鄒瑞霖，王春娥,邱 雯，張杰鑫，蔣 文

(鹽城工學(xué)院 材料科學(xué)與工程學(xué)院，鹽城 224000)

隨著城市化進(jìn)程的加快，居民機(jī)動(dòng)車(chē)保有量迅速增加，城市道路的壓力也隨之增大，行人過(guò)街的管理越來(lái)越難[1]。感應(yīng)控制行人過(guò)街成為人們關(guān)注的熱點(diǎn)[2]。

從現(xiàn)有的過(guò)街系統(tǒng)來(lái)看，設(shè)置薄弱的過(guò)街設(shè)施加上人們的從眾心理[3]，老人、兒童等弱勢(shì)群體的步行速度，過(guò)長(zhǎng)的等待時(shí)間引起的煩躁心理，都會(huì)引起闖紅燈的行為。本系統(tǒng)將采用感應(yīng)控制、人臉識(shí)別、支付寶信用同步的技術(shù)來(lái)規(guī)范行人過(guò)街，降低交通事故發(fā)生率。系統(tǒng)將根據(jù)行人數(shù)量來(lái)判定是否需要放行。根據(jù)過(guò)街人群的參數(shù)，采用HCM公式得出過(guò)街時(shí)間。通過(guò)支付寶信用同步的技術(shù)，對(duì)一些闖紅燈的違法人員發(fā)出通知與警告，以此加強(qiáng)行人的過(guò)街安全。

1 行人安全過(guò)街智能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分析

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

路段行人過(guò)街設(shè)施按控制方式可分為三類(lèi)：無(wú)信號(hào)控制、定周期控制和感應(yīng)控制[4]。在我國(guó)，應(yīng)用最為廣泛的控制方式為無(wú)信號(hào)控制。然而，該控制方法安全性較低，不適用于人流量多，車(chē)流量變化幅度大的區(qū)域[5]。為減少這些區(qū)域交通事故的發(fā)生，本方案以感應(yīng)控制為主，輔以自適應(yīng)控制和人工請(qǐng)求控制，流程如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)流程圖(不考慮高低峰情況)

(1) 行人相位開(kāi)始，系統(tǒng)給定最小綠燈時(shí)間Gmin。

(2) 判斷在最小綠燈時(shí)間Gmin或單位間隔時(shí)間vi結(jié)束后，是否有后續(xù)行人請(qǐng)求過(guò)街。若有，則放行單位間隔時(shí)間vi，若無(wú)，則進(jìn)入(4)。

(3) 判斷系統(tǒng)綠燈時(shí)間是否達(dá)到極限Gmax。若達(dá)到則進(jìn)入(4)，若未達(dá)到，則進(jìn)入(2)。

(4) 系統(tǒng)處于機(jī)動(dòng)車(chē)相位，在確保第一批等待車(chē)輛放行完畢后(即使在放行過(guò)程中行人數(shù)量很快達(dá)到放行指標(biāo))，判斷有無(wú)后續(xù)機(jī)動(dòng)車(chē)。若有，則進(jìn)入(5)，若無(wú)，則進(jìn)入(1)。

(5) 在滿(mǎn)足行人等待時(shí)間沒(méi)有達(dá)到極限值時(shí)，(若達(dá)到行人等待極限時(shí)間則直接進(jìn)入行人相位)判斷監(jiān)測(cè)區(qū)行人是否達(dá)到放行指標(biāo)。若達(dá)到，進(jìn)入(1)，若未達(dá)到，進(jìn)入(4)。

1.2 違章抓拍與支付寶信用結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)擬將違章抓拍設(shè)備與支付寶客戶(hù)端進(jìn)行對(duì)接，人們可在(支付寶客戶(hù)端-便民生活-城市服務(wù)-交通-行人過(guò)街查詢(xún))查詢(xún)交通信用積分(該積分與芝麻信用積分有關(guān)，同時(shí)影響信用額度)，違章時(shí)間、地點(diǎn)及原因。行人違章后，系統(tǒng)還將通過(guò)發(fā)送短信或支付寶推送違章信息的方式進(jìn)行通知。此外，在支付寶中，人們也可繳納罰款。

1.3 優(yōu)化方案與原方案比較

目前，我國(guó)在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的地區(qū)已設(shè)有“行人請(qǐng)求過(guò)街”的感應(yīng)控制方式，本系統(tǒng)對(duì)原有的方案進(jìn)行改進(jìn)，從行人過(guò)街時(shí)間、過(guò)街時(shí)間段、違章處理這三個(gè)角度對(duì)原有的系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，具體體現(xiàn)在以下三個(gè)方面：

(1) 應(yīng)用人臉識(shí)別技術(shù)，識(shí)別監(jiān)測(cè)區(qū)行人年齡、性別、數(shù)量等信息，智能調(diào)節(jié)紅綠燈相位時(shí)間(初始綠燈時(shí)間與單位綠燈時(shí)間)，滿(mǎn)足不同特征的行人對(duì)過(guò)街時(shí)間的需要。

(2) 考慮到高低峰時(shí)段的交通狀況的特殊性，對(duì)應(yīng)設(shè)置“機(jī)動(dòng)車(chē)放行時(shí)間最小值”和“行人等待時(shí)間最大值”，防止行人或機(jī)動(dòng)車(chē)等待時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。

(3) 系統(tǒng)對(duì)違章行人進(jìn)行抓拍，先通過(guò)人臉識(shí)別提取出身份信息，再將違法記錄傳輸至征信系統(tǒng)并扣除其支付寶信用積分。與直接顯示違章行人的個(gè)人信息并進(jìn)行通報(bào)的方式相比，該方式既保護(hù)了人們的隱私，也對(duì)其行為做出了警告。

2 行人安全過(guò)街智能系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)

2.1 請(qǐng)求過(guò)街功能的實(shí)施

對(duì)于“請(qǐng)求過(guò)街”按鈕，高度應(yīng)設(shè)置為1.2～1.5 m，以便于行人按下按鈕。當(dāng)監(jiān)測(cè)區(qū)的行人數(shù)達(dá)到系統(tǒng)放行指標(biāo)時(shí)，機(jī)動(dòng)車(chē)相位變?yōu)辄S燈，當(dāng)機(jī)動(dòng)車(chē)全部通過(guò)人行道后，黃燈變?yōu)榧t燈，此時(shí)系統(tǒng)切換至行人相位。在最后一批行人都進(jìn)入人行道后，入口閘門(mén)關(guān)閉；當(dāng)行人全部完成過(guò)街后，出口閘門(mén)關(guān)閉。若監(jiān)測(cè)區(qū)長(zhǎng)時(shí)間無(wú)人等待，系統(tǒng)將持續(xù)處于機(jī)動(dòng)車(chē)相位。出于安全、天氣和技術(shù)的角度，需要定期測(cè)試和維修，使其在閘門(mén)的牢固性、防破壞性、防水防電等性能在惡劣的天氣下正常發(fā)揮[6]。

2.2 人臉識(shí)別技術(shù)的功能實(shí)現(xiàn)

當(dāng)系統(tǒng)得到人臉的圖像后，先對(duì)其進(jìn)行灰度處理，以減少光照影響。接著對(duì)圖像進(jìn)行縮放和旋轉(zhuǎn)，同時(shí)將整個(gè)人臉區(qū)域(有頭發(fā))從背景中切割。隨后從整個(gè)人臉圖像中，再次切割出四個(gè)子區(qū)域，包括：臉部(無(wú)頭發(fā))，眼睛，鼻子，嘴巴。

2.2.1 行人性別的劃分

為確定監(jiān)測(cè)區(qū)行人的性別，系統(tǒng)將提取出五處特征區(qū)域作為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，并采取多數(shù)投票法的方式進(jìn)行判定，如下式[7]：

(1)

當(dāng)E(X)=1時(shí)，表示結(jié)果為男，當(dāng)E(X)=-1時(shí)，表示結(jié)果為女。例如系統(tǒng)識(shí)別出三處特征為男，兩處為女，有imale>ifemale，即此人性別為男。

2.2.2 行人年齡的劃分

為確定行人的大致年齡，系統(tǒng)設(shè)定了3個(gè)判定區(qū)間：16～30歲，30～55歲及55歲以上。至于兒童群體，可視作成人協(xié)同過(guò)街，其速度不予考慮。在行人年齡的識(shí)別中，由于眼睛的特征對(duì)年齡的判定起了重要的作用，需提取出眼睛的圖像并對(duì)其進(jìn)行著重分析。此外，本系統(tǒng)還將利用提取Gabor小波特征的技術(shù)，進(jìn)一步地提高識(shí)別準(zhǔn)確率[8]。

2.3 行人數(shù)量的確定

通過(guò)采用統(tǒng)計(jì)行人像素點(diǎn)的方式確定監(jiān)測(cè)區(qū)的行人數(shù)量[9-10]，其工作流程如圖2所示。從已有的研究可知，像素是構(gòu)成圖像的基本元素。監(jiān)測(cè)區(qū)行人增加時(shí)，像素點(diǎn)隨之增加，當(dāng)像素點(diǎn)數(shù)量達(dá)到系統(tǒng)所設(shè)臨界值時(shí)，即可對(duì)行人進(jìn)行放行。

圖2 行人數(shù)量檢測(cè)流程圖

2.4 征信系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

為減少行人違章的情況，系統(tǒng)將對(duì)違章行人進(jìn)行抓拍。通過(guò)人臉識(shí)別的方式最終確認(rèn)此人身份。確認(rèn)身份后，系統(tǒng)將提交其違法記錄至行人過(guò)街系統(tǒng)并影響其芝麻信用評(píng)估。對(duì)于支付寶信用積分的扣除，采取周期制，一個(gè)周期結(jié)束后，扣分將清零。行人每違章一次，都將被扣除一定的信用積分，當(dāng)信用積分的扣除量達(dá)到臨界值后，該人將無(wú)法享受支付寶的便捷功能(例如共享單車(chē)的借貸，花唄借款額度，支付獎(jiǎng)勵(lì)金等)。最后，支付寶將通過(guò)短信或推送的方式告知行人違章的詳細(xì)信息。

3 行人安全過(guò)街智能系統(tǒng)參數(shù)的確定

3.1 行人相位時(shí)間參數(shù)的確定

3.1.1 行人步行速度的確定

如表1所示[11]，由于個(gè)體性別、年齡、出行目的的不同，對(duì)行人的步行速度造成了影響，如表2所示[12]，過(guò)街行人數(shù)量的多少也將給行人步行速度帶來(lái)偏差。

表1 中國(guó)行人步速統(tǒng)計(jì)表

表2 不同行人數(shù)量的過(guò)街速度

3.1.2 初始綠燈時(shí)間和單位綠燈時(shí)間的確定

由3.1.1可得行人步行速度和性別、年齡、數(shù)量有關(guān)，為計(jì)算初始綠燈時(shí)間和單位綠燈時(shí)間，根據(jù)HCM公式有如下行人過(guò)街模型[13]：

(2)

式中，Tp為行人過(guò)街時(shí)間，3.2為行人啟動(dòng)損失時(shí)間，L為人行橫道的長(zhǎng)度,Sp為行人步行平均速度，Nped指過(guò)街的人數(shù)，W為人行道的寬度。

3.1.3 行人過(guò)街極限綠燈時(shí)間的確定

為避免人流量較大時(shí)，行人多次按下“請(qǐng)求過(guò)街”的按鈕，導(dǎo)致機(jī)動(dòng)車(chē)道擁堵，系統(tǒng)設(shè)置了極限綠燈時(shí)間，即行人能延長(zhǎng)綠燈的最大時(shí)間。從已有的系統(tǒng)來(lái)看，極限綠燈時(shí)間可設(shè)定在40 s左右。

3.2 機(jī)動(dòng)車(chē)相位時(shí)間參數(shù)的確定

3.2.1 低峰時(shí)期機(jī)動(dòng)車(chē)綠燈極限時(shí)間的確定

考慮到低峰時(shí)期行人到達(dá)率較低，監(jiān)測(cè)區(qū)行人將長(zhǎng)時(shí)間達(dá)不到放行指標(biāo)。為防止行人等待時(shí)間過(guò)長(zhǎng)而違章過(guò)街[14]，在機(jī)動(dòng)車(chē)放行一段時(shí)間后，系統(tǒng)應(yīng)切換至行人相位。對(duì)于機(jī)動(dòng)車(chē)放行的最大時(shí)間如下式[3]：

Gvmax≤dpmax

(3)

式中，dpmax為行人過(guò)街的等待閥值，時(shí)間應(yīng)控制在60 s左右。當(dāng)?shù)谝粋€(gè)行人出現(xiàn)在監(jiān)測(cè)區(qū)后，檢測(cè)器開(kāi)始計(jì)時(shí)，檢測(cè)器讀數(shù)即為行人的等待時(shí)間。

3.2.2 高峰時(shí)期車(chē)輛放行最小時(shí)間的確定

考慮到高峰時(shí)期行人到達(dá)率較高，監(jiān)測(cè)區(qū)行人在停留車(chē)輛未全部放行完畢時(shí)，就達(dá)到了放行指標(biāo)。有必要設(shè)置機(jī)動(dòng)車(chē)最小綠燈時(shí)間，計(jì)算公式如下[3]：

(4)

式中，Gpmin為行人過(guò)街最短綠燈時(shí)間，qv為機(jī)動(dòng)車(chē)高峰流量,S為機(jī)動(dòng)車(chē)飽和流量。

在行人流量較大時(shí)，若機(jī)動(dòng)車(chē)道發(fā)生擁堵，系統(tǒng)應(yīng)給予機(jī)動(dòng)車(chē)最大放行時(shí)間(參考3.1.3)。在給予最大放行時(shí)間后，如果機(jī)動(dòng)車(chē)仍未放行完畢，系統(tǒng)應(yīng)切換至行人相位。

3.3 過(guò)渡信號(hào)時(shí)間的確定

由于系統(tǒng)所給的計(jì)算結(jié)果為行人的平均速度，因此，部分行人(補(bǔ)：例如行走不便的中老年人)在系統(tǒng)給予的放行時(shí)間內(nèi)無(wú)法完成過(guò)街，此時(shí)有必要設(shè)置過(guò)渡信號(hào)。本系統(tǒng)所設(shè)置的過(guò)渡信號(hào)分為三種：綠閃信號(hào)，黃閃信號(hào)和全紅信號(hào)。綠閃信號(hào)的作用是防止行人進(jìn)入人行道，對(duì)于已經(jīng)進(jìn)入人行道的行人，可以繼續(xù)通行。一般地，綠閃信號(hào)只在綠燈極限時(shí)間時(shí)才發(fā)揮作用[15]。本系統(tǒng)會(huì)根據(jù)行人性別與年齡相應(yīng)地調(diào)整綠閃時(shí)間，例如在放行時(shí)間即將結(jié)束時(shí)，請(qǐng)求過(guò)街的是老人，系統(tǒng)會(huì)提前進(jìn)入綠閃信號(hào)。黃閃信號(hào)燈用于提示行人過(guò)街注意觀(guān)望，確認(rèn)安全，時(shí)間設(shè)為3 s。全紅信號(hào)用于路口的清空，根據(jù)路口的寬窄統(tǒng)一設(shè)置為1～4 s。

3.4 不同時(shí)段效果圖的改進(jìn)

如圖6、圖7所示，兩圖函數(shù)均分為三段，從左到右分別對(duì)應(yīng)了理想情況下的低峰、平峰、高峰時(shí)間段行人數(shù)量和時(shí)間的關(guān)系。理想情況滿(mǎn)足以下條件：行人到達(dá)與放行均呈線(xiàn)性關(guān)系、已進(jìn)入斑馬線(xiàn)的行人全部完成過(guò)街、不考慮綠燈極限時(shí)間[16]。每段函數(shù)單調(diào)遞增區(qū)間代表機(jī)動(dòng)車(chē)相位，單調(diào)遞減區(qū)間代表行人相位。改進(jìn)之前,兩相位配時(shí)情況固定；在低峰時(shí)期，行人已全部完成過(guò)街且無(wú)后續(xù)行人到達(dá)，此時(shí)，系統(tǒng)仍處于行人相位，這將造成綠燈時(shí)間的浪費(fèi)。在高峰時(shí)期，監(jiān)測(cè)區(qū)行人還未放行完畢，系統(tǒng)已切換至機(jī)動(dòng)車(chē)相位，這將造成行人過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的等待。通過(guò)改進(jìn)，在低峰時(shí)期，當(dāng)行人等待時(shí)間將達(dá)到極限忍耐時(shí)間時(shí)，即使行人的數(shù)量還未達(dá)到放行指標(biāo)，系統(tǒng)也將放行。在高峰時(shí)期，行人數(shù)量較多，系統(tǒng)將相應(yīng)延長(zhǎng)放行時(shí)間但不超過(guò)極限綠燈時(shí)間(40 s左右)。

3.5 感應(yīng)控制信號(hào)配時(shí)的改進(jìn)

如圖3所示，通過(guò)改進(jìn)，在Gmin結(jié)束后不再預(yù)置單位間隔時(shí)間，可有效減少交通延誤(尤其是行人數(shù)量較少的情況)。另外，考慮到不同行人過(guò)街速度的不同，U與U之間長(zhǎng)度也不同。在現(xiàn)實(shí)生活中，往往前一批行人還未完成過(guò)街(即Gmin或U未結(jié)束)，但是后續(xù)行人又按下“請(qǐng)求過(guò)街”的按鈕，就會(huì)產(chǎn)生圖中的重疊部分(v1,v2,vi,vn)。行人過(guò)街的頻率越高，重疊部分越大；反之，行人過(guò)街的頻率越低，重疊部分越小。若在Gmin或U結(jié)束后仍未出現(xiàn)重疊部分，則宣布行人相位結(jié)束。

圖3 系統(tǒng)感應(yīng)控制效果

4 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)上述設(shè)計(jì)，當(dāng)過(guò)街行人數(shù)量達(dá)到放行指標(biāo)時(shí)，閘門(mén)自動(dòng)打開(kāi)放行；后續(xù)到達(dá)的行人，只需按下“請(qǐng)求過(guò)街”的按鈕，即可延長(zhǎng)綠燈時(shí)間；同一時(shí)刻，系統(tǒng)將根據(jù)人臉識(shí)別這一子系統(tǒng)得出具體的行人放行時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)配時(shí)。這種方式給予了行人自主權(quán)，最大程度地減少了交通延誤。當(dāng)行人違章時(shí)，將對(duì)其進(jìn)行抓拍并傳輸?shù)叫腥苏餍畔到y(tǒng)中；根據(jù)行人違章情況，扣除支付寶信用積分并降低信用卡借貸值。此外，行人可通過(guò)“行人過(guò)街查詢(xún)”查詢(xún)違章的具體信息并完成罰款的繳納。因此，隨著現(xiàn)代科技的飛速發(fā)展，相信這種實(shí)用性與智能性相結(jié)合的系統(tǒng)將得到廣泛運(yùn)用。