非接触行人过街信号系统设计研究★

安乐瑶 吴思瑶 何永明

(东北林业大学交通学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

0 引言

目前行人过街主要是利用机动车红灯相位，而信号配时的设置主要依据是优化机动车流[1]，这就容易导致行人等待时间过长以及等候延误，行人违章过街的现象频发。行人作为交通活动中的弱势群体，在由违章过街引发的交通事故中[2]，受伤的往往也是行人。因此，为减少行人的等候过街时长、提高城市交通系统安全性以及运行高效性，需对行人过街系统进行相应的开发和利用。

行人过街信号系统是行人过街系统的重要组成部分，可分为两大类：按钮式行人过街信号系统和感应式行人过街信号系统。目前，国内外对行人过街开关系统的研究多为按钮式的行人过街请求装置，即过街行人直接按下请求按钮，并将请求过街信号传递至监测系统。为了增强行人过街的安全性，此系统在有较多行人过街需求的路段得到了广泛的应用。但由于按钮易损坏、按钮失灵致使系统反应不及时，以及行人的忽视等原因[3]，按钮式行人过街开关系统的使用率较低。同时，由于疫情的出现，其使用也受到一定的限制。为降低新型冠状病毒传播的概率和风险，防止疫情扩散，人们在外出时不仅需要佩戴口罩，同时也需要避免双手与外界物体的直接接触，这就导致按钮式开关失去了它原本的作用，所以需要一种非接触式的行人过街信号开关系统。该系统既能感应行人过街请求，又能够避免直接接触、降低病毒感染的风险。

现有的感应式行人过街信号系统不够完善，无法避免行人恶作剧所做出的感应手势，容易造成交通秩序混乱。目前，非接触式感应装置有人脸识别的感应控制装置以及人体红外检测模块(基于红外线技术的自动控制模块)等。本文基于红外感应原理，提出一种非接触行人过街信号系统。该系统通过对过街行人出示的过街手势信号进行感应，将过街信号传递至检测子系统，然后由车流量检测子系统判断信号灯是否需要转换为行人信号相位，如需转换，则通过行人流量检测子系统检测过街行人流量并传递至信号控制子系统进行行人绿灯相位时长的计算。

1 系统结构原理

1.1 系统结构设计

非接触行人过街信号系统主要由感应子系统、检测子系统以及信号控制子系统3个子系统组成，并设置有语音提示装置以及人行横道护栏等行人过街辅助设施[4]。系统总体结构设计图见图1。

以上各个子系统相互联系，以实现行人过街信号的传递，规范行人过街行为，维持正常的人—车通行秩序。

1.2 系统工作原理

非接触行人过街信号系统采用红外识别技术对过街行人进行手势信号的识别，确定行人过街的请求，然后通过行人流量检测子系统和车流量检测子系统，分别对请求过街的行人流量和排队车辆进行检测。从而通过信号控制子系统对检测所得的信息进行处理，并做出相应的信号灯控制。同时，该系统还增设了智能人行道护栏和语音提示装置等行人过街辅助系统，能够有效保障行人过街安全。

2 感应子系统

2.1 感应子系统组成

感应子系统采用红外识别技术来实现行人过街手势信号的识别。红外感应子系统包括红外发射器、红外接收器、信号处理器、中央处理器。

红外感应子系统是利用红外线来探测物体的测量器件，内部发射特殊红外线光波，相当于数据流，也就是数字信号转成红外信号—红外信号转成数字信号，达到控制信号传输的效果。

2.2 感应子系统的工作流程

感应子系统的工作流程见图2。

1)由红外发射器发射红外线，以感应请求过街行人的手势动作。

2)由红外接收器接收反射回的红外线，并将接收到的红外线发送至信号处理器。

3)由信号处理器根据接收到的红外线信号判断手势指令，将手势指令发送至中央处理器，中央处理器将预先设定好的手势指令进行对比。若与预先设定的手势指令相符合，则将此信号传递至检测子系统；若与预先设定的手势指令不相符合，则不传递信号。

3 检测子系统

3.1 车流量检测子系统

车流量检测子系统包括红外车流量检测器，数码管驱动模块，蜂鸣器，LED指示灯和单片机。其中红外车流量检测器用于检测车道内实时车流量，它采用红外避障传感器，可以准确的测出实时车流量。然后将车流量信息传递给单片机，通过单片机内部运行程序块计算交通饱和度。

无行人过街需求的情况下，信号灯将一直维持机动车相位绿灯。在接收到感应子系统所传递的行人过街信号后，车流量检测子系统将交通饱和度与预先设定的交通饱和度临界值进行对比，由此判断信号灯接下来的信号相位为行人相位绿灯或者机动车相位绿灯。具体相位判断流程如图3所示。

当交通饱和度小于0.7时，判断为平峰流量，信号相位由机动车相位绿灯变为行人相位绿灯。当交通饱和度不小于0.7时，判断为高峰流量，相位仍为机动车相位绿灯，经过Tpw(行人可接受等待时间)后，信号相位由机动车相位绿灯变为行人相位绿灯。据调查显示，通常行人可接受时间为40 s，当行人等待时间超过40 s时，行人会冒险穿越人行横道，因此行人等待时间在40 s以内为宜，可设置行人等待时间为30 s[6]。

3.2 行人流量检测子系统

行人流量检测子系统采用红外热成像技术对请求过街的行人流量进行检测。该系统在请求区域上方安装一台行人红外热成像检测仪[5]，若接收到感应子系统所传递的行人过街信号，将对行人流量进行检测，然后传递至信号控制子系统，根据行人流量进行合理的信号配时。

4 信号控制子系统

4.1 信号传递

信号控制子系统与检测子系统相连接，车流量检测子系统中的判断结果以及行人检测子系统所测行人流量将传递至信号控制子系统，再由信号控制子系统传递信号至行人信号灯以及机动车信号灯。

4.2 工作原理

车流量检测子系统中的判断结果传递至信号控制子系统，若判断结果为机动车相位绿灯变为行人相位绿灯，则根据行人流量检测子系统所测得行人流量进行合理相位配时后，将配时信息传递至信号灯，并由信号灯做出相应的反映。在行人相位绿灯即将转换为机动车相位绿灯的前5 s内，若行人等候区仍有过街需求，则根据车辆排队状况，确定信号灯的信号相位。此时，若车流量检测装置未检测到较多排队车辆，行人相位可适当增加10 s的绿灯时间，当车流量检测装置显示车辆较多时，则不增加行人通行时间，按原时间正常切换信号灯相位。

5 辅助设施

5.1 智能人行道护栏

护栏主要由控制立柱、启闭门和三辊闸护栏组成[7]，安装于人行横道和行人等待区之间，左右两边与人行道护栏相连接，如图4所示。

智能人行道护栏的工作原理如下：当行人信号灯变为绿灯时，供行人通行的启闭门向上折叠，启闭门开启，行人可过街；当行人信号灯变为红灯时，供行人通行的启闭门向下复位，启闭门关闭，避免行人违规过街。同时考虑到会有行人在护栏关闭时未能及时通过而被滞留在路段中，因此在启闭门的一侧设置了三辊闸式护栏，只允许行人从路段到人行道方向的单向通行。

5.2 语音提示装置

语音提示装置与手势感应装置安装在一处。当有行人进行手势感应时，若手势与预先设定的手势指令相符合，则语音提示装置播报：“手势正确，请等待绿灯”；若手势与预先设定的手势指令不相符，则语音提示装置播报：“手势错误，请重新进行验证”。当行人信号灯变为红灯时，语音提示装置播报：“红灯请留步，禁止跨越启闭门”；当行人信号灯变为绿灯时，语音提示装置播报：“绿灯，启闭门已开启，请尽快通行”。

6 结语

本文主要设计了非接触式的红外感应子系统，该系统采用红外感应装置对行人所发出的过街请求进行手势识别，并将过街信号经由中央处理器传递至检测子系统，然后通过对请求过街行人流量以及机动车流量的检测，判断信号控制子系统是否改变信号灯的信号相位，并进行合理的信号配时的指令，最后由信号灯执行命令。同时，为了更好地将行人与机动车分离，减少行人闯红灯的违反交通法规的行为，进一步增加行人过街的安全性，设计了一种行人过街辅助系统。依据红外识别技术，将按钮式行人过街开关系统改为非接触行人过街信号系统，实现了非接触式行人过街。在保障机动车通行效率以及行人的过街需求的基础上，避免行人与请求过街感应装置的直接接触，降低了病毒感染风险，为疫情防控提供了便利条件。