交通信號控制系統的現狀與發展對策

劉暢

一、設計目的

隨著智能車的普及，城市變得越發擁擠，堵車現象也越來越普遍。在經過交通路口時，由于國內紅綠燈一般采用定時控制，不能對實際的交通流進行識別和優化，有時會出現這種尷尬情況，即一邊亮著綠燈很少有車輛通過，另一邊有很多車輛卻在紅燈前排起長隊伍，而隊尾的車輛甚至要經過多次紅綠燈的變換才能通過路口。

如果能設計出一種系統，通過攝像頭實時監測路況和車流量，并將各個路口的車流量信息進行匯總和分析，進而自動調節兩邊紅綠燈的等待時間，這便能減少兩邊車輛的平均等待時間，同時減少在等待過程中燃料的消耗，提高整個道路的暢通性。

如果進一步將各個路口的實時車流量匯總到交通監管中心，由監管中心進行統一大范圍內的數據分析與處理，向車主進行路況或者緊急情況的播報，這樣便能優化人們的出行路線，同時也能降低資源的損耗，符合低碳環保的發展要求。

二、研究內容

1.系統所實現的功能

對十字路口處的車流量進行監測，根據監測結果改變紅綠燈時長，以達到減少車輛在路口處的等待時長，優化交通的目的。

2.系統所運用的技術

所運用技術主要包括嵌入式技術，圖像處理技術和智能控制技術。

3.系統硬件部分的組成及功能

系統硬件部分主要由四個模塊組成，即攝像頭模塊，圖像處理器模塊，無線通信模塊和紅綠燈控制模塊。

其中，攝像頭采用監控攝像頭，放置在十字路口車輛排隊等待處，用于排隊車輛圖像的采集。圖像處理器模塊利用嵌入式ARM進行圖像處理。無線模塊用于圖像處理模塊和紅綠燈控制模塊之間的信息傳輸，可采用nRF2401模塊進行無線通信。紅綠燈智能控制模塊用于實現對各路口車流量信息的分析和對紅綠燈時長的實時控制，可通過STC89C52單片機實現。

4.系統軟件部分的組成及功能

軟件部分主要包括操作系統模塊，車輛排隊長度檢測模塊以及紅綠燈智能控制模塊。

（1）操作系統模塊

在對所實現的功能和硬件設備進行初步研究后，擬選用效率高，內核更新速度快，具有良好的穩定性和強大的網絡功能的Linux系統作為本系統的操作系統。

（2）車流量檢測模塊

車輛排隊長度檢測模塊的主要功能是從攝像頭獲取路口車輛排隊圖像，通過圖像處理得到對應方向的車輛排隊長度，以此反映路口處待通過的車流量，并將獲得的參數傳遞給紅綠燈智能控制模塊。其流程如圖所示1。

A.載人圖像。該模塊人口參數為需要進行處理的相鄰兩偵圖像，處理器從攝像頭捕獲的視頻流中截取相鄰兩幅圖像進行后續處理。

B.圖像預處理。從攝像頭獲取的圖像需要先將其灰度化減小數據量以便于處理，然后要對其進行平滑處理以達到去噪效果。

C.圖像分割。考慮需要進行圖像處理的部分以外的區域會增加計算量，而且會對像素統計產生影響，因此，在處理之前首先要確定需處理部分圖像，對預處理的圖像進行分割。

D.車輛運動檢測。由于系統需要確定停止車輛的排隊長度，車輛運動檢測可以通過一定的方法確定車輛是否在運動，因此對車隊進行運動檢測可初步判停止車隊的隊尾位置。

（3）信號燈智能控制模塊

信號燈智能控制模塊的主要功能是從車輛排隊長度檢測模塊中獲取各個方向車輛排隊長度信息，匯總后計算出合適的紅綠燈時長并進行調節。

三、國內外研究現狀和發展動態

信號燈智能控制系統在美、歐、日等發達國家和地區研究起步較早，關鍵技術研發也已取得突破性進展，并在重點發展領域大規模應用。而我國對城市信號燈控制系統的分析與研究工作起步比較晚，在大部分城市中信號燈系統都是事先預設好紅綠黃燈的顯示時間，大部分情況下固定不變。

其中有美國研發的RHODES系統，設計了一種有效的交通自適應信號控制系統模型，通過傳感器監測交通網絡中的交通設施情況，然后預測當前的交通流量和將來的交通流量，并使用優化算法來決定用于下一次交通信號控制周期的最佳方案。除此之外，澳大利亞的SCATS系統，英國的TRANSYT系統和SCOOT系統。

設計不足的是，通過地下車輛感應系統獲取得到車流量精度較低，易受周圍環境的干擾。而攝像頭具有成本低，可處理性強，精度高等優點，所以在智能交通信號燈技術的發展和完善中，利用攝像頭拍攝路況圖像進行圖像處理以獲取車流量將成為主要研究方向。

四、創新點

1.減少成本，簡化安裝

信號燈智能控制系統對車來流量的統計使用了視頻圖像處理技術，與已經投入使用的空氣管道檢測、波頻檢測和磁感應檢測等技術相比安裝成本低、支持多車道檢測、檢測設備可以隨時移動位置、可以滿足數據采集的不斷變化，檢測范圍大。對于其硬件的安裝和維修，無需關閉車道，無需破壞路面，這樣避免因安裝和維修而帶來的交通堵塞，并降低維修費用。

2.可擴展性強

A.由于利用攝像頭對車流量處理，可在技術成熟后將路口人流情況考慮其中。

B.通過攝像頭可識別一些特殊車輛如救護車和消防車等，并做出合理調節使得特殊車輛能夠快速少阻礙通行。

C.可以將紅綠燈處控制模塊部分收集到的實時車流信息發送至交通監管中心，由監管中心將信息進行實時發布以方便人們合理選擇出行路線。endprint