交通信号控制系统的现状与发展对策

刘畅

一、设计目的

随着智能车的普及，城市变得越发拥挤，堵车现象也越来越普遍。在经过交通路口时，由于国内红绿灯一般采用定时控制，不能对实际的交通流进行识别和优化，有时会出现这种尴尬情况，即一边亮着绿灯很少有车辆通过，另一边有很多车辆却在红灯前排起长队伍，而队尾的车辆甚至要经过多次红绿灯的变换才能通过路口。

如果能设计出一种系统，通过摄像头实时监测路况和车流量，并将各个路口的车流量信息进行汇总和分析，进而自动调节两边红绿灯的等待时间，这便能减少两边车辆的平均等待时间，同时减少在等待过程中燃料的消耗，提高整个道路的畅通性。

如果进一步将各个路口的实时车流量汇总到交通监管中心，由监管中心进行统一大范围内的数据分析与处理，向车主进行路况或者紧急情况的播报，这样便能优化人们的出行路线，同时也能降低资源的损耗，符合低碳环保的发展要求。

二、研究内容

1.系统所实现的功能

对十字路口处的车流量进行监测，根据监测结果改变红绿灯时长，以达到减少车辆在路口处的等待时长，优化交通的目的。

2.系统所运用的技术

所运用技术主要包括嵌入式技术，图像处理技术和智能控制技术。

3.系统硬件部分的组成及功能

系统硬件部分主要由四个模块组成，即摄像头模块，图像处理器模块，无线通信模块和红绿灯控制模块。

其中，摄像头采用监控摄像头，放置在十字路口车辆排队等待处，用于排队车辆图像的采集。图像处理器模块利用嵌入式ARM进行图像处理。无线模块用于图像处理模块和红绿灯控制模块之间的信息传输，可采用nRF2401模块进行无线通信。红绿灯智能控制模块用于实现对各路口车流量信息的分析和对红绿灯时长的实时控制，可通过STC89C52单片机实现。

4.系统软件部分的组成及功能

软件部分主要包括操作系统模块，车辆排队长度检测模块以及红绿灯智能控制模块。

（1）操作系统模块

在对所实现的功能和硬件设备进行初步研究后，拟选用效率高，内核更新速度快，具有良好的稳定性和强大的网络功能的Linux系统作为本系统的操作系统。

（2）车流量检测模块

车辆排队长度检测模块的主要功能是从摄像头获取路口车辆排队图像，通过图像处理得到对应方向的车辆排队长度，以此反映路口处待通过的车流量，并将获得的参数传递给红绿灯智能控制模块。其流程如图所示1。

A.载人图像。该模块人口参数为需要进行处理的相邻两侦图像，处理器从摄像头捕获的视频流中截取相邻两幅图像进行后续处理。

B.图像预处理。从摄像头获取的图像需要先将其灰度化减小数据量以便于处理，然后要对其进行平滑处理以达到去噪效果。

C.图像分割。考虑需要进行图像处理的部分以外的区域会增加计算量，而且会对像素统计产生影响，因此，在处理之前首先要确定需处理部分圖像，对预处理的图像进行分割。

D.车辆运动检测。由于系统需要确定停止车辆的排队长度，车辆运动检测可以通过一定的方法确定车辆是否在运动，因此对车队进行运动检测可初步判停止车队的队尾位置。

（3）信号灯智能控制模块

信号灯智能控制模块的主要功能是从车辆排队长度检测模块中获取各个方向车辆排队长度信息，汇总后计算出合适的红绿灯时长并进行调节。

三、国内外研究现状和发展动态

信号灯智能控制系统在美、欧、日等发达国家和地区研究起步较早，关键技术研发也已取得突破性进展，并在重点发展领域大规模应用。而我国对城市信号灯控制系统的分析与研究工作起步比较晚，在大部分城市中信号灯系统都是事先预设好红绿黄灯的显示时间，大部分情况下固定不变。

其中有美国研发的RHODES系统，设计了一种有效的交通自适应信号控制系统模型，通过传感器监测交通网络中的交通设施情况，然后预测当前的交通流量和将来的交通流量，并使用优化算法来决定用于下一次交通信号控制周期的最佳方案。除此之外，澳大利亚的SCATS系统，英国的TRANSYT系统和SCOOT系统。

设计不足的是，通过地下车辆感应系统获取得到车流量精度较低，易受周围环境的干扰。而摄像头具有成本低，可处理性强，精度高等优点，所以在智能交通信号灯技术的发展和完善中，利用摄像头拍摄路况图像进行图像处理以获取车流量将成为主要研究方向。

四、创新点

1.减少成本，简化安装

信号灯智能控制系统对车来流量的统计使用了视频图像处理技术，与已经投入使用的空气管道检测、波频检测和磁感应检测等技术相比安装成本低、支持多车道检测、检测设备可以随时移动位置、可以满足数据采集的不断变化，检测范围大。对于其硬件的安装和维修，无需关闭车道，无需破坏路面，这样避免因安装和维修而带来的交通堵塞，并降低维修费用。

2.可扩展性强

A.由于利用摄像头对车流量处理，可在技术成熟后将路口人流情况考虑其中。

B.通过摄像头可识别一些特殊车辆如救护车和消防车等，并做出合理调节使得特殊车辆能够快速少阻碍通行。

C.可以将红绿灯处控制模块部分收集到的实时车流信息发送至交通监管中心，由监管中心将信息进行实时发布以方便人们合理选择出行路线。endprint