（信号与信息处理专业论文）基于图像处理的交通信号控制系统研究.pdf

长春工业大学硕士学位论文 摘要 智能交通系统是将先进的信息技术、数据通讯传输技术、电子控制技术及计算机 处理技术等综合运用于整个交通运输管理体系，建立起一种实时、准确、高效的综合 运输管理体系，最终使交通运输服务和管理智能化的一种复杂的交通系统。由于该系 统可以使汽车道路的功能智能化，是目前国际公认的解决城市以及商速公路交通拥挤、 改善行车安全、提高运行效率、减少空气污染等的最佳途径，也是全世界交通运输领 域研究的前沿问题。可以预料，智能交通系统将成为二十一世纪现代化地面交通运输 体系的模式和发展方向，是交通运输进入信息时代的重要标志。 交通信号控制系统是智能交通系统的重要组成部分，是解决城市交通拥挤、提高 运行效率、减少城市空气污染的最直接、最有效的途径之一。所谓智能交通信号控制 系统( t s c s ，t r a f f i cs i g n a lc o n t r o ls y s t e m ) 就是能够根据路口的车流信息自动改 变信号灯的相位方向，最大限度的提高路口的通行能力、提高道路的运输效率、减少 司机在路口的等待时间，而城市中一片街区的各主要路口的交通信号控制系统连入智 能交通信号控制网络中可以有效地改善城市交通状况，解决困扰城市交通管理部门和 司机、行人的一系列问题。 本文主要根据道路监控摄像机对道路的信息进行实时采集、取样，送入d s p 处理 芯片，对采集到的道路图像进行实时处理，根据处理的结果分析两个路口的车流情况， 其中包括等待车队长度、车流车速等重要信息，把所得的结果量化后送入单片机控制 部分，根据编写好的控制程序改变路口的信号灯相位方向，使交通信号控制达到智能 化。 关键词；i t s ；图像处理；交通信号控制；形态学； 长春工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e ma p p l i e da d v a n c e di n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y ， 如t ac o m m u n i c a t i o n st r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g y 。e l e c t r o n i cc o n t r o lt e c h n o l o g y a n dc o m p u t e rp r o c e s s i n gt e c h n o l o g yt ot h ew h o l ei n t e g r a t e dt r a n s p o r t a t i o n m a n a g e m e n ts y s t e m 。a n ds e tu par e a l t i m e ，a c c u r a t ea n de f f i c i e n ti n t e g r a t e d t r a n s p o r t a t i o nm a n a g e m e n ts y s t e m 。i ti sac o m p l e xa n di n t e l l i g e n tt r a f f i c m a n a g e m e n ts y s t e mw h i c hu l t i m a t e l ym a k e st h et r a n s p o r ts e r v i c e sa n dm a n a g e m e n t i n t e l l i g e n c e i ti st h eb e s tw a yi n t e r n a t i o n a l l yr e c o g n i z e dt os o l v eu r b a na n d h i g h w a yc o n g e s t i o n ，i m p r o v es a f e t y ，i m p r o v eo p e r a t i n ge f f i c i e n c y ，r e d u c ea i r p o l l u t i o na n ds oo n i t sa l s oaf o r e f r o n ti s s u eo ft h ew o r l dt r a n s p o r t a t i o n f i e l d i tc a nb ep r e d i c t e d ， i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m sw i l lb e c o m ea m o d e r ng r o u n dt r a n s p o r t a t i o ns y s t e mi nt h e2 1 s tc e n t u r ym o d ea n dd i r e c t i o no f d e v e l o p m e n t ，i ti sa ni m p o r t a n ts y m b o lt h a tt r a n s p o r tc o m e si n t ot h ei n f o r m a t i o n a g e t r a f f i c s i g n a l c o n t r o ls y s t e mi sa ni m p o r t a n tp a r to fi n t e l l i g e n t t r a n s p o r t a t i o ns y s t e m s ， i ti so r eo ft h em o s td i r e c ta n dm o s te f f e c t i v ew a y t os o l v et h eu r b a nt r a f f i cc o n g e s t i o n ，i m p r o v eo p e r a t i o n a le f f i c i e n c ya n d r e d u c eu r b a na i rp o l l u t i o n t h es o c a l l e di n t e l l i g e n tt r a f f i cs i g n a lc o n t r o l s y s t e m ( t s c s t r a f f i cs i g n a lc o n t r o ls y s t e m ) i sb a s e do nt h et r a f f i ci n f o r m a t i o n t oa u t o m a t i c a l l yc h a n g et h ed i r e c t i o no ft h ep h a s es i g n a l ，r a i s i n gt h em a x i m u m c a p a c i t yo ft h ej u n c t i o n ，i m p r o v i n gt h ee f f i c i e n c yo fr o a dt r a n s p o r t ，a n d r e d u c i n gt h ew a i t i n gt i m ef o rd r i v e r sa tj u n c t i o n s i nt h i sp a p e r ，b a s e do nr o a ds u r v e i l l a n c ec a m e r a so nt h er o a df o rr e a l t i m e i n f o r m a t i o nc o l l e c t e ds a m p l e ss e n tt od s pc h i p s r e a l t i m ei m a g ea b o u tr o a d i sp r o c e s s e d ，a n da c c o r d i n gt ot h er e s u l t sw ea n a l y z et h es i t u a t i o no ft w o t r a f f i cj u n c t i o n s t h es i t u a t i o ni sa b o u tt h el e n g t ho fw a i t i n gv e h i c l e s ， v e h i c l es p e e da n do t h e ri m p o r t a n ti n f o r m a t i o n f i n a l l y , t h er e s u l t so ft h e q u a n t i z e da r es e n ti n t om c uc o n t r o l ，a n dt h e nt h ed i r e c t i o no ft h ej u n c t i o n p h a s ei sc h a n g e dc o r r e c t l y k e y w o r d s ：i t s ，i m a g ep r o c e s s i n g ，t r a f f i cs i g n a lc o n t r o l ，m o r p h o l o g y 长春工业大学硕士学位论文 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作 所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经 发表或撰写过的作品或成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。 论文作者签名：乡乏多经 日期删7 年轳月7 日 长春工业大学硕士学位论文 1 1 智能交通系统概述 第一章绪论 智能交通系统( i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m ) 简称i t s ，它实际上包括 了智能交通和智能运输两方面的内容，虽然目前各国和各方面专家对此理解不同，说 法不一，但比较公认的含义是：i t s 是将先迸的信息技术、数据通讯传输技术、电子控 制技术及计算机处理技术等综合运用于整个交通运输管理体系，建立起一种实时、准 确、高效的综合运输管理体系，最终使交通运输服务和管理智能化“1 。 智能交通系统( i t s ) 是为了解决机动化引致的现代城市交通拥挤问题而产生的， 因而智能交通系统的目标体现了社会、经济、生态系统三个层次的效益提高。i t s 可以 有效提高交通运输的安全水平；减少交通堵塞：保持交通畅通；提高运输网络通行能 力；提高交通运输效率和经济效益。与传统提高交通运输水平手段相比，i t s 不是单纯 依靠建设更多的基础设施、消耗大量资源来实现以上目标和功能，而是在现有或较完 善的基础设施上，将先进的通信技术、信息技术、控制技术有机地结合，综合地运用 于整个交通运输系统实现其目标和功能“1 。 智能交通系统的主要内容： 世界上目前正在发展的i t s 技术多种多样，但其核心技术大体分为以下五个主要 方面嗍( 如图1 所示) ： ( 1 冼进的交通管理系统a t 煅( a d v a n c e dt r a f f i cm a n a g e m e n ts y s t e m ) 先进的交通管理系统是由交通控制与管理系统、交通管理辅助决策支持系统、电子 收费系统等若干系统组成，由所属市公安局、市交警支队、市公路局管辖下的综合交 通管理系统，其负责对城市道路交通的监控，对自行车行人不同交通模式交叉口的控 制，以及实施交通事故管理、交通设施维护管理、交通紧急事件管理和对城市道路、 公路交通的车辆收费管理等功能，同时通过辅助管理系统将收集处理后的信息实时传 输到交通信息交互中心，最终实现信息的发布利用与增值服务。 a t m s 在很大程度上是各子系统的整合，因而如何实现各子系统之间信息的采集、 存储、管理和传输也成为实现先进的交通管理系统各项功能的核心和关键，而共用信 息平台作为实现系统信息集成的重要手段，它的建立不但能为各类信息的整合提供技 术依托，同时也将为各相关子系统提供引导接入策略和信息共享服务。 ( 2 ) 先进的交通信息系统a t i s ( a d v a n c e dt r a f f i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ) 长春工业大学硕士学位论文 先进的交通信息系统包括无线数据交通信息通道、车载移动电话接收信息系统、 路由引导系统及选择最佳路由的电子地图。 交通信息采集是智能交通系统( i t s ) 的一个重要基础组成部分，它同样是道路设 计，交通管理与控制，交通规划，i t s 实施和交通流理论研究的基础工作。通过对道路 交通实际的调查与分析，可以掌握交通现状，明确交通问题的性质，由此提出针对性 的问题解决方案；在路网进行全面而系统的交通调查的基础上，分析交通变化规律， 为制定交通流理论模型和交通预测模型提供基础资料，为i t s 中信息服务子系统的实 施提供基础。 交通信息采集可以分为固定数据采集和临时数据采集，临时数据采集有最小采集 量的问题，合理的数据采集量可以即保证数据的精度，同时也能保证使有用较少的时 间和费用，节约项目成本；固定数据采集存在应用数据长度的有效截取问题，数据使 用中，大量数据并非是一件好事，这可能会给系统带来过重的数据处理压力，花费大 量的信息处理资源和时间，但结果却并没有本质的提高。合理地确定数据采集和处理 样本量，是优化项目运行的一个重要途径 ( 3 ) 先进的车辆控制系统 v c s ( a d v a n c e dv e h i c l ec o n t r o ls y s t e m s ) 先进的车辆控制系统是对车辆本身而言的，主要包括行车安全警报系统与行车自控 和自动驾驶系统两部分组成。 先进的车辆控制系统是借助车载设备及路侧、路表的检测设备来检测周围行驶环境 的变化情况，自动驾驶控制以达到行车安全和增加道路通行能力的目的。先进的车辆 控制系统的核心内容是智能汽车的研究与应用，这种汽车具有道路障碍自动识别、自 动报警、自动转向，自动制动、自动保持安全距离、车速和巡航控制功能。 先进的车辆控制系统的优点： 增加公路的通行能力，减少道路阻塞，缩短行车时间。a r c s 能使运行的车辆保 持合适的最小跟车间距，保持车流稳定地前进，缩短行车耗时，缓解交通拥挤，提高 道路利用效率，增加公路的通行能力。 降低事故率，提高行车安全。a r c s 可以通过显示或预警装置，给驾驶员提供足 够的交通信息，帮助驾驶员做出正确的驾驶操作决策，在 v c s 高度完善的情况下，可 以将人工驾驶转为自动控制，防止因驾驶员疏忽和机件故障造成的交通事故，并可提 供适当的安全防护，当最终实现自动驾驶时，将完全排除人为因素而导致的交通事故， 从而实现高效安全的行车秩序。 降低行车成本，提高行车效率。在a r c s 控制下，可以保持车流的顺畅，减少交 通阻塞，减少由于车辆滞留在道路时间过长而导致的消耗过多，以及减少因频繁的踩 油f l - q 刹车所造成的能源消耗，提高行车能源利用效率。 降低废气排放量，减轻环境污染。当车流顺畅、稳定地向前行驶时，排放的废气、 2 长春工业大学硕士学位论文 噪声等环境污染较少，可达到减轻环境污染的效果。 “) 先进的公共交通系统a p t s ( a d v a n c e dp u b l i ct r a n s p o r t a t i o ns y s t e m s ) 先进的公共交通系统包括公共交通车辆定位系统、客运量自动检测系统、行驶信息 诱导系统、自动调度系统、公交计费系统、视野支持系统和旅客服务系统等。 先进的公共交通系统致力于发展创新的公共交通问题的解决策略，以提高调度的可 靠性、运行效率、服务质量、减少出行时间、降低运行、训练和维护成本，并提高驾 驶员和乘客的安全性。使公共交通更加可靠和方便，使公共交通成为更加具有吸引力 的交通方式。 ( 5 ) 先进的电子收费系统a e t c s ( a d v a n c e de l e c t r o n i ct o l lc o l l e c t i o ns y s t e m ) 先进的电子收费系统包括电子自动收费设备、不停车自动收费系统、停车引导和 收费系统。即通过电子卡、电子标签由计算机自动完成行驶或进出停车场车辆的收费， 实现地面交通费用收缴的自动化，从而减少停车延误，提高交通动态、静态化能力和 运营效率u ”。 1 2i t s 国内外研究现状 美国是最早提出智能运输系统构想的国家之一，约始于2 0 世纪6 0 年代末期。当时 就研究开发出电子导航系统e r g s ( e l e c t r o n i cr o u t eg u i d a n c es y s t e m ) ”。由于受 当时条件的限制，中间中断了2 0 多年，直到8 0 年代中期，加里福尼亚交通部门才开 发出有关汽车和公路智能化的新路开发者( p a t h f i n d e r ) 系统。9 0 年代初期，随着冷 战的结束，国防工业技术向民用技术的发展，尖端信息技术大规模地进入交通运输产 业，美国联邦政府专门成立智能车辆道路系统( i v h s ，其后i v h s 易名为i t s ) 组织， 并制定“总地表联运运输效率法案”，即“冰茶法案( i s t e a ) ”。在1 9 9 1 1 9 9 7 年7 年 时间投入6 6 亿美元，旨在利用高新技术和合理的交通分配提高整个路网的运输效率。 此后又制定“t e a 一2 l ”法案，从1 9 9 8 2 0 0 3 年投入经费1 9 8 0 亿美元开发研究i t s 。此 法案作为指导美国2 1 世纪交通建设的蓝本。该法案把i t s 分为七大领域进行系统的开 发，即出行和交通管理系统、出行需求管理系统、公共交通运营系统、商用车辆运营 系统、电子收费系统、应急管理系统、先进的车辆控制和安全系统。1 9 9 6 年，美国前 交通部长f e d e r i c op e n a 宣布把凤凰城、圣安东尼奥、西雅图及纽约4 个城市作为智 能交通的试点城市“”。 日本是世界上人口密度和道路拥挤程度较高的国家之一，因此对i t s 的研究和应用 更加迫切需要“4 。1 9 9 4 年，日本成立了有四省一厅参加的全国统一的道路、交通、车 辆智能化推进协会v e r t i s ( v e h i c l er o a dt r a f f i ci n t e l l i g e n ts o c i e t y ，v e r t i s ) ， 其主要工作是推动和协调i t s 各组织的开发、研究和标准的制定，赞助i t s 世界和亚 长春工业大学硕士学位论文 图卜1 智能交通系统结构图 太会议，并制定了一个投资预算7 8 兆亿日元，为期长达2 0 年的发展计划。日本在7 0 年代就成功研制出电子路径诱导系统( e r g s ) ，但那时的计算机应用技术还很落后，限 制了大规模的推广及应用，其后随着信息技术的发展又相继研制出配备数字地图和红 外双向短程通信的先进导航系统交通信息通信系统( v i c s ) 、互联导航系统( i n s ) 、 汽车自动收费系统( e p s ) 、辅助安全驾驶系统( 例如先进的安全汽车( a s v ) 和自动化 公路系统( i l l s ) 、交通管理控制系统( a m c s ) 等) “”。 欧洲地区由于国家多，各个国家道路地理情况和发展水平不一致，他们从道路信息 化的角度来着手推动i t s ，大致可以分为3 个阶段：第1 阶段1 9 8 8 年的提高服务质量 的d r i v e ( d e d i c a t e di n f r a s t r u c t u r ef o rv e h i c l es a f ei ne u r o p e ，d r i v e ) 计划； 第2 阶段的交通无线数据通信网t e l e m a t i c s 计划；第3 阶段的高效交通安全 p r o m e t h e u s ( p r o g r a m f o re u r o p et r a f f i cw i t hh i g h e s t e f f i c i e n c y a n d u n p r e c e d e n t e ds a f e t y ，p r o m e t h e u g ) 计划。 亚洲其它国家的i t s 研究较晚但发展较快，如亚洲的韩国和新加坡政府近年来投入 巨资研究智能运输系统，韩国把光州市作为i t s 的试点城市，首次就投入1 2 5 0 万美元。 新加坡已建立先进的城市交通管理系统，该系统主要包括交通流的检测、动态信息诱 导等。 以上国家和地区对i t s 的研究侧重点都不完全相同。美国智能交通研究重点在智能 车辆，如增加轿车、公交车和卡车自身安全、车辆信息智能化；日本侧重道路设施智 能化建设，如自动公路系统利用磁铁钉和路边通信装置，建立车和道路间短程通讯； 欧洲则侧重汽车本身的智能化问题，利用红外和激光等传感器对道路进行识别和增加 汽车驾驶的舒适度以减少驾驶压力“”。 国内的智能运输系统研究起步较晚，但发展非常快嗍。我国政府近年来十分重视信 息技术在交通中的应用，1 9 9 5 年中共中央、国务院在关于加快科学技术进步的决定 4 长春工业大学硕士学位论文 中明确指出“要加快信息技术在交通、通信等领域的应用的决定”。交通部门也在公 路、水运交通信息化“九五”规划和2 0 1 0 年发展概要规划中把i t s 作为以后建设的 重点。交通部设想，从“九五”至2 0 1 0 年期问把我国i t s 规划分成三步走，即第一步 完成总体规划和体系框架研究；第二步开发具有国际先进水平的成套技术与装备，并 在高等级公路网上应用；第三步大量应用先进的通信电子技术，提高整个路网的效率 与安全性嘲。 1 9 9 8 年交通部公路科学研究所正式成立交通智能运输系统工程研究中心( i t s c ) ， 并投资1 4 0 0 万元建设中心实验室作为我国发展i t s 规划机构”1 。国家质量技术监督局 专门批准成立了i s o p t c 2 0 4 中国委员会，负责制定相关标准。在此之前，国内的一些 科研院所就开始从事这方面的研究，并取得了阶段性的成果，为我国智能运输系统打 下了一定的基础，如己开发研究的区域性交通安全管理系统、卫星全球定位系统( g p s ) 、 城市交能控制系统、高速公路自动收费系统等。但成果大多属于实验室阶段，并未能 进行大规模推广应用。我国目前建立的i t s 比较好的城市中，大多是国外引进的产品， 如引进英国的s c o o t 系统( 北京、大连市) ，引进澳大利亚的s c a t s 系统( 上海、沈阳、 广州市) ，引进日本的c a c s 系统( 深圳、无锡市) 。但国内也有一些城市使用的国内厂 家和科研院所开发的产品，如原吉林工业大学开发的交通安全管理地理信息系统 ( g i s ) ，北京航空大学的公共交通信息管理系统，上海同济大学i t s 研究中心的高速 公路交通事故预防与紧急救援系统，安徽三联事故预防研究所的城市智能交通指挥系 统( 先进交通信息系统、集群通信系统、交通控制与信息分布系统、交通事故预防及 紧急救援系统、自动化公路收费系统等) 。三联事故预防研究所开发的产品已在安徽的 蚌埠、马鞍山、河南的巩义，浙江的温州等城市建成投入使用，这些产品同国外产品 相比性能相差不大，但更适合中国国情旧。 1 3 交通信号控制系统的发展及现状 交通工具的现代化使道路路口作为城市交通的瓶颈凸现出来。为保证车流能够分 时使用路口和减少交通事故的发生，英国于1 8 6 8 年在伦敦w e s tm i n s t e r 地区安装了 世界上第一台交通信号灯，揭开了城市交通信号灯控制的序幕。当时的信号灯采用红 绿两色的煤气照明灯，仅限于夜间使用。1 9 1 8 年，美国在盐湖城建成了第一个使主干 线上各信号灯基于“绿波思想”同步运作的互联信号系统。与此同时，信号灯也改进 为白天晚上皆可工作的电气照明三色信号灯。1 9 2 6 年，英国人在沃尔佛汉普顿第一次 安装和使用自动化的控制器来控制交通信号灯，标志着城市交通自动控制的开始。鉴 于当时的信号灯主要采用机电设备连锁的定周期控制方式，因此，数据处理功能有限， 信号灯之间的协作也较少。1 9 5 2 年，美国科罗拉多州丹佛市首次利用模拟计算机和交 长春工业大学硕士学位论文 通检测器实现了对交通信号机网的配时方案选择式信号灯控制，而加拿大多伦多市于 1 9 6 4 年完成了计算机控制信号灯的实用化，并成为世界上第一个具有电子数字计算机 控制交通的城市。伴随着计算机的发展和推广使用，城市交通信号控制系统得到了迅 速发展。人们认识到，要更好地提高城市管理水平，不仅仅依靠硬件设备的更新和改 进，还必须同时在控制逻辑和方法上有所突破。因此，英国运输与道路实验室( t r r l ) 基于t r a n s y t 方法开发的s c o o t 系统和澳大利亚基于配时方案实时选择方法来实现路 网协调控制的s c a t s 系统成为世界上两个最优秀的城市交通信号控制系统。后者在 1 9 9 4 年世界杯足球赛期间美国奥克兰市赛场四周要道的交叉路口交通管理中，显示出 相当不错的控制效果和控制能力o “。 进入2 0 世纪8 0 年代后期以来，随着城市化进程的加快和汽车的普及，城市交通拥 挤、阻塞现象日趋恶化，由此引发的事故、噪声和环境污染已成为日益严重的社会问 题，交通问题成为困扰世界各国的普遍性难题。人们对交通系统的复杂性和开放性 特征有了更深一层的认识，并开始意识到单独考虑车辆或道路方面很难从根本上解决 交通拥挤现象，只有把路口阃的交通流与信号控制的耦合作用综合考虑，且赋以现代 的各种高新技术方可彻底消除有关问题。于是，智能交通系统应运而生，并得到迅猛 发展。除在技术和功能上得到增强和完善的s c o o t 和s c a t s 以外，s t r e a m 、m o t i o n 、 r t l r a c s 、s u r f 2 0 0 0 、p r o d l f n 和u t o p i a 等新一代城市交通控制系统相继推出并投入应 用。 1 4 几种主要的交通信号控制系统 1 4 1t r n s y t 系统 交通网络研究工具( t r a f f i cn e t w o r ks t u d yt o o l ，t r a n s y t ) 是英国交通与道路 研究所( t r r l ) 于1 9 9 6 年提出的脱机优化网络信号配时的一套程序，它是一种脱机操 作的定时控制系统，系统主要是由仿真模型及优化2 部分组成。交通模型用来模拟在 信号灯控制下交通网上的车辆行驶状况，以便计算在一组给定的信号配时方案下网络 的运行指标，优化过程通过改变信号配时方案并确定指标是否减小，这样经过反复计 算求得最佳配时方案。 t r a n s y t 早期的版本是采用“瞎子爬山法”，对相位差和绿信比进行优化，但不 能对周期进行优化，只能在一组周期中计算最小的性能指标，得到相对优化的周期时 长。其性能指标p i ( p e r f o r m a n c ei n d e x ) 与停车次数和排队长度有关 6 长春工业大学硕士学位论文 用= ( 嵋f ，+ 饥) ( 1 1 ) 式中：w t 为第i 条连线延迟时1 ；j 的加权系数；后，为第f 条连线停车次数的加权系数； f ，为第i 条连线的总延迟时间；为第f 条连线的停车次数的总和。 对于给定的一组配时信号，使用上式就可以求得其性能指标。然后按照事先确定 的调整步距( 一个信号周期长度的1 5 0 ) 调整路网上某一个交叉口的绿灯起始时间( 相 当于调整与该路口相关的相位差) ，使用( 1 1 ) 式重新计算网络的性能指标。两者进行比 较，如果该调整的性能指标有所改善，则继续沿同一方向调整该路口的绿灯起始时间， 直至得到性能指标的最小值；如果该调整使性能指标增加，就沿相反的方向调整，直 至获得最小值为止。网络中其他的交叉口的绿灯起始时间都以同样的方式进行调整。 这种优化过程要重复多次，才能得到满意的结果。 t r a n s y t 采用同样的方式对各交叉口的绿信比进行优化。优化过程中必须满足最小 绿灯时的约束条件。对周期长度不能进行优化，可以事先给出一组周期长度值，然后 计算每一个周期下的性能指标，从这组周期中选取最佳周期长度。 美国f l o r i d a 大学的t r a n s y t - 7 f 8 1 c 以后的版本采用遗传算法进行优化，其过程 分别对相位差、绿信比和相序( 针对跳相的情况) 进行优化。而对周期的优化仍然采 用从一组周期长度值中挑选最佳值。 t r a n s y t 系统是一种离线的交通控制系统，不能及时地对实时的交通状况及突发事 件进行响应和调整。 1 4 2s c a t s 系统 悉尼协调自适应交通系统( s y d n e yc o o r d i n a t e da d a p t i v et r a f f i cs y s t e m ，s c a t s ) 是由澳大利亚新南威尔士道路和交通局( r t a ) 于2 0 世纪7 0 年代末研制成功的，1 9 8 0 年起陆续在悉尼等城市安装使用，目前r t a 正推出升级版s c a t s i i ，约有5 0 个城市正 运行s c a t s 系统。 s c a t s 在实行对若干子系统的整体协调控制的同时，也允许每个交叉口“各自为政” 地实行车辆感应控制，前者称为“战略控制”，后者称为“战术控制”。二者的有机结合， 大大提高了系统本身的控制效率。s c a t s 正是利用了设置在停车线附近的车辆检测装 置，才能这样有效、灵活。所以，实际上s c a t s 是一种用感应控制对配时方案作局部 调整的选择系统。 s c a t s 为节省控制计算机的c p u 时间，把信号周期、绿信比及相位差作为各自独立 的参数分别进行优化，而且不用延误时间和停车次数作为直接的优选目标函数。优化 过程所使用的算法以综合流量及类饱和度为主要依据。s c a t s 使用的类饱和度是指车流 有效利用的绿灯时间与绿灯显示时间之比，不同于一般的概念。为避免采用与车辆种 长春工业大学硕士学位论文 类( 车身长度) 直接相关的参量来表示车流流量，s c a t s 引入了一个虚拟的参量即综合 流量q 来反映通过停车线的混合车流的数量。综合流量是指一次绿灯期间通过停车线 的车辆折算当量，它由直接测定的类饱和度及绿灯期间实际出现过的饱和流量s 来确 定。 一个完整的s c a t s 系统需要进行如下的分析： 信号周期长度的选择，以子系统为单位； 绿信比方案的选择，以子系统为单位； 绿灯起步时距的方案选择，包括子系统内部的信号协调，相邻子系统之间的车 流协调，同时作必要的修正； 合并子系统，由“合并指数”表示； 局部车辆感应控制。 1 信号周期优化 周期的长度以子区为基础，根据其中类饱和度最大的交叉口来确定整个子区的信 号周期。s c a t s 事先有4 个限制值，即最小值c 二、最大值c 一、中间值c 和介于最 大和中间值的e 。信号周期的调整采用连续小步距方式，最大可达6 s 。 2 绿信比的选择 事先为每一个交叉口准备了4 个绿信比方案供实时选择使用，在每一个绿信比方 案中，不仅规定各相位的绿灯时间，还规定相位次序。在不同的绿信比方案中，相序 可能是不相同的。其选择方法为：根据当前实测的灯类饱和度及相应的绿灯时间，推 算出其他3 种未被执行的绿信比方案下的类饱和度，各找出一个最大的类饱和度( 即 关键车流的类饱和度) 进行比较，从类饱和度最低的绿信比方案中选择。若在连续3 个周期内某一方案2 次被中选，则下一周期也选此方案执行。 3 相位差的选择 相位差分为2 类：一类为子区内各交叉口之间的信号协调，另一类为两个相邻子 区合并时协调两个子区的车流。2 类相位差各有5 种事先确定。第一个相位差用于周期 长度为c w 的情况，第二个用于信号周期为 c j ，e + l o 】，余下的3 种方案则根据实测 流量及推算结果选择。 s c a t s 系统则是一种方案选择式的交通控制系统，其系统预先根据历史交通数据设 计多套信号控制方案，由路网的感应检测器所采集的交通数据来从预案中挑选。 长春工业大学硕士学位论文 1 4 3s c o o t 系统 绿信比2 周期长2 绿灯起步时距优化技术( s p l i tc y c l eo f f s e to p t i m i z a t i o n t e c h n i q u e ，s c o o t ) 是一种对交通信号网络实行实时协调控制的自适应控制系统。由 英国运输与道路研究所( t r r l ) 于1 9 7 3 年开始研究开发，1 9 7 9 年正式投入使用。 s c o o t 是在t r a n s y t 的基础上发展起来的，其模型及优化原理均与t r s y t 相似。 不同的是，s c o o t 是一种方案自动产生式控制系统，即通过安装于各交叉口每条进口道 上游的车辆检测器所采集的车辆到达信息联机处理，形成控制方案，连续地实时调整 绿信比、周期长及绿灯起步时距3 个控制参数，以与变化中的交通状况相适应。s c o o t 优化采用小步长渐近寻优方法，无需太大的计算量。此外，对交通网上可能出现的交 通拥挤和阻塞情况，s c o o t 有专门的监视和应付措施。它不仅可随时监视系统各部分的 工作状态，对故障发出自动报警，而且可以随时向操作人员提供每一个交叉口正在执 行的信号配时方案的细节情况，每一周期的车辆排队情况( 包括排队队尾的实际位置) 以及车流到达图式等信息，也可以在输出终端设备上自动显示这些信息。 1 绿信比的优化 采用试算的方法，分别计算3 种情况的车辆延误时间和停车率，即维持绿灯不变、 绿灯时间缩短4 s 和延长4 s 时。其最小的值作为优化结果。无论是延长或缩短4 s ，只 限于下一个周期之内，是一个“临时性调整”。在该周期结束后，中心计算机把该相的 绿灯时间作一次“永久性调整”，即“临时性调整”的起始变化点退回3 s ，即实际变化 量为正负1 s ，形成永久性调整，存入计算机内。绿信比的优化是逐个交叉口单独进行 的，不考虑交叉口之间的并联性。 2 相位差的优化 相位差的优化是以优化单元为单位进行的，一个交叉口和跟它相邻的所有交叉口 之间的连线所构成的区域为一个单元。每一个交叉口都有一个预先指定的时间点作为 优化和调整相位差的时间。每到这一时间，s c o o t 的优化程序根据实时周期交通流分布 图所提供的数据信息来估算相位差调整的必要性。估算的依据是p i 值，p i 值最小的方 案被认为是应当采用的最佳方案。 3 信号周期的优化 s c o o t 将控制区划分为不同的子区，子区内的信号周期时长是一样的，或是双周期 的，各个子区的调整是独立的，不考虑与其他子区的并联性。2 次调整的间隔不超过 2 5 m i n ，每次调整量为几秒。为了防止过长或过短的信号周期优化值，通常事先设定 9 长春工业大学硕士学位论文 上下限值。周期优化的原则是保证一个子区负荷最高的关键交叉口其饱和度达到最高 上限值( o 9 ) 。在系统运行中利用它的交通模型不断对每个交叉口饱和度进行计算， 若所有交叉口的饱和度低于0 9 ，则系统逐渐缩短该子区的信号周期。一旦关键路口的 饱和度增高至0 9 或信号周期长度低至规定的下限，则不再继续缩减。子区内交通流 量小的交叉路口采用双周期。 s c o o t 系统是一种方案产生式的在线交通控制系统，能根据实时的交通流数据来产 生新的交通控制方案。对信号周期、绿信比和相位差优化调整采用多次小步幅、单独 地调整。 1 5 交通信号控制系统的主要术语和参数 周期：是指信号灯色发生变化，显示一个循环所需的时间，也称周期长，即红、 黄、绿灯时间之和。 相位：即信号相位，是指在周期时间内按需求人为设定的，同时取得通行权的一 个或几个交通流的序列组。 相位差：具有相同周期长的相关路口，在同方向上的两个相关相位的启动时间差， 称为相位差。 绿信比：是指在周期长内的各相位绿灯时间与周期长之比。 饱和流量；是衡量路口交通流施放能力的重要参数，通常是指一个绿灯时间内的 连续通过路口的最大车流量。 流量系数：是实际流量与饱和流量的比值。既是计算信号配时的重要参数，又是 衡量路口阻塞程度的一个尺度。 绿灯间隔时间：是指从失去通行权的相位的绿灯结束，到下一个得到通行权的相 位绿灯开始所用的时间。 有效绿灯时间：是指被有效利用的实际车辆通行时间。它等于绿灯时间与黄灯时 间之和减去头车启动的损失时间。 延误：是指交通冲突或信号控制设施的限制给车辆带来的时间损失。它是计算信 号配时和衡量路口通行效果的一个重要参数，也常作为确定信号控制系统性能的重要 参量。 1 0 长春工业大学硕士学位论文 1 6 本文研究内容及章节安排 近几年来，随着社会经济和城市交通的快速发展，智能交通系统成为保障城市交通 有序、安全、快速运行的解决方案，越来越受到各国研究人员的重视，而智能交通控 制系统作为i t s 的重要组成部分成为解决当前城市交通压力的有效手段。 本文就是为解决路口中绿灯方向已无车通过而红灯方向有车等待时，可以及时改 变信号灯相位的问题，从而减少司机在路口的等待时间，最大限度的提高路口的通行 能力，解决交通拥堵问题。 本文利用当前道路的现有设备，运用道路监控摄像机采集道路的交通信息，通过 图像处理单元提取道路的交通信息，再把所得到的交通信息送到分析、控制单元来根 据当前的道路交通需要改变信号灯的分配时间，达到随机分配信号灯目的，从而提高 道路的运输能力和运输效率。 本文需要解决的两大问题是： 1 本文主要根据道路监控摄像机对道路的信息进行实时采集、取样，送入d s p 处 理芯片，对采集到的道路图像进行目标提取，根据处理的结果分析两个路口的车流情 况，其中包括等待车队长度、车流车速等重要信息。 2 根据本文的随机控制思想，把图像处理所得到的结果量化后送入单片机控制部 分，分析路口的交通状况，根据编写好的控制程序改变路口的相位方向，使交通信号 控制达到智能化。 以及通过一定实验验证方法的可行性。 本文共分六章，具体内容安排如下； 第一章，介绍本课题的研究背景，以及i t s 的主要内容及国内外的发展现状。 第二章，介绍了图像处理的基本知识，图像处理的特点、内容及方法。 第三章，介绍了边缘的定义和边缘检测的几类算法，以及通过实验与第四章的形 态学边缘检测方法进行比较。 第四章，介绍了形态学的基本内容，以及根据实验得出形态学的边缘检测方法能 够满足道路目标提取，并运用t o p - h a t 运算对采集的单帧图像进行背景估计，并对目 标特征进行分析，从而提取目标图像， 第五章，对智能交通信号控制理论进行研究，设计硬件电路给出2 相位交通信号 控制系统的程序流程图。 第六章，总结全文，指出下一步需要研究的内容方向。 长春工业大学硕士学位论文 2 i 概述 第二章图像处理理论 在社会生活和科研生产活动中，人们随时随地都要接触图像( i m a g e ) 。图像信息是 人类认识世界的重要知识来源，其他任何形式的信息都没有图像信息丰富和真切。 图像是物体透射或反射光的信息，通过人的视觉系统接收后，在入的大脑中形成 的印象或认识。所以，“图像”是客观存在的二维、三维灰度或彩色“图”在人的感觉 中产生的“像”。一般来说，凡是能为人类视觉系统所感知的有形信息，或人们心目中 的有形想象都统称为图像，因此，图像处理有时要考虑人的心理因素。所谓图像处理， 就是通过某些数学运算对图像信息进行加工和处理，以满足人的视觉心理和实际应用 需求1 。 而数字图像处理以精度高、灵活方便、改变软件程序即可改变处理方法以达到所 求的处理效果等优点，成为当今图像处理的重要手段之一，现在已越来越受到人们的 重视，所谓数字图像处理，就是利用计算机和其他高速、大规模集成数字硬件，对从 图像信息转换来的数字电信号迸彳亍某些数字运算或处理，以提高图像的质量或达到人 们所预期的结果，因此也称为计算机图像处理。例如对被噪声污染的图像除去噪声、 对信息微弱的图像进行增强处理、对失真的图像进行几何校正、从犯罪现场提取指纹 特征、对数据量过大的图像进行压缩编码等都是数字图像处理的范畴。( 图2 - i 是数字 图像处理系统组成) 。 圈2 - i 数字图像处理系统组成 长春工业大学硕士学位论文 2 2 数字图像处理的特点、方法及内容 2 2 1 数字图像信息有如下几个特点 数字图像信息量大，若一幅像素数为5 1 2 5 1 2 像素的图像，灰度量化为 2 ”= 1 0 2 4 ，那么用二进制表示，其信息量为：1 0 2 4 1 0 2 4 木l o = 1 0 4 8 5 7 6 0 ( b i t ) ，要对这 样大信息的图像进行处理，必须用具有相当大内存和存储器的电子计算机才能胜任。 数字图像像素间相关性大，在同一帧各相邻像素之间常常有大批像素具有相同 或接近的灰度，有人统计其相关系数可达0 9 以上，而相邻两帧间的相关性比同一帧 内的关性还要大，因此，图像信息压缩的潜力很大。 占用频带较宽，与话音信息相比，数字图像占用的频带要大几个数量级，如话 音带宽一般为4 k h z 左右，而图像带宽却需要5 6 m h z 左右，这样，数字图像对频带压 缩技术提出了更高的要求。 图像信息视觉效果主观性大，由于人的视觉系统很复杂，受环境条件、视觉功 能、人的情绪、兴趣以及知识状况影响很大，所以对图像的视觉效果的观察和评价主 观性也大。 图像处理技术综合性强，一般来说涉及通信技术、计算机技术、电子技术、电 视技术，至于涉及到的数学、物理学等方面的基础知识就更多了。 2 2 2 数字图像处理的主要方法 数字图像处理方法大致可分为两大类，即空域法和变换域法渊。 ( 1 ) 空域法 这种方法是把图像看作是平面中各个像素组成的集合，然后直接对这一、二维函 数进行相应