路段感应式夜间行人过街预警系统设计

巩舜妹,应晶晶,孙林华,杨祥一 ,冯松宝

1.宿州学院资源与土木工程学院,安徽宿州,234000;2.深圳市综合交通设计研究院,广东深圳,518000

随着国民经济的快速发展，机动车进入了千家万户，居民在享受快捷出行方式的同时，也面临诸多安全隐患，如机动车与慢行的冲突频频发生，路况不详或者照明不足的城市道路上事故横行，机动车缺乏礼让行人的安全意识[1]，机动车与非机动车冲突加剧等。慢行交通群体的人身安全受到严重威胁，其意外死亡事故占机动车总事故数的10%以上[2]，而统计数据并不包括事故受伤者。车祸造成大量物力以及财力的流失，甚至威胁到人身安全。

城市印象由五大要素构成：道路、边沿、区域、结点及标志，城市道路起到重要的交通连接作用[3]。凯文·林奇认为,道路是具有统治性的城市要素，有特点的空间能加强特定道路的印象。日本土木学会在《道路设计》一书中论述了道路的组成要素，提出人的活动是道路设计的一个组成部分；道路中机动车与行人的冲突问题日益增大，但在研究道路协调一致的基础上，尚未研究道路中机动车与慢行交通的安全问题，尤其是夜间行人过街与机动车发生的侧向冲突问题。横向冲突与侧向冲突是导致交通事故的主要原因[4]。因此，研究夜间行人过街存在的安全隐患问题，其意义重大。

1 行人过街安全警务系统设计

1.1 安全预警系统

行人与机动车之间的交通事故率呈现逐年增加态势[5]，为了避免机动车与行人在夜间发生交通事故，提高行人过街的安全性，本文设计了一种基于路段感应式的夜间行人过街安全预警系统，包括两个主要模块：第一个模块是行人过街警示系统；第二个模块是车辆提示系统。安全预警系统具备预先提示功能[6]，行人过街警示系统的主要功能为：压电传感器检测行人过街，传输到预警控制系统，并利用人行横道的警示灯提示行人是否能安全过街；车辆提示系统的主要功能为：运用超声波传感器检测车辆，并将实时信息传输到预警控制系统，并利用LED预警板显示车辆的到达情况。安全预警系统属于动态变化的系统[7]，提示前方交叉口或者路段上是否有行人路过，警示驾驶员注意视觉盲区，做到礼让行人，安全预警系统安装在无信号灯的十字交叉路口或者行人过多的道路路段上，具体如图1所示。

图1 夜间行人过街安全预警系统

危险感知的强烈程度取决于行人与机动车之间的距离远近，行人与机动车的距离越近，其危险感知的行为越剧烈，反之，其危险感知的行为则逐渐变弱[8]，机动车与行人间的影响程度关系式如式(1)和(2)所示：

fxvp=siexp[-(rvi-dij)/Bvi]nij×cosδ(t)

(1)

fyvp=siexp[-(rvi-dij)/Bvi]nij×sinδ(t)

(2)

其中，式(1)和(2)中的si为城市道路中机动车对慢行交通的影响程度，Bvi为城市道路中慢行交通对机动车的影响程度。利用红外线检测器可检测到在行人等待区中的行人，并将信息传递给信号反馈模块[9]。距离人行横道水平距离满足一定条件的隔离护栏中设置感应线圈，检测机动车在到达人行横道前的车流量、车头时距等信息，同时反馈数据到过街信息控制模块。通过通信技术接收行人信息采集模块传来的信号，再利用人行横道警示灯提前向行人发布过街预警信息，从而达到驾驶人主动减速的效果。通过单片机组成的过街信息控制模块，其作用是将来自机动车的信息处理后，预判行人是否安全通过人行横道，并同步到LED预警板上，为行人反馈信息。在斑马线的最外侧安装的压电检测仪作为触发系统，当获取行人进入或走出斑马线信号时，将信号传递到斑马线的警示灯，警示灯会亮起。警示灯可以同时起到两个作用：一是在光线不足时进行补光，二是起到重复提醒司机礼让行人。智能斑马线是用特殊的太阳能电池板做成，利用太阳能供电，能够节约能源，保护生态环境，为智能城乡结合部路段预警系统中的各个模块提供所需电能。

1.2 结构设计

夜间安全预警系统的结构主要包括车辆检测和行人检测两大部分，利用车辆检测模块和行人检测模块分别检测车辆和行人，行人检测器模块主要由压电传感器传输数据，车辆检测器模块主要由超声波传感器传输数据，并利用单片机控制系统实行实时监测与控制，将结果反馈到LED预警板和行人警示灯模块，以便机动车驾驶员提高警惕并及时减速礼让行人，道路上的行人作出准确的判断。其主要系统结构如图2所示。

图2 系统结构

1.3 系统工作布局

在无信号灯控制的路段或道路交叉口，过街行人极易与机动车发生冲突。白天交通条件较好，驾驶人能主动地避免因行人过街而发生事故；在夜间交通条件较差时，驾驶人视距范围缩短，视线模糊，再加上行人过街具有随意性，容易发生交通事故。夜间交通事故具有事发突然、事故状况严重等特点。系统的工作布局随着交叉口形式的不同而发生变化。根据目标路口的不同设置不同的夜间行人预警系统，车辆到达信号由安装在路口的超声波检测器检测；慢行中的行人信号由安装在人行道两端入口的压电传感器检测；运用多种传感器融合技术整合信号，最终形成夜间交叉口安全预警系统。

2 VISSIM仿真分析

2.1 系统运行过程

路段感应式夜间行人预警系统一共细分为五个模块，运行过程如下：行人检测模块与车辆检测模块构成该系统的检测端，将检测到的行人信号和车辆信号传递给系统的控制模块；控制模块会根据接受到的信号将指令传递给LED板预警模块，由LED板预警模块组成预警信息发布端；智能斑马线系统作为辅助模块，利用太阳能储电供电，辅助行人安全过街，为行人夜间过街提供一份安全保障。系统运行过程框架如图3所示。

图3 系统运行过程

交叉口预警设备控制器实时显示交叉口和路段上的车辆信号以及行人信号，超声波测距传感器检测车辆的安全距离，当有行人通过时，单片机预警控制系统会通知车辆前方有行人通过的实时信号，其结果发布到LED预警板上；压电传感器检测行人的实时空间位置，当前方的安全距离内有车辆行驶时，单片机预警控制系统会通知行人，确保安全后，快速通过人行横道，其结果通过行人警示灯智能显示。夜间交叉口预警设备实时控制LED预警板和人行横道预警灯的开关。

利用行人红外线感应装置对行人的信息进行采集后，传输行人过街信号，发布精准信息;对于车辆提示系统，是机动车感应线圈对机动车的信息进行采集后，通过有线传输的方式将信息传输到过街信息控制模块，经过单片机程序对采集的信息进行处理后，预判行人能否安全通过马路;针对辅助系统，当获取到行人信号时，警示灯会自动发出提醒信号。红外传感器检测行人系统设有两束光线，只有两束光线同时被遮挡，才会显示行人信息，参数设计具体见表1。

由表1可知，该系统采用双重保障机制，压电传感器与红外传感器共同组成行人检测机制。红外传感器运用2条光束能够精确地检测到行人信息，并将信息准确反馈到LED预警板之上，以提醒夜间行驶的车辆提前减速以礼让行人。

表1 红外传感器参数设置

2.2 运行结果分析

系统仿真的过程中，运行结果分析是其中较为重要的一部分，系统输入量为车辆信号和行人信号，车辆信号主要包括车辆到达行人斑马线的安全距离、反应距离、减速距离以及车辆的时速；行人信号包括行人的中位速度以及行人在斑马线中的距离定位。系统的输出量为动态显示的LED预警面板和动态显示的人行横道预警灯。系统实施之后，通过VISSIM交通微观仿真分别得到了路段车辆数以及车辆的行程时间，具体如图4与图5所示。

图4 车辆数显示结果

图5 行程时间显示结果

在VISSIM仿真路段之内，系统总的仿真时间为600 s,平均行程时间为14.7 s，交通系统平均运行速度为55 km/h。从上述结果可得出：系统的设置不但没有影响交通系统的运行效率，反而提升了交通系统的运行安全、降低了交通事故的发生率。LED预警板和人行横道警示灯实时发布预警信息，不仅保障了夜间行人过街的安全，降低了夜间事故率，而且在不影响机动车正常行驶的前提下，提高了夜间行人过街的效率。

3 结 语

夜间行人过街与夜间行车安全问题备受关注，本系统充分考虑了人车之间的突出矛盾，通过设置行人过街安全预警系统，驾驶员的安全通行性被有效的提高，夜间行人过街的安全性得到了有效的保障，进一步降低了人车过街的危险系数。双重安全保障机制被初步建立，进一步推动了城市智能交通管理体系的发展，具备一定的社会研究意义。与现有技术相比，系统优点如下：

(1)智能斑马线作为辅助模块，利用太阳能供电模块，辅助行人安全过街，为行人夜间安全过街提供一份安全保障，避免了资源浪费与环境污染等问题(斑马线的最外侧安装的压电检测仪作为触发系统，当获取行人进入或走出斑马线信号时，将信号传递到斑马线的警示灯，警示灯会发光。该警示灯可以同时起到两个作用：一是在光线不足时进行补光；二是起到重复提醒司机礼让行人)。

(2)夜间行人过街警示系统具备多重警示功能，保障交通参与者出行安全的同时，且结构简单、造价低廉。

(3)行人过街安全与智能交通相结合，系统自动检测车辆与行人的实时动态，控制端进行智能控制，LED预警板发布反馈信息，四个智能控制端达到动态循环，更加保障了夜间行人过街的安全性，提高了行人过街的实时效率。