一種自適應(yīng)交通信號燈系統(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

隨著國民經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，我國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，截至2021年3月全國機(jī)動車保有量達(dá)3.78億輛，其中汽車2.87億輛；機(jī)動車駕駛?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年全國機(jī)動車保有量達(dá)3.72億輛相比，2022年第一季度增加了600萬輛。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，道路交通越來越擁堵已然成為社會不可忽視的問題，并且我國天氣多變，例如北京等大城市經(jīng)常會出現(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，因交通信號燈紅綠燈時間固定，在某一相位的車輛短時間內(nèi)大量增加時，三四線城市的擁塞也非常明顯[1,2]。交通壓力越來越大，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燈分配時間顯得尤為重要。本文提出的自適應(yīng)交通信號燈系統(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)過圖像處理、車輛輪廓提取后統(tǒng)計實(shí)時車輛數(shù)，由控制中心自動調(diào)整交通燈亮燈方案；交通燈上裝有自動天氣檢測器，通過傳感器傳送到控制中心進(jìn)行智能數(shù)據(jù)分析，自動調(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)交通信號燈系統(tǒng)的設(shè)計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)計車流量信息和掌握天氣情況；經(jīng)過數(shù)據(jù)分析后由控制中心自動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)交通信號燈系統(tǒng)，主要由多個圖像采集模塊、圖像識別模塊、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，通過第一圖像采集單元實(shí)時采集對應(yīng)車道內(nèi)車輛的第一圖像，通過第二圖像采集單元實(shí)時采集對應(yīng)人行道路口人群的第二圖像；再通過圖像識別模塊對第一圖像和第二圖像進(jìn)行識別處理得到對應(yīng)車道內(nèi)的車流量數(shù)據(jù)和對應(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?，由交通燈控制器根?jù)該車流量數(shù)據(jù)和人流量數(shù)據(jù)實(shí)時調(diào)整交通燈模塊的紅綠燈顯示時長；同時交通燈上的能見度傳感器和雨量傳感器把實(shí)時檢測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長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)交通信號燈系統(tǒng)主要包括圖像識別模塊、交通燈控制模塊、交通燈模塊、傳感器模塊、通信模塊、語音模塊[7]。

3.1 圖像識別模塊

圖像采集攝像機(jī)安裝在路口交通燈上，實(shí)時拍攝車輛圖像，通過提取車輛輪廓并實(shí)時統(tǒng)計200～300 m范圍內(nèi)的車輛數(shù)，提高對不同相位車流量統(tǒng)計的準(zhǔn)確性；同時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獲取圖像，然后通過圖像二值化、邊緣檢測、輪廓提取和統(tǒng)計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)計的電路板，也是一個開源平臺，板上的輸入/輸出口可以直接外接電路。在Arduino平臺的軟件部分，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語言、C++等。Arduino有很多封裝好的庫，可以直接使用，用Arduino設(shè)計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)時調(diào)整交通燈模塊的紅綠燈顯示時長，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)的顯示時長調(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，增加對應(yīng)的車道綠燈和人行道紅燈的顯示時長，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，增加對應(yīng)的車道紅燈和人行道綠燈的顯示時長。

3.3 交通燈模塊

交通燈模塊是實(shí)時顯示紅綠燈的裝置，設(shè)置在同一個交通路口的多個交通燈模塊，分別用于對不同方向車道內(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)時間較短，本系統(tǒng)中的紅綠燈顯示時長的調(diào)整僅針對紅燈和綠燈的顯示時長，不對黃燈的顯示時長做調(diào)整。此外，同一個交通路口的多個紅綠燈狀態(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，通過能見度傳感器實(shí)時采集當(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，可提高信號燈光線在空氣中的可見度、穿透度，通過雨量傳感器實(shí)時采集當(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，可適當(dāng)增加車道綠燈和人行道紅燈顯示時長，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)交通信號燈系統(tǒng)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆品?wù)器，同時定期將系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行存儲和更新。

3.6 語音提示模塊

語音提示模塊根據(jù)實(shí)時的車流量信息和人流量信息進(jìn)行語音播報，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，還可通過語音模塊發(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

總體來說，一種基于機(jī)器視覺的自適應(yīng)交通信號燈系統(tǒng)，通過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?，控制器根?jù)車輛數(shù)量確定下一個紅綠燈周期的紅綠燈配時方案。

5 結(jié) 語

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