智能交通信號燈背后的嵌入式密碼
智能交通信號燈
2021-12-16 11:26:00
智能交通信號燈
智能信號燈
智能交通信號燈方案
"紅燈停、綠燈行、黃燈亮了等一等"，還記得這首童謠么？如今隨處可見的交通信號燈大家一定不在陌生，那你知道這些信號燈都隱藏著哪些“秘密”？跟著小編一起來了解一些交通信號燈背后的那些“秘密”以及 未來智能交通信號燈的發(fā)展趨勢。
一、交通信號燈
交通信號燈由紅燈、綠燈、黃燈組成。紅燈表示禁止通行，綠燈表示準許通行，黃燈表示警示。
1、綠燈信號：綠燈信號是準許通行信號。按《交通安全法實施條例》規(guī)定：綠燈亮時，準許車輛、行人通行，但轉(zhuǎn)彎的車輛不準妨礙被放行的直行車輛和行人通行。
2、方向指示信號燈：方向信號燈是指揮機動車行駛方向的專用指示信號燈，通過不同的箭頭指向，表示機動車直行、左轉(zhuǎn)或者右轉(zhuǎn)。
3、人行橫道燈信號：人行橫道燈由紅、綠兩色燈組成。在紅燈鏡面上有一個站立的人形象，在綠燈面上有一個行走的人形象。人行橫道燈設在人流較多的重要交叉路口的人行橫道兩端。燈頭面向車行道，與道路中心垂直。
二、交通信號燈控制邏輯
以一個最常見的十字路口為例，東西南北四個方向各有一組紅綠燈。
十字路口紅綠燈，最常見的交通信號燈的控制邏輯是南北方向通行時，東西方向不通行；東西方向通行時，南北方向不通行。如果十字路口車流量很大，可能會是另外一套控制邏輯，比如每一個時刻只有一個方向為綠燈，其它都是紅燈。平時見到的交通信號燈，絕大部分都是固定配時的，也就是紅燈、綠燈時長固定不變，也有 非固定配時的，比如按照一天中的時間段、或者按照一個星期的不同日子來設置不同的配置方案，還有會根據(jù)路口的流量變化動態(tài)調(diào)整配時方案的。
三、為什么現(xiàn)在信號燈的設計越來越復雜？
開過車的朋友，尤其是新手司機來說，最怕經(jīng)過情況比較復雜的路口。路面上不僅有復雜的導向線，路口處還有樣式特別的紅綠燈，一個方向可能會有多組燈，比如有直行燈、左轉(zhuǎn)燈、右轉(zhuǎn)燈、甚至掉頭燈，總之各種情況都會有。 從表面上看，這些交通信號標志的類型似乎很復雜，在不同的情況下想要采取不同的方式去應對。其實萬變不離其宗，看見交通信號燈只要遵循“紅燈停，綠燈行”的原則即可。
為什么現(xiàn)在交通信號燈的設計越來越復雜？是因為我國主要大中城市的市內(nèi)交通擁堵情況日益加重，特別是在交通高峰期，如果還是采用簡單控制邏輯，那么整個區(qū)域的交通都可能面臨癱瘓的處境，更合適的信號控制時間和轉(zhuǎn)向配置方案，可以更加有效地改善交通擁堵情況。
四、交通信號燈背后的嵌入式
理工科的同學是否還記得那些年做過的實驗，通過定時器+LED+數(shù)碼管實現(xiàn)交通信號燈的演示。當然如此簡單的演示方案，肯定不能滿足日益復雜的交通現(xiàn)場環(huán)境，而現(xiàn)實中的交通信號燈控制是如何做到的呢？
交通信號控制系統(tǒng)是一個獨立的系統(tǒng)，又是整個地區(qū)信號燈系統(tǒng)的一部分。是城市道路交通管理系統(tǒng)中對交叉路口、行人過街，以及環(huán)路出入口采用信號控制的子系統(tǒng)，主要包括交通工程設計、車輛信息采集、數(shù)據(jù)傳輸與處理、控制模型算法與仿真分析、優(yōu)化控制信號調(diào)整交通流等。
在十字路口道路旁，都會有這么樣的一個交通信號控制柜，針對于交通信號燈控制的交通信號機就安裝于交通信號控制柜內(nèi)，是現(xiàn)代城市交通系統(tǒng)的重要組成之一，用于城市道路交通信號的控制與管理。
交通信號機內(nèi)部由單片機或者Linux的處理器作為 主控，外圍有串口、網(wǎng)口、按鍵、顯示屏、指示燈等接口。看似不復雜，但是由于它工作環(huán)境嚴酷、需要常年累月連續(xù)工作，對產(chǎn)品穩(wěn)定、質(zhì)量要求很高。小編通過檢索各個嵌入式廠商針對交通信號機提供的解決方案，簡單為大家梳理一下交通信號機的工作原理。
上面這張框架圖很好的體現(xiàn)了 交通信號機內(nèi)部主控系統(tǒng)是如何工作的。根據(jù)飛凌嵌入式提供的解決方案，簡單梳理了各個接口連接的外設需求。以飛凌嵌入式的iMX6UL系列核心板為例，
■ 雙網(wǎng)口冗余設計，當某一線路出現(xiàn)故障時，自動啟動另外一條線路與指揮中心進行通信；
■ 8路串口，可外接多種傳感器、檢測器、GPS，保證系統(tǒng)的精確時鐘；
■ USB接口，可外接U盤、鼠標，方便生成和下載參數(shù)；
■ 多路GPIO，實現(xiàn)多通道紅綠燈控制；
■ 7寸、10.1寸高清屏幕顯示，界面運行流暢；
■ 上行通道支持4G接口，WiFi熱點方便參數(shù)配置；
■ 工業(yè)級主板，可在-40°C~+85°C溫寬下運行，經(jīng)多個的領域長期測試，保證產(chǎn)品在嚴苛環(huán)境下的性能穩(wěn)定；
■ 采用Linux+QT開發(fā)，提供各個接口的Demo例程，可以更快速的開發(fā)產(chǎn)品，支持Linux3.14+QT4.8.5，Linux4.1.15+QT5.6。
五、什么是智能信號燈？是否可以解決擁堵問題？
同時，城市發(fā)展的日新月異以及居民生活水平的提高使得市政道路改建工程頻繁、機動車保有量持續(xù)增加，這些變化都對城市交通分布特征帶來了巨大的影響，對交通信號燈控制如何應對這些快速變化提出了挑戰(zhàn)。
隨著中國城市化與機動化進程的深入，交通擁堵問題日益突出，已成為制約城市發(fā)展的主要瓶頸之一。傳統(tǒng)的緩解交通擁堵的解決方案例如：拓寬道路、加大路網(wǎng)密度、建立立體交通等越來越顯示出其局限性，隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能、信息技術的發(fā)展，交通部門意識到只有利用高科技手段才能改善日趨嚴重的交通問題。因此，對道路基礎設施的“智能化”改造成為智能交通發(fā)展的必然趨勢。交通信號燈是城市交通管理控制的重要手段，信號燈控制系統(tǒng)升級將有極大潛力緩解交通擁堵。
在人工智能技術高速發(fā)展的背景下，對路面交通設施設備進行數(shù)字化梳理和數(shù)字化采集上，基于圖像處理及嵌入式系統(tǒng)的智能交通信號燈應運而生。它可以通過多個渠道進行感知和收集相關的交通數(shù)據(jù)，然后利用“智慧大腦”分析研判，計算出更合適的信號控制時間和轉(zhuǎn)向配置方案，從而有效地改善交通擁堵情況。
六、智能交通信號燈需要“智能大腦”
智能交通信號控制系統(tǒng)解決方案，飛凌嵌入式提供的解決方案是這樣的，在各路口的交通信號燈現(xiàn)場的路邊控制柜內(nèi)，交通信號機可采用飛凌嵌入式的相關嵌入式ARM核心板設計，推薦的是FET3399-C核心板，多種AI框架支持， Android7.1系統(tǒng)，支持Tensorflow Lite、Caffe等多種AI框架；并提供針對RK3399平臺深度學習目標檢測開發(fā)的優(yōu)化方案例程（RKSSD），利用了OpenCL、RGA等硬件加速模塊，以降低CPU負載。
■ 具備2個ARM Cortex-A72內(nèi)核和4個ARM Cortex-A53內(nèi)核，最高主頻1.8GHz，GPU采用Mali-T864，視頻處理性能強大，可結合視頻車輛檢測器，利用路口電子警察的攝像機進行車輛信息的采集，進行車輛信息的采集；
■ 具備多種顯示接口，包括HDMI2.0、MIPI-DSI、EDP1.3、DP1.2，最大分辨率達4K，可靈活選擇顯示接口，超大高清分辨率屏幕顯示；
■ 具備ADC 5路，可通過監(jiān)測信號燈的電壓、電流、功率來監(jiān)視信號燈的狀態(tài)；
■ 可通過4G/5G與實時路況數(shù)據(jù)進行交換，實時改變控制方案，解決突發(fā)交通擁堵問題。在擁堵頻發(fā)的核心區(qū)域、潮汐流明顯的主干道區(qū)域，能發(fā)揮更加強大的協(xié)調(diào)路況的功能；
■ 多系統(tǒng)支持，Linux4.4+QT5.12、Android7.1、Forlinx Desktop18.04，python3.6語言編程，讓開發(fā)變得更簡單。
■ 由于飛凌嵌入式嵌入式計算機硬件的產(chǎn)品優(yōu)勢，使得交通燈可以有效規(guī)避“停機”或延遲等故障，同時可以高效處理海量的數(shù)據(jù)與控制任務。
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相關信號機專業(yè)術語
有兩個不太容易理解的概念，叫做 相位和 相位階段，官方的解釋我就不引用了，說下自己的理解。
簡單來說，一個路口有幾組燈，就對應幾個相位，比如上述的十字路口，東西南北各一組燈，那就是4個相位。
相位階段，車輛“通行權”的每一次轉(zhuǎn)換就稱為一個信號相位階段，一個信號周期內(nèi)"通行權"的交接幾次，就是幾個信號階段。
相位周期，就比較好理解了，就是該相位的信號燈各種燈色輪流顯示一次所需的時間總和。
還有一些其他術語就不解釋了。
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