馬旭光 王孟孟 劉廣磊

（華錄易云科技有限公司，江蘇 南京 211800）

0 引言

隨著城市化進(jìn)程的日益加快，機(jī)動(dòng)車保有量急劇上升的同時(shí)，城市居民的出行需求也在同步增加，而且路段行人與機(jī)動(dòng)車之間的沖突也愈來愈突顯[1]。與此同時(shí)，所帶來的交通安全隱患也給機(jī)動(dòng)車和行人帶來了困擾。路段過街行人作為道路交通中的弱勢群體，其過街時(shí)的安全保障成為當(dāng)下道路交通管理者的重點(diǎn)關(guān)注內(nèi)容。加強(qiáng)路段行人過街的管控措施與管理力度，重點(diǎn)研究不同類型城市路段行人過街設(shè)施及其服務(wù)特性，分析解決現(xiàn)有路段行人過街設(shè)施的主要問題，是當(dāng)前重要的研究方向[2-4]。目前交通行業(yè)內(nèi)，交叉口信號(hào)燈配時(shí)絕大部分采用固定配時(shí)的控制方式，難免會(huì)出現(xiàn)“中國式過馬路”現(xiàn)象，一方面增加了交通違法的行為，另一方面也帶來了較大的安全隱患。為了解決以上問題，緩解行人和車輛之間的矛盾，該文從“以人為本”的角度出發(fā)，研究了一種行人過街自適應(yīng)控制的方法，通過實(shí)時(shí)檢測等候的行人數(shù)量和行人等候時(shí)間，來輔助信號(hào)控制相位的自動(dòng)切換，從而優(yōu)化交通時(shí)間配置，有效降低事故發(fā)生概率，大幅提高交通資源和通行時(shí)間利用率。

目前行業(yè)內(nèi)交通信號(hào)配時(shí)控制方式主要有以下2 種。1）固定信號(hào)配時(shí)，信號(hào)控制方案按照定周期模式進(jìn)行，一個(gè)周期內(nèi)行人過街等待時(shí)間為固定值，如果等待時(shí)間與行人能夠忍受的等待時(shí)間有差距，將有一定概率出現(xiàn)行人闖紅燈的違法行為，對(duì)整體的通行效率和安全性造成影響。2）按鍵請求式信號(hào)配時(shí)，這一控制方式普遍應(yīng)用在路段行人過街設(shè)施當(dāng)中，過街行人通過觸發(fā)按鈕發(fā)出過街請求信號(hào)，信號(hào)控制機(jī)接收信號(hào)后完成相位轉(zhuǎn)換，這種方式提高了行人過街的安全性，不過針對(duì)較繁忙路段，這樣的控制方式會(huì)嚴(yán)重影響主路車輛的通行效率，增加路段的整體停等次數(shù)，將會(huì)給機(jī)動(dòng)車駕駛員造成困擾。同時(shí)，按鍵經(jīng)過長期使用，不可避免地將會(huì)出現(xiàn)一定程度的損壞，會(huì)增加后期的維養(yǎng)負(fù)擔(dān)。而且這種控制方式直接增加了行人間接接觸的概率，對(duì)傳染病的預(yù)防也產(chǎn)生了負(fù)面影響。

未來行人過街信號(hào)控制系統(tǒng)將向著人性化、智能化發(fā)展，目前已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)利用行人按鈕及時(shí)響應(yīng)行人過街需求，動(dòng)態(tài)改變配時(shí)方案。怎樣更好的根據(jù)實(shí)時(shí)變化的行人流量、車流量實(shí)現(xiàn)智能化動(dòng)態(tài)控制，科學(xué)調(diào)配機(jī)動(dòng)車和行人放行時(shí)間，使行人過街設(shè)施的通行效率最大化，是我們亟需解決的問題。

該文建立了一種基于視頻檢測的行人過街自適應(yīng)系統(tǒng)，可實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)檢測行人流量并實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)控制，靈活地給予機(jī)動(dòng)車和行人放行時(shí)間，使行人過街設(shè)施的通行效率最大化。

1 設(shè)計(jì)思路

路段行人過街信號(hào)控制方式可以選擇定時(shí)控制與感應(yīng)控制2 種，分別適用于不同的場景和用戶需求。

在平峰期，如普通工作日白天非上下高峰期或夜晚，路段行人過街的需求一般較小或波動(dòng)較大，為了避免出現(xiàn)定周期中綠燈空放的現(xiàn)象，減少頻繁切換行人相位對(duì)路段機(jī)動(dòng)車流造成的干擾，采用行人過街感應(yīng)控制方案，即在同時(shí)考慮行人忍耐時(shí)間及機(jī)動(dòng)車最小綠燈時(shí)間的基礎(chǔ)上，根據(jù)實(shí)時(shí)行人過街需求切換行人相位，否則將一直放行主路車流[5-6]。實(shí)時(shí)行人過街需求由前端檢測設(shè)備采集得到，該方案主推視頻采集等待行人流量，也可以根據(jù)交警需求采用行人過街按鈕采集行人過街請求。

在高峰期，路段行人過街需求和機(jī)動(dòng)車流量都較大且穩(wěn)定，行人過街信號(hào)控制需要考慮與上下游交叉口信號(hào)控制進(jìn)行協(xié)調(diào)，此時(shí)的主要問題在于避免由于機(jī)動(dòng)車在路段停車導(dǎo)致下游交叉口綠燈空放或車輛排隊(duì)溢出，應(yīng)采用定周期協(xié)調(diào)控制方案。由前期調(diào)研確定行人放行和清空時(shí)長，同時(shí)根據(jù)上下游交叉口信號(hào)配時(shí)方案得到路段信號(hào)控制周期及機(jī)動(dòng)車綠燈時(shí)長，盡可能優(yōu)先保證高峰期交通不擁堵，再保證行人的過街需求。

2 設(shè)計(jì)原則

按照“技術(shù)上先進(jìn)、使用上穩(wěn)定、升級(jí)方便、拓展性強(qiáng)”進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

2.1 技術(shù)先進(jìn)性

行人過街自適應(yīng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)該具有技術(shù)先進(jìn)性，所采用的技術(shù)和理念應(yīng)當(dāng)是交通行業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的，并且能夠代表或者影響行業(yè)未來的發(fā)展方向。在行人過街自適應(yīng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)注重挖掘目前各系統(tǒng)存在的問題和短板，充分借鑒、應(yīng)用國內(nèi)外的先進(jìn)技術(shù)和成功經(jīng)驗(yàn)，做到取其精華去其糟泊。在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上和設(shè)備選型上反復(fù)推演，最大限度地將這些代表行業(yè)發(fā)展趨勢的先進(jìn)技術(shù)有機(jī)地結(jié)合在一起，設(shè)計(jì)出一套性能優(yōu)異、應(yīng)用價(jià)值高的行人過街自適應(yīng)系統(tǒng)。系統(tǒng)整體具有較好的超前意識(shí)而不局限于目前的使用條件和規(guī)模。

2.2 穩(wěn)定性

行人過街自適應(yīng)系統(tǒng)是針對(duì)路段行人過街設(shè)施安裝部署的系統(tǒng)，充分考慮到室外惡劣環(huán)境下的設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測，同時(shí)兼顧當(dāng)前技術(shù)和交通管理部門管理工作的發(fā)展方向，盡量選用成熟的技術(shù)，減少系統(tǒng)的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，提升整體穩(wěn)定性。

2.3 易維護(hù)性

行人過街自適應(yīng)系統(tǒng)可接入交通設(shè)備運(yùn)維管理平臺(tái)，實(shí)時(shí)監(jiān)測和上傳前端設(shè)備的各項(xiàng)運(yùn)行指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)全方位的運(yùn)行監(jiān)測功能。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障或設(shè)備發(fā)生異常時(shí)將實(shí)時(shí)上報(bào)故障信息至管理平臺(tái)，由管理平臺(tái)提醒運(yùn)維管理人員及時(shí)安排維養(yǎng)人員進(jìn)行故障修復(fù)。同時(shí)，整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)的設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)較簡單，可分別對(duì)不同部分進(jìn)行維護(hù)，能有效降低維護(hù)難度和維護(hù)成本。系統(tǒng)采用的硬件和軟件均為成熟的技術(shù)產(chǎn)品，無須借助任何專用維護(hù)工具，無須對(duì)運(yùn)維人員進(jìn)行煩瑣的培訓(xùn)，降低了培訓(xùn)費(fèi)用，也節(jié)省了日常維護(hù)花銷。

2.4 可拓展性

系統(tǒng)核心架構(gòu)具有足夠的靈活性及清晰的分層、模塊化設(shè)計(jì)。針對(duì)不同的應(yīng)用場景和用戶需求可以靈活、快速地定制選配服務(wù)，及時(shí)響應(yīng)客戶需求。

系統(tǒng)靈活、開放的模塊化設(shè)計(jì)賦予了結(jié)構(gòu)上極大的靈活性，兼顧系統(tǒng)擴(kuò)展、升級(jí)以及可預(yù)見的管理模式調(diào)整。系統(tǒng)選用的軟硬件技術(shù)均具有開放性好、通用性強(qiáng)的特點(diǎn)，最大程度地提供了與其他交通管理系統(tǒng)連接的接口，以適應(yīng)交通管理業(yè)務(wù)不斷發(fā)展的需要，充分保護(hù)系統(tǒng)的長期投資。

3 系統(tǒng)架構(gòu)

路段行人過街信號(hào)控制系統(tǒng)由前端子系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)傳輸子系統(tǒng)以及后端管理子系統(tǒng)3 個(gè)部分組成，如圖1 所示。其中，前端系統(tǒng)采集行人過街?jǐn)?shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)傳輸至后端管理系統(tǒng)，并控制信號(hào)燈組狀態(tài)。后端管理系統(tǒng)接收前端系統(tǒng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，并將行人過街信號(hào)控制參數(shù)發(fā)送至前端系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)前端系統(tǒng)與后端管理系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸與交換。通過前端子系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)傳輸子系統(tǒng)及后端管理平臺(tái)的配合，實(shí)現(xiàn)對(duì)路段行人過街的信號(hào)控制與運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控，在確保行人過街安全的前提下，盡可能地提升主路機(jī)動(dòng)車的通行效率。其中，行人過街自適應(yīng)系統(tǒng)架構(gòu)如圖2 所示。

圖1 系統(tǒng)組成

4 系統(tǒng)功能

系統(tǒng)通過主動(dòng)采集行人過街需求實(shí)現(xiàn)行人過街信號(hào)燈的感應(yīng)控制，主要功能可概括為以下5 點(diǎn)。

4.1 主動(dòng)檢測等待過街行人功能

如果采用行人闖紅燈相機(jī)或人員密度相機(jī)方案，在相機(jī)中配置好檢測區(qū)域、交通信號(hào)控制機(jī)IP、端口后，相機(jī)可以每隔一定時(shí)間間隔（可設(shè)置）通過網(wǎng)絡(luò)將“設(shè)備ID、等待行人數(shù)量”等交通數(shù)據(jù)傳輸?shù)浇煌ㄐ盘?hào)控制機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)過街行人人數(shù)的主動(dòng)、精準(zhǔn)檢測，為智能化地信號(hào)配時(shí)提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。如果采用傳統(tǒng)的行人請求按鈕方案，按鈕在接收到行人請求后可以將信號(hào)通過I/O 口傳輸?shù)浇煌ㄐ盘?hào)控制機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)行人過街請求的監(jiān)測。

4.2 行人過街感應(yīng)信號(hào)控制功能

在路段行人過街需求較小或波動(dòng)較大的時(shí)段或場景下，為了避免出現(xiàn)定周期中綠燈空放的現(xiàn)象，減少頻繁切換行人相位對(duì)路段機(jī)動(dòng)車流造成的干擾，可以采用行人過街感應(yīng)控制功能，感應(yīng)控制邏輯步驟。

首先，未檢測到行人過街需求時(shí)，機(jī)動(dòng)車燈綠燈，行人過街紅燈。

其次，當(dāng)檢測到行人過街需求后，為了保證機(jī)動(dòng)車的必要通行時(shí)間，需要判斷機(jī)動(dòng)車是否到達(dá)最小綠燈時(shí)間。同時(shí)，如果機(jī)動(dòng)車最小綠燈時(shí)間設(shè)置過長，可能導(dǎo)致行人的等待時(shí)間過長。研究表明，當(dāng)行人等待時(shí)間超過最大等待時(shí)間后，行人闖紅燈的概率會(huì)大幅增加。因此，系統(tǒng)還需要判斷行人的等待時(shí)間是否到達(dá)最大等待時(shí)間。綜合考慮機(jī)動(dòng)車的通行效率和行人過街安全2 個(gè)因素，達(dá)到“機(jī)動(dòng)車的通行時(shí)間≥最小通行時(shí)間”或“行人等待時(shí)間≥最大等待時(shí)間中”的任一條件即需要觸發(fā)行人過街相位。

再次，執(zhí)行“行人放行延遲時(shí)間”，目的在于為機(jī)動(dòng)車相位由綠變紅提供安全間隔時(shí)間，機(jī)動(dòng)車信號(hào)燈會(huì)按照綠燈→綠閃→黃燈的順序改變狀態(tài)，行人信號(hào)燈保持紅燈狀態(tài)。然后，執(zhí)行完“行人放行延遲時(shí)間”后，交通信號(hào)控制機(jī)執(zhí)行行人綠燈相位，此時(shí)機(jī)動(dòng)車信號(hào)燈按照黃燈→紅燈的順序改變狀態(tài)，行人信號(hào)燈按照紅燈→綠燈改變狀態(tài)。之后，當(dāng)執(zhí)行完行人綠燈時(shí)間后，行人綠燈切換為行人綠閃，目的是保證已經(jīng)進(jìn)入人行橫道的行人安全到達(dá)另一側(cè)道路。綠閃時(shí)間根據(jù)行人過街速度、距離等參數(shù)計(jì)算后在配置客戶端進(jìn)行設(shè)定。

最后，行人過街綠閃相位放行結(jié)束后，即恢復(fù)主路通行，機(jī)動(dòng)車信號(hào)燈由紅燈→綠燈，行人信號(hào)燈由綠閃→紅燈，行人過街信號(hào)周期結(jié)束。如此循環(huán)往復(fù)，不斷檢測行人過街需求，滿足行人過街需求。

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)圖

4.3 基本行人過街定周期控制功能

一方面，當(dāng)路段行人過街需求較大且穩(wěn)定時(shí)，行人過街可設(shè)置為定周期控制方案。另一方面，當(dāng)前端行人檢測設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)可自動(dòng)降級(jí)到定周期控制，以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠運(yùn)行。

4.4 視頻監(jiān)控及錄像功能

高清攝像機(jī)能夠提供1 路高清視頻流，在不影響識(shí)別的前提下，對(duì)道路通行狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)視頻監(jiān)測和錄像，700萬像素的高清攝像機(jī)幀率可達(dá)到25 fps。

4.5 遠(yuǎn)程配置及維護(hù)功能

首先，系統(tǒng)支持在前端通過人機(jī)交互界面進(jìn)行現(xiàn)場配置和在中心進(jìn)行遠(yuǎn)程配置，能夠配置路段行人過街信號(hào)控制的相關(guān)參數(shù)，包括相位方案、綠信比、檢測器參數(shù)等。然后，系統(tǒng)支持遠(yuǎn)程監(jiān)控路段運(yùn)行狀態(tài)和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，實(shí)時(shí)顯示路段行人相位及機(jī)動(dòng)車相位執(zhí)行狀態(tài)。最后，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程重啟、復(fù)位、升級(jí)等遠(yuǎn)程維護(hù)操作。系統(tǒng)易用性和可維護(hù)性均較高。為了回歸人本主義，系統(tǒng)需要及時(shí)響應(yīng)行人的過街需求，保證行人的通行安全。與此同時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)效益最大化，該系統(tǒng)同步考慮機(jī)動(dòng)車的通行權(quán)，盡可能地減少行人過街對(duì)機(jī)動(dòng)車造成的干擾。該系統(tǒng)的核心部件為交通信號(hào)控制機(jī)、信號(hào)燈及行人密度檢測相機(jī)。根據(jù)行人密度檢測相機(jī)的視頻識(shí)別技術(shù)，實(shí)時(shí)檢測道路兩側(cè)等待區(qū)內(nèi)的行人數(shù)量和行人等待時(shí)間，并同步傳輸數(shù)據(jù)至交通信號(hào)控制機(jī)，交通信號(hào)控制機(jī)內(nèi)置算法綜合考慮路口的整體通行效率，判定是否執(zhí)行相位切換的請求，以此來尋求機(jī)動(dòng)車和行人雙方的最大效益，形成一套適合人車交通特性的路段行人過街自適應(yīng)控制系統(tǒng)。