CN104537851A

CN104537851A - 实时反馈动态交通信号控制系统

Info

Publication number: CN104537851A
Application number: CN201410831938.8A
Authority: CN
Inventors: 李瑞敏; 焦朋朋
Original assignee: Tsinghua University; Beijing University of Civil Engineering and Architecture
Current assignee: Tsinghua University; Beijing University of Civil Engineering and Architecture
Priority date: 2014-12-26
Filing date: 2014-12-26
Publication date: 2015-04-22
Anticipated expiration: 2034-12-26
Also published as: CN104537851B

Abstract

本发明提出了一种实时反馈动态交通信号控制系统，该系统包括：设置在第一路口的第一摄像机组，用于获取通过第一路口的车辆的第一车辆信息；设置在第二路口的第二摄像机组，第一路口与第二路口相邻，第二摄像机组用于获取通过第二路口的车辆的第二车辆信息；与第一摄像机组相连的第一工控机；与第二摄像机组相连的第二工控机；与第一工控机相连的第一光端机；与第二工控机相连的第二光端机；与第一光端机和第二光端机相连的第三光端机；与第三光端机相连的控制服务器，控制服务器根据第一车辆信息对从第一路口进入第二路口的车辆进行预测，并生成和优化第二路口的配时方案。该系统实现了实时优化的信号配时，从而使交通信号控制的实时性更佳。

Description

实时反馈动态交通信号控制系统

技术领域

本发明涉及智能交通技术领域，尤其涉及一种实时反馈动态交通信号控制系统。

背景技术

近年来，我国的城市正经历着快速的机动化发展进程，城市道路面积和交叉口数量不断增加，道路交叉口流量不断增大，城市道路信号控制交叉口数量亦迅速增加。然而，由于检测方式等限制，目前的众多城市道路交叉口的信号配时还处于分时段定周期的初始阶段，缺乏科学化的交通信号配时方法；即使有很小一部分路口实施了自适应控制，但是由于检测器的损坏、控制逻辑的不合，也使得控制效果较差。因此，当前的城市发展给道路交通信号控制提出了新的需求，当前我国城市交通信号控制往往面临缺乏实时交通流数据的问题，难以形成反馈闭环的控制结构，而目前的城市卡口系统的安装为信号控制提供了新的数据来源。

因此，对于城市道路交叉口的信号控制而言，如何整合其他类型数据、实现更好的对交通流状态及参数的估计及预测，实现实时优化的信号配时已经成为城市智能交通管理领域的一个重要问题。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的目的在于提出一种实时反馈动态交通信号控制系统，该系统实现了实时优化的信号配时，从而使道路交叉口的交通信号控制的实时性更佳。

为了实现上述目的，本发明实施例的实时反馈动态交通信号控制系统，包括：设置在第一路口的第一摄像机组，所述第一摄像机组用于获取通过所述第一路口的车辆的第一车辆信息；设置在第二路口的第二摄像机组，所述第一路口与所述第二路口相邻，所述第二摄像机组用于获取通过所述第二路口的车辆的第二车辆信息；与所述第一摄像机组相连的第一工控机；与所述第二摄像机组相连的第二工控机；与所述第一工控机相连的第一光端机；与所述第二工控机相连的第二光端机；与所述第一光端机和第二光端机相连的第三光端机；与所述第三光端机相连的控制服务器，所述控制服务器根据所述第一车辆信息对从所述第一路口进入所述第二路口的车辆进行预测，并生成和优化所述第二路口的配时方案。

根据本发明实施例的实时反馈动态交通信号控制系统，通过设置在第一路口的第一摄像机组实时获取通过第一路口的车辆的第一车辆信息，通过设置在第二路口的第二摄像机组实时获取通过第二路口的车辆的第二车辆信息，控制服务器根据第一车辆信息对从第一路口进入第二路口的车辆进行预测，并生成和优化第二路口的配时方案，实现了实时优化的信号配时，从而使道路交叉口的交通信号控制的实时性更佳。

附图说明

图1是根据本发明一个实施例的实时反馈动态交通信号控制系统的结构示意图；

图2是根据本发明另一个实施例的实时反馈动态交通信号控制系统的结构示意图；

图3是根据本发明一个实施例的路口A和路口B的示意图；

图4是根据本发明一个实施例的中心应用服务器的控制逻辑示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参考附图描述本发明实施例的实时反馈动态交通信号控制系统。

图1是根据本发明一个实施例的实时反馈动态交通信号控制系统的结构示意图。如图1所示，本发明实施例的实时反馈动态交通信号控制系统，包括：第一摄像机组100、第二摄像机组200、第一工控机300、第二工控机400、第一光端机500、第二光端机600、第三光端机700和控制服务器800。

其中，设置在第一路口的第一摄像机组100，用于获取通过第一路口的车辆的第一车辆信息；设置在第二路口的第二摄像机组200，第一路口与第二路口相邻，第二摄像机200组用于获取通过第二路口的车辆的第二车辆信息；与第一摄像机组100相连的第一工控机300；与第二摄像机组200相连的第二工控机400；与第一工控机300相连的第一光端机500；与第二工控机400相连的第二光端机600；与第一光端机500和第二光端机600相连的第三光端机700；与第三光端机700相连的控制服务器800，控制服务器800根据第一车辆信息对从第一路口进入第二路口的车辆进行预测，并生成和优化第二路口的配时方案。

在本发明的一个实施例中，如图2所示，控制服务器800包括：中心数据服务器810和中心应用服务器820。

其中，中心数据服务器810与第三光端机700相连，用于接收并存储第一车辆信息和第二车辆信息，中心应用服务器820则从中心数据服务器810中实时提取所需要的数据，以用于生成和优化第二路口的配时方案。

在本发明的一个实施例中，如图2所示，实时反馈动态交通信号控制系统，还包括：多个交叉口信号控制机900，交叉口信号控制机900均与控制服务器800相连，交叉口信号控制机900用于执行第二路口的配时方案。

具体地，控制服务器800将优化后的第二路口的配时方案通过网络传输至前端的交叉口信号控制机900，交叉口信号控制机900则根据第二路口的配时方案控制交叉口的信号灯进行相应灯色的显示。

在本发明的一个实施例中，第一摄像机组100和第二摄像机组200包括多个卡口摄像机。

具体地，如图3所示，以第一路口为上游路口A，第二路口为下游路口B为例进行说明(从A到B的方向)，上游路口A和下游路口B为两个相邻路口，第一摄像机组100设置在上游路口A，第二摄像机组200设置在下游路口B，第一摄像机组100和第二摄像机组200包括多个卡口摄像机，对于路口的进口道，一般根据检测的车道数安装不同数量的卡口摄像机实现对进口道各条车道的全覆盖，例如对于三条车道的进口道，通常安装一台500万像素的卡口摄像机来覆盖三条车道，用于对于每辆通过交叉口停车线的车辆进行图像抓拍，红灯期间还需记录车辆闯红灯的过程，抓拍后的图像传输到工控机(第一工控机300、第二工控机400)中由卡口软件进行处理，例如，进行车牌号码识别、车型判断等。然后，将车辆车牌号码、车辆通过停车线的时间、车辆所在车道等数据通过光端机(第一光端机500、第二光端机600、第三光端机700)传输至控制服务器800，控制服务器800根据接收到的数据进行包括排队估计、转弯车辆预测、配时优化等工作，之后将优化后的配时信号方案通过网络传输至前端的交叉口信号控制机900。其中，排队估计、转弯车辆预测、配时优化等将在后面的实施例中进行具体说明。

在本发明的一个实施例中，第一车辆信息包括车辆的车牌号码，通过第一路口某进口停车线的时刻及在第一路口各进口的转向。

具体地，例如，如图3所示，通过第一摄像机组100获得通过上游路口A的进口1的直行、进口2的左转和和进口3的右转至下游路口B的进口11的各个车辆通过路口A各进口方向停车线时的基本信息，最核心的信息包括车辆车牌号码、通过A路口某进口(进口1、进口2、进口3)停车线的时刻及在A路口各进口的转向，对每预设时间(例如，10秒)中的检测数据进行整合，可以获得10秒内的通过A路口某方向停车线的某转向的交通流量的信息，例如获得进口1的直行、进口2的左转、进口3的右转的交通流量。

在本发明的一个实施例中，控制服务器800具体用于：根据第一车辆信息对从第一路口进入第二路口的车辆进行到达率的预测，并根据到达率进行排队长度的估计，以及根据排队长度对第二路口下一个时段的放行方向和放行时长进行优化。

具体地，如图4所示，中心应用服务器820包括：下游车辆达到估计模块821，下游车辆达到估计模块821基于前述A路口的通过停车线的每10秒的交通流量信息(包括进口1的直行、进口2的左转、进口3的右转的交通流量)，应用多元回归模型可以进行下游路口B进口11的车辆到达率的预测。也就是根据A路口的通过停车线的每10秒的交通流量信息，利用历史数据得到的车队离散系数和车辆转向比进行车辆到达率的预测。

其中，车辆转向比的预测过程如下：主要基于历史数据形成分周期的交叉口各进口方向转向比历史数据，对于路口下一周期的转向比，在该进口道红灯期间，首先计算过去五个周期实际的转向比与上周同时间的五个周期的实际转向比之差，作为下一个周期转向比的调整，然后取上周与下一个周期同时的实际转向比作为预测的基准，在此基础上根据前五个周期的误差进行调整，最终形成下一个周期的转向比的预测结果。具体预测方法如下：左转(右转、直行)的转向比＝历史的左转(右转、直行)转向比+前五个周期的左转(右转、直行)转向比误差。

进一步地，根据车辆到达率及下游路口B的信号配时方案、下游路口B的饱和流量等利用车辆排队模型进行排队长度的估计。如图4所示，中心应用服务器820还包括：车辆轨迹估计模块822和排队长度估计模块823。也就是，车辆轨迹估计模块822基于A路口各进口方向各转向的车辆的信息，整合下游路口B的信号配时数据，可以进行由A路口到B路口的单向路段的车辆行驶轨迹的判断和分析。排队长度估计模块823根据车辆行驶轨迹的分析，基于路段长度及离开上游路口A进入A、B间路段的车辆数量和时间，进行路口B的与A相连路段进口道(即进口11)各转向的排队长度的估计。

其中，由A路口到B路口的单向路段的车辆行驶轨迹，主要是基于上游交叉口A检测到的直行、左转和右转到下游路口B的车辆通过上游交叉口A停车线的时刻以及下游交叉口B的信号控制配时方案，考虑车辆换道的影响及可能性，利用车辆跟驰模型估计每一辆驶离上游路口A并驶向下游路口B的车辆的行驶轨迹，形成一个周期内上游停车线至下游排队的车辆行驶轨迹的估计。

更进一步地，中心应用服务器820还包括：配时优化模块824，配时优化模块824基于对路口B各进口方向进口道排队长度的估计，结合路口B目前运行的信号配时方案，根据交通信号控制优化算法对路口B的下一个时段的放行方向和放行时长进行优化。

在本发明的一个实施例中，控制服务器800在对第二路口的配时方案进行优化时，以车辆的平均延误最小或通行能力最大作为控制目标，以排队长度作为第一约束，以各相位最小绿灯时间、最大绿灯时间作为第二约束，其中，当第二路口的交通状态是非饱和状态时，以平均延误最小作为控制目标，当交通状态是饱和状态时，以通行能力最大作为控制目标。

具体地，控制服务器800以平均延误最小和通行能力最大作为控制目标，当路口交通状态是非饱和状态时，以平均延误最小为控制目标；当路口交通状态是饱和状态时，以路口通行能力最大为控制目标；以排队长度作为主要约束，综合考虑各相位最小绿灯时间、最大绿灯时间约束，利用交通信号控制优化算法进行第二路口的配时方案的优化，主要确定每固定时长(例如5秒，根据各路口需求不同，这个时长可以设定为1秒-10秒)后当前的信号灯状态是否进行切换。

在本发明的一个实施例中，控制服务器800还用于：根据第一车辆信息和第二车辆信息获取实际的平均延误时间，并根据延误估计方法获取估计的平均延误时间，以及根据实际的平均延误时间和估计的平均延误时间对延误估计方法进行优化。

具体地，中心应用服务器820还包括：实际延误估计模块825和配时优化模型反馈优化模块826。控制服务器800采用优化后的第二路口的配时方案作为路口B下一个时段实施的配时方案，同时，实际延误估计模块825利用路口B的第二摄像机组200实时采集到的通过路口B的各车辆的实时信息(即第二车辆信息)，例如，包括车辆牌号、通过B路口的时刻及在B路口的转向。然后利用同一车辆通过路口A、B停车线的时间差及A、B路口停车线之间的间距计算各车辆的实际旅行时间，从而获取相应的延误(即实际的延误时间)。

其中，实际延误估计模块825计算实际的延误时间，由两部分构成：一是在上游路口A和下游路口B都被检测到的车辆，则其延误直接由其检测的旅行时间减去系统校正的自由流旅行时间得到；二是对于只有在下游检测到而无法与上游匹配的车辆(可能是上游识别有误或是从路段中间停车场或小区驶出的车辆等)，根据其与被检测到的车辆通过停车线的前后关系，分如下三种情况计算：1)如果该车辆前后都有匹配的车辆，则使用匹配车辆的线性插值的方法进行计算；2)如果该车辆前面没有匹配的车辆，例如该车辆是绿灯期间第一辆，则由其后匹配的车辆的延误计算；3)如果该车辆后面没有匹配上的车辆，例如该车辆是绿灯期间通过停车线的最后一辆，则由其前面匹配上的车辆的延误进行外推计算。最终获得该进口道方向的不同转向的车辆的平均延误。

进一步地，配时优化模型反馈优化模块826将实际的平均延误时间与根据延误估计方法计算得到的平均延误时间进行比对，来分析交通信号控制优化算法的控制效果，从而对优化的效果进行评价以进一步优化控制参数。也就是通过实际的延误时间与根据延误估计方法计算得到的车辆的平均延误时间的比对，以此来看延误估计方法的计算精度，并且根据实际的延误时间与根据延误估计方法估计的延误时间之间的比对进行信号配时优化中关键参数的调整，使得在未来的控制中由延误估计方法估计的延误数据与实际检测的延误数据基本趋于一致，进一步提高信号配时优化的有效性。

本发明提供了一种能够实现实施一种利用卡口数据进行道路交通流关键状态参数的估计及预测并实现实时信号配时优化的技术，解决相关技术中过于依赖传统的线圈等检测手段才能实现信号配时优化且难以实现闭环反馈控制的问题。

下面在一个具体实施例中描述本发明的实时反馈动态交通信号控制系统。

如图3所示，对于相邻的两个路口A和B，在2014年9月24日8:00:00-8:00:10，在交叉口A的第一摄像机组100将对四个进口方向的各条车道的车辆进行抓拍，其中1进口道的直行车辆是4辆，2进口道的左转车辆是0辆，3进口道的右转车辆是1辆，同时中心数据服务器810中记录了这5辆车通过各自进口道车道的时间和对应的车道及方向。中心应用服务器820根据这5辆车通过交叉口A的时刻及当前交叉口B的配时方案，可以估计出这5辆车的行驶轨迹，并预测到达交叉口B的进口道11的排队队尾的时刻。

中心应用服务器820首先计算2014年9月24日8:00:00之前的五个周期与2014年9月17日同一时间段的五个周期的转向比之差的平均值，随后基于2014年9月17日7:59:00-8:01:00(此为一个周期的长度)的交叉口B的进口道11的交通流量和转向比，对2014年9月24日的同一时段的转向比进行预测，得到2014年9月24日7:59:00-8:01:00的转向比。根据同样道理，可以得到交叉口B的全部进口道方向的转向比及排队情况。

在2014年9月24日8:00:10，交叉口B开始进行信号配时的优化，优化的结果是判断在8:00:15的时刻是否切换当前的信号配时。

在本周期信号控制实施完毕之后，即2014年9月24日8:01:00，中心应用服务器820中的实际延误估计模块825将对交叉口B的四个方向在该周期内通过交叉口B的车辆的实际的延误时间进行估计，实际延误估计模块825主要根据各个车辆通过交叉口B停车线的时刻与通过交叉口A停车线的时刻之差以及自由流旅行时间进行估计，得到所有车辆的延误值，从而可以得到平均延误值及交叉口在该周期内的总延误值。例如，对于一辆车牌号为HBR12345的车辆，其通过路口A停车线的时刻为2014年9月24日7:59:10，通过交叉口B停车线的时刻为2014年9月24日8:00:43，则其旅行时间为93秒，而交叉口A停车线到交叉口B停车线的自由流旅行时间值为43秒，则该车辆的实际的延误时间为50秒。对于没有在两条停车线都被检测到的车辆也可以根据前述的方法求出其延误值，最终可以得到所有车辆的延误值及平均延误值和总延误值。

同时，根据延误估计方法可以计算得到相应车辆的延误值(即估计的平均延误时间)，而该延误值与前述实际观测的延误值之间可能存在误差，如果不存在误差，则认为当前的延误估计方法是较为准确的，则在该周期不再进行延误估计方法的调整，而如果存在误差，则根据该误差值对延误估计方法进行修正，即如果误差|Δ|>0，则原来的延误估计方法D＝f(x₁,x₂…x_n)变为D＝f'(x₁,x₂…x_n)，并用于下一个周期的计算，例如，将原来的延误估计方法中参数x₁、x₂、x_n的系数进行调整。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，"计算机可读介质"可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。

应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。

本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。

此外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。

上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims

1.一种实时反馈动态交通信号控制系统，其特征在于，包括：

设置在第一路口的第一摄像机组，所述第一摄像机组用于获取通过所述第一路口的车辆的第一车辆信息；

设置在第二路口的第二摄像机组，所述第一路口与所述第二路口相邻，所述第二摄像机组用于获取通过所述第二路口的车辆的第二车辆信息；

与所述第一摄像机组相连的第一工控机；

与所述第二摄像机组相连的第二工控机；

与所述第一工控机相连的第一光端机；

与所述第二工控机相连的第二光端机；

与所述第一光端机和第二光端机相连的第三光端机；

与所述第三光端机相连的控制服务器，所述控制服务器根据所述第一车辆信息对从所述第一路口进入所述第二路口的车辆进行预测，并生成和优化所述第二路口的配时方案。

2.如权利要求1所述的实时反馈动态交通信号控制系统，其特征在于，还包括：

与所述控制服务器相连的多个交叉口信号控制机，所述交叉口信号控制机用于执行所述第二路口的配时方案。

3.如权利要求1所述的实时反馈动态交通信号控制系统，其特征在于，所述第一摄像机组和所述第二摄像机组包括多个卡口摄像机。

4.如权利要求1所述的实时反馈动态交通信号控制系统，其特征在于，所述第一车辆信息包括车辆的车牌号码，通过第一路口某进口停车线的时刻及在第一路口各进口的转向。

5.如权利要求1所述的实时反馈动态交通信号控制系统，其特征在于，所述控制服务器，具体用于：

根据所述第一车辆信息对从所述第一路口进入所述第二路口的车辆进行到达率的预测，并根据所述到达率进行排队长度的估计，以及根据所述排队长度对所述第二路口下一个时段的放行方向和放行时长进行优化。

6.如权利要求1所述的实时反馈动态交通信号控制系统，其特征在于，其中，所述控制服务器在对所述第二路口的配时方案进行优化时，以车辆的平均延误最小或通行能力最大作为控制目标，以排队长度作为第一约束，以各相位最小绿灯时间、最大绿灯时间作为第二约束，其中，当所述第二路口的交通状态是非饱和状态时，以所述平均延误最小作为所述控制目标，当所述交通状态是饱和状态时，以所述通行能力最大作为控制目标。

7.如权利要求1所述的实时反馈动态交通信号控制系统，其特征在于，所述控制服务器，还用于：

根据所述第一车辆信息和所述第二车辆信息获取实际的平均延误时间，并根据延误估计方法获取估计的平均延误时间，以及根据所述实际的平均延误时间和所述估计的平均延误时间对所述延误估计方法进行优化。