車輛通過紅綠信號燈路口預判系統簡介

李偉琪 張 磊 莊 琲

（東北林業大學交通學院，黑龍江 哈爾濱150040）

安裝有紅綠信號燈的十字路口是車流量大、非機動車和行人多、路面情況復雜多變的交通樞紐之一。對于駕駛經驗少、技術欠佳的駕駛員來說，交叉口信號燈由綠變為紅的轉換時段前后，往往會造成駕駛員精神緊張，易對交通狀況產生誤判，陷入駕駛決策中“減速停車”和“繼續通過”的兩難區。當駕駛員由于心理- 生理特性差異而導致判斷失誤時，往往在信號相位交替期間采取危險駕駛行為，例如在速度較高情況下決定停車或者在有效綠燈時間末端盲目加速通過[1]。這兩種危險駕駛行為也是交叉口最為頻發的追尾碰撞和側向碰撞的主要原因。同時車輛的連續急停、急啟不僅會縮短車輛的使用壽命，損壞路面，還會造成能源浪費和環境污染[2]。車輛通過紅綠信號燈路口預判系統具有以下優點：該系統加強了紅綠信號燈對路口各方向匯集車輛的控制，一定程度上緩解了十字路口的交通擁堵狀況。在交通高峰期，該系統有助于后方排隊車輛駕駛員對紅綠信號燈的觀察和判斷，可以有效減少在紅綠信號交替時，駕駛人因心理緊張或對車輛能否通過判斷失誤而導致的急停追尾或盲目加速碰撞。該系統與現有路口的交通設施容易結合，推廣成本低，實用性強。

1 車輛通過紅綠信號燈路口預判系統的組成與原理

如圖1 所示，車輛通過紅綠信號燈路口預判系統由五大模塊組成。

圖1

1.1 車速采集模塊

采用地感線圈測速裝置。要實現對即將通過十字路口車輛的有效預警，需檢測進口道停車線前方一定距離處是否有車輛駛入和駛入車輛的車速。地感線圈測速裝置由車輛檢測器、環形線圈、MCU 等組成。每個車道的兩套車輛檢測器中的測頻電路通過持續監測環形線圈中的頻率變化來判斷是否有車輛通過，MCU 結合通過時間及兩線圈間的固定距離計算出車速并將車速及時傳輸到控制模塊。MCU 選用ARM 的STM32F103芯片，并通過CAN 總線與控制模塊進行通訊發送車速數據。地感線圈測速是目前我國應用很廣泛的車速檢測方法。本系統選用地感線圈測速裝置作為車速采集模塊，提升了整套系統的可推廣復制性。由于靠近十字路口的車輛禁止變道且每個車道的線圈獨立工作，從原理上保證了車速采集模塊的工作穩定性。

1.2 信號燈信息采集模塊

采用智能信號控制機和ZigBee 模塊。首先智能信號控制機對信號燈色進行判斷，當信號燈狀態為綠燈，將綠燈剩余的秒數T2 通過ZigBee 實時傳輸到控制模塊。所述ZigBee 為一種無線連接技術，可靠性高，網絡的自組織能力強。使用該技術，需要外接ZigBee 控制裝置。控制裝置通過無線網絡與智能信號控制機連接，智能信號控制機通過軟件讀取信號燈狀態，通過ZigBee 將信號燈狀態傳輸到控制模塊的單片機，ZigBee 與單片機通過Tx 與Rx 引腳相連[3]。

1.3 控制模塊

采用C51 單片機作為控制核心，51 單片機適用于實現功能較為簡單的控制模塊。單片機從ZigBee 實時接收當前綠燈剩余的秒數T2。系統程序流程圖如圖2 所示，路口車輛進入地感線圈測速區域后，車速數據傳輸至單片機，獲取車速信息后，計算假設車輛以當前車速繼續行駛通過路口所需時間T1,進一步判斷T1是否小于T2，若是，則執行模塊開始工作，若否，則無響應。每條車道的控制模塊、執行模塊、車速檢測模塊獨立工作，簡化了控制算法，提高了整個系統的穩定性。控制模塊的程序設計部分包括：主程序設計、初始化程序設計、延時程序設計、中斷程序設計以及顯示程序設計（如圖2）。

1.4 執行模塊

由發光二極管等構成，不同車道對應不同的發光二極管。各車道控制模塊對T1和T2進行比較判斷，當T1＜T2時，控制模塊向執行模塊傳輸控制信號, 發光二極管與單片機引腳連接，通過單片機控制使發光二極管處于紅色閃爍狀態，直至綠燈倒計時結束變為紅燈。以此提醒駕駛員應提前降低車速，做好停車準備，實現對綠燈結束末期駛入交叉口車輛進行有效預警。

1.5 電源管理模塊

電源管理模塊包括太陽能電池板蓄電池、測速模塊工作電源、LED 工作電源、控制模塊單片機及外圍電路的工作電源。電源模塊由含光伏太陽能電池板、專用充電電路的蓄電池供電，有能源清潔、無觸電危險等優點。其中測速模塊通過逆變器將直流電轉化為交流電，驅動環形線圈工作；控制模塊單片機電壓較小，一般為5V。

圖2

2 系統功能論證

2.1 本系統通過對信號交叉口進口道車輛進行有效預警來增大交叉口進口道的通行能力，從而提高整個交叉口的車流運行效率。

有學者研究發現，隨著我國家庭小汽車保有量不斷增加，城市交叉口的服務效率在一定范圍內呈下降趨勢，由此導致的城市交通擁堵情況不斷加劇[4]。國內外關于信號交叉口通行能力的計算有多種方法，較常用的有美國HCM手冊給出的飽和流率計算法，國內常用的沖突點法、停車線法和城市道路設計規范給出的計算方法。袁晶矜、袁振洲在比較了以上計算方法后得出結論：城市道路設計規范中所采用的計算方法適合于車流趨于飽和的交叉口[5]。而本預警系統面向的大部分使用場景為大中城市中較為擁堵的交叉口，所以本系統原理從以下公式出發進行設計優化：

其中：CS是一條直行車道的通行能力(pcu/h)；Tc是信號周期時長(s)；Tg是每個信號周期內的綠燈時長(s)；T0是綠燈亮后，第一輛車啟動、通過停車線的時間(s)；Ti是直行車輛通過停車線的平均時間(s)是折減系數。

信號交叉口的進口道中還包括直左混行、直右混行、直左右等類型的車道，而這些車道的通行能力也是由上述公式中直行車道的通行能力和轉向車所占比例進行計算的，所以影響某一特定交叉口進口道通行能力的因素即為：T0、Ti、這三個量。T0與駕駛人的駕駛特性有關；Ti與車輛組成、性能以及駕駛員條件有關。實驗表明，通過在進口道上增設上述的預警裝置，可以輔助駕駛員在信號相位交替時的行車判斷，有效增加車流運行的穩定性，縮短了式中Ti和的取值。所以，本系統能夠有效改善駕駛人的駕駛條件，從而增大交叉口的通行能力。

2.2 本系統通過對信號交叉口進口道的車輛進行有效預警，增加交叉口處的行車安全性

為了輔助信號相位交替時段駛近交叉口的駕駛員做出安全合理的決策，美國有地區采取了在交叉口前設置停車線的方法。當黃燈閃爍時，若車輛在停車線前，則應減速停車；若車輛已駛入停車線后，則可通過交叉口[6]。也有地區通過加強交叉口的交通管控來減少交叉口的事故發生數。如制定嚴厲的闖紅燈處罰措施；加設電子監控，對交叉口車輛行駛行為作有力監督；增設信號燈的倒計時裝置或者信號相位末端閃爍燈來輔助駕駛人決策。

以上的這些方法在適用性上各有優劣，目前國內還沒有一種能夠被普遍接受的車輛通過信號交叉口時的安全預警方法。車輛通過紅綠信號燈路口預判系統的設計原理結合了駕駛人行車過程中的生理- 心理特性，可以有效的輔助駕駛人行車決策，同時也減少了駕駛人在緊張狀態下的急停、急啟、搶行、加塞等危險的駕駛行為，能夠增加交叉口的行車安全性。

結束語

本系統易與目前路口的交通基礎設施相結合。加強了原有交通信號燈對大型十字路口的車輛控制，有效發揮了紅綠燈的預警指示作用。未來，在交通強國戰略支撐下，我國交通基礎設施將持續向智能化、綠色化等方向發展。該系統有望為智能交通發展提供底層技術支持。隨著物聯網、大數據、5G 技術深度融合發展，未來實現“車、燈”一對多實時無線通信后，將進一步提升該系統的實用價值。