交通信號(hào)控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀與發(fā)展對(duì)策

劉暢

一、設(shè)計(jì)目的

隨著智能車的普及，城市變得越發(fā)擁擠，堵車現(xiàn)象也越來(lái)越普遍。在經(jīng)過(guò)交通路口時(shí)，由于國(guó)內(nèi)紅綠燈一般采用定時(shí)控制，不能對(duì)實(shí)際的交通流進(jìn)行識(shí)別和優(yōu)化，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)這種尷尬情況，即一邊亮著綠燈很少有車輛通過(guò)，另一邊有很多車輛卻在紅燈前排起長(zhǎng)隊(duì)伍，而隊(duì)尾的車輛甚至要經(jīng)過(guò)多次紅綠燈的變換才能通過(guò)路口。

如果能設(shè)計(jì)出一種系統(tǒng)，通過(guò)攝像頭實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)路況和車流量，并將各個(gè)路口的車流量信息進(jìn)行匯總和分析，進(jìn)而自動(dòng)調(diào)節(jié)兩邊紅綠燈的等待時(shí)間，這便能減少兩邊車輛的平均等待時(shí)間，同時(shí)減少在等待過(guò)程中燃料的消耗，提高整個(gè)道路的暢通性。

如果進(jìn)一步將各個(gè)路口的實(shí)時(shí)車流量匯總到交通監(jiān)管中心，由監(jiān)管中心進(jìn)行統(tǒng)一大范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)分析與處理，向車主進(jìn)行路況或者緊急情況的播報(bào)，這樣便能優(yōu)化人們的出行路線，同時(shí)也能降低資源的損耗，符合低碳環(huán)保的發(fā)展要求。

二、研究?jī)?nèi)容

1.系統(tǒng)所實(shí)現(xiàn)的功能

對(duì)十字路口處的車流量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果改變紅綠燈時(shí)長(zhǎng)，以達(dá)到減少車輛在路口處的等待時(shí)長(zhǎng)，優(yōu)化交通的目的。

2.系統(tǒng)所運(yùn)用的技術(shù)

所運(yùn)用技術(shù)主要包括嵌入式技術(shù)，圖像處理技術(shù)和智能控制技術(shù)。

3.系統(tǒng)硬件部分的組成及功能

系統(tǒng)硬件部分主要由四個(gè)模塊組成，即攝像頭模塊，圖像處理器模塊，無(wú)線通信模塊和紅綠燈控制模塊。

其中，攝像頭采用監(jiān)控?cái)z像頭，放置在十字路口車輛排隊(duì)等待處，用于排隊(duì)車輛圖像的采集。圖像處理器模塊利用嵌入式ARM進(jìn)行圖像處理。無(wú)線模塊用于圖像處理模塊和紅綠燈控制模塊之間的信息傳輸，可采用nRF2401模塊進(jìn)行無(wú)線通信。紅綠燈智能控制模塊用于實(shí)現(xiàn)對(duì)各路口車流量信息的分析和對(duì)紅綠燈時(shí)長(zhǎng)的實(shí)時(shí)控制，可通過(guò)STC89C52單片機(jī)實(shí)現(xiàn)。

4.系統(tǒng)軟件部分的組成及功能

軟件部分主要包括操作系統(tǒng)模塊，車輛排隊(duì)長(zhǎng)度檢測(cè)模塊以及紅綠燈智能控制模塊。

（1）操作系統(tǒng)模塊

在對(duì)所實(shí)現(xiàn)的功能和硬件設(shè)備進(jìn)行初步研究后，擬選用效率高，內(nèi)核更新速度快，具有良好的穩(wěn)定性和強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能的Linux系統(tǒng)作為本系統(tǒng)的操作系統(tǒng)。

（2）車流量檢測(cè)模塊

車輛排隊(duì)長(zhǎng)度檢測(cè)模塊的主要功能是從攝像頭獲取路口車輛排隊(duì)圖像，通過(guò)圖像處理得到對(duì)應(yīng)方向的車輛排隊(duì)長(zhǎng)度，以此反映路口處待通過(guò)的車流量，并將獲得的參數(shù)傳遞給紅綠燈智能控制模塊。其流程如圖所示1。

A.載人圖像。該模塊人口參數(shù)為需要進(jìn)行處理的相鄰兩偵圖像，處理器從攝像頭捕獲的視頻流中截取相鄰兩幅圖像進(jìn)行后續(xù)處理。

B.圖像預(yù)處理。從攝像頭獲取的圖像需要先將其灰度化減小數(shù)據(jù)量以便于處理，然后要對(duì)其進(jìn)行平滑處理以達(dá)到去噪效果。

C.圖像分割?？紤]需要進(jìn)行圖像處理的部分以外的區(qū)域會(huì)增加計(jì)算量，而且會(huì)對(duì)像素統(tǒng)計(jì)產(chǎn)生影響，因此，在處理之前首先要確定需處理部分圖像，對(duì)預(yù)處理的圖像進(jìn)行分割。

D.車輛運(yùn)動(dòng)檢測(cè)。由于系統(tǒng)需要確定停止車輛的排隊(duì)長(zhǎng)度，車輛運(yùn)動(dòng)檢測(cè)可以通過(guò)一定的方法確定車輛是否在運(yùn)動(dòng)，因此對(duì)車隊(duì)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)檢測(cè)可初步判停止車隊(duì)的隊(duì)尾位置。

（3）信號(hào)燈智能控制模塊

信號(hào)燈智能控制模塊的主要功能是從車輛排隊(duì)長(zhǎng)度檢測(cè)模塊中獲取各個(gè)方向車輛排隊(duì)長(zhǎng)度信息，匯總后計(jì)算出合適的紅綠燈時(shí)長(zhǎng)并進(jìn)行調(diào)節(jié)。

三、國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展動(dòng)態(tài)

信號(hào)燈智能控制系統(tǒng)在美、歐、日等發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)研究起步較早，關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)也已取得突破性進(jìn)展，并在重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域大規(guī)模應(yīng)用。而我國(guó)對(duì)城市信號(hào)燈控制系統(tǒng)的分析與研究工作起步比較晚，在大部分城市中信號(hào)燈系統(tǒng)都是事先預(yù)設(shè)好紅綠黃燈的顯示時(shí)間，大部分情況下固定不變。

其中有美國(guó)研發(fā)的RHODES系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了一種有效的交通自適應(yīng)信號(hào)控制系統(tǒng)模型，通過(guò)傳感器監(jiān)測(cè)交通網(wǎng)絡(luò)中的交通設(shè)施情況，然后預(yù)測(cè)當(dāng)前的交通流量和將來(lái)的交通流量，并使用優(yōu)化算法來(lái)決定用于下一次交通信號(hào)控制周期的最佳方案。除此之外，澳大利亞的SCATS系統(tǒng)，英國(guó)的TRANSYT系統(tǒng)和SCOOT系統(tǒng)。

設(shè)計(jì)不足的是，通過(guò)地下車輛感應(yīng)系統(tǒng)獲取得到車流量精度較低，易受周圍環(huán)境的干擾。而攝像頭具有成本低，可處理性強(qiáng)，精度高等優(yōu)點(diǎn)，所以在智能交通信號(hào)燈技術(shù)的發(fā)展和完善中，利用攝像頭拍攝路況圖像進(jìn)行圖像處理以獲取車流量將成為主要研究方向。

四、創(chuàng)新點(diǎn)

1.減少成本，簡(jiǎn)化安裝

信號(hào)燈智能控制系統(tǒng)對(duì)車來(lái)流量的統(tǒng)計(jì)使用了視頻圖像處理技術(shù)，與已經(jīng)投入使用的空氣管道檢測(cè)、波頻檢測(cè)和磁感應(yīng)檢測(cè)等技術(shù)相比安裝成本低、支持多車道檢測(cè)、檢測(cè)設(shè)備可以隨時(shí)移動(dòng)位置、可以滿足數(shù)據(jù)采集的不斷變化，檢測(cè)范圍大。對(duì)于其硬件的安裝和維修，無(wú)需關(guān)閉車道，無(wú)需破壞路面，這樣避免因安裝和維修而帶來(lái)的交通堵塞，并降低維修費(fèi)用。

2.可擴(kuò)展性強(qiáng)

A.由于利用攝像頭對(duì)車流量處理，可在技術(shù)成熟后將路口人流情況考慮其中。

B.通過(guò)攝像頭可識(shí)別一些特殊車輛如救護(hù)車和消防車等，并做出合理調(diào)節(jié)使得特殊車輛能夠快速少阻礙通行。

C.可以將紅綠燈處控制模塊部分收集到的實(shí)時(shí)車流信息發(fā)送至交通監(jiān)管中心，由監(jiān)管中心將信息進(jìn)行實(shí)時(shí)發(fā)布以方便人們合理選擇出行路線。endprint