校门口的智能管理员

寿建慧 沈诗婕 瞿子文 赵飞洋 陈灵敏 薛珂磊 王群 诸梦瑶 汪泽钰 袁伟荣

摘   要：本文研究了校门口等特殊路段在高峰时期存在易堵塞、易发生事故等交通现象，导致交通效率低下、造成警力资源浪费等问题。为解决此类问题，我们将人工智能引入到校门口的交通管理系统，设计了一套校门口的智能管理装置。本装置应用了现代传感技术、单片机处理技术等手段，使其拥有智能识别行人、信息交互等功能，同时通过采用红绿灯与LED屏幕进行交通指挥与信息表达，从而大大缓解了交通堵塞现状、降低了交通事故发生率、解决了警力资源浪费等问题。

关键词：可移动式红绿灯  红外测距  光伏储能技术  信息交互  智能交通  人性化  人工智能

中图分类号：U49                                    文献标识码：A                        文章编号：1674-098X（2019）02（a）-0144-04

近年来，伴随着我国经济的快速发展、城市化进程的日益推进以及人民生活水平的显著提高，汽车普遍地进入了百姓家庭。截至2017年3月底，全国机动车保有量首次突破3亿辆，其中汽车达2亿辆;机动车驾驶人超3.64亿人，其中汽车驾驶人3.2亿人。随之而来的是道路交通压力不断增加，各路段时常发生拥堵现象[1]。与此同时学校门口道路，施工路段的交通意外频发，发生的原因大多是缺失交通信号指示或是交通信号指示不明确[2-3]。而若在此类路段增加警力进行间断交通管制，对部分辖区而言，可能存在警力不足的问题[4-5]。查阅资料发现，少有研究去处理该类情景下的交通问题。没有红绿灯指挥的学校门口路段，在工作日的早晨和傍晚两个时间点，交通时常拥堵。

而此情景反映的问题有：（1）此类地点一般没有安装红绿灯，学生上下学、教职工上下班等原因导致行人通過路口人数有几个峰值，在这几个时间段都可能会导致交通拥堵，严重的甚至产生交通意外。（2）因为这些路口每天只有很短的一段时间内行人才会增多，需要交通指挥，所以铺设固定式红绿灯成本过高，不符合节约环保的要求。（3）即使安装固定式红绿灯或传统的移动式红绿灯，除了某些特殊时间点，人行道上通过的行人极少，但主车道司机也必须在红绿灯显示绿灯的时候才能通过路口，存在大量无效红灯等待时间，不符合“快捷高效城市”的要求[6]，同时会引发闯红灯等危险行为，不必要的减速还会增加机动车的磨损以及污染物的排放[7-8]。（4）在学校门口的路口，通行的主要人群是学生，他们的安全意识薄弱，不注意观察路面[9]。若司机通过太快，交通意外的可能性太大。而目前使用较多的是普通移动式交通信号灯，无法识别判断是否有人要通过，不够快捷高效。因此，上述情况下的路口问题亟待解决。

在国内，校门口等路段由于学生上下学产生的人流量高峰现象，导致上下学时段交通拥堵且学生的安全得不到保障。有些地区的交管部门对此类问题路段提出改进，其改进的方式：正常情况时道路不摆放红绿灯，当上下学高峰时期时，交警摆放普通移动式红绿灯，协助管理交通。但其设计也存在警力资源严重浪费的问题。

面对上述情况，为了减少校门口、工厂门口等特殊路段的交通安全隐患，缓解此类路段在上下学、上下班时期的交通拥堵现状，解决警力浪费问题，我们设计并制作了一种针对校门口的移动式交通智能管理装置。该装置利用红外测距传感与单片机技术，智能识别行人与车辆，判断行人的前进方向，进行及时且有效的示警;利用硅光电池与显示器，实现人机交互功能，显示环境可见度。

1  系统构成和主要模块介绍

1.1 系统构成模块

系统主要由五个部分组成：主CPU、全彩led灯、红外测距传感器模块、硅光电池模块、LED点阵屏8*8。

1.2 红外测距传感器模块

红外传感器的红外发射二极管不断发射红外线，当发射出的红外线没有被反射回来或被反射回来但强度不够大时，返回模拟量的值会很小，当距离较近或非常近的时候，返回的模拟量值会很大，根据模拟量值的大小，我们可以对探头和遮挡物的距离进行判断，确认遮挡物距离是否变化，及变化的方向。

红外传感器用于检测物体移动方向，检测到移动信号时，须多次测距结果均为有效，方进行判定。

1.3 主CPU

单片机用于接受来自红外测距传感器的行人前进方向信息、硅光电池产生的电流大小信息，经过分析处理后，控制信号灯进行切换，控制LED显示器显示环境可见度。

1.4 硅光电池模块

硅光电池的原理是光生伏特效应[10]。它是一个大面积的光电二极管，它可把入射到它表面的光能转化为电能。当硅光电池接入负载后，光电流从P区经负载流至N区，负载中即得到功率输出。

硅光电池可以为智能管理员提供电能，多余的电能将储存在蓄电池之中。除此之外，硅光电池产生的电流大小与光照强度呈线性关系，经过CPU分析后可，判断外界的光照，从而得出环境可见度。

1.5 全彩LED灯模块

智能管理员的信号灯采用全彩LED灯模块。

全彩LED灯采用红、绿、蓝（R、G、B）三种基本颜色的LED灯珠芯片，具有以下特点：

（1）全彩：可调配多种颜色。

（2）智能：可遥控调灯光颜色/调亮度/开关灯/定时。

（3）采用模块化设计，不受灯具外形限制。

（4）节能环保，使用寿命长。

（5）引脚数量少，通过PWM控制灯光颜色，节约单片机资源。

1.6 LED点阵屏

LED点阵屏具有可视距离远、耗电量少、持续时间长、故障率低、操作简单等特点，而8×8点阵屏幕，与单片机结合，可以尽可能节省单片机资源[11]。而且8×8的LED点阵也足够通过字幕滚动的方法与人交互信息。

2  系统模型演示与逻辑流程

2.1 场景模拟

如图1所示，校门口即为路口，学生通过马路时存在安全隐患。使用时将管理员安放在人行道中间，显示器面向车行道，红外测距传感器面向人行道。

2.2 情景演示

无行人通行时，如图2所示。

（1）红外感应器未检测到行人，行人红绿灯为红灯。道路红绿灯为绿灯，双向车道保持正常的通行。

（2）光伏电池始终工作，为管理员提供电能，多余电能储存在蓄电池中。LED显示器显示当时环境可见度。

有行人靠近时，如图3所示。

红外感应器检测到行人正在向斑马线靠近，行人、道路信号灯变为黄灯，持续5s，警示行人慢行小心来往车辆。

行人通行时，如图4所示。

行人信号灯变为绿灯，道路信号灯转换为红灯，车辆制动等待行人的通行。

行人通过后，如图5所示。

红外感应器4s内未感应到行人靠近，行人信号灯黄灯闪烁5s，转为红灯。道路红绿灯黄灯闪烁5s变为绿灯，车辆保持正常的通行。

行人过多导致车辆拥堵时，如图6所示。

若道路上的车辆拥堵时间过长，当行人信号灯保持绿灯状态时间到达20s时，强制进入到黄灯闪烁，时间为5s，警示行人离开斑马线。

信号灯强制转换时，如图7所示。

行人信号灯转换，变为红灯，20s后重新开始判断。期间行人在斑马线两侧等待车辆通行。

道路红绿灯转换，变为绿灯，20s后重新开始判断。期间车辆保持正常的通行。

2.3 系统模型图

智能管理员的系统模型图如图8所示。

2.4 逻辑流程图

智能管理员的信号灯切换警示逻辑流程如图9所示。

3  结语

随着社会经济的快速发展和人民生活水平的持续提高，车辆数量迅速增多，与此同时公共交通日益繁忙，虽然在城市交通的建设下，在红绿灯等交通信号的指挥下，大部分路段的交通状况已经有所改善。但是仍然有部分路段没有设置红绿灯，有的是因为成本，有的是因为无法提前埋设线路，还有的是道路修理无法设置固定式红绿灯。学校门口的路段是一个典型路段，每到上下学的两个时间点，道路大多会发生堵塞，严重的可能发生意外。而过了这两个时间点，路段又几乎没有行人通过，因此安放固定式红绿灯成本太高，且平常少有行人通过的时段会影响行车的效率。交警管理在警力不充足的地区不太适用。而普通的移动交通信号灯无法做到智能识别人群，从而控制交通信号。

本组提出的模型以这种路口为背景，在行人通过基础上，通过红外测距传感器来感知行人的行走方向和路线并将信息传输给主CPU，控制交通信号灯的红绿信号转化，从而达到“有行人，车辆停;无行人，车辆行”的目的。本模型使无红绿信号灯的路口在行人通过时，遵循了“行人优先”的交通法则，改善了交通环境，大大缓解了交通堵塞现状、降低了交通事故发生率、解决了警力资源浪费等问题，避免了人身伤亡与财产损失。通过红外测距模块使得识别行人的能力大幅度上升，而光伏电池的应用也省去了充电的操作，还能通过照射在板上的光照强度来反馈当前的视线情况，也能根据类似路段的不同车辆情况和人流量调整参数。

参考文献

[1] 张梦婷.多瓶颈路段出行行为分析及擁堵收费策略研究[D].合肥工业大学，2017.

[2] 高晨子.城市普通小学交通规划设计研究——以高新一小为例[D].西安建筑科技大学，2015.

[3] 陈静.基于CAM的城市中小学门口道路上下学交通流特性分析[D].河北工业大学，2014.

[4] 马威.面向交通事件处置的交通警力资源调度方法的研究[D].北京交通大学，2015.

[5] 聂洵.电子警察执法的行政法分析[D].湘潭大学，2016.

[6] 邹晓琦.关于智能交通的发展与研究[J].科技创新导报，2015，12（19）：61.

[7] 刘真.道路线形指标对车辆尾气排放及燃油经济的影响研究[D].东南大学，2017.

[8] 胡友波，李孟良，徐达.机动车排放因子模型研究综述[J].汽车科技，2010（1）：11-14.

[9] 周颖.面向安全意识培训的典型道路交通情景设计与实现[D].武汉理工大学，2011.

[10]叶宏.光电传感器——光电池[J].科技创新导报，2009（26）：11-13.

[11]刘刚，胡仁平.LED显示屏远程无线控制系统的设计[J].科技创新导报，2009（19）：15-16.