基于人工智能的交通信號燈系統

膠州市實驗中學 尚文海

基于人工智能的交通信號燈系統

膠州市實驗中學 尚文海

本文提出了一種基于智能信號燈的智能交通系統，包括在交通道路路口設置路邊單元和智能交通信號燈，其中路邊單元包括圖像采集模塊、車輛檢測模塊、擁堵判定模塊和通信模塊，本系統能夠實時檢測道路交通狀況，針對不同的路段可靈活設定不同的擁堵級別闕值，從而自動判斷擁堵情況并對路口各個方向的通信時間進行調整，使交通信號燈更加靈活且智能。

人工智能；交通；信號燈；深度學習

一、前言

從日常生活可見，大部分路口的信號燈的等待時間基本是固定不變的，時間固定不變的信號燈與道路交通環境的多變性顯然是相矛盾的。有一些城市已經意識到了這個問題，從而采取了如交警協助控制信號燈，安裝地磁感應器等傳感器，或按時間段改變信號燈等待頻率等方法，對交通擁堵問題得到了一定的改善，但分時間段的方式并不能從根本上改變信號燈對環境的適應性，交警協助或安裝地磁感謝裝置的方法對人力物力造成了浪費。

二、系統設計

如圖1所示，本文設計的智能控制系統包括在交通道路路口設置的路邊單元和智能交通信號燈。

圖1 系統結構示意圖

其中路邊單元是系統的核心控制單元，由深度學習檢測模型構成的車輛檢測模塊，擁堵判定模塊和通信模塊三個部分組成；智能交通信號燈是主要的顯示單元，包括通信模塊，智能調節模塊與信號燈顯示模塊。車輛檢測模塊的深度學習檢測模型為預訓練，即利用深度學習的方法對包含多種車輛特征的歷史道理交通圖像進行學習，以得到所需的深度神經網絡模型，完成訓練的模型可自動識別高清道路圖片中的車輛，并對車輛的數目進行統計。深度神經網絡模型的訓練過程可是：采集交叉路段的歷史交通數據，包括視頻文件及對應圖片等，數據應具有普遍性盡量清晰且包含盡量多種常見車型，將數據轉為統一大小的圖片，標出圖片中車輛的具體位置并設立相應的位置標簽，從而得到交叉路口路段樣本及位置標簽。將含有位置標簽的圖片數據送入設計好的卷積神經網絡模型中進行訓練，得到對道路交通中的車輛數據特征進行學習后的神經網絡模型，即深度神經網絡模型。

智能交通信號燈，其通信模塊接收來自路邊單元的信息，智能調節模塊根據各路口方向的擁堵等級及當前通行狀態調整對應的通行時間并控制信號燈的顯示，信號燈顯示模塊將顯示調節后的信息。

圖2 智能調節單元流程圖

三、工作流程

路邊單元的工作流程為：

(1)圖像采集：大多路口都有一定數量的路燈，在其上裝配攝像頭就可以完成對整體道路交通圖像的實時采集。

(2)車輛檢測：將攝像頭實時采集到的道路交通圖片輸入車輛檢測模塊(深度神經網絡模型)，自動識別道路交通圖像中的車輛，路口各個方向上檢測到的車輛數目之和就是各路口方向上的實時車流量。

(3)擁堵判定：根據不同的車流量區間設定擁堵級別，車流量越大，其擁堵等級越高，則在通行時間上有更優先的選擇權。

例如將車流量分為三個擁堵等級，分別設置兩個閾值n、m，其中n小于m，若當前車流量c小于n，則對應的擁堵等級為A，若n＜c＜m，則對應的擁堵等級為B，若c＞m，則對應的擁堵等級為C。

我國《道路交通阻塞度及評價方法(國標)》中對城市交通通行交叉路口阻塞的定義是車輛在交叉路口外車行道受阻排隊長度超過500m為阻塞，800m為嚴重阻塞。依照此標準設立闕值，對道路路口各個方向的擁堵情況進行判斷。

(4)信息傳遞：將擁堵判定的結果傳遞到智能交通信號燈。

圖2所示為智能交通信號燈的智能調節的流程圖。

智能交通信號燈收到交叉路口各個方向的擁堵情況后，對交通信號燈的顯示做出調節。檢測信號燈當前正在顯示的通行時間。根據交叉路口各個方向的擁堵等級進行調整，假設當前十字路口有東南西北四個方向，分別用E、S、W、N表示；正在通行則設為正，正在等待則設為負。

基于預設的擁堵等級與調整時間的對應關系：擁堵等級A、B、C分別對應調整時間t1、t2、t3，得到各個路口方向的調整時間t，其中t∈{t1, t2, t3}；

當四個路口方向判斷完畢，則從四個調整時間中查找最大值最為最后的調整時間T，然后結合信號燈的當前顯示時間和通行狀態進行調整：

若當前信號燈為倒計數，則需要判斷倒計數與T的大小關系，即若T超過當前信號燈所倒數的時間，則即刻進行紅燈閃爍黃燈倒數的階段，并判斷下一通行狀態是通行還是等待，若為通行，則為即刻進入的通行狀態調整通行時間為：t+T，其中t為T的相對路口方向的調整時間。

若當前信號燈不是倒計數，則基于通行狀態進行對應的調整，若通行狀態為正時，則將通行時間增加T，若通行狀態為負時，則將等待時間減少T。

四、總結

本文設計的基于人工智能的交通信號燈系統，利用了深度學習算法自動檢測車輛，得出路口的車流量信息；利用道路上已有的路燈，裝配其他所需部件作為路邊單元，節約成本；并且能夠實時檢測道路交通狀況，針對不同的路段可靈活設定不同的擁堵級別闕值，從而自動判斷擁堵情況并對路口各個方向的通信時間進行調整，使交通信號燈更加靈活且智能。

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