校門口的智能管理員

壽建慧 沈詩婕 瞿子文 趙飛洋 陳靈敏 薛珂磊 王群 諸夢瑤 汪澤鈺 袁偉榮

摘 ? 要：本文研究了校門口等特殊路段在高峰時期存在易堵塞、易發生事故等交通現象，導致交通效率低下、造成警力資源浪費等問題。為解決此類問題，我們將人工智能引入到校門口的交通管理系統，設計了一套校門口的智能管理裝置。本裝置應用了現代傳感技術、單片機處理技術等手段，使其擁有智能識別行人、信息交互等功能，同時通過采用紅綠燈與LED屏幕進行交通指揮與信息表達，從而大大緩解了交通堵塞現狀、降低了交通事故發生率、解決了警力資源浪費等問題。

關鍵詞：可移動式紅綠燈 ?紅外測距 ?光伏儲能技術 ?信息交互 ?智能交通 ?人性化 ?人工智能

中圖分類號：U49 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2019）02（a）-0144-04

近年來，伴隨著我國經濟的快速發展、城市化進程的日益推進以及人民生活水平的顯著提高，汽車普遍地進入了百姓家庭。截至2017年3月底，全國機動車保有量首次突破3億輛，其中汽車達2億輛;機動車駕駛人超3.64億人，其中汽車駕駛人3.2億人。隨之而來的是道路交通壓力不斷增加，各路段時常發生擁堵現象[1]。與此同時學校門口道路，施工路段的交通意外頻發，發生的原因大多是缺失交通信號指示或是交通信號指示不明確[2-3]。而若在此類路段增加警力進行間斷交通管制，對部分轄區而言，可能存在警力不足的問題[4-5]。查閱資料發現，少有研究去處理該類情景下的交通問題。沒有紅綠燈指揮的學校門口路段，在工作日的早晨和傍晚兩個時間點，交通時常擁堵。

而此情景反映的問題有：（1）此類地點一般沒有安裝紅綠燈，學生上下學、教職工上下班等原因導致行人通過路口人數有幾個峰值，在這幾個時間段都可能會導致交通擁堵，嚴重的甚至產生交通意外。（2）因為這些路口每天只有很短的一段時間內行人才會增多，需要交通指揮，所以鋪設固定式紅綠燈成本過高，不符合節約環保的要求。（3）即使安裝固定式紅綠燈或傳統的移動式紅綠燈，除了某些特殊時間點，人行道上通過的行人極少，但主車道司機也必須在紅綠燈顯示綠燈的時候才能通過路口，存在大量無效紅燈等待時間，不符合“快捷高效城市”的要求[6]，同時會引發闖紅燈等危險行為，不必要的減速還會增加機動車的磨損以及污染物的排放[7-8]。（4）在學校門口的路口，通行的主要人群是學生，他們的安全意識薄弱，不注意觀察路面[9]。若司機通過太快，交通意外的可能性太大。而目前使用較多的是普通移動式交通信號燈，無法識別判斷是否有人要通過，不夠快捷高效。因此，上述情況下的路口問題亟待解決。

在國內，校門口等路段由于學生上下學產生的人流量高峰現象，導致上下學時段交通擁堵且學生的安全得不到保障。有些地區的交管部門對此類問題路段提出改進，其改進的方式：正常情況時道路不擺放紅綠燈，當上下學高峰時期時，交警擺放普通移動式紅綠燈，協助管理交通。但其設計也存在警力資源嚴重浪費的問題。

面對上述情況，為了減少校門口、工廠門口等特殊路段的交通安全隱患，緩解此類路段在上下學、上下班時期的交通擁堵現狀，解決警力浪費問題，我們設計并制作了一種針對校門口的移動式交通智能管理裝置。該裝置利用紅外測距傳感與單片機技術，智能識別行人與車輛，判斷行人的前進方向，進行及時且有效的示警;利用硅光電池與顯示器，實現人機交互功能，顯示環境可見度。

1 ?系統構成和主要模塊介紹

1.1 系統構成模塊

系統主要由五個部分組成：主CPU、全彩led燈、紅外測距傳感器模塊、硅光電池模塊、LED點陣屏8*8。

1.2 紅外測距傳感器模塊

紅外傳感器的紅外發射二極管不斷發射紅外線，當發射出的紅外線沒有被反射回來或被反射回來但強度不夠大時，返回模擬量的值會很小，當距離較近或非常近的時候，返回的模擬量值會很大，根據模擬量值的大小，我們可以對探頭和遮擋物的距離進行判斷，確認遮擋物距離是否變化，及變化的方向。

紅外傳感器用于檢測物體移動方向，檢測到移動信號時，須多次測距結果均為有效，方進行判定。

1.3 主CPU

單片機用于接受來自紅外測距傳感器的行人前進方向信息、硅光電池產生的電流大小信息，經過分析處理后，控制信號燈進行切換，控制LED顯示器顯示環境可見度。

1.4 硅光電池模塊

硅光電池的原理是光生伏特效應[10]。它是一個大面積的光電二極管，它可把入射到它表面的光能轉化為電能。當硅光電池接入負載后，光電流從P區經負載流至N區，負載中即得到功率輸出。

硅光電池可以為智能管理員提供電能，多余的電能將儲存在蓄電池之中。除此之外，硅光電池產生的電流大小與光照強度呈線性關系，經過CPU分析后可，判斷外界的光照，從而得出環境可見度。

1.5 全彩LED燈模塊

智能管理員的信號燈采用全彩LED燈模塊。

全彩LED燈采用紅、綠、藍（R、G、B）三種基本顏色的LED燈珠芯片，具有以下特點：

（1）全彩：可調配多種顏色。

（2）智能：可遙控調燈光顏色/調亮度/開關燈/定時。

（3）采用模塊化設計，不受燈具外形限制。

（4）節能環保，使用壽命長。

（5）引腳數量少，通過PWM控制燈光顏色，節約單片機資源。

1.6 LED點陣屏

LED點陣屏具有可視距離遠、耗電量少、持續時間長、故障率低、操作簡單等特點，而8×8點陣屏幕，與單片機結合，可以盡可能節省單片機資源[11]。而且8×8的LED點陣也足夠通過字幕滾動的方法與人交互信息。

2 ?系統模型演示與邏輯流程

2.1 場景模擬

如圖1所示，校門口即為路口，學生通過馬路時存在安全隱患。使用時將管理員安放在人行道中間，顯示器面向車行道，紅外測距傳感器面向人行道。

2.2 情景演示

無行人通行時，如圖2所示。

（1）紅外感應器未檢測到行人，行人紅綠燈為紅燈。道路紅綠燈為綠燈，雙向車道保持正常的通行。

（2）光伏電池始終工作，為管理員提供電能，多余電能儲存在蓄電池中。LED顯示器顯示當時環境可見度。

有行人靠近時，如圖3所示。

紅外感應器檢測到行人正在向斑馬線靠近，行人、道路信號燈變為黃燈，持續5s，警示行人慢行小心來往車輛。

行人通行時，如圖4所示。

行人信號燈變為綠燈，道路信號燈轉換為紅燈，車輛制動等待行人的通行。

行人通過后，如圖5所示。

紅外感應器4s內未感應到行人靠近，行人信號燈黃燈閃爍5s，轉為紅燈。道路紅綠燈黃燈閃爍5s變為綠燈，車輛保持正常的通行。

行人過多導致車輛擁堵時，如圖6所示。

若道路上的車輛擁堵時間過長，當行人信號燈保持綠燈狀態時間到達20s時，強制進入到黃燈閃爍，時間為5s，警示行人離開斑馬線。

信號燈強制轉換時，如圖7所示。

行人信號燈轉換，變為紅燈，20s后重新開始判斷。期間行人在斑馬線兩側等待車輛通行。

道路紅綠燈轉換，變為綠燈，20s后重新開始判斷。期間車輛保持正常的通行。

2.3 系統模型圖

智能管理員的系統模型圖如圖8所示。

2.4 邏輯流程圖

智能管理員的信號燈切換警示邏輯流程如圖9所示。

3 ?結語

隨著社會經濟的快速發展和人民生活水平的持續提高，車輛數量迅速增多，與此同時公共交通日益繁忙，雖然在城市交通的建設下，在紅綠燈等交通信號的指揮下，大部分路段的交通狀況已經有所改善。但是仍然有部分路段沒有設置紅綠燈，有的是因為成本，有的是因為無法提前埋設線路，還有的是道路修理無法設置固定式紅綠燈。學校門口的路段是一個典型路段，每到上下學的兩個時間點，道路大多會發生堵塞，嚴重的可能發生意外。而過了這兩個時間點，路段又幾乎沒有行人通過，因此安放固定式紅綠燈成本太高，且平常少有行人通過的時段會影響行車的效率。交警管理在警力不充足的地區不太適用。而普通的移動交通信號燈無法做到智能識別人群，從而控制交通信號。

本組提出的模型以這種路口為背景，在行人通過基礎上，通過紅外測距傳感器來感知行人的行走方向和路線并將信息傳輸給主CPU，控制交通信號燈的紅綠信號轉化，從而達到“有行人，車輛停;無行人，車輛行”的目的。本模型使無紅綠信號燈的路口在行人通過時，遵循了“行人優先”的交通法則，改善了交通環境，大大緩解了交通堵塞現狀、降低了交通事故發生率、解決了警力資源浪費等問題，避免了人身傷亡與財產損失。通過紅外測距模塊使得識別行人的能力大幅度上升，而光伏電池的應用也省去了充電的操作，還能通過照射在板上的光照強度來反饋當前的視線情況，也能根據類似路段的不同車輛情況和人流量調整參數。

參考文獻

[1] 張夢婷.多瓶頸路段出行行為分析及擁堵收費策略研究[D].合肥工業大學，2017.

[2] 高晨子.城市普通小學交通規劃設計研究——以高新一小為例[D].西安建筑科技大學，2015.

[3] 陳靜.基于CAM的城市中小學門口道路上下學交通流特性分析[D].河北工業大學，2014.

[4] 馬威.面向交通事件處置的交通警力資源調度方法的研究[D].北京交通大學，2015.

[5] 聶洵.電子警察執法的行政法分析[D].湘潭大學，2016.

[6] 鄒曉琦.關于智能交通的發展與研究[J].科技創新導報，2015，12（19）：61.

[7] 劉真.道路線形指標對車輛尾氣排放及燃油經濟的影響研究[D].東南大學，2017.

[8] 胡友波，李孟良，徐達.機動車排放因子模型研究綜述[J].汽車科技，2010（1）：11-14.

[9] 周穎.面向安全意識培訓的典型道路交通情景設計與實現[D].武漢理工大學，2011.

[10]葉宏.光電傳感器——光電池[J].科技創新導報，2009（26）：11-13.

[11]劉剛，胡仁平.LED顯示屏遠程無線控制系統的設計[J].科技創新導報，2009（19）：15-16.