基于黄灯频闪十字路口信号灯模型的研究与优化

金晓峰 沈诗婕 薛珂磊 赵飞洋 徐如意 葛梦娇 舒妮 尉鹏飞

摘 要：本文分析了黄灯频闪十字路口信号灯路段中的司机和路人心理，采集该路段事故频发率，统计信号灯切换缓冲时间等数据，发现其存在着交通效率低下，安全系数低等社会问题。结合浙江省绍兴市的调研结果，以行人的安全性，司机便利性作为主要侧重点，运用LSD统计方法比较该市不同环境下行人通行的时间。在此基础上运用红外感应实现道路黄灯预警，压力感应完成黄灯与红绿灯之间的切换，硅光传感实现不同模式的转化，设计了一套针对该路口以及相似路段的优化模型。结果表明，优化的红绿灯模型可以提高交通的效率，同时提升了安全系数，为未来中国隐患路段的改良提供了新思路。

关键词：黄灯频闪路口 红外探测 压力传感 光电效应 信息交互 智能交通

中图分类号：U49 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）12（c）-0126-04

1 研究路段概况

近几年来，黄灯频闪十字路口（某些十字路口的双向主干道上设有黄灯一直闪烁的交通信号灯）越来越受到人们的关注。该路段一般设置于机动车道路与偏僻村庄的交界处，如绍兴市兰亭国家森林公园机动车道；中小学附近的道路口，如文理附属小学与政府机构的十字路口。示意图如图1所示。其存在着明显的问题：（1）交通效率低下。副车道上穿越马路的行人相对较少，主车道司机必须减速确认无人时才能通过路口，耽误了时间，不符合“快捷高效城市”的要求，同时不必要的减速加速了机动车的磨损以及污染物的排放[1-2]。（2）存在极大的安全隐患，《中华人民共和国道路交通安全法实施条例》（国务院令第405号）第四十二条明确指出闪光警告信号灯为持续闪烁的黄灯，提示车辆、行人通行时注意瞭望，确认安全后通过。但黄灯长期闪烁，大部分司机对此已经麻木疲怠，常快速通过路口，黄灯闪烁往往起不到太大的警示作用。此外，副车道旁的小区建筑、树木等障碍物极度妨碍视线，即使司机左右张望确认无人，也极有可能发生猝不及防的交通意外事故。

2 国内相关改进情况与局限性

在中国国内，例如浙江省秦望大酒店路口如图2所示，该地区由于高大建筑以及绿化带的遮挡使得行人与车辆的信息交互受阻，当地政府动用一年的时间对该问题路段提出改进，于2016年初投入使用，其改进的方式：正常情况时道路红绿灯显示绿灯，当有行人要穿越马路时，需长时间按行人过街按钮如图3所示2～3s，10s后行人红绿灯红灯闪烁一下进入10s倒计时变为绿灯，道路红绿灯延后2s也进入10s倒计时变为红灯。行人有30s（包括最后10s倒计时）通过马路的时间，最后恢复到正常状态。

但其设计但也存在以下几个问题：（1）行人过街按钮需要长按且没有提示触发成功的信号，使得有些行人按完，直接进入人行道通行。（2）对于文化水平落后的人，不理解该系统的运行，造成了“中国式过马路”的混乱。（3）行人过街的缓冲时间过于单一，但实际上不同情况下行人通行的时间存在较大的差异。（4）卫生性，维护成本等方面也存在较大的问题。

3 系统模块设计与实际应用

智能化交通系统是在道路运输管理中，以道路和车辆为研究对象，综合应用通讯、电子、计算机等先进技术而建立的适时管理系统[3-5]。故只有采取智能化的手段提高问题路段的安全系数。

3.1 系统构成模块

改进模型主要由五个部分组成：主CPU stm32f103，全彩LED和红外感应模块TCRT5000，光电池测量模块，压力传感器模块。

3.2 红外感应实验预警模式的切换

在道路的左右两端安装红外探头，当被检测物体出现在檢测范围内时，红外线被反射且强度足够大，红外接收管饱和，此时模块的输出端为高电平[6]，指示二管被点亮。正常情况下道路红绿灯为绿灯，行人红绿灯为红灯。将红外探头安装于道路两侧隐蔽处防止不同环境下的对其的损坏，实际应用中当行人通过红外探头时两者均切换为黄灯频闪状态，警示车辆即将有行人通过。内部原理如图4所示。

3.3 压力传感器实现双保险机制

压力传感器由两部分组成：第一部分电阻应变片，感受外界力与负荷变化。通过第二部分电阻电压转变模块转化为电压信号。此传感器安装于斑马线前当行人通过并触碰时，道路红绿灯为红灯，行人红绿灯为绿灯，车辆制动停止，行人安全通过马路。

3.4 硅光电池实现白天黑夜模式的变换

硅光电池能根据光线亮度的变化自动改变电流大小，通过放大电路如图5所示放大为电压信号输出。在实际使用时将其安置于绿化带非隐蔽处实现白天黑夜模式的切换，改变行人通过马路的缓冲时间。

4 模型实际运行与相关参数的改进

4.1 红外探头的设置细节调整

本模型运用红外探头来实现黄灯频闪的触发，但在实际操作中却存在这样一个问题：行人在通过一个路口时会切断一次红外信号，但是在走过马路后势必回触发另一个探头，造成了单行为双触发。因此在单侧路口设计了两个红外探头，只有从内向外才能触发整一套机制。

4.2 模型演示示意图及说明

4.2.1 正常状态

（1）行人红绿灯显示为红灯。

（2）道路红绿灯显示为绿灯，双向机动车道正常通行（图6）。

4.2.2 行人通过红外探头

（1）行人红绿灯切换为黄灯，若行人未触及压力传感器，将一直保持黄灯状态。

（2）道路红绿灯切换为黄灯，黄灯持续时间与行人红绿灯一致，车辆减速慢行（图7）。

4.2.3 行人触碰压力传感器

（1）行人红绿灯由黄灯切换为绿灯，行人通行。

（2）道路红绿灯切换为红灯，车辆制动停止等待行人通过（图8）。

4.2.4 行人通过马路

（1）硅光传感器根据光线强度的变化自由改变行人红绿灯（道路红绿灯）中绿灯（红灯）的持续时间。

（2）白天持续时间为20s，晚上为25s。

（3）红灯绿灯即将切换前有闪烁警示（图9）。

4.3 实际特殊情况下的解决方案

特殊情况1：行人通过两个红外探头后原路返回，并不触发压力传感器，造成道路红绿灯与行人红绿灯长期处于黄灯频闪的状态，交通系统混乱。

解决方案：程序当中定义黄灯频闪超过一段时间后将自动切换为正常状态。

特殊情况2：一个行人通过红外探头且触碰压力传感器，另一个行人从后面或者是另侧通过，使得黄灯与红绿灯的切换一直处于频繁状态。

解决方案：当一个行人经过红外探头后，系统在一个时间区间内运行若程序未运行结束将处于保护状态，即在该段时间内任何输入信号都无法改变系统的输出指令。

特殊情况3：在系统受保护的时间内，道路红绿灯即将恢复为绿灯时，部分行人还未完全通过马路，造成混乱。

解决方案：根据车辆优先礼让行人的习惯，让行人通过，另外该路段副车道上通行的人相对较少，极少出现3中所述情况。

4.4 模型全景图

模型全景图如图10所示。

4.5 逻辑流程图

逻辑流程图如图11所示。

5 结语

近几年来，随着社会经济的快速发展和人民生活水平的持续提高，私家车辆迅速增多，公共交通日益繁忙，道路交通事故成为了我国面临的一个严重问题，人、车辆、道路、环境都是导致交通事故发生的因素，以上四者之间是否保持协调决定了道路交通的安全。根据有关调查发现，我国设置持续闪烁的黄灯的路口发生的交通事故远远多于一般的十字路口，这种路口行人少且车辆多，驾驶者的视野往往不是很好所以无法及时看到行人。本组提出的模型以这种路口为背景，在黄灯持续闪烁提示车辆注意行人的基础上，通过在行人区域设置红外探头来感知行人的路线并将信息传输给中心系统，控制交通信号灯的红绿信号转化，从而达到“车停人行”的目的。

本模型使黄灯闪烁路口在有行人通过的时候与一般的十字路口一样，遵循了“行人优先”的交通法则，科学地控制了车辆和行人的通行，改善了交通环境，大大降低了交通事故率，避免了人身伤亡与财务损失。同时通过压力传感与红外感应相结合使得安全指数大幅度上升，硅光传感器的应用也全面提升其应对各种复杂环境的能力。该系统运用光感，压敏以及红外等技术，将大幅度提升黄灯警示城市单交叉路口的安全性。由于這三大技术诞生时间早，应用广泛，维护成本低[7]，能在短时间内低成本地优化改进具有安全隐患的路段。也能根据各大城市不同车辆情况和人流量调整参数[8]。

后续的开发中可进一步灵活运用电子元件分析空气各动力学参数进行气象反馈，以实现多种模式工作。以此模型为基础，可衍生出更多复杂信号灯模型，对国内存在的多种交通弊病进行改良，使“机器视觉”效益最大化。

参考文献

[1] 钟志红.城市公交车挡位调节与排放特性关系的研究[D].广东工业大学，2012.

[2] 邱兆文，魏朗，王生昌.稳态工况下汽车污染物排放特性的试验研究[J].汽车技术，2006（2）：28-30.

[3] 范圣全.智能化交通系统研究[J].交通科技与经济，2002（3）：35-36.

[4] 尹升.智能化交通信息服务系统应用建设的浅析[J].黑龙江科技信息，2014（3）：6.

[5] 卫小伟.智能化交通系统的发展现状及未来[J].现代电子技术，2005（13）：74-75，78.

[6] 沈昶余，王江婷，俞梦莎.基于STM32的智能电梯控制系统设计[J].仪表技术，2015（2）：25-28.

[7] 顾聚兴.红外传感器与其它光电传感器的发展趋势[J]. 红外，2010，31（8）：45-46.

[8] 须啸海.嵌入式智能交通车流量监控系统的实现[D].电子科技大学，2015.