基于視頻檢測技術(shù)的自適應(yīng)信號燈配時算法

吳 大 偉

(東北林業(yè)大學(xué)交通學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

1 概述

近年來，隨著經(jīng)濟的不斷增長，城市化、汽車化的急速發(fā)展，交通擁擠、交通肇事、環(huán)境污染等問題日益嚴重。城市交通信號控制的目標(biāo)在于改善交通流的質(zhì)量，并通過對道路上的車輛在交叉口處進行調(diào)節(jié)、警告和誘導(dǎo)以提高運營效率[1]。

近年來，很多學(xué)者均在智能交通信號控制系統(tǒng)及相關(guān)算法提出了創(chuàng)新與改進，其中以計算機技術(shù)和通信技術(shù)為輔助手段的自適應(yīng)控制為主[2]，通過檢測器將檢測的交通流數(shù)據(jù)實時通過網(wǎng)絡(luò)傳到上位機[3]，上位機可以對多個路口信號機進行協(xié)調(diào)，從而提高整個區(qū)域或干線上的運行效率。朱旭東提出一種基于北斗定位系統(tǒng)的智能控制交通信號燈的算法，通過對車流量監(jiān)測獲取相關(guān)控制參數(shù)，實現(xiàn)對信號燈的智能控制，實驗結(jié)果表明該算法可實現(xiàn)自動調(diào)整各相位上周期時長，保證城市交通順暢[4]。晏勇提出一種與智能硬件相結(jié)合的自適應(yīng)交通信號燈控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)控制節(jié)點組建WSN，接收信號強度指示測距算法測試交通燈與等待車輛排行距離，并根據(jù)經(jīng)卡爾曼濾波降噪處理后交通信號燈自動調(diào)整排行距離以及指示通行的時間[5]。袁麗麗針對兩相單交叉路口信號燈的放行時間等控制規(guī)律，以及交叉路口的現(xiàn)有硬件設(shè)施等條件，一種新的交通信號配時優(yōu)化方法被提出。通過獲取交叉路口實時的交通流信息，提取南北方向與東西方向車輛排隊長度，實現(xiàn)信號燈的自適應(yīng)實時控制[6]。李金洋等人提出了一種基于車速的自適應(yīng)交通信號燈控制系統(tǒng)。系統(tǒng)采用車聯(lián)網(wǎng)通訊模式，利用相關(guān)通訊協(xié)議，在汽車通過路口時將車速信息發(fā)送給該路口的交通信號燈，系統(tǒng)通過分析交叉口前方車速信息和交通信號燈當(dāng)前狀態(tài)，進而對紅綠燈的顯示進行控制，實現(xiàn)紅綠燈的實時自適應(yīng)調(diào)整[7]。

本文提出一種基于視頻檢測技術(shù)的自適應(yīng)信號燈配時算法，首先利用光流場法對視頻中進入交叉口的車輛進行識別，并統(tǒng)計交叉路口每個進口各車道中在一個初始信號周期內(nèi)的車輛數(shù)、車輛行駛速度以及加速度，根據(jù)視頻檢測數(shù)據(jù)重新計算信號周期及支路綠燈時間等信號配時參數(shù)，并計算最小綠燈時間，最終根據(jù)最小綠燈時間和支路綠燈時間選擇新的信號周期。

2 自適應(yīng)信號燈配時算法

自適應(yīng)信號燈配時算法流程如圖1所示。設(shè)交叉路口每個進口各車道中在一個初始信號周期C0內(nèi)的車輛數(shù)分別為Ni(i=1,2,3,4)，車輛平均行駛速度為v(t)，車輛平均加速度為a(t)，各支路與主路流量比的最小值為k，則：

(1)

設(shè)配時參數(shù)為r，其具體表達式為：

(2)

重新計算信號周期及支路綠燈時間等信號配時參數(shù)，設(shè)進口車道內(nèi)的車輛加速時間為Tj，延遲時間為E，則：

(3)

(4)

加速距離L可表示為：

(5)

勻速通過交叉口時間F為：

(6)

其中，l為主路交叉口寬度。

加速時間M為：

(7)

則支路綠燈時間Gz為：

Gz=E+F+M

(8)

最小綠燈時間Gmin為：

(9)

其中，vr為行人過街步行速度。

最終確定新的信號周期C為：

(10)

3 基于光流法的車輛檢測

基于視頻圖像處理技術(shù)的車輛檢測器同傳統(tǒng)的車輛檢測器相比，具有安裝維護成本較低、范圍廣、運算速度快等諸多優(yōu)點[8]，因而近年來在智能交通系統(tǒng)中得到了大量的應(yīng)用，針對通過道路攝像頭拍攝的交通序列圖像，研究人員提出了很多視頻圖像處理及分析技術(shù)，每種技術(shù)均有其優(yōu)點與缺點[9]。為實現(xiàn)對交叉口車流量數(shù)據(jù)的精確統(tǒng)計，本文采用光流場法進行交叉口車流量的檢測。

光流場法的基本思想是首先建立整幅圖像的光流場，通過光流場計算圖像中每一個像素點的運動向量，從而檢測出運動目標(biāo)[10]。光流法的基本方程如下：

I(x,y,z,t)=I(x+δx,y+δy,z+δz,t+δt)

(11)

其中，I(x,y,z,t)為在位置(x,y,z)的體素。

設(shè)物體在極短時間內(nèi)位移足夠小，則根據(jù)圖像約束方程的泰勒公式可得：

(12)

其中，?I/?x,?I/?y,?I/?z和?I/?t分別為圖像在(x,y,z,t)這一點向相應(yīng)方向的差分。

結(jié)合式(11)可以得到：

(13)

進而可以得到：

(14)

其中，Vx，Vy，Vz分別為I(x,y,z,t)的光流向量中x，y，z的組成。

最終采用Lucas-Kanade算法對光流(Vx，Vy，Vz)在一個大小為m×m×m(m>1)的小窗中的相關(guān)常數(shù)進行求解[11]。視頻檢測過程及結(jié)果如圖2所示。

4 仿真分析

基于vissim軟件對本文算法進行仿真分析，仿真前對交叉口的相關(guān)參數(shù)進行設(shè)置，其西進口為三車道，出口為兩車道；東進口為三車道，出口為兩車道；南北均為雙向兩車道，其中，東西向為主干道，南北向為支路，車流量相差較大。仿真時首先預(yù)設(shè)隨機車流量，主路與支路的流量基數(shù)依照實際調(diào)查數(shù)據(jù)設(shè)置。當(dāng)主路與支路的流量比為5∶1時，仿真結(jié)果表明，西進口延誤下降37.4%，東進口延誤下降72.3%。西東直行平均排隊隊長縮短了16 m，西東直行最大排隊隊長縮短了16 m，東西直行平均排隊隊長減少15 m，東西直行最大排隊隊長縮短了220 m。西進口行程時間減少了11 s，東進口行程時間減少了71.9 s。西進口通行車輛數(shù)增加了4輛，東進口通行車輛數(shù)增加了31輛。當(dāng)主路與支路的流量比為2∶1時，仿真結(jié)果表明，西進口延誤降低8%，東進口延誤降低7%。西東直行平均排隊隊長減少4 m，西東直行最大排隊隊長縮短了10 m，東西直行平均排隊隊長減少19 m，東西直行最大排隊隊長縮短了54 m。西進口行程時間減少了2.1 s，東進口行程時間減少了6.3 s。西進口通行車輛數(shù)減少了5輛，東進口通行車輛數(shù)增加了9輛。

5 結(jié)語

本文提出一種基于視頻檢測技術(shù)的自適應(yīng)信號燈配時算法，首先利用光流場法對視頻中進入交叉口的車輛進行識別，并統(tǒng)計交叉路口每個進口各車道中在一個初始信號周期內(nèi)的車輛數(shù)、車輛行駛速度以及加速度，根據(jù)視頻檢測數(shù)據(jù)重新計算信號周期及支路綠燈時間等信號配時參數(shù)，并計算最小綠燈時間，最終根據(jù)最小綠燈時間和支路綠燈時間選擇新的信號周期。基于vissim軟件對本文算法進行仿真分析，仿真前對交叉口的相關(guān)參數(shù)進行設(shè)置，其西進口為三車道，出口為兩車道；東進口為三車道，出口為兩車道；南北均為雙向兩車道，其中，東西向為主干道，南北向為支路，車流量相差較大。仿真時首先預(yù)設(shè)隨機車流量，主路與支路的流量基數(shù)依照實際調(diào)查數(shù)據(jù)設(shè)置。仿真結(jié)果顯示，該方法可根據(jù)交叉口主、支路流量比，輸出合適的信號配時指令，進行交通燈控制，從而達到優(yōu)化交通狀況，使交叉口信號控制更為協(xié)調(diào)，合理安排道路資源，提高通行效率，環(huán)型交叉口的擁擠狀況和主、支道路空間資源分配問題，進而解決汽車燃油節(jié)省、車耗和空氣污染的一系列問題。