一種自適應(yīng)交通信號(hào)燈系統(tǒng)

殷 玲，許永康

（廣東交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 510650）

0 引 言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，我國(guó)人民生活水平有了較大幅度的提高，汽車逐漸成為每家每戶的必需品。據(jù)公安部統(tǒng)計(jì)，截至2021年3月全國(guó)機(jī)動(dòng)車保有量達(dá)3.78億輛，其中汽車2.87億輛；機(jī)動(dòng)車駕駛?cè)藬?shù)達(dá)到4.63億，此外汽車駕駛?cè)藬?shù)達(dá)到4.25億。與2020年全國(guó)機(jī)動(dòng)車保有量達(dá)3.72億輛相比，2022年第一季度增加了600萬(wàn)輛。但現(xiàn)有交通燈的控制方案存在眾多不足，控制方案欠佳，傳統(tǒng)交通燈的紅燈和綠燈的亮燈時(shí)間是固定的，存在一定的不合理性，使得城市塞車現(xiàn)象越來(lái)越嚴(yán)重。隨著汽車制造業(yè)蓬勃發(fā)展，汽車數(shù)量急劇增加，道路交通越來(lái)越擁堵已然成為社會(huì)不可忽視的問(wèn)題，并且我國(guó)天氣多變，例如北京等大城市經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)大霧天氣而影響交通造成事故。不僅僅是城市地區(qū)，節(jié)假日返鄉(xiāng)高峰期，因交通信號(hào)燈紅綠燈時(shí)間固定，在某一相位的車輛短時(shí)間內(nèi)大量增加時(shí)，三四線城市的擁塞也非常明顯[1,2]。交通壓力越來(lái)越大，城市地區(qū)拓寬車道已不可行。

現(xiàn)有的交通通行秩序存在極大的交通資源浪費(fèi)和交通安全隱患。因此，開發(fā)智能交通控制技術(shù)、合理設(shè)置交通路口交通信號(hào)燈分配時(shí)間顯得尤為重要。本文提出的自適應(yīng)交通信號(hào)燈系統(tǒng)將在緩解道路擁塞、資源合理利用、快速高效率出行等方面發(fā)揮更大的作用，為人們創(chuàng)造一個(gè)安全、暢通的交通出行環(huán)境。

1 系統(tǒng)概括

自適應(yīng)交通信號(hào)燈系統(tǒng)，利用交通燈上的攝像頭拍攝視頻獲取圖幀，經(jīng)過(guò)圖像處理、車輛輪廓提取后統(tǒng)計(jì)實(shí)時(shí)車輛數(shù)，由控制中心自動(dòng)調(diào)整交通燈亮燈方案；交通燈上裝有自動(dòng)天氣檢測(cè)器，通過(guò)傳感器傳送到控制中心進(jìn)行智能數(shù)據(jù)分析，自動(dòng)調(diào)整交通燈的空氣可見度和穿透度。本系統(tǒng)利用機(jī)器視覺技術(shù)、通信技術(shù)等技術(shù)實(shí)現(xiàn)智能化，具有成本低、易實(shí)現(xiàn)、效率高的特點(diǎn)[3,4]。

自適應(yīng)交通信號(hào)燈系統(tǒng)的設(shè)計(jì)本著為人民群眾提供安全保障、提高出行效率的初心，采用視頻監(jiān)控技術(shù)、紅外線成像技術(shù)、多媒體傳輸技術(shù)、通信技術(shù)、大數(shù)據(jù)智能分析技術(shù)、機(jī)器視覺技術(shù)等，快速、準(zhǔn)確地統(tǒng)計(jì)車流量信息和掌握天氣情況；經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)分析后由控制中心自動(dòng)適配交通燈的亮燈方案和交通燈的空氣可見度、穿透度，是群眾安全出行、暢通出行的屏障。

2 工作原理

基于機(jī)器視覺的自適應(yīng)交通信號(hào)燈系統(tǒng)，主要由多個(gè)圖像采集模塊、圖像識(shí)別模塊、交通燈控制器、通信模塊等組成。其中圖像采集單元設(shè)在路口交通燈上，用于采集路口第一圖像；圖像識(shí)別模塊連接圖像采集單元的輸出端和交通燈控制器的輸入端，各傳感器也與交通燈控制器的輸入端連接；通信模塊與交通燈控制器互聯(lián)，交通燈控制器做出反應(yīng)并由交通燈模塊和語(yǔ)音提示模塊執(zhí)行。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

交通燈控制系統(tǒng)的圖像采集模塊包括第一圖像采集單元和第二圖像采集單元，通過(guò)第一圖像采集單元實(shí)時(shí)采集對(duì)應(yīng)車道內(nèi)車輛的第一圖像，通過(guò)第二圖像采集單元實(shí)時(shí)采集對(duì)應(yīng)人行道路口人群的第二圖像；再通過(guò)圖像識(shí)別模塊對(duì)第一圖像和第二圖像進(jìn)行識(shí)別處理得到對(duì)應(yīng)車道內(nèi)的車流量數(shù)據(jù)和對(duì)應(yīng)人行道路口的人流量數(shù)據(jù)，進(jìn)而將該車流量數(shù)據(jù)和該人流量數(shù)據(jù)傳輸?shù)浇煌艨刂破鳎山煌艨刂破鞲鶕?jù)該車流量數(shù)據(jù)和人流量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)調(diào)整交通燈模塊的紅綠燈顯示時(shí)長(zhǎng)；同時(shí)交通燈上的能見度傳感器和雨量傳感器把實(shí)時(shí)檢測(cè)到的天氣情況傳到交通燈控制器，由交通燈控制器根據(jù)天氣信息調(diào)整交通燈模塊的紅綠燈顯示時(shí)長(zhǎng)以及紅綠燈的空氣可見度和穿透度。如此便可以有效地緩解交通擁堵，提高出行效率，并且能夠很好地提醒司機(jī)注意人群信息、天氣信息，預(yù)防交通事故發(fā)生，提高安全保障[5,6]。

3 功能模塊

自適應(yīng)交通信號(hào)燈系統(tǒng)主要包括圖像識(shí)別模塊、交通燈控制模塊、交通燈模塊、傳感器模塊、通信模塊、語(yǔ)音模塊[7]。

3.1 圖像識(shí)別模塊

圖像采集攝像機(jī)安裝在路口交通燈上，實(shí)時(shí)拍攝車輛圖像，通過(guò)提取車輛輪廓并實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)200～300 m范圍內(nèi)的車輛數(shù)，提高對(duì)不同相位車流量統(tǒng)計(jì)的準(zhǔn)確性；同時(shí)采集不同人行道路口人群的圖像，考慮到在夜晚或一些惡劣天氣環(huán)境下，采用普通光學(xué)攝像頭并不能準(zhǔn)確獲取車流量和人流量數(shù)據(jù)，因此可采用紅外熱成像儀來(lái)獲取圖像，然后通過(guò)圖像二值化、邊緣檢測(cè)、輪廓提取和統(tǒng)計(jì)等處理后得到車流量和人流量數(shù)據(jù)。

3.2 交通燈控制器

選用Arduino控制器[8]，Arduino是基于AVR單片機(jī)設(shè)計(jì)的電路板，也是一個(gè)開源平臺(tái)，板上的輸入/輸出口可以直接外接電路。在Arduino平臺(tái)的軟件部分，開發(fā)者可根據(jù)自己的喜好運(yùn)用不同的軟件編程，如C語(yǔ)言、C++等。Arduino有很多封裝好的庫(kù)，可以直接使用，用Arduino設(shè)計(jì)交通控制電路可大大降低硬件制作難度。交通燈控制器用于根據(jù)車流量數(shù)據(jù)和人流量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)調(diào)整交通燈模塊的紅綠燈顯示時(shí)長(zhǎng)，可預(yù)先設(shè)置好相應(yīng)的車流量閾值、人流量閾值以及相應(yīng)的顯示時(shí)長(zhǎng)調(diào)整規(guī)則，例如當(dāng)車流量高于第一車流量閾值且人流量低于第一人流量閾值時(shí)，增加對(duì)應(yīng)的車道綠燈和人行道紅燈的顯示時(shí)長(zhǎng)，又如當(dāng)車流量低于第二車流量閾值且人流量高于第二人流量閾值時(shí)，增加對(duì)應(yīng)的車道紅燈和人行道綠燈的顯示時(shí)長(zhǎng)。

3.3 交通燈模塊

交通燈模塊是實(shí)時(shí)顯示紅綠燈的裝置，設(shè)置在同一個(gè)交通路口的多個(gè)交通燈模塊，分別用于對(duì)不同方向車道內(nèi)的車輛和人行道路口的人群進(jìn)行提示。由于一般情況下交通路口黃燈持續(xù)時(shí)間較短，本系統(tǒng)中的紅綠燈顯示時(shí)長(zhǎng)的調(diào)整僅針對(duì)紅燈和綠燈的顯示時(shí)長(zhǎng)，不對(duì)黃燈的顯示時(shí)長(zhǎng)做調(diào)整。此外，同一個(gè)交通路口的多個(gè)紅綠燈狀態(tài)必須符合交通通行互斥原則[9,10]。

3.4 傳感器模塊

在不同的能見度下，紅綠燈燈光的傳播距離不同。大雨、大霧天氣對(duì)能見度的影響極大。因此，此系統(tǒng)增加能見度傳感器和雨量傳感器，通過(guò)能見度傳感器實(shí)時(shí)采集當(dāng)前環(huán)境的空氣能見度。當(dāng)空氣能見度低于預(yù)設(shè)的能見度閾值時(shí)，可提高信號(hào)燈光線在空氣中的可見度、穿透度，通過(guò)雨量傳感器實(shí)時(shí)采集當(dāng)前環(huán)境的降雨情況，當(dāng)降雨量高于預(yù)設(shè)的雨量閾值時(shí)，可適當(dāng)增加車道綠燈和人行道紅燈顯示時(shí)長(zhǎng)，以保證車輛的通行效率。

3.5 通信模塊

通信模塊與交通燈控制器互相連接，用于與控制中心的云端通信，把自適應(yīng)交通信號(hào)燈系統(tǒng)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆品?wù)器，同時(shí)定期將系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行存儲(chǔ)和更新。

3.6 語(yǔ)音提示模塊

語(yǔ)音提示模塊根據(jù)實(shí)時(shí)的車流量信息和人流量信息進(jìn)行語(yǔ)音播報(bào)，可以提醒行人和車輛駕駛員注意周邊環(huán)境，提高通行效率和安全性。如遇緊急情況，還可通過(guò)語(yǔ)音模塊發(fā)布緊急通知等。

4 執(zhí)行步驟

具體執(zhí)行步驟如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)執(zhí)行步驟

總體來(lái)說(shuō)，一種基于機(jī)器視覺的自適應(yīng)交通信號(hào)燈系統(tǒng)，通過(guò)安裝在交通路口的攝像頭采集車輛視頻信息，由圖像處理技術(shù)獲取車輛數(shù)量信息，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)浇煌刂破鳎刂破鞲鶕?jù)車輛數(shù)量確定下一個(gè)紅綠燈周期的紅綠燈配時(shí)方案。

5 結(jié) 語(yǔ)

自適應(yīng)交通信號(hào)燈系統(tǒng)通過(guò)視頻圖像采集，經(jīng)過(guò)圖像識(shí)別、圖像處理等過(guò)程，快速、準(zhǔn)確地統(tǒng)計(jì)出一定范圍內(nèi)的車流量、人流量，同時(shí)利用能見度傳感器和雨量傳感器自動(dòng)檢測(cè)天氣情況；然后將各數(shù)據(jù)信息傳送到交通燈控制器，控制器對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行智能分析后，對(duì)紅綠燈的亮燈時(shí)間方案和紅綠燈能見度進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)配，并傳輸?shù)浇煌裟K上做出響應(yīng)；同時(shí)設(shè)立在路口旁的語(yǔ)音模塊根據(jù)控制器發(fā)出的信息進(jìn)行語(yǔ)音播報(bào)提醒，以此來(lái)提高交通出行效率和出行安全性。