德州學院能源與機械學院 徐浩然 崔勝 靳繼全 孫逢宇 李翠華

前言

交通信號燈在城市交通系統(tǒng)中發(fā)揮著非常重要的作用，但隨著私家車數量的急劇增加，加上道路資源有限，使得傳統(tǒng)的紅綠燈系統(tǒng)難以解決當前城市面臨的交通擁堵問題。某一段時間內，由于交通需求的增加，通過道路中的某條路段或交叉口的總的車流量大于道路的交通容量（路段或交叉口的通行能力）時，導致道路上的交通流無法暢行。固定化的信號燈配時系統(tǒng)不能針對實時變化的車流量做出相應的顏色變換，導致車輛堆積，造成路口交通堵塞，同時也增加了尾氣的排放。因此，本文提出基于機器視覺的智能紅綠燈系統(tǒng)，對路口交通狀況進行實時監(jiān)控，根據路口車輛的變化，對信號燈進行實時調整，以達到緩解道路擁擠、提高道路通暢度、減少汽車尾氣排放的目的。

1 系統(tǒng)邏輯流程圖（見圖1）

圖1 系統(tǒng)邏輯流程圖

2 系統(tǒng)功能的實現(xiàn)

利用原本安裝在紅綠燈旁的攝像頭對來車路面進行拍照，每兩秒向后臺服務器傳送一次圖片數據[1]，后臺服務器對收到的圖片信息進行實時分析和圖片識別處理。該系統(tǒng)利用OpenCV圖像處理系統(tǒng)，對圖片進行圖像二值化、邊緣檢測處理。在不同天氣、不同時間、不同光照情況下，路面顏色會存在一定差異，故利用模糊算法對馬路顏色特征值進行提取，然后與系統(tǒng)給出的大量無車馬路顏色照片特征值進行比對，從而判斷出此時路面是否存在車輛。系統(tǒng)通過對圖片特征值的提取和分析，實現(xiàn)了對道路車輛有無的判斷，并通過與綠燈方向有無車輛進行比對，從而可以達到實時調整信號燈的顏色的目的。利用此系統(tǒng)，可以使人們在保證安全的前提下盡快通過路口，減小交通壓力，提高道路通暢度，并減小對環(huán)境的污染。如圖2 所示，當南北方向為綠燈且無車輛等待、東西方向為紅燈且有車輛等待時，這時系統(tǒng)將根據對路面車輛的檢測，將南北方向綠燈轉換為紅燈，同時將東西方向紅燈轉換為綠燈（轉換時長不超過系統(tǒng)規(guī)定的時長）。當南北方向為綠燈且有車輛通過時，系統(tǒng)將不會做出改變。因此通過攝像頭對路口車輛的實時監(jiān)控，使信號燈進行相應的變化。

圖2 示意圖

3 機器視覺和圖像處理的方法

機器視覺是一門研究如何使機器“看見”，簡單來說，就是利用機器代替人眼來進行識別、跟蹤和測量[3]物體，然后再進一步對圖像進行處理的技術。如圖3 所示，機器視覺系統(tǒng)由光照系統(tǒng)（陽光、白熾燈等）、攝像機（CCD、CMOS）、圖像采集卡、服務器組成。本文基于機器視覺對傳統(tǒng)紅綠燈進行改進，通過路口攝像機將道路圖片轉換成圖像信號，傳送給專門的圖像處理系統(tǒng)，通過分析和處理，得到道路圖片的形態(tài)信息，再根據像素分布、亮度和顏色等，將其轉換為數字信號。圖像處理系統(tǒng)對這些信號進行各種運算來抽取目標特征，判斷出路口道路上的車輛信息，從而改變信號燈的顏色。

本文介紹一種基于OpenCV 的圖像處理系統(tǒng)[4]。OpenCV 是一個基于BSD 許可發(fā)行的跨平臺計算機視覺庫，需要將其編譯成二進制的靜態(tài)庫和動態(tài)庫，才可以在IDE 下直接調用圖像函數處理。該圖像處理系統(tǒng)主要包括文件處理、圖像處理、形態(tài)學處理、領域處理、自定義閾值化、圖像變換等。將圖片信息輸入系統(tǒng)中后，開始進行圖像處理。首先對圖像進行預處理（灰度化，紅、綠、藍通道的提取，圖像二值化），然后運用各種算法如OSTU法、邊緣檢測等做進一步的處理。

圖3 機器視覺系統(tǒng)

4 可行性分析

（1）汽車在等待紅燈的過程中處于未熄火狀態(tài)，故其仍在耗油和排放汽車尾氣[2]。一般情況下家用轎車1.6 左右的排量，每百公里油耗在6～8L 左右，這里以每百公里的油耗為7L 進行計算。假設汽車在市區(qū)的行駛速度為40km/h-1，則每小時的油耗為2.8L。以當前油價為6 元/L 進行計算，當汽車在路口等待1 分鐘時，需油耗0.28 元。按照一個路口的車流量為6000 輛/天，每輛車的平均等待時間為1 分鐘進行計算，一個路口車輛等待需要消耗油費1680 元/天，一個城市按照40 個路口計算，全年將會超過2400 萬元的油耗。倘若使用該系統(tǒng)，全年至少節(jié)約支出2400 萬元，經濟效益十分可觀。

（2）已知：開車時的二氧化碳排放量（千克）=油耗公升數×2.3（基于 2006 年 IPCC《國家溫室氣體排放清單指南》），由（1）知等待1 分鐘需要油耗大約0.05L，假設一個路口的車流量為6000輛/天，每輛車平均等待1 分鐘時，二氧化碳排放量為300 千克，一個城市按照40 個路口計算，全年將會排放440 萬千克二氧化碳。假如使用該系統(tǒng)，全年至少減少440 萬千克的二氧化碳排放，有效減輕對環(huán)境的污染。

5 應用前景

據統(tǒng)計全國有近百萬的車輛，每輛車每天在路口堵塞時間超過半個小時，因路口堵塞所消耗的汽油可以達到十幾噸，因此通過智能紅綠燈系統(tǒng)解決道路路口擁堵問題，來達到節(jié)能減排的效果是必不可少的，是現(xiàn)代社會的發(fā)展趨勢。機動車輛的急劇增長與有限的城市道路現(xiàn)狀之間的矛盾越來越突出。另據統(tǒng)計機動車尾氣排放已成為城市大氣的主要污染源。目前在我國一些大城市中機動車污染物排放占大氣污染物的比重在60%左右。因此，加大智能交通建設力度，最大限度地挖掘道路資源潛力，節(jié)約能源，降低排放，從而發(fā)揮城市路網的整體效益成為必然選擇。

6 結語

基于機器視覺的智能紅綠燈系統(tǒng)，對解決城市道路交通擁擠、提高道路通暢度、節(jié)能減排方面具有一定的意義。從全球形勢來看，智慧城市與智能交通建設已是大勢所趨，智能紅綠燈及其他智能交通系統(tǒng)的研發(fā)與部署也在快速推進。在人工智能、自動駕駛加快走向商業(yè)化的背景下，智能紅綠燈有望成為人工智能技術重要的應用場景，未來市場前景十分廣闊。本設計在原有紅綠燈系統(tǒng)基礎上改動相對較少，安裝方便，具有較好的實用性，具有實際推廣的價值。