CN102426792A - 交通灯控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于智能交通领域，具体涉及一种交通灯控制方法，根据实际车流量信息实时动态控制交通灯。本方法包括：设计交通相位集、布设信息采集节点和信息汇聚节点的方法、节点休眠唤醒策略和交通灯控制策略四个部分。针对传统的定时交通灯控制方案无法最大化利用道路的缺点，本发明根据实际车流量的信息，实时控制交通信号灯变化，减少车辆等待时间，有效缓解交通拥堵。本发明还设计了能量节省机制，节省信息采集结点、汇聚节点以及交通灯控制器的耗能。本发明可以应用在任何交通路口，安装使用方便可靠。

Description

交通灯控制方法

原申请发明专利名称：车流量检测系统及交通灯控制方法 

原申请号：201010208426.8 

原申请日：2010年6月24日 

技术领域

本发明涉及一种交通灯控制方法，具体而言是利用车流量信息动态控制交通灯的方法。 

背景技术

经济高速增长造成各城市汽车拥有量的增长远远超过了我国城市交通道路建设速度，从而引发城市交通拥堵加剧、交通事故上升、环境污染加重等一系列问题。目前，传统的定时交通灯控制方法根本无法应对城市交通中巨大且复杂的随机情况，主要原因如下： 

(1)缺乏充足的车流量信息 

车流量的检测是实现交通灯动态控制的基础，传统的车流量检测方法主要包括地磁线圈、视频传感器、超声和红外传感器等。地磁线圈埋设于路面下以检测过往车辆，存在很多缺点，如线圈体积庞大、线圈的铺设会对路面造成严重破坏、线圈寿命短、维护成本高、安装和维护均会影响交通正常运行等，因此通常在修路时提前安装于关键路口，无法大面积推广使用；视频摄像头能获得较高精度，但系统成本很高、受环境光线等因素影响大、稳定性差等；而超声和红外传感器需要部署于道路上方，影响城市美观，而且功耗较大，适用于车速比较稳定情况，检测精度较低。 

(2)局限于传统的信号配时方案 

目前常见的交通灯控制主要有固定时间以及预定义时间两种控制方法，固定时间的交通灯控制方法采用周期固定的时延控制交通灯，而预定义时间控制是根据事先的调查或实时自动检测，在了解变化规律和实时状态的基础上选择不同时段不同交通灯时延的控制方法，虽然比固定时间的控制方法有所改进，但是交通系统是一个随机性很大的非线性系统，任何时刻都可能出现车流量大的车道绿灯时间短，而车流量小的车道绿灯时间长的情况，即“多等少”、“有等无”现象。 

而现有技术中，采用车流量控制交通灯的方法主要是在关键路口进行检测，但由于上述诸多问题无法大面积推广使用。 

发明内容

本发明的目的是提供一种利用n/2个信息采集节点检测车流量以及一个汇聚节点根据检测到的车流量动态地控制交通灯的无线网络系统，其中n为交叉口道路的车道总数(一般为偶数)。本发明的最终目的是提高交叉口道路的通行效率和减少各方向车辆的平均等待时间。 

本发明解决三个关键问题：一是解决传统道路车流量检测存在的线圈体积庞大、成本高、铺设或维护对路面破坏严重、线圈寿命短、系统稳定性差、无法推广使用的问题；二是解决传统的定时交通灯控制方案中无法最大化地利用道路的缺点；三是解决本无线网络系统中信息采集节点的能量供给问题。 

本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下： 

一种车流量检测系统与交通灯控制方法，包括以下步骤： 

1)该系统包含多个信息采集节点和一个汇聚节点，信息采集节点包括AMR传感器、信号处理单元、单片机模块、射频模块、电源模块以及保护罩等组成，而汇聚节点包括单片机以及射频模块。 

2)设计交通相位集：所述交叉口有东(E)、南(S)、西(W)、北(N)四个方向，可将交叉口方向表示为η∈{E，S，W，N}；由于我国向右行驶时不受限制，可以将一个周期的交通灯的序列分为红灯(R)、黄灯(Y)、前行绿灯(F)、左转绿灯(L)，表示为θ∈{R，Y，F，L}；将一个交通灯周期内车辆行驶方向分为四个相位，分别是东至西，西至东(A)；西至北，东至南(B)；南至北，北至南(C)，北至东，南至西(D)，表示为ε∈{A，B，C，D}。 

3)布设无线网络中的信息采集节点和信息汇聚节点：将信息采集节点安置于交叉口车辆通行的各车道中间，包括东、南、西、北四个方向，每个方向的采集节点数目共n个，n为车道数，则第i个车道方向的第j个采集节点表示为 

i∈{E，S，W，N}，1≤j≤N；而汇聚节点与交叉口交通灯控制器相连，汇聚节点将向各个采集节点发送开始采集命令(BS)和结束采集并发送车流量报告命令(ESR)命令，表示为β∈{BS，ESR}；并且汇聚节点在不同的相位使不同方向的信息采集节点开始工作或进入休眠状态，如表1。 

表1 

4)交通灯时间控制：交叉口某一相位车流量大小表示为χvehicles/min，在大量统计数据的基础上，采用模糊理论，将其划分为非常小(tiny)、较小(small)、适中(common)、较大(great)、非常大(trmendous)四种情况，表示为ξ∈{tiny，small，common，great，tremendous}；对应的后四种车流量大小的临界值依次为，χ_S，χ_C，χ_G，χ_T，且0＜χ_S＜χ_C＜χ_G＜χ_T。为这五种车流量配置不同的绿灯时延，表示为T_ξ(s)，且 

如表2。即某车道车流量大时得到的绿灯时延大，车流量小时得到的绿灯时延小--根据当前绿灯车道实际车流量大小实时控制交通灯的长短。同时黄灯时延为T_yellow、绿灯最小等待时间T_min。 

表2 

5)实时车流量采集： 

(5.1)初始化无线网络为星形或网状连接，信息采集节点休眠； 

(5.2)当某个信息采集节点收到来自汇聚节点的BS命令后，节点被唤醒，并开始采集车流量； 

(5.3)当某个信息采集节点收到来自汇聚节点的ESR命令后，停止车流量采集并向汇聚节点报告自己采集到的车流量，之后进入休眠。

6)交通灯实时控制： 

(6.1)初始化设置，所有信息采集节点处于休眠状态，交通灯控制次序为黄灯-相位A-相位B-相位C-相位D，规定A＝1，B＝2，C＝3，D＝4；并循环此序列。 

(6.2)交通灯为黄灯，当延时从T_yellow减少到1秒时，汇聚节点向信息采集节点  发送BS命令。接着交通灯进入相位ε₁，延时从T_min开始减少。 

(6.3)当绿灯时延减少到1秒时，汇聚节点向表1中相位ε_i中的工作节点发送ESR命令，计算收到的车流量平均值χ，根据表2，绿灯延时重置为T_ξ，ξ∈{O，T_small，T_common，T_great，T_tremendous}，向表1中对应相位的工作节点发送BS命令，同时延时开始减少，当绿灯时延减少到0秒时，汇聚节点向表1中相位ε_i中的工作节点发送ESR命令。此时令i＝i+1，当i≤4即从A相位依次执行至D相位时，汇聚节点向表1中相位ε_i中的工作节点发送BS命令，交通灯进入相位ε_i，绿灯延时从T_min开始递减，并转到(6.3)；若i＞4即完成一个周期循环时，则转到(6.2)进入下一个信号周期循环。 

附图说明

图1是本发明的无线网络信息采集节点和信息汇聚节点布局示意图。 

图2是本发明的信息采集节点安装示意图； 

图3是本发明的软件结构示意图； 

图4是本发明的电源供给电路； 

图5是本发明的二极管降压电路； 

图6是本发明中信息采集节点的硬件组装示意图； 

图7是本发明的车流量采集软件流程图； 

图8是本发明的车流量信息处理流程图。 

具体实施方式

参照图1，本发明所述节点布局是将所有信息采集节点安装于车辆通行的各车道中间，信息采集节点共计n/2个，其中n为交叉口车道总数；一个信息汇聚节点与交通灯控制器相连接，所有信息采集节点与汇聚节点组成无线网络，通过无线方式传输信息。本发明可以安装于双向任意车道，既可以是十字路口也可以是丁字形路口，采用相同原则安装，其中本图示意为十字路口双向三车道，共12个信息采集节点和一个汇聚节点。图中标号：1为信息采 集节点，2为汇聚节点。 

参照图2，本发明所述的安装方式：信息采集节点1既可以贴附于每条车道表面也可以浅埋于车道中，安装方式灵活。 

参照图3，每个信息采集节点1由AMR传感器11、信号处理电路12、单片机13、射频模块14、太阳能电池片15、太阳能转换电路16、锂电池17以及二极管降压电路18组成。所有信息采集节点在物理结构和软件算法上均完全相同。汇聚节点2由射频模块21以及单片机22组成，单片机适时控制交通灯。 

AMR传感器11实时采集车辆经过信息采集节点时地磁信号变化，其输出信号进入信号处理单元12。信号处理单元12主要包括滤波电路以及放大电路，信号处理单元的输出与单片机13相连。单片机13负责车流量算法的具体实现，并将车流量计算结果输出到射频模块14，射频模块14再将车流量信息通过无线方式发送至汇聚节点2上，汇聚节点2通过其射频模块14接收来自各个信息采集节点的车流量信息。 

滤波电路对传感器输出信号进行噪声滤波处理，消除环境带来的干扰；放大电路对滤波后的信号进行充分的放大。 

无线网络由于在战场环境监视、家庭安全及智能控制等领域有着广泛的应用前景，越来越多的受到研究人员的重视。但是，节点的能量成为无线网络发挥效能的瓶颈。本发明所述的能量管理方案从环境中挖掘能量，使节点具有能量补充的能力，避免节点能量的单向递减过程，从根本上解决了节点能量的供给问题，同时本发明中信息采集节点还采用了睡眠唤醒工作方式进一步降低节点消耗节约能量。 

参照图4，本发明所述信息采集节点电源供给方案为：太阳能电池片15通过能量转化电路16将太阳能电池片收集到的太阳能转化为电能存储于1号锂电池17中，其中能量转换电路16包括智能充电芯片CN3063以及其外围电路，CN3063是可以用太阳能电池供电的单节锂电池充电管理芯片。该器件内部包括功率晶体管，应用时不需要外部的电流检测电阻和阻流二极管。内部的8位模拟-数字转换电路，能够根据输入电压源的电流输出能力自动调整充电电流，可最大限度地利用输入电压源的电流输出能力。热调制电路可以在器件的功耗比较大或者环境温度比较高的时候将芯片温度控制在安全范围内。内部固定的恒压充电电压为4.2V，也可以通过一个外部电阻进行调节。充电电流通过一个外部电阻设置。当输入电压掉电时，CN3063自动进入低功耗的睡眠模式，此时电池的电流消耗小于3uA。其它功能包括输入电压过低锁存，自动再充电，电池温度监控以及充电状态/充电结束状态指示等功能。选用的锂电池容量为1300mA电压为3.7V。 

由于模块及AMR传感器的工作电压为3-3.3V，而锂电池的供电电压为3.7-4.2V。所以需要降压才能为节点供电，参照图5，本专利采用经济简单的二极管降压方案。锂电池17的输出与三个1N4007二极管19相级联，级联后的输出电压作为供给信息采集节点的电源电压。 

本发明专利所述的电源管理方案为：一般情况下，太阳能电池片15保持接收太阳能，通过能量转换电路16向锂电池17充电，同时锂电池17向信息采集节点供电，交通信号灯采用本发明专利所述的实时控制方案。若遇锂电池电量不足、信号无法接收或极端恶劣天气，为保证交叉口道路的顺畅运行，交通灯则自动采用定时控制策略。 

参照图6，本发明所述的信息采集节点由以下部分组成：保护罩3与底板4相连，太阳能电池片15粘贴于保护罩3的5个内表面，电路板6通过4个紧固件5与底板4相连，锂电池17安装于电路板6上。本发明所述的保护罩为能承受车辆重量的透明保护罩。本发明所述的节点外观可以是本示意图所示形状也可以是半球体等其他形状。 

参照图7，本发明所述的车流量采集软件流程如下： 

1)在步骤701，传感器节点初始化； 

2)在步骤702，各传感器节点与汇聚节点组建无线网络，分配传感器节点ID号； 

3)在步骤703，信息采集节点等待加入网络；在步骤704，如果信息采集节点加入网络失败，则本发明返回到步骤703，如果加入网络成功，则前进到步骤705；在步骤705信息采集节点休眠；在步骤706，等待来自汇聚节点的BS命令； 

4)在步骤707，等待BS命令到达，如果BS命令没有达到，则本发明返回步骤705；如果命令到达，则前进到步骤708；在步骤708，信息采集节点被唤醒；在步骤709，信息采集节点开始实时采集车流量，并对传感器采集到的信号进行车流量算法处理； 

5)在步骤710，等待来自汇聚节点的ESR命令，如果ESR命令没有到达，则本发明返回到步骤709，如果命令到达，则前进到步骤711；在步骤711，发送采集到的车流量至汇聚节点，并返回到步骤705。 

参照图8，在所述步骤4)中，所述的车流量算法还包括下列步骤： 

在步骤801，车流量算法开始； 

在步骤802，等待初始化所述车流量算法阈值完成，如果没有完成则返回到步骤802，如果初始化阈值完成则前进到步骤803；在所述步骤802中具体还包括以下步骤： 

首先采用公式(1)对传感器采集到的信号进行平均值滤波处理； 

$f\left(k\right)=\left\{\begin{array}{cc}\frac{r\left(k\right)+r(k-1)+\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;r\left(1\right)}{k}& k<M\\ \frac{r\left(k\right)+r(k-1)+\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;r(k-M+1)}{M}& k\&GreaterEqual;M\end{array}\right.---\left(1\right)$

r(k)是传感器采集到的原始信号； 

M是预定义的平均值滤波窗口长度； 

f(k)是经过平均值滤波后的输出信号。 

由公式(1)得到的平均值滤波后的信号不断更新算法的阈值t(k)，阈值更新公式为： 

M_d为更新延迟； 

T_offset为阈值基值； 

α为有车状态参数，其中α＜1； 

β为无车状态参数，其中β＞1； 

在步骤803，等待阈值更新完成； 

所述车流量算法还包括以下步骤： 

在步骤804，初始化车流量算法参数，所述参数包括复位过阈值计数器OT、低于阈值计数器BT、车辆离开计数器COUNT、定时器；分别设置OT阈值N1、BT阈值N2、COUNT阈值N3为具体数值； 

在步骤805，比较采样值与阈值的大小关系，当采样值大于阈值时，前进到步骤806，当有采样值小于阈值时，则前进到步骤808；在步骤806，OT计数器加1，BT计数器置零，前进到步骤807，在步骤807，判断计数器OT值是否等于N1，如果计数器OT值不等于N1，则本发明返回到步骤805，否则前进到步骤811；在步骤808中，计数器BT加1，前进到步骤809，在步骤809中判断BT是否等于N2，如果等于则前进到步骤810，否则本发明返回到步骤805。 

在步骤811，定时器计时开始，在步骤812中，判断采样值是否小于阈值，如果是小于阈值则前进到步骤813，否则本发明返回到步骤812，在步骤813，COUNT计数器加1，在步骤814，判断COUNT计数器是够等于N3，如果等于N3，则信息采集节点检测到1辆车， 车辆数加1，本发明返回到步骤804，如果不等于N3，则前进到步骤815，在步骤815，判断定时器中的时间是否到达T秒，如果到达则返回到步骤802，否则返回到步骤812。 

本发明所述的AMR是Anisotropic Magneto Resistive的缩写，中文全称“各向异性磁阻”。 

Claims (7)

1.一种交通灯控制方法，包括：

设计交通相位集；

布设信息采集节点和信息汇聚节点的方法；

节点休眠唤醒策略；

交通灯控制策略。

2.根据权利要求1所述交通灯控制方法，其中所述设计交通相位集的特征在于：

交叉口有东(E)、南(S)、西(W)、北(N)四个方向；由于我国向右行驶时不受限制，可以将一个周期的交通灯序列分为红灯(R)、黄灯(Y)、前行绿灯(F)、左转绿灯(L)，表示为θ∈{R，Y，F，L}；将一个交通灯周期内车辆行驶方向分为四个相位，分别是东至西，西至东(A)；西至北，东至南(B)；南至北，北至南(C)，北至东，南至西(D)。

3.根据权利要求1所述交通灯控制方法，其中布设信息采集节点和汇聚节点方法的特征在于：

将信息采集节点安置于交叉口车辆通行的各车道中间，包括东、南、西、北四个方向，每个方向的信息采集节点数目共n个，n为车道数，则第i个车道方向的第j个信息采集节点表示为

i∈{E，S，W，N}，1≤j≤n；而汇聚节点与交叉口交通灯控制器相连。

4.根据权利要求1所述交通灯控制方法，其中所述休眠唤醒策略的特征在于：

所述汇聚节点利用休眠唤醒策略向各个所述采集节点发送BS命令及ESR命令；使不同方向的所述信息采集节点开始工作或进入休眠状态；

所述休眠唤醒策略包括：

当交通灯相位处于所述相位A或D时，所述汇聚节点向东、西方向所述信息采集节点发送所述BS命令，唤醒东、西方向所述信息采集节点并使其开始工作；同时向南、北方向所述信息采集节点发送ESR命令，使南、北方向所述信息采集节点处于休眠状态；

当交通灯相位处于所述相位B或C时，所述汇聚节点向南、北方向所述信息采集节点发送BS命令，唤醒南、北方向所述信息采集节点并使其开始工作；同时向东、西方向所述信息采集节点发送ESR命令，使东、西方向所述信息采集节点处于休眠状态。

5.根据权利要求1所述交通灯控制方法，其中交通灯控制策略的特征在于：

在大量统计数据的基础上，采用模糊控制理论，将交通流量划分为若干种情况，每种情况对应不同的车流量大小，并对各种情况配置不同的绿灯时延；其中车流量越大的情况所配置的绿灯时延越多，车流量越小的情况配置的绿灯时延小越少，达到以实际车流量大小实时地控制交通灯的长短目的。

6.根据权利要求1所述交通灯控制方法，其特征还包括：

当所述信息采集节点遇到无阳光或其他恶劣天气时，可能会造成所述信息采集节点电池供电不足的情况，此时应休眠所述信息采集节点或向所述信息汇聚节点发送电量不足信号；所述汇聚节点如果收到所述信息采集节点发送的电量不足信号或当无线网络无法正常通信时，为保证交叉口道路的顺畅运行，交通灯则自动采用定时控制策略。

7.根据权利要求1所述交通灯控制方法，其特征还在于：

当系统运行在夜间车流量非常少的情况时，例如24:00-06:00，所述信息采集节点可以进入休眠状态，同时交通灯控制方法可以采用传统定时方法控制，以节省系统能量。

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