CN115035740A - 一种道路交通信号机故障实时监测与安全防护装置 - Google Patents

一种道路交通信号机故障实时监测与安全防护装置 Download PDF

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徐向阳
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严锡蕾
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Abstract

本发明提供的一种道路交通信号机故障实时监测与安全防护装置，其通过灯驱动信号检测子电路对信号灯的每一路灯驱动信号进行实施监测，根据预设的故障条件判断是否发生信号机故障，一旦检测到信号机故障，则根据信号机故障的类型，通过继电器、黄闪切换电路控制待监测信号机进行实时地故障处理，无需等待技术人员判断，极大地提高了信号灯故障处理效率。通过同亮时间阈值的设置，将以外产生的不影响交通控制的红绿同亮、绿灯冲突进行过滤，不作处理，同时通过电压检测阈值的设置，将不影响交通控制的干扰信号进行过滤，降低了信号机故障处理出错的概率，进而提高了信号机故障处理效率。

Description

一种道路交通信号机故障实时监测与安全防护装置
技术领域
本发明涉及信号灯控制技术领域，具体为一种道路交通信号机故障实时监测与安全防护装置。
背景技术
道路交通信号灯(以下简称：信号灯)是道路交通安全管理中的重组成部分。道路交通信号机(以下简称：信号机)是控制信号灯运行的设备，信号机中的控制主机通过灯驱动信号控制每一路信号灯的点灭，确保交通出行者的秩序和安全。信号机一般配置有黄闪控制电路模块，主要作用是信号机或信号灯发生故障时把信号灯转换黄闪状态，起到安全警示作用。
信号机和信号灯处于室外的工作环境，因为环境或者本身的软硬件原因会发生一些故障，如：信号灯固定在单一信号灯不再转换、红绿灯同亮、红灯不亮、绿灯冲突等，这些故障不但影响交通安全与通行，严重的时候甚至会导致严重交通事故。
现有技术中对于信号机的故障大多是通过人工检修，或者通过安装信号监测设备，将信号灯的驱动信号发送云端服务器或者技术人员，由技术人员判断是否为信号机故障，再判断处理方式。有时候是非常简单的故障，也需要较长的周期才能完成故障处理，处理效率较低，对交通控制造成了很大的不便。
发明内容
为了解决现有技术中交通信号机故障处理周期较长、效率较低的问题，本发明提供一种道路交通信号机故障实时监测与安全防护装置，其可以实时监测信号机输出给信号灯的灯驱动信号，判断信号机故障，并对信号机故障进行实时处理，极大的提高了信号机故障处理效率。
本发明的技术方案是这样的：一种道路交通信号灯实时监测及故障处理装置，其特征在于，其包括：设置于待监测信号机内部的控制器、电源电压检测单元、继电器、黄闪切换电路；
所述控制器通过电源电压检测单元电性连接所述待监测信号机到指示灯的每一路灯驱动信号的输送电路，监测所述灯驱动信号；
所述控制器通过所述继电器连接所述待监测信号机的主电源，控制所述待监测信号机的主电源的开关；
所述控制器通过所述黄闪切换电路连接所述待监测信号机的黄闪控制电路，切换所述黄闪控制电路对信号灯的控制权；
所述电源电压检测单元包括灯驱动信号检测子电路，所述灯驱动信号检测子电路的数量与信号灯的指示灯的个数相同；
所述控制器基于所述灯驱动信号检测子电路，按照预设的频率持续扫描待监测的每一路灯驱动信号，当扫描到的脉冲的低电平时长大于预设的有效时长时，判断当前信号有效；同时，将扫描得到的脉冲信号和预设的故障条件比较，符合所述故障条件，则判断存在信号机故障；
根据所述信号机故障的类型，通过所述继电器、所述黄闪切换电路进行故障处理。
其进一步特征在于：
所述信号机故障包括：红绿同亮故障、绿灯冲突故障和主机死机故障；
所述红绿同亮故障的故障条件为：按照预设的冲突规则，不能同时有效的红色指示灯和绿色指示灯的所述灯驱动信号检测子电路同时检测到有效信号，且满足同亮时间阈值，则判定为红绿同亮故障；
所述绿灯冲突故障的故障条件为：按照预设的冲突规则，不能同时有效的绿色指示灯的所述灯驱动信号检测子电路同时检测到有效信号，且满足同亮时间阈值，则判定为所述绿灯冲突故障；
所述主机死机故障的故障条件为：按照预设的死机时间阈值，当所有的所述灯驱动信号检测子电路输入的灯驱动信号无变化时间超过所述死机时间阈值时，则判定为所述主机死机故障；
所述同亮时间阈值设置为0.1秒；
所述故障处理包括：切换黄闪和主机重启；
当所述信号机故障为红绿同亮故障、绿灯冲突故障时，所述控制器通过所述黄闪切换电路将信号灯的灯驱动信号方式切换到所述黄闪控制电路，使信号灯进入黄闪状态；
当所述信号机故障为主机死机故障时，按照以下步骤进行故障处理：
a1：预设重启时间阈值和重启轮次阈值；
a2：检测到所述主机死机故障；
a3：所述控制器通过所述继电器将所述待监测信号机的主电源切断；
a4：等待所述重启时间阈值之后，通过所述继电器接通所述待监测信号机的主电源；
a5：检测是否存在所述主机死机故障；
如果仍然存在主机死机故障，执行步骤a6；
否则，主机死机故障解除，停止故障处理流程，继续实时扫描待监测的灯驱动信号；
a6：循环执行步骤a3～a5，直至所述待监测信号机的主电源切断和接通次数大于所述重启轮次阈值，执行步骤a7；
a7：所述控制器通过所述黄闪切换电路将信号灯的灯驱动信号输出方式切换到所述黄闪控制电路，使信号灯进入黄闪状态；
所述灯驱动信号检测子电路包括：二极管D、稳压管Z、第一电阻、第二电阻、稳压二极管Z、光耦 IC，所述二极管D的正极连接到接入所述指示灯的灯驱动信号的相线上，获取等驱动信号中的电压值；所述二极管D的负极连接到所述第一电阻的一端，所述第一电阻的另一端分别连接所述稳压二极管Z的负极、所述第二电阻的一端，所述稳压二极管Z的正极连接所述光耦IC的1脚，所述第二电阻的另一端连接所述光耦IC的1脚，所述光耦IC的3脚接地，所述光耦IC的4脚输出脉冲信号，送入所述控制器；
所述灯驱动信号检测子电路中基于所述稳压管Z、所述第一电阻、所述第二电阻设置电压检测阈值，当所述指示灯的灯驱动信号输入到所述灯驱动信号检测子电路中的电压低于所述电压检测阈值时，所述光耦IC输出为高电平；
所述电压检测阈值设置为110v±10v；
其还包括：FLASH存储器、带GPS授时的时钟模块和数据传输接口，所述FLASH存储器和所述时钟模块分别接入所述控制器；当所述控制器监测到信号机故障时，则将信号机故障的故障信息以时间戳方式写入FLASH存储器；所述数据传输接口提供信息数据导出的数据接口；
其还包括：手动开关，通过所述手动开关控制所控制器的监测状态在自动监测和手动监测之间切换，在所述自动监测状态下，所控制器执行对信号机故障的实时自动监测和判断。
本发明提供的一种道路交通信号机故障实时监测与安全防护装置，其通过灯驱动信号检测子电路对信号灯的每一路灯驱动信号进行实施监测，根据预设的故障条件判断是否发生信号机故障，一旦检测到信号机故障，则根据信号机故障的类型，通过继电器、黄闪切换电路控制待监测信号机进行实时地故障处理，无需等待技术人员判断，极大地提高了信号灯故障处理效率。通过同亮时间阈值的设置，将以外产生的不影响交通控制的红绿同亮、绿灯冲突进行过滤，不作处理，同时通过电压检测阈值的设置，将不影响交通控制的干扰信号进行过滤，降低了信号机故障处理出错的概率，进而提高了信号机故障处理效率。
附图说明
图1为本发明中的道路交通信号机故障实时监测与安全防护装置的模块构成示意图；
图2为灯驱动信号检测子电路的电路结构示意图；
图3灯驱动信号检测子电路与灯驱动信号输送电路的连接方式示意图；
图4为电源电压检测单元的实施例。
具体实施方式
如图1所示，本发明提供一种道路交通信号机故障实时监测与安全防护装置，其包括：设置于待监测信号机内部的控制器1、电源电压检测单元2、继电器3、黄闪切换电路4、带GPS授时的时钟模块5、FLASH 存储器6、和数据传输接口7。
FLASH存储器6和时钟模块5分别接入控制器1；当控制器1监测到信号机故障时，则将信号机故障的故障信息以时间戳方式写入FLASH存储器6；数据传输接口7提供信息数据导出的数据接口。本实施例中，数据传输接口7基于DB9接口实现。通过数据传输接口7将带有时间戳的故障信息导出，为维修人员进行故障溯源提供可靠的数据基础。
控制器1通过电源电压检测单元2电性连接待监测的每一路指示灯的灯驱动信号的输送电路；控制器 1通过继电器3连接待监测信号机的主电源，控制信号机电源的启动和关闭，实现对待监测信号机整体装置的开关控制。控制器1通过黄闪切换电路4连接待监测信号机的黄闪控制电路，切换黄闪控制电路对信号灯的控制权。
在现有信号机的控制信号中，灯驱动信号输出为持续闪烁的黄灯，表示提醒车辆、行人注意前方是交叉路口。开车经过路口看到信号灯黄闪，只要确保安全车速、有序通过、注意礼让行人即可。在信号机的控制电路中，存在一个独立的黄闪控制电路，实现信号灯的黄闪状态；信号灯的控制主机在需要的时候启动黄闪控制电路对所有的指示灯进行黄闪控制。但是，当信号灯的主机也出现问题时，则无法切换黄闪控制电路，本发明技术方案中，设置黄闪切换电路4，即便信号机主机死机也能实现切换黄闪控制电路对灯驱动信号的控制，实现将信号灯切换到黄闪状态。如图1所示，本实施例中，通过一个三极管打通信号机的黄闪控制电路。
具体实施时，控制器1基于具备计算能力的MCU(Microcontroller Unit，微控制单元)，如：型号为 STC15F2K32S2的芯片实现。
电源电压检测单元2包括灯驱动信号检测子电路，灯驱动信号检测子电路的数量与信号灯的指示灯的个数相同。
如图2所示，灯驱动信号检测子电路包括：二极管D、稳压管Z、第一电阻、第二电阻、稳压二极管 Z、光耦IC，二极管D的正极连接到接入指示灯的灯驱动信号的相线上，获取等驱动信号中的电压值；二极管D的负极连接到第一电阻的一端，第一电阻的另一端分别连接稳压二极管Z的负极、第二电阻的一端，稳压二极管Z的正极连接光耦IC的1脚，第二电阻的另一端连接光耦IC的1脚，光耦IC的3脚接地，光耦IC的4脚输出脉冲信号IN，送入控制器1。
如图3所示的实施例中，光耦IC基于EL357C实现；二极管D的正极JP接入信号灯的某一路指示灯的相线，经过二极管D，取得50Hz脉动直流信号，第一电阻、第二电阻串联分压后的电压，经过稳压管Z，作为光耦EL357C的输入信号，光耦的输出脉冲信号IN，接入控制器1，以供后续计算。
灯驱动信号检测子电路中基于稳压管Z、第一电阻、第二电阻设置电压检测阈值，当灯驱动信号输入到灯驱动信号检测子电路中的电压低于电压检测阈值时，光耦IC输出为高电平；本实施例中，电压检测阈值设置110v±10v。通过电压检测阈值的设置，能有效避免信号机输出的灯驱动信号由于可控硅漏电关不断导致的关断残余电压、或者信号机到信号灯之间的长距离馈线产生的感应电压产生的干扰信号对检测结果的影响，降低了信号灯故障处理错误发生的概率，提高了信号机故障处理效率。
如图4所示为电源电压检测单元的实施例，本实施例中灯驱动信号中有16路输出信号，则针对每一路信号都设置一个灯驱动信号检测子电路，JP1～JP16分别接到16路灯驱动信号的相线上，JP17接到零线 N；信号灯输出信号IN1～IN16分别接到控制器1，将脉冲信号送入控制器1。
控制器1基于灯驱动信号检测子电路，按照预设的频率持续扫描待监测的每一路灯驱动信号，当扫描到的脉冲的低电平时长大于预设的有效时长时，判断当前信号有效；同时，将扫描得到的脉冲信号和预设的故障条件比较，符合故障条件，则判断存在信号机故障.
根据信号机故障的类型，通过继电器3、黄闪切换电路4控制待检测信号机进行故障处理。
本实施例中，控制器1以2ms的间隔，不断扫描每一路信号，当连续两次扫描到低电平，确认当前信号有效；信号有效表示：信号机有灯驱信号输出。即，单片机检测每一路灯驱信号对应的脉冲信号，当检测到脉冲信号的低电平时长大于4ms，判定此路信号有效。
信号机故障包括：红绿同亮故障、绿灯冲突故障和主机死机故障。本发明技术方案中，能够针对红绿同亮故障、绿灯冲突故障和主机死机故障这种不同类型的故障采用不同的处理方式进行处理，满足信号机故障的实际发生场景，确保本发明技术方案更具实用性。
红绿同亮故障的故障条件为：按照预设的冲突规则，不能同时有效的红色指示灯和绿色指示灯的灯驱动信号检测子电路同时检测到有效信号，且满足同亮时间阈值，则判定为红绿同亮故障。
绿灯冲突故障的故障条件为：按照预设的冲突规则，不能同时有效的绿色指示灯的灯驱动信号检测子电路同时检测到有效信号，且满足同亮时间阈值，则判定为绿灯冲突故障。
如表1所示，为控制器1扫描到的可能存在的16路灯驱输出信号的实施例：
表1:灯驱输出信号的实施例
东 南 西 北
IN1：左转红灯 IN5：左转红灯 IN9：左转红灯 IN13：左转红灯
IN2：左转绿灯 IN6：左转绿灯 IN10：左转绿灯 IN14：左转绿灯
IN3：直行红灯 IN7：直行红灯 IN11：直行红灯 IN15：直行红灯
IN4：直行绿灯 IN8：直行绿灯 IN12：直行绿灯 IN16：直行绿灯
在系统中预设的冲突规则中，如果IN1、IN2同时有效，则判定同一灯组红绿同亮故障。如果IN4、IN8 同时有效，则判定绿灯冲突故障。
本实施例中，同亮时间阈值设置为0.1秒，即如果同一灯组红绿瞬间同亮，时长小于0.1秒，不影响信号灯对道路管控的指示作用，所以不作处理。在信号灯中，通过可控硅对每一个指示灯进行调光，灯驱可控硅关断后存在几十伏残余电压，或者线路存在几十伏感应电压，这部分干扰信号通过信号灯的硬件电路过滤，本发明技术方案不作处理。
主机死机故障的故障条件为：按照预设的死机时间阈值，当所有的灯驱动信号检测子电路输入的灯驱动信号无变化时间超过死机时间阈值时，则判定为主机死机故障。
本实施例中，死机时间阈值设置为3min，即当所有的灯驱动信号检测子电路输入的灯驱动信号无变化时间超过死机时间阈值时，则判定为主机死机故障。
故障处理包括：切换黄闪和主机重启。
当信号机故障为红绿同亮故障、绿灯冲突故障时，控制器1通过黄闪切换电路4将信号灯的灯驱动信号输出方式切换到黄闪控制电路，使信号灯进入黄闪状态。
当信号机故障为主机死机故障时，按照以下步骤进行故障处理：
a1：预设重启时间阈值和重启轮次阈值；
本实施例中，重启时间阈值设置为30s，重启轮次设置为3次；
a2：检测到主机死机故障:
a3：控制器1通过继电器3将待监测信号机的主电源切断；
a4：等待重启时间阈值之后，通过继电器3接通待监测信号机的主电源；
a5：检测是否存在主机死机故障；
如果仍然存在主机死机故障，执行步骤a6；
否则，主机死机故障解除，停止故障处理流程，继续实时扫描待监测的灯驱动信号；
a6：循环执行步骤a3～a5，直至待监测信号机的主电源切断和接通次数大于重启轮次阈值，执行步骤 a7；
a7：控制器1通过黄闪切换电路4将信号灯的灯驱动信号输出方式切换到黄闪控制电路，使信号灯进入黄闪状态。
当控制器1检测到信号灯主机死机故障时，首先通过继电器3强制切断信号机主机电源，按照重启时间阈值等待一端时间后，再接通电源，实现主机重启。本实施例中，重启三次后，如果控制器1仍然检测到主机死机故障，则彻底关闭信号机的主机电源后，使信号灯进入黄闪状态。
由于信号机通常具备手动控制功能，当处于手动控制灯色在较长时间内没有变化，则不需要实施主机重启；所以，如图1所示，本发明的装置中设置有手动开关8可以实现本发明的监测状态的切换，通过手动开关8将设备的监测状态设置为自动监测，则执行对信号灯的驱动信号的故障的实时监测判断；当信号机处于手动状态时，则停止对信号灯驱动信号长时间不变化的故障监测，只监测红绿同亮、绿冲突等故障；当处于自动状态时，则执行对信号灯驱动信号的所有故障实时监测判断。确保本发明技术方案适用于信号机的各种应用场景。
使用本发明的技术方案后，因为是通过自有的继电器3、黄闪切换电路4实现对信号机的控制，可以安装各种品牌和不同型号的道路交通信号控制机内，不改变道路信号机原有结构，不介入、不影响信号机的正常运行，完全独立自主检测信号灯、信号机的各类故障，一旦检测到故障，根据其严重程度，可分别实施自动重启、黄闪或断电等保护功能，故障处理效率极高；同时通过电压检测阈值的设置，将不影响交通控制的干扰信号进行过滤，降低了信号机故障处理错误发生的概率，进而提高了信号机故障处理效率。

Claims (9)

1.一种道路交通信号灯实时监测及故障处理装置，其特征在于，其包括：设置于待监测信号机内部的控制器、电源电压检测单元、继电器、黄闪切换电路；
所述控制器通过电源电压检测单元电性连接所述待监测信号机到指示灯的每一路灯驱动信号的输送电路，监测所述灯驱动信号；
所述控制器通过所述继电器连接所述待监测信号机的主电源，控制所述待监测信号机的主电源的开关；
所述控制器通过所述黄闪切换电路连接所述待监测信号机的黄闪控制电路，切换所述黄闪控制电路对信号灯的控制权；
所述电源电压检测单元包括灯驱动信号检测子电路，所述灯驱动信号检测子电路的数量与信号灯的指示灯的个数相同；
所述控制器基于所述灯驱动信号检测子电路，按照预设的频率持续扫描待监测的每一路灯驱动信号，当扫描到的脉冲的低电平时长大于预设的有效时长时，判断当前信号有效；同时，将扫描得到的脉冲信号和预设的故障条件比较，符合所述故障条件，则判断存在信号机故障；
根据所述信号机故障的类型，通过所述继电器、所述黄闪切换电路进行故障处理。
2.根据权利要求1所述一种道路交通信号灯实时监测及故障处理装置，其特征在于：所述信号机故障包括：红绿同亮故障、绿灯冲突故障和主机死机故障；
所述红绿同亮故障的故障条件为：按照预设的冲突规则，不能同时有效的红色指示灯和绿色指示灯的所述灯驱动信号检测子电路同时检测到有效信号，且满足同亮时间阈值，则判定为红绿同亮故障；
所述绿灯冲突故障的故障条件为：按照预设的冲突规则，不能同时有效的绿色指示灯的所述灯驱动信号检测子电路同时检测到有效信号，且满足同亮时间阈值，则判定为所述绿灯冲突故障；
所述主机死机故障的故障条件为：按照预设的死机时间阈值，当所有的所述灯驱动信号检测子电路输入的灯驱动信号无变化时间超过所述死机时间阈值时，则判定为所述主机死机故障。
3.根据权利要求2所述一种道路交通信号灯实时监测及故障处理装置，其特征在于：所述同亮时间阈值设置为0.1秒。
4.根据权利要求2所述一种道路交通信号灯实时监测及故障处理装置，其特征在于：所述故障处理包括：切换黄闪和主机重启；
所述切换黄闪为：当所述信号机故障为红绿同亮故障、绿灯冲突故障时，所述控制器通过所述黄闪切换电路将信号灯的灯驱动信号方式切换到所述黄闪控制电路，使信号灯进入黄闪状态；
所述主机重启为：当所述信号机故障为主机死机故障时，按照以下步骤进行故障处理：
a1：预设重启时间阈值和重启轮次阈值；
a2：检测到所述主机死机故障；
a3：所述控制器通过所述继电器将所述待监测信号机的主电源切断；
a4：等待所述重启时间阈值之后，通过所述继电器接通所述待监测信号机的主电源；
a5：检测是否存在所述主机死机故障；
如果仍然存在主机死机故障，执行步骤a6；
否则，主机死机故障解除，停止故障处理流程，继续实时扫描待监测的灯驱动信号；
a6：循环执行步骤a3~a5，直至所述待监测信号机的主电源切断和接通次数大于所述重启轮次阈值，执行步骤a7；
a7：所述控制器通过所述黄闪切换电路将信号灯的灯驱动信号输出方式切换到所述黄闪控制电路，使信号灯进入黄闪状态。
5.根据权利要求1所述一种道路交通信号灯实时监测及故障处理装置，其特征在于：所述灯驱动信号检测子电路包括：二极管D、稳压管Z、第一电阻、第二电阻、稳压二极管Z、光耦IC，所述二极管D的正极连接到接入所述指示灯的灯驱动信号的相线上，获取等驱动信号中的电压值；所述二极管D的负极连接到所述第一电阻的一端，所述第一电阻的另一端分别连接所述稳压二极管Z的负极、所述第二电阻的一端，所述稳压二极管Z的正极连接所述光耦IC的1脚，所述第二电阻的另一端连接所述光耦IC的1脚，所述光耦IC的3脚接地，所述光耦IC的4脚输出脉冲信号，送入所述控制器。
6.根据权利要求5所述一种道路交通信号灯实时监测及故障处理装置，其特征在于：所述灯驱动信号检测子电路中基于所述稳压管Z、所述第一电阻、所述第二电阻设置电压检测阈值，当所述指示灯的灯驱动信号输入到所述灯驱动信号检测子电路中的电压低于所述电压检测阈值时，所述光耦IC输出为高电平。
7.根据权利要求6所述一种道路交通信号灯实时监测及故障处理装置，其特征在于：所述电压检测阈值设置为110v±10v。
8.根据权利要求1所述一种道路交通信号灯实时监测及故障处理装置，其特征在于：其还包括：FLASH存储器、带GPS授时的时钟模块和数据传输接口，所述FLASH存储器和所述时钟模块分别接入所述控制器；当所述控制器监测到信号机故障时，则将信号机故障的故障信息以时间戳方式写入FLASH存储器；所述数据传输接口提供信息数据导出的数据接口。
9.根据权利要求1所述一种道路交通信号灯实时监测及故障处理装置，其特征在于：其还包括：手动开关，通过所述手动开关控制所控制器的监测状态在自动监测和手动监测之间切换，在所述自动监测状态下，所控制器执行对信号机故障的实时自动监测和判断。
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