非接觸行人過街信號系統(tǒng)設計研究★

安樂瑤 吳思瑤 何永明

(東北林業(yè)大學交通學院，黑龍江 哈爾濱 150040)

0 引言

目前行人過街主要是利用機動車紅燈相位，而信號配時的設置主要依據(jù)是優(yōu)化機動車流[1]，這就容易導致行人等待時間過長以及等候延誤，行人違章過街的現(xiàn)象頻發(fā)。行人作為交通活動中的弱勢群體，在由違章過街引發(fā)的交通事故中[2]，受傷的往往也是行人。因此，為減少行人的等候過街時長、提高城市交通系統(tǒng)安全性以及運行高效性，需對行人過街系統(tǒng)進行相應的開發(fā)和利用。

行人過街信號系統(tǒng)是行人過街系統(tǒng)的重要組成部分，可分為兩大類：按鈕式行人過街信號系統(tǒng)和感應式行人過街信號系統(tǒng)。目前，國內(nèi)外對行人過街開關系統(tǒng)的研究多為按鈕式的行人過街請求裝置，即過街行人直接按下請求按鈕，并將請求過街信號傳遞至監(jiān)測系統(tǒng)。為了增強行人過街的安全性，此系統(tǒng)在有較多行人過街需求的路段得到了廣泛的應用。但由于按鈕易損壞、按鈕失靈致使系統(tǒng)反應不及時，以及行人的忽視等原因[3]，按鈕式行人過街開關系統(tǒng)的使用率較低。同時，由于疫情的出現(xiàn)，其使用也受到一定的限制。為降低新型冠狀病毒傳播的概率和風險，防止疫情擴散，人們在外出時不僅需要佩戴口罩，同時也需要避免雙手與外界物體的直接接觸，這就導致按鈕式開關失去了它原本的作用，所以需要一種非接觸式的行人過街信號開關系統(tǒng)。該系統(tǒng)既能感應行人過街請求，又能夠避免直接接觸、降低病毒感染的風險。

現(xiàn)有的感應式行人過街信號系統(tǒng)不夠完善，無法避免行人惡作劇所做出的感應手勢，容易造成交通秩序混亂。目前，非接觸式感應裝置有人臉識別的感應控制裝置以及人體紅外檢測模塊(基于紅外線技術的自動控制模塊)等。本文基于紅外感應原理，提出一種非接觸行人過街信號系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過對過街行人出示的過街手勢信號進行感應，將過街信號傳遞至檢測子系統(tǒng)，然后由車流量檢測子系統(tǒng)判斷信號燈是否需要轉(zhuǎn)換為行人信號相位，如需轉(zhuǎn)換，則通過行人流量檢測子系統(tǒng)檢測過街行人流量并傳遞至信號控制子系統(tǒng)進行行人綠燈相位時長的計算。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計

非接觸行人過街信號系統(tǒng)主要由感應子系統(tǒng)、檢測子系統(tǒng)以及信號控制子系統(tǒng)3個子系統(tǒng)組成，并設置有語音提示裝置以及人行橫道護欄等行人過街輔助設施[4]。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設計圖見圖1。

以上各個子系統(tǒng)相互聯(lián)系，以實現(xiàn)行人過街信號的傳遞，規(guī)范行人過街行為，維持正常的人—車通行秩序。

1.2 系統(tǒng)工作原理

非接觸行人過街信號系統(tǒng)采用紅外識別技術對過街行人進行手勢信號的識別，確定行人過街的請求，然后通過行人流量檢測子系統(tǒng)和車流量檢測子系統(tǒng)，分別對請求過街的行人流量和排隊車輛進行檢測。從而通過信號控制子系統(tǒng)對檢測所得的信息進行處理，并做出相應的信號燈控制。同時，該系統(tǒng)還增設了智能人行道護欄和語音提示裝置等行人過街輔助系統(tǒng)，能夠有效保障行人過街安全。

2 感應子系統(tǒng)

2.1 感應子系統(tǒng)組成

感應子系統(tǒng)采用紅外識別技術來實現(xiàn)行人過街手勢信號的識別。紅外感應子系統(tǒng)包括紅外發(fā)射器、紅外接收器、信號處理器、中央處理器。

紅外感應子系統(tǒng)是利用紅外線來探測物體的測量器件，內(nèi)部發(fā)射特殊紅外線光波，相當于數(shù)據(jù)流，也就是數(shù)字信號轉(zhuǎn)成紅外信號—紅外信號轉(zhuǎn)成數(shù)字信號，達到控制信號傳輸?shù)男Ч?/p>

2.2 感應子系統(tǒng)的工作流程

感應子系統(tǒng)的工作流程見圖2。

1)由紅外發(fā)射器發(fā)射紅外線，以感應請求過街行人的手勢動作。

2)由紅外接收器接收反射回的紅外線，并將接收到的紅外線發(fā)送至信號處理器。

3)由信號處理器根據(jù)接收到的紅外線信號判斷手勢指令，將手勢指令發(fā)送至中央處理器，中央處理器將預先設定好的手勢指令進行對比。若與預先設定的手勢指令相符合，則將此信號傳遞至檢測子系統(tǒng)；若與預先設定的手勢指令不相符合，則不傳遞信號。

3 檢測子系統(tǒng)

3.1 車流量檢測子系統(tǒng)

車流量檢測子系統(tǒng)包括紅外車流量檢測器，數(shù)碼管驅(qū)動模塊，蜂鳴器，LED指示燈和單片機。其中紅外車流量檢測器用于檢測車道內(nèi)實時車流量，它采用紅外避障傳感器，可以準確的測出實時車流量。然后將車流量信息傳遞給單片機，通過單片機內(nèi)部運行程序塊計算交通飽和度。

無行人過街需求的情況下，信號燈將一直維持機動車相位綠燈。在接收到感應子系統(tǒng)所傳遞的行人過街信號后，車流量檢測子系統(tǒng)將交通飽和度與預先設定的交通飽和度臨界值進行對比，由此判斷信號燈接下來的信號相位為行人相位綠燈或者機動車相位綠燈。具體相位判斷流程如圖3所示。

當交通飽和度小于0.7時，判斷為平峰流量，信號相位由機動車相位綠燈變?yōu)樾腥讼辔痪G燈。當交通飽和度不小于0.7時，判斷為高峰流量，相位仍為機動車相位綠燈，經(jīng)過Tpw(行人可接受等待時間)后，信號相位由機動車相位綠燈變?yōu)樾腥讼辔痪G燈。據(jù)調(diào)查顯示，通常行人可接受時間為40 s，當行人等待時間超過40 s時，行人會冒險穿越人行橫道，因此行人等待時間在40 s以內(nèi)為宜，可設置行人等待時間為30 s[6]。

3.2 行人流量檢測子系統(tǒng)

行人流量檢測子系統(tǒng)采用紅外熱成像技術對請求過街的行人流量進行檢測。該系統(tǒng)在請求區(qū)域上方安裝一臺行人紅外熱成像檢測儀[5]，若接收到感應子系統(tǒng)所傳遞的行人過街信號，將對行人流量進行檢測，然后傳遞至信號控制子系統(tǒng)，根據(jù)行人流量進行合理的信號配時。

4 信號控制子系統(tǒng)

4.1 信號傳遞

信號控制子系統(tǒng)與檢測子系統(tǒng)相連接，車流量檢測子系統(tǒng)中的判斷結(jié)果以及行人檢測子系統(tǒng)所測行人流量將傳遞至信號控制子系統(tǒng)，再由信號控制子系統(tǒng)傳遞信號至行人信號燈以及機動車信號燈。

4.2 工作原理

車流量檢測子系統(tǒng)中的判斷結(jié)果傳遞至信號控制子系統(tǒng)，若判斷結(jié)果為機動車相位綠燈變?yōu)樾腥讼辔痪G燈，則根據(jù)行人流量檢測子系統(tǒng)所測得行人流量進行合理相位配時后，將配時信息傳遞至信號燈，并由信號燈做出相應的反映。在行人相位綠燈即將轉(zhuǎn)換為機動車相位綠燈的前5 s內(nèi)，若行人等候區(qū)仍有過街需求，則根據(jù)車輛排隊狀況，確定信號燈的信號相位。此時，若車流量檢測裝置未檢測到較多排隊車輛，行人相位可適當增加10 s的綠燈時間，當車流量檢測裝置顯示車輛較多時，則不增加行人通行時間，按原時間正常切換信號燈相位。

5 輔助設施

5.1 智能人行道護欄

護欄主要由控制立柱、啟閉門和三輥閘護欄組成[7]，安裝于人行橫道和行人等待區(qū)之間，左右兩邊與人行道護欄相連接，如圖4所示。

智能人行道護欄的工作原理如下：當行人信號燈變?yōu)榫G燈時，供行人通行的啟閉門向上折疊，啟閉門開啟，行人可過街；當行人信號燈變?yōu)榧t燈時，供行人通行的啟閉門向下復位，啟閉門關閉，避免行人違規(guī)過街。同時考慮到會有行人在護欄關閉時未能及時通過而被滯留在路段中，因此在啟閉門的一側(cè)設置了三輥閘式護欄，只允許行人從路段到人行道方向的單向通行。

5.2 語音提示裝置

語音提示裝置與手勢感應裝置安裝在一處。當有行人進行手勢感應時，若手勢與預先設定的手勢指令相符合，則語音提示裝置播報：“手勢正確，請等待綠燈”；若手勢與預先設定的手勢指令不相符，則語音提示裝置播報：“手勢錯誤，請重新進行驗證”。當行人信號燈變?yōu)榧t燈時，語音提示裝置播報：“紅燈請留步，禁止跨越啟閉門”；當行人信號燈變?yōu)榫G燈時，語音提示裝置播報：“綠燈，啟閉門已開啟，請盡快通行”。

6 結(jié)語

本文主要設計了非接觸式的紅外感應子系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用紅外感應裝置對行人所發(fā)出的過街請求進行手勢識別，并將過街信號經(jīng)由中央處理器傳遞至檢測子系統(tǒng)，然后通過對請求過街行人流量以及機動車流量的檢測，判斷信號控制子系統(tǒng)是否改變信號燈的信號相位，并進行合理的信號配時的指令，最后由信號燈執(zhí)行命令。同時，為了更好地將行人與機動車分離，減少行人闖紅燈的違反交通法規(guī)的行為，進一步增加行人過街的安全性，設計了一種行人過街輔助系統(tǒng)。依據(jù)紅外識別技術，將按鈕式行人過街開關系統(tǒng)改為非接觸行人過街信號系統(tǒng)，實現(xiàn)了非接觸式行人過街。在保障機動車通行效率以及行人的過街需求的基礎上，避免行人與請求過街感應裝置的直接接觸，降低了病毒感染風險，為疫情防控提供了便利條件。