基于紅外熱成像技術(shù)的路段行人過(guò)街系統(tǒng)★

陸毅忱 王連震

(東北林業(yè)大學(xué)交通學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

行人作為道路交通三要素之一，是城市交通的重要組成部分。目前，針對(duì)路段行人過(guò)街需求，主要采用無(wú)信號(hào)控制和行人按鈕式信號(hào)控制兩種方式，少部分地區(qū)采用行人視頻檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行信號(hào)控制[1]。對(duì)于無(wú)信號(hào)控制的路段，主要采取機(jī)動(dòng)車(chē)禮讓行人的方式滿足行人的過(guò)街需求，但行人的安全性并不高。為增強(qiáng)行人過(guò)街的安全性，行人按鈕式信號(hào)燈已經(jīng)得到了一定的普及，多用于學(xué)校路段、商場(chǎng)路段等行人有較大過(guò)街需求的地方。但由于行人對(duì)按鈕式信號(hào)燈的了解程度不夠，可能會(huì)導(dǎo)致按鈕式信號(hào)控制無(wú)法發(fā)揮其作用，有部分地區(qū)甚至?xí)霈F(xiàn)按鈕被摳等惡劣行為的發(fā)生[2]。行人視頻檢測(cè)技術(shù)在行人過(guò)街領(lǐng)域中的運(yùn)用使得按鈕的主動(dòng)觸發(fā)變?yōu)楸粍?dòng)檢測(cè)，避免了行人的不過(guò)街誤操作以及由于認(rèn)知程度不夠?qū)е碌膯?wèn)題。但視頻檢測(cè)會(huì)受到天氣、噪聲等多種因素的干擾，導(dǎo)致檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性不夠，存在一定偏差。綜合考慮，本文選擇受外界影響較小的紅外熱成像檢測(cè)技術(shù)，該技術(shù)不受惡劣天氣等多種因素的干擾，且檢測(cè)精度與視頻檢測(cè)相比較高。通過(guò)對(duì)行人等待區(qū)行人占有率的檢測(cè)，判斷行人過(guò)街需求的人數(shù)，以此作為信號(hào)控制的基礎(chǔ)進(jìn)行行人過(guò)街系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要由檢測(cè)系統(tǒng)、信號(hào)控制系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)三個(gè)部分組成，其中檢測(cè)系統(tǒng)主要由行人檢測(cè)和車(chē)輛排隊(duì)檢測(cè)兩個(gè)部分組成。行人檢測(cè)采用紅外熱成像技術(shù)對(duì)行人等待區(qū)及人行橫道區(qū)域的行人分別進(jìn)行檢測(cè)，車(chē)輛排隊(duì)檢測(cè)采用檢測(cè)線圈對(duì)排隊(duì)車(chē)輛進(jìn)行檢測(cè)。信號(hào)控制系統(tǒng)對(duì)檢測(cè)所得信息進(jìn)行處理做出相應(yīng)的信號(hào)燈控制。輔助系統(tǒng)可減少行人的闖紅燈行為。

2 檢測(cè)系統(tǒng)

檢測(cè)系統(tǒng)主要有兩部分，分別為行人檢測(cè)和車(chē)輛排隊(duì)檢測(cè)。圖1是檢測(cè)系統(tǒng)在道路上的布局。

2.1 行人檢測(cè)

行人檢測(cè)主要有兩個(gè)部分，行人等待區(qū)的行人占有率檢測(cè)和人行橫道的行人檢測(cè)。因此，在車(chē)道兩旁的行人等待區(qū)上方和人行橫道上方分別安裝一臺(tái)行人紅外熱成像檢測(cè)儀，具體情況見(jiàn)圖1。圖1中行人熱成像檢測(cè)裝置1和2對(duì)行人等待區(qū)的行人占有率進(jìn)行檢測(cè)，行人熱成像檢測(cè)裝置3對(duì)人行橫道的行人進(jìn)行檢測(cè)。

2.1.1行人等待區(qū)閾值設(shè)定

本文通過(guò)對(duì)行人等待區(qū)行人占有率的檢測(cè)，當(dāng)行人占有率達(dá)到閾值時(shí)，信號(hào)燈將發(fā)生變化，機(jī)動(dòng)車(chē)信號(hào)燈經(jīng)過(guò)5 s的綠閃后變?yōu)? s的黃燈最后變?yōu)榧t燈，行人信號(hào)燈由紅燈變?yōu)榫G燈。

為避免行人出于非過(guò)街行為而經(jīng)過(guò)等待區(qū)，行人熱成像檢測(cè)裝置1和2僅檢測(cè)在行人等待區(qū)靜止停留3 s以上的行人，此時(shí)默認(rèn)該行人有過(guò)街需求。本文中所述的行人等待區(qū)域長(zhǎng)l=5 m，寬h=2 m，其面積為10 m2。此處引入?yún)?shù)行人占有率α，其值可通過(guò)紅外熱成像檢測(cè)儀得出。

閾值的確定與行人等待區(qū)服務(wù)水平有關(guān)。國(guó)外曾提出行人排隊(duì)等候區(qū)域服務(wù)水平的標(biāo)準(zhǔn)，這些標(biāo)準(zhǔn)可直接應(yīng)用于人行橫道和等待區(qū)，見(jiàn)表1。

表1 行人排隊(duì)等候區(qū)域服務(wù)水平標(biāo)準(zhǔn)[3]

行人等待區(qū)服務(wù)水平越低，所需設(shè)定的閾值越高。以服務(wù)等級(jí)為B的行人等待區(qū)為例，若行人人均占用面積為1 m2，則行人等待區(qū)可站10人。此時(shí)行人占有率閾值設(shè)置為40%為宜，即4個(gè)人。

2.1.2行人綠燈時(shí)間

行人最短綠燈時(shí)間gmin，可按照下式[4]計(jì)算：

其中，Lp為人行橫道長(zhǎng)度；Vp為行人過(guò)街步速，m/s，可取1.0 m/s；I為綠燈間隔時(shí)間，s。

由上式可知，行人步行速度對(duì)行人過(guò)街時(shí)間有直接影響。行人的步行速度與行人的年齡、性別、人行橫道的長(zhǎng)度等有關(guān)，調(diào)查顯示[5]可以選擇1.1 m/s作為通用的過(guò)街設(shè)計(jì)速度。

為使道路資源得到充分利用，借助人行橫道上的行人熱成像裝置3對(duì)行人進(jìn)行檢測(cè)。當(dāng)紅外熱成像檢測(cè)裝置檢測(cè)到人行橫道上無(wú)行人過(guò)街時(shí)，則將行人信號(hào)燈切換至紅燈，將機(jī)動(dòng)車(chē)信號(hào)燈切換至綠燈，以減少無(wú)行人時(shí)行人過(guò)街綠燈時(shí)間的浪費(fèi)，提高機(jī)動(dòng)車(chē)通行效率。

2.1.3行人等待時(shí)間

當(dāng)行人占有率未達(dá)到閾值，則行人需等待一段時(shí)間后方可過(guò)街。調(diào)查顯示[6]當(dāng)行人等待時(shí)間超過(guò)40 s，則行人會(huì)冒險(xiǎn)穿越人行橫道，因此行人等待時(shí)間在40 s以下為宜，本文設(shè)置行人等待時(shí)間為30 s。

2.2 車(chē)輛排隊(duì)檢測(cè)

行人通行會(huì)使車(chē)輛的通行發(fā)生一定程度的延誤。一般車(chē)輛長(zhǎng)度不超過(guò)6 m，為減少延誤，在距離人行橫道的40 m的每條機(jī)動(dòng)車(chē)道上分別安裝車(chē)輛排隊(duì)檢測(cè)裝置，以檢測(cè)車(chē)輛的排隊(duì)數(shù)量。

本文以雙向四車(chē)道為例，每個(gè)車(chē)道均裝有車(chē)輛排隊(duì)檢測(cè)裝置。當(dāng)機(jī)動(dòng)車(chē)信號(hào)燈為紅燈時(shí)，車(chē)輛排隊(duì)檢測(cè)裝置開(kāi)始檢測(cè)。有1條或2條車(chē)道的車(chē)輛排隊(duì)長(zhǎng)度超過(guò)檢測(cè)裝置時(shí)，行人等待區(qū)出現(xiàn)有過(guò)街需求的行人后可延長(zhǎng)行人綠燈時(shí)間10 s；有3條或4條車(chē)道的車(chē)輛排隊(duì)長(zhǎng)度超過(guò)檢測(cè)裝置時(shí)，說(shuō)明等待車(chē)輛較多，車(chē)流量較大，即使行人等待區(qū)出現(xiàn)有過(guò)街需求的行人，行人信號(hào)燈的綠燈時(shí)長(zhǎng)不再發(fā)生變化。

3 信號(hào)控制

信號(hào)控制系統(tǒng)與行人檢測(cè)系統(tǒng)及車(chē)輛排隊(duì)檢測(cè)系統(tǒng)相互連接。信號(hào)控制系統(tǒng)的輸出終端為信號(hào)燈，信號(hào)燈包括行人信號(hào)燈和機(jī)動(dòng)車(chē)信號(hào)燈。

根據(jù)信息采集系統(tǒng)所提供的信息，對(duì)行人過(guò)街的信號(hào)進(jìn)行控制，具體流程圖如圖2所示。

信號(hào)控制為常綠模式，即無(wú)行人時(shí)，機(jī)動(dòng)車(chē)信號(hào)燈為綠燈，行人信號(hào)燈為紅燈。當(dāng)有行人出現(xiàn)時(shí)，通過(guò)行人熱成像檢測(cè)裝置檢測(cè)行人占有率，行人占有率未達(dá)到閾值，則行人等待30 s，行人占有率達(dá)到閾值后，則機(jī)動(dòng)車(chē)相位進(jìn)行5 s綠閃后切換至3 s黃燈最后為紅燈，行人相位為綠燈，行人可以進(jìn)行過(guò)街。

當(dāng)行人相位為綠燈時(shí)，行人等待區(qū)若再次出現(xiàn)有過(guò)街需求的行人，則根據(jù)車(chē)輛排隊(duì)狀況，當(dāng)車(chē)輛排隊(duì)檢測(cè)裝置未檢測(cè)到較多排隊(duì)車(chē)輛時(shí)，行人相位可增加10 s的綠燈時(shí)間，當(dāng)車(chē)輛排隊(duì)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。

4 輔助系統(tǒng)

4.1 行人過(guò)街啟閉門(mén)

為進(jìn)一步增加行人過(guò)街安全性，減少行人闖紅燈現(xiàn)象的發(fā)生，本文設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)易的行人過(guò)街啟閉門(mén)裝置，如圖3所示。

該裝置安裝于人行橫道和行人等待區(qū)之間，左右兩邊與人行道欄桿相連。當(dāng)行人信號(hào)燈為綠燈時(shí)，行人通行啟閉門(mén)向上折疊，此時(shí)啟閉門(mén)打開(kāi)，以供行人過(guò)街，當(dāng)行人信號(hào)燈為紅燈時(shí)，行人啟閉門(mén)向下復(fù)位，此時(shí)啟閉門(mén)關(guān)閉，防止行人過(guò)街。

4.2 語(yǔ)音提示裝置

語(yǔ)音提示裝置能夠較好的提醒行人，當(dāng)行人信號(hào)燈為紅燈時(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)燈為綠燈時(shí)，語(yǔ)音提示裝置播報(bào)：“綠燈請(qǐng)盡快通行”。

5 結(jié)語(yǔ)

本文主要針對(duì)行人過(guò)街問(wèn)題，借助紅外熱成像裝置對(duì)行人進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)過(guò)街行人進(jìn)行檢測(cè)，根據(jù)行人占有率進(jìn)行信號(hào)控制。對(duì)車(chē)輛排隊(duì)情況進(jìn)行檢測(cè)，判斷是否延長(zhǎng)行人過(guò)街時(shí)間。采用行人紅外熱成像檢測(cè)裝置，使行人主動(dòng)請(qǐng)求模式改為被動(dòng)檢測(cè)模式，提高行人過(guò)街系統(tǒng)的智能化水平。在后續(xù)研究中，將進(jìn)一步討論路段過(guò)街信號(hào)配時(shí)與交叉口綠波協(xié)調(diào)問(wèn)題。