模型化分析交通信號燈智能控制設備的原理及應用

黃艷華　習建軍　陳威　丁秀梅

摘 要：近年來，城市化進程促進了交通需求的快速增長，大城市的機動車數(shù)量正在不斷增加，這對交通體系建設提出了新的需求。在交通需求快速增長的情形下，如何減緩城市道路負荷，解決交通堵塞、行車混亂等問題，是擺在管理者面前的至關重要的問題。文章為應對城市交通管理的問題，模型化分析交通信號燈智能控制設備的原理及應用，通過物聯(lián)網(wǎng)嵌入式應用改變信號燈時長，同時為了應對特殊情況，采取用軟件進行遠程控制信號燈，可以減緩交通擁堵，提高了管理效率。

關鍵詞：計數(shù)攝像頭;物聯(lián)網(wǎng);嵌入式;信號燈

中圖分類號：U491.51;TP273 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1064（2022）03--03

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2022.03.039

1 構建智能交通信號燈模型

1.1 交通信號燈智能控制的研究意義

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，城市交通問題越來越突出，人們越來越關注城市交通問題。協(xié)調人、車、路三者的關系，促進交通穩(wěn)定運行，已經(jīng)成為交通管理部門迫切需要解決的重要問題之一。城市交通控制管理系統(tǒng)是城市交通監(jiān)控管理系統(tǒng)中最重要的組成部分，用于城市交通中人流量和車輛數(shù)據(jù)監(jiān)測、交通預測和交通信號燈控制，是交通疏導的重要管理系統(tǒng)[1]。因此，如何采用合理的交通控制方法，最大程度上利用城市高速交通道路，緩解主干道與匝道、城區(qū)及周邊地區(qū)的交通堵塞狀況，成為政務部門亟待解決的主要問題，而交通信號燈是解決問題的主要來源之一。

交通信號燈的出現(xiàn)，使得交通道路更加有秩序，社會更加文明，維系著道路與人之間的和諧。但城市道路的路線十分復雜，不易通過傳統(tǒng)的交通信號燈疏導車輛與行人的正常通行，最終容易造成交通擁堵。隨著經(jīng)濟、社會的發(fā)展，當前的交通信號燈已經(jīng)不能滿足日益繁忙的交通狀況。如何改善交通信號燈以順應時代的需求，讓交通信號燈適應未來實際交通狀況，成為重要的研究課題。

1.2 交通信號燈智能控制的研究思路

目前，全國各地大多數(shù)城市采用的都是半自動式的交通信號燈，紅燈綠燈的轉換間隔是固定的，且能夠自動切換。交通信號燈通常由紅黃綠三色信號燈組成，傳統(tǒng)的信號燈無法智能切換和調控通行與禁止的時間間隔。但在實際道路監(jiān)測中，不同時刻不同道路的車流量和道路狀況是復雜而難以確定的，具有高度的隨機性，經(jīng)常受到人為、自然等不可控因素的影響。

采用定時控制的缺點非常明顯，容易造成道路時間的浪費，降低通行效率。而其最大的缺陷就在于當?shù)缆窢顩r發(fā)生變化時，例如節(jié)假日或惡劣天氣狀況下，道路狀況很有可能不能滿足行人與司機的真實需要，容易造成時間浪費，甚至直接導致交通擁堵。

1.3 交通信號燈智能控制的系統(tǒng)模型

交通信號燈系統(tǒng)模型如圖1所示。

2 對智能交通信號燈的技術分析

2.1 道路之眼——攝像頭

客流技術攝像頭采用雙目客流計算，即使用兩個與人眼相似的相同計算機，并且兩個攝像頭獲得的圖像通過一系列計算獲得3D圖像。在雙目客流中，能夠獲得三維信息，例如人的身高信息，檢測到1 m～2 m高度的圖像，人臉大多數(shù)處在這個范圍，意味著能夠很容易獲取人的位置信息，人的數(shù)量也顯而易見，同時可以消除光線的干擾。

車輛計數(shù)系統(tǒng)攝像頭采用動態(tài)策略檢測算法，可以將車輛分類檢測，通過軌跡跟蹤分析車輛，具有強大的車輛跟蹤計數(shù)功能。通過攝像頭精確識別車輛的位置信息，然后分析和估計運動軌跡，并根據(jù)該軌跡中包含的汽車的運動狀態(tài)進行計算，可以準確檢測和計算車輛的數(shù)量，為信息采集提供必要保障，獲得更加準確的數(shù)據(jù)[2]。

2.2 數(shù)據(jù)傳輸——WIFI模塊

串口WIFI模塊是低功耗的無線傳輸模塊，外接UART接口，支持串口透明數(shù)據(jù)傳輸方式，并具備多模安全能力，支持TCP/IP和IEEE802.11協(xié)議棧，實現(xiàn)用戶串口到無線網(wǎng)絡之間的信息傳輸。

遠程交通系統(tǒng)模型選用了（WIFI模塊）ESP8266，它支持STA/AP/STA+AP三種工作模式，可以隨程序的更改而改變執(zhí)行模式。ESP8266模塊利用路由器連接到互聯(lián)網(wǎng)，可以利用手機或電腦通過互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)對設備的遠程控制，并獲取數(shù)據(jù)。通過ESP8266的RX和TX引腳可以建立起與單片機的通信，形成了信號燈遠程控制的基本模型。相比后兩種工作模式，這種工作模式實現(xiàn)步驟更加簡潔，易于實現(xiàn)，控制端通過特殊的加密算法，使得整個體系更加安全。

通信流程如圖2所示。

2.3 控制核心——單片機

單片機是在一個半導體硅片上，集成了中央處理單元（CPU）、存儲器（RAM和ROM）、并行口、串行口、定時/計數(shù)器、終端系統(tǒng)、系統(tǒng)時鐘電路及系統(tǒng)總線、用于測控領域的單片機微型計算機，具有簡單方便、易于實現(xiàn)、功能齊全、性能可靠的優(yōu)點[3]。市面上大多數(shù)單片機都具有高效的運算速率，且具有多種功能接口，能夠更好地提供外設接口，為信號燈智能控制設備模型制作提供了更充分的準備。

單片機的功能模塊框圖如圖3所示。用CPU提供面向控制的位處理和位控功能，單片機執(zhí)行程序將單片機需要的各類操作用指令的形式寫下來，并賦予它系統(tǒng)指令，一條指令對應一個基本操作，通過一條指令實現(xiàn)對硬件的控制，從而實現(xiàn)不同的功能。單片機能夠執(zhí)行的全部指令，就是這個單片機的指令系統(tǒng)。WIFI模塊接收的數(shù)據(jù)，可以傳入單片機，給單片機寫入指令進行數(shù)據(jù)處理，控制傳感設備進行不同的操作。

2.4 定位輔助——北斗/GPS

北斗導航定位和GPS導航定位是當前社會主流的兩款導航系統(tǒng)，智能交通體系建設離不開定位服務的應用。定位模塊中擁有多個連接通道，可同時與數(shù)顆衛(wèi)星相連接，只有同時收到3顆以上衛(wèi)星信號并經(jīng)過復雜運算后，才能獲得正確的定位數(shù)據(jù)。同時，通信衛(wèi)星顆數(shù)越多，模塊就能越快、越準確地獲得定位數(shù)據(jù)。交通系統(tǒng)的智能化在于確定各個路口和各個方位的道路狀況，把這些信息相結合，組成一張巨大的信息網(wǎng)，更智能地調控紅綠燈時長[4]。在川流不息的馬路上，每一個路口都是一個節(jié)點，一個路口發(fā)生擁堵，勢必影響上一個路口的交通，嚴重的甚至使大面積交通網(wǎng)絡癱瘓。因此，每一個節(jié)點的信息都至關重要。借助北斗或GPS可以迅速得到每個路口的信息，經(jīng)過信息整合得出準確的執(zhí)行方案，確保各路口都能通暢。

3 智能交通信號燈的云技術支持

3.1 AI計算

有了硬件基礎還不夠，軟件應用是整個系統(tǒng)的核心。當前，智能系統(tǒng)大多基于云平臺搭建，這種新的支持應用的方式有著巨大的潛力。AI能夠構建與人類相似甚至超越的推理、學習、交流、感知、移物、規(guī)劃以及使用工具和操控機械的能力，通過AI計算，根據(jù)每一個監(jiān)測點的車流量信息，智能調控紅綠燈時長，以改善道路交通運行情況。

遇到緊急情況時，AI還要識別出一些突發(fā)事件并作出準確判斷，當急救車等特殊車輛經(jīng)過時，要優(yōu)先通行，AI通過識別車輛的警報聲和電子監(jiān)控判斷特殊車輛行進方向，根據(jù)各路口匯總信息，提前在下一路口開啟綠色通道。

通過對流量檢測數(shù)據(jù)進行模型化處理，并進行數(shù)據(jù)融合、數(shù)據(jù)清洗，再基于強化學習神經(jīng)網(wǎng)絡，就能利用AI智能調控信號燈。

3.2 云計算

云計算是一種基于互聯(lián)網(wǎng)的大規(guī)模數(shù)據(jù)計算方式，能夠按照用戶實際需求，將共享的各類信息和資源提供給計算機或其他設備。利用云計算技術，能夠提供可靠的軟硬件基礎和豐富的網(wǎng)絡資源，可以降低構建和管理能力的成本，它改變了傳統(tǒng)信息技術服務架構，在交通信號燈上展現(xiàn)決定性的需求與應用[5]。

3.2.1 基于云計算的短時交通流量預測

信號燈的調控是實時的，但各路口的數(shù)據(jù)量極其龐大，要在短時間內精準計算并得出一套完整的解決方案并不容易。在云計算技術的支持下高效管理和使用資源，通過云計算的協(xié)調應用，使得分布式資源得到了充分利用，使得資源共享、信息交互更加快速，可以控制成本預算并可解決一些實時問題，提高工作效率，簡化人力、物力、財力，使信息技術更好地服務于人們的生活。

3.2.2 交通信號智能控制

智能交通信號控制系統(tǒng)主要以實時準確的交通道路狀況的數(shù)據(jù)作為控制依據(jù)，同時結合北斗/GPS定位系統(tǒng)、攝像頭視頻監(jiān)控系統(tǒng)等信息采集方式，實時采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)，并且直接利用前端設備可實現(xiàn)對各路口的交通流量控制。匯總采集到的所有信息，為區(qū)域交通控制方案的制定提供了重要的數(shù)據(jù)支持，同時實現(xiàn)了基于云計算的智能交通控制。

在交通領域應用云計算技術能夠充分利用實時交通信息數(shù)據(jù)，為交通管理提供重要的數(shù)據(jù)支持，制定更準確、更合理的交通控制方案，加快交通領域的發(fā)展。

3.3 大數(shù)據(jù)

大數(shù)據(jù)技術可對海量數(shù)據(jù)進行分布式數(shù)據(jù)挖掘，依托云存儲、虛擬化技術和云計算的分布式處理、分布式數(shù)據(jù)庫應用。智慧交通體系下，每個路口在每分每秒的每個狀態(tài)都是數(shù)據(jù)量，數(shù)據(jù)多且繁雜，依托大數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)可視化，復雜的數(shù)據(jù)將簡化，提高計算速度和時效。

應用大數(shù)據(jù)技術能夠監(jiān)管和記錄城市中各個路口各個路段中的車輛，可以實時調節(jié)信號燈變化，改善擁堵的交通環(huán)境。利用大數(shù)據(jù)技術以后，可大大提升道路通暢程度和工作效率，降低車輛發(fā)生擁堵的概率和交通工作負擔。

在不斷發(fā)展中，大數(shù)據(jù)技術在交通領域中的應用變得非常普遍，使智慧交通得到了進一步完善和發(fā)展。大數(shù)據(jù)的應用帶來的最重要的成果是實現(xiàn)了智能決策，有了大數(shù)據(jù)，AI和云計算才會有更長遠的發(fā)展。

4 面向智能交通信號燈的應用前景

目前，在城市與科技不斷互聯(lián)應用和發(fā)展下，我國逐漸進入發(fā)展智能城市的進程中，信號燈是智能城市交通中的關鍵一環(huán)，智能信號燈在北斗定位技術的技術上，獲得高精度的定位數(shù)據(jù)，使用智能監(jiān)控系統(tǒng)采集車輛與人流量的數(shù)據(jù)，在城市交通管理工作涉及的信息量越來越大，通過云計算與大數(shù)據(jù)技術，處理大規(guī)模的流量數(shù)據(jù)，隨后將數(shù)據(jù)收錄到Al智能計算系統(tǒng)，通過控制系統(tǒng)反饋給目標交通信號燈，以達到隨機應變復雜的交通系統(tǒng)。在原始信號燈下進行改革創(chuàng)新，對智能城市交通建設進程上產(chǎn)生積極影響。

智能交通信號燈被廣泛應用在城市交通，在地勢復雜的交通道路上，可減少交通事故發(fā)生的可能性。在交通信號燈智能控制的背景下，在時間方面，縮短了車輛滯留時間，減緩了城市的交通擁堵現(xiàn)象;在經(jīng)濟方面，加快了貨幣的流通速度，提高了經(jīng)濟效益;在生活方面上，給人們提供了更加便捷的服務。面對緊急救援，交通信號燈開啟禁行模式，爭取寶貴時間。隨著智能城市的不斷推進，未來，智能交通信號燈依然會占有巨大的市場，為社會帶來巨大的效益，以及受到群眾大力支持。在這樣的背景下，智能交通信號燈將不斷優(yōu)化與創(chuàng)新并日益發(fā)展壯大[6]。

5 結語

隨著道路建設不斷發(fā)展，交通信號燈智能化的時代必將到來，屆時，交通體系的硬件設施將會全面提升并走向智能化，物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)體系和嵌入式在交通領域有了更深層次的發(fā)展和應用?？萍几淖兩?，科技引領生活，在生活快節(jié)奏發(fā)展的今天，要立足于科技創(chuàng)新、技術創(chuàng)新，樹立與時俱進的理念，使人們的生活更加便捷，為推動經(jīng)濟社會發(fā)展貢獻力量。

參考文獻

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基金項目：新余學院創(chuàng)新訓練項目“交通信號燈智能控制器”（DC202001002）