張紹秋

（中鐵建發(fā)展集團(tuán)有限公司）

1 引言

我國城市交通具有典型的混合組成特性，但行人與車輛在路權(quán)分配和競爭中，行人往往處于劣勢，多是由于交通沖突和行人出行的特征和規(guī)律造成的[1]，這樣不但影響交通流的順暢通行，還對行人造成安全隱患。行人出行的特征和規(guī)律與道路、交叉口、周邊生活環(huán)境有強(qiáng)關(guān)聯(lián)性[2,3]，因此米曉越等[4]人針對情況較為復(fù)雜的混合交通環(huán)境，設(shè)計(jì)出了信號路口行人過街系統(tǒng)；楊艷等[5]根據(jù)行人等待和通行的特點(diǎn)，研發(fā)了行人過街信號檢測安全裝置；尤偉軍[6]從多源觸發(fā)角度，設(shè)計(jì)出了行人過街控制系統(tǒng)研究；馬旭光等[7]從實(shí)用性出發(fā)，設(shè)計(jì)出了一種基于視頻檢測的行人過街自適應(yīng)系統(tǒng)。上述研究從行人過街特性分析和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)兩個角度進(jìn)行，推動了行人過街控制的研究和應(yīng)用，但沒有充分考慮到行人過街特性檢測和車輛檢測數(shù)據(jù)融合與分析和控制策略的設(shè)計(jì)問題，為此文章提出智能行人過街交通信號控制器設(shè)計(jì)與策略研究。

2 智能行人過街交通信號控制器系統(tǒng)構(gòu)成

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成

典型智能交通信號控制器的系統(tǒng)邏輯，由交通流采集、交通信號控制、信號配時方案輸出三大模塊構(gòu)成。交通流信息采集基于多種傳感器構(gòu)成的行人檢測器、車輛檢測器陣列完成交通流動態(tài)數(shù)據(jù)采集（見圖1）。采樣數(shù)據(jù)經(jīng)交通信號控制器邏輯處理算法后生成配時方案，完成交通信號燈控制實(shí)際路口運(yùn)行狀況。達(dá)到改善交通流運(yùn)行現(xiàn)狀的目的，合理組織、分流交通，構(gòu)建車路協(xié)同控制系統(tǒng)。達(dá)到預(yù)期期望控制效果，在保障行人安全基礎(chǔ)上，最大限度減少車輛延誤，提高道路通行能力?；诘湫椭悄芙煌ㄐ盘柨刂频南到y(tǒng)邏輯，設(shè)計(jì)智能行人安全過街智能交通信號器，其由交通流檢測模塊、控制模塊和輸出驅(qū)動模塊構(gòu)成，如圖2所示。

2.2 系統(tǒng)模塊與主要功能

圖1 智能行人安全過街智能交通信號器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2 智能行人安全過街智能交通信號器硬件主要模塊

如圖2所示，智能行人安全過街智能交通信號器通過基于總線技術(shù)組建數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)，完成車輛檢測、行人檢測以及控制信號輸出功能。采樣交通優(yōu)化控制算法，對交通流進(jìn)行控制。采用行人過街優(yōu)化控制算法，在無需求情況下始終給予需求方向通行權(quán)，提高道路通行效率和減少車輛延誤。

其主要模塊如下：

1）車輛檢測模塊

系統(tǒng)采用分時選通控制方式實(shí)現(xiàn)不同支路數(shù)據(jù)采集，進(jìn)行有效的抗干擾設(shè)計(jì)。頻率采樣通過對不同頻率信號等使用T/M法進(jìn)行精度測量。該模塊主要完成的功能為檢測道路車輛通行狀態(tài)信息。其中，在圖2a可以看到，它們包括了機(jī)動車車流量、時間占有率、瞬時車速等交通參量檢測。

2）行人檢測模塊：基于圖像處理技術(shù)完成對過街行人行為雙目識別檢測。完成對行人過街等待區(qū)域的行人等待檢測以及對行人過街區(qū)域的行人通行狀態(tài)檢測。當(dāng)有行人進(jìn)入等待區(qū)域后，通過行人檢測算法對攝像頭采集的視頻進(jìn)行分析，以確定行人是否有過街需求。并對過街行人流量、行人方向特征進(jìn)行分析。如圖2a所示。

3）信號控制模塊

采用ATLAR-FPGA平臺，利用其中的FPGA芯片，提供并行計(jì)算和萬級門電路規(guī)模，保障算法的執(zhí)行能力和穩(wěn)定性；通過高性能的內(nèi)核和Linux操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對控制邏輯的擴(kuò)展，在面向多種混合場景的交通流形態(tài)時，可靈活配置多種相位組合關(guān)系，如圖2b所示。

4）輸出驅(qū)動模塊

通過485總線信息傳輸方式完成控制模塊配時方案輸出顯示，對實(shí)際交通流進(jìn)行控制。其中，控制模塊具有自檢測功能，同時對輸出的信號也具有檢測功能。雙重沖突檢測機(jī)制，包括軟件沖突檢測及獨(dú)立的硬件沖突檢測機(jī)制，當(dāng)發(fā)現(xiàn)沖突或依從響應(yīng)錯誤時可自動啟動保護(hù)措施。如圖2c所示。

3 智能行人過街控制策略設(shè)計(jì)

為使過街行人安全、高效的通過交通樞紐，提高道路通行效率和減少車輛延誤。如圖3所示，設(shè)置三個行人過街檢測區(qū)域及兩個道路車輛檢測區(qū)，對交通沖突區(qū)域進(jìn)行檢測。深入研究該路段人行橫道信號控制，目標(biāo)是以機(jī)動車輛延誤與過街行人延誤的加權(quán)和達(dá)到最小，建立路段信號優(yōu)化配時模型。

通過對行人以及車輛通過情況的信息采集以及對其行為的預(yù)測，結(jié)合行人過街交通流基本特性（包括行人交通流速度特性、行人交通流力量特性、行人交通流參數(shù)關(guān)系等）進(jìn)行研究，同時分析通過車輛檢測器模塊傳回的車輛信息，運(yùn)用智能算法對信號燈進(jìn)行控制。通過控制策略達(dá)到信號機(jī)智能和最大程度保證行人安全的目標(biāo)。

結(jié)合車輛檢測模塊，分析車輛速度以及流量信息，預(yù)測車輛到達(dá)停車線處的時間，通過與行人檢測器的采集信息協(xié)同判斷是否存在交通沖突，對交通信號燈進(jìn)行智能控制。防止僅一個過街方向放行時間較長的情況發(fā)生。提高正常行駛車輛以及過街行人的通行效率。進(jìn)一步保障過街行人的通行安全。

3.1 檢測器布局及檢測對象

在行人過街路口安裝有交通信號燈及行人檢測裝置、車輛檢測裝置。通過采集人、車交通流運(yùn)行特征，經(jīng)協(xié)調(diào)感應(yīng)控制邏輯判斷處理后控制交叉口信號周期、綠信比，滿足行人安全過街需求，最大限度減少車輛延誤，提高道路通行能力。

1）行人檢測器

①安裝位置及數(shù)量：行人過街路口等待區(qū)；

②檢測區(qū)域：行人過街等待區(qū)、行人安全過街區(qū)、交通沖突區(qū)域檢測；

圖3 行人安全過街檢測

圖4 行人安全過街檢測

③檢測交通參量：行人的過街請求和過街狀態(tài)。并對行人的流量、步行速度、方向等交通參數(shù)進(jìn)行提取。實(shí)現(xiàn)對行人的檢測、識別、跟蹤。

2）車輛檢測器

①檢測區(qū)域：道路中機(jī)動車車道交通流；

②檢測交通參量：機(jī)動車流量、瞬時車速、時間占有率，預(yù)估排隊(duì)長度。

3.2 控制策略

1）行人過街交通行為特征分析

對行人過街檢測信息進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和挖掘，從行人到達(dá)規(guī)律、過街速度、起動時間、交通違法等方面出發(fā)，對路段過街的個體行人過街特性和人群過街特性進(jìn)行研究，并分析信號燈配時對行人過街交通行為的影響，應(yīng)用交通沖突分析方法，對影響行人過街安全的交通沖突進(jìn)行分析，提出交叉口行人過街安全可靠度計(jì)算方法。

2）行人過街需求判斷

行人檢測器通過對行人過街等待區(qū)行人流特征跟蹤、分析，判斷行人是否有過街需求。并對有過街需求的行人數(shù)目、方向進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

3）行人過街安全時間預(yù)估策略

行人過街結(jié)束判斷，解決由于缺乏有效行人過街檢測技術(shù)而帶來的行人過街綠燈空放問題。同時解決由于行人尚未安全通過而放行機(jī)動車帶來的行人安全問題。有效改善機(jī)動車以及行人的運(yùn)行條件，減少行人違法的發(fā)生，提高交通安全。

通過行人過街等待區(qū)人流信息及機(jī)動車車流信息動態(tài)感知，通過協(xié)調(diào)感應(yīng)控制技術(shù)輸出信號配時方案，控制信號燈周期、綠信比，滿足行人安全過街需求，最大限度減小車輛延誤，提高道路通行能力。

4）機(jī)動車及行人感應(yīng)協(xié)調(diào)控制

利用雙車輛檢測節(jié)點(diǎn)完成機(jī)動車流量、瞬時車速、時間占有率信息檢測；行人相位對通過車輛檢測器機(jī)動車數(shù)目累計(jì)，預(yù)估機(jī)動車排隊(duì)長度。通過車輛檢測器對機(jī)動車車速檢測，預(yù)估機(jī)動車達(dá)到路口時間，判斷當(dāng)前行人放行是否與下一時刻機(jī)動車到達(dá)路口存在交通沖突，若不存在交通沖突，則進(jìn)行交通信號相位正常切換，放行機(jī)動車。否則，延長行人綠燈時間，行人安全通過結(jié)束后放行機(jī)動車，保障了行人過街的安全性和車流的順暢，如圖4所示。

4 實(shí)際測試與驗(yàn)證

利用園區(qū)內(nèi)部場地中的路段進(jìn)行實(shí)際測試與驗(yàn)證，如圖5所示。設(shè)置路段信號燈和智能行人過街交通信號控制機(jī)，采用雙目視覺進(jìn)行行人過街檢測，驗(yàn)證場景包括單人、多人、人和車等。結(jié)果表明，雙目視覺能夠準(zhǔn)確檢測行人的數(shù)量、運(yùn)動的速度，形成對行人運(yùn)動特性的分析結(jié)果，過街信號配時根據(jù)場景的不同動態(tài)調(diào)整，有效保障行人過街安全和車輛通行效率。

圖5 實(shí)際場地測試

5 結(jié)語

本文針對目前我國路段行人過街的專用交通信號控制智能化程度不高，尤其是行人和車輛的綜合檢測能力不足的問題，設(shè)計(jì)多目標(biāo)綜合檢測裝置，并基于檢測信息對行人過街交通行為及行人交通流運(yùn)行特征展開深入分析，設(shè)計(jì)智能行人過街交通信號控制器并研究行人過街優(yōu)化控制策略，并進(jìn)行實(shí)際場景的測試和驗(yàn)證。通過本文的研究，能夠減少行人交通違法行為發(fā)生、緩解道路交通擁堵、提高行人交通安全提供技術(shù)支撐。