CN104933872A - 一种单交叉口交通信号优化控制方法 - Google Patents

Abstract

一种单交叉口交通信号优化控制方法，建立一交通信号控制系统，包括主控板、车流量检测处理模块、输出驱动及绿冲突检测模块；由车流量检测处理模块实时采集交叉路口各方向的车流量、排队长度信息，传送给主控板；主控板根据实时计算出合适的配时方案，路口各方向的车流量、排队长度信息，实时计算出合适的配时方案，发送到输出驱动及绿冲突检测模块；输出驱动及绿冲突检测模块根据配时方案控制信号灯的灯色变化。

Description

一种单交叉口交通信号优化控制方法

技术领域

本发明涉及一种城市单交叉路口交通信号控制方法，属于一种基于自适应动态规划的优化控制方法。

背景技术

随着计算机技术的发展和普及，以计算机为核心的城市交通信号控制系统得到了迅速发展并在很多城市广泛应用。如SCOOT系统，SCATS系统等。这些系统在减少交通延误和维护交叉路口的交通安全等方面起到了一定的作用。但这些系统除了造价高之外，还存在一些缺点，如：没有实时交通模型，而是从既定方案中选择信号控制参数，限制了控制参数的优化程度；选择相位差方案时，无车流实时信息反馈，可靠性低；无法检测到排队长度，难以消除拥挤。

具体地说，目前的路口交通信号控制方式是定时控制，其配时方案是根据以往的交通情况，按统计规律预先设定信号周期和绿灯时间等参数，在整个运行过程中，参数始终不变，而实际交通情况是不断变化的，往往与设计时不同，特别是当道路交通流量发生波动时，出现城市交通拥挤、车辆受阻排队难以消除、车辆延误时间增大等现象。

发明内容

本发明的目的是针对现有交通控制系统存在的问题，提出一种单交叉口交通信号优化控制方法，它主要用于实现城市路网的统一调度和管理。相对于静态的定时控制方式，本发明拟采用动态的车辆感应控制方式，以灵活适应交通流的随机变化，取得比定时控制更出色的控制效果。

本发明的技术方案如下：

一种单交叉口交通信号优化控制方法，其特征在于：

(1)建立一交通信号控制系统，包括主控板、车流量检测处理模块、输出驱动及绿冲突检测模块；

(2)由车流量检测处理模块实时采集交叉路口各方向的车流量、排队长度信息，传送给主控板；

(3)主控板根据实时计算出合适的配时方案，路口各方向的车流量、排队长度信息，实时计算出合适的配时方案，发送到输出驱动及绿冲突检测模块；

(4)输出驱动及绿冲突检测模块根据配时方案控制信号灯的灯色变化。

所述车流量检测与处理模块采用感应线圈或图像检测技术采集路口各方向的车流量、排队长度信息。

主控板通过通信模块将交叉路口各个方向的车流量信息实时传送到区域上位机，由上位机根据区域内各路口车流量信息进行区域信号优化，并将各交叉路口的配时方案通过通信网络下送到主控板，由主控板发送到输出驱动及绿冲突检测模块，实现区域内多个交叉路口交通信号的实时协调优化控制。

所述输出驱动及绿冲突检测模块包括CPU异常检测电路，过流过压保护电路，绿异常检测电路和功率驱动锁存电路；功率驱动锁存电路实现输出信号的锁存以及信号控制系统与信号灯的功率匹配。

所述信号控制系统还包括一主控板模块热备份，主控板模块热备份预存信号灯控制应急方案，当CPU出现故障不能工作或异常时，信号出现绿冲突现象或绿不一致现象，系统出现过流或过压等现象时，主控板模块热备份就接管信号灯控制权，采用预先准备的应急方案进行信号控制，从而保证系统安全运行。

所述信号控制系统还包括一人机接口模块，实现对信号控制系统参数设定、控制方式选择以及参数和控制方式的显示功能。

相对于传统的定时控制方案，在不同的交通流状态下，本发明所采用的动态优化控制方法能使控制周期内路口的总延误排队车辆数明显减少；另一方面，由于算法是在CCS中编程实现的，可直接移植到DSP系统中，因此使得信号优化可以直接在路口信号机中进行，从而提高了系统的实时性，增加了可靠性，更能适应交通流的动态变化。该控制方式可以根据检测器送来的交通量信息，实时产生出对某种性能指标来说是最佳的配时方案，自动调节各个参数(周期、绿信比、相位差等)。集成了这种控制方式的交通信号机将检测到的交通数据实时地通过通信网络传至上位机，上位机根据路网上交通量的变化情况，不断调整配时方案以达到最优控制。通过这种控制方式，上位机同时控制城市中某个区域内的多个路口的信号机，实现区域中交叉口交通信号之间的统一协调管理，提高路网的运行效率。

附图说明

图1是交通信号控制系统总体结构原理图；

图2是主控板结构图；

图3是交通信号控制系统工作流程图。

具体实施方式

本发明针对典型的城市多车道双向交通的交叉路口交通流分布，采用一种动态交通流的优化控制方法，在DSP的开发环境CCS中实现算法，并将优化算法移植到DSP系统中，实现单路口的自适应优化控制，采用高性能的浮点DSP作为系统核心处理器芯片，设计了基于该芯片的主控板，其中各总线通信接口模块与主控板之间的通信接口设计按统一标准。结合LonWorks总线通信模块，实现信号机各模块间以及与外部设备的数据通信；以Neuron神经元芯片为核心，采用现场总线拓扑结构进行组网，增强了稳定性和数据传输的可靠性。运用LTE无线通信模块，实现主控板与上位控制机及图像采集模块、相邻路口信号机间的数据传输。

本发明首先提供一种交通信号控制系统，其结构如图1所示，主要由车流量检测与处理模块、基于DSP的主控模块、主控模块热备份、人机接口及显示模块、输出驱动及绿冲突检测模块等组成。整个系统实现原理为：通过感应线圈、图像检测等方法获得的车流量信息发送给主控板，由主控板根据各个路口的排队长度等交通量信息实时计算出合适的配时方案，实现交叉路口信号的实时控制；或者通过通信模块将交叉路口各个方向的车流量信息实时传送到区域上位机，由上位机根据区域内各路口车流量信息进行区域信号优化，并将各交叉路口的配时方案通过通信网络下送到主控板，由主控板执行信号配时方案，实现区域内多个交叉路口交通信号的实时协调优化控制。为了提高系统的适用性，信号机内部采用总线结构传输数据，避免了以往的信号机一旦成品就不能任意更改输出灯色数等弊端。为方便调试与维护，路口信号机采用模块化结构。

主控板模块是信号机的核心组成部分。采用高速处理芯片DSP作为中央处理单元，主要实现的功能有根据路口车流量信息进行实时动态优化配时，控制灯色变化；实现与上位机、图像采集模块及其他路口信号机的数据传输，以及对图像采集模块的初始化等等。

车流量检测与处理模块为系统提供车流量信息。为了适应不同的需求，系统既预留了感应线圈采集接口，又可使用图像检测技术，将所获得的交通量信息送给主控板模块，以做信号决策之用。

输出驱动及绿冲突检测模块是保证信号机系统在现场正常工作不可缺少的部分。包括CPU异常检测电路，过流过压保护电路，绿异常检测电路和功率驱动锁存电路。功率驱动锁存电路实现输出信号的锁存以及信号机与信号灯的功率匹配。

主控模块热备份是为系统安全可靠运行而采用的冗余备份。当CPU出现故障不能工作或异常时，信号出现绿冲突现象或绿不一致现象，系统出现过流或过压等现象时，主控模块热备份就接管信号灯控制权，采用预先准备的应急方案进行信号控制，从而保证系统安全运行。

人机接口模块实现对单个信号机参数设定、控制方式选择以及参数和控制方式的显示等功能。

主控板的结构如如2所示，主控板以TMS320C6713为主处理芯片。当进行单路控制时，通过车流量检测器获得的车流量信息直接送至主控板，主控板进行相应的信号优化配时后，通过LonWorks网络送给驱动板以控制灯色的变化，同时利用CF卡对相关信息进行记录，不仅包括配时信息，而且可以将在这种控制情况下路口交通量信息同时保存和传输，以供分析、决策使用。当进行区域协调控制时，车流量信息先传送到主控板，然后通过主控板对外预留的RS232接口、RS485接口、LTE无线网络或LonWorks网络送给上位机，上位机进行信号优化配时后，通过通信网络将配时信息传给主控板，以控制灯色的变化。在本设计中，针对不同的路口状况，需要对信号机进行相应的不同设置，有时由于突发事件等因素也要对它进行相应设置的修改，故为它配接一个USB接口，以达到对DSP主控系统高速配置的目的。

图3为本发明的控制流程图。选择自适应控制时，主控制器向图像采集板的DPS发出中断申请，图像采集板对CCD拍摄的图像进行处理，调用提取交通量信息子程序，得到交通量信息，向主控制器申请中断，主控制器响应中断请求，并通过通信网络得到交通量信息。主控制器采用交通信号动态优化算法进行参数优化。最终得到优化的周期、绿信比、相位差等控制参数，再利用系统内部总线将其传输给检测驱动电路进行绿冲突检测，检测无误后驱动灯色信号，信号灯即按相应的参数配时工作。

本发明通过对系统的设计、编程和调试，实现从系统的角度协调各个模块之间的关系。以下是本发明的仿真应用实例。

仿真研究主要针对实际交叉路口信号控制中经常用到的两相位控制进行，其中分别针对三种交通需求模式进行，第一种为轻度交通需求模式(路口饱和度为0.6)；第二种为中度交通需求模式(路口饱和度为0.8)；第三种为饱和交通需求模式(路口饱和度为1.0)，两种相位下交通需求模式分别如表1、表2所示。

表1两相位控制交通需求(辆/小时)

表2两相位控制初始延误车辆数(辆)

采用本发明的动态优化控制法(遗传算法)和定时控制法同时运行10个周期后，两相位控制仿真结果如下表3、4、5所示。

表3轻度交通需求两种算法比较

表4中度交通需求两种算法比较

表5饱和交通需求两种算法比较

表3、4、5中，t1，t2表示一个周期内两个相位的配时时间(单位为秒)，T为该周期的周期时长(单位为秒)，D表示优化后排队等候车辆数(单位为辆)。

表3、4、5是单交叉口两相位控制方式下，遗传算法与传统定时控制方案在不同交通需求模式下的详细计算结果。从中可以看出，在不同的交通需求模式下，由于本发明所采用的方法在计算最优的信号控制参数时，不仅考虑了车辆的到达情况，而且考虑了车辆的延误排队情况，即考虑了相邻信号周期间的车流耦合，所以该控制方法能使控制周期内路口的总延误排队车辆数明显减少，在一定程度上对排队长度进行了有效的疏散。且随着交通需求的增加，该方法更表现出了优越性。另一方面，由于优化算法是在CCS中实现的，可以直接移植到DSP中，以实现单路口交通信号自适应优化控制。

Claims (6)

1.一种单交叉口交通信号优化控制方法，其特征在于：

(1)建立一交通信号控制系统，包括主控板、车流量检测处理模块、输出驱动及绿冲突检测模块；

(2)由车流量检测处理模块实时采集交叉路口各方向的车流量、排队长度信息，传送给主控板；

(3)主控板根据实时计算出合适的配时方案，路口各方向的车流量、排队长度信息，实时计算出合适的配时方案，发送到输出驱动及绿冲突检测模块；

(4)输出驱动及绿冲突检测模块根据配时方案控制信号灯的灯色变化。

2.根据权利要求1所述的单交叉口交通信号优化控制方法，其特征在于：所述车流量检测与处理模块采用感应线圈或图像检测技术采集路口各方向的车流量、排队长度信息。

3.根据权利要求1所述的单交叉口交通信号优化控制方法，其特征在于：主控板通过通信模块将交叉路口各个方向的车流量信息实时传送到区域上位机，由上位机根据区域内各路口车流量信息进行区域信号优化，并将各交叉路口的配时方案通过通信网络下送到主控板，由主控板发送到输出驱动及绿冲突检测模块，实现区域内多个交叉路口交通信号的实时协调优化控制。

4.根据权利要求1所述的单交叉口交通信号优化控制方法，其特征在于：所述输出驱动及绿冲突检测模块包括CPU异常检测电路，过流过压保护电路，绿异常检测电路和功率驱动锁存电路；功率驱动锁存电路实现输出信号的锁存以及信号控制系统与信号灯的功率匹配。

5.根据权利要求1所述的单交叉口交通信号优化控制方法，其特征在于：所述信号控制系统还包括一主控板模块热备份，主控板模块热备份预存信号灯控制应急方案，当CPU出现故障不能工作或异常时，信号出现绿冲突现象或绿不一致现象，系统出现过流或过压等现象时，主控板模块热备份就接管信号灯控制权，采用预先准备的应急方案进行信号控制，从而保证系统安全运行。

6.根据权利要求1所述的单交叉口交通信号优化控制方法，其特征在于：所述信号控制系统还包括一人机接口模块，实现对信号控制系统参数设定、控制方式选择以及参数和控制方式的显示功能。