模型化分析交通信號燈智能控制設備的原理及應用

黃艷華　習建軍　陳威　丁秀梅

摘 要：近年來，城市化進程促進了交通需求的快速增長，大城市的機動車數量正在不斷增加，這對交通體系建設提出了新的需求。在交通需求快速增長的情形下，如何減緩城市道路負荷，解決交通堵塞、行車混亂等問題，是擺在管理者面前的至關重要的問題。文章為應對城市交通管理的問題，模型化分析交通信號燈智能控制設備的原理及應用，通過物聯網嵌入式應用改變信號燈時長，同時為了應對特殊情況，采取用軟件進行遠程控制信號燈，可以減緩交通擁堵，提高了管理效率。

關鍵詞：計數攝像頭;物聯網;嵌入式;信號燈

中圖分類號：U491.51;TP273 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1064（2022）03--03

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2022.03.039

1 構建智能交通信號燈模型

1.1 交通信號燈智能控制的研究意義

隨著社會經濟的發展，城市交通問題越來越突出，人們越來越關注城市交通問題。協調人、車、路三者的關系，促進交通穩定運行，已經成為交通管理部門迫切需要解決的重要問題之一。城市交通控制管理系統是城市交通監控管理系統中最重要的組成部分，用于城市交通中人流量和車輛數據監測、交通預測和交通信號燈控制，是交通疏導的重要管理系統[1]。因此，如何采用合理的交通控制方法，最大程度上利用城市高速交通道路，緩解主干道與匝道、城區及周邊地區的交通堵塞狀況，成為政務部門亟待解決的主要問題，而交通信號燈是解決問題的主要來源之一。

交通信號燈的出現，使得交通道路更加有秩序，社會更加文明，維系著道路與人之間的和諧。但城市道路的路線十分復雜，不易通過傳統的交通信號燈疏導車輛與行人的正常通行，最終容易造成交通擁堵。隨著經濟、社會的發展，當前的交通信號燈已經不能滿足日益繁忙的交通狀況。如何改善交通信號燈以順應時代的需求，讓交通信號燈適應未來實際交通狀況，成為重要的研究課題。

1.2 交通信號燈智能控制的研究思路

目前，全國各地大多數城市采用的都是半自動式的交通信號燈，紅燈綠燈的轉換間隔是固定的，且能夠自動切換。交通信號燈通常由紅黃綠三色信號燈組成，傳統的信號燈無法智能切換和調控通行與禁止的時間間隔。但在實際道路監測中，不同時刻不同道路的車流量和道路狀況是復雜而難以確定的，具有高度的隨機性，經常受到人為、自然等不可控因素的影響。

采用定時控制的缺點非常明顯，容易造成道路時間的浪費，降低通行效率。而其最大的缺陷就在于當道路狀況發生變化時，例如節假日或惡劣天氣狀況下，道路狀況很有可能不能滿足行人與司機的真實需要，容易造成時間浪費，甚至直接導致交通擁堵。

1.3 交通信號燈智能控制的系統模型

交通信號燈系統模型如圖1所示。

2 對智能交通信號燈的技術分析

2.1 道路之眼——攝像頭

客流技術攝像頭采用雙目客流計算，即使用兩個與人眼相似的相同計算機，并且兩個攝像頭獲得的圖像通過一系列計算獲得3D圖像。在雙目客流中，能夠獲得三維信息，例如人的身高信息，檢測到1 m～2 m高度的圖像，人臉大多數處在這個范圍，意味著能夠很容易獲取人的位置信息，人的數量也顯而易見，同時可以消除光線的干擾。

車輛計數系統攝像頭采用動態策略檢測算法，可以將車輛分類檢測，通過軌跡跟蹤分析車輛，具有強大的車輛跟蹤計數功能。通過攝像頭精確識別車輛的位置信息，然后分析和估計運動軌跡，并根據該軌跡中包含的汽車的運動狀態進行計算，可以準確檢測和計算車輛的數量，為信息采集提供必要保障，獲得更加準確的數據[2]。

2.2 數據傳輸——WIFI模塊

串口WIFI模塊是低功耗的無線傳輸模塊，外接UART接口，支持串口透明數據傳輸方式，并具備多模安全能力，支持TCP/IP和IEEE802.11協議棧，實現用戶串口到無線網絡之間的信息傳輸。

遠程交通系統模型選用了（WIFI模塊）ESP8266，它支持STA/AP/STA+AP三種工作模式，可以隨程序的更改而改變執行模式。ESP8266模塊利用路由器連接到互聯網，可以利用手機或電腦通過互聯網實現對設備的遠程控制，并獲取數據。通過ESP8266的RX和TX引腳可以建立起與單片機的通信，形成了信號燈遠程控制的基本模型。相比后兩種工作模式，這種工作模式實現步驟更加簡潔，易于實現，控制端通過特殊的加密算法，使得整個體系更加安全。

通信流程如圖2所示。

2.3 控制核心——單片機

單片機是在一個半導體硅片上，集成了中央處理單元（CPU）、存儲器（RAM和ROM）、并行口、串行口、定時/計數器、終端系統、系統時鐘電路及系統總線、用于測控領域的單片機微型計算機，具有簡單方便、易于實現、功能齊全、性能可靠的優點[3]。市面上大多數單片機都具有高效的運算速率，且具有多種功能接口，能夠更好地提供外設接口，為信號燈智能控制設備模型制作提供了更充分的準備。

單片機的功能模塊框圖如圖3所示。用CPU提供面向控制的位處理和位控功能，單片機執行程序將單片機需要的各類操作用指令的形式寫下來，并賦予它系統指令，一條指令對應一個基本操作，通過一條指令實現對硬件的控制，從而實現不同的功能。單片機能夠執行的全部指令，就是這個單片機的指令系統。WIFI模塊接收的數據，可以傳入單片機，給單片機寫入指令進行數據處理，控制傳感設備進行不同的操作。

2.4 定位輔助——北斗/GPS

北斗導航定位和GPS導航定位是當前社會主流的兩款導航系統，智能交通體系建設離不開定位服務的應用。定位模塊中擁有多個連接通道，可同時與數顆衛星相連接，只有同時收到3顆以上衛星信號并經過復雜運算后，才能獲得正確的定位數據。同時，通信衛星顆數越多，模塊就能越快、越準確地獲得定位數據。交通系統的智能化在于確定各個路口和各個方位的道路狀況，把這些信息相結合，組成一張巨大的信息網，更智能地調控紅綠燈時長[4]。在川流不息的馬路上，每一個路口都是一個節點，一個路口發生擁堵，勢必影響上一個路口的交通，嚴重的甚至使大面積交通網絡癱瘓。因此，每一個節點的信息都至關重要。借助北斗或GPS可以迅速得到每個路口的信息，經過信息整合得出準確的執行方案，確保各路口都能通暢。

3 智能交通信號燈的云技術支持

3.1 AI計算

有了硬件基礎還不夠，軟件應用是整個系統的核心。當前，智能系統大多基于云平臺搭建，這種新的支持應用的方式有著巨大的潛力。AI能夠構建與人類相似甚至超越的推理、學習、交流、感知、移物、規劃以及使用工具和操控機械的能力，通過AI計算，根據每一個監測點的車流量信息，智能調控紅綠燈時長，以改善道路交通運行情況。

遇到緊急情況時，AI還要識別出一些突發事件并作出準確判斷，當急救車等特殊車輛經過時，要優先通行，AI通過識別車輛的警報聲和電子監控判斷特殊車輛行進方向，根據各路口匯總信息，提前在下一路口開啟綠色通道。

通過對流量檢測數據進行模型化處理，并進行數據融合、數據清洗，再基于強化學習神經網絡，就能利用AI智能調控信號燈。

3.2 云計算

云計算是一種基于互聯網的大規模數據計算方式，能夠按照用戶實際需求，將共享的各類信息和資源提供給計算機或其他設備。利用云計算技術，能夠提供可靠的軟硬件基礎和豐富的網絡資源，可以降低構建和管理能力的成本，它改變了傳統信息技術服務架構，在交通信號燈上展現決定性的需求與應用[5]。

3.2.1 基于云計算的短時交通流量預測

信號燈的調控是實時的，但各路口的數據量極其龐大，要在短時間內精準計算并得出一套完整的解決方案并不容易。在云計算技術的支持下高效管理和使用資源，通過云計算的協調應用，使得分布式資源得到了充分利用，使得資源共享、信息交互更加快速，可以控制成本預算并可解決一些實時問題，提高工作效率，簡化人力、物力、財力，使信息技術更好地服務于人們的生活。

3.2.2 交通信號智能控制

智能交通信號控制系統主要以實時準確的交通道路狀況的數據作為控制依據，同時結合北斗/GPS定位系統、攝像頭視頻監控系統等信息采集方式，實時采集現場數據，并且直接利用前端設備可實現對各路口的交通流量控制。匯總采集到的所有信息，為區域交通控制方案的制定提供了重要的數據支持，同時實現了基于云計算的智能交通控制。

在交通領域應用云計算技術能夠充分利用實時交通信息數據，為交通管理提供重要的數據支持，制定更準確、更合理的交通控制方案，加快交通領域的發展。

3.3 大數據

大數據技術可對海量數據進行分布式數據挖掘，依托云存儲、虛擬化技術和云計算的分布式處理、分布式數據庫應用。智慧交通體系下，每個路口在每分每秒的每個狀態都是數據量，數據多且繁雜，依托大數據進行數據分析和數據可視化，復雜的數據將簡化，提高計算速度和時效。

應用大數據技術能夠監管和記錄城市中各個路口各個路段中的車輛，可以實時調節信號燈變化，改善擁堵的交通環境。利用大數據技術以后，可大大提升道路通暢程度和工作效率，降低車輛發生擁堵的概率和交通工作負擔。

在不斷發展中，大數據技術在交通領域中的應用變得非常普遍，使智慧交通得到了進一步完善和發展。大數據的應用帶來的最重要的成果是實現了智能決策，有了大數據，AI和云計算才會有更長遠的發展。

4 面向智能交通信號燈的應用前景

目前，在城市與科技不斷互聯應用和發展下，我國逐漸進入發展智能城市的進程中，信號燈是智能城市交通中的關鍵一環，智能信號燈在北斗定位技術的技術上，獲得高精度的定位數據，使用智能監控系統采集車輛與人流量的數據，在城市交通管理工作涉及的信息量越來越大，通過云計算與大數據技術，處理大規模的流量數據，隨后將數據收錄到Al智能計算系統，通過控制系統反饋給目標交通信號燈，以達到隨機應變復雜的交通系統。在原始信號燈下進行改革創新，對智能城市交通建設進程上產生積極影響。

智能交通信號燈被廣泛應用在城市交通，在地勢復雜的交通道路上，可減少交通事故發生的可能性。在交通信號燈智能控制的背景下，在時間方面，縮短了車輛滯留時間，減緩了城市的交通擁堵現象;在經濟方面，加快了貨幣的流通速度，提高了經濟效益;在生活方面上，給人們提供了更加便捷的服務。面對緊急救援，交通信號燈開啟禁行模式，爭取寶貴時間。隨著智能城市的不斷推進，未來，智能交通信號燈依然會占有巨大的市場，為社會帶來巨大的效益，以及受到群眾大力支持。在這樣的背景下，智能交通信號燈將不斷優化與創新并日益發展壯大[6]。

5 結語

隨著道路建設不斷發展，交通信號燈智能化的時代必將到來，屆時，交通體系的硬件設施將會全面提升并走向智能化，物聯網生態體系和嵌入式在交通領域有了更深層次的發展和應用。科技改變生活，科技引領生活，在生活快節奏發展的今天，要立足于科技創新、技術創新，樹立與時俱進的理念，使人們的生活更加便捷，為推動經濟社會發展貢獻力量。

參考文獻

[1] 王甫，岳宏梅，江德松，等.智能交通信號燈控制系統[P].中國：CN205541441U，2016.

[2] 張洪森，劉添，趙玉紅，等.智能交通信號燈的研究與設計[J].工業控制計算機，2020，33（10）：132-133.

[3] 嚴潔.單片機原理及其接口技術[M].北京：機械工業出版社，2010.

[4] 高星偉，過靜珺，程鵬飛，等.基于時空系統統一的北斗與GPS融合定位[J].測繪學報，2012，41（5）：743-748，755.

[5] 張路，譚蒙.智慧交通中智能信號燈的應用探討[J].天津科技，2020，47（7）：97-99，102.

[6] 王雪.淺析云計算在網絡體系構建中的應用及發展[J].中國設備工程，2021（18）：109-110.

基金項目：新余學院創新訓練項目“交通信號燈智能控制器”（DC202001002）