一种压力激光式路段行人过街系统的设计.pdf

第 23 卷 第 4 期2023 年 8 月交摇 通摇 工摇 程摇 摇Vol.23No.4Aug.2023DOI:10.13986/ki.jote.2023.04.011一种压力激光式路段行人过街系统的设计王佳如1,杜太升1,葛万杰1,王定顺1,翟旭阳1,杜早亮2(1.兰州交通大学,兰州摇 730070;2.甘肃省建筑设计研究院有限公司,兰州摇 730030)摘摇 要:怎样设计智能化的行人过街系统是城市交通安全领域重要的内容.本课题分析了路段行人过街的特点及现阶段行人过街系统中存在的问题,基于压力和激光传感器相结合的行人过街信息采集方式,提高了数据采集精度,利用单片机开发、行人过街信息采集、信息传输、信息处理、多源数据融合等技术设计了 1 种具备规范行人过街、行人数量采集、自主信息传输、智能信号配时等功能的路段行人过街系统,该系统由行人过街等待模块、行人信息采集模块、信号传输模块、信号控制模块 4 个主体模块组成,实现了依据行人数量进行智能配时,克服了现阶段数据采集技术单一,数据误差大,系统智能化程度低,行人过街绿灯利用率低下等缺陷.此外,系统设计模块具有成本低、实用性强、易集成化等特点,研究成果具有广阔的应用前景.关键词:交通工程;行人过街;系统设计;数据融合;智能配时中图分类号:U 491文献标志码:A文章编号:2096鄄3432(2023)04鄄067鄄06收稿日期:2022鄄12鄄20.作者简介:王佳如(1999),女,硕士,研究方向为智慧交通感知技术及应用.E鄄mail:.通讯作者:杜太升(1996),男,硕士,研究方向为公交系统优化.E鄄mail:2425739284 .Design of a Combined Pressure and Laser Sensor System forPedestrian CrossingWANG Jiaru1,DU Taisheng1,GE Wanjie1,WANG Dingshun1,ZHAI Xuyang1,DU Zaoliang2(1.Lanzhou Jiaotong University School of Traffic and Transportation,Lanzhou 730070,China;2.Gansu Architectural Design and Research Institute,Lanzhou 730030,China)Abstract:How to design an intelligent pedestrian crossing system is an important element in the field ofurban traffic safety.This research analyzes the characteristics of pedestrian crossing and the problems inthe current pedestrian crossing system,improves the accuracy of data collection based on the combinationof pressure and laser sensor for pedestrian crossing information collection,and designs a system with thefunctions of standardized pedestrian crossing,pedestrian quantity collection,autonomous informationtransmission,and multi鄄source data fusion by using the technologies of microcontroller development,pedestrian crossing information collection,information transmission,information processing,and multi鄄source data fusion.The system consists of four main modules:pedestrian crossing waiting module,pedestrian information collection module,signal transmission module and signal control module,whichcan realize intelligent timing based on the number of pedestrians and overcome the defects of single datacollection technology,large data error,low system intelligence and low utilization rate of pedestriancrossing green light at this stage.In addition,the system design module has the characteristics of lowcost,high practicality and easy integration,and the research results have broad application prospects.Key words:traffic engineering;pedestrian crossing;systematic design;data fusion;smart timing交摇 通摇 工摇 程2023 年1摇 研究背景1郾 1摇 问题提出随着我国城市规模的不断扩大和机动车保有量迅速增加,居民出行次数呈上升趋势,行人与车辆冲突问题日趋严重.我国每年因交通事故造成的经济损失高达数百亿元,其中很大一部分原因是由行人过街与机动车冲突所致,行人过街天桥和地下通道等立体设施是保证行人过街安全的重要手段,但大量修建行人过街天桥等设施会增加城市交通设施建设成本,占用大量的土地资源,由于我国老龄化程度的不断加深,过街天桥和地下通道等立体设施势必会对部分居民出行造成困扰,且当建设与道路景观不协调时,会严重影响市容市貌.现阶段各城市尚未建立完善的路段行人平面过街系统,目前路段行人过街系统存在如下问题:1)路段上行人过街系统设计部分注重以机动车通行效率优先为主,部分考虑以行人过街安全优先为主,较少考虑效率和安全综合效益最优的设计方法;2)路段行人过街系统的采集数据手段和数据种类单一,导致信息采集误差较大;3)路段行人过街系统智能化程度较低,应用最多的有定时式和按钮式 2 种,但均不能根据人流量智能配时导致行人绿灯时间利用率低下.因此研究 1 种保障行人安全高效过街的系统,具有非常重要的实践意义.1郾 2摇 研究现状路段过街行人与机动车之间的矛盾冲突不仅增加了车辆延误,也加剧了行人过街的安全风险,因此国内外很多学者都从理论和工程应用 2 方面对行人过街问题进行了深入的研究.在理论研究方面,陈鹏等1基于行人过街行为分析理论构建行人过街战术层-操作层双层模型,为无信控路段人行横道处行人安全过街行为提供决策支持;赵佳等2利用激光雷达采集行人过街过程中来车的运动状态数据,构建行人过街安全心理距离和多元 Logistic 回归决策模型,为车载行人预警系统提供决策支持;Lalam 等3比较了混合交通条件下中等城市不同行人过街地点的平均过街速度,结果表明,平均行程时间延误随行人年龄和性别的变化而变化,随行人体积线性增加;Song 等4采集镇江市 5 条人行横道上的行人过街速度数据样本,分析无信号控制路段每种类型过街行人的平均过街速度并利用 SPSS 软件进行模型验证;刘小明等5以无灯控行人过街对交通流影响为分析目标,建立相应的行人及车辆元胞自动机模型规则,提出行人等待区概念及有无行人的车辆行为规则;邝先验等6分析机动车驾驶员与过街行人在交通冲突区域交通特性,构建基于动态博弈更新规则模型,有效模拟出无信号灯控制人行横道处驾驶员与过街行人的交通冲突;马丹7基于成本效益理论构建多种场景下二元 logistic 回归行人过街决策模型,提出通过矫正被筛选的可改变关键因素来改善行人过街行为策略.在工程应用方面,曹晓奎等8通过分析路段行人过街设施的合理间隔指出,路段行人过街设施依据合理间隔进行设置可有效降低行人和机动车延误;杨亦慧等9归纳人行横道、路段行人过街信号、人行便道以及过街天桥与地下通道等行人过街设施存在的问题,提出设置人行横道与行人过街灯、行人便道、非机动车道、标识标线和过街天桥与过街地道等改进措施;邹瑞霖等10设计了 1 种以感应控制为核心的行人过街智能预警系统;尤伟军等11设计了1 种结合多源触发的行人过街控制系统,旨在解决因路段行人过街路口行人等待时间过长对机动车干扰较大等问题;安乐瑶等12设计了 1 种基于感应控制装置的非接触行人过街系统.巩舜妹等13以环形感应线圈测距传感器、压电传感器、红外线传感器等硬件设备为元素,设计了 1 种利用 LED 预警板向行人和驾驶人发布预警信息的夜间行人过街系统.目前部分城市已布设相关行人过街装置,但应用较多的仍是传统行人过街定时信号控制设施,如:上海、杭州、银川等城市使用按钮式行人过街装置,在新冠疫情期间为了避免病毒的交叉感染出现了智能感应式行人过街装置.综上所述,虽然已有大量的文献和应用在行人过街系统方面的研究,但是在行人过街智能化方面仍有较大的设计局限,尤其当面对过街行人流量复杂多变的路段,现阶段的系统依旧不能满足行人过街需求.在实践应用中,定时信号控制和按钮式行人过街系统应用场景单一,不符合人性化设计,无法有效提供科学合理的动态信号配时方案.1郾 3摇 研究意义通过调查研究路段行人过街特点及分析现阶段行人过街系统中存在的问题设计研发出了压力激光式路段行人过街系统.对于解决路段行人过街难题、保障城市交通有条不紊运行具有十分重要的现实意义;该系统能有效应对过街行人流量复杂多变86摇 第 4 期王佳如,等:一种压力激光式路段行人过街系统的设计情形下产生的交通问题;对于推动人性化设计理念具有实践应用意义.图 1摇 系统组织框架图 3摇 系统工作流程图 2摇 作品结构示意图附图说明:1 和 11人行道;2 和 10车辆信号灯;3 和 9行人等待区(压力和激光传感器布设区);4 和8行人信号灯;5人行横道线;6 和 7机动车停止线摇2摇 作品介绍2郾 1摇 系统模块压力激光式行人过街系统主要由行人等待模块、行人信息采集模块、行人信息传输模块、信号控制模块组成.2郾 2摇 功能设计根据所采用的系统模块,综合开发压力激光式行人过街系统的核心功能.功能主要包括:规范行人过街、行人信息采集、自主信息传输、智能信号配时.2郾 3摇 工作原理行人准备过街时,行人首先进入行人等待模块,通过设置标志和标线引导行人到达行人等待区,规范行人过街,保证行人安全通行,行人到达等待区时,触发了行人信息采集模块,其利用压力和激光传感器采集行人信息.压力传感器通过实测压力值和预设压力值范围判断过街主体,检测行人数量.激光传感器利用行人进出等待区的遮挡指令统计行人数量,为了避免检测误差,采用压力和激光相结合的方式进行过街流量统计.信息接收与处理模块利用WIFI 设备接收端接收到采集的行人数据,然后将数据传输至单片机进行智能配时,系统的工作流程如图 3 所示.3摇 作品功能及应用3郾 1摇 行人等待模块行人等待模块包括系统附近的标志、标线和行人等待区,通过设置指示标志和标线提醒行人安全过街,当人流量大且交通组织混乱时应该安装护栏,引导行人进入行人等待区,规范行人过街,能有效避免行人未到达等待区便违规过街.行人等待区大小设置应该综合考虑道路路段行人过街流量、行人过街绿灯时间、人均占用面积、人行横道长度和人群过96交摇 通摇 工摇 程2023 年街速度来设置.3郾 2摇 行人信息采集模块行人信息采集模块主要由压力和激光传感器组成,将其安装至行人等待区,用来判断过街主体和检测过街行人的准确数量,行人信息采集模块结构如图 4 所示.压力传感器由压力感应板、压力显示屏和单片机处理系统组成,如图 5 所示.激光传感器由激光发射端和激光接收端所组成,激光发射端发射激光束,激光接收端接收激光束.图 4摇 行人信息采集模块示意图附图说明:12压力传感器;13 和14行人进入方向;15 和16行人离开方向;17 和18激光发射端;19 和20激光接收端摇压力传感器设置检测压力下限(最小值),防止小动物等进入行人等待区触发压力检测器,同时设置检测压力上限(最大值),避免车辆因操作不当进入行人等待区造成的检测值过大,通过实际检测的压力值结合预先设置的压力检测值范围判断过街主体,然后利用检测的压力数据计算过街行人数量,其工作电路如图 6 所示.图 5摇 压力传感器模型摇激光发射端发射的激光被阻断,激光接收端留有空白区,以此判断有行人经过.当先触发外侧激光再触发内侧激光时,判断有行人进入行人等待区,执行加一指令;当先触发内侧激光再触发外侧激光时,判断有行人离开行人等待区,执行减一指令,以此计算行人数量.考虑到行人在等待区会产生动态图 6摇 运行电路图摇压力,计算的行人数量不是很精确,因此通过压力和激光检测器相结合的方式,确定行人过街流量数据,提高检测精度.3郾 3摇 信息传输模块信息传输模块由 Wi鄄Fi 设备和信息接收与处理设备组成.Wi鄄Fi 设备为数据的传输提供平台,信息接收与处理设备主要负责数据的接收和处理.3郾 3郾 1摇 Wi鄄Fi 设备Wi鄄Fi 设备能提供 1 个半径约为 90 m 的圆域,可将设备安装在信号灯杆顶部,经现场实测,该范围大小能有效覆盖行人等待区域.行人信息采集模块采集到数据后通过 Wi鄄Fi 接收端接收到数据.3郾 3郾 2摇 信息接收与处理设备信息接收与处理设备主要由单片机开发而成,其与 Wi鄄Fi 设备相连接.Wi鄄Fi 设备的接收端接收到数据,将数据传输给单片机进行数据处理.3郾 4摇 信号控制模块单片机接收到数据之后合理进行参数动态设计.利用 HCM2010 公式计算行人过街绿灯时间,见式(1):Gp=tx+Lvp+0郾 81Npw,w逸3郾 0 mtx+Lvp+0郾 21Np,w3郾 0 m(1)式中,Gp为行人过街绿灯时间;tx为不同规模人群消散时间;L 为人行横道长度;w 为人行横道宽度;vp为不同数量人群过街速度;Np为检测到的过街需求量较大方向的行人过街需求数量.3郾 5摇 系统应用与机动车辆相比,非机动车辆具有速度较慢、安全环保等特点,在机非分离的路段,对过街行人的影响较小,因此道路中设置有机非分隔带时,可将行人07摇 第 4 期王佳如,等:一种压力激光式路段行人过街系统的设计等待区域设置在机非分隔带,如图 7 所示.若道路为 2 块板时,可将行人等待区设置在人行道处,如图 8 所示.确保行人在等待过街时段的安全性.图 7摇 机非分隔带摇图 8摇 中央分隔带摇当路段不设置行人过街信号灯时,行人过街具有随意性,增加了人车过街的危险系数,容易发生交通事故.当路段设置行人过街信号灯时,需要合理匹配信号灯时长和行人过街流量的供需关系,最大限度利用交通系统的资源.课题采用简单易于操作、成本低廉的压力感应系统和激光控制系统提高信息采集精度,系统在规范行人过街行为的同时保证了人与机动车通行的平衡,减少机动车与过街行人的冲突.压力感应系统和激光控制系统为信息采集部分,在安装过程中,仅压力感应设备埋置行人等待区域的路面浅层处,对路段交通系统的破坏较小且后期易于维修养护.4摇 创新特色1)提出了压力和激光传感器的行人过街多源数据检测方法压力和激光传感器相结合的方式对行人流量检测,避免了单一装置检测所出现的误差,提高了检测精度.2)设计了基于行人流量的自适应信号控制配时方案当过街行人流量较少时,行人过街绿灯信号利用率低下;当行人流量较大时,存在行人过街绿灯信号时间不足等问题,易造成行人等待时间过长.基于行人流量的自适应信号控制系统进行配时能提高行人过街绿灯时间利用率,突出了以人为本的理念.3)改善了行人过街安全辅助设施在过街人流量较大的路段,如果路段人行道缺乏有效管理,由于行人的从众心理,“中国式过马路冶现象较普遍,设置过街安全辅助设施和路段设置信号控制路段的合理位置,较好地规范行人过街行为,保障行人过街安全.5摇 应用前景本设计使用的单片机开发、信息采集、信息传输、信息处理都有成熟的理论支持,各模块都具有成本低,实用性强、易集成化等特点,相应模块及硬件组成均具有较高的灵敏度和可靠性,且硬件部分区分明了,使用便捷,具有较强生存空间.如今单片机种类繁多,不同种类型号的单片机可开发更多适用于行人过街系统智能化的实用功能,且 5G 时代即将来临,局域网络逐渐普及,物联网技术和交通发展日益紧密,因此本研究存在很大的拓展空间.参考文献:1 陈鹏,唐鹏,闫伟曦,等.无信控路段人行横道处行人过街建模与仿真J.交通运输系统工程与信息,2022,22(4):79鄄88,95.2 赵佳,宋柱,张名芳,等.无信号控制路段行人过街决策研究J.中国安全科学学报,2017,27(5):25鄄30.3 LalamG,DodappaneniA,ParvathyMN,etal.Comparative Study of Pedestrian Crossing Behaviour atUncontrolled Intersection and Midblock Locations J.Transportation Research Procedia,2020,48.4 Song L,Chang Y L,Zhang P,et al.Analysis of PedestrianCrossing Speed in Unsignalized Controlled Sections 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