基于黃燈頻閃十字路口信號燈模型的研究與優化

金曉峰 沈詩婕 薛珂磊 趙飛洋 徐如意 葛夢嬌 舒妮 尉鵬飛

摘 要：本文分析了黃燈頻閃十字路口信號燈路段中的司機和路人心理，采集該路段事故頻發率，統計信號燈切換緩沖時間等數據，發現其存在著交通效率低下，安全系數低等社會問題。結合浙江省紹興市的調研結果，以行人的安全性，司機便利性作為主要側重點，運用LSD統計方法比較該市不同環境下行人通行的時間。在此基礎上運用紅外感應實現道路黃燈預警，壓力感應完成黃燈與紅綠燈之間的切換，硅光傳感實現不同模式的轉化，設計了一套針對該路口以及相似路段的優化模型。結果表明，優化的紅綠燈模型可以提高交通的效率，同時提升了安全系數，為未來中國隱患路段的改良提供了新思路。

關鍵詞：黃燈頻閃路口 紅外探測 壓力傳感 光電效應 信息交互 智能交通

中圖分類號：U49 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）12（c）-0126-04

1 研究路段概況

近幾年來，黃燈頻閃十字路口（某些十字路口的雙向主干道上設有黃燈一直閃爍的交通信號燈）越來越受到人們的關注。該路段一般設置于機動車道路與偏僻村莊的交界處，如紹興市蘭亭國家森林公園機動車道；中小學附近的道路口，如文理附屬小學與政府機構的十字路口。示意圖如圖1所示。其存在著明顯的問題：（1）交通效率低下。副車道上穿越馬路的行人相對較少，主車道司機必須減速確認無人時才能通過路口，耽誤了時間，不符合“快捷高效城市”的要求，同時不必要的減速加速了機動車的磨損以及污染物的排放[1-2]。（2）存在極大的安全隱患，《中華人民共和國道路交通安全法實施條例》（國務院令第405號）第四十二條明確指出閃光警告信號燈為持續閃爍的黃燈，提示車輛、行人通行時注意瞭望，確認安全后通過。但黃燈長期閃爍，大部分司機對此已經麻木疲怠，常快速通過路口，黃燈閃爍往往起不到太大的警示作用。此外，副車道旁的小區建筑、樹木等障礙物極度妨礙視線，即使司機左右張望確認無人，也極有可能發生猝不及防的交通意外事故。

2 國內相關改進情況與局限性

在中國國內，例如浙江省秦望大酒店路口如圖2所示，該地區由于高大建筑以及綠化帶的遮擋使得行人與車輛的信息交互受阻，當地政府動用一年的時間對該問題路段提出改進，于2016年初投入使用，其改進的方式：正常情況時道路紅綠燈顯示綠燈，當有行人要穿越馬路時，需長時間按行人過街按鈕如圖3所示2～3s，10s后行人紅綠燈紅燈閃爍一下進入10s倒計時變為綠燈，道路紅綠燈延后2s也進入10s倒計時變為紅燈。行人有30s（包括最后10s倒計時）通過馬路的時間，最后恢復到正常狀態。

但其設計但也存在以下幾個問題：（1）行人過街按鈕需要長按且沒有提示觸發成功的信號，使得有些行人按完，直接進入人行道通行。（2）對于文化水平落后的人，不理解該系統的運行，造成了“中國式過馬路”的混亂。（3）行人過街的緩沖時間過于單一，但實際上不同情況下行人通行的時間存在較大的差異。（4）衛生性，維護成本等方面也存在較大的問題。

3 系統模塊設計與實際應用

智能化交通系統是在道路運輸管理中，以道路和車輛為研究對象，綜合應用通訊、電子、計算機等先進技術而建立的適時管理系統[3-5]。故只有采取智能化的手段提高問題路段的安全系數。

3.1 系統構成模塊

改進模型主要由五個部分組成：主CPU stm32f103，全彩LED和紅外感應模塊TCRT5000，光電池測量模塊，壓力傳感器模塊。

3.2 紅外感應實驗預警模式的切換

在道路的左右兩端安裝紅外探頭，當被檢測物體出現在檢測范圍內時，紅外線被反射且強度足夠大，紅外接收管飽和，此時模塊的輸出端為高電平[6]，指示二管被點亮。正常情況下道路紅綠燈為綠燈，行人紅綠燈為紅燈。將紅外探頭安裝于道路兩側隱蔽處防止不同環境下的對其的損壞，實際應用中當行人通過紅外探頭時兩者均切換為黃燈頻閃狀態，警示車輛即將有行人通過。內部原理如圖4所示。

3.3 壓力傳感器實現雙保險機制

壓力傳感器由兩部分組成：第一部分電阻應變片，感受外界力與負荷變化。通過第二部分電阻電壓轉變模塊轉化為電壓信號。此傳感器安裝于斑馬線前當行人通過并觸碰時，道路紅綠燈為紅燈，行人紅綠燈為綠燈，車輛制動停止，行人安全通過馬路。

3.4 硅光電池實現白天黑夜模式的變換

硅光電池能根據光線亮度的變化自動改變電流大小，通過放大電路如圖5所示放大為電壓信號輸出。在實際使用時將其安置于綠化帶非隱蔽處實現白天黑夜模式的切換，改變行人通過馬路的緩沖時間。

4 模型實際運行與相關參數的改進

4.1 紅外探頭的設置細節調整

本模型運用紅外探頭來實現黃燈頻閃的觸發，但在實際操作中卻存在這樣一個問題：行人在通過一個路口時會切斷一次紅外信號，但是在走過馬路后勢必回觸發另一個探頭，造成了單行為雙觸發。因此在單側路口設計了兩個紅外探頭，只有從內向外才能觸發整一套機制。

4.2 模型演示示意圖及說明

4.2.1 正常狀態

（1）行人紅綠燈顯示為紅燈。

（2）道路紅綠燈顯示為綠燈，雙向機動車道正常通行（圖6）。

4.2.2 行人通過紅外探頭

（1）行人紅綠燈切換為黃燈，若行人未觸及壓力傳感器，將一直保持黃燈狀態。

（2）道路紅綠燈切換為黃燈，黃燈持續時間與行人紅綠燈一致，車輛減速慢行（圖7）。

4.2.3 行人觸碰壓力傳感器

（1）行人紅綠燈由黃燈切換為綠燈，行人通行。

（2）道路紅綠燈切換為紅燈，車輛制動停止等待行人通過（圖8）。

4.2.4 行人通過馬路

（1）硅光傳感器根據光線強度的變化自由改變行人紅綠燈（道路紅綠燈）中綠燈（紅燈）的持續時間。

（2）白天持續時間為20s，晚上為25s。

（3）紅燈綠燈即將切換前有閃爍警示（圖9）。

4.3 實際特殊情況下的解決方案

特殊情況1：行人通過兩個紅外探頭后原路返回，并不觸發壓力傳感器，造成道路紅綠燈與行人紅綠燈長期處于黃燈頻閃的狀態，交通系統混亂。

解決方案：程序當中定義黃燈頻閃超過一段時間后將自動切換為正常狀態。

特殊情況2：一個行人通過紅外探頭且觸碰壓力傳感器，另一個行人從后面或者是另側通過，使得黃燈與紅綠燈的切換一直處于頻繁狀態。

解決方案：當一個行人經過紅外探頭后，系統在一個時間區間內運行若程序未運行結束將處于保護狀態，即在該段時間內任何輸入信號都無法改變系統的輸出指令。

特殊情況3：在系統受保護的時間內，道路紅綠燈即將恢復為綠燈時，部分行人還未完全通過馬路，造成混亂。

解決方案：根據車輛優先禮讓行人的習慣，讓行人通過，另外該路段副車道上通行的人相對較少，極少出現3中所述情況。

4.4 模型全景圖

模型全景圖如圖10所示。

4.5 邏輯流程圖

邏輯流程圖如圖11所示。

5 結語

近幾年來，隨著社會經濟的快速發展和人民生活水平的持續提高，私家車輛迅速增多，公共交通日益繁忙，道路交通事故成為了我國面臨的一個嚴重問題，人、車輛、道路、環境都是導致交通事故發生的因素，以上四者之間是否保持協調決定了道路交通的安全。根據有關調查發現，我國設置持續閃爍的黃燈的路口發生的交通事故遠遠多于一般的十字路口，這種路口行人少且車輛多，駕駛者的視野往往不是很好所以無法及時看到行人。本組提出的模型以這種路口為背景，在黃燈持續閃爍提示車輛注意行人的基礎上，通過在行人區域設置紅外探頭來感知行人的路線并將信息傳輸給中心系統，控制交通信號燈的紅綠信號轉化，從而達到“車停人行”的目的。

本模型使黃燈閃爍路口在有行人通過的時候與一般的十字路口一樣，遵循了“行人優先”的交通法則，科學地控制了車輛和行人的通行，改善了交通環境，大大降低了交通事故率，避免了人身傷亡與財務損失。同時通過壓力傳感與紅外感應相結合使得安全指數大幅度上升，硅光傳感器的應用也全面提升其應對各種復雜環境的能力。該系統運用光感，壓敏以及紅外等技術，將大幅度提升黃燈警示城市單交叉路口的安全性。由于這三大技術誕生時間早，應用廣泛，維護成本低[7]，能在短時間內低成本地優化改進具有安全隱患的路段。也能根據各大城市不同車輛情況和人流量調整參數[8]。

后續的開發中可進一步靈活運用電子元件分析空氣各動力學參數進行氣象反饋，以實現多種模式工作。以此模型為基礎，可衍生出更多復雜信號燈模型，對國內存在的多種交通弊病進行改良，使“機器視覺”效益最大化。

參考文獻

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[2] 邱兆文，魏朗，王生昌.穩態工況下汽車污染物排放特性的試驗研究[J].汽車技術，2006（2）：28-30.

[3] 范圣全.智能化交通系統研究[J].交通科技與經濟，2002（3）：35-36.

[4] 尹升.智能化交通信息服務系統應用建設的淺析[J].黑龍江科技信息，2014（3）：6.

[5] 衛小偉.智能化交通系統的發展現狀及未來[J].現代電子技術，2005（13）：74-75，78.

[6] 沈昶余，王江婷，俞夢莎.基于STM32的智能電梯控制系統設計[J].儀表技術，2015（2）：25-28.

[7] 顧聚興.紅外傳感器與其它光電傳感器的發展趨勢[J]. 紅外，2010，31（8）：45-46.

[8] 須嘯海.嵌入式智能交通車流量監控系統的實現[D].電子科技大學，2015.