交叉口排隊通行非正常延誤警示裝置設(shè)計★

王豐義 王圣鼎 劉 委

(1.黑龍江省通河養(yǎng)路總段，黑龍江 哈爾濱 150050； 2.東北林業(yè)大學(xué)交通學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

隨著城市化進程的不斷加快，城市機動車數(shù)量持續(xù)增長，這些因素都導(dǎo)致交通的供給和需求存在日益突出的矛盾，城市道路交叉口堵塞的情況日益增多。另外，根據(jù)相關(guān)研究，交叉口延誤問題在交通延誤問題中占據(jù)較大比重[1]，交叉口延誤的妥善解決是衡量道路暢通的重要標(biāo)準(zhǔn)。因此，緩解城市交叉口延誤問題具有一定的現(xiàn)實意義。

國外很多學(xué)者早在20世紀(jì)中葉就對信號交叉口的延誤模型進行了研究。克萊頓(Clayton)最早提出信號交叉口交通延誤的計算模型[2]，該模型的剖析方式為后來的其他交通延誤的剖析方式打下了根底。F. V. Webster于1958年提出了韋伯斯特(Webster)信控道路交叉口交通延誤計算模型[3]，哈特欽森(Hutchinson)[3]于1972年對韋伯斯特公式進行了修改。Akcelik和Rouphail[4，5]于1993年提出了信號道路交叉口交通延誤模型，該模型適應(yīng)于信號控制的道路交叉口各進口車道交通需求的條件。美國《道路通行能力手冊(HCM)》根據(jù)美國交通研究委員會(Transportation Research Board，簡稱為TRB)最新的研究成果一直不斷的進行修訂[6]，自此以后，基本涉及全部的延誤情形。由于我國混合交通的特殊性，國外延誤模型無法直接應(yīng)用，東南大學(xué)《道路通行能力研究》課題組，提出了用交叉口的流量和延誤情況來評估信號交叉口實際服務(wù)水平的高低。我國香港學(xué)者也深入研討了道路公共交通車輛對信號交叉口交通流的影響，并且修改了韋伯斯特模型，取得了一些成效[7]。

本文主要對和興路信號交叉口排隊通行時各個車輛產(chǎn)生延誤的行為進行調(diào)研分析，設(shè)計出綜合HC-SR04超聲波測距，PIC單片機51C，LCD1602顯示板塊，蜂鳴器，嵌入式系統(tǒng)的非正常延誤警示裝置，使得車輛在城市道路的交叉口行駛過程中，排隊通行盡可能實現(xiàn)零延誤。

1 交通非正常延誤概述

1.1 交通延誤

交通延誤是指車于行進間，由于受到駕駛員無法控制的、意外的其余車輛的干擾或交通控制設(shè)備等的阻礙所損耗的時間[8]。

1.2 非正常延誤

當(dāng)發(fā)生交通延誤時，從車輛停車等待到車輛重新行駛前行的這段延誤時間里，駕駛員因自身行為如玩手機、打電話、聊天等造成的延誤我們稱為非正常延誤。

2 交叉口非正常延誤調(diào)查

2.1 調(diào)查內(nèi)容

本文通過研究造成交叉口非正常延誤的行為設(shè)計交叉口排隊通行警示裝置。本次調(diào)查時間選擇為早高峰(7:30～8:30)、午高峰(12:00～13:00)和晚高峰(17:00～18:00)三個時間段，共持續(xù)7 d。采用現(xiàn)場觀測調(diào)查法。調(diào)查地點為和興路與西大直街交叉口。主要調(diào)查駕駛員在每個時間段停車排隊等候時的行為，并進行數(shù)據(jù)分析。

2.2 調(diào)查數(shù)據(jù)處理

根據(jù)每日調(diào)查結(jié)果，繪制出駕駛員排隊等候時的行為比例餅狀圖，如圖1所示。

根據(jù)調(diào)查結(jié)果，車輛在等候紅燈排隊通行的時候，只有39%的駕駛員眼盯紅燈，六成以上的駕駛員都是在做一些與駕駛無關(guān)的事情，而且據(jù)觀察，一般綠燈時馬路一側(cè)通行的車輛數(shù)量在50輛～70輛之間，每輛車延誤2 s～4 s，大大影響了車輛在交叉口的通行效率，并且在等待過程中會產(chǎn)生很大的油耗，污染環(huán)境。

3 警示裝置系統(tǒng)設(shè)計

警示裝置系統(tǒng)由HC-SR04超聲波測距模塊、單片機51C處理器、LCD1602顯示器模塊、蜂鳴器報警模塊等組成。

3.1 HC-SR04超聲波測距模塊

HC-SR04超聲波測距模塊包括超聲波發(fā)射器、接收器與制電路。該模塊有4個引腳：VCC接5 V正電源，Trig為觸發(fā)輸入引腳，Echo為回波輸出引腳，GND接地，如圖2所示。

HC-SR04超聲波測距工作說明：

單片機與HC-SR04超聲波測距Trig端和Echo端連接，向傳感器提供一個10 μs的脈沖，傳感器將以40 kHz的頻率自動發(fā)送8個周期的超聲波并通過Echo口輸出回波信號，回波是一個距離對象，可以通過發(fā)送觸發(fā)信號和接收回波信號之間的時間間隔來計算距離，即：

S=vt/2

(1)

其中，S為測試距離,m;v為聲速，340 m/s；t為高電平持續(xù)時間，s。

3.2 單片機51C處理器

單片機型號為STC90C516，晶振為12 Mhz。其工作原理與CPU類似，內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

3.3 LCD1602顯示器模塊

該顯示器模塊采用標(biāo)準(zhǔn)的16腳接口，其中，1腳VSS接地， 2腳VDD接5 V正電源；5腳為讀寫控制端，高電平為1，進行讀操作，低電平為0，進行寫操作；6腳為使能端，由高電平跳為低電平時，模塊工作；7腳～14腳D0～D7為數(shù)據(jù)總線；15腳接背光源正極；16腳接背光源負(fù)極。

3.4 有源蜂鳴器報警模塊

蜂鳴器是具有一體化結(jié)構(gòu)的電子響器，大多作為聲亮器。本文采用電磁式蜂鳴器。它由振蕩器、電磁線圈、磁、振膜片及質(zhì)等組成。接通電源后，振蕩器產(chǎn)生的音頻電流通過電磁線圈，產(chǎn)生磁場，振膜片在電磁線圈和磁場的共同作用下，周期性地發(fā)出振響。

3.5 總體框架及程序開發(fā)

警示裝置系統(tǒng)利用HC-SR04超聲波測距模塊和傳感器板塊將前車與后車瞬間的速度和距離的變化信號傳送到單片機51C處理器板塊，通過單片機里面的計算程序?qū)⒔Y(jié)果輸出，單片機上二極管產(chǎn)生的光信號輸送到LCD1602顯示器上，此時顯示器會顯示出一排數(shù)字進行提醒，同時，單片機發(fā)出的信號會傳到蜂鳴器上，發(fā)出響聲，從而達到提醒駕駛員的效果。系統(tǒng)總體框架圖如圖4所示。

4 警示裝置的試驗與分析

4.1 試驗要求和試驗準(zhǔn)備

為了驗證本裝置硬件工作的穩(wěn)定性，以及完善我們算法中的不足之處，最后對本裝置進行了調(diào)試試驗。

試驗前用筆記本將裝置系統(tǒng)調(diào)試好，并把程序下載到目標(biāo)板中。選擇天氣晴朗，能見度高，路面干燥平坦，車輛較少處進行試驗。警示裝置各部分均與測試車輛固定連接。啟動試驗?zāi)繕?biāo)板，檢測液晶顯示屏是否工作，背景燈是否閃爍，緩慢開動前試驗車。以一定車速行駛，觀察顯示屏是否有數(shù)字顯示和蜂鳴器是否發(fā)出響聲。最后得出結(jié)論。

4.2 試驗結(jié)果分析

在試驗中，硬件工作基本正常，超聲波測距儀能將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給單片機,而且單片機也能將接收到的數(shù)據(jù)顯示到液晶屏上，在整個過程中各個模塊工作良好，本裝置能實現(xiàn)其警示功能。

試驗對警示裝置進行了部分改進，設(shè)計了一個固定裝置來固定超聲波測距儀。改進后警示裝置不受車速的影響，能準(zhǔn)確地采集數(shù)據(jù)，當(dāng)前車和后車的速度差大于零時，語音報警模塊能迅速警示后車駕駛員發(fā)動車輛跟上前車。

5 結(jié)論

緩解交通延誤是緩解交通擁堵的重要方式，本文從駕駛員行為造成的非正常延誤入手，根據(jù)測距傳感器進行信號傳遞到單片機之后再將信號傳到蜂鳴器發(fā)出響聲，提出了警示裝置警示駕駛員的方案，最后結(jié)合目前的超聲波測距儀和單片機技術(shù)進行了軟硬件的設(shè)計，設(shè)計出交叉口通行非正常延誤警示裝置。該裝置通過系統(tǒng)的調(diào)試、運行、半物理仿真試驗，能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期功能，它的應(yīng)用能大大提高交叉口排隊通行的通行效率。