黃艷華　習(xí)建軍　陳威　丁秀梅

摘 要：近年來(lái)，城市化進(jìn)程促進(jìn)了交通需求的快速增長(zhǎng)，大城市的機(jī)動(dòng)車數(shù)量正在不斷增加，這對(duì)交通體系建設(shè)提出了新的需求。在交通需求快速增長(zhǎng)的情形下，如何減緩城市道路負(fù)荷，解決交通堵塞、行車混亂等問(wèn)題，是擺在管理者面前的至關(guān)重要的問(wèn)題。文章為應(yīng)對(duì)城市交通管理的問(wèn)題，模型化分析交通信號(hào)燈智能控制設(shè)備的原理及應(yīng)用，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)嵌入式應(yīng)用改變信號(hào)燈時(shí)長(zhǎng)，同時(shí)為了應(yīng)對(duì)特殊情況，采取用軟件進(jìn)行遠(yuǎn)程控制信號(hào)燈，可以減緩交通擁堵，提高了管理效率。

關(guān)鍵詞：計(jì)數(shù)攝像頭;物聯(lián)網(wǎng);嵌入式;信號(hào)燈

中圖分類號(hào)：U491.51;TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-1064（2022）03--03

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2022.03.039

1 構(gòu)建智能交通信號(hào)燈模型

1.1 交通信號(hào)燈智能控制的研究意義

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市交通問(wèn)題越來(lái)越突出，人們?cè)絹?lái)越關(guān)注城市交通問(wèn)題。協(xié)調(diào)人、車、路三者的關(guān)系，促進(jìn)交通穩(wěn)定運(yùn)行，已經(jīng)成為交通管理部門迫切需要解決的重要問(wèn)題之一。城市交通控制管理系統(tǒng)是城市交通監(jiān)控管理系統(tǒng)中最重要的組成部分，用于城市交通中人流量和車輛數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、交通預(yù)測(cè)和交通信號(hào)燈控制，是交通疏導(dǎo)的重要管理系統(tǒng)[1]。因此，如何采用合理的交通控制方法，最大程度上利用城市高速交通道路，緩解主干道與匝道、城區(qū)及周邊地區(qū)的交通堵塞狀況，成為政務(wù)部門亟待解決的主要問(wèn)題，而交通信號(hào)燈是解決問(wèn)題的主要來(lái)源之一。

交通信號(hào)燈的出現(xiàn)，使得交通道路更加有秩序，社會(huì)更加文明，維系著道路與人之間的和諧。但城市道路的路線十分復(fù)雜，不易通過(guò)傳統(tǒng)的交通信號(hào)燈疏導(dǎo)車輛與行人的正常通行，最終容易造成交通擁堵。隨著經(jīng)濟(jì)、社會(huì)的發(fā)展，當(dāng)前的交通信號(hào)燈已經(jīng)不能滿足日益繁忙的交通狀況。如何改善交通信號(hào)燈以順應(yīng)時(shí)代的需求，讓交通信號(hào)燈適應(yīng)未來(lái)實(shí)際交通狀況，成為重要的研究課題。

1.2 交通信號(hào)燈智能控制的研究思路

目前，全國(guó)各地大多數(shù)城市采用的都是半自動(dòng)式的交通信號(hào)燈，紅燈綠燈的轉(zhuǎn)換間隔是固定的，且能夠自動(dòng)切換。交通信號(hào)燈通常由紅黃綠三色信號(hào)燈組成，傳統(tǒng)的信號(hào)燈無(wú)法智能切換和調(diào)控通行與禁止的時(shí)間間隔。但在實(shí)際道路監(jiān)測(cè)中，不同時(shí)刻不同道路的車流量和道路狀況是復(fù)雜而難以確定的，具有高度的隨機(jī)性，經(jīng)常受到人為、自然等不可控因素的影響。

采用定時(shí)控制的缺點(diǎn)非常明顯，容易造成道路時(shí)間的浪費(fèi)，降低通行效率。而其最大的缺陷就在于當(dāng)?shù)缆窢顩r發(fā)生變化時(shí)，例如節(jié)假日或惡劣天氣狀況下，道路狀況很有可能不能滿足行人與司機(jī)的真實(shí)需要，容易造成時(shí)間浪費(fèi)，甚至直接導(dǎo)致交通擁堵。

1.3 交通信號(hào)燈智能控制的系統(tǒng)模型

交通信號(hào)燈系統(tǒng)模型如圖1所示。

2 對(duì)智能交通信號(hào)燈的技術(shù)分析

2.1 道路之眼——攝像頭

客流技術(shù)攝像頭采用雙目客流計(jì)算，即使用兩個(gè)與人眼相似的相同計(jì)算機(jī)，并且兩個(gè)攝像頭獲得的圖像通過(guò)一系列計(jì)算獲得3D圖像。在雙目客流中，能夠獲得三維信息，例如人的身高信息，檢測(cè)到1 m～2 m高度的圖像，人臉大多數(shù)處在這個(gè)范圍，意味著能夠很容易獲取人的位置信息，人的數(shù)量也顯而易見(jiàn)，同時(shí)可以消除光線的干擾。

車輛計(jì)數(shù)系統(tǒng)攝像頭采用動(dòng)態(tài)策略檢測(cè)算法，可以將車輛分類檢測(cè)，通過(guò)軌跡跟蹤分析車輛，具有強(qiáng)大的車輛跟蹤計(jì)數(shù)功能。通過(guò)攝像頭精確識(shí)別車輛的位置信息，然后分析和估計(jì)運(yùn)動(dòng)軌跡，并根據(jù)該軌跡中包含的汽車的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算，可以準(zhǔn)確檢測(cè)和計(jì)算車輛的數(shù)量，為信息采集提供必要保障，獲得更加準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)[2]。

2.2 數(shù)據(jù)傳輸——WIFI模塊

串口WIFI模塊是低功耗的無(wú)線傳輸模塊，外接UART接口，支持串口透明數(shù)據(jù)傳輸方式，并具備多模安全能力，支持TCP/IP和IEEE802.11協(xié)議棧，實(shí)現(xiàn)用戶串口到無(wú)線網(wǎng)絡(luò)之間的信息傳輸。

遠(yuǎn)程交通系統(tǒng)模型選用了（WIFI模塊）ESP8266，它支持STA/AP/STA+AP三種工作模式，可以隨程序的更改而改變執(zhí)行模式。ESP8266模塊利用路由器連接到互聯(lián)網(wǎng)，可以利用手機(jī)或電腦通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制，并獲取數(shù)據(jù)。通過(guò)ESP8266的RX和TX引腳可以建立起與單片機(jī)的通信，形成了信號(hào)燈遠(yuǎn)程控制的基本模型。相比后兩種工作模式，這種工作模式實(shí)現(xiàn)步驟更加簡(jiǎn)潔，易于實(shí)現(xiàn)，控制端通過(guò)特殊的加密算法，使得整個(gè)體系更加安全。

通信流程如圖2所示。

2.3 控制核心——單片機(jī)

單片機(jī)是在一個(gè)半導(dǎo)體硅片上，集成了中央處理單元（CPU）、存儲(chǔ)器（RAM和ROM）、并行口、串行口、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、終端系統(tǒng)、系統(tǒng)時(shí)鐘電路及系統(tǒng)總線、用于測(cè)控領(lǐng)域的單片機(jī)微型計(jì)算機(jī)，具有簡(jiǎn)單方便、易于實(shí)現(xiàn)、功能齊全、性能可靠的優(yōu)點(diǎn)[3]。市面上大多數(shù)單片機(jī)都具有高效的運(yùn)算速率，且具有多種功能接口，能夠更好地提供外設(shè)接口，為信號(hào)燈智能控制設(shè)備模型制作提供了更充分的準(zhǔn)備。

單片機(jī)的功能模塊框圖如圖3所示。用CPU提供面向控制的位處理和位控功能，單片機(jī)執(zhí)行程序?qū)纹瑱C(jī)需要的各類操作用指令的形式寫下來(lái)，并賦予它系統(tǒng)指令，一條指令對(duì)應(yīng)一個(gè)基本操作，通過(guò)一條指令實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件的控制，從而實(shí)現(xiàn)不同的功能。單片機(jī)能夠執(zhí)行的全部指令，就是這個(gè)單片機(jī)的指令系統(tǒng)。WIFI模塊接收的數(shù)據(jù)，可以傳入單片機(jī)，給單片機(jī)寫入指令進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，控制傳感設(shè)備進(jìn)行不同的操作。

2.4 定位輔助——北斗/GPS

北斗導(dǎo)航定位和GPS導(dǎo)航定位是當(dāng)前社會(huì)主流的兩款導(dǎo)航系統(tǒng)，智能交通體系建設(shè)離不開(kāi)定位服務(wù)的應(yīng)用。定位模塊中擁有多個(gè)連接通道，可同時(shí)與數(shù)顆衛(wèi)星相連接，只有同時(shí)收到3顆以上衛(wèi)星信號(hào)并經(jīng)過(guò)復(fù)雜運(yùn)算后，才能獲得正確的定位數(shù)據(jù)。同時(shí)，通信衛(wèi)星顆數(shù)越多，模塊就能越快、越準(zhǔn)確地獲得定位數(shù)據(jù)。交通系統(tǒng)的智能化在于確定各個(gè)路口和各個(gè)方位的道路狀況，把這些信息相結(jié)合，組成一張巨大的信息網(wǎng)，更智能地調(diào)控紅綠燈時(shí)長(zhǎng)[4]。在川流不息的馬路上，每一個(gè)路口都是一個(gè)節(jié)點(diǎn)，一個(gè)路口發(fā)生擁堵，勢(shì)必影響上一個(gè)路口的交通，嚴(yán)重的甚至使大面積交通網(wǎng)絡(luò)癱瘓。因此，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)的信息都至關(guān)重要。借助北斗或GPS可以迅速得到每個(gè)路口的信息，經(jīng)過(guò)信息整合得出準(zhǔn)確的執(zhí)行方案，確保各路口都能通暢。

3 智能交通信號(hào)燈的云技術(shù)支持

3.1 AI計(jì)算

有了硬件基礎(chǔ)還不夠，軟件應(yīng)用是整個(gè)系統(tǒng)的核心。當(dāng)前，智能系統(tǒng)大多基于云平臺(tái)搭建，這種新的支持應(yīng)用的方式有著巨大的潛力。AI能夠構(gòu)建與人類相似甚至超越的推理、學(xué)習(xí)、交流、感知、移物、規(guī)劃以及使用工具和操控機(jī)械的能力，通過(guò)AI計(jì)算，根據(jù)每一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的車流量信息，智能調(diào)控紅綠燈時(shí)長(zhǎng)，以改善道路交通運(yùn)行情況。

遇到緊急情況時(shí)，AI還要識(shí)別出一些突發(fā)事件并作出準(zhǔn)確判斷，當(dāng)急救車等特殊車輛經(jīng)過(guò)時(shí)，要優(yōu)先通行，AI通過(guò)識(shí)別車輛的警報(bào)聲和電子監(jiān)控判斷特殊車輛行進(jìn)方向，根據(jù)各路口匯總信息，提前在下一路口開(kāi)啟綠色通道。

通過(guò)對(duì)流量檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行模型化處理，并進(jìn)行數(shù)據(jù)融合、數(shù)據(jù)清洗，再基于強(qiáng)化學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，就能利用AI智能調(diào)控信號(hào)燈。

3.2 云計(jì)算

云計(jì)算是一種基于互聯(lián)網(wǎng)的大規(guī)模數(shù)據(jù)計(jì)算方式，能夠按照用戶實(shí)際需求，將共享的各類信息和資源提供給計(jì)算機(jī)或其他設(shè)備。利用云計(jì)算技術(shù)，能夠提供可靠的軟硬件基礎(chǔ)和豐富的網(wǎng)絡(luò)資源，可以降低構(gòu)建和管理能力的成本，它改變了傳統(tǒng)信息技術(shù)服務(wù)架構(gòu)，在交通信號(hào)燈上展現(xiàn)決定性的需求與應(yīng)用[5]。

3.2.1 基于云計(jì)算的短時(shí)交通流量預(yù)測(cè)

信號(hào)燈的調(diào)控是實(shí)時(shí)的，但各路口的數(shù)據(jù)量極其龐大，要在短時(shí)間內(nèi)精準(zhǔn)計(jì)算并得出一套完整的解決方案并不容易。在云計(jì)算技術(shù)的支持下高效管理和使用資源，通過(guò)云計(jì)算的協(xié)調(diào)應(yīng)用，使得分布式資源得到了充分利用，使得資源共享、信息交互更加快速，可以控制成本預(yù)算并可解決一些實(shí)時(shí)問(wèn)題，提高工作效率，簡(jiǎn)化人力、物力、財(cái)力，使信息技術(shù)更好地服務(wù)于人們的生活。

3.2.2 交通信號(hào)智能控制

智能交通信號(hào)控制系統(tǒng)主要以實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的交通道路狀況的數(shù)據(jù)作為控制依據(jù)，同時(shí)結(jié)合北斗/GPS定位系統(tǒng)、攝像頭視頻監(jiān)控系統(tǒng)等信息采集方式，實(shí)時(shí)采集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，并且直接利用前端設(shè)備可實(shí)現(xiàn)對(duì)各路口的交通流量控制。匯總采集到的所有信息，為區(qū)域交通控制方案的制定提供了重要的數(shù)據(jù)支持，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了基于云計(jì)算的智能交通控制。

在交通領(lǐng)域應(yīng)用云計(jì)算技術(shù)能夠充分利用實(shí)時(shí)交通信息數(shù)據(jù)，為交通管理提供重要的數(shù)據(jù)支持，制定更準(zhǔn)確、更合理的交通控制方案，加快交通領(lǐng)域的發(fā)展。

3.3 大數(shù)據(jù)

大數(shù)據(jù)技術(shù)可對(duì)海量數(shù)據(jù)進(jìn)行分布式數(shù)據(jù)挖掘，依托云存儲(chǔ)、虛擬化技術(shù)和云計(jì)算的分布式處理、分布式數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用。智慧交通體系下，每個(gè)路口在每分每秒的每個(gè)狀態(tài)都是數(shù)據(jù)量，數(shù)據(jù)多且繁雜，依托大數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)可視化，復(fù)雜的數(shù)據(jù)將簡(jiǎn)化，提高計(jì)算速度和時(shí)效。

應(yīng)用大數(shù)據(jù)技術(shù)能夠監(jiān)管和記錄城市中各個(gè)路口各個(gè)路段中的車輛，可以實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)信號(hào)燈變化，改善擁堵的交通環(huán)境。利用大數(shù)據(jù)技術(shù)以后，可大大提升道路通暢程度和工作效率，降低車輛發(fā)生擁堵的概率和交通工作負(fù)擔(dān)。

在不斷發(fā)展中，大數(shù)據(jù)技術(shù)在交通領(lǐng)域中的應(yīng)用變得非常普遍，使智慧交通得到了進(jìn)一步完善和發(fā)展。大數(shù)據(jù)的應(yīng)用帶來(lái)的最重要的成果是實(shí)現(xiàn)了智能決策，有了大數(shù)據(jù)，AI和云計(jì)算才會(huì)有更長(zhǎng)遠(yuǎn)的發(fā)展。

4 面向智能交通信號(hào)燈的應(yīng)用前景

目前，在城市與科技不斷互聯(lián)應(yīng)用和發(fā)展下，我國(guó)逐漸進(jìn)入發(fā)展智能城市的進(jìn)程中，信號(hào)燈是智能城市交通中的關(guān)鍵一環(huán)，智能信號(hào)燈在北斗定位技術(shù)的技術(shù)上，獲得高精度的定位數(shù)據(jù)，使用智能監(jiān)控系統(tǒng)采集車輛與人流量的數(shù)據(jù)，在城市交通管理工作涉及的信息量越來(lái)越大，通過(guò)云計(jì)算與大數(shù)據(jù)技術(shù)，處理大規(guī)模的流量數(shù)據(jù)，隨后將數(shù)據(jù)收錄到Al智能計(jì)算系統(tǒng)，通過(guò)控制系統(tǒng)反饋給目標(biāo)交通信號(hào)燈，以達(dá)到隨機(jī)應(yīng)變復(fù)雜的交通系統(tǒng)。在原始信號(hào)燈下進(jìn)行改革創(chuàng)新，對(duì)智能城市交通建設(shè)進(jìn)程上產(chǎn)生積極影響。

智能交通信號(hào)燈被廣泛應(yīng)用在城市交通，在地勢(shì)復(fù)雜的交通道路上，可減少交通事故發(fā)生的可能性。在交通信號(hào)燈智能控制的背景下，在時(shí)間方面，縮短了車輛滯留時(shí)間，減緩了城市的交通擁堵現(xiàn)象;在經(jīng)濟(jì)方面，加快了貨幣的流通速度，提高了經(jīng)濟(jì)效益;在生活方面上，給人們提供了更加便捷的服務(wù)。面對(duì)緊急救援，交通信號(hào)燈開(kāi)啟禁行模式，爭(zhēng)取寶貴時(shí)間。隨著智能城市的不斷推進(jìn)，未來(lái)，智能交通信號(hào)燈依然會(huì)占有巨大的市場(chǎng)，為社會(huì)帶來(lái)巨大的效益，以及受到群眾大力支持。在這樣的背景下，智能交通信號(hào)燈將不斷優(yōu)化與創(chuàng)新并日益發(fā)展壯大[6]。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著道路建設(shè)不斷發(fā)展，交通信號(hào)燈智能化的時(shí)代必將到來(lái)，屆時(shí)，交通體系的硬件設(shè)施將會(huì)全面提升并走向智能化，物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)體系和嵌入式在交通領(lǐng)域有了更深層次的發(fā)展和應(yīng)用。科技改變生活，科技引領(lǐng)生活，在生活快節(jié)奏發(fā)展的今天，要立足于科技創(chuàng)新、技術(shù)創(chuàng)新，樹立與時(shí)俱進(jìn)的理念，使人們的生活更加便捷，為推動(dòng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展貢獻(xiàn)力量。

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基金項(xiàng)目：新余學(xué)院創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目“交通信號(hào)燈智能控制器”（DC202001002）