连接进行数据通讯的方法则需要专设通讯线缆,并且需要屏蔽和信号隔离等防护措施。否则数据误码率高,影响系统准确性。下图为现有信号控制系统的结构示意图:..    

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图中信号控制器与各个信号灯和倒计时牌是通过灯驱动输出单元控制。

三、 新技术的应用
    随着技术的发展,特别是电力载波数据传输的应用,目前可以解决此类问题。在不需要特别设立通讯线缆的情况下,可以利用信号系统动力电源线缆,直接将所需要传输的数据传递给系统各个执行设备中。
    但是由于过去的技术限制,使许多需要组网的物体无法得到满足 ,这些对象的工作大都离不开电力,所以,用低压电力线组成网络进行通信,是一种很有价值的实现方法。因为在原有现成的电力线上,利用低压电力线进行数据传输,不需要重新布线,覆盖范围广、维护少、节约资源等。如果把电力载波通讯技术应用到道路交通信号系统上,那将使交通信号系统的结构设计和应用起到了一个快速的飞越 。
    电力线载波由于其固有的优势,不需要重新架设网络系统,只要有电力线就能够方便地解决数据传输问题,这无疑成为了解决智能信号系统数据传输的最佳方案之一。电力线载波技术已显得更加适用于现代电网通信多方面、多功能的需求。而与此同时,信息时代的到来,促进了各种新兴的通信技术不断出现。通信设备性能越来越先进,价格越来越低廉。
结合国内外研究动态,对低压电力线载波通信技术进行了研究,并采用相关功能模块进行设计,可以实现一点对单点或一点对多点之间通过低压电力线载波通信来进行数据传输。
    本系统设计方法就是基于电力线载波通信技术的设计。通过电力线载波通信技术来传输信号控制系统的信息,将原来信号控制器与信号显示设备设计成为网络通讯方式的系统,同时,倒计时牌也可以通过电力载波通讯方式得到实时系统每周期显示的时间数据。以达到道路信号系统更加准确和有效,由过去被动方式变成主动方式工作方式。本设计方法不但解决了老旧信号控制器与信号灯的实时信息交换,同时也解决了路口倒计时牌设备能够实时准确显示每次的计时时间,能够及时与系统同步。在系统成本上可以节省单独的信号通讯线缆,系统维护方便、减少故障点、减少施工量。
四、 系统构成

    本系统是基于电力线作为数据传输媒介而设计, 电力载波信号控制系统结构如下图所示:

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电力载波信号控制系统结构图    

    由系统结构图所示,其系统主要由:信号控制器、网络通信模块、电力载波通讯模块、信号灯控制单元、信号灯、倒计时牌控制单元、双数码显示屏、道路口各方向I/O控制单元、输入输出端口、电子车牌控制单元、电子车牌检测器、视频采集单元、微波检测控制单元等多元素组成。

    在系统中由信号控制器作为指令主控制器单元,信号灯、倒计时器等作为从执行单元,由通信接口和数据载波接口作为各个设备间的通讯介质。在各道路口上,它们由同一相位的交流低压电力线供电。也就是将上述设备的供电都是具有同一相位的电源供给,这是系统中能够使单元间数据通讯畅通和准确的保证。
各个模块的功能描述:

1、 信号控制器

    嵌入式硬件路口主控制器,内部已设定常规预案或实时接收远程控制中心的新配时方案、路口自适应调整,发送、接收主从机数据。信号控制器是作为主要发送命令和收集数据的主控制器单元,是在道路交通路口中安置,负责发送指令和数据传输,在系统中信号控制器,同时也可以收集路口各个方向信号灯显示工作状态,一台信号控制器可以控制多个信号灯和倒计时牌显示器。
2、 网络通信模块

    与指挥中心进行数据交换和实时控制路口信号
3、 电力载波通讯模块

    利用电力线进行数据传输,电力载波是利用电力传输线进行特有的通讯方式,电力载波通讯是在现有电力线上进行将模拟或数字信号进行高速传输的技术。而电力传输线就是电力载波媒介,电力载波线缆是常规的低压单相电力线。
4、 信号灯控制单元

    路口交通信号灯显示控制设备;
5、 交通信号灯

    交通信号灯是交通信号灯中的重要组成部分,是由红、绿、黄三种颜色组成不同交通含义的信号灯,通过设定各色灯的周期时长,达到控制行人和车辆通行的时间,将它安装在道路的十字路口和交叉路口处,能够有效的提高道路交通的管理,起到减少交通事故发生的机率,交通信号灯的种类根据不同的用处有多种,其中道路交通主要有车辆指示信号灯、非机动车道信号灯以及人行横道信号灯等。
6、 倒计时牌控制单元

    倒计时牌是由LED组成的数码显示设备,向交通参与者提示当前交通信号周期剩余的时间。常规有数据、渐进条等方式。显示单元能够以秒计时单位倒计时显示交通行剩余时间。
7、 道路口各方向I/O控制单元

    道路交通口各方向I/O输入输出控制,如地磁、地感线圈等;
8、 电子车牌控制单元

    RFID无线非接触电子车牌控制;
9、 视频采集单元

    视频检测输入;
10、 微波检测控制单元

    车辆检测传感器
五、 系统工作原理
1. 主、从单元的划分和构成

    在系统原理结构图中,系统主要分成2个部分,除信号控制器单元以外的设备都为从执行单元,信号控制器单元负责收集从执行单元数据,并将收集到的数据进行分析,再发送指令到从执行单元中。从执行单元由微控制器或单片机等与一些外围设备组成。信号控制器单元与从执行单元之间的通讯方式按总线通讯模式设计,一个信号控制器单元可以控制多台从执行单元。在这里所描述的从执行单元就是倒计时牌信号显示和各类信号灯。信号控制器是作为道路交叉口信号系统的主要决策者,而从执行单元是作为道路交叉口的命令执行者。
   

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交通路口系统设备主从结构图    

2. 系统控制原理:

    根据电力载波信号控制系统结构图所示,在系统中信号主控制器作为核心功能模块,控制路口信号系统的正常运行,通过道路口各方向I/O控制单元、电子车牌控制单元、视频采集单元、微波检测控制单元等多个不同的感知模块。 信号控制单元依据检测到的数据作为调整信号周期的来源,将感知功能模块采集的不同数据,经信号主控制器运算处理,将得到的最佳信号周期设置数据,经电力载波通讯模块以通讯报文格式发送给信号灯控制单元和倒计时牌控制单元。在信号灯控制单元和倒计时牌控制单元中,其各内部CPU处理器对接收到的数据报文进行译码,并将各个信号的控制周期数据直接输出到显示模块中。

    然而上述信号周期控制方法,只是各种信号周期控制方式中的常见控制方法之一。还有一种也是重要信号周期的控制方式,就是信号主控制器通过网络通讯模块与远程交通指挥中心或者是相邻信号系统进行数据交换,以达到对多交叉道路口或者是区域路口信号系统进行信号周期控制。
六、 命令数据包组成

    在需要调整的信号周期里,由信号控制器将预置的交通信号控制器周期参数,通过电力载波通讯模块将信息数据发送到各个需求单元中,经这些单元处理器解码后,再输出控制执行。然而各个单元的CPU接收信息后,同时将向信号控制器发送一反馈信息数据,作为接收信息数据后的应答。信号控制器单元通过电力载波通讯模块对从执行单元进行监控。每个通讯数据包可由若干个单字节(每单字节8位二进制)数据组成。

    信号控制器单元可以采用点对点方式与从执行单元进行数据交换,也可以采用广播方式发送命令数据到所有从执行单元中,各个从执行单元收到通讯数据包后进行数据解码分析:其一识别信号控制器单元是否是自己的上级主控制器单元,其二识别从执行单元地址是否是本地址,只有在全部确认无误后从设备执行单元才执行命令和相应的操作,同时向信号控制器反馈确认信号。

    从执行单元直接控制信号灯或者倒计时牌的状态,通过电力线载波线路接收来自信号控制器单元的命令,并执行相应的操作。从执行单元在完成对信号灯或倒计时牌的控制时,同时也可以对自己所管理的设备进行状态监测,并将所监测到的数据传递给信号控制器或远端指挥中心。如:电压、电流、温度灯采样数据,以此作为判断所控对象是否运行正常。

七、 结束语

    本系统设计应用在智能交通领域,设计方法就是基于电力线载波通信技术,将原来信号控制器与信号显示设备设计成为网络通讯模式的系统,同时,倒计时牌也可以通过电力载波通讯方式得到实时系统每周期显示的时间数据。以达到道路信号系统更加准确和有效,由过去被动方式变成主动方式工作方式。本设计方法不但解决了老旧信号控制器与信号灯的实时信息交换,同时也解决了路口倒计时牌设备能够实时准确显示每次的计时时间,能够及时与系统同步。在系统成本上可以节省单独的信号通讯线缆,系统维护方便、减少故障点、减少施工量。本设计已经获得了实用新型专利,发明专利正处于审核中。

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