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城市交通燈監控系統設計綜述的論文
隨著我國社會和經濟的持續快速發展，我國城市化的步伐正在加快，城市規模不斷擴大，從而導致機動車擁有量的持續增加，交通問題日趨復雜［1］。因此，改善與提高現有的交通系統的效率已成為當務之急，而提高交通控制系統的效率更是重中之重。傳統的單片機控制交通燈系統結構簡單，功能較為容易實現，但是其可靠性不高，無法實現對整體網絡交通的控制;而且，它的智能化程度不高，缺乏實時控制效果，可拓展性不強。為此，本文設計了一種基于Rockwell現場總線系統的交通燈監控系統。
1Rockwell系統
1．1Rockwell三層網絡結構
Rockwell自動化公司在RSNetwork中提出了三層網絡體系，即以太網、控制網和設備網的綜合系統結構體系。它是搭建Rockwell現場總線系統的核心，其各層網絡結構和功能如圖1所示。在本體系中，以太網上可設有系統主控設備。系統管理員可在這層網上對系統進行監控，對控制器中的程序進行修改，使計算機系統存取生產現場的數據達到實時監控的目的，并提供對可編程控制器的支持。控制網完成智能化的高速實時控制，并共享數據和信息。設備網主要用于控制和監視設備的協調，操作員接口、遠程設備的組態，編程和故障處理。數據可以雙向流通，也可以在層與層之間交換，涉及具體應用時，根據需要可以采用其中的某一層或某幾層實現用戶所需要的控制功能。
1．2Rockwell硬件平臺
Rockwell系統Control-Logix系統組成結構如圖2所示。Control-Logix面板基本設計的特點是:控制器在控制系統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，基板上任一個設備可以發出廣播信息，進而和任何一個設備進行通訊;提高了系統的帶寬和性能，為構造一個控制系統提供了極大的方便，讓控制器更好的專注于控制。
2交通燈控制策略
本設計的交通燈監控系統需要對兩個路口的交通燈進行優化控制，其中一個路口為中心十字路口，另一路口為丁字形三岔路口。通過對交通規則和基本交通控制策略的學習［2］，以及現場的實際觀察，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部分:東西雙向直行、左轉彎;南北雙向直行、左轉彎。第一步:放行東西雙向的直行車輛，其余方向禁行。時間45秒。第二步:放行南北雙向的左轉車輛，其余方向禁行。時間45秒。第三步:放行東西雙向的左轉車輛，其余方向禁行。時間45秒。第四步:放行南北雙向的直行車輛，其余方向禁行。時間45秒。此后，回到第一步執行，并按上述順序循環執行此策略。
2)丁字路口的控制策略丁字路口只需要控制兩個方向來車的左轉彎和北向的直行即可，其第一步的開始時間與十字路口的起始時間相同，且整個時間周期也與十字路口相同。第一步:放行西向來車的左轉彎，其余方向禁行。時間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，防止西向來車發生阻塞。第二步:放行北向來車的直行，其余方向禁行。時間60秒。第三步:放行南向車輛的左轉彎，其余方向禁行。時間60秒。放行期間，正好是十字路口南北雙向直行的放行時間，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實現電路的具體情況，當發現十字路口南向來車道出現阻塞情況時，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。時間35秒。第二步:放行南北雙向的左轉車輛，其余方向禁行。時間55秒。第三步:放行東西雙向的左轉車輛，其余方向禁行。時間35秒。第四步:放行南北雙向的直行車輛，其余方向禁行。時間55秒。第五步:回到第一步，再次執行一次上述步驟。
4)第六步:當智能控制模式執行過兩次以后，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彎，其余方向禁行。時間75秒。第二步:放行北向來車的直行，其余方向禁行。時間70秒。第三步:放行南向車輛的左轉彎，其余方向禁行。時間40秒。第四步:回到第一步，再執行一次上述步驟。
5)第五步:當智能控制模式執行過兩次以后，重新回到丁字路口的控制策略的正常控制策略執行。對于十字路口來說，南北雙向放行的時間增長能夠有效的緩解車流壓力，而東西向減少的時間由于并不是很長，所以在短時間內不會造成交通的阻塞。至于丁字路口的時間調整，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的車流，配合十字路口緩解交通壓力。此外，當出現特殊情況需要進行交通管制時，可以通過人工干預的手段使所有的交通燈均變為紅燈禁行，從而達到交通管制目的。
3監控系統總體方案設計
通過對Rockwell控制系統和交通燈控制策略的介紹，我們所設計的基于Rockwell的交通燈控制系統框架為三層網絡結構。其中設置有位置信號、緊急信號和其他信號三個信號參數，它們均來自于外部設備。當整個交通網絡處于正常運行狀態時，交通燈監控系統根據常規程序實現對各交通燈的控制，按照交通規則對交通燈進行切換控制，保障各路口通行的安全和暢通。當外部傳感器信號或其它人為信號(緊急情況)切入以后，常規程序控制被中斷，由備用程序進行智能控制(或手動控制)，實現實時交通疏導，分散車流，達到更人性化交通管制的目的［3］。圖3為監控系統總體方案框圖，電路中的位置信號、緊急信號、其它信號通過通信模塊與可編程控制器和人機界面進行通信，可編程控制器再將相關控制信號和人為干預信號傳輸給交通燈等設備元件，實現對電路的控制作用。
總體設計方案中還存在對交通燈系統的智能控制部分，即通過識別系統判斷各個車道的車流量情況。隨后，Rockwell系統根據各識別系統的反饋數據調用相應的中斷程序改變現行控制，最終達到及時疏導交通的目的。在系統模型電路中，此部分主要由紅外線收發裝置組成，通過紅外光的通、斷調節輸出電壓的大小，為Rockwell系統提供反饋數據。此外，模型中還存在應用于交通紅綠燈變化的反向器電路和顯示中斷程序運行情況的指示電路等其它部分。
4軟件設計
4．1軟件介紹
本設計中的軟件編程主要是針對Rokwell自動化系統中的PLC進行梯形圖編程，從而實現控制策略。主要用到的軟件有:
1)編程軟件:RSLlogix-5000;
2)網絡組態軟件:RSLinx、RSNetworkforControl-Net;
3)上位機監控軟件:RSView32。Rockwell系統的核心部分是PLC，幾乎所有的編程均是在PLC上進行功能實施。其中RSLogix-5000軟件是Control-Logix系列處理器專用的編程開發環境［4］。利用RSLogix-5000編程軟件可以組態Control-Logix系統的I/O和通訊模塊，以及對Control-Logix5550處理器編程，包括對運動控制編程。用戶可以在上位機中直接進行梯形圖編程，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，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系。RSView32采用了開放的技術，如ODBC、OLE和DDE，并提供了先進的、功能齊全的工具允許現場設備的在線修改，如RSView32允許在運行時改變圖形顯示、Tag地址、節點地址以及PLC網和設備驅動器的組態調整。RSView32利用MicrosoftWindows操作系統的多任務環境加上自己功能完善的多形式數據記錄、實時與歷史趨勢、報警監控和事件檢測等來完成監控系統的控制要求，可以成功的實現控制系統的分析、設計和運行監控［6］。
4．2軟件編程
Rockwell自動化控制系統采用的編程方式為梯形圖編程，編程軟件為RSLogix-5000，該軟件能夠通過設備網實現在線調試功能。本軟件設計中，所有路口的交通控制策略均會在RSLogix-5000的梯形圖編程環境中實現，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端口分配本設計中，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output端口)、中斷程序指示輸出參量(1個output端口)，其中，交通燈輸出參量將對應其控制車流的行駛方向按交通控制策略順序對應I/O端口。根據演示情況將I/O端口做如表1的分配。4．2．2功能框圖綜上所述，圖4為梯形圖軟件設計的功能框圖［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方面:實現一般正常情況下的交通控制策略。車流阻塞識別電路輸入信號的處理。智能控制的策略轉換。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，道路阻塞情況下的智能控制策略和實現交通管制控制策略。
4．3監控軟件設計
在完成梯形圖編程之后，必須通過RSView32組態軟件與梯形圖建立相對應的聯系，通過設置按鍵、圖表、顯示窗口的途徑對梯形圖程序實現結果和各種中間參數實行實時監控，并能對實際電路中交通燈的各種狀態加以模擬。
5結束語
本文提出了一種交通燈控制系統的設計方案，采用Rockwell自動化控制系統的三層網絡結構，以太網將與控制計算機相連接，作為控制中樞，控制網除連接系統自帶的輔助設備外，主要起到使以太網和設備網完成通信的目的，所有的交通燈、傳感器將連接到設備網，完成在正常情況和緊急狀況下對十字路口和丁字路口兩路口紅綠燈進行交通控制的基本任務。實現的系統能根據南向來車的等待車隊長度判斷是否改變現行控制策略，進行智能優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，實現設計所要求的功能。其人機界面十分友好且擁有很多獨特的功能模塊，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。監控界面采用RSView32組態軟件，利用其良好的通用性及可擴展性完成了系統的監控功能。Rockwell系統實現的交通燈控制具有較強的抗干擾能力，系統結構簡單緊湊，可靠性高。
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