智能交通监控系统设计

摘要

智能交通监控系统是目前研究的一个热点课题，而且取得了不少的成果，在少数先进国家已采用智能方式来控制交通信号。为了实现交通道路的有效管理，力求交通管理先进性和科学化,本文采用车流量传感器检测车辆的存在与通过,并把这一信号转化为标准脉冲信号,作为可编程控制器的控制输入，采用PLC计数，按一定控制规律自动调整红绿灯的时长；设计定时器在上、下班高峰期增加绿灯放行时间以及合理应用电子警察对各个路口违章、肇事事故进行监控和记录等。

关键词PLC 智能交通监控车流量传感器电子警察

目录

第一章绪论 (1)

1.1课题背景及发展现状 (1)

1.2智能交通监控系统的简介 (2)

1.3课题的建立以及本文完成的主要工作 (3)

第二章可编程程序控制器（PLC）的简述 (5)

2.1PLC的定义及由来 (5)

2.2PLC的基本结构 (6)

2.3PLC的工作原理 (9)

2.4PLC的特点 (9)

2.5PLC控制系统的总结与展望 (10)

第三章智能交通监控系统概述 (12)

3.1智能交通监控系统的设计目的 (12)

3.2系统设计方案 (12)

3.3系统的设计要求 (12)

3.4系统的设计方案分析 (12)

3.5设计流程图 (13)

第四章智能交通监控系统的总体设计 (14)

4.1电子警察监控系统的设计 (14)

4.1.1 系统概述 (14)

4.1.2 系统分析 (14)

4.1.3 前段抓拍子系统技术详解 (15)

4.2交通信号控制系统的设计 (19)

4.2.1 交通灯控制系统结构图 (19)

4.2.2 车辆滞留检测系统 (19)

4.2.3 信号转换装置 (21)

4.2.4 正常运行模块程序框图及分析 (22)

4.2.5 车流量信号智能处理模块及分析 (23)

4.2.6 交通灯智能控制程序框图 (23)

第五章设计总结 (26)

致谢 (27)

参考文献 (28)

智能交通监控系统的设计

第一章绪论

1.1 课题背景及发展现状

1858年，在英国伦敦主要街头安装了以燃煤气为光源的红，蓝两色的机械扳手式信号灯，用以指挥马车通行。这是世界上最早的交通信号灯。1868年，英国机械工程师纳伊特在伦敦威斯敏斯特区的议会大厦前的广场上，安装了世界上最早的煤气红绿灯。它由红绿两种旋转式方形玻璃提灯组成，红色表示“停止”，绿色表示“注意”。1869年1月2日，煤气灯爆炸，使警察受伤，遂被取消。1914 年，电器启动的红绿灯出现在美国。这种红绿灯由红绿黄三色圆形的投光器组成，安装在纽约市5号大街的一座高塔上。红灯亮表示“停止”，绿灯亮表示“通行”。1918年，又出现了带控制的红绿灯和红外线红绿灯。带控制的红绿灯，一种是把压力探测器安在地下，车辆一接近红灯便变为绿灯；另一种是用扩音器来启动红绿灯，司机遇红灯时按一下嗽叭，就使红灯变为绿灯。红外线红绿灯当行人踏上对压力敏感的路面时，它就能察觉到有人要过马路。红外光束能把信号灯的红灯延长一段时间，推迟汽车放行，以免发生交通事故。信号灯的出现，使交通得以有效管制，对于疏导交通流量、提高道路通行能力，减少交通事故有明显效果。

1968年，联合国《道路交通和道路标志信号协定》对各种信号灯的含义作了规定。绿灯是通行信号，面对绿灯的车辆可以直行，左转弯和右转弯，除非另一种标志禁止某一种转向。左右转弯车辆都必须让合法地正在路口内行驶的车辆和过人行横道的行人优先通行。红灯是禁行信号，面对红灯的车辆必须在交叉路口的停车线后停车。黄灯是警告信号，面对黄灯的车辆不能越过停车线，但车辆已十分接近停车线而不能安全停车时可以进入交叉路口。在汽车产业蓬勃发展的背后，随之而来交通问题也越来越多，如交通堵塞和交通事故时常发生，这不但给人们的生命和财产造成了威胁，同时还制约着国民经济的发展。为了缓解交通的负荷量，使车辆运行畅通无阻，交通事业整严有序，我国引进了与国情相符合的国外先进的控制体系，多车道交通灯控制系统，不但解决以往交通控制系统的局限性，同时还加快了车流量速度。并制定了《道路交通安全法实施条例》第三十八条明确规定：绿灯亮时，准许车辆通行，但转弯的车辆不得妨碍被放行的直行车辆、行人通行，黄灯亮时，已越过停止线的车辆可以继续通行，红灯亮时，禁止车辆通行。

城市的现状随着社会经济的发展，城市交通问题越来越引起人们的关注。人、车、路三者关系的协调，已成为交通管理部门需要解决的重要问题之一。城市交通控制系统

是用于城市交通数据监测、交通信号灯控制与交通疏导的计算机综合管理系统，它是现代城市交通监控指挥系统中最重要的组成部分。城市机动车量的不断增加，许多大城市如北京、上海、南京等出现了交通超负荷运行的情况。因此，自80年代后期，这些城市纷纷修建城市高速道路，在高速道路建设完成的初期，它们也曾有效地改善了交通状况。然而，随着交通量的快速增长和缺乏对高速道路的系统研究和控制，高速道路没有充分发挥出预期的作用。而城市高速道路在构造上的特点，也决定了城市高速道路的交通状况必然受高速道路与普通道路耦合处交通状况的制约。所以，如何采用合适的控制方法，最大限度利用好耗费巨资修建的城市高速道路，缓解主干道与匝道、城区同周边地区的交通拥堵状况，越来越成为交通运输管理和城市规划部门待解决的主要问题。

智能控制交通系统是目前研究的方向，也已经取得不少成果，在少数几个先进国家已采用智能方式来控制交通信号。

1.2智能交通监控系统的简介

智能交通系统的出现大大改变了我国紧张的交通形势，它能够根据车流量的变化自动调整红绿灯的时间长度，不会出现空道占时的情形，最大限度的减少十字路口的车辆滞留现象，有效地缓减交通拥挤，实现交通控制的最优控制，大大的提高了交通系统的效率。随着我国经济的不断发展，国民生活水平不断提高，私家车辆的数量大幅度的增加，道路拥挤的问题日益突出，智能交通系统一定会得到广泛应用。

智能交通系统的发展，最早可以追溯到20世纪七八十年代的一系列车辆导流系统新技术的开发和应用。1991年美国通过“地面交通效率法”（ISTEA），俗称“冰茶法案”，从此美国的IVHS研究开始进入宏观运作阶段。1994年，美国将IVHS更名为ITS。之后，欧洲、日本等也相继加入了这一行列。经过30年的发展，美国、欧洲、日本成为世界ITS研究的三大基地。美国是当今世界在 ITS 开发领域发展最快的国家，它从上个世纪80年代开始，先后开展了与智能汽车技术相关的PATH、IVI、VII和CVHAS 等国家项目1995年3月美国交通部正式出版了“国家智能交通系统项目规划”，明确规定了智能交通系统的7大领域和29个用户服务功能目前7大领域包括：出行和交通关系系统、出行需求管理系统、公共交通运营系统、商用车辆运营系统、电子收费系统、应急管理系统、先进的车辆控制和安全系统。日本于上个世纪90年代初就制定了大力发展智能交通系统的国家战略，其中智能汽车作为智能交通的重要组成部分，也得到了深入研究。日本政府主导的先进安全汽车ASV项目已于2000年取得初步实用化成果。我国ITS的发展起步较晚，70年代以来，从国外引进、消化了一些项目，并进行了一些ITS 或类ITS基础项目的研究和应用。70年代中至80年代初，主要是进行城市交通信号控制试验研究，80年代中至90年代初，在一些大城市引进和消化城市交通信号控制系统，实现了一些（高速）公路监控系统、高等级公路电子收费系统和路边信息服务系

统。90年代中以来，开始研究部门ITS发展战略和GIS、GPS、EDI在交通中的应用等，重视交通信息网络的建设，公路和桥梁管理用基础数据库、道路交通量和气象数据采集等经过多年的努力，也已取得明显的进展。

1.3 课题的建立以及本文完成的主要工作

在十字路口设置交通灯可以对交通进行有效的疏通，并为交通参与者的安全提供了强有力的保障。但是随着社会、经济的快速发展，原先的交通灯控制系统已经不能适应现在日益繁忙的交通状况。如何改善交通灯控制系统，使其适应现在的交通状况，成为研究的课题。传统的十字路口交通控制灯，通常的做法是：事先经过车流量的调查，运用统计的方法将两个方向红绿灯的延时预先设置好。然而，实际上车辆流量的变化往往是不确定的，有的路口在不同的时段甚至可能产生很大的差异。即使是经过长期运行、较适用的方案，仍然会发生这样的现象：绿灯方向几乎没有什么车辆，而红灯方向却排着长队等候通过。这种流量变化的偶然性是无法建立准确模型的，统计的方法已不能适应迅猛发展的交通现状，更为现实的需要是能有一种能够根据流量变化情况自适应控制的交通灯。目前，大部分城市中十字路口交通灯的控制普遍采用固定转换时间间隔的控制方法。由于十字路口不同时刻车辆的流量是复杂的、随机的和不确定的，采用固定时间的控制方法，经常造成道路有效利用时间的浪费，出现空等现象，影响了道路的畅通。为此，需要一种新型的控制方法才能较好地解决这个问题。

智能交通系统（ITS——Intelligent Transport Systems）ITS 是一个跨学科、信息化、系统化的综合研究体系，其主要内容是：将先进的人工智能技术、自动控制技术、计算机技术、信息与通讯技术及电子传感技术等有效的集成，并应用于整个地面交通管理系统而建立的一种在大范围内、全方位发挥作用的，实时、准确、高效的综合交通运输管理系统。交通控制系统是ITS研究的一个重要方面。由于交通系统具有较强的非线性、模糊性和不确定性，是一个典型的分布式非线性系统，而且具有多种信息来源、多种传感器的特点，用传统的理论与方法很难对其进行有效的控制。把先进的智能控制技术、信息融合技术、智能信息处理技术与交通管理技术结合起来，代表着城市交通信号控制系统发展的方向。智能交通的发展是现代社会经济发展的客观要求，交通运输是国民经济和现代社会发展的基础。由于现代社会城市化速度越来越快、国民经济的高速增长、全球经济的一体化进程加快、个人旅行与休闲时间的不断增加以及人们对交通需求越来越高，智能交通便成为现代社会经济发展的客观要求，又由于PLC技术相较于单片机技术和继电器技术有如下优点：功能强、性价比高、硬件配备齐全、易操作、适应性强、可靠性高、编程调试简单、体积小、能耗小、维修方便等等。

所以课题选用先进的西门子公司的小型PLC设备S7-200作平台。以交通信号监控系统为整套设计方案的中心，提出一套可行性方案。其中具体包括：

1．能控制十字路口东西南北的通行，通过定时器控制通行和禁止通行的时间；

2．利用PLC的相关知识实现交通高峰低峰的通行时间的智能调整；

3．在智能交通信号控制系统中加入电子警察抓拍违章系统。

第二章可编程程序控制器（PLC）的概要

2.1 PLC的定义及由来

1. PLC 的定义

可编程控制器Programmable Controller是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的。早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器Programmable Logic Controller，简称PLC，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展，这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称 PC。但是为了避免与个人计算机Personal Computer的简称混淆，所以将可编程控制器简称 PLC。 PLC 问世以来，尽管时间不长，但发展迅速。为了使其生产和发展标准化，美国电器制造商协会NEMA（ National ElectricalManufactory Association）经过四年的调查工作，于1984年首先将其正式命名为PC（Programmable Controller），并给PC作了如下定义:PC是一个数字式的电子装置，它使用了可编程序的记忆体储存指令。用来执行诸如逻辑，顺序，计时，计数与演算等功能，并通过数字或类似的输入/输出模块，以控制各种机械或工作程序。一部数字电子计算机若是从事执行PC子功能，亦被视为PC，但不包括鼓式或类似的机械式顺序控制器。以后国际电工委员会（IEC）又先后颁布了 PLC 标准的草案第一稿，第二稿，并在1987年2月通过了对它的定义：“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关外部设备，都按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。”总之，可编程控制器是一台计算机，它是专为工业环境应用而设计制造的计算机。它具有丰富的输入/输出接口，并且具有较强的驱动能力。但可编程控制器产品并不针对某一具体工业应用，在实际应用时，其硬件需根据实际需要进行选用配置，其软件需根据控制要求进行设计编制。

2. PLC 的由来

早期工业生产中广泛使用的电气自动控制系统是继电器-接触器控制系统，简称继电器控制系统，随着20世纪工业生产的迅速发展，市场竞争越来越激烈，工业产品更新换代的周期日趋缩短，新产品不断涌现，传统的继电器控制系统难以满足现代社会小批

量、多品种、低成本、高质量生产方式的生产控制要求，为了改变这一现状，美国通用汽车公司在1969年公开招标，要求用新的控制装置取代继电器控制装置，并提出了十项招标指标，也就是就是著名的“GM10条”，即：

（1）编程方便，现场可修改程序；

（2）维修方便，采用模块化结构；

（3）可靠性高于继电器控制装置；

（4）体积小于继电器控制装置；

（5）数据可直接送入管理计算机；

（6）成本可与继电器控制装置竞争；

（7）输入可以是交流115V；

（8）输出为交流115V，2A以上，能直接驱动电磁阀，接触器等；

（9）在扩展时，原系统只要很小变更；

（10）用户程序存储器容量至少能扩展到4KB。

1969年，美国数字设备公司（DEC）研制出第一台PLC，在美国通用汽车自动装配线上试用，获得了成功。这种新型的工业控制装置以其简单易懂，操作方便，可行性高，使用灵活，体积小，使用寿命长等一系列优点，很快地在美国其他工业领域推广应用。到1971年，已经成功地应用于食品、饮料、冶金、造纸等工业。这一新型工业控制装置的出现，也受到了世界其他国家的高度重视。1971年，日本从美国引进了这项新技术，很快研制出了日本第一台PLC。1973年，西欧国家也研制出它们的第一台PLC。我国从1974年开始研制。于1977年开始工业应用。

2.2 PLC的基本结构

PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构与微型计算机从结构上分，PLC分为固定式和组合式（模块式）两种。固定式PLC包括CPU 板、I/O 板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。模块式PLC包括CPU模块、I/O 模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。其结构如图2-1所示。

1.中央处理单元CPU

中央处理单元CPU是PLC的控制中枢，它按照PLC系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据、检查电源、存储器 I/O 以及警戒定时器的状态；并能诊断用户程序中的语法错误。当PLC投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后，按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内，等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄

存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行直到停止运行。为了进一步提高 PLC 的可靠性近年来对大型PLC 还采用双CPU 构成冗余系统或采用三CPU 的表决式系统，这样即使某个CPU 出现故障整个系统仍能正常运行。CPU 是PLC 的核心，起神经中枢的作用，每套PLC 至少有一个CPU ，它按PLC 的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和 PLC 内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。

进入运行后，从用户程序存贮器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路。CPU 主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，CPU 单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。内存主要用于存储程序及数据，是PLC 不可缺少的组成单元。在使用者看来，不必要详细分析CPU 的内部电路，但对各部分的工作机制还是应有足够的理解。CPU 的控制器控制CPU 工作，由它读取指令、解释指令及执行指令。但工作节奏由震荡信号控制。运算器用于进行数字或逻辑运算，在控制器指挥下工作。寄存器参与运算，并存储运算的中间结果，它也是在控制器指挥下工作。CPU 速度和内存容量是PLC 的重要参数，它们决定着PLC 的工作速度、I/O 数量及软件容量等，因此限制着控制规模。

2.存储器

存放系统软件的存储器称为系统程序存储器，存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。

中央处理单元

（CPU ）

编程器 输出电路 输入

电路

系统程序存储器 系统程序存储器 电源 图2-1 PLC 基本结构图

PLC常用的存储器类型RAM Random Assess Memory，这是一种读/写存储器随机存储器，其存取速度最快，由锂电池支持。EPROM Erasable Programmable Read Only Memory，这是一种可擦除的只读存储器，在断电情况下存储器内的所有内容保持不变在紫外线连续照射下可擦除存储器内容。EEPROMElectrical Erasable Programmable Read OnlyMemory，这是一种电可擦除的只读存储器，使用编程器就能很容易地对其所存储的内容进行修改。

PLC存储空间的分配虽然各种PLC的CPU的最大寻址空间各不相同，但是根据PLC 的工作原理其存储空间一般包括以下三个区域：系统程序存储区；系统RAM存储区包括I/O映象区和系统软设备等。

3.电源

PLC的电源在整个系统中起着十分重要的作用。如果没有一个良好的可靠的电源系统是无法正常工作的，因此PLC的制造商对电源的设计和制造也十分重视，一般交流电压波动在+10%(+15%)范围内可以不采取其他措施，而将PLC直接连接到交流电网上去。

4.I/O模块

PLC与电路回路的接口，是通过输入输出部分（I/O）完成的，I/O模块集成了PLC 的I/O电路，其输入暂存器反应输入信号状态，输出点反应输出锁存器状态。输入模块将电信号转换进入PLC系统，输出模块相反。I/O分为开关量输入（DI），开关量输出（DO）,模拟量输入（AI），模拟量输出（AO）等模块。

5.PLC系统的其他设备

编程设备：编程器是PLC开发应用、监控运行、检查维护不可缺少的器件，用于编程并对系统做一些设定、监控PLC及PLC所控制的系统的工作状况，但它不参与现场控制运行。小编程PLC一般有手持型编程器，一般由计算机（运行编程软件）充当编程器，也就是我们所说的上位机。

人机界面：最简单的人机界面是指示灯和按钮，目前液晶屏（或触摸屏式）的一体式操作员终端应用越来越广泛，有计算机（运行组态软件）充当人机界面非常普遍。

6.PLC的通信联网

依靠先进的工业网络技术可以迅速有效的收集、传送生产和管理数据。因此，网络在自动化集成工程中的重要性越来越显著，甚至有人提出“网络就是控制器”的观点说法。

PLC具有通信联网的功能，它使PLC与PLC之间、PLC与上位计算机以及其他智能设备之间能够交换信息，形成一个统一整体实现分散集中控制。现在几乎所有的PLC新产品都有通信联网功能，和计算机一样具有RS-232接口，通过双绞线、同轴电缆或光缆可以在几公里甚至几十公里范围内交换信息。

当然，PLC之间的通讯网络是各厂家专用的，PLC与计算机之间的通讯，一些厂家采用工业标准总线，并向标准通讯协议靠拢，这将使不同机型的PLC之间、PLC与计算机

之间可以方便地进行通信与联网。

7.外部设备

外部设备是PLC系统不可分割的一部分，它有四大类：

(1)编程设备：有简易编程器和智能图形编程器，用于编程、对系统做一些设定、监控PLC及PLC所控制的系统的工作状况。编程器是PLC开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的器件，但它不直接参与现场控制运行。

(2）监控设备：有数据监视器和图形监视器。直接监视数据或通过画面监视数据。

(3）存储设备：有存储卡、存储磁带、软磁盘或只读存储器，用于永久性的存储用户数据，使用户程序不丢失，如EPROM、EEPROM写入器等。

(4）输入输出设备：用于接收信号或输出信号，一般有条码读入器、输入模拟量的电位器、打印机等。

2.3 PLC的工作原理

PLC的工作原理既不同于公用计算机，也不同于继电器控制系统。它的工作过程以循环扫描的方式进行，当PLC处于运行状态时，其运行周期可以分为三个基本周期：

1.输入采样阶段

在这个阶段，PLC逐步扫描每个输入端口，将所有输入设备的当前状态保存到相应的存储区，把专用于存储输入设备状态的存储区称为输入映像寄存器。输入映像寄存器的状态被刷新后，将一直保存，直至下一个循环才会被重新刷新，所以当输入采样阶段结束后，如果输入设备的状态发生变化，也只能够在下一个周期才能被传送到PLC。

2.程序执行阶段

CPU从0000地址的第一条指令开始，依次逐条执行各指令，直到执行到最后一条指令。PLC执行指令程序时，要读入输入映像寄存器的状态（ON或OFF，即1或0）和其他编程元件的状态，除输入继电器外，一些编程元件的状态随着指令的执行不断更新。CPU 按程序给定的要求进行逻辑运算和算术运算，运算结果存入相应的元件映像寄存器，把将要向外输出的信号存入输出映像寄存器，并由输出锁存器保存。程序执行阶段的特点是依次顺序执行指令。

3.输出处理阶段

CPU将输出映像寄存器的状态经输出锁存器和PLC的输出端子，传送到外部去驱动接触器、电磁阀和指示灯等负载。这时输出锁存器的内容要等到下一个扫描周期的输出阶段的到来才会被刷新。这种输出工作方式称为集中输出方式。

2.4 PLC的特点

1.可靠性高，抗干扰能力强

传统的继电器控制系统，采用了大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，使控制柜的设计、安装、接线工作量大大减少。

PLC采用了一系列硬件和软件抗干扰措施，具有很强的抗干扰能力，平均无故障时间达到数万小时以上，可以直接用于有强烈干扰的工业生产现场，PLC已被广大用户公认为最可靠的工业设备之一。

2.灵活性强，控制系统具有良好的柔性；

当生产工艺和流程进行局部的调整和改动时，通常只需对PLC的程序进行改动，或者配合以外围电路的局部调整即可实现对控制系统的改造。

3.编程简单，使用方便；

梯形图语言是PLC最重要也是最普及的一种语言，其电路符号与表达方式与继电器原理图相似，读者可很快掌握梯形图语言，并用来编制用户程序。

4.控制系统易于实现，开发工作量小，周期短；

由于PLC的系列化、模块化、标准化及良好的扩展性和联网性能，在大多数情况下，PLC系统是一个比较好的选择。他不仅能够完成多数情况下的控制需求，还能够大量节省系统设计、安装、调试的时间和工作量。

5.维修方便；

PLC有完善的故障诊断功能，可以根据装置上的发光二极管和软件提供的故障信息，方便的查明故障源。而由于PLC的体积小并且有些采用模块化结构，因而可以通过更换整机或模块迅速排除故障。

6.体积小，能耗低；

由软件实现的逻辑控制，可以大量减少继电器、定时器的数量。一台小型的PLC，只相当于几个继电器的体积，控制系统所消耗的能量也大大降低。

7.功能强，性价比高。

用户程序所要实现的逻辑控制，需要的继电器、中间继电器、定时器、计数器等功能元件都由存储单元来替代，因而数量非常大。一台小型PLC所具备的元件数量就可达成百上千个，相当于过去一个大规模甚至超大规模的继电器控制系统。另外PLC提供的软元件触电可以无限次使用，方便地实现复杂的控制功能。同时PLC的联网通信功能有利于实现分散控制、远程控制、集中管理等功能，与同等规模或成本的继电器控制系统相比，无论其功能和性能，都具有无可比拟的优势。