智能红绿灯自动控制系统分析

前言

交通信号灯是指挥交通运行的信号灯，也称红绿灯，由红灯、绿灯、黄灯组成。红灯表示禁止通行，绿灯表示准许通行，黄灯表示警示。三种颜色的指示灯亮的时间并不是随意设置的，合理的设置各个指示灯的时间，可以有效地疏导交通流量、提高道路通行能力，减少交通事故。本文主要通过使用博途软件、西门子S7-300编辑红绿灯的控制逻辑程序来讲解指示灯控制流程工作，以便在后续的研究过程中更熟悉设备运行。

图1

一、红绿灯

早期的红绿灯主要是一个被动机械控制工具，在红绿灯加入电气控制后，控制系统通过提前设置好的方案和时间发出指令，下面使用实例进行讲解。

1、机械控制

刚开始的控制系统是根据方案提前设置好的，控制时间在运行中无法更改。启动后，按照预置的方案，周期执行，如下方实例所示。

图2 周期控制程序

图3 指示灯输出

2、定时控制

在城市中，每天都有上班高峰期和下班高峰期，在这期间，可能在某个方向在这期间车辆特别多，这时为了防止某个路口长时间堵塞，可以在该路口车多的方向增加绿灯时间。因此可以设置不同时间段的控制方案，称为定时控制。
通过观察路口车辆情况，提前设置高峰时间段。启动后，程序读取系统时间，通过比较，得出该时间是否属于高峰期。若为高峰期，按照高峰期预置的方案，周期执行；若为非高峰期，按照非高峰期预置的方案，周期执行。如南北方向在高峰期车辆比较多，具体控制程序如下方实例所示。

图4 读取系统时间

图5 比较时间

图6 高峰期控制程序

图7 非高峰期控制程序

图8 指示灯输出
一天只用一个配时方案的称为单段式定时控制；一天按不同时段的交通量采用几个配时方案的称为多段式定时控制。

二、智能红绿灯

在城市交通中，红绿灯虽然有信号控制系统，但红绿灯的转换频率只能按时间分配，不能根据车辆情况合理分配红绿灯时间。比如说某个路口，某个时间段，南北方向车辆没有了，依然是绿灯，而东西方向车辆很多，绿灯时间内，车辆只能走一部分，这样东西方向只会越来越堵，道路的通行率大大降低，同时延长机动车等待时间。
自适应交通控制系统，也称智能红绿灯，就可以解决这个问题。该系统是一个计算机化的系统，采用自适应控制算法，以及大数据分析，而不是其他系统采用的预先设定的固定时间交通控制方案。原理是在交叉路口上安装车辆检测器等检测设备，把交通实时数据反馈到系统服务器，服务器对其进行分析，系统根据实际情况自动调整配时方案，并且还可以与其他路口联调联控，无须管理人员经常性对系统干预。自适应交通控制系统分为感应控制系统和自适应控制系统。

1、感应控制

感应控制的基本方式是单个交叉口的感应控制，简称单点控制感应控制。系统根据某个交叉路口车辆反馈数据信息进行分析，信号灯随着车流信息的变化而随时改变，减少交通压力。如下面实例所示，红绿黄灯的控制时间是可变的，系统分析实时数据后，计算机与控制器可以进行数据交换，可以修改控制器数据块中相应偏移量的值来配置（增加或减少）红绿黄灯（数据块DB9）相应的显示时间，从而达到有效控制车辆行驶。

图9 感应控制程序

图10 指示灯输出

2、自适应控制

路面上车辆的情况是不确定性的，每时每刻都在变化。如果把交通系统作为一个不确定系统，能够连续测量其状态，如车流量、停车次数、延误时间、排队长度等，把这些变量进行分析，掌握其变化特性，并与理想的动态特性进行比较，并利用差值以改变系统的可调参数或产生一个控制，从而保证不论环境如何变化，均可使控制效果达到最优或次优控制的一种控制方式。自适应控制是多个单点控制感应控制联调联控。

图11
如某个路口的某个方向如果出现拥堵，系统检测到拥堵方向车辆增加且通行缓慢，会立刻向周边路口发出协调管控信号，让系统把通向这个拥堵路口上游的红灯时间适当延长，然后把拥堵路口疏散方向的绿灯时间也延长，这样对拥堵路口变成了一个“缓进快出”模式，用于路口“消肿”。

3、辅助功能

智能红绿灯系统除了自动化调整红绿灯时间，还可以根据实际情况和需求添加一些辅助功能，如报警功能，可以辅助交警工作。系统检测到路口拥堵加剧，立刻启动应变，至于拥堵的原因，可能是车多，也可能是临时发生事故，系统是不知道的。但有一点，系统可以分辨出来。那就是采取了应变，同一个地点还是拥堵，系统就会判定，这个拥堵原因不是偶发的，可能是某个交通组织的问题，从而发出预警。交警收到警报，就会去现场调研，然后想办法解决。这样就减少了监控人员时时刻刻盯着监控的工作。

4、网络安全问题

智能红绿灯自动控制系统是一个联网系统，拥有一个可视化平台进行监控、管理和安全检测等工作。因此非常注重网络安全方面，需要一个安全管理系统进行实时识别、分析和预警安全威胁，拥有防攻击、防病毒、防篡改、合规检查等安全能力，保证控制系统的自动化安全运营。

图12

结束语

红绿灯不仅仅指单纯红绿黄色灯指示，还有行驶方向指示，车辆直行、左转、右转、掉头和人行道指示灯时间配置，其实原理一样，只要弄清楚它们之间的关系，即可编程出相关的控制逻辑程序，那么我们在攻击的研究过程中也可以对其中的逻辑程序进行更改以达到我们需要的利用效果。

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