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基于视频的路网系统智能红绿灯设计

引 言
道路交叉口处的交通信号灯是城市道路网中的主要控制设施，合理调节信号灯的控制是提高城市交通质量，提高现有道路利用率的关键所在。本设计选择具有众多优点的视频图像检测传感器作为交通参数的检测器。在阐述了视频图像检测传感器的工作原理的基础上，文中详细介绍了视频图像处理的几种算法并实现这些算法，获得了所需的交通参数。鉴于交通流具有强不确定性而且交通结构十分复杂，系统难以建立精确模型和采用模型求解的方法来实现控制，所以在设计交叉口的信号灯控制器时，根据模糊控制理论而采用了模糊控制的方法。在基本通行时间基础上，在当前方向绿灯时间结束时，模糊控制器根据红绿灯的两个方向上车辆排队长度和上游路口交通状况作出判决，得到绿灯方向上通行时间的延长量。模糊控制器的控制规则体现了交警在实际路口交通指挥中的经验。文中设计了一个交通路口信号控制仿真程序，以实际交通参数为仿真数据，分别采用模糊控制和固定配时方案控制交叉口信号灯，计算车辆通过路口的平均延误，并比较了两种配时方案的控制性能。仿真研究表明，模糊控制方案显著地降低了车辆通过交叉口的平均延误，提高了道路的利用率。
关键词: 智能交通;交通信号控制;视频图像检测;模糊控制

目 录
引 言 1
目 录 2
第一章 绪 论 3
1.1课题研究的背景和意义 3
1.2交通信号控制技术的发展和现状 5
1.3交通信号控制存在的问题及解决办法 7
1.4主要研究内容 7
第二章 国内外交通信息检测技术与信号灯控制技术概述 8
2.1交通信息检测技术介绍 8
2.1.1基于地面感应线圈的车辆检测系统 8
2.1.2基于超声波的检测系统 9
2.1.3红外检测系统 10
2.1.4声学检测 10
2.1.5磁力计检测 11
2.1.6激光雷达检测方法 11
2.1.7基于视频图像的检测方法 11
2.1.7.1视频监控系统概述 11
2.1.7.2交通视频监控系统基本原理 12
2.2交通信号机控制模型概述 13
2.2.1几种典型的城市交通控制系统 13
2.2.2城市交通控制系统的基本类型 15
第三章 模糊控制理论基础 17
3.1模糊控制起源和发展 17
3.2模糊控制器组成 18
3.3模糊控制优点 20
3.4模糊控制应用于交通信号控制的优点 20
第四章 车辆排队长度视频检测 21
4.1基本思想 21
4.2背景更新与差分 21
4.3边缘检测sobel算子 23
4.4图像二值化 24
4.5算法流程及实现 25
第五章 交通信号控制模型实现 30
5.1基本思想 30
5.2输入和输出变量模糊化 32
第六章 总结与展望 38
6.1设计总结 38
6.2研究展望 38
参考文献 38

第一章 绪 论
1.1课题研究的背景和意义
在这个科学技术和世界经济飞速发展的时代，交通系统的空前发达是必然的，也是经济持续稳定发展的基础。交通运输在经济和社会发展中起着举足轻重的作用。进入80年代以来，随着交通需求急剧增长，交通运输所带来的交通拥堵、交通事故等负面效应也日益突出，逐步成为经济和社会发展中的全球性共同问题。针对日益严俊的交通形势、有限的资源财力和环境保护压力，需要依靠除限制需求和提供道路设施之外的其它方法来满足日益增长的交通需求。智能交通系统(ITS)正是解决这一矛盾的途径之一【1,2,3,4】。ITS将先进的电子技术、信息技术(IT)、人工智能(AI)、地理信息(GIS)、计算机技术、通信、传感器技术和系统工程技术集成运用于地面运输的实际需求，建立起全方位、实时、准确、高效的地面运输系统。ITS能够改善混乱的交通状况，减少拥堵，提高运输效率，并提高交通的安全性。智能交通系统主要包括以下种类【1,3】:
1)在信息网络基础上的，交通参与者与交通信息中心互动获取实时交通信息的交通信息服务系统。
2)用信息采集、处理和传输系统，对道路系统中的交通状况、事故、气象等进行实时监视从而进行控制的交通管理控制系统。
3)通过车载传感器、车载计算机等，检测与前车、周围车辆以及与道路设施的距离的车辆辅助安全驾驶系统。
4)自动导向，自动检测和回避障碍物的智能驾驶系统。还有:货运管理系统，电子收费系统，紧急救援系统等等。
智能交通系统在日本、美国和西欧发展得最快。自上世纪八十年代末以来，日本、美国和西欧等发达国家为了解决共同面临的交通问题，竞相发展智能交通系统，投入了大量的资金和人力进行道路功能和车辆智能化的研究。在智能交通系统项目研发过程中，这些国家还成立了许多机构，以制订并实施开发计划。除了欧、美、日以外，新兴的工业国家和发展中国家也开始了智能交通系统的全面开发和研究。我国的一些城市如北京、上海、重庆、广州等地也开始开展了一些研究与应用示范项目【5,6】。
中国是当今世界上道路等基础设施建设速度最快的国家，又是交通需求增长最快的国家。运输效率低下、城市交通堵塞等问题已经成为我国各大中城市面临的迫切需要解决的问题之一。未来十年，正是智能交通系统在世界主要国家进入全面实施的阶段，因此，中国也迫切需要根据中国交通的实际需求尽早研究开发智能交通系统，以实现交通运输的可持续发展目标【7,8】。
全面、准确的采集交通信息是实现交通智能化的基本保障。研究开发交通信息采集设备使它能正确的获得道路上的运行信息，包括车流量、车速、车型分类、占道率、交通密度，以及车辆排队长度、车辆转弯、车辆停止或肇事情况的信息。正确的交通信息采集可以使智能交通管理系统正确及时获得交通状况信息，对交通状况进行有效管理，并发出诱导信息，从而自动调节车流，减少车辆在道路顺畅时在红灯前停留的时间，安排疏导交通、肇事报警等。
对于城市道路的畅通，采用有效的控制措施，最大限度地提高道路的使用效率是城市道路交通控制的重要内容。道路交叉口处的交通信号灯是城市道路网中的主要控制设施，城市道路交通控制主要是对交通信号的控制。城市交通信号控制是通过对交通流的调节，警告和诱导以达到改善人和货物的安全运输，提高运营效率。其目标在于改善交通流的质量，更好地利用现有运输能力，实现交通流的安全性，快速性和舒适性，因此信号灯必须以最优控制策略存在，以减小道路网络中所有车辆的行程的时间，必须要有一个智能信号灯控制系统来达到城市道路的最大畅通。
基于以上描述以及结合我国现阶段自身特点，智能信号灯的研究具有重大的社会意义和经济意义:
l)社会意义
交通是国民经济的基础产业之一，也是社会发展和人民生活水平提高的基本条件。交通运输的发达程度是衡量一个国家现代化程度的标志之一。随着我国经济的迅速发展，我国的公路交通条件有了很大的改善。但是随着车辆数量的增加、交通量的不断增长和交通密度的大幅提高，有效的交通管理成为我国各大城市面临的难题。为了保障交通的安全通畅，采用先进的交通监控系统来预防和减少交通阻塞、交通事故，减少人员伤亡和财产损失就显得非常重要【2,9】。
智能交通管理系统是当今世界道路交通的发展趋势。目前与计算机技术、通信技术和视频监控等现代技术相结合的智能交通数字系统发展迅速，以图像理解为基础的图像视频交通控制系统进入实际应用领域，为智能交通管理提供服务。图像视频交通监控系统能及时提供各路段的交通流量和车辆信息，记录违章车辆，以便实现准确快速的交通指挥调度，充分利用现有的道路资源，提高突发交通事故的处理能力，从而为人们的出行提供快捷舒适的交通服务。
交通灯是交管部门管理城市交通的重要工具。目前绝大部分交通灯其时间都是设定好的，不管是车流高峰还是低谷，红绿灯的时间都固定不变;还有一些交通灯能根据简单划分的时间段来调整时间。但控制起来都不是很灵活，这使得城市车流的调节不能达到最优。智能信号灯系统作为智能交通管理系统的一个重要子系统，能够有效的减少交通事故的发生，提高道路的使用效率，明显缩短车辆在道路口的通过时间，有巨大的现实意义。
2)经济意义
基于图像处理技术的视频检测系统通过获取连续视频信息，对车辆运动图像进行分割、检测、实时追踪、统计车流量等一系列处理，从而对各种交通参数进行更加合理、有效的分析和汇总，而且其具有无可比拟的可移植性和鲁棒性。基于图像处理技术的视频检测具有成本低，工程量小、无需破坏地面、系统安装相对灵活，检测范围广、检测信息量大的优点【2,9】。
另外我国目前的交通监控系统还处于相对落后的状态，尤其体现在交通信息采集方式落后，不能满足交通控制和管理对交通信息的需求;另一方面现有的监控系统中采集到的含有极大信息量的视频信息却没有被充分利用。因此在我国，交通监控方面的应用有着非常好的前景。基于以上特点，视频检测技术在路口交通灯智能控制方面必然有广阔的市场前景。
1.2交通信号控制技术的发展和现状
交通信号灯的起源可以追溯到19世纪末20世纪初，为保证冲突车流能分时使用交叉路口和减少交通事故的发生，英国于1868年在伦敦Westminster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控制的序幕。1918年初，纽约街头出现了新的信号灯，这是与当今使用的信号灯极为相似的红黄绿三色灯，它是人工操纵的，以后英国也开始使用这种信号灯。1926年，英国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【2,6】。
自动化的交通信号灯是由交通信号控制器控制其红绿灯的周期变化的。早期的交通信号灯是通过“固定配时”方式实行自动控制的，这种方式对于早期交通流量不大的情况，曾发挥过一定的作用。
随着汽车工业的发展、交通流量增加、随机变化增强，采用以往那种单一模式的“固定配时”方式己不能满足客观需要，于是一种多时段多方案的信号控制器取代了传统的只有一种控制方案的控制器。采用这种控制器其效果要明显好于传统的老式控制器。这种控制器在一天时间里备有几种不同的配时方案，它能按交通流的变化规律，不同的时间选用不同的方案。当交通流变化规律比较明显的时候，这种控制方式控制效果是很好的。多时段多方案定时控制器在长期的使用过程中不断地改进、提高，所以至今仍作为单交叉路口的一种控制方式广泛地得到应用【10】。
由于交通流具有连续运动的特点，特别是当两个相邻交叉路口距离很近时，这种各交叉路口之间“各自为政”的孤立控制方式，难免造成频繁停车，使控制效果不佳。要解决这个问题，必须把相邻的交叉路口作为一个系统来统一地加以控制。早在1917年，在美国盐湖市就开始使用联动式信号系统，即把六个交叉路口作为一个系统，以人工方式加以集中控制。1922年，美国休斯顿市建立了一个同步系统，它以一个交通亭为中心控制十二个交叉路口，该系统使用了电子自动计数器。六年后，即1928年，上述系统经过改进，形成“灵活步进式”定时系统;由于它简单、可靠、价格便宜，很快在美国推广普及。这种系统以后不断改进、完善，成为当今的协调控制系统。
交通信号的控制，从信号机由手动到自动，由固定周期到可变周期，控制方式由点控到线控和面控，从无车辆检测器到有车辆检测器，经历了近百年的历史。
当今信号灯控制技术主要包括两方面的内容，即路口交通信息的提取和依据交通信息的交通信号配时。
目前交通信息检测技术主要可分为三类。一类为基于压电回路的永久埋入式系统，这类系统虽然可靠，但费用较高。由于需将传感器永久性埋入地下，其设立和维护都需挖掘路面，费时费力且影响交通。另一类为近年来兴起的悬挂式系统，如基于闭路电视、微波、雷达、红外线或超声波传感器的监测系统。第三类为基于图像处理技术的交通信息检测系统。采用图像检测方法具有以下明显的优越性:检测的覆盖范围大，检测的参数多;安装简单，维护方便，不破坏路面，工程造价低;适用面广，可适用于路段、交叉路口等;可以适应多种气候条件等。由于视频检测方法的诸多优点，基于视频图像的交通流量检测方法己成为人们研究的热点。
在信号灯的智能控制方面，迄今为止，日本，欧洲和美国都竟相投入了大量资金和人力，建立了相应的组织机构从事相应方面的开发和应用，并已取得一些成果，开发出一系列相对稳定的交通控制系统，国外的这些交通控制系统经过长期的应用实践，技术已经比较成熟，系统可靠性比较高，但在我国的具体应用中，还表现出一些不适应性，集中体现在【5,8】:
l)没有充分考虑我国混合交通情况，导致实际控制效果不甚理想。
2)系统投资成本过大，致使许多城市无力安装这些系统。
3)后期服务费用高，使得已经安装了国外系统的城市不能经常性的进行系统维护
近年来，国内学者致力于城市交通控制系统的研究与开发，首先在理论上有了很大突破，并取得了一定成功【1】【2】【3】。这些研究中，针对孤立交叉口的研究已经比较成熟，而干道控制和区域控制的探讨还不够深入，然而，城市任一交叉路口是城市交通路网中的一个节点，其工作状态必然受其相邻节点状态的影响，实施孤立交叉口控制对提高整个交通路网的通行能力，效果往往不尽人意，因此对城市的干道控制和区域控制需要进行更加深入的研究。
1.3交通信号控制存在的问题及解决办法
能够真正实现城市交通信号系统的实时自适应最优控制，是目前交通工程界科技人员所追求的目标I8]。实现这一目标取决于两个条件:高质量的交通量检测数据和交通模型。目前，国内外交通信号控制系统中用于交通量检测的主要技术是电磁感应的环形线圈式车辆检测技术，美国洛杉矶市的90%以上的交通信号控制系统使用的是环形线圈感应式检测方式。英国伦敦的交通信号控制系统基本是环形线圈感应式检测方式。在我国，由于引进和发展的渠道的差异，目前也以环形线圈感应式检测方式为主要检测手段。但是这种方式存在着检测参数少，难以准确检测和安装维护困难等缺陷和限制。
针对环形电感线圈等检测方式的难以避免的缺陷，本文采用视频图像处理方式对路口车辆排队长度准确检测，实现交叉路口交通信号的实时自适应最优控制。随着视频处理技术、图像传感器技术的飞快发展，图像检测技术成为了交通行业最有前途的检测技术，ITS委员会的一份报告也肯定了这一点。图像处理技术在ITS领域中扮演极其重要的角色，具有广泛的应用价值。
当前的城市交通系统中被控对象过程的非线性、参数间的强烈藕合、较大的随机干扰、过程机理错综复杂以及现场车辆检测的误差，以致不可能建立起被控对象的精确数学模型，传统的城市交通控制系统难以取得令人满意的控制效果，因此本文采用模糊控制的方法，利用其不需要建立精确数学模型和它吸收了人工控制的经验，能模仿人脑的逻辑推理和决策过程，不单使得控制过程简化，而且能满足实时性和控制精度的要求。
1.4主要研究内容
本设计以城市交通系统为研究对象，在了解各种交通控制系统的交通信息传感器的基础上，阐述了视频图像检测仪的工作原理，介绍了国内外现有的实际交通控制系统，采用模糊控制方法对交通信号进行智能控制。主要内容有:
第2章 介绍了各种信息检测技术和交通信号机的控制模型，其中重点讲解了基于视频图像检测方法的原理及其应用于交通信息检测的优点。
第3章 介绍了模糊控制理论的发展及其基本原理，对模糊控制器的组成及优点做了详细讲解，并结合模糊控制的特点分析了模糊控制应用于交通信号控制的优势。
第4章 首先叙述了车辆排队长度视频检测的基本思想，然后详细讲解了检测中所用到的方法和算法，并且在最后进行了实现。
第5章 首先叙述了交通信号控制模型的基本思想，然后按输入和输出变量模糊化到模糊控制系统的控制规则最后再到解模糊的顺序，逐步讲解了交通信号模糊控制器实现的各个步骤。最后对交通路口信号灯的控制进行了仿真实现，介绍了仿真系统的参数设置与设计过程，并且以车辆平均延误时间为标准，对模糊控制和定时控制两种方式进行了数据对比。
第6章 提出了本文研究的不足以及今后需要努力的方向。
第二章 国内外交通信息检测技术与信号灯控制技术概述
交通流量检测器通过数据采集和设备监控等方式，在道路上实时地检测交通量、车辆速度、车流密度和时空占有率等各种交通参数，这些智能交通系统中最基础的参数，是道路状况实时监控、出行者动态信息系统不可缺少的基础数据。检测器检测到的数据，通过通信系统传送到本地控制器或是直接上传至监控中心计算机，作为监控中心分析、判断、发出信息和提出控制方案的主要依据。所以，交通流量检测器及其检测技术水平的高低直接影响到道路交通信息系统、控制系统的工作效率以及整体运行和管理水平。
现行的检测器种类有很多，检测算法各不相同，这里主要介绍国内外车辆检测流量统计技术研究的各种方法，重点分析了视频检测方法的现状与趋势。综合现有的文献资料，下面以下几种方法:基于地面感应线圈的车辆检测系统、基于超声波的检测系统、基于微波多普勒效应的检测系统、红外检测系统、声学检测、磁力计检测、激光雷达检测方法、基于视频图像检测系统的分类分析。
2.1交通信息检测技术介绍
通过对各种交通信息采集设备以及各参考文献的研究，我主要了解了以下的各种车辆检测的方法，下面是对各种方法的介绍与分析。
2.1.1基于地面感应线圈的车辆检测系统
环形线圈检测器是传统的交通流检测器，是目前世界上用量最大的一种检测设备。车辆通过埋设在路面下的环形线圈，引起线圈磁场的变化，检测器据此计算出车辆的流量、速度、时间占有率和长度等交通参数，并上传给中央控制系统，以满足交通监控系统的需要。在感应线圈检测的方法中，线圈电子放大器已标准化，技术成熟、易于掌握，计数非常精确。线圈检测的数据通过通讯线路传到交通管理中心，使用计算机进行分析。由于其检测的高度可靠性得到了广泛的验证，它成为了车辆检测研究领域中的标准参照系统。此种方法的技术成熟、易于掌握，并有成本较低的优点。但是这种方法也有以下缺点:一国内外交通信息检测技术与信号灯控制技术研究现状是线圈在安装或维护时必须直接埋入车道，这样交通会暂时受到阻碍;二是埋置线圈的切缝软化了路面，容易使路面受损，尤其是在有信号控制的十字路口，由于车辆启动或者制动时对损坏程度更加严重;三是感应线圈易受到冰冻、路基下沉、盐碱等自然环境的影响，因此，感应线圈寿命一般不超过两年，某些地区甚至少于一年;四是感应线圈由于自身的测量原理所限制，当车流拥堵，车间距小于3m的时候，其检测精度大幅降低，甚至无法正常检测，因此，近年来有被其他检测器逐步取代的趋势【11,12】。
此类产品已得到广泛地开发与应用，例如:南非的Nortech国际公司所研制的TD系列单通道、双通道和四通道车辆检测器，产品可通过面板前部的DIP开关或在电路板上分别设置各通道工作参数，并具有线圈绝缘保护、线圈故障监控、最优化灵敏度、最优化反应时间、顺序轮询检测、可调存在时间、检测器同步、通道禁止等等功能，是目前世界上较为有名的地感车辆检测器专业产品。虽然线圈可以在每秒钟读数据许多次，但是由于距离和传输的问题，只能每隔20或30秒传输一次数据。线圈可以测量交通流量、占有率和车辆速度。测量的精度取决于ILD合适地安装选位、精确地操作和维护，这在实际操作过程中是比较难以掌握的，须有经验的交通工程师来完成。
2.1.2基于超声波的检测系统
超声波检测器是根据声波的传播和反射原理，通过对发射波和反射波的时差测量实现位移测量的设备。声波在空气中的传播速度为340m/s，由此可根据反射波和发射波的时差计算出反射物距探头的距离。超声波检测器的工作原理是:由超声波发生器(探头)发射一束超声波，再接收从车辆或地面的反射波，根据反射波返回时间的差别，来判断有无车辆通过。由于探头与地面的距离是一定的，所以探头发出超声波并接收反射波的时间也是固定的。当有车辆通过时，由于车辆本身的高度，使探头接收到反射波的时间缩短，就表明有车辆通过或存在。
由于超声波传感器顶置于车道上方，因此不存在检测时受遮挡的问题，同时车间距很小时也能准确计数，解决了车辆拥堵时准确检测的问题。车速的检测是根据车辆先后到达已知距离的两个传感器的时间差计算所得，因此也有较高的检测精度。在车型识别方面，超声波能够精确的分析车辆的长度以及外观轮廓，由此区分各种车型，特别是客货车、散装车的区分，更是目前其他检测器难以做到的。
目前公路和城市道路有许多天桥、立交桥和龙门架，为设备的顶置安装提供了条件。
超声波检测的优点是体积小、结构紧凑，安装方便，缺点是必须顶置安装，安装条件受到一定的限制，安装时需封闭车道，较易受到环境变化的影响，性能随环境温度和气流影响而下降，这样就不能满足交通信息采集设备需要在各种天气环境下稳定可靠的工作的要求。【12,13,14】
2.1.3红外检测系统
红外检测器是顶置式或路侧式的交通流检测器。该检测器一般采用反射式检测技术。反射式检测探头由一个红外发光管和一个红外接收管组成，其工作原理是由调制脉冲发生器产生调制脉冲，经红外探头向道路上辐射，当有车辆通过时，红外线脉冲从车体反射回来，被探头的接收管接收，经红外解调器解调，再通过选通、放大、整流和滤波后触发驱动器输出一个检测信号。这种检测器具有快速准确、轮廓清晰的检测能力。其缺点是工作现场的灰尘、冰雾会影响系统的正常工作。
红外线检测器有两种类型:第一是激光红外雷达检测器，原理和微波雷达检测器一样，但是发射频率更高(较短的波长)，它可以检测车辆存在、车速、流量、占有率和车种信息，通过两条红外光线的时间来获取车速数据。它的优点是雾天的穿透力较强，可以用于直接测速，适用于白天和黑夜情况。缺点是它易受到天气条件的影响，发生散射，对天气的适应性差;安装难度很大，容易被车撞毁。
第二是被动红外检测器，它本身不发射能量，而是检测目标发射的能量。通过检测道路和车辆发射能量之差，可以确定车辆存在。它可以测量流量、占有率和车辆存在信息，天气对测量有负面影响。同样，它的优点是雾天的穿透力较强，但是在雨雪天，到达检测仪的能量的差异将减小，因此不适合雨天和雪天。
红外线视频检测昼夜可采用同一算法而解决昼夜转换的问题，也可提供大量交通管理信息，但是需要很好的红外线焦平面检测器，也就是要用提高功率，降低可靠性来实现高灵敏度，而可靠性在交通信息采集设备的使用中十分重要;同时它们无法提供全面的交通信息【12,14】。
2.1.4声学检测
声学检测法根据特定车辆的声学特征来识别车辆。它的结构成垂直排列的麦克风阵列，检测接近车辆发出的噪声。在声音到达上端麦克风和下端麦克风之间存在一个时间延误，这个延误随着发出声音的车辆的不断接近而变化。当车辆在远处时，发出的声音几乎同时到达上端和下端麦克风，当车辆到达麦克风下端时，上端接收的声音通过内部传感器送来，要有一个延迟。应用麦克风阵列之间的相关关系可以跟踪车辆，当声音数据被过滤成50到2000Hz带宽时，检测结果达到最佳。为识别车辆，需将接收信号进行大量的除去背景静噪声的处理，所以它的可靠性也比较差。同时声学检测法不能提供全面的交通信息【12,14】。
2.1.5磁力计检测
磁力计通常是通过测量物体对于地球磁场的干扰，来检测金属物体的存在。磁性检测器(Magnetometer)，是一个被动检测设备，本身不产生磁场，埋设在车道下面，通过磁场变化来进行检测磁性的扰动。当一辆汽车驶过时，使得地球磁场产生变化，磁性检测器检测和捕捉异常的磁性变化，它通常用来检测车辆存在的信息。在桥梁上面无法埋设ILD，同时钢铁对ILD的性能产生干扰，这时可采取磁性检测器取代ILD或者两者互相配合使用。磁力计检测法可用来检测小型车辆;适合在不便安装线圈的场合采用。它的缺点是很难分辨纵向过于靠近的车辆。同时它不能提供全面的交通信息【12】。
2.1.6激光雷达检测方法
激光雷达检测方法利用激光面的反射结果来检测距离信息，从而检测车辆。它可以不受光照环境的影响，即白天与夜晚都可以很好的工作，且没有昼夜转换引起的误差。利用激光雷达检测可以直接得知车辆的高度宽度;同时可以克服车辆遮挡问题。它的缺点是:激光雷达设备成本过高;如果利用它来克服车辆遮挡和测量车辆高度，就需要将激光的发射方向设为垂直向下，显然安装的难度大，同时它将不能用于检测车辆速度，仅可从统计的角度来估计平均车辆速;若要用它来检测车辆的准确速度，则要将它的发射平面平行于路面，并安在合适的高度，可以看出安装的难度更大。所以，激光检测无法给出全面的交通信息。同时，激光雷达设备在大雨天不可靠【12,14】。
2.1.7基于视频图像的检测方法
以上介绍的技术都可用于交通信息的检测，但由于本身特性都存在着缺点和不足。随着网络、通信和微电子技术的快速发展，以图像处理技术为基础的视频检测以其直观、方便和内容丰富等特点，旧益受到人们的重视。
2.1.7.1视频监控系统概述
图像是通过人类视觉获得的。视觉是人类最主要的感觉器官，图像(视觉)信息是人们由客观世界获得信息的主要来源之一，占人们依靠五官由外界获得信息量的70%以上【13】。视频图像实际上就是连续的静态的图像序列，是对客观事物形象、生动的描述，是一种更加直观而具体的信息表达形式。由于视频监控具有直观、方便和内容丰富等特点，基于视频图像的交通监控系统不断取得发展。
视频监控系统的发展大致经历了三个发展阶段【13,14】:
第一个阶段:在二十世纪九十年代初及其以前，主要是以模拟设备为主的闭路系统，称为第一代视频监控系统，即模拟视频监控系统。
第二个阶段:二十世纪九十年代中期，随着计算机处理能力的提高和视频术的发展，人们利用计算机的高速数据处理能力进行视频的采集和处理，从大大提高了图像质量，增加了视频监控的功能。这种基于多媒体计算机的系称为第二代视频监控系统，即模拟输入与数字压缩、显示和控制系统。因为心设备是数字设备，因此可以称为数字视频监控系统。
第三个阶段:到了二十世纪九十年代末特别是近两三年，随着网络带宽、计算机处理能力和存储容量的迅速提高，以及各种实用视频信息处理技术的出现，视频监控进入了全数字化的网络时代，称为第三代视频监控系统，即全数字视频监控系统或网络数字视频监控。第三代视频监控系统以网络为依托，以数字视频的压缩、传输、存储和播放为核心，以智能实用的图像分析为特色，引发了视频监控行业的技术革命。
数字视频监控系统除了具有传统闭路电视监控系统的所有功能外，还具有远程视频传输与回放、自动异常检测与报警、结构化的视频数据存储等功能。毕竟在数字图像上进行各种操作要比模拟信息处理要容易得多。与数字视频监控系统相关的主要技术有视频数据压缩、视频的分析与理解、视频流的传输与质量控制等。
2.1.7.2交通视频监控系统基本原理
交通视频监控系统以计算机为中心，数字视频图像处理技术为基础，利用图像数据压缩的国际标准，综合利用图像传感器、计算机网络和人工智能等技术的一种新型的监测控制系统。
基于图像处理技术的交通视频监控系统的基本原理如图2.1所示。首先通过视频摄像机，对交通道路进行图像输入，将输入的模拟图像经过图像采集卡进行数字化转换，变换成可用计算机进行处理的数字图像信号。由于在进行视频图像采集过程中，会有一些影响图像质量的噪声信号产生。所以，应用这些数字图像进行处理之前，必须进行图像滤波、消除噪声、图像增强等预处理，然后再对预处理后的图像进行进一步的处理分析。视频信息的处理与分析，包括对视频图像信息按照交通工程学的方法和要求进行处理与分析，根据视频检测器检测出的车辆交通流参数，计算检测器断面的车辆到达分布、车型分布、车速分布，进而计算出断面通行能力。或者对视频内车辆进行轨迹跟踪，自动检测监视区域内的交通事件，采用数据库技术综合各断面检测出的交通流信息，与其它信息进行数据融合，计算路段服务水平进行交通状态确定，自动检测交通事件，形成交通控制方案【14】。

图2.1视频监控检测系统原理图
2.1.7.3基于图像处理的视频检测技术应用于交通监控的优点
基于图像处理技术的视频检测系统通过获取连续视频信息，对车辆运动图像进行分割、检测、实时追踪、统计车流量等一系列处理，从而对各种交通参数进行更加合理、有效的分析和汇总，而且其具有无可比拟的可移植性和鲁棒性。针对交通检测的特点，将基于图像处理的视频检测技术应用到交通监控上具有如下优点:
(l)成本低
近年来随着集成电路和计算机技术的迅猛发展，基于图像处理技术的视频检测所要求的硬件设备成本大大降低，而且能很好地满足要求。
(2)工程量小、无需破坏地面、系统安装相对灵活
交通图像检测不像地埋式感应线圈那样需要破坏路面，只需将摄像机安装于需要检测的道路地段的路杆或其他高建筑上即可，无需很大的工程，安装方便灵活.当前，在各个城市的交通道路中已安装了大量的摄像机用于监视道路状况，视频图像检测完全可以利用这些已安装的摄像机，在其之上进行开发，进一步降低了施工成本、缩小了工程量。
(3)检测范围广、检测信息量大
通过对视频图像中的交通信息用交通工程的方法加以处理分析，可以检测所在路面车道通过车辆的很多感兴趣的交通信息参数，如车辆的速度、车型、交通流量等。基于图像处理技术的视频检测系统检测范围大，通过对摄像机的控制，可以对整个交通道路进行检测。
2.2交通信号机控制模型概述
2.2.1几种典型的城市交通控制系统
目前比较有代表性并且在实践中取得了较好应用效果的城市交通控制系统有TRANSYT系统、SCOOT系统、SCAT系统、美国的RHODES系统和日本的VICS系统。下面将重点介绍这五种系统【16】。
(l)TRANSYT(即Traffic Network Study Toots) 【10】系统，是由英国道路研究所(TRRL)花费近十年时间研制而成的。自从1968年第一版问世以来，经历不断改进，已经发展成为先进的TRANSYT/9型。系统采用静态模式，以绿信比与相位差为控制参数，优化方法为爬山法。TRANSYT是最成功的静态系统，它被世界上400多个城市所采用，证明其产生的社会经济效益很显著。但计算量很大、很难获得整体最优的配时方案、需大量的路网几何尺寸和交通流数据等不足限制着它的发展。
(2)SCOOT(即Split Cycle and Offset Optimization Technique) 【17】系统也是由TRRL在TRANSYT系统的基础上采用自适应控制方式，经过八年的研究于1980年提出的动态交通控制系统。SCOOT仍采用了TRANSYT的交通模型，但扬长避短，获得了明显优于静态系统的效果，是现今主流的系统。SCOOT系统采用联机实时控制的动态模式，对周期、绿信比与相位差进行控制，采用小步长渐进寻优方法。但SCOOT相位不能自动增减，相序不能自动改变，现场安装调试时相当繁琐等不足也是有待改进的。
(3)SCAT(即Sydney Coordinated Adaptive Traffic Method) 【18】系统是由澳大利亚A.G.SimS等人在70年代末期进行开发的。SCAT采用先进的计算机网络技术，呈计算机分层递阶形式。采用地区级联机控制，中央级联机与脱机同时进行的控制模式，控制参数为绿信比、相位差和周期，其选取是从预先确定的多个参数中通过比较法确定，无实时交通模型。SCAT系统充分体现了计算机网络技术的突出优点，结构易于更改、改变，控制方案较为容易变换。然而SCAT系统也不是完美的，它是一种方案选择系统，限制了配时参数的优化程度，过分依赖于计算机硬件，无车流实时信息反馈，可靠性低。
(4)RHODES(Real一time，Hierarchical，Optimized，Distributed and Effective System:实时、递阶、最优化的、分布式、且可实施的系统)[18]是由美国亚利桑那州立大学P.B.Mirchandani等人于近年开发成功并陆续在美国亚利桑拿州的Tucson市和Tempe市进行了现场测试，结果表明该系统对半拥挤的交通网络比较有效。该系统主要有以下几个特点:RHODES把系统控制问题分解为3层递阶结构，路口控制层、网络控制层和网络负荷分配层。提出了一种相位的可控优化概念(Controlled optimization of phases)，采用滑动时间窗以减少计算量。提出了一种称为“实时绿波带”(Real band)的概念，提供了与交通分析软件的接口，可离线评价配时方案的优劣或作为研究工具。
(5)VICS(Vehicle Information and Communication System:车辆信息和通信系统)是目前世界上规模较大，实际使用价值较高的道路交通信息系统之一，是日本一家具有半官方性质的交通信息处理、发布中心研制的。其原理是通过城市交通控制中心发射的无线电波信号标杆，将由警察部门和高速公路管理部门提供的交通堵塞、驾驶所需时间、交通事故、道路施工、车速及路线限制、以及停车场空位等信息编辑处理后及时传输给交通参与者，特别是在汽车导航车载机上以文字、图形显示交通信息。VICS是由四个方面进行信息的应用的，即信息的收集，信息的处理、编辑，信息的提供，信息的利用。
2.2.2城市交通控制系统的基本类型
2.2.2.1按控制区域几何特性划分
可分为单个交叉口的控制(’’点控制”交通干线的协调控制(“线控制”以及区
域交叉口的网络控制(“面控制”) 【15,16】。
1.单个交叉口点控制
单个交叉口点控制是一种最基本的控制方式。由于它设备简单、投资最省、维护方便，至今仍是应用最广的一种控制信号方式。从技术上讲，它又分为离线点控制和在线点控制。
离线点控制采用定时信号配时技术，它的基本原理是将绿灯时间分成有限的具有固定顺序的时间段(也称相位)，不同的交通流将根据固定绿灯时间和顺序依次获得各自的通行权。离线点控制特别适合于某些车流量较小的交叉口，其信号配时方案是根据典型状况的历史交通数据制定出的，它又可以分为定周期控制与变周期控制。最早的交通信号控制是旧式的机电控制器，随着集成电路技术的发展，新的集成电路能够适应温度范围更广的环境，目前的交通信号控制器已被电子的或者小型微处理器取代。此外，定时信号配时技术仍然是其它控制方式的配时基础。
在线点控制是交通响应控制(或车辆感应控制)。它是根据交叉口各个入口交通流的实际分布情况，合理分配绿灯时间到各个相位，从而满足交通需求。常用的有两种控制形式:
l)基于到达车辆车头距的控制
在一个给定的最小绿灯时间内，某相位绿灯无条件的开通。该时间过后，若位于该相位停车线前方一定距离外的监测器监测到继续有车辆到达，则追加一个单位绿灯时间。若一直检测到有车辆到达，则绿灯时间一直被延长，直到绿灯时间达到最大绿灯时间为止，若在追加的一个单位绿灯时间内没有车辆到达，则信号灯被切换到下一个相位，放行下一相位的车辆。
2)基于排队长度的控制
在放行一个相位的交通流之前，由车辆监测器预先检测到该方向到达的车辆排队长，根据车辆的排队长度，确定该相位的放行时间。在绿灯时间，通过交叉路口的车流量总是在饱和值左右。根据交通需求延长绿灯时间，直到绿灯时间达到最大值或绿灯期间交通流的车头距测量值超过某一关键值，是车辆感应控制的基本方法。车辆感应控制器还可以采用跳相控制，对于没有交通需求的相位可以跳过该相位去执行下一相位。
2.主干线交通信号控制
主干线交叉口的交通控制是一种线控方式。在城市道路网中，交叉口相距很近，两个相邻的交叉口之间的距离通常不足以使一小队车流完全疏散。单个交叉口分别设置单点信号控制时，车辆经常遇到红灯，时停时开，行车不畅，环境污染严重。为了减少车辆在各个交叉口的停车次数，特别是当干线的车辆比较畅通时，人们研究了一种干线相邻交叉口协调控制策略。最初协调信号计时的方法是基于绿波的概念，相邻交叉口执行相同的信号控制周期，主干道相位的绿灯开启时间(相位差)错开一定的时间，交叉口的次道在一定程度上服从主干道的交通。当一列车队在具有许多交叉口的一条主干道上行驶时，协调控制使得车辆在通过干线交叉口时总是在绿灯开始时到达，因而无需停车通过交叉口。这样能提高车辆行车速度和道路通行能力，确保道路畅通，减少车辆在行驶过程中的延误时间。实践证明，通过协调各个交叉口之