弱势交通参与者智慧过街安全警示系统研究

杜胜品，黄 辉，皮文浩

（武汉科技大学 汽车与交通工程学院，湖北 武汉 430065）

弱势交通参与者是以行人的含义扩大为容易受到伤害的交通参与者，包括行人、电动车和自行车等[1]。

据世界卫生组织统计，2018 年交通事故的受伤人数达5 000 万人，死亡人数达到135 万人[2]。即平均每天世界上有近3 700人死于交通事故，在交通事故死亡人数中超过一半是行人和骑行者，其中行人在全球交通事故死亡中的平均比例达到23%[3]。行人、自行车等慢行交通出行者已成为交通事故死亡和受伤的主要群体[4]。因此保障行人及非机动车顺利过街，提高弱势交通参与者过街安全至关重要[5]。

目前，米晓越等[6]针对情况较为复杂的混合交通环境，设计了信号路口行人过街系统；杨艳等[7]根据行人等待和通行特点研发了行人过街信号检测安全装置；尤伟军[8]从多源触发角度，设计出了行人过街控制系统；马旭光等[9]从实用性出发，设计了一种基于视频检测的行人过街自适应系统。

同时智慧交通的研究发展迅猛，智慧交通充分利用新一代信息技术，多学科融合，以建成高效、安全、环保、舒适、文明的智慧交通与运输体系为目标，主张“以人为本”的管理理念[10]，其研究如火如荼。然而其相关研究均集中在基于机动车辆的人工智能、自动驾驶、大数据、物联网等技术，对慢行交通智慧化研究很少。

针对慢行交通在智慧交通建设和过街安全的劣势，本文提出弱势交通参与者智慧过街安全警示系统，能够提高弱势交通参与者整个过街过程的安全，也能保证弱势交通参与者在过街途中不会干扰机动车的行驶及提高机动车的运行效率，有助于智慧交通建设。

1 弱势交通参与者过街现状分析

从慢行交通与机动车交通流线疏解看，过街设施主要有三种形式，渠化岛、信号灯和立体过街。渠化岛和信号灯是平面疏解，其中渠化岛在空间上分配路权，信号灯在渠化的基础上限制了时间上的路权分配，能够实现较大程度的人车分离。立体过街借助物理隔离设施完全实现了人车流线的时空分离，但过街时间长、建设成本高[11]。

过街设施具有引导行人及非机动车安全过街和提醒来往机动车辆注意行人的作用[12]，但在过街途中弱势交通参与者始终处于劣势，更容易受到伤害。观察发现行人过街常有违章现象，如闯红灯，在红灯没有完全结束时抢行，在过街途中会因超越、躲避和疏忽、玩手机等原因走出人行横道安全区域，DALIBOR[13]和HATFIELD[14]通过调查发现，过街时使用手机的行人速度更慢，对周边危险的防范更低，会表现出很多不安全行为。非机动车也会因人行横道上行人过多而选择人行横道以外区域行驶；在立体过街时为节省时间、逃避上下楼梯而选择违章横穿机动车道的现象。

分析认为过街设施为弱势交通参与者提供了人车分离的物质基础，但无法给予弱势交通参与者过街提醒以及过街途中违章警示等智慧化诱导服务，不能有效避免闯红灯[15]和过街途中走出过街设施安全区域的问题，导致交通事故发生。Suh 等[16]发现，夜间不良的照明条件会使机动车驾驶员产生车辆行驶速度不快的错觉，诱发驾驶员提高车速甚至超速。有研究表明，在能见度比较低的环境中交通事故发生率更高[17]。综合分析认为，在当前过街设施环境下，弱势交通参与者能否安全过街取决于弱势交通参与者过街时是否能够高度遵守交通规则，以及机动车驾驶员的安全驾驶。

避免弱势交通参与者违章过街，降低过街危险，可以通过人为干预保障安全，但费时费力。为此，急需研发设置智慧过街安全警示系统取代人为干预。

2 弱势交通参与者智慧过街安全警示系统所需的功能分析

智慧过街安全警示系统，实时监视弱势交通参与者过街行为，识别闯红灯等违规行为并及时响应、警示弱势交通参与者安全过街，提醒机动车驾驶员注意行人，储备收集交通大数据，为智慧交通的建设做贡献，弱势交通参与者智慧过街安全警示系统需要具备以下功能：

（1）闯红灯警告。对于闯红灯行为，智慧过街安全警示系统需要具备闯红灯警告功能，结合道路信号灯，利用一些设备警告闯红灯的弱势交通参与者，及提醒其返回行人等候区。

（2）绿灯提醒。对弱势交通参与者等待绿灯亮起时不能及时过街问题，需要通过听觉和视觉两方面提醒等红灯的弱势交通参与者及时过街，避免绿灯时间浪费，而延长等待时间。

（3）过街途中警告。及时提醒并制止过街途中弱势交通参与者在过街设施安全区域外的通行行为，如超出人行横道、不使用立体设施、违规进入机动车道等。

（4）实时监控。对道路交叉口的弱势交通参与者实时监控，系统的实时监控功能有利于交通管理部门对交叉口信息实时掌握。

（5）机动车辆警示。警示机动车即将到达行人过街设施，且前方此时正处于行人的绿灯时间。

（6）其他功能。采用视频技术，监控到达交叉口处机动车；交通信息数据采集，通过视频技术采集交叉口处的交通信息，利用5G 技术传输相关数据，以供交通部门利用。

3 弱势交通参与者过街行为特性和模型

3.1 弱势交通参与者过街行为特性

弱势交通参与者过街行为主要受到环境和心理影响，环境包括信号相位、周围行人状态和人行横道等，心理即个人主观意愿的体现。弱势交通参与者过街行为特性主要为躲避行为特性和超越行为特性。

躲避行为特性是弱势交通参与者在遇到对向或同向弱势交通参与者侵入到前进区域而产生躲避的行为。超越行为特性是弱势交通参与者在同向弱势交通参与者速度较慢情况下改变前进轨迹的行为。弱势交通参与者过街躲避行为特性和超越行为特性是弱势交通参与者不按规定行走人行横道而选择在过街设施安全区域外行走的重要原因。

3.2 社会力模型

现有对弱势交通参与者微观仿真的模型主要分为离散型和连续型，其中离散型仿真较常用元胞自动机模型，但其对弱势交通参与者交通行为的细节描述不详细；连续型仿真模型使用典型的是社会力模型，可以体现行人的主观意愿及反应行人与环境的交互性。所以，本文选择社会力模型对过街的弱势交通参与者进行模拟仿真。社会力模型基本形式为：

3.2.1 社会力模型的改进

弱势交通参与者过街时的躲避、超越、违规等行为，除了自身心理生理因素外，主要受到声音、灯光以及商店、广告牌、花草等周边环境的影响，过街等待时信号灯的影响最大，起决定性的作用；过街途中视觉、听觉刺激能显著吸引弱势交通参与者的注意力，如电子显示屏和发光标志道钉等灯光设施，近距离的语音播报、汽车鸣笛、行人谈笑等声音对弱势交通参与者能够产生较大的刺激。商店等道路周边环境的影响因距离较远相对较小，可以忽略不计。综合考虑弱势交通参与者自身及与行人、障碍物、灯光、声音之间的相互作用力等得到社会力矢量模型：

3.2.2 社会力模型分析

自驱动力是主要决定弱势交通参与者状态的力，体现了弱势交通参与者高度遵守交通规则的意识。相互作用力一方面考虑行人在私人空间中会存在一种与周围行人保持距离的心理存在的排斥力；另一方面当过街行人密度过大时，行人间因身体接触而存在吸引力，所以弱势交通参与者间的相互作用力由排斥力和吸引力决定。同样，弱势交通参与者和障碍物间也会保持距离，相互间存在排斥力。灯光作用力由灯光强度、体积、距离等决定。声音作用力由声音强度、距离决定。各个作用力的合力即社会力决定了弱势交通参与者的过街行为。

分析认为弱势交通参与者间躲避、超越、违规等行为产生的相互作用力为排斥力，是弱势交通参与者在人行横道安全区域外前行的重要原因。根据社会力矢量模型可以通过灯光和声音作用力综合校正社会力。灯光作用力和声音作用力增加，可以增大社会力，如增加信号灯、显示屏和发光标志道钉等灯光设施，其中发光标志道钉不仅产生灯光作用力提醒，还因安装使路面不平同时产生障碍物作用力避免行人走出安全区域，配合语音播报器等音响设施提醒行人规范过街，保障安全过街。

社会力矢量的值与显示屏、发光标志道钉和语音播报器的设备大小、安装位置等因素有关。因此弱势交通参与者智慧过街安全警示系统的合理组成，配置可靠的设施设备并选择正确位置安装、设置有利于提高系统的功能发挥。

4 弱势交通参与者智慧过街安全警示系统框架设计

弱势交通参与者智慧过街安全警示系统在现有过街设施基础上，充分考虑建立的社会力矢量模型，为使社会力矢量模型更为充分地说明弱势交通参与者过街行为特性，配置智慧过街安全警示设施设备，通过视频检测过街的弱势交通参与者，识别违章行为，触发语音播报器、显示屏、发光标志道钉，以此警示弱势交通参与者遵守交通规则，躲避、超越、疏忽时确保安全。

弱势交通参与者智慧过街安全警示系统包括：中心控制系统、信息检测系统、信息传递系统、地面警示系统、语音播报系统、能源供应、视觉显示系统。系统框架如图1 所示。

图1 弱势交通参与者智慧过街案例警示系统框架

（1）中心控制系统。中心控制系统是整个弱势交通参与者智慧过街安全警示系统的神经中枢，其主要功能是对收集到的信息进行处理分析，然后向各个子系统下达命令，存储数据，传递数据。

（2）信息检测系统。在人行横道等候区设置警示立柱，其上安装视频检测器，实时监控道路交叉口弱势交通参与者和机动车。视频检测器采用全方位半球摄像头，拍摄范围广，监控范围大，实现多角度检测。半球型摄像头拍摄最远距离为100～300 米，拍摄角度为100～120°，基于拍摄距离和角度，根据交叉口的大小安装数量在2～4 个，适用于绝大部分的过街设施。因检测器安装在人行横道上，加大了检测区域，能有效避免盲区和便于划定视频检测范围。先进的数据采集技术能增强城市交通信息的即时收集和获取能力，为弱势交通参与者、机动车驾驶员以及城市交通系统提供及时、准确、动态的信息依据[18]。

视频检测器拍摄范围包括行人等候区、所辖人行横道、部分的交叉口中心点附近区域和停车线后一段机动车道（具体长度根据实际交叉口大小和安装视频检测器的数量而定）。安全区域范围包括行人等候区、人行横道。当弱势交通参与者出安全区域范围，系统中心控制系统则会进行判断并根据不同阶段违规行为进行警示。

（3）信息传递系统。采用5G 技术，5G 技术具备传播速度快、延迟低和性能好等优点[19]，同时具备高效率的分析信息和信息传递能力，有助于交通的智慧化进展。

（4）地面警示系统。采用嵌入式发光标志道钉，设置在人行横道标线上的两端，稍凸出地面，产生障碍物作用力，使弱势交通参与者与人行横道边界保持一定安全距离。道钉灯色为白色、红闪。发光标志道钉中安装有防眩装置，避免对交通参与者产生眩光影响。禁止过街时，道钉不发光；允许过街时弱势交通参与者获得过街通行权，发光标志道钉为白色光，其灯光作用力为排斥力，提醒着行人和机动车人行横道的位置及边界；当弱势交通参与者跨越超出人行横道区域时，附近的道钉红闪，灯光作用力由排斥力转变为吸引力，诱导弱势交通参与者回到人行横道。

（5）语音播报系统。语音播报系统安装在行人等候区处的警示立柱上。过街前和过街途中若弱势交通参与者未有违规行为，语音播报产生的声音作用力为排斥力，警示弱势交通参与者与安全区域边界保持安全距离；若过街前和过街途中弱势交通参与者有违规行为，声音作用力由排斥力转变为吸引力，诱导弱势交通参与者回到安全区域。实时监测弱势交通参与者数据，违规现象触发语音播报，视情况播报：“您已闯红灯，请退回等候区等候”；“绿灯亮了，请尽快过街；“您已出人行横道安全区域，请回到安全区域”。

（6）能源供应。由安装在警示立柱上的太阳能电池板和配电箱组成，配电箱的输入端可同时接市政供电系统和太阳能电池板，市政供电系统和太阳能电池板可同时为配电箱供电，配电箱对供电电压进行处理后提供给整个系统所需的电压。

（7）视觉显示系统。采用设置在警示立柱上的显示屏，红灯时期其产生的灯光作用力始终对弱势交通参与者产生排斥力，警示弱势交通参与者闯红灯的行为；绿灯时期产生的灯光作用力为吸引力，诱导弱势交通参与者过街。

弱势交通参与者智慧过街安全警示系统过街流程图如图2 所示。

图2 弱势交通参与者智慧过街安全警示系统过街流程

5 实施效果

弱势交通参与者智慧过街安全警示系统确保改进的社会力矢量模型更为有效、准确地模拟慢行交通过街动力学现象。系统实现24h 工作机制，视频检测器的监控范围包括整个交叉口及部分机动车道，监测范围大、准确率高。若弱势交通参与者抵达人行横道，视频检测器对其过街进行全程监控，警示弱势交通参与者闯红灯行为，提醒绿灯亮起，警示出现在人行横道安全区域外的弱势交通参与者。

5.1 技术效果

（1）视频检测器检测范围广、准确率高和影响小。视频检测器能运用于城市道路大型交叉口和各类型路段。设备安装在行人等候区，设备安装维修对道路影响小，安装维修过程不会影响车辆运行。

（2）改进的社会力矢量模型实时考虑了弱势交通参与者过街的情况，增加了灯光作用力和声音作用力，以保障弱势交通参与者安全。其中产生灯光作用力中的发光标志道钉作用尤为重要，是弱势交通参与者安全过街的重要保障。道钉灯光同时提醒机动车前方正处于红灯期间，需减速至停车以礼让行人。

5.2 社会效益

（1）提高弱势交通参与者过街安全。本系统涉及慢行交通过街的整个过程，过街前和过街途中均有相应警示措施，极大地保护了弱势交通参与者过街的安全性。

（2）提高弱势交通参与者过街效率。过街绿灯刚亮起时，利用语音播报器和显示屏进行提醒，过街途中对于出人行横道的弱势交通参与者进行警告，以保障弱势交通参与者自身安全和机动车运行效率。

（3）提高机动车停车让行意识。发光道钉的灯光开启，夜间或不利天气情况下，机动车可在远处便注意到前方有人行横道，提醒机动车提前准备减速让行。

本系统适用于各种慢行交通过街，涵盖了信号和无信号的交叉口和路段。系统中各种设施的安装，相比较于传统过街设施建设成本增加，但对比系统建成后带来的诸多优点，成本高的缺点可以忽略不计，为智慧交通的建设提供基础数据。

6 结论

弱势交通参与者智慧过街安全警示系统是智慧交通中不可缺少的部分。根据弱势交通参与者过街特性改进社会力矢量模型，再按照社会力矢量模型中各个作用力构建弱势交通参与者智慧过街安全警示系统。弱势交通参与者智慧过街安全警示系统以视频检测为核心，并警示违规的弱势交通参与者。使用视频检测监控进入到过街区域的弱势交通参与者，若弱势交通参与者出现在安全区域外，红灯时利用语音播报器和显示屏分别产生灯光作用力和声音作用力，警示闯红灯并在绿灯亮起时提醒过街；绿灯期间发光标志道钉闪烁和语音播报器发出声音警示，产生灯光作用力和声音作用力且都为吸引力，从而提高弱势交通参与者过街安全性、机动车的运行效率。因此，构建的智慧过街安全警示系统保障了弱势交通参与者的过街安全性，尤其对过街途中弱势交通参与者未能规范通行在人行横道安全区域的危险行为进行警示并提醒其再次返回安全区域，对智慧交通的建设与管理具有现实意义。