齊保良,孫 悅,汪晴晴,藺玉璞

(山東建筑大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院,濟(jì)南 250101)

交叉口作為整個(gè)城市中路網(wǎng)節(jié)點(diǎn),具有事故多發(fā),極易造成交通擁堵的特性[1].紅燈停綠燈行,黃燈主要起緩沖、過(guò)渡作用,使得司機(jī)能夠平穩(wěn)通過(guò)交叉口.通常情況下當(dāng)前方向駛?cè)虢徊婵诘能?chē)輛在黃燈持續(xù)的時(shí)間內(nèi)基本能夠全部駛出交叉口,不會(huì)對(duì)下一方向駛來(lái)的車(chē)輛造成阻礙.然而交通系統(tǒng)是一個(gè)非線性系統(tǒng),一個(gè)細(xì)微的參數(shù)波動(dòng)都可能帶來(lái)“蝴蝶效應(yīng)”,具有強(qiáng)不確定性[2];惡劣天氣或交叉口發(fā)生交通事故時(shí),車(chē)輛行駛速度慢,當(dāng)前方向的車(chē)輛已經(jīng)越過(guò)停止線可以繼續(xù)前進(jìn)行駛,黃燈時(shí)間內(nèi)無(wú)法駛出交叉口,而下一方向的車(chē)輛由于綠燈已亮起,又涌進(jìn)交叉口,因此造成車(chē)輛在交叉口區(qū)域相互交叉纏繞、堵塞交通.目前,路口發(fā)生擁塞時(shí)經(jīng)常需要人工指揮交通,加重了交警的工作量,且指揮調(diào)度不及時(shí)工作效率低.本文在現(xiàn)有視頻處理算法[3-6]的基礎(chǔ)上,利用交叉口車(chē)輛的空間占有率及其行駛速度對(duì)路口的交通狀況進(jìn)行評(píng)估,研究平面交叉口交通堵塞情況下多方向紅燈運(yùn)行時(shí)間的自適應(yīng)算法,設(shè)計(jì)相應(yīng)控制系統(tǒng),根據(jù)交叉口道路交通擁堵情況自動(dòng)適時(shí)調(diào)度車(chē)輛通行,避免車(chē)輛堵塞道路平面交叉口.

1 路口紅綠黃燈切換邏輯

一般平面交叉路口(以下簡(jiǎn)稱(chēng)路口)主要分為東、西、南、北4 個(gè)方向,選取如圖1所示的平面交叉口作為研究對(duì)象.南北方向交通信號(hào)燈設(shè)為信號(hào)1,東西方向交通信號(hào)燈設(shè)為信號(hào)2,n1～n8 為參與路口交通的8 個(gè)車(chē)道.通常情況下路口的通行順序?yàn)?信號(hào)1 允許車(chē)輛通過(guò)→信號(hào)2 允許車(chē)輛通過(guò)→信號(hào)1 允許車(chē)輛通過(guò),依次循環(huán).

圖1 十字路口交通圖

圖2是交通癱瘓示意圖.特殊天氣、交通事故等特殊情況使得路口需要更多的時(shí)間基本清空擁塞在交叉口的車(chē)輛,如果不能及時(shí)將沖突方向的車(chē)輛排出,就會(huì)使得來(lái)自各個(gè)方向的車(chē)輛相互交叉纏繞,導(dǎo)致各個(gè)方向的車(chē)輛都無(wú)法通行,造成了資源浪費(fèi)、空氣污染、尾氣排放等等一系列后果.

圖2 交通癱瘓示意圖

發(fā)生擁堵時(shí),疏散交通示意圖如圖3所示,即由圖3(a)信號(hào)1 允許通行,切換到圖3(b)黃燈緩沖狀態(tài);若此時(shí)道路擁堵(如圖3(c)所示),信號(hào)1 的黃燈切換為紅燈,整個(gè)交叉路口4 個(gè)方向的交通燈都是紅燈,在此情況下,已經(jīng)駛過(guò)停止線的車(chē)輛可以繼續(xù)行駛,直至駛出交叉口;未駛過(guò)停止線的車(chē)輛則需要排隊(duì)等候.通過(guò)此方法,已經(jīng)駛過(guò)停止線的車(chē)輛以及正停留在交叉口的車(chē)輛可以駛出交叉口,實(shí)現(xiàn)在惡劣天氣下路口的清空,保證后續(xù)車(chē)輛能夠順暢通過(guò)路口.

圖3 疏散交通示意圖

如圖3(a)所示,南北直行方向?yàn)榫G燈,綠燈結(jié)束的同時(shí)黃燈點(diǎn)亮,黃燈的持續(xù)時(shí)間為2～3 s,起到過(guò)渡緩沖的作用.考慮到進(jìn)行路口擁塞狀況的判斷需要時(shí)間,因此綠燈結(jié)束的瞬間計(jì)算機(jī)讀取路口實(shí)時(shí)狀態(tài),計(jì)算機(jī)能夠在黃燈熄滅之前將路口狀況判斷完畢.計(jì)算機(jī)對(duì)獲取到的視頻圖像進(jìn)行處理,通過(guò)車(chē)速及路口車(chē)輛空間占有率檢測(cè)算法判定路口是否處于擁堵?tīng)顟B(tài),若處于擁堵?tīng)顟B(tài),則待黃燈結(jié)束后,將4 個(gè)方向的交通燈都設(shè)置為紅燈,交叉口的車(chē)輛利用這段時(shí)間駛出,直至計(jì)算機(jī)檢測(cè)到路口順暢,則將下一方向的紅燈切換為綠燈,整個(gè)路口的紅綠燈時(shí)長(zhǎng)恢復(fù)正?？刂七壿?若綠燈結(jié)束時(shí)計(jì)算機(jī)檢測(cè)得到路口順暢,則無(wú)需采取紅燈自適應(yīng)控制算法,待本方向黃燈結(jié)束后,下個(gè)方向的紅燈直接切換為綠燈.流程圖如圖4所示.

圖4 系統(tǒng)邏輯控制圖

當(dāng)路口所有交通燈都設(shè)置為紅燈時(shí),停滯在交叉口的車(chē)輛可駛出路口,而其他方向的車(chē)輛不得駛?cè)虢徊婵?所以擁塞在交叉口的車(chē)輛可及時(shí)駛出,達(dá)到疏散交通的目的.例如:圖5所示為信號(hào)1 綠燈結(jié)束的瞬間,計(jì)算機(jī)讀取路口車(chē)輛的平均車(chē)速度和路口空間占有率得知,該路口處于擁堵?tīng)顟B(tài),信號(hào)2 車(chē)輛的允許通行時(shí)間需要延遲.信號(hào)1 綠燈結(jié)束時(shí),信號(hào)1 燈即切換為黃燈,信號(hào)2 仍保持為紅燈(如圖6所示),若路口擁堵,則信號(hào)1 與信號(hào)2 均保持為紅燈,清空擁塞在交叉口的車(chē)輛(如圖7所示),直至讀取到計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù):當(dāng)路口各項(xiàng)參數(shù)在擁堵標(biāo)準(zhǔn)以下時(shí),信號(hào)1 保持為紅燈,信號(hào)2 由紅燈切換至綠燈,這樣即達(dá)到疏散交通的目的.

圖5 方向1 通行結(jié)束瞬間

圖6 信號(hào)1 的黃燈緩沖時(shí)間

圖7 路口交通燈均設(shè)置為紅燈

若路口不擁堵,則繼續(xù)執(zhí)行當(dāng)前系統(tǒng)先前的紅綠燈切換時(shí)間:方向1 的綠燈時(shí)間結(jié)束后,方向1 的交通燈由綠燈切換為黃燈,黃燈運(yùn)行2 s (根據(jù)路口需求可以適當(dāng)調(diào)整)之后再切換為紅燈;方向2 的交通燈則在方向1 黃燈時(shí)間結(jié)束之后,直接由紅燈切換為綠燈.

2 路口車(chē)輛擁堵檢測(cè)方法

本文綜合利用車(chē)速及車(chē)輛的空間占有率共同對(duì)路口的交通狀況進(jìn)行評(píng)估,采取的車(chē)速檢測(cè)算法重點(diǎn)關(guān)注感興趣區(qū)域內(nèi)車(chē)輛變化因而計(jì)算量小;由于車(chē)燈的圖像亮度大而對(duì)稱(chēng),故通過(guò)檢測(cè)車(chē)燈來(lái)檢測(cè)車(chē)輛準(zhǔn)確性高,且便于對(duì)視頻角度進(jìn)行校正,結(jié)合路口車(chē)輛的面積在整個(gè)路口中的占比,能夠更加準(zhǔn)確判定路口是否擁塞.

由于每條道路的設(shè)計(jì)服務(wù)水平是不同的,因此同樣的車(chē)速在快速路與普通道路上行駛,給司機(jī)帶來(lái)完全不同的駕駛體驗(yàn).為方便計(jì)算,將判定為擁堵的平面交叉口車(chē)速閾值設(shè)置為v1,交叉口的占有率閾值設(shè)置為s1.采用車(chē)速、車(chē)輛在交叉口的占有率兩種參數(shù)綜合測(cè)評(píng)平面交叉口是否處于擁塞狀況.

當(dāng)車(chē)速較快時(shí)(大于v1),占有率高說(shuō)明此時(shí)有很多車(chē)輛快速通過(guò)路口,占有率低說(shuō)明有少數(shù)車(chē)輛以較快速度通過(guò)路口,這兩種情況下,由于平均車(chē)速較快,因此路口順暢,不必對(duì)多方向紅燈運(yùn)行時(shí)間進(jìn)行干預(yù);當(dāng)車(chē)速較慢,且路口車(chē)輛的占有率較大(大于s1)時(shí),說(shuō)明路口有大量的車(chē)輛擁塞在路口,需要及時(shí)疏通;當(dāng)車(chē)速較小且占有率較小的情況下,說(shuō)明有較少車(chē)輛在路口低速行駛,這種狀況稱(chēng)之為緩行,由于路口并不擁塞,車(chē)輛能夠利用黃燈緩沖時(shí)間駛出交叉口,因此無(wú)需對(duì)其進(jìn)行疏導(dǎo).及時(shí)疏導(dǎo)路口車(chē)輛的關(guān)鍵在于準(zhǔn)確而快速的判斷路口的車(chē)速以及路口車(chē)輛的空間占有率.

2.1 基于視頻的車(chē)速檢測(cè)

現(xiàn)階段車(chē)速檢測(cè)的方法有雷達(dá)檢測(cè)、激光檢測(cè)、感應(yīng)線圈法等.這些專(zhuān)業(yè)設(shè)備安裝工作量大且維護(hù)成本高.基于視頻的車(chē)速檢測(cè)算法安裝簡(jiǎn)易,檢測(cè)精度滿足系統(tǒng)的要求,且安裝的攝像機(jī)同時(shí)可用于交通違法拍照等用途,能充分利用其性能.

檢測(cè)車(chē)速的基本步驟:

(1)選擇某一幀視頻圖像幀,檢測(cè)車(chē)輛位置.

(2)按照一定間隔取出下一幀視頻圖像幀,檢測(cè)對(duì)應(yīng)車(chē)輛位置.

(3)把車(chē)輛移動(dòng)的距離從圖像坐標(biāo)映射到世界坐標(biāo)[7],得到車(chē)輛實(shí)際移動(dòng)的距離.

(4)已知相鄰幀的時(shí)間間隔以及車(chē)輛位移,則當(dāng)前車(chē)速可求當(dāng)前速度.

2.1.1 實(shí)時(shí)測(cè)速的難點(diǎn)

(1)找到視頻中對(duì)應(yīng)的塊或?qū)?yīng)點(diǎn).找到對(duì)應(yīng)的塊或點(diǎn)才能得到車(chē)輛移動(dòng)圖像上的距離,從而映射到實(shí)際世界坐標(biāo)中,計(jì)算當(dāng)前車(chē)速.如何在視頻幀中找到合適的對(duì)應(yīng)塊可以在對(duì)應(yīng)幀中實(shí)現(xiàn)跟蹤定位是一個(gè)難點(diǎn).

(2)定位到塊的時(shí)效性.定位到對(duì)應(yīng)塊的算法計(jì)算量小,才能滿足測(cè)試運(yùn)動(dòng)車(chē)輛實(shí)時(shí)速度的要求.在視頻的視野范圍內(nèi),車(chē)速非?？斓能?chē)輛出現(xiàn)的時(shí)間約20～30 ms,只有減少計(jì)算量才能實(shí)現(xiàn)較好的定位效果.

(3)車(chē)道傾斜角度的矯正.實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中,攝像頭的拍攝角度不完全是垂直車(chē)道線的,會(huì)有一定的角度偏差,因此需要對(duì)此進(jìn)行角度補(bǔ)償[7-9].

2.1.2 車(chē)燈定位算法

視頻測(cè)速的關(guān)鍵在于對(duì)應(yīng)塊的定位,先驗(yàn)知識(shí)(車(chē)燈、紋理、陰影、以及其他幾何特征)對(duì)于車(chē)輛的定位是非常有用的提示.由于車(chē)燈包含的信息量大,且具有天然的對(duì)稱(chēng)性,因此利用車(chē)燈作為塊去跟蹤,能夠滿足車(chē)速檢測(cè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求.根據(jù)大量樣本圖形分析,車(chē)燈區(qū)域有以下特點(diǎn):

(1)兩幀圖像的車(chē)燈區(qū)域一般都是對(duì)稱(chēng)的.

(2)相對(duì)于路面和車(chē)身而言,車(chē)燈部分亮度較大.

(3)車(chē)燈對(duì)應(yīng)塊在視野的上下方向運(yùn)動(dòng),對(duì)豎直方向偏斜比較小.

利用車(chē)燈這些優(yōu)良特征,有利于提高搜索對(duì)應(yīng)塊的準(zhǔn)確率和效率.

2.1.3 視頻圖像預(yù)處理

(1)灰度圖轉(zhuǎn)換.將彩色圖像轉(zhuǎn)換為灰度圖,并進(jìn)行高斯平滑去噪聲.經(jīng)灰度轉(zhuǎn)換后的路口圖像圖像如圖8所示.

(2)感興趣區(qū)域劃分.交通視頻中存在很多交叉口之外的圖像信息,并且對(duì)于監(jiān)控視頻而言所拍攝到的車(chē)道方向是固定不變的.為降低算法計(jì)算量,人為標(biāo)定車(chē)道線,如圖9所示.在圖中標(biāo)定平面交叉口的點(diǎn)A、B、C,則交叉口的一條邊界的直線方程為ax+by+p=0,系數(shù)a,b,p分別是:

圖8 灰度轉(zhuǎn)換后圖像

圖9 感興趣區(qū)域劃分

另外3 條路口邊緣線以及車(chē)道線的延長(zhǎng)線,在平面交叉口中的坐標(biāo)表示方法的約束方程同理可求.4 條線圍成的區(qū)域即是感興趣區(qū)域.

2.1.4 感興趣區(qū)域內(nèi)車(chē)速檢測(cè)算法

由于車(chē)速檢測(cè)算法既要獲得車(chē)輛的準(zhǔn)確速度,又要在較短的時(shí)間內(nèi)完成視頻內(nèi)車(chē)燈的定位,根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析視頻幀間隔2～3 幀較好.平面交叉口即為感興趣區(qū)域.在感興趣區(qū)域內(nèi)可能會(huì)出現(xiàn)有多輛車(chē)輛駛?cè)?會(huì)造成車(chē)燈帶定位的誤差.因此從圖像的底部開(kāi)始檢測(cè)車(chē)燈,當(dāng)檢測(cè)到有車(chē)燈帶存在時(shí),不繼續(xù)檢測(cè),每幀圖像只有一個(gè)車(chē)燈帶,車(chē)輛在圖像上的移動(dòng)距離如圖10所示.

圖10中,z為車(chē)燈帶寬度,分別對(duì)在兩幅圖像中的車(chē)燈位置相減得到移動(dòng)的距離x,對(duì)應(yīng)的時(shí)間間隔t,則圖像上的移動(dòng)速度vt如式(3)所示.

單位為:像素/s.t=(前一幀處理幀幀數(shù)－當(dāng)前處理幀幀數(shù))/幀率.其中處理幀數(shù)及幀率都已知,t可求.用于判定路口是否擁堵的v1是是將此時(shí)路口多輛車(chē)的速度vtn取算術(shù)平均的結(jié)果,用算術(shù)平均取代某一固定值,v1更具有代表性.

圖10 車(chē)輛在圖像上的移動(dòng)距離

圖9所選取的3 點(diǎn)A,B,C為等距離選取.圖像中3 點(diǎn)A、B、C實(shí)際距離相等,通過(guò)實(shí)測(cè)得到實(shí)際距離為6 m.攝像機(jī)在對(duì)平面交叉口進(jìn)行標(biāo)定時(shí),將車(chē)道線延長(zhǎng)至整個(gè)平面交叉口.圖中A,B,C所在的直線為左二車(chē)道的延長(zhǎng)線,根據(jù)這些條件推導(dǎo)距離.推導(dǎo)過(guò)程如圖11所示.

圖11 由圖像距離推算至實(shí)際距離

EJ和FL輔助線與直線AD平行,O點(diǎn)是攝像機(jī)的焦點(diǎn).A,B,C所對(duì)應(yīng)的是實(shí)際路面的3 點(diǎn)H、G、F,其中FG=GH=6 m.在兩幀圖像中利用車(chē)燈對(duì)應(yīng)塊定位對(duì)應(yīng)具體位置.只要把x轉(zhuǎn)換到實(shí)際世界坐標(biāo)中,進(jìn)行攝像機(jī)標(biāo)定即可.實(shí)際車(chē)輛的運(yùn)動(dòng)軌跡是直線或者近似直線,因此文中利用攝像機(jī)的透視關(guān)系,推導(dǎo)出攝像機(jī)的圖像坐標(biāo)與世界坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換關(guān)系式.利用三角形相似,對(duì)應(yīng)邊成比例可以幾何求解計(jì)算出視頻圖像中的像素距離DC所對(duì)應(yīng)的實(shí)際距離EF.

D在C點(diǎn)右側(cè)及A點(diǎn)左側(cè),D點(diǎn)在AB之間都有:

D點(diǎn)在B和C之間,有:

至此,可求出經(jīng)過(guò)平面交叉口的車(chē)輛的平均車(chē)速.

2.2 路口車(chē)輛空間占有率的計(jì)算方法

路口車(chē)輛空間占有率表示的是車(chē)輛占用的面積Sij與路口整體可用面積Ti的比率,公式如式(7)所示.比率越高說(shuō)明路口的車(chē)輛越多.

車(chē)輛空間占有率的計(jì)算步驟如下:

(1)當(dāng)新一幀圖像被讀入時(shí),先利用雙邊濾波進(jìn)行預(yù)處理,隨后進(jìn)行背景重構(gòu),在完成圖像背景提取與更新的同時(shí),選取待檢測(cè)的感興趣區(qū)域;

(2)提取感興趣區(qū)域中的車(chē)輛輪廓;

(3)形態(tài)學(xué)處理.將上述提取的車(chē)輛前景圖像進(jìn)行形態(tài)學(xué)處理,減少車(chē)體邊緣噪聲點(diǎn);

(4)利用式(7)即可求得路口空間占有率.

3 紅綠燈切換方法的實(shí)現(xiàn)

結(jié)構(gòu)系統(tǒng)框架如圖12所示,路口高清網(wǎng)絡(luò)數(shù)字?jǐn)z像機(jī)采集的圖像信息通過(guò)交換機(jī)上傳至計(jì)算機(jī)處理中心,計(jì)算機(jī)處理中心利用圖像處理軟件對(duì)圖像進(jìn)行分析處理之后,根據(jù)式(1)判定規(guī)則,判斷路口是否擁堵,是否需要將路口交通燈都設(shè)置為紅燈.計(jì)算機(jī)將控制指令通過(guò)以太網(wǎng)下發(fā)至交通燈控制器,控制器將信號(hào)下發(fā)給路口4 個(gè)方向的交通燈,實(shí)現(xiàn)疏散交通的目的.

圖12 系統(tǒng)硬件設(shè)備結(jié)構(gòu)圖

攝像機(jī)安裝在路口支架上,能夠監(jiān)控整個(gè)路口的實(shí)時(shí)路況.攝像機(jī)采集的視頻圖像信息通過(guò)以太網(wǎng)、接入交換機(jī)上傳至計(jì)算機(jī)處理中心.計(jì)算機(jī)處理中心設(shè)置于區(qū)域的中心機(jī)房?jī)?nèi).計(jì)算機(jī)處理中心將所獲得的數(shù)據(jù)利用上述基于圖像紋理的處理算法進(jìn)行處理,獲得路口車(chē)輛的空間占有率和最后一輛車(chē)距離當(dāng)前停止線的距離.根據(jù)此參數(shù)判斷路口是否需將整個(gè)路口的交通燈都設(shè)置為紅燈.計(jì)算機(jī)將判斷結(jié)果通過(guò)以太網(wǎng)下發(fā)至交通燈控制器,交通燈控制器的引腳連接控制著路口的交通燈.交通燈控制系統(tǒng)選用AT89C51單片機(jī)為主控芯片,該單片機(jī)體積小,功耗小,處理速度快,因此選用此單片機(jī)作為交通燈控制器.

3.1 硬件設(shè)備選型

前端信息采集:在平面交叉口路口安裝高清網(wǎng)絡(luò)數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng).高清網(wǎng)絡(luò)數(shù)字監(jiān)控設(shè)備拍攝的清晰度高,對(duì)各種環(huán)境影響都有過(guò)濾算法,尤其是惡劣天氣下,照片的清晰度等參數(shù)明顯優(yōu)于其他類(lèi)型攝像機(jī)的識(shí)別能力.攝像機(jī)采用POE 供電,攝像機(jī)將采集的信息經(jīng)網(wǎng)線、交換機(jī)上傳至計(jì)算機(jī).計(jì)算機(jī)將圖像信息上傳至數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行存儲(chǔ).攝像機(jī)的數(shù)量根據(jù)路口的大小合理安裝,球形攝像機(jī)的監(jiān)控半徑在20 m 左右,建議路口安裝3～5 個(gè)攝像機(jī)為宜.

交換機(jī)的選型:路口的攝像機(jī)種類(lèi)繁多,在此選用24 口接入交換機(jī)將攝像機(jī)接入到網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中,交換機(jī)與計(jì)算機(jī)處理中心之間通過(guò)以太網(wǎng)通信.

計(jì)算機(jī)處理中心:計(jì)算機(jī)處理中心通過(guò)對(duì)路口圖像的處理,做出是否將紅燈時(shí)長(zhǎng)延長(zhǎng)的判斷.計(jì)算機(jī)選用的是CPU 型號(hào)為i7-8550u,速度為2.53 GHz 的圖像處理計(jì)算機(jī),處理速度能夠滿足系統(tǒng)的要求,由此來(lái)完成圖像處理工作.視頻的采樣頻率設(shè)置為25 幀/s.

交通燈控制系統(tǒng):交通燈控制芯片選用AT89 C51單片機(jī),外接外部電路,單片機(jī)控制系統(tǒng)控制著一個(gè)路口的交通燈時(shí)長(zhǎng).單片機(jī)通過(guò)導(dǎo)入.hex 文件,與Keil 進(jìn)行聯(lián)調(diào),仿真實(shí)驗(yàn)證明該布線方案與軟件編程方案可行.

路況信息管理數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì):攝像機(jī)采集的圖像信息經(jīng)計(jì)算機(jī)處理之后,將被存儲(chǔ)到路況信息管理數(shù)據(jù)庫(kù).路況信息管理數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)的信息包括:時(shí)間、車(chē)輛占路口面積的百分比、統(tǒng)計(jì)意義下的車(chē)速、車(chē)牌號(hào)、車(chē)輛顏色、車(chē)輛進(jìn)入交叉口時(shí)間、駛出交叉口時(shí)間等信息.我們選用開(kāi)源的最常用的MySQL 數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)來(lái)建立一個(gè)路況信息管理數(shù)據(jù)庫(kù).用create databases trafficinformation 語(yǔ)句創(chuàng)建一個(gè)名字為trafficinformation 的數(shù)據(jù)庫(kù);再用create table carinformation語(yǔ)句創(chuàng)建一個(gè)名字為carinformation 的表.表格中有時(shí)間、車(chē)輛占路口百分比、車(chē)速、車(chē)牌號(hào)、車(chē)輛顏色等字段,車(chē)輛的信息存儲(chǔ)于此,管理員可以查看后臺(tái)數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)處理,日常情況下計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)采集的信息進(jìn)行分析處理,判斷路口的通行狀況,及時(shí)作出優(yōu)化方案.

3.2 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件流程圖如圖4所示.若路口沒(méi)有意外情況發(fā)生,則系統(tǒng)將持續(xù)對(duì)綠燈是否結(jié)束進(jìn)行判斷.若綠燈結(jié)束,則判斷路口是否擁堵,若綠燈沒(méi)有結(jié)束,則返回持續(xù)對(duì)綠燈的運(yùn)行狀況進(jìn)行判斷,直至綠燈結(jié)束.若路口擁堵,則啟動(dòng)紅燈運(yùn)行時(shí)間自適應(yīng)算法,將整個(gè)路口的交通燈都設(shè)置為紅燈,再去判斷路口的交通情況,直至路口不再擁塞,則將下一方向的交通燈設(shè)置為綠燈,系統(tǒng)再去判斷綠燈結(jié)束之后路口的交通狀況.這樣,無(wú)論是哪個(gè)方向的綠燈,只要是綠燈結(jié)束,本系統(tǒng)就對(duì)路口的交通狀況進(jìn)行檢測(cè)判別,實(shí)現(xiàn)了對(duì)路口全天候的監(jiān)控管理.

4 仿真模擬

首先在VB 中編寫(xiě)紅燈運(yùn)行時(shí)間自適應(yīng)算法程序,然后利用VB 和VISSIM 之間的接口對(duì)VISSIM 搭建的路網(wǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制.比較兩種控制方法下的路口車(chē)輛通過(guò)率.當(dāng)輸入的車(chē)輛數(shù)量較大時(shí),車(chē)輛在交叉口匯合時(shí)會(huì)產(chǎn)生交織,為了保證行車(chē)安全,部分車(chē)輛必須停車(chē),比較兩種方案下,在相同時(shí)間內(nèi)通過(guò)交叉口的車(chē)輛數(shù)目.首先建立仿真模型,將在CAD 中畫(huà)好的雙向四車(chē)道底圖(如圖1所示)作為仿真背景導(dǎo)入VISSIM,使用路段和鏈接器鏈接各進(jìn)口道與出口道道路.每個(gè)車(chē)道寬度為3.5 米,調(diào)節(jié)車(chē)速和車(chē)輛數(shù)量,得出在車(chē)速以及車(chē)輛數(shù)量不同的情況下,是否采用紅綠燈切換時(shí)間自適應(yīng)算法的情況下,相同時(shí)間內(nèi)通過(guò)的車(chē)輛數(shù)量.結(jié)果如表1所示.

表1 兩種紅燈運(yùn)行時(shí)間下通過(guò)路口車(chē)輛數(shù)目對(duì)比

表1從車(chē)速和車(chē)輛在路口的空間占有率(為便于統(tǒng)計(jì),占有率用每個(gè)進(jìn)口的車(chē)輛數(shù)量來(lái)表征)兩個(gè)參數(shù)的角度,比較了傳統(tǒng)的紅燈切換策略與紅燈切換時(shí)間自適應(yīng)算法下相同時(shí)間內(nèi)通過(guò)交叉口的車(chē)輛對(duì)比.仿真結(jié)果表明,當(dāng)路口較順暢時(shí),兩者的通行效率幾乎一致;當(dāng)車(chē)速慢且車(chē)輛增多時(shí),采取紅燈運(yùn)行時(shí)間自適應(yīng)算法的通行效率明顯高于傳統(tǒng)紅燈運(yùn)行時(shí)間算法.

5 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種擁堵?tīng)顟B(tài)下的紅綠燈切換時(shí)間配置策略.通過(guò)該策略,能夠大大提高在車(chē)輛在即將發(fā)生擁塞或者已經(jīng)擁塞時(shí)的通行效率.我們將攝像機(jī)錄制的圖像進(jìn)行圖像處理,計(jì)算出此時(shí)道路上車(chē)輛占整個(gè)道路的時(shí)間占有率以及車(chē)輛在路口中的速度,以此作為是否將整個(gè)路口的所有交通燈設(shè)置為紅燈的標(biāo)準(zhǔn).前端信息采集采用的是攝像機(jī),圖像處理與分析以及疏散策略由計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制.計(jì)算機(jī)將處理的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至路況信息管理數(shù)據(jù)庫(kù).該數(shù)據(jù)庫(kù)負(fù)責(zé)存儲(chǔ)路口的車(chē)輛多少、車(chē)牌號(hào)、車(chē)輛顏色等信息,便于管理員查看以及進(jìn)行數(shù)據(jù)分析.計(jì)算機(jī)通過(guò)圖像分析作出是否進(jìn)行紅綠燈切換時(shí)間干預(yù),相應(yīng)的判決信號(hào)由前向通道接口電路發(fā)送至單片機(jī),單片機(jī)控制路口各個(gè)交通燈的亮滅情況.實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析表明,在路口發(fā)生擁塞時(shí),該方法能夠大幅提高車(chē)輛的通行效率.在未來(lái)的工作中,可以考慮將紅綠燈切換策略由單點(diǎn)控制切換至區(qū)域控制,期望能更有效的減少惡劣天氣對(duì)交通的阻礙.