3D全息投影交通信號燈設計

關清晨 車 帥＊ 劉彥超 孫文洋 高振寧

（沈陽化工大學機械與動力工程學院，遼寧 沈陽 110142）

3D全息投影交通信號燈采用新一代科學技術和信息技術，減少傳統交通信號燈的材料使用，通過車牌識別，在半空中懸浮成像有效地節約了電力等能源的消耗，有利于實現可持續發展。

1 國內城市交通安全設施分析

交通安全設施是城市交通基礎設施的重要組成部分[1]，從使用功能上對城市道路交通設施進行分類是目前常見的一種分類方式，根據道路交通設施的不同功能主要將其劃分為交通信號燈、交通標志標線、交通護欄、交通隔離設施等[2]。

城市道路常見信號燈名稱及作用如表1所示。

表1 城市道路常見信號燈名稱及作用

城市道路根據不同的承載功能，被劃分為機動車道、公共汽車優先車道、非機動車道、人行通道等。由于交通信號燈的設計和設置等存在信號燈時長設置不合理[3]、信號燈亮度低、交通標志設置方位不正確等問題，無法對道路交通進行有效管理，駕駛員無法進行正確行車判斷，從而造成城市的交通受到影響，影響車輛的正常通行，且容易增加交通事故發生的概率。

目前我國解決城市擁堵的主要措施為建設高架橋、隧道、拓寬道路、限行等方法。雖然在一定程度上解決了城市交通擁堵的問題，但機動車的數量也在增長，可能加劇交通擁堵、交通事故頻繁等問題[4]。

2 城市道路交通信號燈的分析

交通信號燈和交通信號標志在城市道路交通中非常常見，我國的交通信號燈根據不同的道路交通需求，由紅、綠、黃三種顏色按序排列組成。

交通信號燈順序排列如圖1所示。

圖1 交通信號燈順序排列

傳統的城市道路交通信號燈的燈桿、燈架都采用金屬材料、型鋼等，在交通路口存在交通標志與道路交通信號燈互相遮擋的現象[5]。

信號燈采用的光源通常是白熾燈和鹵素燈，兩種材料價格便宜，電路比較簡單，但也存在一定的缺點。其一是光效低，達到一定的光輸出水平需要較多的電能；其二是壽命較短，需要定期對光源燈泡進行更換，需要投入大量資金用于維護[6]。

3 全息投影技術在智能信號燈中的應用

全息投影成像應用效果如圖2所示。

圖2 全息投影成像應用效果

全息技術又稱全息照相術、全息攝影術，在照相膠片或平板上通過記錄光波的振幅和相位分布并再現物體三維圖像，產生立體視覺。全息技術通過記錄被攝物體反射（或透射）光波中全部信息（振幅、相位）實現3D視覺效果[7]。

投影技術目前是應用較為廣泛的一種顯示技術[8]。3D全息投影技術也稱虛擬成像技術，基本原理是在拍攝的過程中利用光的干涉原理記錄拍攝物體的光波信息，在成像過程中利用光的衍射原理再次顯現物體相關的光波信息，從而再現物體真實的三維圖像。

全息投影成像原理如圖3所示。

圖3 全息投影成像原理

現階段，合理分配交通信號燈時長是提高道路交會路口車輛通行效率的關鍵，增強道路交通信號燈的可視性與識別性是解決現階段我國城市道路交通安全問題的關鍵節點。因此，改變傳統交通信號燈的固有方式，采用新型科技制作更具有視覺沖擊效果的交通信號燈非常必要。

4 全息投影運用于交通信號燈的優勢

4.1 經濟層面

從經濟層面上看，交通投影信號燈雖然在造價方面高于普通交通設施，但其使用率高，功能完善，能夠有效避免道路交通事故[9]。此外，本項目替換了傳統交通信號燈使用的信號燈立柱、橫臂、電源線、信號線等材料，間接節約了礦產資源以及半導體芯片等昂貴的材料[10]。

4.2 技術層面

從技術層面上看，全息投影技術可以在空中成像，且不需要借助物質作為成像載體，說明其在復雜的城市道路環境中實施具有非常大的可行性。采用新型科技，制作更具有視覺沖擊效果的交通信號燈，可以為司機以及路人提供更清晰、更直觀的交通信號提示[11-12]。

4.3 交通環境

從交通環境方面來看，本項目的新型信號燈打破了傳統信號燈雙方向紅綠燈固定時長的特點，可根據車流量進行智能控制通行時長，在保證安全、節約能源的基礎上，減少了機動車頻繁啟停和無效等紅燈，提高車輛的行駛連續性，進而提高道路交會路口車輛的通行效率[13-15]。

4.4 道路交通安全

從道路交通安全方面來看，傳統交通信號燈在夜間亮度較低，不利于司機夜間行車[16-18]。本項目改善了夜間行車光線差、能見度低的弊端。3D全息投影交通信號燈在夜間的亮度比傳統的LED交通信號燈的亮度高，可見度更好，高清車牌識別系統可以使夜間行車的司機能夠提前知道前方有交通信號燈以及是否為十字路口，提醒司機降低車速，觀察交通信號燈顏色，也可以使夜間的行人在過馬路時的視線更廣闊。

4.5 環境保護

從環境保護方面來看，目前的交通信號燈所采用的制作材料在其生產過程以及原材料開采過程中，都會伴隨額外的碳排放。相較傳統交通信號燈的材料使用，3D全息投影交通信號燈采用新一代科學技術和信息技術，使用環保無污染的3D全息投影儀和高清車牌識別機作為主體結構，再通過計算機進行遠程控制，從而達到交通信號燈的作用。

5 結語

全息投影技術目前在國內的研究尚處在研究開發時期，技術的開發和應用仍在不斷發展和完善。因此，本項目還需要結合數字化技術、自動控制技術等共同研究，針對交通信號燈紅綠燈的時長合理配置，信號燈亮度低等問題后續進行深入研究。本項目目前還處于試驗研究階段，還需要現場中試，最終設計出一款成熟、穩定、適用于現階段道路現況的新型交通信號燈。