CN104376726B - 交通信号协同控制子区划分方法及装置 - Google Patents

交通信号协同控制子区划分方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明提出交通信号协同控制子区划分方法及装置。方法包括：计算待考察区域内各交叉口在各时间点的延误时间；根据各交叉口在各时间点的延误时间，计算两两交叉口的延误时间向量之间的互相关系数；根据两两交叉口的延误时间向量之间的互相关系数，将所有交叉口划分为一个或多个协同控制子区。本发明提高了交通信号协同控制子区划分的准确度。

Description

交通信号协同控制子区划分方法及装置
技术领域
本发明涉及信号控制技术领域，尤其涉及交通信号协同控制子区划分方法及装置。
背景技术
当前信号控制系统采用的各类信号控制策略还远远不能驾驭复杂的城市交通系统，满足城市交通管理的需要，尤其对于北京这类特大型城市，交通拥堵问题已经成为制约城市进一步发展的瓶颈。
现有的信号控制系统仅仅实现了对于信号控制子区的静态划分或半自动划分，信号控制子区的划分方案一般事先由交通工程师根据经验来确定，无法依据实时交通流状况自动确定信号控制子区的范围，造成信号控制子区的划分方案无法适应实时交通流的快速变化，也就无法制定有针对性的控制策略来最大化系统的控制效率。
交通信号控制子区是指：一个面积较大的路网，在实行信号联网协调控制，即“区域控制”或“面控”时，根据路网所辖范围不同区域具有不同交通特性，如：交通方式构成、交通量、流向等，将控制范围分成不同的控制区域，每个控制区域采用不同的控制策略，各自实行适合本控制区域交通特性的控制方案。这些相对独立的控制区域就是交通控制子区。
现有交通信号控制子区的划分方式可以分为静态划分、半动态划分和全动态划分三种。
静态划分是指交通信号控制子区的范围由交通工程师根据经验事先确定，在系统运行过程中不再发生变化，如SCOOT系统应用的便是静态划分方式。半动态划分是指事先指定若干个子系统，在系统运行过程中，根据实时交通流状况将这些子系统按照一定的方式进行合并得到交通信号控制子区，也可以将控制子区重新拆分为多个子系统，但各子系统本身的组成方式是固定不变的，SCATS系统采用的便是半动态划分的方式。全动态划分是指以交叉口为最小单元，根据当前交通流状况，动态地将若干个交叉口合并组成协调控制子区，随着交通流状况的实时变化，按照一定的周期间隔将子区拆散重新进行组合，以适应交通流的变化。除非特别指明，否则后文提到的交通信号控制子区动态划分默认均指全动态划分。
按照交通信号控制子区的定义和特征，决定交叉口是否合并组成控制子区的主要因素包括空间特征和交通特征两类。其中空间特征为静态特征，主要包括交叉口间的路段长度、车道数、车道宽度、交通渠化等因素；而交通特征为动态特征，主要包括车流量、车速、占有率以及行人流量等。国内外交通领域学者将静态特征与动态特征结合，提出了多种交通信号控制子区划分的指标并形成相应的划分算法。但是现有方法只针对两两交叉口计算其子区划分指标，例如路段间的互联指数，将路网中互联指数低于该阈值的交叉口之间路段断开，从而将路网划分为所需的交通信号控制子区。
发明内容
本发明提供交通信号协同控制子区划分方法及装置，以提高协同控制子区划分的准确度。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种交通信号协同控制子区划分方法，该方法包括：
计算待考察区域内各交叉口在各时间点的延误时间；
根据各交叉口在各时间点的延误时间，计算两两交叉口的延误时间向量之间的互相关系数；
根据两两交叉口的延误时间向量之间的互相关系数，将所有交叉口划分为一个或多个协同控制子区。
所述根据两两交叉口的延误时间向量之间的互相关系数，将所有交叉口划分为一个或多个协同控制子区包括：
设所有交叉口的延误时间向量之间的互相关系数构成一个互相关矩阵；
计算该互相关矩阵的特征值和特征向量；
对于每个特征向量，计算该特征向量中的显著元素的个数；
对于每个特征向量，根据其显著元素数目，在该特征向量中查找对应数目的显著元素，将所有显著元素对应的交叉口作为一个协同控制子区。
所述计算该特征向量中的显著元素的个数为：计算该特征向量的反比参与率IPR，将IPR的倒数作为该特征向量的显著元素的个数。
所述将所有显著元素对应的交叉口作为一个协同控制子区之后进一步包括：
根据实际的路网拓扑结构，判断该协同控制子区中的所有交叉口是否都相互连通，若是，确定该协同控制子区划分正确；否则，根据实际的路网拓扑结构，对该协同控制子区进行进一步划分，使得划分得到的每个协同控制子区中的所有交叉口都是相互连通的，并以划分得到的所有协同控制子区替代原协同控制子区。
所述方法进一步包括：
当根据所有特征向量都划分出协同控制子区后，对于任意两个协同控制子区A、B，其中，A<B，若发现C=A∩B中的交叉口数与A中的交叉口数的比值大于预设比值，则以B-A∩B替代B，其中，∩表示相交。
所述方法进一步包括：
对于任一协同控制子区，若该子区中的交叉口数超过预设值，则根据该子区中两两交叉口的延误时间向量之间的互相关系数，重新对该子区中的交叉口进行协同控制子区划分，直至所有协同控制子区中的交叉口数都不超过预设值。
所述方法进一步包括：
当任一协同控制子区中仅包含一个交叉口时，将该交叉口并入与其具有拓扑连接关系、且与其连通路径最小的协同控制子区中。
所述根据两两交叉口的延误时间向量之间的互相关系数，将所有交叉口划分为一个或多个协同控制子区为：
每隔预设时长，根据两两交叉口的最新延误时间向量之间的互相关系数，将所有交叉口划分为一个或多个协同控制子区，且，将当前的协同控制子区划分结果与最近预设次的协同控制子区划分结果进行综合判断，得到最终的协同控制子区划分结果。
一种交通信号协同控制子区划分装置，该装置包括：
延误时间计算模块：计算待考察区域内各交叉口在各时间点的延误时间；
互相关系数计算模块：根据各交叉口在各时间点的延误时间，计算两两交叉口的延误时间向量之间的互相关系数；
协同控制子区划分模块：根据两两交叉口的延误时间向量之间的互相关系数，将所有交叉口划分为一个或多个协同控制子区。
所述协同控制子区划分模块包括：
特征向量计算模块：设所有交叉口的延误时间向量之间的互相关系数构成一个互相关矩阵，计算该互相关矩阵的特征值和特征向量；
划分模块：对于每个特征向量，计算该特征向量中的显著元素的个数，根据显著元素数目，在该特征向量中查找对应数目的显著元素，将所有显著元素对应的交叉口作为一个协同控制子区。
所述划分模块进一步用于，当根据所有特征向量都划分出协同控制子区后之后，根据实际的路网拓扑结构，判断该协同控制子区中的所有交叉口是否都相互连通，若是，确定该协同控制子区划分正确；否则，根据实际的路网拓扑结构，对该协同控制子区进行进一步划分，使得划分得到的每个协同控制子区中的所有交叉口都是相互连通的，并以划分得到的所有协同控制子区替代原协同控制子区。
所述划分模块进一步用于，对于任意两个协同控制子区A、B，其中，A<B，若发现C=A∩B中的交叉口数与A中的交叉口数的比值大于预设比值，则以B-A∩B替代B，其中，∩表示相交。
所述划分模块进一步用于，对于任一协同控制子区，若该子区中的交叉口数超过预设值，则根据该子区中两两交叉口的延误时间向量之间的互相关系数，重新对该子区中的交叉口进行协同控制子区划分，直至所有协同控制子区中的交叉口数都不超过预设值。
所述划分模块进一步用于，当任一协同控制子区中仅包含一个交叉口时，将该交叉口并入与其具有拓扑连接关系、且与其连通路径最小的协同控制子区中。
所述划分模块进一步用于，每隔预设时长，根据两两交叉口的最新延误时间向量之间的互相关系数，将所有交叉口划分为一个或多个协同控制子区，且，将当前的协同控制子区划分结果与最近预设次的协同控制子区划分结果进行综合判断，得到最终的协同控制子区划分结果。
可见，本发明提高了协同控制子区划分的准确度。
附图说明
图1为本发明实施例提供的交通信号协同控制子区划分方法流程图；
图2为本发明实施例提供的交通信号协同控制子区划分装置的组成示意图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明再作进一步详细的说明。
图1为本发明实施例提供的交通信号协同控制子区划分方法流程图，如图1所示，其具体步骤如下：
步骤101：服务器记录待考察区域内所有路段、交叉口的地理空间信息，并对其进行编号，形成待考察路段、交叉口集合，并记录路段与交叉口之间的对应关系。
步骤102：服务器采集各路段上的线圈、微波传感器等设备反馈的交通流量、速度、占有率等信息，以及浮动车、智能车载终端等设备反馈的时间、空间信息。
占有率包括空间占有率和时间占有率，分别表示如下：
其中，Os表示空间占有率，li表示车辆i的长度，X表示观测区间长度；
其中，Ot表示时间占有率，vi表示车辆i的速度，T表示观测时间长度。
步骤103：服务器根据采集的信息计算各交叉口的延误时间，其中，对于每个交叉口，其在每个采集时间点上具有一个延误时间，每个采集时间点对应一个时间戳。
本步骤可采用现有技术实现。
步骤104：对于每个交叉口，服务器将该交叉口的延误时间与其对应的时间戳进行匹配，若发现该交叉口在任一时间点没有对应的延误时间，则根据该时间点的相邻时间点估计该时间点对应的延误时间；若发现任一时间点存在多个延误时间，则对该多个延误时间进行融合，得到该时间点最终对应的延误时间。
步骤105：对于每个交叉口，该交叉口在所有时间点上的延误时间构成该交叉口的延误时间向量；服务器根据各交叉口的延误时间向量，计算两两交叉口的延误时间向量之间的互相关系数cov(Xp,Xq)，其中，p、q（1≤p,q≤n表示任意两个交叉口，n为交叉口的总数。
交叉口1～n的延误时间向量分别表示为：D(X1)、D(X2)、…、D(Xn-1)、D(Xn)。具体地，例如：交叉口1的延误时间向量可表示为D(X1)=[D1(x1)，D2(x1)，D3(x1)，…，Dm-1(x1)，Dm(x1)]，其中，m为采集的时间点总数。
步骤106：服务器根据两两交叉口的延误时间向量之间的互相关系数cov(Xp,Xq)，将所有交叉口划分为一个或多个紧密相关交叉口组，每个紧密相关交叉口组即为一个交通信号协同控制子区。
本步骤具体实现可如下：
步骤1061：所有交叉口的延误时间向量之间的互相关系数cov(Xp,Xq)构成一个n*n的互相关矩阵C：
步骤1062：计算互相关矩阵C的特征值和特征向量。
步骤1063：对于每个特征向量，计算该特征向量中的显著元素的个数。
具体地，对于每个特征向量，可以采用其IPR（Inverse Participation Ratio，反比参与率）的倒数来表示其显著元素的个数，其中：
其中，IPRk为第k个特征向量的IPR，vk,r为第k个特征向量的第r个元素。其中，每个特征向量中都有n个元素，[vk,r]4表示vk,r的4次幂。
步骤1064：对于每个特征向量，根据其显著元素数目，在该特征向量中查找对应数目的显著元素，将各显著元素对应的交叉口作为一个紧密相关交叉口组，即作为一个协同控制子区。
例如：对于第K个特征向量，设其显著元素的个数为3，则在该特征向量中找到值最大的3个元素，即显著元素，设该3个元素分别为该特征向量的第3、5、8个元素vk,3、vk,5、vk,8，则认为交叉口3、5、8为一个紧密相关交叉口组，即为一个协同控制子区。
步骤107：对于步骤106得到的任一协同控制子区，若服务器根据实际的路网拓扑结构发现该子区中的交叉口不是相互连通的，则根据实际的路网拓扑结构，对该子区中的交叉口进行进一步划分，得到多个协同控制子区，其中，得到的每个协同控制子区中的交叉口都是相互连通的，以该多个协同控制子区替代原协同控制子区。
步骤108：对于任意两个协同控制子区A、B，其中，A<B，若服务器发现C=A∩B中的交叉口数与A中的交叉口数的比值大于预设比值，则以B-A∩B替代B，其中，∩表示相交。
A<B，即A中的交叉口数小于B中的交叉口数。
步骤109：对于任一协同控制子区D，若服务器发现D中的交叉口数超过预设值N1，则通过步骤105～108对D中的交叉口重新进行划分，直至所有协同控制子区中的交叉口数都不超过N1。
N1可根据经验确定，例如可取15。
步骤110：当任一协同控制子区中仅包含一个交叉口时，将该交叉口并入与其具有拓扑连接关系、且与其连通路径最小的协同控制子区中。
步骤111：对每个协同控制子区进行区域协同控制。
在实际应用中，可以每隔预设时长，例如：半小时，根据最新的各交叉口的延误时间，执行一次步骤105～110，以得到最新的协同控制子区划分结果，根据该最新划分结果进行后续区域协同控制。
另外，为了使得协同控制子区的划分结果更准确，可以对最近预设次的划分结果进行综合判断，根据该综合判断后的划分结果进行后续区域协同控制。具体的综合判断原则可以根据经验设定。如可以以交叉口为基础进行设定，可以是：对于任一交叉口，若该交叉口在最近预设次划分结果中都被划分到了同一协同控制子区中，那么该交叉口自然就属于该子区了；如果被划分到了不同协同控制子区中，则以被划分到的次数最多的子区作为其最终属于的子区，若被划分到的次数最多的子区多于1个，则任意选择一个作为其最终属于的子区。例如：对于一个交叉口a，若最近3次的划分结果中，其有两次被划分到了协同控制子区1，有1次被划分到了协同控制子区2，则确定最终将其划分到协同控制子区1。
图2为本发明实施例提供的交通信号协同控制子区划分装置的组成示意图，如图2所示，该装置包括：延误时间计算模块21、互相关系数计算模块22和协同控制子区划分模块23，其中：
延误时间计算模块21：计算待考察区域内各交叉口在各时间点的延误时间，将各交叉口在各时间点的延误时间发送给互相关系数计算模块22。
其中，延误时间计算模块21进一步用于，记录待考察区域内所有路段、交叉口的地理空间信息，并对其进行编号，形成待考察路段、交叉口集合，并记录路段与交叉口之间的对应关系；采集各路段上的线圈、微波传感器等设备反馈的交通流量、速度、占有率等信息，以及浮动车、智能车载终端等设备反馈的时间、空间信息；根据采集的信息计算各交叉口的延误时间，其中，对于每个交叉口，其在每个采集时间点上具有一个延误时间，每个采集时间点对应一个时间戳。
延误时间计算模块21进一步用于，对于每个交叉口，将该交叉口的延误时间与其对应的时间戳进行匹配，若发现该交叉口在任一时间点没有对应的延误时间，则根据该时间点的相邻时间点估计该时间点对应的延误时间；若发现任一时间点存在多个延误时间，则对该多个延误时间进行融合，得到该时间点最终对应的延误时间。
互相关系数计算模块22：根据延误时间计算模块21发来的各交叉口在各时间点的延误时间，计算两两交叉口的延误时间向量之间的互相关系数，将各互相关系数发送给协同控制子区划分模块23。
协同控制子区划分模块23：根据互相关系数计算模块22发来的两两交叉口的延误时间向量之间的互相关系数，将所有交叉口划分为一个或多个协同控制子区。
在实际应用中，协同控制子区划分模块23可包括：特征向量计算模块和划分模块，其中：
特征向量计算模块：设互相关系数计算模块22发来的所有交叉口的延误时间向量之间的互相关系数构成一个互相关矩阵，计算该互相关矩阵的特征值和特征向量，将各特征向量发送给划分模块；
划分模块：对于特征向量计算模块发来的每个特征向量，计算该特征向量中的显著元素的个数，根据显著元素数目，在该特征向量中查找对应数目的显著元素，将所有显著元素对应的交叉口作为一个协同控制子区。
划分模块进一步用于，当根据所有特征向量都划分出协同控制子区后之后，根据实际的路网拓扑结构，判断该协同控制子区中的所有交叉口是否都相互连通，若是，确定该协同控制子区划分正确；否则，根据实际的路网拓扑结构，对该协同控制子区进行进一步划分，使得划分得到的每个协同控制子区中的所有交叉口都是相互连通的，并以划分得到的所有协同控制子区替代原协同控制子区。
划分模块进一步用于，当根据实际的路网拓扑结构对所有协同控制子区进一步划分完毕后，对于任意两个协同控制子区A、B，其中，A<B，若发现C=A∩B中的交叉口数与A中的交叉口数的比值大于预设比值，则以B-A∩B替代B，其中，∩表示相交。
划分模块进一步用于，对于任一协同控制子区，若该子区中的交叉口数超过预设值，则根据该子区中两两交叉口的延误时间向量之间的互相关系数，重新对该子区中的交叉口进行协同控制子区划分，直至所有协同控制子区中的交叉口数都不超过预设值。
划分模块进一步用于，当任一协同控制子区中仅包含一个交叉口时，将该交叉口并入与其具有拓扑连接关系、且与其连通路径最小的协同控制子区中。
划分模块进一步用于，每隔预设时长，根据两两交叉口的最新延误时间向量之间的互相关系数，将所有交叉口划分为一个或多个协同控制子区，且，将当前的协同控制子区划分结果与最近预设次的协同控制子区划分结果进行综合判断，得到最终的协同控制子区划分结果。
从图1、2所示实施例可以看出：
1）与现有的静态划分和半动态划分方法相比较，本发明实施例给出的是一种全动态划分方法，以交叉口为最小单元，使得交通信号协同控制子区范围的确定方式更为灵活，可以更好地针对各交叉口的实时交通状况做出快速响应，真正实现针对不同的交通状态采用有针对性的控制和管理。
2）与现有的全动态子区划分方法相比，本发明实施例对多交叉口间的互相关矩阵进行全局分析，通过互相关矩阵的特征向量的显著节点实现协同控制子区的自动划分。互相关矩阵的特征向量由互相关矩阵的全局特征决定，不同特征值对应的特征向量又可以各自表达不同的特征值对应的紧密相关的交叉口集合，因此，相比于现有方法仅对相邻交叉口间的关联程度进行分析，本发明实施例更能够统筹利用待考察区域全局的交通状态信息，从而提高基于该协同控制子区划分结果实现的区域协同联动控制的效果。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。

Claims (13)

1.一种交通信号协同控制子区划分方法，其特征在于，该方法包括：
计算待考察区域内各交叉口在各时间点的延误时间；
根据各交叉口在各时间点的延误时间，计算两两交叉口的延误时间向量之间的互相关系数；
根据两两交叉口的延误时间向量之间的互相关系数，将所有交叉口划分为一个或多个协同控制子区；
所述根据两两交叉口的延误时间向量之间的互相关系数，将所有交叉口划分为一个或多个协同控制子区为：
每隔预设时长，根据两两交叉口的最新延误时间向量之间的互相关系数，将所有交叉口划分为一个或多个协同控制子区，且，将当前的协同控制子区划分结果与最近预设次的协同控制子区划分结果进行综合判断，得到最终的协同控制子区划分结果。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据两两交叉口的延误时间向量之间的互相关系数，将所有交叉口划分为一个或多个协同控制子区包括：
设所有交叉口的延误时间向量之间的互相关系数构成一个互相关矩阵；
计算该互相关矩阵的特征值和特征向量；
对于每个特征向量，计算该特征向量中的显著元素的个数；
对于每个特征向量，根据其显著元素数目，在该特征向量中查找对应数目的显著元素，将所有显著元素对应的交叉口作为一个协同控制子区。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述计算该特征向量中的显著元素的个数为：计算该特征向量的反比参与率IPR，将IPR的倒数作为该特征向量的显著元素的个数。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述将所有显著元素对应的交叉口作为一个协同控制子区之后进一步包括：
根据实际的路网拓扑结构，判断该协同控制子区中的所有交叉口是否都相互连通，若是，确定该协同控制子区划分正确；否则，根据实际的路网拓扑结构，对该协同控制子区进行进一步划分，使得划分得到的每个协同控制子区中的所有交叉口都是相互连通的，并以划分得到的所有协同控制子区替代原协同控制子区。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括：
当根据所有特征向量都划分出协同控制子区后，对于任意两个协同控制子区A、B，其中，A<B，若发现C＝A∩B中的交叉口数与A中的交叉口数的比值大于预设比值，则以B-A∩B替代B，其中，∩表示相交。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括：
对于任一协同控制子区，若该子区中的交叉口数超过预设值，则根据该子区中两两交叉口的延误时间向量之间的互相关系数，重新对该子区中的交叉口进行协同控制子区划分，直至所有协同控制子区中的交叉口数都不超过预设值。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括：
当任一协同控制子区中仅包含一个交叉口时，将该交叉口并入与其具有拓扑连接关系、且与其连通路径最小的协同控制子区中。
8.一种交通信号协同控制子区划分装置，其特征在于，该装置包括：
延误时间计算模块：计算待考察区域内各交叉口在各时间点的延误时间；
互相关系数计算模块：根据各交叉口在各时间点的延误时间，计算两两交叉口的延误时间向量之间的互相关系数；
协同控制子区划分模块：根据两两交叉口的延误时间向量之间的互相关系数，将所有交叉口划分为一个或多个协同控制子区；
所述协同控制子区划分模块进一步用于，每隔预设时长，根据两两交叉口的最新延误时间向量之间的互相关系数，将所有交叉口划分为一个或多个协同控制子区，且，将当前的协同控制子区划分结果与最近预设次的协同控制子区划分结果进行综合判断，得到最终的协同控制子区划分结果。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述协同控制子区划分模块包括：
特征向量计算模块：设所有交叉口的延误时间向量之间的互相关系数构成一个互相关矩阵，计算该互相关矩阵的特征值和特征向量；
划分模块：对于每个特征向量，计算该特征向量中的显著元素的个数，根据显著元素数目，在该特征向量中查找对应数目的显著元素，将所有显著元素对应的交叉口作为一个协同控制子区。
10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述划分模块进一步用于，当根据所有特征向量都划分出协同控制子区后之后，根据实际的路网拓扑结构，判断该协同控制子区中的所有交叉口是否都相互连通，若是，确定该协同控制子区划分正确；否则，根据实际的路网拓扑结构，对该协同控制子区进行进一步划分，使得划分得到的每个协同控制子区中的所有交叉口都是相互连通的，并以划分得到的所有协同控制子区替代原协同控制子区。
11.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，所述划分模块进一步用于，对于任意两个协同控制子区A、B，其中，A<B，若发现C＝A∩B中的交叉口数与A中的交叉口数的比值大于预设比值，则以B-A∩B替代B，其中，∩表示相交。
12.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，所述划分模块进一步用于，对于任一协同控制子区，若该子区中的交叉口数超过预设值，则根据该子区中两两交叉口的延误时间向量之间的互相关系数，重新对该子区中的交叉口进行协同控制子区划分，直至所有协同控制子区中的交叉口数都不超过预设值。
13.根据权利要求12所述的装置，其特征在于，所述划分模块进一步用于，当任一协同控制子区中仅包含一个交叉口时，将该交叉口并入与其具有拓扑连接关系、且与其连通路径最小的协同控制子区中。
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