基于组合脉冲的交通信号节能控制研究

杨志华

(1.城市交通管理集成与优化技术公安部重点实验室，安徽 合肥 230088；2.安徽科力信息产业有限责任公司，安徽 合肥 230088)

基于组合脉冲的交通信号节能控制研究

杨志华1,2

(1.城市交通管理集成与优化技术公安部重点实验室，安徽 合肥 230088；2.安徽科力信息产业有限责任公司，安徽 合肥 230088)

当前降低交通信号控制系统能耗的主要方法是采用更低能耗的信号灯或信号机，但受制于新技术的进步及推广，且需更高的应用成本。为此，文章综合研究信号机和信号灯的连接控制，充分利用信号灯的交流供电控制线，提出了一种基于组合式触发脉冲信号的信息传递方式，并用于交通信号控制系统的功率调控。通过信号机对信号灯的远程调控，实现了对单路口多组信号灯降低功率的集中控制、远程管理及智能配置；该控制方法有利于系统节能减排的有效实现及交通信号的优化管理。

信号机；信号灯；节能控制；脉冲信号；功率调节

0 引言

交通信号控制系统用于控制并指示道路交通信号的运行，是智能交通系统的重要研究领域之一[1]。随着节能降耗标准在各行业的深入应用发展，交通信号控制系统的节能指标也越来越高。如在城郊地区或者乡镇等地方，信号控制系统的普及率也越来越高，但在夜间等特殊时间或车流量很少的时间段，可进一步考虑降低功耗的方法。当前对交通信号控制系统的节能方式一般主要采用进一步降低信号灯功耗的方法，或者采用降低信号机的功耗、采用夜间熄灯等方式。信号灯功耗的降低与节能灯及电子技术的发展及成本的控制密切相关，较低的功耗设备需较先进的技术水平及较高的推广成本，只可逐步发展应用，如调光电路[2]和LED灯[3-4]的推广应用。不同于路灯的控制[5]，单独调整某个信号灯的亮度[6]则无法实现路口的集中控制和远程管理；信号机自身的功耗降低更与电子控制技术的发展密切相关，在满足可靠性的前提下，其功耗的降低对成本的影响更大；夜间直接将部分信号灯熄灭的方法[7-8]也存在较多应用不足，如采用夜间熄灭左转右转的箭头灯而只亮中间圆盘灯的方式，容易导致直行左转的通行冲突，不利用交通信号控制的最优管控。本文充分利用当前的信号灯及控制系统条件，基于触发脉冲技术[9]，采用组合式触发脉冲信号的方式，研究信号机对信号灯节能降耗的智能管理方法。

1 触发脉冲信号的实现

触发脉冲信号控制可用于无通信连接的设备间的简单信息交互，如图1所示，控制设备通过其脉冲信号控制源发送一定时间宽度的脉冲信号，终端设备的接收器接收并判断该脉冲信号的有效性，并根据预定的协定改变终端设备的工作模式，实现终端设备工作状态的变换。如图2所示，触发脉冲信号一般为在一定周期T的高电平时间内，发出一个时间段为t的低电平脉冲，该低电平脉冲不影响系统的正常运行，并可被终端设备有效检测。

图1 脉冲信号的发送与接收

图2 脉冲信号基本形式

道路交通信号控制系统的信号机与信号灯的连接一般为仅有交流电源控制线的连接，信号机通过对其输出的单个信号灯供电电源的控制，可控制信号灯的开关；由于信号机与信号灯之间无通信连接，信号机要实现对信号灯开关状态外的状态控制也只能通过交流电源线来管理。在运行期间，信号机通过发送单脉冲触发信号，可实现与信号灯之间的协定信息传递，实现对信号灯的远程控制。然而由于单脉冲信号表达的信息唯一，只能实现简单的状态触发，无法实现对信号灯的更复杂管理，为此，本文开展了基于组合式触发脉冲信号的节能控制方法研究及应用分析，以实现利用信号灯交流电源控制线，远程调节信号灯的功率。

2 基于组合式脉冲的节能控制系统

图3 信号机调控流程图

实现信号机对信号灯的远程节能信息传递，需具备三个条件：触发信息的有效识别、节能信息的增减识别、节能调节比例。为此，本文采用组合式触发脉冲开关信号实现信号控制设备对信号灯设备的功率调整信息传递，信号控制系统通过发送时间宽度不同的多个脉冲组合，分别表示是否触发功率调整功能、降低信号灯的功率还是增加功率、功率调整的额度等信息，通过对信号灯的控制开关进行触发式脉冲开关控制将功率调整信息传递给信号灯设备。信号控制系统采用对整个信号灯输出回路电压和电流进行检测的方法，通过检测并分析在相同的灯组状态时信号灯总功率的变化来判断功率调整功能执行的效果，将相应参数进行保存或上传，供后期分析使用。其控制流程如图3所示。

图4 信号灯调控流程图

交通信号灯设备采用实时检测及分析相应的信号机开关脉冲信息方法，判断对信号灯的功率调整脉冲信息；根据与信号机的协定，信号灯的灯控模块首先检测判断脉冲是为进行功率调整的脉冲还是其他干扰脉冲，然后判断增加或降低功率，最后检测功率调整的额度；根据以上脉冲信息，在符合相应的增减条件下，灯控模块执行对信号灯的功率调整。其调控流程如图4所示。

3 功率调节的应用实现

如图5所示，由于当前信号灯多为LED灯，每个红黄绿信号灯组一般由一个总的灯控模块进行管理。红黄绿信号灯开关分别为K1、K2、K3，信号机通过灯控模块对相应红黄绿信号灯进行开关控制。信号机通过触发脉冲信号对信号灯进行功率调节时，只需触发一个交流控制线即可，考虑到实际的信号运行时，黄灯和绿灯有闪光控制功能，一般通过对红灯控制线施加脉冲信号，实现对整个信号灯组的功率调节。信号机通过对红灯开关K1的脉冲触发控制，即可实现触发脉冲信号的有效发送。

图5 信号控制系统结构图

应用实现时，信号机与交通信号灯的脉冲信息控制，采用3次连续的脉冲开关信号。第一个脉冲表示调整功率信息的触发信号，为100 ms的脉冲，信号灯检测到该脉冲信号则初步判断为需要进行功率调节，需继续检测后续脉冲信号的有效性，设置100 ms的脉冲以与干扰脉冲有效区分。第二个脉冲表示功率增减信息，设定100 ms的脉冲表示功率减小，200 ms的脉冲表示功率增加。第三个脉冲表示功率调整的比例，时间控制为100 ms～500 ms，每100 ms表示功率在基本功率的基础上增加或减小10%，这样可将信号灯的功率降低到正常值的一半；对于低于50%的功率降低调节需求，一般直接采用熄灯的控制方法；同时，脉冲信号的时间一般不要超过500 ms，以免产生信号灯误灭的故障，影响交通的正常运行。为更好地降低对交通运行的影响，信号机发送功率调整脉冲信号固定在每个信号控制状态切换前的3 s进行，每一秒通过红灯控制线发送一个脉冲，实现组合脉冲信号的有效发送。

本文中，电流检测采用20 A/20 mA的TS060-1电流互感器，最大测量20 A的交流供电，可直接将交流火线L穿过其内孔来检测电流，并实时检测电流互感器的电流值。根据交通信号控制需要对信号灯进行脉冲开关控制时，在每次功率调整前后，需对信号灯的电压和总电流进行检测并保存，如果调整后的功率与调整前的功率变化比例与调整的比例一致，则可判定为调整成功；如差异较大，则判断为调整不成功。微控器对功率调整信息及检测的电压电流信息均进行保存，以便后期分析查看。

灯控模块在检测到相应的功率调整的脉冲开关信号后，执行对信号灯的功率调整。考虑信号灯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号灯的最低亮度及功率限制要求，则只调整至最低限制功率；如功率增加信息高于信号灯的最高亮度及功率限制要求，则只调整至最高限制功率，以确保信号灯及道路交通的正常运行。

4 结论

本文采用触发脉冲的形式，通过组合式触发脉冲开关信号的有效设计，实现了信号机对信号灯设备的功率调整，有效地实现了信号机的节能降耗；无需信号灯节能技术的深入发展，且无需增加相应的布线成本，即可实现对信号灯的功率调节；在夜间车辆较少的情况下，也无需通过熄灯的方式降低信号灯的功耗，可更好地保证交通信号控制的优化。由于该节能控制方法由信号机统一控制，实现信号灯功率的统一调节，无需对单个信号灯组进行设置。同时由于信号机具备联网功能，可根据需求远程控制信号灯的功率变化。信号机也可通过对车流量及外部光线等环境的检测，自适应地调整功率变化状况；对于设定固定时间段的功率调整需求，如车流量较大或者可见度不高，则可不执行设定的功率降低参数。因此，该方法具有较好的灵活性及智能性。

[1] 肖圣兵．新型智能交通信号机的研究与设计[D]．合肥：中国科学技术大学，2009.

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[4] 宗平．一种LED交通信号灯的设计与实现[D]．北京：北京交通大学，2010.

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[7] 唐企尧．基于车流量的自动调时交通信号灯设计[J]. 科技视界，2015(35):342-342.

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Study on energy saving control of traffic signal based on combined pulse

Yang Zhihua1,2

(1.Key Laboratory of Urban ITS Technology Optimization and Integration, Ministry of Public Security, Hefei 230088, China;2.Anhui KeLi Information Industry Co.,Ltd., Hefei 230088, China)

The main way to reduce the energy consumption of traffic signal control system is to use low-power signal lights or signal controllers, but it limits by the progress and promotion of new technologies, and needs for higher application costs. Therefore, this paper studies the connection control of signal controller and signal light, makes full use of AC power supply control line of signal light, presents a kind of information transmission method based on combined trigger pulse signal, and is used in power regulation of traffic signal control system. The signal control system can realize the centralized control, remote management and intelligent configuration of the multiple single lights reducing power, through remote control of the signal controller. The control method is beneficial to the realization of energy saving and emission reduction and the optimization of traffic signal management.

signal controller; signal light; energy-saving control; pulse signal; power adjustment

TP273

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.09.019

杨志华.基于组合脉冲的交通信号节能控制研究[J].微型机与应用，2017,36(9)：64-66.

2016-12-05)

杨志华(1983-)，男，硕士，主要研究方向：交通信号控制及优化技术。