CN102097005A - 智能化、集成化交通信号控制器 - Google Patents

Abstract

一种智能化、集成化交通信号控制器，涉及自动控制器技术领域，由信号输入模块、数据处理与存储模块、主控优化模块、信号输出模块、外部接口模块构成，信号输入模块与数据处理与存储模块相互连接，信号输入模块还连接主控优化模块，数据处理与存储模块与主控优化模块相互连接，数据处理与存储模块与主控优化模块分别连接信号输出模块，主控优化模块与外部接口模块相互连接，本发明装置实现了路口不同交通设备，包括交通信号控制设备、交通诱导屏、电子警察、视频监控的集成控制和信息共享，使交通信号控制器具有较强的实时控制、协调能力，以适应智能交通系统发展的要求。

Description

智能化、集成化交通信号控制器

技术领域

本发明涉及自动控制器技术领域，具体涉及交通控制技术领域。

技术背景

目前，国内外交通信号控制器的研发仅仅局限于控制路口的红绿灯信号。且红绿灯信号方案的生成由存储在交通信号控制器的定时或多时段控制方案来生成，虽然为了适应交通的发展，有些厂商在交通信号控制器中增加了控制算法和控制方式，但还是仅仅局限在为车流调整红绿灯信号上；或者由交通信号控制器将采集到的路口交通信息传送到交通指挥中心的数据库服务器，再由交通指挥中心的信号配时优化服务器优化生成路口的红绿灯信号方案，最后下发到路口由交通信号控制器执行，形成一种“瘦控制器，胖中心”系统，这种在运行过程中需要消耗大量的通信资源，系统的实时控制和协调能力不强。

与此同时，城市路口的交通诱导屏(可变信息板)、视频监控、电子警察等交通设备分别由各自相互独立的路口控制设备和传输链路传输到交通指挥中心各个相互独立的信息处理和管理系统中，这些信息处理和管理系统分别对采集上来的信息进行处理和发布，且各个信息处理和管理系统采集的基础交通信息和处理获得的交通信息都无法实现共享，造成交通信息资源的巨大浪费。

在一个城市路口同时存在交通信号控制、交通诱导屏、视频监控、电子警察的情况下，一个路口林林总总矗立各种交通设备控制箱，不仅占用路口面积、影响路口美观、遮挡驾驶员视线，更重要的是路口设备过多，维护麻烦、通信复杂、交通指挥中心负担过大，同时出现硬件设备资源重复建设、交通信息资源的巨大浪费。

发明内容

针对城市路口交通控制设备功能单一、集成化低、可扩展性不强、智能化水平低等问题，本发明提出了一种智能化、集成化交通信号控制器。

本发明提出的交通信号控制器主要由信号输入模块、数据处理与存储模块、主控优化模块、信号输出模块、外部接口模块构成，其中；

1)、信号输入模块：信号输入模块由数字信号检测板、视频信号检测板、视频监控检测板、电子警察检测板组成，将路口不同检测装置检测到的不同数据类型、不同数据格式的交通数据提取为交通信号控制、交通诱导、交通监控、违章处罚所需的交通信息；

(1)数字信号检测板：在数字信号检测板中嵌入串口组件、网口组件、无线通信组件、GPS组件、RFID组件，使数字信号检测板能够接收路口环形线圈车辆检测器、微波车辆检测器、红外车辆检测器、雷达测速检测器、GPS浮动车、RFID标签车辆的不同检测装置、不同数据来源的交通数据，并通过接口交互组件将不同的交通数据转化成标准的、统一的数据格式，传输到数据存储模块；

(2)视频信号检测板：视频信号检测板基于ARM组件，对安装在路口不同方向的摄像机传送过来的视频信号进行实时的图像识别，提取摄像机覆盖范围内不同车道的交通流量、速度、时间占有率的交通信息，并将提取的交通信息传输到数据存储模块；

(3)视频监控检测板：视频监控检测板同样基于ARM组件，与视频信号检测板的区别在于，视频监控检测板接收到路口监控摄像机传送过来的视频信号，通过图像处理、模式识别等技术检测路口的热点区域，如行人聚集、交通事故、交通拥挤等，形成热点预警信息，并传送到该信息传输到数据存储模块，同时，调整路口监控摄像机，将镜头集中在热点区域；

(4)电子警察检测板：通过比对路口当前的交通信号灯状态、路段的限制速度，根据数字信号检测板、视频信号检测板提供的信息，电子警察检测板基于ARM组件对路口电子警察摄像机传送过来的视频信号进行图像处理，对违章车辆的车牌、颜色、尺寸进行图像识别，同时提取车辆行驶违章前、中、后连续三张行驶状态图像及其时间，作为违章处罚证据，并将车辆信息和违章信息传输到数据存储模块；

2)数据处理与存储模块：数据存储模块包括数据质量检测组件、数据融合预测组件、路口路段交通状态判别组件、小型关系数据库组件、数据硬盘刻录组件组成，对信号输入模块传输过来的交通数据的可靠性、准确性进行判别，并对其进行相应的平滑处理，同时对不同数据来源的交通数据进行融合，获取更加精确的交通参数信息，并结合数据存储模块中小型关系数据库中路口的历史交通信息，对未来时刻的交通参数进行预测和路口路段的交通状态进行判别，为主控优化模块进行交通信号控制、交通诱导、交通监控等提供决策支持，同时为提供数据储备为交通取证和交通研究，在数据存储模块中增加数据硬盘刻录，将路口不同的交通参数和交通状态实时存储在硬盘中，以便交通工程师定期提取；

(1)数据质量检测组件：数据质量检测组件对信号输入模块传送过来的各个数据源的数据进行状态分析和异常识别，对缺失数据进行替换、对故障数据进行修复、对突变数据进行平滑等数据处理，为数据的下一步处理提供稳健性和可靠性保障；

(2)数据融合预测组件：在路口，不同的交通检测装置安装位置不同、采集的交通参数的时间尺度、种类也不尽相同，检测到的交通流参数只能反映某一断面和地点的交通流状态，无法有效反映整个路段的道路交通流运行状态，因此，通过不同来源的交通参数进行融合，可以更加全面地描述整个路段的交通流运行状态，获取更加准确的交通参数，为下一步的处理提供准确的数据依据；

(3)路口路段交通状态判别组件：根据数据融合预测组件提供的当前路口、路段的交通流运行参数数据以及数据融合预测组件预测的未来时段内路口、路段可能出现的交通流运行状态参数数据，对路口和路口各进口道的交通状态进行判别，为交通控制、诱导策略的实施提供决策支持；

(4)小型关系数据库组件：小型关系型数据库组件的功能在于存储最近三个月内路口、路段的宏观、中观、微观交通参数数据，最近三个月的历史配时方案、历史诱导方案、历史违章信息，交通控制、交通诱导的模型库、知识库等，是整个智能化交通信号控制器的数据、信息中心；

(5)数据硬盘刻录组件：数据硬盘刻录组件对小型关系数据库组件的数据进行备份，同时存储由数据处理与存储模块中的视频监控检测板和电子警察监控检测板传输过来的视频图像信息，为交通违章处罚、刑事肇事逃逸等提供证据支持。同时数据硬盘刻录组件可以定期、定时向交通信息中心传输智能化交通信号控制器的数据，也可以由交通工程师现场进行数据提取、更换硬盘数据刻录存储介质；

3)主控优化模块：主控优化模块是整个智能化交通信号控制器的核心组成部分，由配时优化控制组件、公交车辆优先控制组件、应急车辆优先控制组件、交通诱导策略优化组件、交通监控管理组件、路口群主从控制组件、控制方案自学习组件组成，其主要功能根据不同交通检测器上传的实时交通数据，结合数据处理与存储模块的历史交通信息和控制模型，根据当前路口的实际交通状态，提供最优的信号控制方案、交通诱导方案以及交通管理辅助决策等。

(1)配时优化控制组件：配时优化控制组件除了具备传统的黄闪、定时、步进、手动等信号控制功能，以及传统的单点定时、多方案选择等控制模式之外，还包括根据路口、路段当前的交通流运行信息，优化生成与交通流状态相适应的自适应配时优化控制方案，具有自适应方案选择式和方案生成式的配时优化功能；

(2)公交车辆优先控制组件：公交车辆优先控制组件的功能在于根据路口各进口方向当前的交通流运行状态以及公交车辆的运行信息(公交线路、运行时刻表、乘客人数、优先等级等)，通过对公交车辆的到达时间估计以及实施优先通行可能对整个路口交通流运行的影响分析，判断是否为公交车辆提供优先通行信号。在确定为公交车辆提供优先信号的情况下，公交车辆优先控制组件通过对路口交通流运行状态的实时模拟估计，为交通信号控制器提供最优的优先信号实施策略(绿灯延长、绿灯提前、相位跳转等)，并在公交车辆顺利通过路口后，为交通信号控制器提供最优的优先信号退出策略(周期延长、周期缩短、周期平滑等)，以保证路口交通流的平稳运行和信号优先控制策略的智能过渡。

(3)应急车辆优先控制组件：应急车辆优先控制组件的功能在于预先监测应急车辆的到达，提前对路口的交通信号配时方案进行优化、调整，在应急车辆到达路口之前，清除应急车辆进口方向上余留的其他社会车辆，确保应急车辆快速、安全通过路口的同时，保证路口交通信号控制的控制效益，当应急车辆顺利通过路口后，为交通信号控制器提供最优的优先信号退出策略(周期延长、周期缩短、周期平滑等)，保证信号控制策略的平稳过渡。

(4)交通诱导策略优化组件：交通诱导策略优化组件的功能在于根据当前路口及相邻路口的交通流运行状态，在交通诱导屏(可变信息板)上动态显示交通诱导屏影响区域的交通状态，为驾驶员提供出行建议(路径建议、速度建议、安全建议等)信息，引导驾驶员走最佳行驶路径；

(5)交通监控管理组件：交通诱导策略优化组件的功能在于通过对视频监控检测板检测到的视频图像信息进行进一步分析、处理，基于分形理论、模式识别，实时监测路口及各进口方向的交通状态，并将监控摄像头自动聚焦到异常状态区域(如行人聚集、交通事故、交通拥挤等)，并向交通信息中心提供预警、状态可能持续时间、形成原因估计、现场执勤指挥需求等，为交通指挥中心派遣执行民警提供决策支持；

(6)路口群主从控制组件：路口群主从控制组件的功能在于：一、当路口与周边路口群的交通流运行特性具有较大的相似性和耦合性时，以某一路口的交通信号控制器为主控节点，其他路口为从节点，形成路口群协调控制子区，由主控节点对路口群进行统一协调控制。二、在城市主干线上，以主干线上关键路口的交通信号控制器为主控节点，干线上其他路口的为从节点，根据干线交通流的实时变化，对干线上的单向绿波、双向绿波、双向非对称可变绿波等进行自适应调节和优化；

(7)控制方案自学习组件：控制方案自学习组件的功能在于将路口当前的交通流运行参数、交通控制方案、交通诱导方案、交通监控管理方案等，利用知识表达系统构建生成知识子集，添加到小型关系数据库组件的专家知识库系统中，并通过对专家知识库系统中相似交通流运行特性的检索，对比分析当前方案和知识库中方案，选择最优的控制方案，指导配时优化控制组件、公交车辆优先控制组件、应急车辆优先控制组件、交通诱导策略优化组件、交通监控管理组件、路口群主从控制组件等各种交通管控方案的优化；

4)信号输出模块：信号输出模块由交通信号灯输出板、可变信息输出板组成，其主要功能在于对主控优化模块发送过来的控制、诱导信息进行有效性、完整性进行检测的基础上，执行主控优化模块的优化方案，为出行者提供服务；

(1)交通信号灯输出板：在交通信号灯输出板中嵌入串口组建和无线通信组件，使得交通信号灯输出板能够通过RS232、RS485等串口通信方式控制路口交通信号灯的灯色显示，也能够通过无线通信方式控制路口交通灯的灯色显示；

(2)可变信息输出板：在可变信息输出板中嵌入网口组件、无线通信组件、RFID组件，使可变信息输出板既可以通过光纤，也可以通过无线通信传输的方式，将交通诱导信息传送到交通诱导屏中，引导驾驶员走最佳行驶路线；同时，通过RFID组件，将区域内的诱导路径下发给经过该路口的车辆(车辆配有车载导航装置)。

5)外部接口模块：外部接口模块也称人工干预模块，分为现场人口干预和远程人工干预。现场人工干预可以通过外部接口模块的各个触动按钮和微型键盘，对路口的交通信号配时方案和交通诱导屏的信息显示内容进行调节，也可以通过外部接口模块的网口或串口，与便携式计算机或手持终端连接，通过安装在便携式计算机或手持终端的客户端管理软件，直接更改或调整交通信号控制方案、交通诱导方案、交通监控方案等，也可以提取数据处理与存储模块中存储的各类交通信息。远程人工干预主要通过外部接口模块中网口或无线通信组件，使得交通指挥中心可以通过光纤网络或无线通信网络，远程实现对主控优化模块中各种交通控制策略、交通诱导策略等优化方法的更新，也可以实现对交通控制参数、交通诱导参数的调整和实时监控。

本发明装置实现了路口不同交通设备，包括交通信号控制设备、交通诱导屏、电子警察、视频监控的集成控制和信息共享，立足于“瘦中心，胖控制器”，增强交通控制和管理系统的实时性、适应性、可靠性，提高系统资源的利用率和集约化程度，使交通信号控制器具有较强的实时控制、协调能力，以适应智能交通系统发展的要求。

附图说明

图1为智能化交通信号控制器系统组成图；

图2为信号输入模块的结构组成图；

图3为数字信号检测板的结构图；

图4为信号输入模块中不同检测设备的继承关系图；

图5为设备属性封装图；

图6为数据转换协议的通用格式图；

图7为数据质量检测流程图；

图8为数据融合预测过程图。

具体实施方式

本发明所述的智能化、集成化交通信号控制器由信号输入模块1、数据处理与存储模块2、主控优化模块3、信号输出模块4、外部接口模块5组成，其中信号输入模块1与数据处理与存储模块2相互连接，信号输入模块1还连接主控优化模块3，数据处理与存储模块2与主控优化模块3相互连接，数据处理与存储模块2与主控优化模块3分别连接信号输出模块4，主控优化模块3与外部接口模块5相互连接。

其工作的具体流程为：

1)在信号输入模块中构建不同检测设备之间的继承关系，并基于类继承的思想对不同设备的属性和方法进行封装，具体实施流程如下：

(1)首先，构件三级递阶和继承关系的设备类属性，对不同层次的设备进行属性、函数、功能进行封装，在信号模块中，构建SignalInputModule根设备类，封装了信号输入模块的基本属性、设置与提取函数、模块中心功能等，分别构建DigitSignalDevice、ImageSignalDevice、CCTVMonitorDevice、ElectronicPolicerDevice等二级设备类，分别封装数字信号检测板、视频信号检测板、视频监控检测板、电子警察检测板等继承设备的属性、功能函数、特性函数等。在第三层结构中，对连接设备的属性、交通参数统计与分析函数进行封装。

(2)为了实现信号输入模块与其他模块之间以及信号输入模块不同检测板、不同设备之间信息的互操作、互交换，定义了信息传输的接口规范和传递格式，即各数据采集设备将数据发送给数据处理与储存模块之前，都要经过一个协议转换，将发送来的符合不同数据传送协议的数据转换成符合统一协议的数据传送给数据处理与储存模块，再由数据处理与储存模块对这些数据进行统一的处理。这个协议采用XML语言进行定义，转换协议中包括对设备基本属性信息、数据的操作、数据的记录、交通参数进行定义。

本发明通过上述过程对交通信号控制器中信号输入模块各设备属性的定义、封装、继承，并对各设备之间的数据传输进行了接口规范，实现了对不同的交通检测装置(环形线圈车辆检测器、微波车辆检测器、红外车辆检测器、雷达测速检测器等)、视频检测与监控装置的集成控制和互操作，是本发明的一个创新点。

2)数据处理与存储模块接收到信号输入模块输送过来的交通数据后，

(1)首先对数据质量进行检测，并采用有序样本聚类对异常数据进行界定，具体过程为：

将有序样本X₁，X₂，X₃，…，X_n分割成K段，称为对该有序样品的K分割，表示为S_n(k|α₁，α₂，…α_k-1)。

第一段包含的样品为

其平均值为： $X(1,{\mathrm{\α}}_1)=\underset{i=1}{\overset{{\mathrm{\α}}_1}{\mathrm{\Σ}}}\frac{X_i}{{\mathrm{\α}}_1}$

第二段为

其平均值为： $X({\mathrm{\α}}_1+1,{\mathrm{\α}}_2)=\underset{i={\mathrm{\α}}_1+1}{\overset{{\mathrm{\α}}_2}{\mathrm{\Σ}}}\frac{X_i}{{\mathrm{\α}}_2-{\mathrm{\α}}_1}$

第k段为其平均值： $X({\mathrm{\α}}_{k-1}+1,n)=\underset{i={\mathrm{\α}}_{k-1}+1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\frac{X_i}{n-{\mathrm{\α}}_{k-1}}$

如果X(i，j)为样本X_i，x_i+1，…X_j的平均值，V(i，j)为样品对X(i，j)的离差平方和(称为变差)，则有：

$X(i,j)=\underset{c=i}{\overset{j}{\mathrm{\Σ}}}{X}_c/(j-i+1)$

$V(i,j)=\underset{c=i}{\overset{j}{\mathrm{\Σ}}}{[X_c-X(i,j)]}^2$

设样本序列有n个因子，进行k分割，那么分割方法有多种，总数为

在所有的k分割中，使总变差达到最小的分割称为最优k分割。其中，总变差为：

V_总＝V(1，a₁)+V(a₁+1，a₂)+…+V(a_k-1+1，n)

经过有序样本聚类后，交通检测参数曲线分别被分成若干个类，类与类之间的分界点恰恰是可疑点或不正确点的所在位置。

进一步对可疑点或不正确点根据阈值范围和偏差程度进行判断，将其分为检测器故障数据、数据传输故障数据、交通事件产生的异常数据，并分别对不同的数据进行修复：

对于检测器故障数据，采用动态二次平滑法对数据进行处理，具体公式为：

$\left\{\begin{array}{c}{S}_t^{\left(1\right)}={\mathrm{\ψ}}_t{Y}_t+(1-{\mathrm{\ψ}}_t)S_{t-1}^{\left(1\right)}\\ S_t^{\left(2\right)}={\mathrm{\ψ}}_t{S}_t^{\left(1\right)}+(1-{\mathrm{\ψ}}_t)S_{t-1}^{\left(2\right)}\\ {\tilde{Y}}_{t+T}={\mathrm{\α}}_t+{\mathrm{\β}}_{t}T\end{array}\right.$

其中，

t为周期数，T周期时长，

预测值，α_t，β_t为截距。

对于数据传输故障的数据，采用指数平滑法对数据进行处理，具体公式为：

$\begin{array}{cc}H{Q}_i\left(k\right)=\mathrm{\α}\·Q_i^h\left(k\right)+(1-\mathrm{\α})\·Q_i\left(k\right)& \∀i\end{array}$

式中

为i检测器在前一天第k时段的交通参数历史趋势值。0≤α≤1为加权系数，由最小二乘法优化确定。Q_i(k)为实测值。

对交通事件产生的异常数据，由于是实际交通情况的真实反映，因此不对数据进行调整，但要最是否溢出判断，如果是则发出预警信息。

(2)在数据质量检测的基础上，对不同检测装置检测到的不同进口方向路段、路口的交通参数进行融合，并预测未来时段(5min或15min)路口、路段的交通流运行情况(流量、速度、密度等)。

第一层为输入层，该层的节点数为9，负责将信号输入模块中各种检测设备检测到的交通参数传送到下一层；

第二层为模糊化过程，每个节点代表一个语言变量，负责学习、优化各变量隶属函数的形状，计算各输入分量属于各语言变量值得隶属度；隶属度函数采用钟形函数：

$\mathrm{\μ}=\frac{1}{1+{\left[{\left(\frac{x-c}{a}\right)}^2\right]}^b}$

第三层t-范数模糊操作，匹配模糊规则的前件，计算每一条规则的适用度；

$f_k=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Π}}}{u}_{\mathrm{ij}}\left(x_i\right)$

第四层隐含层，计算各条规则的归一化可信度

${\mathrm{\ψ}}_k=f_k/\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{f}_k,$ k＝1，2，…，n

第五层s-范数模糊操作，后件网络的第一层，负责提供模糊规则的后件中的常数项；

第六层计算每条规则的后件

第七层去模糊化过程，分别提取融合后得交通参数数值以及基于融合数据进行预测的预测交通参数数值。

(3)在获得交通参数融合值和预测值的基础上，基于多目标函数对路口的当前交通状态进行判别：

Status＝δ(α₁x₁+α₁x₂+…+α_nx_n)+(1-δ)(β₁y₁+β₁y₂+…+β_ny_n)

x为融合得出的交通参数，y为预测所得的交通参数，α，β为不同交通参数在交通状态表征中的重要程度，δ为当前值和预测值在交通状态表征中的权重。

事先将交通状态分为七个等级：非常畅通、畅通状态、轻微拥挤、一般拥挤、严重拥挤、拥堵状态、严重拥堵，其阈值门限分别为μ₁，μ₂，μ₃，μ₄，μ₅，μ₆，根据Status所处的区间范围，来确定路口当前交通状态。

(4)最后，将经数据质量检测后的原始交通参数数据、融合与预测后的交通参数数据、交通状态判别结果等交通数据分别存储到交通信号控制器中的小型关系型数据库中。

3)主控优化模块根据软件工程学的对象池设计模式，构建对象、使用者、对象池的对象池设计模式，采用高效线程池并发式服务方式，构建配时优化线程(SignalOptThread)、公交车辆优先线程(TSPThread)、应急车辆有限线程(EVPThread)、交通诱导策略优化线程(VMSOptThread)、交通监控线程(TrafficMonitorThread)、路口群主从线程(TrafficControlThread)，当交通信号控制器启动时，系统启动主线程，同时创建一定数量的线程以备用。主线程同时负责线程的互斥、死锁、泄露等问题。

当配时优化控制组件、公交车辆优先控制组件、应急车辆优先控制组件、交通诱导策略优化组件、交通监控管理组件、路口群主从控制组件等组建根据运行触发机制需要运行各自功能时，主线程为各个组件创建各自的线程。其中，配时优化控制组件、公交车辆优先控制组件、应急车辆优先控制组件分别负责交通信号的配时参数的优化、公交车辆优先信号的优化和实施、应急车辆优先信号的优化和实施，其实施具体流程与专利号ZL 200810050342.9(本发明人的发明专利)的实施过程相似，其区别在于本发明基于嵌入式的方法，利用硬件驱动方式进行信号配时参数优化和实施，而专利号ZL 200810050342.9基于上位机的应用软件进行优化，并通过通信网络下发给交通信号控制器执行。本发明的优势在于降低通信网络流量和网络通信所产生的延时和不可靠性，大大提升系统的性能。

交通诱导策略优化组件的具体实施流程为：从小型关系型数据库中获取当前的路口、路段的交通流运行参数，历史时刻的路口、路段的交通流运行参数，同时从交通指挥中心数据库获取相邻路口的交通流运行参数，并以图形方式显示VMS影响范围内的路网交通状态(用红、黄、绿分别表示拥挤、轻微拥挤、畅通)。同时根据可变信息板影响范围内的各路口及路段的交通流运行状态，根据最优流量分布函数

获取路径k的行程时间；

$d_k^{\mathrm{rs}}\left(n\right):=\frac{\∂J}{\∂f_k^{\mathrm{rs}}};$ $\frac{\∂J}{\∂f_k^{\mathrm{rs}}}=\underset{a\∈A}{\mathrm{\Σ}}{t}_a\left(n\right){\mathrm{\δ}}_{k,a}^{\mathrm{rs}}$

$d_{{\stackrel{\‾}{k}}_{\mathrm{rs}}}^{\mathrm{rs}}\left(n\right):=\frac{\∂J}{\∂f_{{\stackrel{\‾}{k}}_{\mathrm{rs}}}^{\mathrm{rs}}};$ $\frac{\∂J}{\∂f_{{\stackrel{\‾}{k}}_{\mathrm{rs}}}^{\mathrm{rs}}}=\underset{a\∈A}{\mathrm{\Σ}}{t}_a\left(n\right){\mathrm{\δ}}_{{\stackrel{\‾}{k}}_{\mathrm{rs}},a}^{\mathrm{rs}}$

$s_k^{\mathrm{rs}}\left(n\right):=\frac{{\∂}^{2}J}{{\left({\∂f}_k^{\mathrm{rs}}\right)}^2};$ $\frac{{\∂}^{2}J}{{(\∂f_k^{\mathrm{rs}})}^2}=\underset{a\∈A}{\mathrm{\Σ}}{t}_a^{\′}\left(n\right){({\mathrm{\δ}}_{k,a}^{\mathrm{rs}}-{\mathrm{\δ}}_{{\stackrel{\‾}{k}}_{\mathrm{rs}},a}^{\mathrm{rs}})}^2$

依据路段当前的行程时间

与按最优流量分布可能节省的时间，在VMS显示板上以图形方式为驾驶员提供出行路径建议，并在图形下发以文字形式显示选择行驶路线可能节省的时间。

交通监控管理组件的具体实施流程为：从小型关系型数据库中获取当前的路口、路段的交通流运行参数，历史时刻的路口、路段的交通流运行参数，通过与历史数据以及交通异常判断阈值进行对比，确定是否有交通异常地带(交通热点)存在，若存在交通异常地带，促动安装在路口的摄像头，通过调整焦距和方向，将摄像头聚焦到交通异常点。基于分型几何理论，对交通异常地带进行模式识别，确定交通异常的类型和规模，以及可能需要的现场指挥警力规模发送到交通指挥中心。

路口群主从控制组件的具体实施流程为：除了从当前路口的主交通信号控制器的小型关系型数据库中获取当前的路口、路段的交通流运行参数，还要从交通信号控制器中提取从路口的交通流运行参数，将主交通信号控制器作为区域协调控制器，对所管辖的路口进行交通信号配时参数的总体协调优化控制，其中配时优化过程由配时优化组件来完成，路口群主从控制组件主要负责对各个路口的相序协调、相位差的优化、控制策略的过渡、协调指令的下发等。

控制方案自学习组件的具体实施流程为：对于给定一组道路交通数据(包含动态、静态的道路交通信息)U以及U所描述的路口(节点、连线)定量、定性的状态的集合S。路口(节点、连线)的状态对应着不同的道路交通数据，即不同状态/趋势下对交通数据U的划分，定义为知识U/R，R∈S。对道路交通数据不同状态下的划分，定义为关于论域U的一个知识库或近似空间K＝(U，S)。因此，任一时刻给定任一组道路交通数据

必然存在一个描述路口(节点、连线)状态的等价关系R∈IND(K)。

一组道路交通数据X对路口(节点、连线)状态R的描述，存在下近似和上近似，分别表示为：

[x]_R：包含某交通参数数据x的路口(节点、连线)的某一个状态R，x∈U。

下近似R(X)表示判断路口(节点、连线)状态为R时，肯定属于交通参数组成的集合X；

上近似

表示判断路口(节点、连线)状态为R时，肯定或可能属于交通参数组成的集合X；

如果

交通数据集合X精确地表示路口(节点、连线)状态R，定义为集合X是关于论域U的相对于知识R的R-精确集或R-可定义集；

在此基础上，将知识表达系统描述为一个决策表：

T＝<U，R＝C∪D，V，f>

其中：

U：论域，U＝{x₁，x₂，…，x_n}表示非空有限集合；

R：属性集合，R＝C∪D，且

C：条件属性，C＝{a|a∈C}表示具体交通参数的属性集合；

D：决策属性，D＝{d|d∈D}表示状态的属性集合；

f：信息函数，f：U×R→V，指定U中每个对象x的属性值；

V：值域，

为属性值的集合，V_r表示属性r∈R的属性范围，即属性r的值域；

经过预先对数值的归一化处理、属性约简、属性值约简，在小型关系型数据库中构建基于知识的逻辑推理和学习规则，具体规则为：

是T中得决策规则集，它使得所有条件

都是互相排斥的，即对

1≤i≤n有：

则，存在：

1)如果

则公式

将被称做公式ψ的R下近似，记成R(ψ)；

2)如果

则公式将被称做公式ψ的R上近似，记成

3)如果

则公式将被称做公式ψ的R边界近似，记成BN_R(ψ)；

从而得到下面的规则：

R(ψ)→ψ

$\stackrel{\&OverBar;}{R}\left(\mathrm{\&psi;}\right)\&RightArrow;\mathrm{\&psi;}$

BN_R(ψ)→ψ

4)信号输出模块控制和执行主控优化模块传输过来的各种控制、诱导方案的下发和显示。

5)外部接口模块可以通过远程或路口现场对主控模块中的各种优化控制策略、信息输出模块的输出信息进行干预和调整。

Claims (5)

1.一种智能化、集成化交通信号控制器，其特征在于，它由信号输入模块、数据处理与存储模块、主控优化模块、信号输出模块、外部接口模块构成，信号输入模块与数据处理与存储模块相互连接，信号输入模块还连接主控优化模块，数据处理与存储模块与主控优化模块相互连接，数据处理与存储模块与主控优化模块分别连接信号输出模块，主控优化模块与外部接口模块相互连接，其中；

1)、信号输入模块由数字信号检测板、视频信号检测板、视频监控检测板、电子警察检测板组成，将路口不同检测装置检测到的不同数据类型、不同数据格式的交通数据提取为交通信号控制、交通诱导、交通监控、违章处罚所需的交通信息；

(1)数字信号检测板：在数字信号检测板中嵌入串口组件、网口组件、无线通信组件、GPS组件、RFID组件，使数字信号检测板能够接收路口环形线圈车辆检测器、微波车辆检测器、红外车辆检测器、雷达测速检测器、GPS浮动车、RFID标签车辆的不同检测装置、不同数据来源的交通数据，并通过接口交互组件将不同的交通数据转化成标准的、统一的数据格式，传输到数据存储模块；

(2)视频信号检测板：视频信号检测板基于ARM组件，对安装在路口不同方向的摄像机传送过来的视频信号进行实时的图像识别，提取摄像机覆盖范围内不同车道的交通流量、速度、时间占有率的交通信息，并将提取的交通信息传输到数据存储模块；

(3)视频监控检测板：视频监控检测板同样基于ARM组件，与视频信号检测板的区别在于，视频监控检测板接收到路口监控摄像机传送过来的视频信号，通过图像处理、模式识别等技术检测路口的热点区域，如行人聚集、交通事故、交通拥挤等，形成热点预警信息，并传送到该信息传输到数据存储模块，同时，调整路口监控摄像机，将镜头集中在热点区域；

(4)电子警察检测板：通过比对路口当前的交通信号灯状态、路段的限制速度，根据数字信号检测板、视频信号检测板提供的信息，电子警察检测板基于ARM组件对路口电子警察摄像机传送过来的视频信号进行图像处理，对违章车辆的车牌、颜色、尺寸进行图像识别，同时提取车辆行驶违章前、中、后连续三张行驶状态图像及其时间，作为违章处罚证据，并将车辆信息和违章信息传输到数据存储模块；

2)数据处理与存储模块包括数据质量检测组件、数据融合预测组件、路口路段交通状态判别组件、小型关系数据库组件、数据硬盘刻录组件组成，对信号输入模块传输过来的交通数据的可靠性、准确性进行判别，并对其进行相应的平滑处理，同时对不同数据来源的交通数据进行融合，获取更加精确的交通参数信息，并结合数据存储模块中小型关系数据库中路口的历史交通信息，对未来时刻的交通参数进行预测和路口路段的交通状态进行判别，为主控优化模块进行交通信号控制、交通诱导、交通监控等提供决策支持，同时为提供数据储备为交通取证和交通研究，在数据存储模块中增加数据硬盘刻录，将路口不同的交通参数和交通状态实时存储在硬盘中，以便交通工程师定期提取；

(1)数据质量检测组件：数据质量检测组件对信号输入模块传送过来的各个数据源的数据进行状态分析和异常识别，对缺失数据进行替换、对故障数据进行修复、对突变数据进行平滑等数据处理，为数据的下一步处理提供稳健性和可靠性保障；

(2)数据融合预测组件：在路口，不同的交通检测装置安装位置不同、采集的交通参数的时间尺度、种类也不尽相同，检测到的交通流参数只能反映某一断面和地点的交通流状态，无法有效反映整个路段的道路交通流运行状态，因此，通过不同来源的交通参数进行融合，可以更加全面地描述整个路段的交通流运行状态，获取更加准确的交通参数，为下一步的处理提供准确的数据依据；

(3)路口路段交通状态判别组件：根据数据融合预测组件提供的当前路口、路段的交通流运行参数数据以及数据融合预测组件预测的未来时段内路口、路段可能出现的交通流运行状态参数数据，对路口和路口各进口道的交通状态进行判别，为交通控制、诱导策略的实施提供决策支持；

(4)小型关系数据库组件：小型关系型数据库组件的功能在于存储最近三个月内路口、路段的宏观、中观、微观交通参数数据，最近三个月的历史配时方案、历史诱导方案、历史违章信息，交通控制、交通诱导的模型库、知识库等，是整个智能化交通信号控制器的数据、信息中心；

(5)数据硬盘刻录组件：数据硬盘刻录组件对小型关系数据库组件的数据进行备份，同时存储由数据处理与存储模块中的视频监控检测板和电子警察监控检测板传输过来的视频图像信息，为交通违章处罚、刑事肇事逃逸等提供证据支持。同时数据硬盘刻录组件可以定期、定时向交通信息中心传输智能化交通信号控制器的数据，也可以由交通工程师现场进行数据提取、更换硬盘数据刻录存储介质；

3)主控优化模块由配时优化控制组件、公交车辆优先控制组件、应急车辆优先控制组件、交通诱导策略优化组件、交通监控管理组件、路口群主从控制组件、控制方案自学习组件组成，根据不同交通检测器上传的实时交通数据，结合数据处理与存储模块的历史交通信息和控制模型，根据当前路口的实际交通状态，提供最优的信号控制方案、交通诱导方案以及交通管理辅助决策；

(1)配时优化控制组件：配时优化控制组件除了具备传统的黄闪、定时、步进、手动等信号控制功能，以及传统的单点定时、多方案选择等控制模式之外，还包括根据路口、路段当前的交通流运行信息，优化生成与交通流状态相适应的自适应配时优化控制方案，具有自适应方案选择式和方案生成式的配时优化功能；

(2)公交车辆优先控制组件：公交车辆优先控制组件的功能在于根据路口各进口方向当前的交通流运行状态以及公交车辆的运行信息，通过对公交车辆的到达时间估计以及实施优先通行可能对整个路口交通流运行的影响分析，判断是否为公交车辆提供优先通行信号，在确定为公交车辆提供优先信号的情况下，公交车辆优先控制组件通过对路口交通流运行状态的实时模拟估计，为交通信号控制器提供最优的优先信号实施策略，并在公交车辆顺利通过路口后，为交通信号控制器提供最优的优先信号退出策略，以保证路口交通流的平稳运行和信号优先控制策略的智能过渡；

(3)应急车辆优先控制组件：应急车辆优先控制组件的功能在于预先监测应急车辆的到达，提前对路口的交通信号配时方案进行优化、调整，在应急车辆到达路口之前，清除应急车辆进口方向上余留的其他社会车辆，确保应急车辆快速、安全通过路口的同时，保证路口交通信号控制的控制效益，当应急车辆顺利通过路口后，为交通信号控制器提供最优的优先信号退出策略，保证信号控制策略的平稳过渡；

(4)交通诱导策略优化组件：交通诱导策略优化组件的功能在于根据当前路口及相邻路口的交通流运行状态，在交通诱导屏上动态显示交通诱导屏影响区域的交通状态，为驾驶员提供出行建议信息，引导驾驶员走最佳行驶路径；

(5)交通监控管理组件：交通诱导策略优化组件的功能在于通过对视频监控检测板检测到的视频图像信息进行进一步分析、处理，基于分形理论、模式识别，实时监测路口及各进口方向的交通状态，并将监控摄像头自动聚焦到异常状态区域，并向交通信息中心提供预警、状态可能持续时间、形成原因估计、现场执勤指挥需求等，为交通指挥中心派遣执行民警提供决策支持；

(6)路口群主从控制组件：当路口与周边路口群的交通流运行特性具有较大的相似性和耦合性时，以某一路口的交通信号控制器为主控节点，其他路口为从节点，形成路口群协调控制子区，由主控节点对路口群进行统一协调控制；在城市主干线上，以主干线上关键路口的交通信号控制器为主控节点，干线上其他路口的为从节点，根据干线交通流的实时变化，对干线上的单向绿波、双向绿波、双向非对称可变绿波等进行自适应调节和优化；

(7)控制方案自学习组件将路口当前的交通流运行参数、交通控制方案、交通诱导方案、交通监控管理方案等，利用知识表达系统构建生成知识子集，添加到小型关系数据库组件的专家知识库系统中，并通过对专家知识库系统中相似交通流运行特性的检索，对比分析当前方案和知识库中方案，选择最优的控制方案，指导配时优化控制组件、公交车辆优先控制组件、应急车辆优先控制组件、交通诱导策略优化组件、交通监控管理组件、路口群主从控制组件等各种交通管控方案的优化；

4)信号输出模块由交通信号灯输出板、可变信息输出板组成，对主控优化模块发送过来的控制、诱导信息进行有效性、完整性进行检测的基础上，执行主控优化模块的优化方案，为出行者提供服务；

(1)交通信号灯输出板：在交通信号灯输出板中嵌入串口组建和无线通信组件，使得交通信号灯输出板能够通过RS232、RS485等串口通信方式控制路口交通信号灯的灯色显示，也能够通过无线通信方式控制路口交通灯的灯色显示；

(2)可变信息输出板：在可变信息输出板中嵌入网口组件、无线通信组件、RFID组件，使可变信息输出板既可以通过光纤，也可以通过无线通信传输的方式，将交通诱导信息传送到交通诱导屏中，引导驾驶员走最佳行驶路线；同时，通过RFID组件，将区域内的诱导路径下发给经过该路口的车辆；

5)外部接口模块：分为现场人口干预和远程人工干预，现场人工干预可以通过外部接口模块的各个触动按钮和微型键盘，对路口的交通信号配时方案和交通诱导屏的信息显示内容进行调节，也可以通过外部接口模块的网口或串口，与便携式计算机或手持终端连接，通过安装在便携式计算机或手持终端的客户端管理软件，直接更改或调整交通信号控制方案、交通诱导方案、交通监控方案等，也可以提取数据处理与存储模块中存储的各类交通信息，远程人工干预主要通过外部接口模块中网口或无线通信组件，使得交通指挥中心可以通过光纤网络或无线通信网络，远程实现对主控优化模块中各种交通控制策略、交通诱导策略等优化方法的更新，也可以实现对交通控制参数、交通诱导参数的调整和实时监控。

2.根据权利要求1所述的交通信号控制器，其工作的具体流程是

1)在信号输入模块中构建不同检测设备之间的继承关系，并基于类继承的思想对不同设备的属性和方法进行封装：

(1)首先，构件三级递阶和继承关系的设备类属性；

(2)定义了信息传输的接口规范和传递格式，即各数据采集设备将数据发送给数据处理与储存模块之前，都要经过一个协议转换，将发送来的符合不同数据传送协议的数据转换成符合统一协议的数据传送给数据处理与储存模块，再由数据处理与储存模块对这些数据进行统一的处理，这个协议采用XML语言进行定义，转换协议中包括对设备基本属性信息、数据的操作、数据的记录、交通参数进行定义；

2)数据处理与存储模块接收到信号输入模块输送过来的交通数据后，

(1)首先对数据质量进行检测，经过有序样本聚类后，交通检测参数曲线分别被分成若干个类，类与类之间的分界点恰恰是可疑点或不正确点的所在位置；

进一步对可疑点或不正确点根据阈值范围和偏差程度进行判断，将其分为检测器故障数据、数据传输故障数据、交通事件产生的异常数据，并分别对不同的数据进行修复；

对于检测器故障数据，采用动态二次平滑法对数据进行处理；

对于数据传输故障的数据，采用指数平滑法对数据进行处理；

(2)在数据质量检测的基础上，对不同检测装置检测到的不同进口方向路段、路口的交通参数进行融合，并预测未来时段路口、路段的交通流运行情况；

(3)在获得交通参数融合值和预测值的基础上，基于多目标函数对路口的当前交通状态进行判别；

(4)将经数据质量检测后的原始交通参数数据、融合与预测后的交通参数数据、交通状态判别结果等交通数据分别存储到交通信号控制器中的小型关系型数据库中；

3)主控优化模块根据软件工程学的对象池设计模式，构建对象、使用者、对象池的对象池设计模式，采用高效线程池并发式服务方式，构建配时优化线程、公交车辆优先线程、应急车辆有限线程、交通诱导策略优化线程、交通监控线程、路口群主从线程。

3.根据权利要求1所述的信号控制器，其特征在于：交通诱导策略优化组件的具体实施流程是从小型关系型数据库中获取当前的路口、路段的交通流运行参数，历史时刻的路口、路段的交通流运行参数，同时从交通指挥中心数据库获取相邻路口的交通流运行参数，并以图形方式显示VMS影响范围内的路网交通状态，同时根据可变信息板影响范围内的各路口及路段的交通流运行状态。

4.根据权利要求1所述的信号控制器，其特征在于：交通监控管理组件的具体实施流程是从小型关系型数据库中获取当前的路口、路段的交通流运行参数，历史时刻的路口、路段的交通流运行参数，通过与历史数据以及交通异常判断阈值进行对比，确定是否有交通异常地带存在，若存在交通异常地带，促动安装在路口的摄像头，通过调整焦距和方向，将摄像头聚焦到交通异常点，对交通异常地带进行模式识别，确定交通异常的类型和规模，以及可能需要的现场指挥警力规模发送到交通指挥中心。

5.根据权利要求1所述的信号控制器，其特征在于：路口群主从控制组件的具体实施流程是除了从当前路口的主交通信号控制器的小型关系型数据库中获取当前的路口、路段的交通流运行参数，还要从交通信号控制器中提取从路口的交通流运行参数，将主交通信号控制器作为区域协调控制器，对所管辖的路口进行交通信号配时参数的总体协调优化控制，其中配时优化过程由配时优化组件来完成，路口群主从控制组件主要负责对各个路口的相序协调、相位差的优化、控制策略的过渡、协调指令的下发。

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