吳勁 嚴(yán)予甫 張晶晶

【摘要】針對交通運(yùn)輸課程的教學(xué)實(shí)際，本文設(shè)計(jì)了一種基于車流量動態(tài)配時的智能交通燈教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備，利用視頻檢測實(shí)時監(jiān)控道路的車流量，通過單片機(jī)將車流量參數(shù)進(jìn)行賦值處理，利用軟件算法進(jìn)行處理和模擬仿真，最后智能動態(tài)調(diào)節(jié)綠燈時間。本設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)對實(shí)際交通運(yùn)行狀態(tài)的模擬并且設(shè)計(jì)出符合各個交叉路口的交通燈配時方案。

【關(guān)鍵詞】教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備設(shè)計(jì)；動態(tài)配時；視頻檢測

現(xiàn)有的交通燈大多是采用固定配時的方案，如當(dāng)某個交叉路口東西方向?yàn)榧t燈且等待的車輛很多，而南北方向沒有車輛通行，但還按照原先設(shè)定的固定配時方案執(zhí)行，會造成這個交叉路口的交通擁堵，降低交通控制系統(tǒng)的運(yùn)行效率，嚴(yán)重浪費(fèi)交通資源以及造成環(huán)境污染。

如今的交通教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備同樣大部分是采用固定配時和分時段配時的控制方案，具有配時固定化的缺點(diǎn)，不利于高校對現(xiàn)代化交通工程專業(yè)應(yīng)用型專業(yè)人才的培養(yǎng)。

本文的基于車流量動態(tài)配時的智能交通燈教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備是以智能交通沙盤為模板，進(jìn)行教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的研制與開發(fā)，旨在培養(yǎng)學(xué)生掌握現(xiàn)代交通燈的控制與優(yōu)化技術(shù)，主要考慮以下幾個方面：①隨著智能交通技術(shù)的快速發(fā)展，要求在教學(xué)過程中融入更多智能交通的元素，培養(yǎng)學(xué)生具備智能交通設(shè)備的設(shè)計(jì)與優(yōu)化能力；②視頻檢測技術(shù)作為如今較為重要的識別檢測技術(shù)，如何將這門技術(shù)更加靈活地運(yùn)用在實(shí)際生活中；③智能動態(tài)配時方案能夠有效解決我國存在的交通擁堵問題，有利于節(jié)能減排，符合智慧城市的發(fā)展需求。

一、教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于車流量動態(tài)配時的智能交通燈教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的結(jié)構(gòu)框圖（如圖1所示），主要包括視頻檢測交通流量模塊、單片機(jī)和交通燈控制模塊。視頻檢測交通流量模塊包括有依次數(shù)據(jù)連接的視頻攝像機(jī)、視頻采集卡和圖像處理設(shè)備，視頻攝像機(jī)設(shè)置在道路上方，實(shí)時視頻檢測道路交通狀況。視頻采集卡獲取視頻攝像機(jī)檢測道路交通流量的視頻信號。圖像處理設(shè)備通過一系列圖像處理技術(shù)將交通圖像轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像，單片機(jī)根據(jù)圖像處理設(shè)備傳輸?shù)牡缆方煌髁康臄?shù)字圖像情況，利用軟件算法進(jìn)行處理和模擬仿真，實(shí)現(xiàn)智能動態(tài)控制計(jì)時顯示器和交通燈的不同工作狀態(tài)。

1.2視頻檢測交通流量模塊設(shè)計(jì)

本教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的視頻檢測交通流量模塊設(shè)計(jì)（如圖2所示），該模塊利用視頻處理技術(shù)對交通流量進(jìn)行檢測分析。視頻檢測在面對光照條件、車輛陰影的影響，都能夠精確檢測數(shù)據(jù)，可以實(shí)現(xiàn)對道路的全天候檢測控制。該模塊能通過設(shè)置在道路上方的視頻攝像機(jī)收集交通圖像，利用視頻采集卡以及圖像處理設(shè)備智能動態(tài)實(shí)時分析輸入的交通圖像，通過在交通圖像中虛擬劃定一個或者多個檢測區(qū)域。當(dāng)運(yùn)動目標(biāo)車輛通過檢測區(qū)域時，檢測區(qū)域內(nèi)的像素灰度值會發(fā)生明顯的變化，通過檢測區(qū)域的像素灰度值變化進(jìn)行識別計(jì)數(shù)，獲取所需要的交通流量數(shù)據(jù)。最后通過圖像處理設(shè)備對視頻圖像進(jìn)行圖像的預(yù)處理、圖像的代數(shù)運(yùn)算、圖像的閾值處理、二值圖像的形態(tài)學(xué)處理以及車輛的分割得到實(shí)施的車流量參數(shù)。

其中圖像的預(yù)處理是通過均值濾波、中值濾波以及winer濾波等方法有效降低采集圖像過程中的噪聲信息。圖像的代數(shù)運(yùn)算則是一種比較簡單和有用的加強(qiáng)處理方法。圖像的閾值分割可以去除圖像背景的影響，從而得到有目標(biāo)車輛信息的二值圖像。二值圖像的形態(tài)學(xué)處理的目的是為了進(jìn)一步去除噪音的影響，凸顯目標(biāo)車輛的信息。最后的車輛分割能夠準(zhǔn)確地得到目標(biāo)車輛的參數(shù)。收集到的交通圖像通過這一系列的圖像處理技術(shù)，便可以得到有效的車流量參數(shù)。根據(jù)車流量實(shí)時的改變，不斷進(jìn)行圖像的背景更新，實(shí)現(xiàn)基于視頻檢測的智能動態(tài)配時方案。

1.3交通燈控制模塊設(shè)計(jì)

本教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備采用單片機(jī)、計(jì)時顯示器、交通燈以及相應(yīng)的單元電路設(shè)計(jì)了交通燈控制模塊，該模塊可以實(shí)時地接收車流量參數(shù)，通過單片機(jī)的單元電路設(shè)計(jì)，智能動態(tài)地控制計(jì)時顯示器和交通燈來顯示通行狀態(tài)信息。交通燈控制模塊設(shè)計(jì)的硬件組成如圖3所示。

（1）單片機(jī)控制模塊

單片機(jī)與圖像處理設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)連接，通過接收圖像處理設(shè)備的數(shù)字圖像信息，對交叉口的車流量大小進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并執(zhí)行對應(yīng)的處理程序，以此實(shí)現(xiàn)智能動態(tài)配時的智能交通燈控制系統(tǒng)，達(dá)到根據(jù)目標(biāo)道路的車流量大小智能實(shí)時控制交叉口的車輛通行情況的目的。

單片機(jī)編程簡單，且具有運(yùn)行速度快、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。本教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備上的交通燈控制模塊采用單片機(jī)作為主控制器，是因?yàn)閱纹瑱C(jī)的中斷源能夠?qū)嚵髁繄?zhí)行定時中斷檢測；同時單片機(jī)具有充足的I/O口能夠驅(qū)動計(jì)時顯示器以及交通燈的顯示；單片機(jī)的T0，T1口能夠?qū)ν獠枯斎氲拿}沖進(jìn)行實(shí)時計(jì)數(shù)，這樣便能夠?qū)崿F(xiàn)根據(jù)車流量參數(shù)來智能動態(tài)調(diào)整計(jì)時顯示器以及交通燈的顯示信息。

（2）計(jì)時顯示器

本教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備中的計(jì)時顯示器采用數(shù)碼管與點(diǎn)陣LED燈相結(jié)合的方法。數(shù)碼管是一種可以顯示數(shù)字和其他信息的半導(dǎo)體發(fā)光器件，其原理是通過對數(shù)碼管不同的管腳輸入相對的電流使其發(fā)亮，從而顯示出數(shù)字。

考慮到實(shí)際教學(xué)情況以及方便學(xué)生觀看計(jì)時過程，本教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備將利用數(shù)碼管與點(diǎn)陣LED燈相結(jié)合的方式顯示計(jì)時器時間以及狀態(tài)信息。

（3）交通燈

本教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備中的交通燈具有分時段配時、手動配時、智能動態(tài)配時等多種工作方式，可根據(jù)設(shè)置不同的控制方案進(jìn)行調(diào)控。在教學(xué)過程中，可以實(shí)現(xiàn)根據(jù)不同的時間段設(shè)置不同的配時方案以及根據(jù)車流量的大小實(shí)現(xiàn)對交通燈的實(shí)時調(diào)控。

（4）單元電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

①單片機(jī)檢測車流量變量，當(dāng)南北方向車流量大于50輛/分，東西方向車流量小于25輛/分。執(zhí)行方案一：

南北方向亮綠燈，東西方向亮紅燈，倒計(jì)時60秒后，緊接著南北方向亮黃燈5秒，東西方向亮紅燈5秒；然后南北方向亮紅燈，東西方向亮綠燈，倒計(jì)時30秒后，東西方向亮黃燈5秒，南北方向亮紅燈5秒之后，重新進(jìn)行掃描。

②單片機(jī)檢測車流量變量，當(dāng)南北方向車流量大于100輛/分，東西方向車流量小于25輛/分。執(zhí)行方案二：

南北方向亮綠燈，東西方向亮紅燈，倒計(jì)時75秒后，緊接著南北方向亮黃燈5秒，東西方向亮紅燈5秒；然后南北方向亮紅燈，東西方向亮綠燈，倒計(jì)時15秒后，東西方向亮黃燈5秒，南北方向保持紅燈5秒之后，重新進(jìn)行掃描。

③單片機(jī)檢測車流量變量，當(dāng)南北方向車流量大于50輛/分，東西方向車流量大于50輛/分。執(zhí)行方案三：

南北方向亮綠燈，東西方向亮紅燈，倒計(jì)時60秒后，緊接著南北方向亮黃燈5秒，東西方向亮紅燈5秒；然后南北方向亮紅燈，東西方向亮綠燈，倒計(jì)時60秒后，東西方向亮黃燈5秒，南北方向保持紅燈5秒之后，重新進(jìn)行掃描。

【相關(guān)參數(shù)】

①交通流量：是指在某選定時間段內(nèi)，通過道路某一選定的地點(diǎn)、某一車道或某一斷面的交通實(shí)體數(shù)。

②參考時間：為了更精確地表示某路段的車流量，篩選出一個合適的的時間段作為參考值，即為參考時間。

③車流量：是指由單位時間內(nèi)通過某路段的車輛為標(biāo)準(zhǔn)，在一定的時間內(nèi)，某段道路點(diǎn)上所通過的車輛數(shù)。具體關(guān)系是：車流量=交通流量/參考時間（輛/分）。

二、教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的系統(tǒng)主要程序流程如圖4所示。在系統(tǒng)軟件進(jìn)行初始化之后，首先要對所測的車流量參數(shù)進(jìn)行賦初值，單片機(jī)判斷車流量參數(shù)，并執(zhí)行相應(yīng)的方圖4 系統(tǒng)主要程序流程圖案，同時可以顯示。采用指令冗余技術(shù)、軟件陷阱技術(shù)、軟件“看門狗”技術(shù)這幾種有效的軟件抗干擾方法，在單片機(jī)運(yùn)行混亂時，可使程序重入正軌，及時捕獲錯誤的中斷，減少出錯機(jī)率。除此之外，這樣的抗干擾方法還能有效防止失控的程序進(jìn)入“死循環(huán)”，穩(wěn)定了整個系統(tǒng)的運(yùn)行速率。

三、教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的仿真與調(diào)試

在實(shí)際教學(xué)過程中，將通過教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備以及仿真軟件進(jìn)行混合教學(xué)。主要利用Proteus電路分析與仿真軟件對該教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行仿真與調(diào)試，驗(yàn)證車流量檢測方案、系統(tǒng)軟件以及設(shè)備硬件的實(shí)用性以及功能性。通過各種方案的選擇以及仿真與調(diào)試，測出更多的數(shù)據(jù)從而得出詳細(xì)的仿真研究報(bào)告。為完善該教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備提供更多的技術(shù)方案。

根據(jù)實(shí)際教學(xué)需求，使用電腦仿真軟件可以彌補(bǔ)教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備不足的問題，硬件上可以利用學(xué)校現(xiàn)有的電腦機(jī)房，為學(xué)校節(jié)省可代替性的實(shí)驗(yàn)設(shè)備投資經(jīng)費(fèi)。利用仿真軟件進(jìn)行方案的仿真與調(diào)試同樣可以滿足教學(xué)需要。在實(shí)驗(yàn)過程中，每個學(xué)生可以根據(jù)自己的實(shí)際情況進(jìn)行練習(xí)，可單獨(dú)使用，不受時間和地點(diǎn)限制，能有效地增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，提高人才培養(yǎng)質(zhì)量。

4總結(jié)

在現(xiàn)代城市中，由于現(xiàn)有的路口交通燈大部分采用通常固定配時和分時段配時的控制方案，具有配時固定化的缺點(diǎn)，容易導(dǎo)致車流少的通行方向綠燈無車通行或車流量多的通行方向綠燈時間短，造成交通擁堵，同時產(chǎn)生大量的汽車尾氣污染，并導(dǎo)致能源浪費(fèi)。

本文的基于車流量動態(tài)配時的智能交通燈教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備是在廣東技術(shù)師范學(xué)院高度重視交通運(yùn)輸專業(yè)實(shí)踐教學(xué)條件的背景下研制開發(fā)的。該教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備既可以用在單個路口實(shí)現(xiàn)獨(dú)立的智能動態(tài)配時方案，也可以將多個路口組建為網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)某個區(qū)域或者某個城市的智能動態(tài)交通協(xié)調(diào)。同時，該教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的各模塊采用了全新的設(shè)計(jì)方案，能夠根據(jù)實(shí)際交叉路口的車流量情況，達(dá)到交叉路口交通燈智能動態(tài)配時方案的目的。該教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備有利于教師根據(jù)智能交通技術(shù)的發(fā)展對學(xué)生進(jìn)行深一層的教學(xué)與實(shí)踐，視頻檢測車流量的技術(shù)的引入也將進(jìn)一步深化學(xué)生對于智慧交通城市的概念以及了解智能交通對于今后社會建設(shè)的重要性，有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新實(shí)踐能力，提高交通運(yùn)輸專業(yè)應(yīng)用型人才的培養(yǎng)質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)

[1]田徑.基于車流量的交叉口信號燈控制系統(tǒng)研究[D].西安：長安大學(xué)，2012.

[2]沙躍兵.水污染源在線監(jiān)測儀遠(yuǎn)程計(jì)量檢定系統(tǒng)研制[D].浙江：浙江工業(yè)大學(xué)，2014.

[3]楊生虎.中職學(xué)校數(shù)控專業(yè)有效教學(xué)模式探討[D].浙江：浙江工業(yè)大學(xué)，2011.