一种基于PLC的红绿灯智能控制系统

一种基于plc的红绿灯智能控制系统
技术领域
1.本发明属于plc智能控制技术领域，具体涉及一种基于plc的红绿灯智能控制系统。


背景技术：

2.随着经济的不断发展，城市私家车日益增多，交通堵车，尤其是高峰时段的堵车已经成为社会关注的重要问题。现在衡量一个城市发展水平的重要指标就是城市的交通，能否使交通快速、安全、有序地运行是交通的头等问题，红绿灯是对交通疏导最常见，也是最有效的方式之一。
3.现有技术中，公开了一种城市红绿灯智能控制方法及红绿灯智能控制系统、智能改变城市红绿灯相序方法及城市综合智能交通系统，公开的两个现有技术都主要利用优先级的获取以及判断实现对红绿灯的智能控制，但是其都只对车道优先级进行判断，而忽略了人行道的人流量，可见，其控制红绿灯的变量单一；现有技术还公开了一种城市红绿灯智能控制系统及控制方法，其利用车辆识别装置以及微处理器获得路口车流量信息，显然，此种方法也仅通过车流量控制红绿灯。
4.综上，现有技术中，普遍的缺陷就是利用单一量控制红绿灯，然而，红绿灯并不仅仅指示车辆，道路上还有行人，也会有突发事件，所以，对红绿灯的控制不能仅局限于基于车流量的控制，而应该对多种因素进行全面分析，作为红绿灯的控制量。
5.并且，传统的交通灯控制方法是通过对道路上车流量进行调查统计，预先设定好红绿灯的固定时间。然而城市交通是一个复杂多变的整体系统，车流量随着时间的改变而改变，例如在车流量少的时候，应该适当缩小循环周期，减少等待时间，在车流量多的高峰期，适当地增加通行时间，可以使更多的车辆通过；有些路口东西方向和南北方向车流量相差比较大，应该使车流量大的一方绿灯时间更长一些；还有救护车、消防车等特殊车辆通过等情况。因此城市交通灯应该是一个多工作模式的系统，针对不同问题，采用不同模式。所以，本技术提出一种基于plc的红绿灯智能控制系统，通过分析人流量、车流量以及其他路况，实现多重影响因素控制对红绿灯的控制。


技术实现要素：

6.本发明旨在解决现有技术的不足，提出一种基于plc的红绿灯智能控制系统，缓解交通堵塞问题。
7.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
8.一种基于plc的红绿灯智能控制系统，包括：人流量检测模块、车流量检测模块、传感器模块以及plc控制模块；
9.所述人流量检测模块，用于获取红绿灯路段实时人流量；
10.所述车流量检测模块，用于获取红绿灯路段实时车流量；
11.所述传感器模块，用于检测红绿灯路段实时光线变化情况以及声音信号；
12.所述plc控制模块，用于基于所述人流量、所述车流量、所述光线变化情况以及声音信号，智能控制红绿灯的转换。
13.优选的，所述人流量检测模块包括：视频获取单元、特征提取单元、特征融合单元、检测框单元、预测框单元、编号单元以及统计单元；
14.所述视频获取单元，用于获取红绿灯路段的实时视频数据；
15.所述特征提取单元，用于基于特征提取网络，对所述视频数据中当前帧数据进行特征提取；
16.所述特征融合单元，用于基于特征融合网络，对所述特征提取的结果进行特征融合；
17.所述检测框单元，用于基于检测头结构处理所述特征融合的结果，获得行人检测框；
18.所述预测框单元，用于将行人检测框数据输入目标跟踪器，获得下一帧行人预测框；
19.所述编号单元，用于将所述行人检测框与所述行人预测框进行匹配，并根据匹配结果为每个所述行人检测框编号；
20.所述统计单元，用于预设检测线，根据通过检测线的所述编号，统计人流量。
21.优选的，所述特征提取网络、所述特征融合网络以及所述检测头结构组成yolox-tiny-f行人检测模型。
22.优选的，统计人流量的过程为：
23.预设人流量检测方向，按照垂直于所述人流量检测方向的方向划定非重合所述检测线；
24.基于所述编号经过所述检测线的先后顺序，统计所述视频数据中的人流量。
25.优选的，所述车流量模块包括：信号获取单元、信号处理单元、检测单元、目标点迹获取单元以及跟踪单元；
26.所述信号获取单元，用于所述基于毫米波雷达，获取红绿灯路段的回波信号；
27.所述信号处理单元，用于对所述回波信号进行傅里叶变换，获得二维矩阵，确定检测点的距离信息和速度信息；
28.所述检测单元，用于对所述二维矩阵进行恒虚警检测，获得有效点迹，并确定所述有效点迹的角度信息；
29.所述目标点迹获取单元，用于基于所述距离信息、所述速度信息以及所述角度信息，获得所述红绿灯路段的车辆目标点迹；
30.所述跟踪单元，用于跟踪所述车辆目标点迹，获得跟踪轨迹，基于所述跟踪轨迹确定车流量。
31.优选的，所述传感器模块包括声音传感器单元以及光敏传感器单元；
32.所述声音传感器单元，用于基于声音传感器，检测红绿灯路段是否通过特种车辆；
33.所述光敏传感器单元，用于基于光敏传感器，检测光线变化。
34.优选的，所述特种车辆包括警车、消防车、救护车以及工程抢险车。
35.优选的，所述plc控制模块包括亮灯时长调整单元、红绿灯亮度调整单元、紧急情况单元、分析单元以及交互单元；
36.所述亮灯时长调整单元，用于基于所述人流量以及所述车流量，调整红绿灯亮灯时间；
37.所述红绿灯亮灯调整单元，用于基于所述光线变化情况，调整红绿灯的光亮强度；
38.所述紧急情况单元，用于基于所述声音信号，进行红绿灯紧急控制；
39.所述分析单元，用于记录红绿灯路段的历史人流量、历史车流量、红绿灯亮灯时间调整情况、红绿灯的光亮强度调整情况以及紧急控制情况，分析当前红绿灯路段的交通情况；
40.所述交互单元，用于进行人机交互。
41.与现有技术相比，本发明的有益效果为：plc控制模块，基于人流量、车流量、光线变化情况以及声音信号，智能控制红绿灯的转换。通过对红绿灯路段的多重分析，利用plc控制模块智能控制红绿灯的亮灯情况，缓解交通压力以及堵塞情况并可以实现特殊车辆的紧急通行。人流量的统计采用改进的yolox-tiny模型，精准识别人流趋势以及通过量；车流量的统计采用毫米波雷达，毫米波雷达不受天气以及光线影响，所以可以精准持续的进行车辆检测，降低红绿灯控制系统因不可抗力因素瘫痪的风险。并且，基于光敏传感器进而控制红绿灯亮度，为散光以及近视的驾驶员提供便利，降低了因红绿灯过亮导致驾驶员视线模糊发生交通事故的风险。基于道路交通事故的识别，智能控制红绿灯，降低交通事故对路人的影响。
附图说明
42.为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
43.图1是本发明实施例基于plc的红绿灯智能控制系统的结构示意图。
具体实施方式
44.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
45.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
46.实施例
47.如图1所示，一种基于plc的红绿灯智能控制系统，包括：人流量检测模块、车流量检测模块、传感器模块以及plc控制模块；
48.人流量检测模块，用于获取红绿灯路段实时人流量；
49.人流量检测模块包括：视频获取单元、特征提取单元、特征融合单元、检测框单元、预测框单元、编号单元以及统计单元；
50.视频获取单元，用于获取红绿灯路段的实时视频数据；
51.特征提取单元，用于基于特征提取网络，对视频数据中当前帧数据进行特征提取；
52.特征融合单元，用于基于特征融合网络，对特征提取的结果进行特征融合；
53.检测框单元，用于基于检测头结构处理特征融合的结果，获得行人检测框；
54.其中，特征提取网络、特征融合网络以及检测头结构组成yolox-tiny-f行人检测模型。检测头中包含分类预测结构、检测框坐标预测结构以及检测框背景判断结构。
55.对轻量级的yolox-tiny加以改进构成yolox-tiny-f，yolox-tiny-f作为行人检测模型。
56.预测框单元，用于将行人检测框数据输入目标跟踪器，获得下一帧行人预测框；
57.编号单元，用于将行人检测框与行人预测框进行匹配，并根据匹配结果为每个行人检测框编号；
58.统计单元，用于预设检测线，根据通过检测线的编号，统计人流量。
59.具体的，统计人流量的过程为：
60.预设人流量检测方向，按照垂直于人流量检测方向的方向划定非重合检测线；
61.基于编号经过检测线的先后顺序，统计视频数据中的人流量。特别的，预设编号经过检测线的数量阈值，当超过所设阈值，延长人行道绿灯亮灯时长。
62.车流量检测模块，用于获取红绿灯路段实时车流量；
63.车流量模块包括：信号获取单元、信号处理单元、检测单元、目标点迹获取单元以及跟踪单元；
64.信号获取单元，用于基于毫米波雷达，获取红绿灯路段的回波信号；其中，回波信号为多个车辆目标的不同部位反射的回波信号的叠加。
65.信号处理单元，用于对回波信号进行傅里叶变换，获得二维矩阵，确定检测点的距离信息和速度信息；
66.检测单元，用于对二维矩阵进行恒虚警检测，获得有效点迹，并确定有效点迹的角度信息；通过恒虚警检测确定有效点迹，滤除回波信号中的噪声。
67.具体的，对回波信号进行处理获得中频信号，对中频信号重复进行傅里叶变换，获得二维矩阵，二维矩阵的横坐标表示为距离维，纵坐标表示为速度维。通过对回波信号进行傅里叶变换可以获取回波信号的中心频率信息和多普勒频率信息，进而根据中心频率信息和多普勒频率信息可以确定检测点的速度信息和距离信息。
68.目标点迹获取单元，用于基于距离信息、速度信息以及角度信息，获得红绿灯路段的车辆目标点迹；
69.跟踪单元，用于跟踪车辆目标点迹，获得跟踪轨迹，基于跟踪轨迹确定车流量。
70.传感器模块，用于检测红绿灯路段实时光线变化情况以及声音信号；
71.传感器模块包括声音传感器单元以及光敏传感器单元；
72.声音传感器单元，用于基于声音传感器，检测红绿灯路段是否通过特种车辆；通过识别特种车辆不同的警报声，进而识别不同的特种车辆，控制红绿灯变换，及时救援。
73.光敏传感器单元，用于基于光敏传感器，检测光线变化。
74.特种车辆包括警车、消防车、救护车以及工程抢险车。
75.plc控制模块，用于基于人流量、车流量、光线变化情况以及声音信号，智能控制红绿灯的转换。具体的，为人流量、车流量、光线变化情况以及声音信号设定控制权重，基于控制权重，综合控制红绿灯。plc控制模块包括亮灯时长调整单元、红绿灯亮度调整单元、紧急
情况单元、分析单元以及交互单元；
76.亮灯时长调整单元，用于基于人流量以及车流量，调整红绿灯亮灯时间；通过调整红绿灯亮灯时间，降低高峰期的交通压力。例如在人流量过多时，延长人行道绿灯亮灯时间；车流量较多时，延长机动车道绿灯亮灯时间。
77.红绿灯亮灯调整单元，用于基于光线变化情况，调整红绿灯的光亮强度；
78.具体要求：
①
光强度：在背景亮度104cd/m2，视线100m，红灯为200cd，推荐红，黄，绿光强度比为1：1.3：5。除城市高速公路和城市明亮的背景外，夜间的光线强度可以较低，所以可以使用200cd和50cd的两个光强度。
②
光强分布：光分布对称，在光强度达到峰值光强度的50％时，应在光轴的10
°
以下5
°
～7
°
的位置。
79.紧急情况单元，用于基于声音信号，进行红绿灯紧急控制；例如：若车道为双向四车道，则使该方向的直行和右转车道为绿灯，允许通行，其他方向车道均显示为红灯，进而允许紧急车辆(特种车辆)快速通过；即使在双向四车道的十字路口，一辆紧急车按照上述控制方法也可快速通过，假如东西方和南北方各出现一辆紧急车辆，那么，正常情况下，一定有一个方向的指示灯此时显示为绿灯，那么此方向的紧急车辆无需plc模块对指示灯进行紧急控制，即可快速通过，而另一方向的紧急车辆，plc模块会根据声音信号的接收、人流量以及车流量，紧急控制指示灯，优先将右转车道变为绿灯，如果此方向的紧急车辆还未通过，待另一辆紧急车辆快速通过后，迅速将此方向直行变为绿灯，实现直行右转均为绿灯，允许紧急车辆快速通过(当一个方向直行的指示灯变为绿灯，相应的垂直方向的直行指示灯变为红色，右转时，垂直方向不受影响，根据人流量车流量正常控制)；若车道为双向六车道，则使该方向的右转车道为绿灯，允许通行，其他方向的红灯周期性闪烁禁止通行，提醒司机有紧急车辆需要通过，因双向六车道更宽，司机可根据实际情况变道或右转通过，为紧急车辆让出右转车道。在该模式下，紧急车辆可以更快捷地通过，即使在东西方和南北方同时出现两辆特种车辆，去往各个方向也不会干扰。等到紧急车辆通过后，系统退出紧急工作模式，返回到常规模式。
80.分析单元，用于记录红绿灯路段的历史人流量、历史车流量、红绿灯亮灯时间调整情况、红绿灯的光亮强度调整情况以及紧急控制情况，分析当前红绿灯路段的交通情况；通过分析上述参量，生成当前红绿灯路段交通曲线，根据不同路段的交通特征，进而优化车道划分以及红绿灯控制系统。
81.交互单元，用于进行人机交互。必要时，交通协管员可以人为控制红绿灯的亮灭，缓解交通堵塞问题。
82.其中，plc的硬件设计包括但不限于：输入信号有系统的开启、停止信号；输出信号有东西方向、南北方向各两组红绿灯驱动信号。每一方向的两组红绿灯中，同种颜色的指示灯同时工作，为节省输出点数，本实施例采用并联输出法。
83.特别的，基于plc的红绿灯智能控制系统的还包括交通事故识别模块，用于基于红绿灯路段的视频信息以及车流量检测模块获得的车辆距离信息以及速度信息，识别道路交通事故。
84.具体的，基于红绿灯路段的视频信息，进行帧图像处理以及识别，在预设多帧图像范围内，在违规停车路段均检测到行人或车辆，行人站定不移动或跌倒，或基于图像处理检测到车辆双闪打开，则判定为发生交通事故，进行事故警报，并调整红绿灯。
85.在毫米波雷达范围内，随机设定主车，划定主车的感应范围，周期性检测感应范围内车辆距离信息以及速度信息，获得一定时间内离开感应范围内的车辆集合，确定离开感应范围内的同向车辆集合以及对向车辆集合；判断同向车辆集合与对向车辆集合的比值是否超出阈值，若超出，且车流密度呈增长趋势，则判定主车或前方同向车辆发生交通事故。
86.以上所述的实施例仅是对本发明优选方式进行的描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

技术特征：
1.一种基于plc的红绿灯智能控制系统，其特征在于，包括：人流量检测模块、车流量检测模块、传感器模块以及plc控制模块；所述人流量检测模块，用于获取红绿灯路段实时人流量；所述车流量检测模块，用于获取红绿灯路段实时车流量；所述传感器模块，用于检测红绿灯路段实时光线变化情况以及声音信号；所述plc控制模块，用于基于所述人流量、所述车流量、所述光线变化情况以及声音信号，智能控制红绿灯的转换。2.根据权利要求1所述的基于plc的红绿灯智能控制系统，其特征在于，所述人流量检测模块包括：视频获取单元、特征提取单元、特征融合单元、检测框单元、预测框单元、编号单元以及统计单元；所述视频获取单元，用于获取红绿灯路段的实时视频数据；所述特征提取单元，用于基于特征提取网络，对所述视频数据中当前帧数据进行特征提取；所述特征融合单元，用于基于特征融合网络，对所述特征提取的结果进行特征融合；所述检测框单元，用于基于检测头结构处理所述特征融合的结果，获得行人检测框；所述预测框单元，用于将行人检测框数据输入目标跟踪器，获得下一帧行人预测框；所述编号单元，用于将所述行人检测框与所述行人预测框进行匹配，并根据匹配结果为每个所述行人检测框编号；所述统计单元，用于预设检测线，根据通过检测线的所述编号，统计人流量。3.根据权利要求2所述的基于plc的红绿灯智能控制系统，其特征在于，所述特征提取网络、所述特征融合网络以及所述检测头结构组成yolox-tiny-f行人检测模型。4.根据权利要求2所述的基于plc的红绿灯智能控制系统，其特征在于，统计人流量的过程为：预设人流量检测方向，按照垂直于所述人流量检测方向的方向划定非重合所述检测线；基于所述编号经过所述检测线的先后顺序，统计所述视频数据中的人流量。5.根据权利要求1所述的基于plc的红绿灯智能控制系统，其特征在于，所述车流量模块包括：信号获取单元、信号处理单元、检测单元、目标点迹获取单元以及跟踪单元；所述信号获取单元，用于所述基于毫米波雷达，获取红绿灯路段的回波信号；所述信号处理单元，用于对所述回波信号进行傅里叶变换，获得二维矩阵，确定检测点的距离信息和速度信息；所述检测单元，用于对所述二维矩阵进行恒虚警检测，获得有效点迹，并确定所述有效点迹的角度信息；所述目标点迹获取单元，用于基于所述距离信息、所述速度信息以及所述角度信息，获得所述红绿灯路段的车辆目标点迹；所述跟踪单元，用于跟踪所述车辆目标点迹，获得跟踪轨迹，基于所述跟踪轨迹确定车流量。6.根据权利要求1所述的基于plc的红绿灯智能控制系统，其特征在于，所述传感器模块包括声音传感器单元以及光敏传感器单元；
所述声音传感器单元，用于基于声音传感器，检测红绿灯路段是否通过特种车辆；所述光敏传感器单元，用于基于光敏传感器，检测光线变化。7.根据权利要求6所述的基于plc的红绿灯智能控制系统，其特征在于，所述特种车辆包括警车、消防车、救护车以及工程抢险车。8.根据权利要求1所述的基于plc的红绿灯智能控制系统，其特征在于，所述plc控制模块包括亮灯时长调整单元、红绿灯亮度调整单元、紧急情况单元、分析单元以及交互单元；所述亮灯时长调整单元，用于基于所述人流量以及所述车流量，调整红绿灯亮灯时间；所述红绿灯亮灯调整单元，用于基于所述光线变化情况，调整红绿灯的光亮强度；所述紧急情况单元，用于基于所述声音信号，进行红绿灯紧急控制；所述分析单元，用于记录红绿灯路段的历史人流量、历史车流量、红绿灯亮灯时间调整情况、红绿灯的光亮强度调整情况以及紧急控制情况，分析当前红绿灯路段的交通情况；所述交互单元，用于进行人机交互。

技术总结
本发明公开了一种基于PLC的红绿灯智能控制系统，包括：人流量检测模块、车流量检测模块、传感器模块以及PLC控制模块；人流量检测模块，用于获取红绿灯路段实时人流量；车流量检测模块，用于获取红绿灯路段实时车流量；传感器模块，用于检测红绿灯路段实时光线变化情况以及声音信号；PLC控制模块，用于基于人流量、车流量、光线变化情况以及声音信号，智能控制红绿灯的转换。通过对红绿灯路段的多重分析，利用PLC控制模块智能控制红绿灯的亮灯情况，缓解交通压力以及堵塞情况并可以实现特殊车辆的紧急通行。辆的紧急通行。辆的紧急通行。


技术研发人员：朱冬梅 王文卿 李苑玮
受保护的技术使用者：山东科技职业学院
技术研发日：2023.06.15
技术公布日：2023/8/5