摘要：随着我国经济高速发展，国内机动车辆急剧增加，道路拥堵情况严重。本文对十字路口交通信号灯智能控制系统进行研究，针对当前交通信号灯信号周期固定，不能随车流量的变化而随时更改信号灯周期长短的问题，提出一种软硬件解决方案，提高通行效率，缓解交通拥堵，具有一定的经济效益和社会效益。
关键词：智能交通系统;图像处理;阈值;配时优化算法
1概述
随着我国经济高速发展，国内机动车数量急剧增加，道路拥堵情况严重。为了解决城市交通拥堵、资源浪费等问题，我国多个城市发布了《北京市小客车数量调控暂行规定》，并且一直致力于大量道路建设和交通设施建设。这些举措看似能够解决当前面临的交通问题，但是，从长远来讲，发达国家已经通过实践证明，大量进行道路交通建设，调控道路运行车辆数量等措施，已经不能满足高速发展的道路建设需求，要从根本上解决城市交通问题，不能仅仅采取加强交通基础建设，主要应通过采用智能交通等方法，通过智能化手段，控制交通，减缓拥堵。
在智能交通系统的研究中，交叉路口交通信号灯的智能化控制，以及优化算法的研究，是其系统研究的重要内容。在我国大多数城市，交叉路口交通信号灯仍然采用传统的固定时长的方式控制交通，这种信号灯通过设定好的红绿灯时间间隔对车辆进行控制，每个方向，无论车辆数如何变化，交叉口各个方向的配时方案是统一不变的。由于其不能根据实际情况进行车辆调度，因此，很容易造成交通拥堵情况，不能充分合理地利用道路资源，不能根据实时、天气等情况来智能化调控车辆运行，造成交通拥堵。
在这种情况下，为了使车辆在交叉口的通行更加通畅，利用智能系统，把交通信号灯的时延情况与路面车辆数结合起来进行研究，依据交叉路口的实时监控设备，实时读取路口车辆数，结合优化算法，根据实际情况设定信号灯的时延，从而完成对道路的实时管控。充分的利用道路资源，通过科学的方法和研究，采用智能化系统设计思路，实时控制交通信息。因此，只有建立完善的智能交通系统，采用科学合理的交通控制方式，才能更加有效地减缓交通拥堵现象。
2存在问题及研究意义
目前，我国各个城市交通，普遍存在以下问题：
(1)交通信号灯信号周期固定，不能根据实时监测情况，依据车流量调节交通信号灯的时延。
(2)早高峰和晚高峰期，道路车流量与其他时段相比，波动较大，交通信号灯不能根据高峰时段调控信号周期。
(3)各时间段内不同方向上车流量变化大，红绿灯配时不合理，造成配时浪费的情况，容易导致驾驶员情绪焦躁，引发交通事故。
基于以上问题，着力于智能交通系统的开发，通过科学合理的方式控制交通，是十分重要的，其对城市建设具有深远的意义。
(1)有利于减少交通事故，增强交通安全性。根据道路车辆的实时监测情况，对车流量进行有效分流，减少不必要的交通事故。
(2)有利于缓解交通拥堵，提高道路交通利用率。智能交通控制，可以根据实时监测车辆情况，通过系统优化算法，科学合理地对不同方向车辆进行实时调度，有效控制交通拥堵。
(3)有利于减少能源的浪费与环境的污染。智能交通控制，在科学合理调度车辆情况下，可以减少车辆停车次数，以至于减少能源浪费。
3系统设计
本项目对交通信号灯智能控制系统进行研究，十字交叉路口由东南西北四个方向路口组成，在每个方向路口设置一个由ARM嵌入式处理器、高清摄像头和无线传输模块组成的子系统，由高清摄像头对每个路口车流情况进行图像采集，并由ARM处理器进行图像处理和分析，计算出车道占有率等交通参数指标，再通过无线传输模块将参数指标传输给东方向的控制子系统(事先设定东方向子系统为主控系统)，由其进行四个方向参数指标的汇总，再通过自定义交通信号灯配时优化算法，计算出当前情况下，交通信号灯的最佳配时方案，以此智能化地对交通信号灯进行控制。
3.1车辆检测方法
智能交通控制中，是根据实时监测交叉路口车辆变化情况，使用车道占有率来衡量交通拥堵情况。定义车道占有率p=g/t，其中g为检测到的车辆所占像素个数，t为车道所占的像素个数。车辆检测与分析的流程是：初始化车道、车辆检测、参数计算。
3.1.1初始化车道
初始化车道主要是指把十字路口图像的车道根据具体情况划分成车道图像，本文采用手动划分车道的方式，划分后车道的每一部分都表示为白色，整个黑白图像作为下一步车辆检测时的掩码。将车道划分成几部分直接关系到后续交通信号灯的控制。通过编写一个车道初始化程序来完成车道划分。
3.1.2车辆检测
背景差分法能够检测运动目标和静止目标，但重点在于背景更新策略和阈值设定。三帧差分法是用连续三帧作差分，能够消除两帧差分法中两顿间隔一味过大或是一味过小问题。本系统采用背景差分法与三帧差分法结合的方式来检测目标，最终求得车道占有率。
3.1.3参数计算
交通参数包括车流量、车型、车速、车流密度、排队长度、占有率及车辆违规等。本系统提出了基于面积的车道占有率作为控制交通信号灯的依据。车道占有率=车辆的面积/车道的面积，面积用像素点个数表示。通过图像处理和计算，能够求得车道占有率。
3.2自定义交通信号灯配时优化算法
本系统中，车道类型有三种：直行车道、直行+左转、直行+右转。程序中将每个车道划分成几个部分，也有三种类型：不划分、分为前后两部分、分为前中后三部分。算法是根据车道类型和车道划分成几部分来分情况考虑的。
以直行车道为例规划算法，车辆控制情况如下：
3.2.1一个方向有车而另一个方向没车的情况，若有车方向为绿灯，则不切换信号灯。若有车方向为红灯，则立即切换信号灯。
3.2.2两个方向都没有车的情况，不改变交通信号灯。
3.2.3两个方向都有车的情况，若当前南北方向是绿灯，将南北方向和东西方向的车道占有率进行对比，若南北方向车道占有率高，交通灯绿灯信号南北方向加时。若东西方向车道占有率高，正常切换交通灯。若两个方向车道占有率接近，正常切换交通灯。当前东西方向是绿灯的情况类似。
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4结论
本文对交通信号灯智能控制系统进行研究，具有广泛的应用前景和推广价值。首先，交通拥堵是我国最重要的交通问题。如何解决交通拥堵问题，关系到每个人的自身利益，在这种情况下，智能交通系统中交通信号灯智能控制的研究，具有广泛的应用前景。其次，本项目通过在交通路口四个方向设置高清摄像头、ARM处理器、无线传输模块的方式进行路况车辆信息的采集、分析及计算处理，再通过自定义的交通信号灯配时优化算法进行交通信号灯的实时调控。这样的智能控制方式，具有一定的技术含量，而研发成本并不是很高，可以在较短时间内，对城市多个交叉路口安放交通信号灯智能控制系统，具有一定的产业化可行性。由此可见，本项目研究具有一定的市场推广和应用前景，具有一定的产业化可行性，值得进行研发。
