文章編號： 1006-9798（2024）03-0046-09； DOI： 10.13306/j.1006-9798.2024.03.007

摘要： 為有效緩解城市交通擁堵，基于YOLOv5車輛識別和北斗定位技術(shù)構(gòu)建了城市擁堵解決方案，實現(xiàn)了車輛運行信息實時采集、道路流量預(yù)測和智能交通控制等功能。YOLOv5車輛識別技術(shù)采集流量、車速等交通運行特征數(shù)據(jù)結(jié)合北斗定位技術(shù)采集的車輛運行特征數(shù)據(jù)，為智能交通控制決策與用戶路線規(guī)劃的數(shù)據(jù)支撐；智能控制終端分析采集到的數(shù)據(jù)，預(yù)測道路流量；數(shù)據(jù)傳輸模塊完成采集輸入并上傳至智能控制終端和預(yù)測結(jié)果輸出至智能交通控制設(shè)施，調(diào)節(jié)潮汐車道，實現(xiàn)智能信控；同時向用戶反饋道路擁堵狀況、提供路徑選擇建議。仿真運行結(jié)果表明，該解決方案面對兩種不同的道路網(wǎng)可以使平均停車延誤分別降低了9.0%、6.0%，總行駛時間分別降低了4.5%、6.3%，能夠緩解交通擁堵。

關(guān)鍵詞： YOLOv5； 車輛識別； 北斗定位； 城市擁堵； 智能交通控制系統(tǒng)

中圖分類號： U121文獻標(biāo)識碼： A

計算機、互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)快速發(fā)展為智慧交通的規(guī)劃建設(shè)提供了強大支撐[1]。目前智能交通控制相關(guān)研究大多著眼于交通信號控制優(yōu)化問題，基于統(tǒng)計學(xué)的交通信號控制，如定時控制等[2-3]；基于模型的交通信號控制，如Webster[4]、GreenWave[5]、Maxpressure[6]以及各種配時優(yōu)化算法如群智能算法[7-8]、遺傳算法[9-10]、模糊控制[11-12]、強化學(xué)習(xí)[13-14]等。目前存在的主要問題有交通信息獲取不準(zhǔn)確不全面、車輛與智能控制終端交互性不強、區(qū)域協(xié)調(diào)控制能力弱、技術(shù)或算法單一等，需從完善系統(tǒng)頂層設(shè)計入手進行優(yōu)化[15]。數(shù)據(jù)采集是智能交通控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，從固定式無標(biāo)識數(shù)據(jù)，到移動檢測數(shù)據(jù)，再到固定式有標(biāo)識數(shù)據(jù)不斷發(fā)展[16-17]。目前智能交通數(shù)據(jù)采集主要依賴于車道上的各種傳感器和車輛抓拍系統(tǒng)進行單向采集 [18]。車輛識別、檢測[19-22]和分類[22]作為道路監(jiān)控視頻中的關(guān)鍵目標(biāo)，已引起廣泛關(guān)注。隨著計算機視覺技術(shù)發(fā)展，道路交通信息采集呈現(xiàn)高效化、智能化的特點；同時，北斗衛(wèi)星的成功在軌運行使得車輛智能識別的精度達到了車道級別。本文利用視覺識別技術(shù)對車輛進行識別，實現(xiàn)目標(biāo)區(qū)域內(nèi)的交通流量信息的預(yù)測，形成具備車輛運行信息采集、流量預(yù)測、交通智能調(diào)節(jié)控制等功能的智能交通控制系統(tǒng)。仿真試驗表明，智能交通控制基礎(chǔ)設(shè)施及用戶導(dǎo)航服務(wù)終端均能做出響應(yīng)，系統(tǒng)的實時性和交互性良好；驗證了解決方案的可行性和有效性。

1關(guān)鍵技術(shù)

1.1YOLOv5車輛識別技術(shù)

現(xiàn)階段基于深度學(xué)習(xí)的目標(biāo)檢測方法主要有2類，一類是二階段的RCNN[23]、Faster RCNN [24]等，另一類是一階段的YOLO [25]、SSD [26]系列。其中由Ultralytics LLC公司發(fā)布的YOLOv5[27-28]相比于YOLOv4 [29]、Faster RCNN等算法，具有檢測推理速度快、訓(xùn)練時間短、檢測平均精度損失小等優(yōu)點[30]。在交通目標(biāo)檢測領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，常用于車輛、行人、交通標(biāo)志等識別[20-30，34]。YOLOv5的檢測流程由識別模塊的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)決定，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示，包括檢測源輸入端、基準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)（Backbone）、Neck網(wǎng)絡(luò)和最終輸出。

1）檢測源輸入端。對輸入源的文件進行預(yù)處理，在有限的數(shù)據(jù)集中增大識別目標(biāo)的特征數(shù)據(jù)，如對圖片尺寸按照規(guī)定目標(biāo)放大或縮小，利用擴展縮放、透視變換、仿射變換等Mosaic數(shù)據(jù)增強操作以及歸一化等方式提取特征數(shù)據(jù)。

2）基準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)（Backbone）。對數(shù)據(jù)集進行融合計算，提取圖像的特征，在不同輸入文件的不同細粒度上聚合形成不同的具有圖像特征的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，常用Focus結(jié)構(gòu)和CSP結(jié)構(gòu)。Focus結(jié)構(gòu)（圖2）對輸入圖片的錯位像素進行裁切，拆分為具有4組對應(yīng)關(guān)系的多通道圖片，獲得了原圖片4倍的通道。按照像素位置關(guān)系對拆分后的圖片進行拼接分類，得到12個通道的特征圖片，對新的圖片進行卷積操作，獲得沒有丟失特征信息的兩倍下采樣特征圖。CSP結(jié)構(gòu)（圖3）是可以增強學(xué)習(xí)能力的算法，通過減少算法中的重復(fù)梯度信息，識別準(zhǔn)確性提高了22%，運算速度降低了19%，減少計算量的同時不影響整體計算的準(zhǔn)確度 [35]。

3）Neck網(wǎng)絡(luò)?；旌虾徒M合圖像特征并傳遞到預(yù)測層。

4）輸出端。結(jié)合模型對比圖像的特征點，繪制物體錨框并預(yù)測框選物體類別。圖4為不同照明環(huán)境下YOLOv5s的識別結(jié)果。在日夜不同環(huán)境光線的識別中，不同點光源對攝像頭的干擾導(dǎo)致日間的識別準(zhǔn)確率要略高于夜間，因此對攝像頭鏡頭做防眩目處理或者對所采集的圖像信息進行降低高亮區(qū)域范圍等預(yù)處理后再進行計算。

1.2北斗定位技術(shù)

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（Beidou Navigation Satellite System， BDS）采用亞米級高精準(zhǔn)定位技術(shù)，定位精度由5 m ～10 m的道路級別進化到亞米的車道級別，測速精度達到0.2 m/s，能在復(fù)雜的道路環(huán)境中精準(zhǔn)掌握車輛行駛信息。單一的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System， GNSS）存在定位精度不高、信號易受干擾等問題，5G通訊技術(shù)與BDS相結(jié)合能彌補傳統(tǒng)導(dǎo)航系統(tǒng)定位精度的不足[36-37]。

2智能交通控制系統(tǒng)

智能交通控制系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊、數(shù)據(jù)分析模塊、數(shù)據(jù)執(zhí)行模塊5部分組成，如圖5所示。系統(tǒng)運作流程如圖6所示，包括車機或手機、北斗衛(wèi)星、視頻采集設(shè)備、智能控制終端、智能交通控制基礎(chǔ)設(shè)施5類硬件設(shè)施。智能控制終端是智能交通控制系統(tǒng)的“中樞”，通過手機或車機用戶端向智能控制終端發(fā)送未來短期的預(yù)測出行信息。北斗衛(wèi)星采集車輛實時位置數(shù)據(jù)發(fā)送至智能控制終端，實現(xiàn)定位功能；視頻采集設(shè)備采用YOLOv5車輛識別技術(shù)獲取路口車流量信息并發(fā)送至智能控制終端，智能控制終端匯總數(shù)據(jù)，整合各道路時空數(shù)據(jù)信息預(yù)測對應(yīng)路網(wǎng)區(qū)域的擁堵程度。智能信號燈、智能潮汐車道等智能交通控制基礎(chǔ)設(shè)施響應(yīng)智能控制終端處理信息。智能交通控制系統(tǒng)基于數(shù)據(jù)驅(qū)動，完成道路交通運行數(shù)據(jù)的采集、傳輸、分析、執(zhí)行等完整流程；基于YOLOv5車輛識別技術(shù)的外部視頻采集與基于北斗定位技術(shù)的車輛自主發(fā)送相結(jié)合，加強了數(shù)據(jù)采集，保證數(shù)據(jù)采集的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，為智能交通控制和出行路徑?jīng)Q策提供實時準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支撐。

2.1數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊包括車機或用戶手機和視頻采集設(shè)備。其中，車機或手機須安裝基于北斗定位的導(dǎo)航APP，具有5G通信功能；視頻采集設(shè)備集成YOLOv5車輛識別模塊的攝像頭，一般安裝于道路上方桁架。數(shù)據(jù)采集以YOLOv5技術(shù)為主，北斗定位技術(shù)為輔。其中，YOLOv5車輛識別模塊用于監(jiān)控識別路段或交叉口的流量、車速等車輛信息，北斗定位技術(shù)采集車輛的速度及行駛方向數(shù)據(jù)信息，通過亞米級精度的定位可識別車輛所在車道信息。二者所提供的信息相互融合、互為補充，可保障數(shù)據(jù)的完整性、準(zhǔn)確性、及時性。

2.2數(shù)據(jù)傳輸模塊

數(shù)據(jù)傳輸模塊可以實現(xiàn)車機或用戶手機、視頻采集設(shè)備與智能控制終端間，智能控制終端與智能交通控制設(shè)施（智能信號燈、智能潮汐車道標(biāo)識等）間的信息傳輸。采用無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)和數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)能提高數(shù)據(jù)傳輸速度和穩(wěn)定性。針對大型城市智能交通控制系統(tǒng)中巨大的數(shù)據(jù)量（包括視頻數(shù)據(jù)、北斗定位數(shù)據(jù)等）以及實時傳輸要求所帶來的網(wǎng)絡(luò)負載問題，系統(tǒng)各模塊分別負責(zé)其相應(yīng)的處理項目，數(shù)據(jù)統(tǒng)一匯總的分布式架構(gòu)解決方案。從數(shù)據(jù)分析處理階段到數(shù)據(jù)執(zhí)行階段，數(shù)據(jù)傳輸模塊為智能控制終端根據(jù)現(xiàn)狀和預(yù)測交通運行情況做出決策，向智能交通控制設(shè)施發(fā)出指令，同時向使用者發(fā)送路徑規(guī)劃建議。

2.3數(shù)據(jù)分析處理模塊

數(shù)據(jù)分析由智能控制終端完成數(shù)據(jù)清洗、關(guān)聯(lián)分析、聚類分析，利用脫敏處理后的路口流量數(shù)據(jù)預(yù)測每天每個時段的各路口流量，結(jié)合相鄰路口匯入的流量信息進行修正，提高對道路交通流量的預(yù)測準(zhǔn)確度。

通過負載均衡、緩存機制、高性能硬件和并行計算、優(yōu)化算法和模型等手段解決智能交通控制系統(tǒng)中數(shù)據(jù)量巨大及實時處理要求的高計算負載問題，提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理能力和計算效率，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高效處理和實時響應(yīng)。

2.4數(shù)據(jù)執(zhí)行模塊

數(shù)據(jù)執(zhí)行模塊硬件設(shè)施包括車機或用戶手機、智能控制終端、智能交通控制設(shè)施，實現(xiàn)智能交通控制調(diào)節(jié)，為用戶端提供路線規(guī)劃建議等，如優(yōu)化調(diào)整潮汐車道、調(diào)整信控方案、接收-調(diào)整-下放用戶導(dǎo)航方案、交通信息公告（如交通廣播電臺、道路交通情況實時顯示屏等）。

3方案實施

3.1實施路徑

智能交通控制系統(tǒng)通過啟用安裝有北斗定位芯片的5G車機設(shè)備或使用相關(guān)地圖導(dǎo)航APP進行路徑導(dǎo)航實現(xiàn)，車輛行駛的路徑數(shù)據(jù)以及實時車速等數(shù)據(jù)通過5G網(wǎng)絡(luò)上傳至智能交通控制系統(tǒng)。智能控制終端結(jié)合車輛信息及道路上安裝的視頻采集設(shè)備識別采集到道路交通信息進行數(shù)據(jù)處理，獲得預(yù)測結(jié)果，對各路段的智能交通基礎(chǔ)設(shè)施（如信號配時）做出實時調(diào)整。圖7為基于車輛識別和北斗定位的智能交通控制實時道路仿真情況。

3.2解決方案實現(xiàn)

各路口均有一定的變道緩沖區(qū)及智能潮汐車道，當(dāng)檢測到某路段或路口某方向交通壓力顯著增大時，可以根據(jù)用戶導(dǎo)航數(shù)據(jù)，潮汐車道和信控配時，如圖8。每一個路口的道路通行方案均可根據(jù)實時的路網(wǎng)狀況進行實施調(diào)控，不同的車道均可利用可變潮汐車道以及可變信號燈進而改變其通行類型，以便緩解道路通行壓力，如圖9。

當(dāng)圖8中檢測到1號路口由西向東方向的交通壓力過大，導(dǎo)航數(shù)據(jù)顯示其中有大量車輛需要前往3號路口，用戶可以選擇1-2-3或1-4-3兩種方案，為緩解1-4方向壓力，并規(guī)避可預(yù)見的交通擁堵，智能控制終端發(fā)出指令：（1）將1號路口的智能潮汐車道由直行轉(zhuǎn)換為右轉(zhuǎn)，減小1-4方向車流量；（2）提前延長2號路口的信號周期，放行2號路口由北向南車流，預(yù)留出足夠的空間，避免出現(xiàn)1-2方向排隊溢出、延誤增加等不良狀況；（3）將1-2-3方案通過導(dǎo)航軟件反饋給需要前往3號路口的用戶；（4）通過導(dǎo)航軟件將其他路徑替代方案反饋給不需要前往3號路口但當(dāng)前規(guī)劃路徑途徑1-2-3的用戶。

該解決方案用于更大區(qū)域交通協(xié)調(diào)控制，實現(xiàn)提前對不同路網(wǎng)區(qū)塊的道路流量進行梳理，有效提高該區(qū)域在高峰時段內(nèi)相同目的地車輛的通過效率。例如，早高峰期間，大型辦公寫字樓區(qū)域?qū)⑽罅寇囕v前往，可以提前對車流進行引導(dǎo)，使需要前往同區(qū)域的一批車輛匯聚于推薦路線，以便于在推薦路線上實施綠波帶控制、潮汐車道調(diào)整等措施，提升車輛的通行效率，還可根據(jù)具體需求減少路網(wǎng)中緊急車輛（消防車輛、急救車輛等需要疾行的車輛）的通行時間。

3.3仿真結(jié)果

在TESSNG軟件上進行了仿真試驗驗證上述方案的可行性和有效性，模擬設(shè)置帶右轉(zhuǎn)渠化車道的丁字路口、十字路口兩種常見道路模型。丁字路口模型和增添智能潮汐車道等方案后得到路網(wǎng)示意圖分別如圖10和圖11所示，路口車道行車信息及車道規(guī)劃均按照實際情況進行部署。

采集該路網(wǎng)區(qū)塊在某一時段的車流量數(shù)據(jù)信息并導(dǎo)入至仿真軟件，分別采用“不輸入/輸入”城市擁堵解決方案，得到路網(wǎng)通行仿真結(jié)果，見表1，實際人工操控情況見表2?？芍捎媒鉀Q方案后各項指標(biāo)均有所改善，其中，平均停車延誤降低了17.5%，總行駛時間降低了30%，說明該方案能夠緩解交通路口擁堵。

如圖12十字路口組成的交通區(qū)塊，按照單十字路口模型（圖13）的情況分析，按照實際情況采集路口車道行車信息及車道規(guī)劃部署。將采集路網(wǎng)4個不同區(qū)塊同一時段的車流量數(shù)據(jù)信息及實際道路的紅綠燈組信息導(dǎo)入至仿真軟件，分別設(shè)置“不輸入/輸入”城市擁堵解決方案。對比仿真結(jié)果，優(yōu)化前后結(jié)果和實際人工操控情況分別見表3、表4。

仿真結(jié)果表明，采用優(yōu)化解決方案后，各項指標(biāo)均有所改善，平均停車延誤分別降低了9.0%、6.0%，總行駛時間降低了4.5%、6.3%，該方案能夠緩解交通區(qū)塊交通擁堵。

4結(jié)論

基于數(shù)據(jù)驅(qū)動，本文提出了一種實現(xiàn)車輛與智能交通基礎(chǔ)設(shè)施之間信息交互的智能交通控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了道路交通運行數(shù)據(jù)的采集、傳輸、分析、執(zhí)行全過程；數(shù)據(jù)采集模塊結(jié)合了YOLOv5車輛識別技術(shù)和北斗衛(wèi)星定位技術(shù)，互為補充，全面獲取車輛的起訖點、行駛方位、車道、平均時速、路口的駛?cè)腭偝鰰r間等信息，有效保障數(shù)據(jù)的完整性、準(zhǔn)確性、及時性；決策結(jié)果與各類智能交通控制基礎(chǔ)設(shè)施及用戶導(dǎo)航服務(wù)終端進行互動。仿真試驗結(jié)果表明，采用該解決方案后，平均停車延誤分別降低了15.1%、12.5%，平均車速分別提高了6.1%、4.2%。目前對于數(shù)據(jù)采集模塊所涉及的基于北斗導(dǎo)航與5G的智能車機和導(dǎo)航APP只進行了宏觀分析和初步研究，缺少相應(yīng)設(shè)備搭建和運行試驗；車流量數(shù)據(jù)的復(fù)雜性、多樣性相對于道路交通實際情況仍有差距，對于智能交通控制方案的實施，需要采用更多實際數(shù)據(jù)來展開研究，以適應(yīng)更復(fù)雜的實際交通環(huán)境。

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Urban Congestion Solution Based on YOLOv5 Vehicle Recognition and Beidou Positioning

JIANG Quan1， LI Xiaoxuan2， CHEN Xiaoyu3

（1. Shaanxi Transportation Vocational and Technical College，Shaanxi Xi′an 710018， China;

2. Hangzhou City Planning and Design Academy， Zhejiang Hangzhou 310012， China；

3. Xinjiang Zhongtong Bus Co.， Ltd， Xinjiang Urumqi 830063， China）

Abstract：

In order to effectively alleviate urban traffic congestion， a solution for urban congestion was constructed based on YOLOv5 vehicle identification and Beidou positioning， integrating functions such as vehicle operation information collection， traffic flow prediction， and intelligent traffic control. The YOLOv5 vehicle recognition technology collected traffic operation characteristic data such as traffic flow and vehicle speed， combined with the vehicle operation characteristic data collected by Beidou positioning， to provide data support for intelligent traffic control decisionmaking and user route planning; the intelligent control terminal analyzed and processed the collected data to predict road traffic flow; the data transmission module completed the collection input uploaded to the intelligent control terminal， and the prediction results output to the intelligent traffic control facilities， regulating tidal lanes to achieve intelligent signal control; at the same time， it provided feedback on road congestion conditions to users and offered route selection suggestions. The simulation operation results showed that， with respect to two different cases， the present method reduced the average stop delay by 9.0% 、6.0% respectively， and the total travel time by 4.5%，、6.3% respectively， indicating that the solution could alleviate traffic congestion.

Keywords： YOLOv5; vehicle identification; Beidou positioning; urban congestion; intelligent traffic control system

收稿日期： 2024-04-15； 修回日期： 2024-07-30

基金項目： 國家職業(yè)教育教師教學(xué)創(chuàng)新團隊課題資助項目（YB2021090101）

第一作者： 江泉（1986-），男，副教授，主要研究方向為智能汽車和智能交通。Email： 305387420@qq.com