车辆通过红绿信号灯路口预判系统简介

李伟琪 张 磊 庄 琲

（东北林业大学交通学院，黑龙江 哈尔滨150040）

安装有红绿信号灯的十字路口是车流量大、非机动车和行人多、路面情况复杂多变的交通枢纽之一。对于驾驶经验少、技术欠佳的驾驶员来说，交叉口信号灯由绿变为红的转换时段前后，往往会造成驾驶员精神紧张，易对交通状况产生误判，陷入驾驶决策中“减速停车”和“继续通过”的两难区。当驾驶员由于心理- 生理特性差异而导致判断失误时，往往在信号相位交替期间采取危险驾驶行为，例如在速度较高情况下决定停车或者在有效绿灯时间末端盲目加速通过[1]。这两种危险驾驶行为也是交叉口最为频发的追尾碰撞和侧向碰撞的主要原因。同时车辆的连续急停、急启不仅会缩短车辆的使用寿命，损坏路面，还会造成能源浪费和环境污染[2]。车辆通过红绿信号灯路口预判系统具有以下优点：该系统加强了红绿信号灯对路口各方向汇集车辆的控制，一定程度上缓解了十字路口的交通拥堵状况。在交通高峰期，该系统有助于后方排队车辆驾驶员对红绿信号灯的观察和判断，可以有效减少在红绿信号交替时，驾驶人因心理紧张或对车辆能否通过判断失误而导致的急停追尾或盲目加速碰撞。该系统与现有路口的交通设施容易结合，推广成本低，实用性强。

1 车辆通过红绿信号灯路口预判系统的组成与原理

如图1 所示，车辆通过红绿信号灯路口预判系统由五大模块组成。

图1

1.1 车速采集模块

采用地感线圈测速装置。要实现对即将通过十字路口车辆的有效预警，需检测进口道停车线前方一定距离处是否有车辆驶入和驶入车辆的车速。地感线圈测速装置由车辆检测器、环形线圈、MCU 等组成。每个车道的两套车辆检测器中的测频电路通过持续监测环形线圈中的频率变化来判断是否有车辆通过，MCU 结合通过时间及两线圈间的固定距离计算出车速并将车速及时传输到控制模块。MCU 选用ARM 的STM32F103芯片，并通过CAN 总线与控制模块进行通讯发送车速数据。地感线圈测速是目前我国应用很广泛的车速检测方法。本系统选用地感线圈测速装置作为车速采集模块，提升了整套系统的可推广复制性。由于靠近十字路口的车辆禁止变道且每个车道的线圈独立工作，从原理上保证了车速采集模块的工作稳定性。

1.2 信号灯信息采集模块

采用智能信号控制机和ZigBee 模块。首先智能信号控制机对信号灯色进行判断，当信号灯状态为绿灯，将绿灯剩余的秒数T2 通过ZigBee 实时传输到控制模块。所述ZigBee 为一种无线连接技术，可靠性高，网络的自组织能力强。使用该技术，需要外接ZigBee 控制装置。控制装置通过无线网络与智能信号控制机连接，智能信号控制机通过软件读取信号灯状态，通过ZigBee 将信号灯状态传输到控制模块的单片机，ZigBee 与单片机通过Tx 与Rx 引脚相连[3]。

1.3 控制模块

采用C51 单片机作为控制核心，51 单片机适用于实现功能较为简单的控制模块。单片机从ZigBee 实时接收当前绿灯剩余的秒数T2。系统程序流程图如图2 所示，路口车辆进入地感线圈测速区域后，车速数据传输至单片机，获取车速信息后，计算假设车辆以当前车速继续行驶通过路口所需时间T1,进一步判断T1是否小于T2，若是，则执行模块开始工作，若否，则无响应。每条车道的控制模块、执行模块、车速检测模块独立工作，简化了控制算法，提高了整个系统的稳定性。控制模块的程序设计部分包括：主程序设计、初始化程序设计、延时程序设计、中断程序设计以及显示程序设计（如图2）。

1.4 执行模块

由发光二极管等构成，不同车道对应不同的发光二极管。各车道控制模块对T1和T2进行比较判断，当T1＜T2时，控制模块向执行模块传输控制信号, 发光二极管与单片机引脚连接，通过单片机控制使发光二极管处于红色闪烁状态，直至绿灯倒计时结束变为红灯。以此提醒驾驶员应提前降低车速，做好停车准备，实现对绿灯结束末期驶入交叉口车辆进行有效预警。

1.5 电源管理模块

电源管理模块包括太阳能电池板蓄电池、测速模块工作电源、LED 工作电源、控制模块单片机及外围电路的工作电源。电源模块由含光伏太阳能电池板、专用充电电路的蓄电池供电，有能源清洁、无触电危险等优点。其中测速模块通过逆变器将直流电转化为交流电，驱动环形线圈工作；控制模块单片机电压较小，一般为5V。

图2

2 系统功能论证

2.1 本系统通过对信号交叉口进口道车辆进行有效预警来增大交叉口进口道的通行能力，从而提高整个交叉口的车流运行效率。

有学者研究发现，随着我国家庭小汽车保有量不断增加，城市交叉口的服务效率在一定范围内呈下降趋势，由此导致的城市交通拥堵情况不断加剧[4]。国内外关于信号交叉口通行能力的计算有多种方法，较常用的有美国HCM手册给出的饱和流率计算法，国内常用的冲突点法、停车线法和城市道路设计规范给出的计算方法。袁晶矜、袁振洲在比较了以上计算方法后得出结论：城市道路设计规范中所采用的计算方法适合于车流趋于饱和的交叉口[5]。而本预警系统面向的大部分使用场景为大中城市中较为拥堵的交叉口，所以本系统原理从以下公式出发进行设计优化：

其中：CS是一条直行车道的通行能力(pcu/h)；Tc是信号周期时长(s)；Tg是每个信号周期内的绿灯时长(s)；T0是绿灯亮后，第一辆车启动、通过停车线的时间(s)；Ti是直行车辆通过停车线的平均时间(s)是折减系数。

信号交叉口的进口道中还包括直左混行、直右混行、直左右等类型的车道，而这些车道的通行能力也是由上述公式中直行车道的通行能力和转向车所占比例进行计算的，所以影响某一特定交叉口进口道通行能力的因素即为：T0、Ti、这三个量。T0与驾驶人的驾驶特性有关；Ti与车辆组成、性能以及驾驶员条件有关。实验表明，通过在进口道上增设上述的预警装置，可以辅助驾驶员在信号相位交替时的行车判断，有效增加车流运行的稳定性，缩短了式中Ti和的取值。所以，本系统能够有效改善驾驶人的驾驶条件，从而增大交叉口的通行能力。

2.2 本系统通过对信号交叉口进口道的车辆进行有效预警，增加交叉口处的行车安全性

为了辅助信号相位交替时段驶近交叉口的驾驶员做出安全合理的决策，美国有地区采取了在交叉口前设置停车线的方法。当黄灯闪烁时，若车辆在停车线前，则应减速停车；若车辆已驶入停车线后，则可通过交叉口[6]。也有地区通过加强交叉口的交通管控来减少交叉口的事故发生数。如制定严厉的闯红灯处罚措施；加设电子监控，对交叉口车辆行驶行为作有力监督；增设信号灯的倒计时装置或者信号相位末端闪烁灯来辅助驾驶人决策。

以上的这些方法在适用性上各有优劣，目前国内还没有一种能够被普遍接受的车辆通过信号交叉口时的安全预警方法。车辆通过红绿信号灯路口预判系统的设计原理结合了驾驶人行车过程中的生理- 心理特性，可以有效的辅助驾驶人行车决策，同时也减少了驾驶人在紧张状态下的急停、急启、抢行、加塞等危险的驾驶行为，能够增加交叉口的行车安全性。

结束语

本系统易与目前路口的交通基础设施相结合。加强了原有交通信号灯对大型十字路口的车辆控制，有效发挥了红绿灯的预警指示作用。未来，在交通强国战略支撑下，我国交通基础设施将持续向智能化、绿色化等方向发展。该系统有望为智能交通发展提供底层技术支持。随着物联网、大数据、5G 技术深度融合发展，未来实现“车、灯”一对多实时无线通信后，将进一步提升该系统的实用价值。