一种基于手机APP的行人过街预警系统的制作方法

本发明涉及道路交通安全领域，具体的说是一种基于手机app的行人过街预警系统。

背景技术：

目前，我国很多城市道路的交叉口大多没有独立的行人信号相位时间，行人一般与本向直行机动车相位同步通行，这种传统的相位设置导致交叉口行人与转弯车辆冲突严重，尤其是在两相位信号控制的交叉口(右转机动车不受控，左转机动车与直行机动车同时放行)的情况下，转弯机动车与行人间的冲突问题尤其突出。由于转弯车辆的干扰，行人无法准确判断自己是否能在绿灯剩余时间过街，往往强行过街，一方面，加剧了与转弯车辆的冲突，另一方面，当未能在绿灯剩余时间过街时，与交叉方向直行车辆产生冲突，大大增加了交通事故发生的风险。

现阶段，为处理两相位信号交叉口机动车与行人的冲突常采用的方式有以下几种：一是采用行人过街按钮装置。行人过街按钮装置介绍了一种按钮式行人过街系统，该系统通过行人按过街按钮向系统发送过街请求，系统在一个计算的时间段后，赋予行人相应时间的通行权，保证行人的安全通过。二是在交叉口转角为右转车辆预留待行空间，鼓励右转车流让行，在交叉口行人及右转车流量都相对较小且路口斑马线长度都不长的情况下，将右转车辆相位与行人相位设置在一起，通过在交叉口转角为右转车辆预留待行空间，鼓励机动车礼让行人，可有效地降低交叉口的周期时长，充分利用交叉口的能力。三是为左转车辆分配通行权，设置单独的相位，即采用四相位信号控制，在行人通行相位内禁止左转车辆的通行，减少左转机动车与行人间的冲突。

这些方法在一定程度上缓解了过街行人与转弯车辆的冲突，然而随着人流量及车流量的增大，人车互不相让的情况依旧无法避免，甚至还会增加交叉口车辆的整体延误，加剧交通拥堵。并且现有的技术无法判断在当下的交通状况下行人是否具备充足的过街时间，因而常常发生行人在绿灯剩余时间不足以过街的状况下强行过街，与交叉口直行车辆产生冲突，造成路口的拥堵并存在极大的安全隐患。

技术实现要素：

本发明针对传统的没有独立行人信号相位时间的两相位信号交叉口的行人过街问题，提出一种基于手机app的行人过街预警系统，以期能通过对现有的交通流状况进行采集来判断行人过街状况，并对行人进行预警，从而提高行人的安全意识，避免行人在过街期间的危险情况，进而保障行人的安全，并缓解交通拥堵。

本发明为解决技术问题，采用如下技术方案：

本发明一种基于手机app的行人过街预警系统，是应用于无二次过街设施的两相位信号控制的十字交叉路口上，其特点是，所述行人过街预警系统包括：设置在道路现场的交通信号灯机箱和地感线圈检测装置，以及设置在行人手机中的手机app；

所述交通信号灯机箱包括：交通信号灯、交通信号采集模块、交通信号控制模块、视觉检测模块和第一无线通讯模块；

所述地感线圈检测装置包括：第二无线通讯模块和地感线圈；所述地感线圈设置在道路现场的转弯道上；

所述手机app包括：手机通讯模块、手机gps模块、手机中央处理模块和手机语音模块；

所述交通信号采集模块获取所述交通信号灯当前t时刻的亮灯状态、红灯周期时长r、绿灯周期时长g和亮灯剩余时间h(t)并发送给所述交通信号控制模块，由所述交通信号控制模块利用所述第一无线通讯模块将当前t时刻的亮灯状态、红灯周期时长r、绿灯周期时长g和亮灯剩余时间h(t)发送给所述手机app；

所述手机app利用所述手机gps模块获取行人在当前t时刻的实时位置及步行速度v(t)，并根据自身存储的道路现场的地图信息，得到行人t时刻与交通信号灯路口之间的距离s(t)、交通信号灯路口处的车道数、车道宽度d及各转弯区域的道路长度后，与所述步行速度v(t)一起传递给所述手机中央处理模块；

所述手机中央处理模块利用所述手机通讯模块接收当前t时刻的亮灯状态、红灯周期时长r、绿灯周期时长g和亮灯剩余时间h(t)、行人当前t时刻与交通信号灯路口之间的距离s(t)及步行速度v(t)；并根据行人当前t时刻与交通信号灯路口之间的距离s(t)及步行速度v(t)，得到行人步行至交通信号灯路口时所需的时间t(t)；

若亮灯状态为红灯亮，则判断t(t)＜h(t)是否成立，若成立，则表示行人在t(t)时刻后到达交通信号灯路口时的亮灯状态为红灯亮并通过所述手机语音模块进行播报；否则，判断h(t)＜t(t)≤h(t)+g是否成立，若成立，则表示行人在t(t)时刻后到达交通信号灯路口时的亮灯状态变为绿灯亮并通过所述手机语音模块进行播报；否则，t(t)＞h(t)+g表示行人在t(t)时刻后到达交通信号灯路口时的亮灯状态为红灯亮并通过所述手机语音模块进行播报；

若亮灯状态为绿灯亮，则判断t(t)＜h(t)是否成立，若成立，则表示行人在t(t)时刻后到达交通信号灯路口时的亮灯状态为绿灯亮并通过所述手机语音模块进行播报；否则，判断h(t)＜t(t)≤h(t)+r是否成立，若成立，则表示行人在t(t)时刻后到达交通信号灯路口时的亮灯状态变为红灯亮并通过所述手机语音模块进行播报；否则，t(t)＞h(t)+r表示行人在t(t)时刻后到达交通信号灯路口时的亮灯状态为绿灯亮并通过所述手机语音模块进行播报；

所述视觉检测模块获取t(t)时刻后道路现场的各转弯区域内车辆数目并发送给所述交通信号控制模块，由所述交通信号控制模块利用所述第一无线通讯模块将各转弯区域内车辆数目发送给所述手机app；

所述地感线圈获取t(t)时刻后各转弯区域内各个车辆行驶速度，并通过所述第二无线通讯模块发送给所述手机app；

所述手机中央处理模块利用所述手机通讯模块接收所述交通信号灯路口处的车道数、车道宽度d及各转弯区域的道路长度、t(t)时刻后的各转弯区域内车辆数目及各个车辆行驶速度并进行分析判断，得到行人到达路口时的通行状态并通过所述手机语音模块进行播报。

本发明所述的行人过街预警系统的特点也在于，所述手机中央处理模块是按如下步骤获得行人到达路口时的通行状态：

步骤1、判断t(t)时刻后的亮灯状态是否为绿灯亮，若是，则根据所述t(t)时刻后的道路现场各转弯区域内的车辆数目以及各转弯区域的道路长度，得到t(t)时刻后的道路现场各转弯区域内的车流密度；否则，将h(t)+t(t)赋值给t(t)，并返回步骤1；

步骤2、根据所述t(t)时刻后的道路现场各转弯区域内的车辆数目、车流密度以及各个车辆行驶速度，利用最小二乘法拟合得到t(t)时刻后行人在各车辆转弯方向上的过街步行速度；

步骤3、根据所述t(t)时刻后的交通信号灯路口处的车道数和车道宽度d以及行人的步行速度v(t)和各车辆转弯方向上的过街步行速度，得到行人过街所需的总时间m，且m<g；

步骤4、判断m＜h(t)-t(t)是否成立，若成立，则表示行人能在绿灯状态下安全走完斑马线；否则，表示行人在t(t)时刻后到达交通信号灯路口时需等待下一个绿灯亮。

与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：

1.本发明通过设置在道路现场的交通信号灯机箱和地感线圈检测装置，以及设置在行人手机中的手机app，能实时数据采集并进行信息分析计算，得到亮灯状态和通行状态反馈给行人，从而克服了现有技术中无法对行人盲目和危险的过街行为做出相应提醒的缺陷，避免了红绿灯发生转换时以及车流量较大时行人过街与路口行驶车辆发生的冲突，降低了路口处人车冲突导致的交通拥挤及交通事故发生的概率，保证了行人安全过街的情况下有效缓解交通拥堵，提高交通安全。

2.本发明通过采用交通信号采集模块，准确的获取红绿灯状态及持续时长，结合手机gps模块对行人位置及步行状态的监控数据，判断行人到达路口时信号灯所处状态及可供行人过街的有效时长，从而增强了行人对红绿灯时间的认识与利用，提高了行人过街的效率。

3.本发明通过采用地感线圈检测装置以及视觉检测技术对路口的车流状况进行采集，结合手机app的中央处理模块，预测路口转弯车辆对行人过街可能造成的影响，判断行人到达路口时的通行状态，以事前提醒的方式避免行人在过街期间与转弯车辆发生冲突以及在绿灯时间不充足的情况下强行过街所造成的安全隐患，从而保证了行人过街的安全，避免了因人车冲突而造成的交通拥堵。

4.本发明通过采用手机app模块中的语音播报功能，克服了现有技术无法针对难以及时获取信号灯状态信息的人群做出提醒的问题。通过语音播报的方式对行人进行提醒，避免了行人因玩手机及其它原因无法及时获取信号灯状态信息而造成的安全隐患，同时也可为一些特殊的残障人群的过街安全提供保障。

5.本发明通过采用手机app模块，克服了现有技术中难以广泛地推广实施以及无法对行人过街行为有效管理的问题。因手机的便捷性及普及性，行人过街预警系统容易得到推广运用，提高了人们对过街安全问题的了解与重视程度，同时也可服务于交通管理部门，方便交通管理部门针对行人违法过街行为实施一定的管理措施，从而提高了交通安全水平。

附图说明

图1为本发明系统结构框图；

图2为本发明交叉路口示意图。

具体实施方式

本实施例中，一种基于手机app的行人过街预警系统，是应用于无二次过街设施的两相位信号控制的十字交叉路口上，如图1所示，该系统包括：设置在道路现场的交通信号灯机箱和地感线圈检测装置，以及设置在行人手机中的手机app；

交通信号灯机箱包括：交通信号灯、交通信号采集模块、交通信号控制模块、视觉检测模块和第一无线通讯模块，其中交通信号采集模块结合交通信号控制模块获取交通信号灯的状态信息；视觉检测模块利用图像摄取装置将转弯路口状况转换成图像信号传送给专用的图像处理系统，根据像素分布和亮度、颜色等信息，转变成数字化信号，对这些信号进行各种运算来抽取目标的特征，进而分析获得各转弯区域内车辆数目ni；第一无线通讯模块将交通信号灯的状态信息以及各转弯区内车辆数目ni发送给手机app；

地感线圈检测装置包括：第二无线通讯模块和地感线圈，其中地感线圈设置在道路现场的转弯道上：以行人由南向北行进为例，此时行人在过街时，将可能依次受到由南向东右转行驶的机动车(如图2所示机动车行驶轨迹①)、由北向东左转行驶的机动车(如图2所示机动车行驶轨迹②)及由东向北右转的机动车(如图2所示机动车行驶轨迹③)的影响，此时便将地感线圈设置在这三个方向的转弯道上(如图2所示的三条车辆虚线轨迹所示)，分别用于检测这三个转弯方向的转弯区域内的车辆行驶速度，并通过第二无线通讯模块发送给所述手机app。其中地感线圈获取车辆速度的原理为：当车辆经过铺设在转弯道路上的地感线圈时，引起地感线圈中振荡电路频率的变化，振荡电路通过对这个信号的开始和结束之间的时间间隔来测量车辆的移动速度。而铺设在整个转弯道路上的所有地感线圈则可以测出每个车辆在某一时刻的瞬时速度。

手机app包括：手机通讯模块、手机gps模块、手机中央处理模块和手机语音模块；

当行人靠近路口时，如行人行走至距离路口20米范围内时，基于手机app的行人过街预警系统的按如下过程进行处理：

交通信号采集模块获取交通信号灯当前t时刻的亮灯状态、红灯周期时长r、绿灯周期时长g和亮灯剩余时间h(t)并发送给交通信号控制模块，由交通信号控制模块利用第一无线通讯模块将当前t时刻的亮灯状态、红灯周期时长r、绿灯周期时长g和亮灯剩余时间h(t)发送给手机app；

手机app利用手机gps模块获取行人在当前t时刻的实时位置及步行速度v(t)，并根据自身存储的道路现场的地图信息，得到行人t时刻与交通信号灯路口之间的距离s(t)、交通信号灯路口处的车道数、车道宽度d及各转弯区域的道路长度li，其中各转弯区域的道路长度li为如图2所示的各条车辆虚线轨迹在车辆停止线间的长度，并与步行速度v(t)一起传递给手机中央处理模块；

手机中央处理模块利用手机通讯模块接收当前t时刻的亮灯状态、红灯周期时长r、绿灯周期时长g和亮灯剩余时间h(t)、行人当前t时刻与交通信号灯路口之间的距离s(t)及步行速度v(t)；并根据行人当前t时刻与交通信号灯路口之间的距离s(t)及步行速度v(t)，得到行人步行至交通信号灯路口时所需的时间t(t)；

若亮灯状态为红灯亮，则判断t(t)＜h(t)是否成立，若成立，则表示行人在t(t)时刻后到达交通信号灯路口时的亮灯状态为红灯亮并通过手机语音模块进行播报；否则，判断h(t)＜t(t)≤h(t)+g是否成立，若成立，则表示行人在t(t)时刻后到达交通信号灯路口时的亮灯状态变为绿灯亮并通过手机语音模块进行播报；否则，t(t)＞h(t)+g表示行人在t(t)时刻后到达交通信号灯路口时的亮灯状态为红灯亮并通过手机语音模块进行播报；

若亮灯状态为绿灯亮，则判断t(t)＜h(t)是否成立，若成立，则表示行人在t(t)时刻后到达交通信号灯路口时的亮灯状态为绿灯亮并通过手机语音模块进行播报；否则，判断h(t)＜t(t)≤h(t)+r是否成立，若成立，则表示行人在t(t)时刻后到达交通信号灯路口时的亮灯状态变为红灯亮并通过手机语音模块进行播报；否则，t(t)＞h(t)+r表示行人在t(t)时刻后到达交通信号灯路口时的亮灯状态为绿灯亮并通过手机语音模块进行播报；

通过手机语音播报的方式，可以在行人行走至斑马线之前提醒其注意交通信号灯的状态，避免行人因玩手机及其它原因无法及时获取信号灯状态信息而造成的安全隐患，同时也可为一些特殊的残障人群的过街安全提供保障。

当行人行走至斑马线前等待过街时，即t(t)时刻后，视觉检测模块获取t(t)时刻后道路现场的各转弯区域内车辆数目ni并发送给交通信号控制模块，由交通信号控制模块利用第一无线通讯模块将各转弯区域内车辆数目ni发送给手机app；

地感线圈获取t(t)时刻后在车辆转弯范围内的车辆行驶速度，并通过第二无线通讯模块发送给手机app；

手机中央处理模块利用手机通讯模块接收t(t)时刻后的各转弯区域内车辆数目ni、t(t)时刻后的道路现场的车道数、车道宽度d、及各转弯区域的道路长度、各个车辆行驶速度并进行分析判断，得到行人到达路口时的通行状态并通过手机语音模块进行播报。

具体的说，手机中央处理模块是按如下步骤获得行人到达路口时的通行状态：

步骤1、判断t(t)时刻后的亮灯状态是否为绿灯亮，若是，则根据t(t)时刻后的道路现场各转弯区域内的车辆数目ni以及各转弯区域的道路长度li，得到t(t)时刻后的道路现场各转弯区域内的车流密度ki；否则，将h(t)+t(t)赋值给t(t)，并返回步骤1；

步骤2、根据t(t)时刻后的道路现场各转弯区域内的车辆数目ni、车流密度ki以及各个车辆行驶速度，利用最小二乘法拟合得到t(t)时刻后行人在各转弯方向上的过街步行速度；

具体的说，按如下方式得到t(t)时刻后在各转弯方向上的车辆的影响下行人行走过相应冲突区域内的过街步行速度ui：

以行人由南向北行进为例，此时行人在过街时，将可能依次受到由南向东右转行驶的机动车(如图2所示机动车行驶轨迹①)、由北向东左转行驶的机动车(如图2所示机动车行驶轨迹②)及由东向北右转的机动车(如图2所示机动车行驶轨迹③)的影响；首先根据t(t)时刻后道路现场的这三个转弯区域内车辆数目ni及转弯区域内各个车辆行驶速度得出各个转弯区域内车辆的平均行驶速度ci；接着将各个转弯区域内车辆的平均行驶速度ci及车流密度ki代入求解；

在由南向东右转行驶的机动车(如图2所示机动车行驶轨迹①)的影响下，行人行走过与该方向右转车辆冲突区域内的过街步行速度u1＝a1×c1⁴+a2×c1³+a3×c1²+a4×c1+a5×k1²+a6×k1+a7×k1×c1+a8，其中aj(j＝1,2,……8)为系数，基于实验标定；

在由北向东左转行驶的机动车(如图2所示机动车行驶轨迹②)的影响下，行人行走过与左转车辆冲突区域内的过街步行速度u2＝b1×c2²+b2×c2+b3×k2²+b4×k2+b5×k2×c2+b6，其中bq(q＝1,2,……6)为系数，基于实验标定；

在由东向北右转行驶的机动车(如图2所示机动车行驶轨迹③)的影响下，行人行走过与该方向右转车辆冲突区域内的过街步行速度u3＝e1×c3²+e2×c3+e3×k3²+e4×k3+e5×k3×c3+e6，其中er(r＝1,2,……6)为系数，基于实验标定；

步骤3、根据所述t(t)时刻后的交通信号灯路口处的车道数和车道宽度d以及行人的步行速度v(t)和各转弯方向上的过街步行速度ui，得到行人过街所需总时间m，且m<g；

具体的说，按如下方式得到得到行人过街所需总时间m：

将斑马线长度按照车道数分为若干份，分别作为可能对行人过街产生影响的各个转弯车辆与行人的冲突区域及在行人过街期间不受车辆影响的正常行走区域，每一部分斑马线长度皆为车道宽度d，分别计算行人步行通过各部分斑马线区域所需的时间，根据行人步行通过各部分斑马线区域所需的时间即得行人过街所需总时间；

以图2所示双向四车道交叉路口为例，即可将斑马线长度按照路口车道的设置分为四等份，从南向北分别对应于行人与由南向东右转行驶的机动车的冲突区域、行人与由北向东左转行驶的机动车的冲突区域、不受车辆影响的正常行走区域以及行人与由东向北右转行驶的机动车的冲突区域；分别计算行人步行通过各部分斑马线区域所需的时间：

通过行人与由南向东右转行驶的机动车的冲突区域所需的时间m1＝d÷u1；

通过行人与由北向东左转行驶的机动车的冲突区域所需的时间m2＝d÷u2；

通过行人与由东向北右转行驶的机动车的冲突区域所需的时间m3＝d÷u1；

通过不受车辆影响的正常行走区域所需的时间m4＝d÷v(t)；

根据行人步行通过各部分斑马线区域所需的时间即得行人过街所需总时间m＝m1+m2+m3+m4；

步骤4、判断m＜h(t)-t(t)是否成立，成立则表示行人能在绿灯状态下安全走完斑马线；否则，表示行人在t(t)时刻后到达交通信号灯路口时需等待下一个绿灯亮；

通过对路口的车流状况进行采集，预测路口转弯车辆对行人过街可能造成的影响，判断行人到达路口时的通行状态，以事前提醒的方式避免行人在过街期间与转弯车辆发生冲突以及在绿灯时间不充足的情况下强行过街所造成的安全隐患，从而保证行人过街的安全，避免因人车冲突而造成的交通拥堵。

具体实施中，针对行人到达路口时的通行状态的判定举例如下：

(1)实验路口：

安徽省合肥市包河区九华山路与宁国路交叉口，路口状况：无二次过街，车道宽度d为3.25m，路口设置为双向四车道(未设专门的右转车道)，交通灯为无单独左转及右转相位的圆饼灯，设置的红灯时长为r为60s，设置的绿灯时长g为37s。在此交叉口，行人过街时与交叉口机动车的冲突处有如下三处：如图2所示，以行人由南向北行进为例，此时行人在过街时，将可能依次受到由南向东右转行驶的机动车(如图2所示机动车行驶轨迹①)、由北向东左转行驶的机动车(如图2所示机动车行驶轨迹②)及由东向北右转行驶的机动车(如图2所示机动车行驶轨迹③)的影响；

(2)实验方案：

将斑马线总长按照车道划分为四等份，从南向北分别对应于行人与由南向东右转行驶的机动车的冲突区域、行人与由北向东左转行驶的机动车的冲突区域、不受车辆影响的正常行走区域以及行人与由东向北右转行驶的机动车的冲突区域；随机选取由南向北前进的行人为观测对象，依次测出该行人走过各段斑马线的时间(时间包括行人因与车辆冲突而等待的时间)以及行人过街期间各转弯区域内对行人产生影响的车辆数目及相应车辆行驶速度，结合车道宽度及转弯区域的道路长度，计算出行人走过各段斑马线的速度及行人过街期间转弯区域内的车流密度，分析数据得出行人过街速度与车流密度及车辆行驶速度之间的关系；

(3)实验结果：

当行人由南向北前进时，令由南向东右转行驶的机动车(如图2所示机动车行驶轨迹①)的车流密度和车辆行驶速度分别为k1和c1；由北向东左转行驶的机动车(如图2所示机动车行驶轨迹②)的车流密度和车辆行驶速度分别为k2和c2；由东向北右转行驶的机动车(如图2所示机动车行驶轨迹③)的车流密度和车辆行驶速度为分别为k3和c3；对应于各转弯方向上的车辆的影响下行人行走过相应冲突区域内的过街步行速度为ui，i＝1，2，3(其中车流密度单位为辆/m,车辆行驶速度单位为m/s,行人步行速度单位为m/s)；

根据实验数据拟合出行人过街速度与车流密度及车辆行驶速度之间的关系如下：

在由南向东右转行驶的机动车(如图2所示机动车行驶轨迹①)的影响下，行人行走过与该方向右转车辆冲突区域内的过街步行速度为u1＝-0.0560×c1⁴+0.6689×c1³-2.6254×c1²+3.2987×c1+43.6976×k1²-28.3248×k1+8.2468×k1×c1+1.1286；

在由北向东左转行驶的机动车(如图2所示机动车行驶轨迹②)的影响下，行人行走过与左转车辆冲突区域内的过街步行速度为u2＝0.0327×c2²-0.2892×c2-76.6325×k2²+12.0621×k2-0.8471×k2×c2+1.0838；

再由东向北右转行驶的机动车(如图2所示机动车行驶轨迹③)的影响下，行人行走过与该方向右转车辆冲突区域内步行速度为u3＝-0.1336×c3²+0.5978×c3+52.1192×k3²-13.7722×k3-0.0929×k3×c3+1.2290；

(4)实验结果分析：

若行人行走至路口时，若由南向东右转行驶的机动车(如图2所示机动车行驶轨迹①)的车流密度k1和车辆行驶速度c1分别为0.07辆/m和2.26m/s，代入求得行人行走过与该方向右转车辆冲突区域内的步行速度u1＝0.926m/s，则行人行走过对应段斑马线的时间m1＝d÷u1＝3.25÷0.926＝3.51s(其中3.25m为一个车道宽度)；若由北向东左转行驶的机动车(如图2所示机动车行驶方向②)的车流密度k2和车辆行驶速度c2分别为0.097辆/m和1.26m/s，代入求得行人行走过与左转车辆冲突区域内的步行速度为u2＝1.117m/s，则行人行走过对应段斑马线的时间m2＝d÷u2＝3.25÷1.117＝2.91s；由东向北右转的机动车(如图2所示机动车行驶轨迹③)的车流密度和车辆行驶速度为分别为0.14辆/m和1.72m/s,代入求得行人行走过与该方向右转车辆冲突区域内的步行速度u3＝0.933m/s,则行人行走过对应斑马线的时间m3＝d÷u3＝3.25÷0.933＝3.48s；若行人正常行走时的步行速度v＝1m/s,则行人行走过剩余斑马线的时间m4＝d÷v＝3.25÷1＝3.25s；

综上，行人过街所需时间m＝m1+m2+m3+m4＝3.51+2.91+3.48+3.25＝13.15s，令行人行走至路口时绿灯的剩余时间为h，判断h>m是否成立,成立则表示行人能在绿灯状态下安全走完斑马线；否则，表示行人在到达交通信号灯路口时需等待下一个绿灯亮；

此实验的结果仅适用于无二次过街、车道宽度为3.25m、路口设置为双向四车道(未设专门的右转车道)、交通灯为无单独左转及右转相位的圆饼灯的交叉路口，针对车道设置等与此不同的无二次过街设施的两相位信号控制交叉口，可通过类似实验进行系数的标定。