基于車流量動態配時的智能交通燈教學實驗設備設計

吳勁 嚴予甫 張晶晶

【摘要】針對交通運輸課程的教學實際，本文設計了一種基于車流量動態配時的智能交通燈教學實驗設備，利用視頻檢測實時監控道路的車流量，通過單片機將車流量參數進行賦值處理，利用軟件算法進行處理和模擬仿真，最后智能動態調節綠燈時間。本設計能夠實現對實際交通運行狀態的模擬并且設計出符合各個交叉路口的交通燈配時方案。

【關鍵詞】教學實驗設備設計；動態配時；視頻檢測

現有的交通燈大多是采用固定配時的方案，如當某個交叉路口東西方向為紅燈且等待的車輛很多，而南北方向沒有車輛通行，但還按照原先設定的固定配時方案執行，會造成這個交叉路口的交通擁堵，降低交通控制系統的運行效率，嚴重浪費交通資源以及造成環境污染。

如今的交通教學實驗設備同樣大部分是采用固定配時和分時段配時的控制方案，具有配時固定化的缺點，不利于高校對現代化交通工程專業應用型專業人才的培養。

本文的基于車流量動態配時的智能交通燈教學實驗設備是以智能交通沙盤為模板，進行教學實驗設備的研制與開發，旨在培養學生掌握現代交通燈的控制與優化技術，主要考慮以下幾個方面：①隨著智能交通技術的快速發展，要求在教學過程中融入更多智能交通的元素，培養學生具備智能交通設備的設計與優化能力；②視頻檢測技術作為如今較為重要的識別檢測技術，如何將這門技術更加靈活地運用在實際生活中；③智能動態配時方案能夠有效解決我國存在的交通擁堵問題，有利于節能減排，符合智慧城市的發展需求。

一、教學實驗設備的硬件架構設計

1.1教學實驗設備總體結構設計

基于車流量動態配時的智能交通燈教學實驗設備的結構框圖（如圖1所示），主要包括視頻檢測交通流量模塊、單片機和交通燈控制模塊。視頻檢測交通流量模塊包括有依次數據連接的視頻攝像機、視頻采集卡和圖像處理設備，視頻攝像機設置在道路上方，實時視頻檢測道路交通狀況。視頻采集卡獲取視頻攝像機檢測道路交通流量的視頻信號。圖像處理設備通過一系列圖像處理技術將交通圖像轉換成數字圖像，單片機根據圖像處理設備傳輸的道路交通流量的數字圖像情況，利用軟件算法進行處理和模擬仿真，實現智能動態控制計時顯示器和交通燈的不同工作狀態。

1.2視頻檢測交通流量模塊設計

本教學實驗設備的視頻檢測交通流量模塊設計（如圖2所示），該模塊利用視頻處理技術對交通流量進行檢測分析。視頻檢測在面對光照條件、車輛陰影的影響，都能夠精確檢測數據，可以實現對道路的全天候檢測控制。該模塊能通過設置在道路上方的視頻攝像機收集交通圖像，利用視頻采集卡以及圖像處理設備智能動態實時分析輸入的交通圖像，通過在交通圖像中虛擬劃定一個或者多個檢測區域。當運動目標車輛通過檢測區域時，檢測區域內的像素灰度值會發生明顯的變化，通過檢測區域的像素灰度值變化進行識別計數，獲取所需要的交通流量數據。最后通過圖像處理設備對視頻圖像進行圖像的預處理、圖像的代數運算、圖像的閾值處理、二值圖像的形態學處理以及車輛的分割得到實施的車流量參數。

其中圖像的預處理是通過均值濾波、中值濾波以及winer濾波等方法有效降低采集圖像過程中的噪聲信息。圖像的代數運算則是一種比較簡單和有用的加強處理方法。圖像的閾值分割可以去除圖像背景的影響，從而得到有目標車輛信息的二值圖像。二值圖像的形態學處理的目的是為了進一步去除噪音的影響，凸顯目標車輛的信息。最后的車輛分割能夠準確地得到目標車輛的參數。收集到的交通圖像通過這一系列的圖像處理技術，便可以得到有效的車流量參數。根據車流量實時的改變，不斷進行圖像的背景更新，實現基于視頻檢測的智能動態配時方案。

1.3交通燈控制模塊設計

本教學實驗設備采用單片機、計時顯示器、交通燈以及相應的單元電路設計了交通燈控制模塊，該模塊可以實時地接收車流量參數，通過單片機的單元電路設計，智能動態地控制計時顯示器和交通燈來顯示通行狀態信息。交通燈控制模塊設計的硬件組成如圖3所示。

（1）單片機控制模塊

單片機與圖像處理設備進行數據連接，通過接收圖像處理設備的數字圖像信息，對交叉口的車流量大小進行統計，并執行對應的處理程序，以此實現智能動態配時的智能交通燈控制系統，達到根據目標道路的車流量大小智能實時控制交叉口的車輛通行情況的目的。

單片機編程簡單，且具有運行速度快、可靠性高等優點。本教學實驗設備上的交通燈控制模塊采用單片機作為主控制器，是因為單片機的中斷源能夠對車流量執行定時中斷檢測；同時單片機具有充足的I/O口能夠驅動計時顯示器以及交通燈的顯示；單片機的T0，T1口能夠對外部輸入的脈沖進行實時計數，這樣便能夠實現根據車流量參數來智能動態調整計時顯示器以及交通燈的顯示信息。

（2）計時顯示器

本教學實驗設備中的計時顯示器采用數碼管與點陣LED燈相結合的方法。數碼管是一種可以顯示數字和其他信息的半導體發光器件，其原理是通過對數碼管不同的管腳輸入相對的電流使其發亮，從而顯示出數字。

考慮到實際教學情況以及方便學生觀看計時過程，本教學實驗設備將利用數碼管與點陣LED燈相結合的方式顯示計時器時間以及狀態信息。

（3）交通燈

本教學實驗設備中的交通燈具有分時段配時、手動配時、智能動態配時等多種工作方式，可根據設置不同的控制方案進行調控。在教學過程中，可以實現根據不同的時間段設置不同的配時方案以及根據車流量的大小實現對交通燈的實時調控。

（4）單元電路的設計與實現

①單片機檢測車流量變量，當南北方向車流量大于50輛/分，東西方向車流量小于25輛/分。執行方案一：

南北方向亮綠燈，東西方向亮紅燈，倒計時60秒后，緊接著南北方向亮黃燈5秒，東西方向亮紅燈5秒；然后南北方向亮紅燈，東西方向亮綠燈，倒計時30秒后，東西方向亮黃燈5秒，南北方向亮紅燈5秒之后，重新進行掃描。

②單片機檢測車流量變量，當南北方向車流量大于100輛/分，東西方向車流量小于25輛/分。執行方案二：

南北方向亮綠燈，東西方向亮紅燈，倒計時75秒后，緊接著南北方向亮黃燈5秒，東西方向亮紅燈5秒；然后南北方向亮紅燈，東西方向亮綠燈，倒計時15秒后，東西方向亮黃燈5秒，南北方向保持紅燈5秒之后，重新進行掃描。

③單片機檢測車流量變量，當南北方向車流量大于50輛/分，東西方向車流量大于50輛/分。執行方案三：

南北方向亮綠燈，東西方向亮紅燈，倒計時60秒后，緊接著南北方向亮黃燈5秒，東西方向亮紅燈5秒；然后南北方向亮紅燈，東西方向亮綠燈，倒計時60秒后，東西方向亮黃燈5秒，南北方向保持紅燈5秒之后，重新進行掃描。

【相關參數】

①交通流量：是指在某選定時間段內，通過道路某一選定的地點、某一車道或某一斷面的交通實體數。

②參考時間：為了更精確地表示某路段的車流量，篩選出一個合適的的時間段作為參考值，即為參考時間。

③車流量：是指由單位時間內通過某路段的車輛為標準，在一定的時間內，某段道路點上所通過的車輛數。具體關系是：車流量=交通流量/參考時間（輛/分）。

二、教學實驗設備的軟件設計與實現

本教學實驗設備的系統主要程序流程如圖4所示。在系統軟件進行初始化之后，首先要對所測的車流量參數進行賦初值，單片機判斷車流量參數，并執行相應的方圖4 系統主要程序流程圖案，同時可以顯示。采用指令冗余技術、軟件陷阱技術、軟件“看門狗”技術這幾種有效的軟件抗干擾方法，在單片機運行混亂時，可使程序重入正軌，及時捕獲錯誤的中斷，減少出錯機率。除此之外，這樣的抗干擾方法還能有效防止失控的程序進入“死循環”，穩定了整個系統的運行速率。

三、教學實驗設備的仿真與調試

在實際教學過程中，將通過教學實驗設備以及仿真軟件進行混合教學。主要利用Proteus電路分析與仿真軟件對該教學實驗設備進行仿真與調試，驗證車流量檢測方案、系統軟件以及設備硬件的實用性以及功能性。通過各種方案的選擇以及仿真與調試，測出更多的數據從而得出詳細的仿真研究報告。為完善該教學實驗設備提供更多的技術方案。

根據實際教學需求，使用電腦仿真軟件可以彌補教學實驗設備不足的問題，硬件上可以利用學校現有的電腦機房，為學校節省可代替性的實驗設備投資經費。利用仿真軟件進行方案的仿真與調試同樣可以滿足教學需要。在實驗過程中，每個學生可以根據自己的實際情況進行練習，可單獨使用，不受時間和地點限制，能有效地增強實驗教學效果，提高人才培養質量。

4總結

在現代城市中，由于現有的路口交通燈大部分采用通常固定配時和分時段配時的控制方案，具有配時固定化的缺點，容易導致車流少的通行方向綠燈無車通行或車流量多的通行方向綠燈時間短，造成交通擁堵，同時產生大量的汽車尾氣污染，并導致能源浪費。

本文的基于車流量動態配時的智能交通燈教學實驗設備是在廣東技術師范學院高度重視交通運輸專業實踐教學條件的背景下研制開發的。該教學實驗設備既可以用在單個路口實現獨立的智能動態配時方案，也可以將多個路口組建為網絡，實現某個區域或者某個城市的智能動態交通協調。同時，該教學實驗設備的各模塊采用了全新的設計方案，能夠根據實際交叉路口的車流量情況，達到交叉路口交通燈智能動態配時方案的目的。該教學實驗設備有利于教師根據智能交通技術的發展對學生進行深一層的教學與實踐，視頻檢測車流量的技術的引入也將進一步深化學生對于智慧交通城市的概念以及了解智能交通對于今后社會建設的重要性，有利于培養學生的創新思維和創新實踐能力，提高交通運輸專業應用型人才的培養質量。

參考文獻

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