Zusammenfassung: Hauptstreckensteuerungssysteme zeichnen sich durch geringe Kosten und kurze Bauzeiten aus. Der Einsatz von SPS-Steuerungen verkürzt den Hardware-Entwicklungszyklus erheblich und ermöglicht eine breite Anwendung. Schlüsselwörter: Hauptstreckensteuerung; Kreuzungssignalsteuerung; speicherprogrammierbare Steuerung (SPS); Optimierungsalgorithmus für die Streckensteuerung. Städtische Verkehrsleitsysteme können den Verkehr effektiv verbessern, Staus reduzieren, die Leistungsfähigkeit des Straßennetzes steigern, den Verkehrsfluss erhöhen, Wartezeiten und die Anzahl der Haltestellen verringern, den Kraftstoffverbrauch senken, die Umweltbelastung durch Verkehrslärm und Abgase reduzieren und die Verkehrssicherheit erhöhen. Dadurch fördern sie die weitere wirtschaftliche Entwicklung von Städten. Die Implementierung eines zentralisierten städtischen Verkehrsleitsystems ist jedoch mit hohen Kosten und langen Bauzeiten verbunden, was für viele kleine und mittelgroße Städte eine finanzielle Belastung darstellt. Zudem konzentriert sich die Ampelsteuerung in kleinen und mittelgroßen Städten häufig auf eine begrenzte Anzahl von Kreuzungen an wenigen Hauptstraßen. Die Hauptstreckensteuerung ist eine idealere und praktikablere Steuerungsmethode. Daher entspricht die Entwicklung eines Hauptstreckensteuerungssystems im kleinen bis mittleren Maßstab besser den Verkehrsbedürfnissen kleiner und mittelgroßer Städte. Dieses System eignet sich auch zur koordinierten Ampelsteuerung an Kreuzungen von Hauptstraßen in Großstädten, die nicht von einer zentralen Verkehrsleitzentrale geregelt werden. Im Vergleich zu zentralisierten, adaptiven städtischen Verkehrsleitsystemen bieten Fernstraßensteuerungssysteme die Vorteile geringerer Kosten und kurzer Bauzeiten und sind einfacher zu implementieren. Das Fernstraßensteuerungssystem besteht im Wesentlichen aus Ampeln an jeder Kreuzung der Fernstraße und einem Fernstraßensteuerungsrechner (Kreuzungsliniensteuerungsrechner), der an einer bestimmten Kreuzung (in der Regel einer kritischen Kreuzung) installiert ist (siehe Abbildung unten). Das Kreuzungsliniensteuerungssystem besteht aus einer speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS), einem modernen industriellen Steuergerät auf Mikroprozessorbasis, das Computer-, Automatisierungs- und Kommunikationstechnologie integriert. Es zeichnet sich durch einfache Struktur, komfortable Programmierung und hohe Zuverlässigkeit aus und wird häufig zur automatischen Steuerung industrieller Prozesse und Anlagen eingesetzt. Statistiken zeigen, dass SPSen die am weitesten verbreiteten Komponenten in der industriellen Automatisierung sind. Experten gehen davon aus, dass speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) zu den wichtigsten Werkzeugen und Basiskomponenten der zukünftigen industriellen Steuerung gehören werden und dass SPS, Roboter und CAD/CAM die drei Säulen der industriellen Produktion bilden werden. SPS basieren auf Relaissteuerungslogik und werden durch die Kombination mit 3C-Technologie (Computer, Steuerung, Kommunikation) kontinuierlich weiterentwickelt und verbessert. Aktuell haben sie sich von der sequenziellen Steuerung einzelner Maschinen im kleinen Maßstab zu Systemen für alle Steuerungsbereiche, einschließlich Prozess- und Positionssteuerung, entwickelt. 1. Die Funktionen und Leistungsindikatoren des Signalsteuergeräts entsprechen der Norm GA47-2002 „Straßenverkehrssignalsteuerung“ der Volksrepublik China. Die Betriebsmodi umfassen: Aus, Rot, Gelb blinkend, mehrperiodische Zeitsteuerung, induktive Steuerung, drahtlose Koordination und Bereichskoordinationssteuerung (einschließlich Hauptleitungskoordination). Es verfügt über eine manuelle Hardware- und Softwaresteuerung durch den Host-Computer. Es kann mit dem Host-Computer (Hauptleitungs-Steuercomputer) kommunizieren. Es kann mindestens 32 Detektoren anschließen und 48 Ampeln ansteuern. Es kann bis zu 16 Phasensignalsteuerungen ausführen und 32 Zeiträume, 32 Schaltpläne sowie 16 spezielle Tages-/Zeitraumschaltpläne einstellen. Die relevanten Parameter lassen sich einfach über Handgeräte oder Tasten am Bedienfeld einstellen. Ein Display zeigt intuitiv den relevanten Betriebsstatus und die Parameter des Signalreglers an. Das System ist für den Betrieb unter allen Wetterbedingungen geeignet. 2. Der Hauptleitungs-Steuerrechner kommuniziert mit dem Signalregler, empfängt Informationen von diesem und sendet entsprechende Befehle an ihn. Er verfügt über eine benutzerfreundliche Oberfläche, die die aktuellen Betriebs- und Konfigurationsinformationen des Hauptleitungs-Steuersystems anzeigt und Benutzereingaben empfängt und verarbeitet. Er berechnet die Steuerparameter jedes Signalreglers anhand von Optimierungsalgorithmen und relevanten Informationen. Die Hardwarestruktur kann aus einem ausgereiften und stabilen Industrie-Steuerrechner und zusätzlichen seriellen Schnittstellenkarten oder einem PC104-Mikrocomputer und einer seriellen Schnittstellenkarte bestehen. Er ist hauptsächlich für die Kommunikationssteuerung der Signalregler entlang der Hauptleitung zuständig und verfügt über eine Kommunikationsschnittstelle zur übergeordneten zentralen Steuereinheit. Die Hauptausrüstung muss die Anforderungen für den Betrieb in einer industriellen Umgebung erfüllen. Die Software erfasst primär relevante Informationen von jedem Signalsteuergerät, berechnet die Steuerparameter (Zyklus, Grünlichtanteil, Phasendifferenz) mittels eines leitungsgesteuerten Optimierungsalgorithmus und sendet diese zur Ausführung an die entsprechenden Signalsteuergeräte. Sie erfasst außerdem Benutzereingaben, analysiert Benutzerbefehle, ändert die Systemkonfiguration oder sendet diese an die entsprechenden Signalsteuergeräte. Darüber hinaus zeigt sie den Ausführungsstatus jedes Signalsteuergeräts auf der Benutzeroberfläche an. Die Struktur ist in der Abbildung unten dargestellt. Das Schema der Softwarestruktur für die Hauptstreckensteuerung zeigt, dass die Hauptstreckensteuerung und das Kreuzungssignalsteuergerät auch eine speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) als Hauptsteuerung verwenden können. Prinzipiell können beide zu einer kombiniert werden. Die wichtigsten Auswahlkriterien sind: 1) Mehr als 120 Ein-/Ausgangspunkte; 2) Echtzeituhr; 3) RS232- oder RS422-Schnittstelle; 4) Möglichkeit zur Punkt-zu-Punkt- oder seriellen Buskommunikation; 5) Registerdatenverwaltungsfunktion. 6) Datenverarbeitungsgeschwindigkeit von 0,7 µs; 7) Modul mit Selbstdiagnosefunktion. 3. Kommunikation zwischen Ampelsteuerung und Hauptleitungssteuerung. Die Kommunikation zwischen Ampelsteuerung und Hauptleitungssteuerung erfolgt derzeit noch über die serielle Schnittstelle RS232C und ist als Punkt-zu-Punkt-Verbindung ausgeführt (siehe Abbildung unten). Die Geräte können ein Modem und eine Telefonleitung, einen optischen Transceiver und ein Glasfaserkabel oder ein Gerät mit dedizierter serieller Schnittstelle und dedizierter Leitung verwenden. An einem Ende der Hauptleitungssteuerung wird ein Erweiterungsgerät mit mehreren seriellen Schnittstellen eingesetzt. Die Kommunikationsstruktur und -schnittstelle des Ampelsteuerungssystems umfassen: das Handshake-Protokoll und die zugehörigen Verbindungsverfahren zwischen Ampelsteuerung und Hauptleitungssteuerung; von der Ampelsteuerung übermittelte Informationen: Datum und Uhrzeit; aktueller Steuermodus, Zeitraum und Schema; Phasenumschaltbenachrichtigung; Fehlerstatus der einzelnen Komponenten; Detektorstatus und Echtzeit-Rohdaten; Verkehrsfluss- und Belegungsdaten; Benachrichtigung über Konfigurationsparameteränderungen; und zugehörige Konfigurationsparameterinformationen. Vom Host-Rechner (Hauptsteuerrechner) gesendete Befehle: Einstellen von Datum und Uhrzeit der Ampelsteuerung; Abfragen verschiedener Informationen der Ampelsteuerung, wie z. B. Datum und Uhrzeit, Steuermodus, Zeitschaltplan, Phasenausführungsstatus und Fehlerstatus der einzelnen Komponenten; Lesen und Schreiben verschiedener Konfigurationsparameter der Ampelsteuerung; Einstellen des Steuermodus der Ampelsteuerung, z. B. Herabstufen des Betriebsmodus auf Einzelpunkt- oder manuelle Eingriffssteuerung; Umschalten der Ampelsteuerung auf manuellen Softwarebetriebsmodus, der die Fernsteuerung der Phasenausführung ermöglicht. 4. Implementierung der SPS-basierten Ampelsteuerung: Für die SPS-Steuerung wurde die mittelgroße SPS SU-6M der KOYO S-Serie ausgewählt, die hohe Leistung und ein gutes Preis-Leistungs-Verhältnis bietet. Ihre Leistung ist für die Steuerungsfunktionen ausreichend, und sie kann komplexe Berechnungen mit ASCII-BASIC-Modulen und komplexe Programmierungen mit der DirectSOFT-Software durchführen, was die Geschwindigkeit erhöht und die Kosten senkt. Das SU-6M-CPU-Modul verfügt über eine RS-232/422-Kommunikationsschnittstelle, über die eine Verbindung zu einem berührungsempfindlichen programmierbaren Display GC-53LM3 hergestellt werden kann. Dieses Display stellt alle Betriebsdaten und -informationen ein und gibt zusätzliche Bedienanweisungen an die SPS aus. Die Bedienung der Mensch-Maschine-Schnittstelle ist dadurch besonders intuitiv und komfortabel. Nutzt die Fernsteuereinheit ebenfalls eine SPS, müssen die Kommunikationsschnittstellen erweitert werden. Dies kann mithilfe eines DM-Moduls erfolgen. DM ist ein dediziertes Datenkommunikations-Schnittstellenmodul für den vernetzten Betrieb der gesamten Fernsteuereinheit bzw. des Systems und der Leitstelle. Die Anzahl der Stationen in diesem Netzwerk bestimmt, ob eine Management-SPS eingesetzt wird. Bei vielen Stationen sammelt eine dedizierte SPS verschiedene Daten von den unteren Ebenen, um die Last auf dem Zentralrechner zu reduzieren. Bei wenigen Stationen können die Daten direkt vom Host-Rechner erfasst werden. Um die hohen Anforderungen an Echtzeitberechnungen von Signalsteuerungen zu erfüllen, kann ein ABM-Modul verwendet werden. ABM ist ein ASCII/BASIC-Coprozessormodul für CPUs der SU-Serie. Komplexe Datenoperationen werden innerhalb des ABM-Moduls mithilfe von BASIC-Programmen durchgeführt. Im Vergleich zu SPS-Operationen ist die Programmierung nicht nur einfacher und schneller, sondern vor allem kann sie notwendige, aber nicht zwingend erforderliche Operationen ausführen, die die SU-6M-SPS nicht unterstützt, wie z. B. Gleitkommaarithmetik, trigonometrische Funktionen und Stringverarbeitung. Über den Kommunikationsanschluss des Moduls können externe Kommunikationsgeräte wie Displays, Computer, Drucker usw. angeschlossen werden. ASCII-BASIC-Modul und -Sprache: Das ABM-Modul kann über die BASIC-Sprache auf die E/A-Punkte, Zwischenrelais, Bitfunktionsspeicher und Datenregister der SPS zugreifen. Der Zustand der Bitfunktionsspeicher und der Inhalt der Datenregister lassen sich ebenfalls über das ABM steuern. Das ABM-Modul für die SU-6M-CPU kann an beliebiger Stelle installiert werden und belegt keinen E/A-Punkt. (Die ABM-Module der SR-Serie unterscheiden sich geringfügig.) Beim Einschalten des SPS-Systems kann das ABM-Modul je nach Einstellung entweder in den RUN- oder den COMMAND-Modus wechseln. Im RUN-Modus führt das ABM den Inhalt des BASIC-Programms aus, im COMMAND-Modus hingegen Befehle, die über die Tastatur eingegeben werden. Der Betrieb des ABM ist unabhängig vom Betrieb der SPS-CPU. Die ABM-BASIC-Sprache und -Syntax im RUN-Modus ähneln denen von regulärem BASIC, insbesondere QBASIC. ABM-Programme lassen sich nahezu vollständig an ein QBASIC-System anpassen. Allerdings werden Zugriffe auf den SPS-Funktionsspeicher in ABM-Programmen in QBASIC als Arrays behandelt. Beispielsweise greifen SU6-R(1400) und SU-6M(1000) in ABM-Programmen auf das Datenregister R1400 und das Zwischenrelais M1000 zu, während dasselbe Programm in QBASIC als großes Array interpretiert würde. Befehle im COMMAND-Modus umfassen Menüfunktionen wie Programmtransfer, Parametereinstellung und Drucken sowie die direkte Befehlseingabe, beispielsweise zum Löschen, Speichern, Auflisten, Auswählen und Ausführen von Programmen sowie zum Ändern der Betriebsmodi. 5) Die grundlegenden Parameter des Drive-by-Wire-Optimierungsalgorithmus für die Signalsteuerung sind Zyklus, Grünlichtanteil und Phasendifferenz. Der Drive-by-Wire-Algorithmus kann auf den Subzonen-Optimierungsalgorithmus adaptiver Verkehrsleitsysteme zurückgreifen. Jede Kreuzung im Drive-by-Wire-System hat eine Schlüsselkreuzung, deren Zyklus als gemeinsamer Zyklus für alle Kreuzungen dient. Der Grünlichtanteil wird für jede Kreuzung individuell angepasst, die Phasendifferenz hingegen für alle Kreuzungen optimiert. Die Vorverarbeitung der Detektordaten ermittelt aus den Rohdaten den Zyklusfluss und die Belegungsdaten für jeden Verkehrsfluss. Aufgrund der zufälligen Schwankungen im Verkehrsfluss werden die Detektordaten geglättet, um Echtzeit-Verkehrstrends abzubilden und häufige Änderungen im Steuerungsschema zu vermeiden. Die Glättungsmethode besteht in der Berechnung eines gewichteten Mittelwerts der Daten des aktuellen Zyklus mit den Daten der vorangegangenen Zyklen. Die Sättigung wird durch das Verhältnis der von Fahrzeugen in einer Phase belegten Grünlichtzeit zur effektiven Grünlichtzeit für die Durchfahrt bestimmt. Die optimale Signalzyklusgröße wird durch die Schlüsselkreuzung festgelegt. Der Drive-by-Wire-Algorithmus erfasst Verkehrsdaten von Kreuzungen innerhalb von drei Zyklen. Muss die Zykluslänge in zwei der drei Zyklen erhöht oder verringert werden, wird die Richtung der Zyklusänderung bestimmt. Der Variationsbereich der Zykluslänge wird durch die Auslastung der Kreuzung und zykluslängenbezogene Faktoren innerhalb von ±(1–6 Sekunden) festgelegt. Beim Start der Liniensteuerung wird die Zykluslänge an der kritischen Kreuzung als Ausgangszykluslänge verwendet. Die Grünlichtanteile werden für jede Kreuzung individuell angepasst, wobei das Prinzip der gleichmäßigen Auslastung angewendet wird, um die Grünlichtzeit für jede Phase so zu verteilen, dass die Variation der Grünlichtzeit für jede Phase innerhalb von ±(1–4 Sekunden) liegt. Die optimale Phasendifferenz spiegelt die Koordination zwischen den Kreuzungen wider. Zunächst wird die Liniensteuerungsroute festgelegt und die Phasendifferenz zwischen den Kreuzungen anhand des Signalzyklus, der Grünlichtzeit, der Phasenfarbsequenz, des Kreuzungsabstands und der durchschnittlichen Fahrzeuggeschwindigkeit jedes Straßenabschnitts berechnet. Ziel ist es, die Breite des Grünlichtbandes in beiden Richtungen der Liniensteuerungsroute zu maximieren. Die Phasendifferenz variiert zwischen ±1 und 4 Sekunden. Der Einsatz einer SPS als Hauptsteuereinheit des Signalreglers verkürzt den Hardwareentwicklungszyklus erheblich. Ihre leistungsstarken Kommunikations- und Rechenkapazitäten erfüllen die Echtzeitsteuerungsanforderungen des Signalreglers vollständig.