智能行人过街交通信号控制器设计与策略研究

张绍秋

（中铁建发展集团有限公司）

1 引言

我国城市交通具有典型的混合组成特性，但行人与车辆在路权分配和竞争中，行人往往处于劣势，多是由于交通冲突和行人出行的特征和规律造成的[1]，这样不但影响交通流的顺畅通行，还对行人造成安全隐患。行人出行的特征和规律与道路、交叉口、周边生活环境有强关联性[2,3]，因此米晓越等[4]人针对情况较为复杂的混合交通环境，设计出了信号路口行人过街系统；杨艳等[5]根据行人等待和通行的特点，研发了行人过街信号检测安全装置；尤伟军[6]从多源触发角度，设计出了行人过街控制系统研究；马旭光等[7]从实用性出发，设计出了一种基于视频检测的行人过街自适应系统。上述研究从行人过街特性分析和控制系统设计两个角度进行，推动了行人过街控制的研究和应用，但没有充分考虑到行人过街特性检测和车辆检测数据融合与分析和控制策略的设计问题，为此文章提出智能行人过街交通信号控制器设计与策略研究。

2 智能行人过街交通信号控制器系统构成

2.1 系统构成

典型智能交通信号控制器的系统逻辑，由交通流采集、交通信号控制、信号配时方案输出三大模块构成。交通流信息采集基于多种传感器构成的行人检测器、车辆检测器阵列完成交通流动态数据采集（见图1）。采样数据经交通信号控制器逻辑处理算法后生成配时方案，完成交通信号灯控制实际路口运行状况。达到改善交通流运行现状的目的，合理组织、分流交通，构建车路协同控制系统。达到预期期望控制效果，在保障行人安全基础上，最大限度减少车辆延误，提高道路通行能力。基于典型智能交通信号控制的系统逻辑，设计智能行人安全过街智能交通信号器，其由交通流检测模块、控制模块和输出驱动模块构成，如图2所示。

2.2 系统模块与主要功能

图1 智能行人安全过街智能交通信号器系统结构

图2 智能行人安全过街智能交通信号器硬件主要模块

如图2所示，智能行人安全过街智能交通信号器通过基于总线技术组建数据传输网，完成车辆检测、行人检测以及控制信号输出功能。采样交通优化控制算法，对交通流进行控制。采用行人过街优化控制算法，在无需求情况下始终给予需求方向通行权，提高道路通行效率和减少车辆延误。

其主要模块如下：

1）车辆检测模块

系统采用分时选通控制方式实现不同支路数据采集，进行有效的抗干扰设计。频率采样通过对不同频率信号等使用T/M法进行精度测量。该模块主要完成的功能为检测道路车辆通行状态信息。其中，在图2a可以看到，它们包括了机动车车流量、时间占有率、瞬时车速等交通参量检测。

2）行人检测模块：基于图像处理技术完成对过街行人行为双目识别检测。完成对行人过街等待区域的行人等待检测以及对行人过街区域的行人通行状态检测。当有行人进入等待区域后，通过行人检测算法对摄像头采集的视频进行分析，以确定行人是否有过街需求。并对过街行人流量、行人方向特征进行分析。如图2a所示。

3）信号控制模块

采用ATLAR-FPGA平台，利用其中的FPGA芯片，提供并行计算和万级门电路规模，保障算法的执行能力和稳定性；通过高性能的内核和Linux操作系统，实现对控制逻辑的扩展，在面向多种混合场景的交通流形态时，可灵活配置多种相位组合关系，如图2b所示。

4）输出驱动模块

通过485总线信息传输方式完成控制模块配时方案输出显示，对实际交通流进行控制。其中，控制模块具有自检测功能，同时对输出的信号也具有检测功能。双重冲突检测机制，包括软件冲突检测及独立的硬件冲突检测机制，当发现冲突或依从响应错误时可自动启动保护措施。如图2c所示。

3 智能行人过街控制策略设计

为使过街行人安全、高效的通过交通枢纽，提高道路通行效率和减少车辆延误。如图3所示，设置三个行人过街检测区域及两个道路车辆检测区，对交通冲突区域进行检测。深入研究该路段人行横道信号控制，目标是以机动车辆延误与过街行人延误的加权和达到最小，建立路段信号优化配时模型。

通过对行人以及车辆通过情况的信息采集以及对其行为的预测，结合行人过街交通流基本特性（包括行人交通流速度特性、行人交通流力量特性、行人交通流参数关系等）进行研究，同时分析通过车辆检测器模块传回的车辆信息，运用智能算法对信号灯进行控制。通过控制策略达到信号机智能和最大程度保证行人安全的目标。

结合车辆检测模块，分析车辆速度以及流量信息，预测车辆到达停车线处的时间，通过与行人检测器的采集信息协同判断是否存在交通冲突，对交通信号灯进行智能控制。防止仅一个过街方向放行时间较长的情况发生。提高正常行驶车辆以及过街行人的通行效率。进一步保障过街行人的通行安全。

3.1 检测器布局及检测对象

在行人过街路口安装有交通信号灯及行人检测装置、车辆检测装置。通过采集人、车交通流运行特征，经协调感应控制逻辑判断处理后控制交叉口信号周期、绿信比，满足行人安全过街需求，最大限度减少车辆延误，提高道路通行能力。

1）行人检测器

①安装位置及数量：行人过街路口等待区；

②检测区域：行人过街等待区、行人安全过街区、交通冲突区域检测；

图3 行人安全过街检测

图4 行人安全过街检测

③检测交通参量：行人的过街请求和过街状态。并对行人的流量、步行速度、方向等交通参数进行提取。实现对行人的检测、识别、跟踪。

2）车辆检测器

①检测区域：道路中机动车车道交通流；

②检测交通参量：机动车流量、瞬时车速、时间占有率，预估排队长度。

3.2 控制策略

1）行人过街交通行为特征分析

对行人过街检测信息进行数据分析和挖掘，从行人到达规律、过街速度、起动时间、交通违法等方面出发，对路段过街的个体行人过街特性和人群过街特性进行研究，并分析信号灯配时对行人过街交通行为的影响，应用交通冲突分析方法，对影响行人过街安全的交通冲突进行分析，提出交叉口行人过街安全可靠度计算方法。

2）行人过街需求判断

行人检测器通过对行人过街等待区行人流特征跟踪、分析，判断行人是否有过街需求。并对有过街需求的行人数目、方向进行统计。

3）行人过街安全时间预估策略

行人过街结束判断，解决由于缺乏有效行人过街检测技术而带来的行人过街绿灯空放问题。同时解决由于行人尚未安全通过而放行机动车带来的行人安全问题。有效改善机动车以及行人的运行条件，减少行人违法的发生，提高交通安全。

通过行人过街等待区人流信息及机动车车流信息动态感知，通过协调感应控制技术输出信号配时方案，控制信号灯周期、绿信比，满足行人安全过街需求，最大限度减小车辆延误，提高道路通行能力。

4）机动车及行人感应协调控制

利用双车辆检测节点完成机动车流量、瞬时车速、时间占有率信息检测；行人相位对通过车辆检测器机动车数目累计，预估机动车排队长度。通过车辆检测器对机动车车速检测，预估机动车达到路口时间，判断当前行人放行是否与下一时刻机动车到达路口存在交通冲突，若不存在交通冲突，则进行交通信号相位正常切换，放行机动车。否则，延长行人绿灯时间，行人安全通过结束后放行机动车，保障了行人过街的安全性和车流的顺畅，如图4所示。

4 实际测试与验证

利用园区内部场地中的路段进行实际测试与验证，如图5所示。设置路段信号灯和智能行人过街交通信号控制机，采用双目视觉进行行人过街检测，验证场景包括单人、多人、人和车等。结果表明，双目视觉能够准确检测行人的数量、运动的速度，形成对行人运动特性的分析结果，过街信号配时根据场景的不同动态调整，有效保障行人过街安全和车辆通行效率。

图5 实际场地测试

5 结语

本文针对目前我国路段行人过街的专用交通信号控制智能化程度不高，尤其是行人和车辆的综合检测能力不足的问题，设计多目标综合检测装置，并基于检测信息对行人过街交通行为及行人交通流运行特征展开深入分析，设计智能行人过街交通信号控制器并研究行人过街优化控制策略，并进行实际场景的测试和验证。通过本文的研究，能够减少行人交通违法行为发生、缓解道路交通拥堵、提高行人交通安全提供技术支撑。