談非接觸行人過(guò)街信號(hào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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摘要:為避免行人在過(guò)街時(shí)與外界進(jìn)行接觸，降低病毒傳播的風(fēng)險(xiǎn)和概率，為疫情防控提供必要的保障，設(shè)計(jì)了一種基于感應(yīng)控制裝置的非接觸行人過(guò)街系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用紅外識(shí)別技術(shù)對(duì)過(guò)街行人進(jìn)行手勢(shì)信號(hào)的識(shí)別，確定行人過(guò)街的請(qǐng)求，然后通過(guò)行人流量檢測(cè)子系統(tǒng)和車(chē)流量檢測(cè)子系統(tǒng)，分別對(duì)請(qǐng)求過(guò)街的行人流量和排隊(duì)車(chē)輛進(jìn)行檢測(cè)。從而通過(guò)信號(hào)控制子系統(tǒng)對(duì)檢測(cè)所得的信息進(jìn)行處理，并做出相應(yīng)的信號(hào)燈控制。同時(shí)，該系統(tǒng)增設(shè)了行人過(guò)街輔助系統(tǒng)，保障行人過(guò)街安全。

關(guān)鍵詞:非接觸，紅外感應(yīng)，行人過(guò)街，流量檢測(cè)，信號(hào)控制

引言

目前行人過(guò)街主要是利用機(jī)動(dòng)車(chē)紅燈相位，而信號(hào)配時(shí)的設(shè)置主要依據(jù)是優(yōu)化機(jī)動(dòng)車(chē)流［1］，這就容易導(dǎo)致行人等待時(shí)間過(guò)長(zhǎng)以及等候延誤，行人違章過(guò)街的現(xiàn)象頻發(fā)。行人作為交通活動(dòng)中的弱勢(shì)群體，在由違章過(guò)街引發(fā)的交通事故中［2］，受傷的往往也是行人。因此，為減少行人的等候過(guò)街時(shí)長(zhǎng)、提高城市交通系統(tǒng)安全性以及運(yùn)行高效性，需對(duì)行人過(guò)街系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的開(kāi)發(fā)和利用。行人過(guò)街信號(hào)系統(tǒng)是行人過(guò)街系統(tǒng)的重要組成部分，可分為兩大類:按鈕式行人過(guò)街信號(hào)系統(tǒng)和感應(yīng)式行人過(guò)街信號(hào)系統(tǒng)。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)行人過(guò)街開(kāi)關(guān)系統(tǒng)的研究多為按鈕式的行人過(guò)街請(qǐng)求裝置，即過(guò)街行人直接按下請(qǐng)求按鈕，并將請(qǐng)求過(guò)街信號(hào)傳遞至監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。為了增強(qiáng)行人過(guò)街的安全性，此系統(tǒng)在有較多行人過(guò)街需求的路段得到了廣泛的應(yīng)用。但由于按鈕易損壞、按鈕失靈致使系統(tǒng)反應(yīng)不及時(shí)，以及行人的忽視等原因［3］，按鈕式行人過(guò)街開(kāi)關(guān)系統(tǒng)的使用率較低。同時(shí)，由于疫情的出現(xiàn)，其使用也受到一定的限制。為降低病毒傳播的概率和風(fēng)險(xiǎn)，防止疫情擴(kuò)散，人們?cè)谕獬鰰r(shí)不僅需要佩戴口罩，同時(shí)也需要避免雙手與外界物體的直接接觸，這就導(dǎo)致按鈕式開(kāi)關(guān)失去了它原本的作用，所以需要一種非接觸式的行人過(guò)街信號(hào)開(kāi)關(guān)系統(tǒng)。該系統(tǒng)既能感應(yīng)行人過(guò)街請(qǐng)求，又能夠避免直接接觸、降低病毒感染的風(fēng)險(xiǎn)?，F(xiàn)有的感應(yīng)式行人過(guò)街信號(hào)系統(tǒng)不夠完善，無(wú)法避免行人惡作劇所做出的感應(yīng)手勢(shì)，容易造成交通秩序混亂。目前，非接觸式感應(yīng)裝置有人臉識(shí)別的感應(yīng)控制裝置以及人體紅外檢測(cè)模塊(基于紅外線技術(shù)的自動(dòng)控制模塊)等。本文基于紅外感應(yīng)原理，提出一種非接觸行人過(guò)街信號(hào)系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)對(duì)過(guò)街行人出示的過(guò)街手勢(shì)信號(hào)進(jìn)行感應(yīng)，將過(guò)街信號(hào)傳遞至檢測(cè)子系統(tǒng)，然后由車(chē)流量檢測(cè)子系統(tǒng)判斷信號(hào)燈是否需要轉(zhuǎn)換為行人信號(hào)相位，如需轉(zhuǎn)換，則通過(guò)行人流量檢測(cè)子系統(tǒng)檢測(cè)過(guò)街行人流量并傳遞至信號(hào)控制子系統(tǒng)進(jìn)行行人綠燈相位時(shí)長(zhǎng)的計(jì)算。

1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理

1．1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

非接觸行人過(guò)街信號(hào)系統(tǒng)主要由感應(yīng)子系統(tǒng)、檢測(cè)子系統(tǒng)以及信號(hào)控制子系統(tǒng)3個(gè)子系統(tǒng)組成，并設(shè)置有語(yǔ)音提示裝置以及人行橫道護(hù)欄等行人過(guò)街輔助設(shè)施［4］。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖見(jiàn)圖1。以上各個(gè)子系統(tǒng)相互聯(lián)系，以實(shí)現(xiàn)行人過(guò)街信號(hào)的傳遞，規(guī)范行人過(guò)街行為，維持正常的人—車(chē)通行秩序。

1．2系統(tǒng)工作原理

非接觸行人過(guò)街信號(hào)系統(tǒng)采用紅外識(shí)別技術(shù)對(duì)過(guò)街行人進(jìn)行手勢(shì)信號(hào)的識(shí)別，確定行人過(guò)街的請(qǐng)求，然后通過(guò)行人流量檢測(cè)子系統(tǒng)和車(chē)流量檢測(cè)子系統(tǒng)，分別對(duì)請(qǐng)求過(guò)街的行人流量和排隊(duì)車(chē)輛進(jìn)行檢測(cè)。從而通過(guò)信號(hào)控制子系統(tǒng)對(duì)檢測(cè)所得的信息進(jìn)行處理，并做出相應(yīng)的信號(hào)燈控制。同時(shí)，該系統(tǒng)還增設(shè)了智能人行道護(hù)欄和語(yǔ)音提示裝置等行人過(guò)街輔助系統(tǒng)，能夠有效保障行人過(guò)街安全。

2感應(yīng)子系統(tǒng)

2．1感應(yīng)子系統(tǒng)組成

感應(yīng)子系統(tǒng)采用紅外識(shí)別技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)行人過(guò)街手勢(shì)信號(hào)的識(shí)別。紅外感應(yīng)子系統(tǒng)包括紅外發(fā)射器、紅外接收器、信號(hào)處理器、中央處理器。紅外感應(yīng)子系統(tǒng)是利用紅外線來(lái)探測(cè)物體的測(cè)量器件，內(nèi)部發(fā)射特殊紅外線光波，相當(dāng)于數(shù)據(jù)流，也就是數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)成紅外信號(hào)—紅外信號(hào)轉(zhuǎn)成數(shù)字信號(hào)，達(dá)到控制信號(hào)傳輸?shù)男Ч?/p>

2．2感應(yīng)子系統(tǒng)的工作流程

感應(yīng)子系統(tǒng)的工作流程見(jiàn)圖2。1)由紅外發(fā)射器發(fā)射紅外線，以感應(yīng)請(qǐng)求過(guò)街行人的手勢(shì)動(dòng)作。2)由紅外接收器接收反射回的紅外線，并將接收到的紅外線發(fā)送至信號(hào)處理器。3)由信號(hào)處理器根據(jù)接收到的紅外線信號(hào)判斷手勢(shì)指令，將手勢(shì)指令發(fā)送至中央處理器，中央處理器將預(yù)先設(shè)定好的手勢(shì)指令進(jìn)行對(duì)比。若與預(yù)先設(shè)定的手勢(shì)指令相符合，則將此信號(hào)傳遞至檢測(cè)子系統(tǒng);若與預(yù)先設(shè)定的手勢(shì)指令不相符合，則不傳遞信號(hào)。

3檢測(cè)子系統(tǒng)

3．1車(chē)流量檢測(cè)子系統(tǒng)

車(chē)流量檢測(cè)子系統(tǒng)包括紅外車(chē)流量檢測(cè)器，數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)模塊，蜂鳴器，LED指示燈和單片機(jī)。其中紅外車(chē)流量檢測(cè)器用于檢測(cè)車(chē)道內(nèi)實(shí)時(shí)車(chē)流量，它采用紅外避障傳感器，可以準(zhǔn)確的測(cè)出實(shí)時(shí)車(chē)流量。然后將車(chē)流量信息傳遞給單片機(jī)，通過(guò)單片機(jī)內(nèi)部運(yùn)行程序塊計(jì)算交通飽和度。無(wú)行人過(guò)街需求的情況下，信號(hào)燈將一直維持機(jī)動(dòng)車(chē)相位綠燈。在接收到感應(yīng)子系統(tǒng)所傳遞的行人過(guò)街信號(hào)后，車(chē)流量檢測(cè)子系統(tǒng)將交通飽和度與預(yù)先設(shè)定的交通飽和度臨界值進(jìn)行對(duì)比，由此判斷信號(hào)燈接下來(lái)的信號(hào)相位為行人相位綠燈或者機(jī)動(dòng)車(chē)相位綠燈。具體相位判斷流程如圖3所示。當(dāng)交通飽和度小于0．7時(shí)，判斷為平峰流量，信號(hào)相位由機(jī)動(dòng)車(chē)相位綠燈變?yōu)樾腥讼辔痪G燈。當(dāng)交通飽和度不小于0．7時(shí)，判斷為高峰流量，相位仍為機(jī)動(dòng)車(chē)相位綠燈，經(jīng)過(guò)Tpw(行人可接受等待時(shí)間)后，信號(hào)相位由機(jī)動(dòng)車(chē)相位綠燈變?yōu)樾腥讼辔痪G燈。據(jù)調(diào)查顯示，通常行人可接受時(shí)間為40s，當(dāng)行人等待時(shí)間超過(guò)40s時(shí)，行人會(huì)冒險(xiǎn)穿越人行橫道，因此行人等待時(shí)間在40s以內(nèi)為宜，可設(shè)置行人等待時(shí)間為30s［6］。

3．2行人流量檢測(cè)子系統(tǒng)

行人流量檢測(cè)子系統(tǒng)采用紅外熱成像技術(shù)對(duì)請(qǐng)求過(guò)街的行人流量進(jìn)行檢測(cè)。該系統(tǒng)在請(qǐng)求區(qū)域上方安裝一臺(tái)行人紅外熱成像檢測(cè)儀［5］，若接收到感應(yīng)子系統(tǒng)所傳遞的行人過(guò)街信號(hào)，將對(duì)行人流量進(jìn)行檢測(cè)，然后傳遞至信號(hào)控制子系統(tǒng)，根據(jù)行人流量進(jìn)行合理的信號(hào)配時(shí)。

4信號(hào)控制子系統(tǒng)

4．1信號(hào)傳遞

信號(hào)控制子系統(tǒng)與檢測(cè)子系統(tǒng)相連接，車(chē)流量檢測(cè)子系統(tǒng)中的判斷結(jié)果以及行人檢測(cè)子系統(tǒng)所測(cè)行人流量將傳遞至信號(hào)控制子系統(tǒng)，再由信號(hào)控制子系統(tǒng)傳遞信號(hào)至行人信號(hào)燈以及機(jī)動(dòng)車(chē)信號(hào)燈。

4．2工作原理

車(chē)流量檢測(cè)子系統(tǒng)中的判斷結(jié)果傳遞至信號(hào)控制子系統(tǒng)，若判斷結(jié)果為機(jī)動(dòng)車(chē)相位綠燈變?yōu)樾腥讼辔痪G燈，則根據(jù)行人流量檢測(cè)子系統(tǒng)所測(cè)得行人流量進(jìn)行合理相位配時(shí)后，將配時(shí)信息傳遞至信號(hào)燈，并由信號(hào)燈做出相應(yīng)的反映。在行人相位綠燈即將轉(zhuǎn)換為機(jī)動(dòng)車(chē)相位綠燈的前5s內(nèi)，若行人等候區(qū)仍有過(guò)街需求，則根據(jù)車(chē)輛排隊(duì)狀況，確定信號(hào)燈的信號(hào)相位。此時(shí)，若車(chē)流量檢測(cè)裝置未檢測(cè)到較多排隊(duì)車(chē)輛，行人相位可適當(dāng)增加10s的綠燈時(shí)間，當(dāng)車(chē)流量檢測(cè)裝置顯示車(chē)輛較多時(shí)，則不增加行人通行時(shí)間，按原時(shí)間正常切換信號(hào)燈相位。

5輔助設(shè)施

5．1智能人行道護(hù)欄

護(hù)欄主要由控制立柱、啟閉門(mén)和三輥閘護(hù)欄組成［7］，安裝于人行橫道和行人等待區(qū)之間，左右兩邊與人行道護(hù)欄相連接，如圖4所示。智能人行道護(hù)欄的工作原理如下:當(dāng)行人信號(hào)燈變?yōu)榫G燈時(shí)，供行人通行的啟閉門(mén)向上折疊，啟閉門(mén)開(kāi)啟，行人可過(guò)街;當(dāng)行人信號(hào)燈變?yōu)榧t燈時(shí)，供行人通行的啟閉門(mén)向下復(fù)位，啟閉門(mén)關(guān)閉，避免行人違規(guī)過(guò)街。同時(shí)考慮到會(huì)有行人在護(hù)欄關(guān)閉時(shí)未能及時(shí)通過(guò)而被滯留在路段中，因此在啟閉門(mén)的一側(cè)設(shè)置了三輥閘式護(hù)欄，只允許行人從路段到人行道方向的單向通行。

5．2語(yǔ)音提示裝置

語(yǔ)音提示裝置與手勢(shì)感應(yīng)裝置安裝在一處。當(dāng)有行人進(jìn)行手勢(shì)感應(yīng)時(shí)，若手勢(shì)與預(yù)先設(shè)定的手勢(shì)指令相符合，則語(yǔ)音提示裝置播報(bào):“手勢(shì)正確，請(qǐng)等待綠燈”;若手勢(shì)與預(yù)先設(shè)定的手勢(shì)指令不相符，則語(yǔ)音提示裝置播報(bào):“手勢(shì)錯(cuò)誤，請(qǐng)重新進(jìn)行驗(yàn)證”。當(dāng)行人信號(hào)燈變?yōu)榧t燈時(shí)，語(yǔ)音提示裝置播報(bào):“紅燈請(qǐng)留步，禁止跨越啟閉門(mén)”;當(dāng)行人信號(hào)燈變?yōu)榫G燈時(shí)，語(yǔ)音提示裝置播報(bào):“綠燈，啟閉門(mén)已開(kāi)啟，請(qǐng)盡快通行”。

6結(jié)語(yǔ)

本文主要設(shè)計(jì)了非接觸式的紅外感應(yīng)子系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用紅外感應(yīng)裝置對(duì)行人所發(fā)出的過(guò)街請(qǐng)求進(jìn)行手勢(shì)識(shí)別，并將過(guò)街信號(hào)經(jīng)由中央處理器傳遞至檢測(cè)子系統(tǒng)，然后通過(guò)對(duì)請(qǐng)求過(guò)街行人流量以及機(jī)動(dòng)車(chē)流量的檢測(cè)，判斷信號(hào)控制子系統(tǒng)是否改變信號(hào)燈的信號(hào)相位，并進(jìn)行合理的信號(hào)配時(shí)的指令，最后由信號(hào)燈執(zhí)行命令。同時(shí)，為了更好地將行人與機(jī)動(dòng)車(chē)分離，減少行人闖紅燈的違反交通法規(guī)的行為，進(jìn)一步增加行人過(guò)街的安全性，設(shè)計(jì)了一種行人過(guò)街輔助系統(tǒng)。依據(jù)紅外識(shí)別技術(shù)，將按鈕式行人過(guò)街開(kāi)關(guān)系統(tǒng)改為非接觸行人過(guò)街信號(hào)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了非接觸式行人過(guò)街。在保障機(jī)動(dòng)車(chē)通行效率以及行人的過(guò)街需求的基礎(chǔ)上，避免行人與請(qǐng)求過(guò)街感應(yīng)裝置的直接接觸，降低了病毒感染風(fēng)險(xiǎn)，為疫情防控提供了便利條件。

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作者：安樂(lè)瑤 吳思瑤 何永明 單位：東北林業(yè)大學(xué)交通學(xué)院