基于人車協(xié)同的感應式路段行人過街信號控制系統(tǒng)設計

何廣進， 徐新東， 樹愛兵， 朱遠建

(1.公安部交通管理科學研究所, 江蘇無錫 214151； 2.無錫華通智能交通技術開發(fā)有限公司, 江蘇無錫 214151)

0 引言

我國城市道路中路段行人過街場景的信號設計往往以提高機動車通行效率為主，而忽視了行人的等待時間和通行延誤，美國的公路通行能力手冊建議，當行人的延誤超過30 s時，行人就會變得不耐煩，很可能出現(xiàn)不服從交通規(guī)則行為，從而造成與機動車通行沖突。因此，研究有效的行人過街信號感應控制關鍵技術對于保障行人過街安全，滿足行人高效過街需求，提高行人過街通行效率和質量具有重要意義。

在行人過街信號控制方法方面，國內外許多學者己經(jīng)進行了大量的研究和應用。國外學者Barbara Preston等人[1]對按鈕式信號控制下的行人過街行為和安全性進行了研究，得出行人過街闖紅燈的概率與機動車車頭時距有關的結論；K. LOVEJOY等人[2]利用視頻檢測器檢測人行橫道上的行人，在不對信號配時修改的前提下，調整行人的清空時間，減少行人和車輛的交通沖突、提高行人交通安全。國內學者鄭長江等人[3]研究了路段行人過街信號與交叉口信號聯(lián)動控制方法，全面分析了單點行人過街信號配時、行人過街信號與交叉口信號聯(lián)動控制的優(yōu)化方法；何賞璐等人[4]根據(jù)行人過街需求、路段車輛到達等因素，設計提出了一種路段行人過街感應信號控制的方法；肖梅等人[5]針對行人密度波動大的路口，以行人等候數(shù)量和行人等候時長為基礎，提出了以行人過街請求為主的交通信號配時方法及系統(tǒng)。

國內外現(xiàn)有的行人過街信號控制研究及應用中，主要以檢測行人為主，當檢測到有行人過街需求時向信號控制機發(fā)送行人過街信號請求，類似于按鈕觸發(fā)式，這種方式無法滿足不同場景下對行人過街數(shù)量及行人等待時間的需求，未考慮不同行人數(shù)量下對過街等待時間的影響以及路段機動車的通行狀態(tài)。同時，現(xiàn)有控制方法均采用插入固定行人相位，易造成不同數(shù)量下行人過街時間浪費或過街時間不足兩種情形，無法兼顧行人過街安全及路段行人過街整體通行效率。

因此，本文針對現(xiàn)有信號感應控制方法的不足，結合感應控制原理、行人過街信號配時理論以及對機動車通行狀態(tài)的檢測，設計綜合考慮人車協(xié)同控制需求的路段行人過街感應控制系統(tǒng)，實時動態(tài)響應不同層級的行人過街需求，優(yōu)化行人過街信號配時，同時將檢測到的行人過街信息通過車聯(lián)網(wǎng)C- V2X技術實時推送至車輛，提醒駕駛員注意過街行人，能夠有效提升路段行人過街的整體通行效率和質量。

1 系統(tǒng)框架

基于人車協(xié)同的感應式路段行人過街信號控制系統(tǒng)包括行人視頻檢測器、機動車視頻檢測器、數(shù)據(jù)融合處理模塊、信號感應控制功能模塊、路側通信單元、交通信號控制機、信號燈以及行人過街輔助設施，系統(tǒng)框架如圖1所示。

圖1 基于人車協(xié)同的感應式路段行人過街信號控制系統(tǒng)框架

行人視頻檢測器主要通過劃定行人過街等待區(qū)域，對行人檢測區(qū)域內的行人數(shù)量實時采集，并實時傳輸至數(shù)據(jù)融合處理模塊；

機動車視頻檢測器實時采集路段機動車檢測線圈處車頭時距并傳輸至數(shù)據(jù)融合處理模塊；

數(shù)據(jù)融合處理模塊根據(jù)實時收到的行人采集及機動車車頭時距等信息融合處理后，實時傳輸至信號感應控制功能模塊；

信號感應控制功能模塊內設有不同行人數(shù)量對應的不同等待時間閾值以及行人信號配時算法，根據(jù)路段行人過街信號感應控制原理，計算行人過街請求及行人過街信號配時，發(fā)送至信號執(zhí)行模塊請求切換行人相位；

信號執(zhí)行模塊收到請求后，判斷機動車相位滿足最小綠燈時間要求后，給予行人相位的放行；

信號控制機將收到的行人過街信息發(fā)送至路側通信設備RSU，然后推送給路段車輛注意過街行人；

行人過街輔助設施主要為行人提醒標志、語音播報裝置等，用于行人過街提示及行人信號反饋播報等。

2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

2.1 行人視頻采集

路段行人過街視頻檢測區(qū)域為斑馬線兩側行人過街等待區(qū)域，視頻行人檢測器安裝桿件位于斑馬線兩側，桿件高度為5 m，懸臂0.6 m，立桿位置距離行人等待區(qū)域水平距離2～3 m，視頻行人檢測器安裝在懸臂上，向下傾斜一定的角度對準行人等待區(qū)。視頻行人檢測區(qū)域交通組織包括在行人檢測區(qū)域的地面設置行人檢測區(qū)域彩色標線及“行人等待區(qū)、視頻識別行人過街”字樣的標志牌，安裝實施如圖2所示。

圖2 行人視頻檢測器安裝實施示意圖

行人視頻檢測器主要采集行人行走方向、行人到達時間、行人離開時間、行人等待區(qū)數(shù)量等數(shù)據(jù)。視頻實時檢測行人進等待區(qū)域、出等待區(qū)域，在信號感應控制下，僅需獲取有過街需求的行人數(shù)據(jù)，如，對向闖紅燈行人則過濾該數(shù)據(jù)；實時檢測等待區(qū)行人到達時間，對每個行人進入等待區(qū)域時記錄其到達時刻，用于過濾短暫停留行人和行人綠燈延長判斷等；實時檢測等待區(qū)行人離開時間，對每個行人離開等待區(qū)域時記錄其離開時刻，用于過濾短暫停留行人等；實時檢測等待區(qū)域內行人數(shù)量，用于信號感應控制下不同行人數(shù)量對行人綠燈信號的請求及信號初始綠燈時間的計算。

2.2 機動車視頻采集

機動車視頻檢測器主要布設于路段機動車進口車道電子警察桿的橫臂之上進口道路中間，攝像機鏡頭方向與車流方向相反，可同時監(jiān)測3～4個進口車道的交通流。常規(guī)條件下，電子警察桿件高度不應低于6.5 m，攝像機的安裝俯角為25～30度左右，與進口道停車線的水平距離S1為15～20 m，高清攝像機在監(jiān)控方向上由于安裝傾角導致無法檢測的區(qū)域距電子警察安裝桿水平距離S2為10～15 m，高清攝像機可監(jiān)視的視野距離S3為40～60 m，檢測線圈設置距停止線80 m處，安裝實施如圖3所示。

圖3 機動車視頻檢測器安裝實施示意圖

機動車視頻檢測器主要采集路段機動車流的車頭時距，當采集到的車頭時距大于某個閾值時，可認為機動車流中斷，路段行人過街出現(xiàn)可穿越機動車流空擋，可用于行人過街信號感應控制。

3 路段行人過街信號感應控制系統(tǒng)

3.1 路段行人過街信號感應控制考慮因素

路段行人過街信號感應控制系統(tǒng)設計時，應考慮以下因素：

(1)充分考慮不同等待行人數(shù)量下的不同等待時間需求；

(2)充分考慮人車協(xié)同控制，在行人相位請求時考慮路段機動車通行的車頭時距；

(3)行人過街配時以不同等待行人數(shù)量為基礎進行初始綠燈時間設計；

(4)行人綠燈延長時間基于后續(xù)到達行人進入檢測區(qū)域時間間隔進行決策。

3.2 路段行人過街信號感應控制原理

基于人車協(xié)同的路段行人過街信號感應控制的行人請求原理：對首個到達行人開啟最大等待時間的倒計時，同時視頻實時檢測路段機動車通行狀態(tài)，當機動車視頻檢測到機動車車頭時距大于某一閾值時，信號感應控制功能模塊發(fā)起行人過街信號請求，信號執(zhí)行模塊在確保機動車相位綠燈時間超過最小綠燈時間后，切換至行人過街相位；當機動車視頻檢測到機動車車頭時距始終低于該閾值，同時行人等待區(qū)域行人數(shù)量不斷增加，通過預設的不同數(shù)量下不同的行人等待時間閾值，取時間最小值發(fā)起行人過街相位請求，在確保機動車相位綠燈時間超過最小綠燈時間后，切換至行人過街相位。

基于人車協(xié)同的路段行人過街信號感應控制的行人配時設計原理：當行人過街相位發(fā)起請求時，信號感應控制功能模塊根據(jù)此刻行人檢測區(qū)域的行人數(shù)量計算出行人過街綠燈初始時長，當后續(xù)行人到達與等待檢測區(qū)最后一個行人綠燈延長結束時刻的時間間隔小于閾值時，此時行人過街綠燈延長，時間為預先設定的后續(xù)到達的行人綠燈可延長時間，直到時間間隔大于該閾值時，行人過街綠燈不再延長，行人過街相位結束。另外，當行人等待數(shù)量低于斑馬線每行隊列最大行人數(shù)量時，行人過街綠燈初始時長為行人過街最小綠燈時間；當行人等待數(shù)量大于斑馬線每行隊列最大行人數(shù)量時，行人過街綠燈初始時長為行人損失時間、等待行人全部進入人行橫道時間、行人穿越人行橫道時間總和。

3.3 路段行人過街信號感應控制流程

基于人車協(xié)同的路段行人過街信號感應控制流程主要分為路段行人過街信號請求控制流程和路段行人過街信號配時優(yōu)化流程?；谌塑噮f(xié)同的路段行人過街信號感應控制系統(tǒng)包括行人視頻檢測器、機動車視頻檢測器、數(shù)據(jù)融合處理模塊、信號感應控制功能模塊、路側通信單元、交通信號控制機、信號燈等。

(1)路段行人過街信號請求控制流程

行人視頻檢測器對斑馬線兩側的行人等待區(qū)內實時采集到的視頻流進行分析，對行人等待區(qū)內行人數(shù)量、行人行走方向、行人的到達時間等數(shù)據(jù)進行處理，并將處理后的結構化數(shù)據(jù)實時傳輸至數(shù)據(jù)融合處理模塊；

機動車視頻檢測器對路段兩個進口道的機動車檢測區(qū)域內采集到的視頻流進行分析，對機動車檢測線圈處車頭時距進行數(shù)據(jù)處理，并將處理后的結構化數(shù)據(jù)實時傳輸至數(shù)據(jù)融合處理模塊；

信號感應控制功能模塊內預設不同行人數(shù)量對應的不同等待時間閾值，在收到數(shù)據(jù)融合處理模塊傳輸?shù)男腥思皺C動車數(shù)據(jù)后，結合當前過街行人數(shù)量和機動車通行狀態(tài)，計算行人過街請求，將結果發(fā)送至信號執(zhí)行模塊，以決定是否切換行人過街相位；

信號執(zhí)行模塊在收到信號感應控制功能模塊發(fā)送的行人過街相位請求及信號配時后，判斷機動車相位滿足最小綠燈時間要求后，給予行人相位的放行，控制行人信號燈從紅燈狀態(tài)切換至綠燈狀態(tài)，同時信號控制機將收到的行人過街信息發(fā)送至路側通信設備RSU，然后通過車聯(lián)網(wǎng)C- V2X技術推送給路段車輛注意過街行人，信號請求控制流程如圖4所示。

圖4 路段行人過街信號請求控制流程圖

(2)路段行人過街信號配時計算流程

行人視頻檢測器對斑馬線兩側的行人等待區(qū)內實時采集到的視頻流進行分析，對行人等待區(qū)內行人數(shù)量、行人行走方向、行人的到達時間、行人的離開時間等數(shù)據(jù)進行處理，并將處理后的結構化數(shù)據(jù)實時傳輸至數(shù)據(jù)融合處理模塊；

數(shù)據(jù)融合處理模塊根據(jù)實時收到的行人視頻檢測器的行人數(shù)據(jù)處理后，實時傳輸至信號感應控制功能模塊；

信號感應控制功能模塊內設有行人信號配時算法，根據(jù)收到的行人等待區(qū)內行人數(shù)量及行人到達狀態(tài)，計算行人過街綠燈初始時長以及行人綠燈延長時間，發(fā)送至信號執(zhí)行模塊；

信號執(zhí)行模塊在收到信號感應控制功能模塊發(fā)送的行人信號配時方案后，判斷機動車相位滿足最小綠燈時間要求后，執(zhí)行該信號配時方案[6]，信號配時計算流程如圖5所示。

圖5 路段行人過街信號配時計算流程圖

3.4 路段行人過街信號感應控制參數(shù)設計

(1)行人過街最小綠燈時間gmin

行人過街最小綠燈時間gmin[7]指的是當?shù)却腥诉^街數(shù)量低于人行橫道每行最大并排人數(shù)時所需的最短綠燈時間，計算公式為：

(1)

式中：gmin為行人過街最小綠燈時間(s)；L為行人過街人行橫道長度(m)；Vp為行人平均步速(m/s)；I為行人綠燈間隔時間(s)。

(2)等待行人全部進入人行橫道時間gj

等待行人全部進入人行橫道時間gj為路段過街行人從綠燈開始后全部進入人行橫道的時間[8]，計算公式為：

(2)

式中：gj為等待行人全部進入人行橫道時間(s)；p為等待過街行人數(shù)量(人)；d為人行橫道寬度(m)；ω為單個行人進入人行橫道的行走所需空間寬度(m/人)；tj為等待隊列中每行行人進入人行橫道的時間間隔(s)。

(3)行人穿越人行橫道時間gc

行人穿越人行橫道時間gc指行人在人行橫道上通行時間[9]，計算公式為：

(3)

式中：gc為行人穿越人行橫道時間(s)；L為行人過街人行橫道長度(m)；Vp為行人平均步速，取雙向行人步速平均值(m/s)。

(4)行人損失時間l

降水第四階段:26日01—20時,兩站都先由大到暴雨后轉為小到中雨。降雨期間兩站的可降水量基本上維持在基值以上,且總體值變化較均勻,值得注意的是蒲江站在08時可降水量快速上升了10 mm,此時降雨強度也達到最大。隨著降雨結束,可降水量曲線呈逐漸下降趨勢。

與機動車類似，行人也有一定的損失時間，行人損失時間l計算公式為：

(4)

式中：l為行人損失時間(s)；ti為等待區(qū)行人第i行隊列進入人行橫道的超時(s)。

(5)行人綠燈延長時間ty

行人綠燈延長時間ty指的是后續(xù)到達行人等待區(qū)的行人從等待區(qū)進入到人行橫道的時間，計算公式為：

(5)

式中：i為后續(xù)到達行人的列數(shù)；Δt為行人放行尾部最大時間間隔(s)；Δty為后續(xù)到達的行人綠燈可延長時間(s)；tih為后續(xù)第i列到達的行人進入行人等待檢測區(qū)域的時刻(s)；tiz為后續(xù)第i列行人到達時上一個行人綠燈延長結束時刻(s)。

4 應用實例

本文設計的基于人車協(xié)同的感應式路段行人過街信號控制系統(tǒng)已在位于昆山市長江中路—圓明路的行人過街信號控制路段實施應用，安裝了包含視頻檢測器、數(shù)據(jù)融合處理擴展器、內嵌信號感應控制功能模塊的路段行人過街信號機等設備如圖6、圖7所示。

圖6 長江中路- 圓明路視頻檢測器安裝

圖7 路段行人過街信號機

表1 長江中路- 圓明路信號控制參數(shù)

經(jīng)過一段時間運行后，對該路口的行人過街平均延誤、機動車平均通行延誤及行人平均闖紅燈次數(shù)等前后結果進行統(tǒng)計分析，如表2所示。

表2 長江中路- 圓明路行人過街效果評估

綜上所述，在應用本文設計的基于人車協(xié)同的感應式路段行人過街信號控制系統(tǒng)后，長江中路- 圓明路路口的行人平均過街延誤和行人闖紅燈次數(shù)有明顯的改善，機動車平均通行延誤也有一定的降低，該應用效果證明了本文設計的行人過街信號控制系統(tǒng)的實用性，能夠對信號控制路段行人過街的綜合通行效率有一定的提升作用。

5 結論

本文設計的一種基于人車協(xié)同的感應式路段行人過街信號控制系統(tǒng)，綜合等待區(qū)行人數(shù)量和機動車通行狀態(tài)，實現(xiàn)實時動態(tài)響應行人過街信號請求及信號配時優(yōu)化計算。實地應用結果表明：該系統(tǒng)能夠兼顧行人過街安全及路段行人過街整體通行效率，顯著降低了機動車和行人平均通行延誤，減少了行人闖紅燈現(xiàn)象，有效提升了路段行人過街的整體通行效率和質量。但本研究未考慮過街行人年齡、性別等因素對行人過街需求的影響，同時也未考慮非機動車等因素對行人過街的干擾。因此，仍有待下一步研究，進一步提高系統(tǒng)在信號控制的路段行人過街場景中的適用性和實用性。