智能交通灯系统设计

智能交通灯系统设计

1.背景及意义

1.1.目的与意义

随着社会经济的发展，城市交通问题也越来越引起人们的关注，交通堵塞也成为人们每天必须面对的问题；交通堵塞不但浪费大量的时间，而且排队过程中刹车和怠速会浪费能源，同时也造成空气污染，如何有效的降低城市交通堵塞，协调好人、车、路三者之间的关系，已成为各大城市面临的难题之一。交通灯系统作为交通系统中的重要元素，对缓解交通堵塞扮演者重要角色。随着现在社会的飞速发展，红绿灯在道路上比较普遍，几乎每个路口都会出现，尤其是较大的路口，变换时间周期更长，效率低。因此，如何保证紧急车辆在道路上不受红绿灯的限制但又不闯红灯，使之畅通无阻的行驶，这便成为亟待解决的问题。本文主要针对这些问题，提出了智能交通灯系统的设计，该系统能够智能合理地设置红绿灯的时长以及相位的切换，就能够减少一个周期内十字路口前排队的车辆，从而有效地缓解交通堵塞。

1.2.国内外现状

交通灯诞生于19世纪的英国，1958年，在英国伦敦主要街头安装了以燃煤气为光源的红、蓝两色的机械扳手式信号灯，用以指挥马车通行。1868年，英国机械工程师纳伊特在伦敦威斯敏斯特区的会议大厦前的广场上安装了煤气红绿灯。1914年，电气启动的红绿灯出现在美国，这种红绿灯由红绿黄三色圆形的投光器组成。1918年又出现了带控制的红绿灯和红外线红绿灯，带控制的红绿灯，一种是把压力探测器按在地下，车辆接近时，红灯变为绿灯；另一种是用扩音器来启动红绿灯，司机遇红灯是按一下喇叭，就使红灯变为绿灯。红外线红绿灯当当行人踏上对压力敏感的路面时，它就能觉察到有人要过马路。红外光束能把红灯延长一段时间，推迟汽车放行。信号灯的出现，对交通进行有效管理，疏导交通流量、提高了道路通行能力，减少交通事故具有显著效果。欧洲及日本在交通灯的研究上起步较早，美国于上世纪九十年代才开始逐渐重

视智能交通信号控制系统的研究。

20世纪70年代末，澳大利亚成功研制出了SCATS系统，该系统采用分层控制，以饱和度和综合量为主要依据，分别对信号周期、相位差和绿信比进行优选，该系统没有建立数学模型而是根据情况从各种已经制定的方案选择最优的方案，但是该系统配时方案有限。20世纪70年代初，英国研制出了SCOOT系统，该系统是一种自适应系统，采用小步长渐进寻优的办法，以使配时参数随交通流量改变而作适量调整，从而短期内适应交通流量的变化趋势，以防止因配时突变而引起的车流不稳定。

2015年，英国推出了全面升级的SCOOT摄像技术智能交通灯系统，该系统采用的是视频摄像技术，通过自动计算需要过马路的人群数量来调整相应的红绿灯时间。当检测到大量的行人在等待，系统会自动延长绿灯放行的时间，让人们有充足的时间过马路。此外，如果检测到没有人过马路，以及有人按了穿行键就走了的情况，系统会自动切换到“呼叫取消”状态而不激活绿灯。

另外在行人方面，通过采用puffin人行道，该系统也可以提高行人穿越马路时的安全系数。现在，这种人行道在信号灯箱上安装了传感器，探测到有行人等待时，就能主动更换信号灯颜色。不同于以前的pelican人行道，升级后的信号灯从红绿灯图案转换为人形的“行走/停止”样式，方便了对信号灯颜色查看有障碍的残障人士，还省去了换信号时的闪烁过程。

国内对交通的研究主要集中在交通流的微观模拟与仿真、交叉口交通控制策略优化以及交通流参数的检测与车流量监测等几个方面。大连理工大学提出的基于视频虚拟监测线特征的交通流参数检测系统已经在PC上实现，并对不同典型天气下的交通流下的视频做了实验，结果表明该系统具有较高的车流统计精度。西南交通大学提出了交叉口信号的评价指标、系统组成原理以及交叉口信号控制常用方法，分析平面交叉口的安全性、通行能力和车辆延误等主要技术指标。山东大学提出以城市交通信号为研究对象基于混沌时间序列的城市交通流短时预测模型与研究方法，为后续的交通信号控制提供必要的交通流数据。大连海事大学采用模糊逻辑、遗传算法和神经网络等智能理论，对单交叉口展开研究，确保车流可以最小延误地顺畅通行，以缓解城市交通拥堵造成的危害。哈尔滨工业大学分析了智能交通信号灯控制所需的关键技术和发展现状，建立

了基于图像处理的智能交通灯控制系统，并通过实验验证了该系统的有效性。南京邮电大学对基于视频的车辆检测与跟踪的算法进行了研究与实现，并取得了良好的实验效果。

国外的交通灯控制系统在国内的实用性有待进一步验证，根据调研目前国内采用西门子提供的SCOOT智能控制系统，也是国内规模最大、最先进的控制系统。该系统虽然在一定程度上缓解了城市交通拥堵问题，但是随着社会的发展，该系统也逐渐暴露出了种种缺陷，如配时的有限性，据调研发现大部分路口的交通灯系统配时只有几个预先设置好的时间，交通灯根据埋藏在距离路口100左右地下的感应线圈粗略算出车流量，再根据流量选择配时，而且相位不可以切换，只能按顺序一个一个完成，这就导致当其中一个相位没有或者车很少而另外的相位车流很大，排队车辆很多时，车少的相位的交通灯依然要经过一个红绿灯周期，而车流量很大的相位只有等到轮到该相位时车辆才能通行，这样既造成交通拥堵还浪费了时间，还有我们经常晚上通过十字路口时，即使其他方向没车没行人，但是遇到红灯依然要等候；鉴于此，设计了一种基于PLC控制的智能交通灯系统。

2.总体方案设计

针对现实中交通堵塞问题，本文提出了一种通过控制器智能控制交通灯的时间的解决方案，该控制系统的主要构思如图2-1流程图所示。

图2-1总体流程图

基于PLC的智慧交通灯采用红外传感器与声音传感器相配合的感知系统，红外传感器实时计算通过路口的车流量，并且实时与微处理器通讯，反馈车流量数据。同时声音传感器采集相应车辆声音频率，如消防车、医疗车等具有特殊发声器的特殊车辆。若匹配对应频率，将数据及时反馈给微处理器。经由微处理器计算处理，统计出车流量数据和标识特殊车辆。

一方面微处理器可以通过车流量数据与特殊车辆数据控制交通灯本体，自适应改变交通灯红绿灯时间。在车流量高峰期，如上下班以及上下学等特殊时期，增加或减少红灯时间，车辆能够有序快速通过路口，利于减少交通堵塞。若遇特殊情况，如火灾、事故，通过声音传感器识别到特殊车辆，减少相应车道的红灯时间，特殊车辆能够快速通过，及时救灾，减少人员财产损失。

另一方面通过Zigbee、Wifi、4G网络等无线通信协议，车流量数据与特殊车辆数据传送到云端。经过云计算与云数据存储，开放相应接口，提供给车辆