CN105427635A - 一种基于时间同步Petri网的急救车优先通行建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于时间同步Petri网的急救车优先通行建模方法，该方法包括如下步骤：(1)将时间Petri网、同步Petri网以及禁止弧的概念相结合，提出时间同步Petri网的定义；(2)基于时间Petri网建立二相位交叉口正常状态模型，用于模拟交叉口红绿灯的变换；(3)通过HPSim软件和可达图分析法验证正常状态模型的正确性；(4)在正常状态模型的基础上基于时间同步Petri网建立二相位交叉口急救车优先通行模型，该模型直观地描述了急救车到达交叉口时红绿灯的变化情况，利于分析和验证，并且易于实现。(5)通过HPSim软件和可达图分析法验证急救车优先通行模型的正确性。

Description

一种基于时间同步Petri网的急救车优先通行建模方法

技术领域

本发明涉及一种Petri网建模方法，尤其涉及一种基于时间同步Petri解决急救车优先通行的建模方法。

技术背景

对于急救车而言，正常状态下交叉口的信号控制会延误其行程，无法保证其优先通行的权利。在国内外的研究中，关于交叉口的优先通行策略，大多针对公交车，针对急救车的研究较少。但急救车与公交车有着本质区别：急救车应该有比公交车更高级的优先权。因此，公交车辆的交叉口信号控制策略不适用于急救车，公交车辆的优先属于信号优先的范畴，而急救车辆的优先属于强制优先的范畴。

另外，国内外对交叉口急救车优先通行的研究主要针对急救车到达时刻，应该采取什么样的策略以保证其优先通行。现有的急救车优先通行交通灯系统的缺点是若信号灯转换控制不当，可能导致横向车流反应不及，进而衍生碰撞危险。并且没有考虑到交叉口处车辆拥堵的情况，若在急救车到达时刻才实施相应的优先权措施，可能会因为急救车前面拥堵车辆的阻碍而造成一定的延误。

发明内容

为了克服上述现有急救车优先通行交通控制方法的不足，本发明提供了一种基于时间同步Petri网的急救车优先通行建模方法。

本发明所采用的技术方案是：

(1)将时间Petri网和同步Petri网以及禁止弧的概念结合，提出时间同步Petri网的定义。

定义：时间同步Petri网是一个七元组，TSPN＝(P，T，F，M，I，H，E)，其中：

1)P＝(p₁，p₂，...，p_m}，为有限库所集；

2)T＝{t₁，t₂，...，t_n}，为有限变迁集，可以分为三个子集T_l、T_e和T_d，分别代表瞬时变迁集、事件变迁集和确定变迁集，

3)为输入弧和输出弧的集合；

4)M：P→N为标识函数(初始标识记为M₀)；

5)为P指向T的禁止弧，即禁止弧用一端有空心圆点的线段表示；

6)H：T_d→R⁺，为时间函数，规定定时变迁的触发延迟时间，R⁺是非负实数集；

7)E＝{E₁，E₂，...，E_i}，为事件集合，规定一旦事件发生，与其关联的事件变迁在满足使能的条件下就会同步触发。

(2)基于时间Petri网建立二相位交叉口正常状态模型，正确模拟二相位交叉口每个相位红绿灯的变化和持续时间。

(3)通过可达图对正常状态模型性能进行分析。

(4)通过HPSim软件验证正常状态模型的正确性。

(5)在正常状态模型的基础上基于时间同步Petri网建立二相位交叉口急救车优先通行模型，实现急救车到达交叉口等待线前，通过调整、延长绿灯时间来排除急救车前面排队的车辆，达到优先通行的目的。

该模型对急救车到来分两种情况进行考虑：情况一，若急救车司机判断当前道路拥堵，则按下按钮请求优先通行，信号控制器接收到司机的请求信号会将急救车通行方向变为绿灯，其余方向变为红灯。等传感器检测到急救车到达交叉口时，信号控制器将交叉口四个方向变为红灯，禁止其余车辆通行，只允许急救车通过。等传感器检测到急救车离开交叉口，则信号控制器会恢复原来正常状态下的信号控制。情况二，若急救车司机判断当前道路畅通，则等急救车到达交叉口时，交叉口四个方向变为红灯，急救车离开后恢复正常状态。

(6)通过可达图对急救车优先通行模型性能进行分析。

(7)通过HPSim软件验证急救车优先通行模型的正确性。

与现有方法相比，本发明基于时间同步Petri网对交叉口信号控制进行建模，其有益效果是：该模型能通过图形化的方式直观形象的反映信号灯的运行过程，有效克服了一般方法复杂、抽象、难懂的缺点，简单易懂、易于执行。另外，功能上该模型能及时调整交叉口信号灯，疏散拥堵车辆，确保急救车到达交叉口前道路的畅通，减少了急救车在交叉口的延误时间，实现急救车的优先通行。为解决急救车优先通行问题，提供新的思路。

附图说明：

图1为正常状态二相位TPN模型示意图

图2为正常状态二相位TPN模型的可达图

图3为正常状态二相位TPN模型的HPSim软件验证

图4为急救车优先通行模型示意图

图5为传感器分布图

图6为急救车优先通行模型的可达图

图7为急救车优先通行模型的HPSim软件验证

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步描述。

(1)根据时间同步Petri网的定义，设TSPN＝(P，T，F，M，I，H，E)。

(2)假设某一“二相位交叉口”正常状态下每个相位红绿灯的变化和持续时间规则如下：东西红灯南北绿灯占30秒，东西红灯南北黄灯占3秒，东西南北都是红灯共占4秒，东西绿灯南北红灯占30秒，东西黄灯南北红灯占3秒，一个信号灯转换周期为70秒。基于时间Petri网建立二相位交叉口正常状态模型，如图1所示。

图1中的模型描述了二相位交叉口处于正常状态下，其信号灯的变换过程。初始状态为东西南北都是红灯(即只有p₃、p₆，p₈包含托肯)；5秒后t₁触发，p₁获得托肯，南北绿灯亮，允许车辆向南、向北通行；在绿灯亮了30秒后，t₂触发；绿灯灭，p₂和p₇分别获得一个托肯，南北黄灯亮；3秒后t₃触发，托肯进入p₃，南北红灯亮；保持2秒红灯重叠后t₄触发(到此东西方向一直是红灯，并保持了40秒)，P₆和p₇中的托肯转移到p₄中，东西绿灯亮；东西绿灯亮30秒后，t₅触发，p₅获得托肯，黄灯亮；黄灯维持3秒后，托肯回到p₆中，又变回初始东西南北都是红灯状态，接着按照上述过程循环变换。

(3)通过“可达图”对图1所示的正常状态二相位TPN模型的性能进行分析，可知该模型是无死锁的、可逆的，如图2所示。

(4)通过“HPSim软件”验证图1所示的正常状态二相位TPN模型的正确性，如图3所示。由软件仿真过程可知，该模型是安全的、正确的，能完整的呈现正常状态下信号灯的变换过程。

(5)在正常状态模型的基础上基于时间同步Petri网建立二相位交叉口急救车优先通行模型，如图4所示。

图4的模型中，交叉口检测传感器放置如图5所示。若交叉口此时是东西红灯、南北绿灯，即只有库所p₁和p₆中有托肯时，可以分为三种情况考虑：

(a)若南北方向车辆很多，且急救车从南北方向驶来，并发射优先通行信号，表明事件Ens发生。在此时的标识状态下，与其关联的变迁只有变迁t₇可以触发(与事件关联的另外一个变迁t₁₁由于其输入库所p₄中没有托肯，不符合变迁触发规则，因此t₁₁不满足触发条件)，p₁₁获得托肯。根据禁止弧规则，当库所p₁₁中存在托肯时，禁止变迁t₂触发，则交叉口信号灯会一直保持东西红灯，南北绿灯，允许急救车前面排队车辆通过交叉口，达到疏散拥堵车辆的目的。等传感器Na或Sa检测到急救车到达交叉口时，表示事件Ei发生。变迁t₈触发，p₁中的托肯转移到p₂和p₉中，过了3秒变迁t₃触发，库所p₃获得托肯，此时东西南北红灯，只允许急救车通行。接着，传感器So检测到急救车离开交叉口，即事件Eo发生，与其关联的变迁只有t₁₀满足触发条件(t₉、t₁₅以及t₁₆都不符合变迁触发规则)，p₉、p₁₁和p₆中的托肯都转移到库所p₄中，此时信号灯为东西绿灯、南北红灯，即回到原来状态。

(b)若东西方向车辆很多，且急救车从东西方向驶来，并发射优先通行信号，表明事件Ewe发生。按照此时标识状态，与其关联的两个变迁t₁₃和t₁₄都满足触发条件，变迁t₁₃触发，使得库所p₁₂获得托肯，变迁t₁₄触发，使得托肯从库所p₁中转移到库所p₂和p₇中。过三秒后，变迁t₃触发，托肯从p₂转移到p₃中。再过两秒，变迁t₄触发，库所p₆和p₇中的托肯转移p₄到中，此时东西绿灯，南北红灯，允许急救车前面排队的车辆通过交叉口，疏散拥堵。等传感器Wa或Ea检测到急救车到达交叉口时，意味着事件Ei发生，此时与其关联的变迁t₁₂触发(而另外一个相关联的变迁t₈，由于其输入库所p₁中不包含库所，因此不能触发)，P₄中的托肯转移到p₅和p₁₀中。过3秒t₆触发，p₅中的托肯转移给p₆。此时东西南北都是红灯，只允许急救车通过。接着，传感器So检测到急救车离开交叉口，即事件Eo发生，与其关联的变迁只有t₁₅满足触发条件(t₉、t₁₀以及t₁₆都不符合变迁触发规则)，p₃、p₁₀和p₁₂中的托肯都转移到库所p₁中。此时信号灯为东西红灯、南北绿灯，即回到原来状态。

(c)当道路畅通时，急救车可以很快到达交叉口，表示事件Ei发生，则变迁t₈触发，库所p₁中的托肯转移到库所p₉和p₂中，南北方向由绿灯变为黄灯。3秒后，变迁t₃触发，p₃获得托肯，南北方向由黄灯变为绿灯，此时东西南北四个方向都是红灯，禁止其余车辆通行，只允许急救车通过。等传感器So检测到急救车离开交叉口，即事件Eo发生，此时只有t₉满足触发条件，托肯从p₃中转移到p₁中，南北方向变为绿灯，重新回到原来状态。

若交叉口此时是东西绿灯、南北红灯，即只有库所p₃和p₄中有托肯时，与上述情况类似同样可以分为三种情况考虑。

(6)通过“可达图”对图2所示的急救车优先通行模型性能进行分析，可知该模型是无死锁的、可逆的，如图6所示。

(7)通过“HPSim软件”验证图2所示的急救车优先通行模型的正确性，如图7所示。由软件仿真过程可知，该模型是安全的、正确的，能够及时调整信号灯状态，保证急救车的优先通行。

本发明的核心技术要点之一在于采用了时间同步Petri网解决急救车优先通行问题，利用Petri在模拟具有并发、异步、同步、冲突、随机等特性的交通控制系统方面的优越性，直观形象的描述了信号灯的运行过程。核心技术要点之二在于在时间同步Petri网中添加了禁止弧的概念，增加了网模型的灵活性，使模型多了限制触发的功能。

Claims (1)

1.一种基于时间同步Petri网的急救车优先通行建模方法，其特征在于，包括如下部分：

(1)将时间Petri网和同步Petri网以及禁止弧的概念结合，提出时间同步Petri网的定义。

定义：时间同步Petri网是一个七元组TSPN＝(P，T，F，M，I，H，E)，其中：

1)P＝{p₁，p₂，...，p_m}，为有限库所集；

2)T＝{t₁，t₂，...，t_n}，为有限变迁集，可以分为三个子集T_t、T_e和T_d，分别代表瞬时变迁集、事件变迁集和确定变迁集，

3)为输入弧和输出弧的集合；

4)M：P→N为标识函数(初始标识记为M₀)；

5)为卢指向T的禁止弧，即禁止弧用一端有空心圆点的线段表示。

6)H：T_d→R⁺，为时间函数，规定定时变迁的触发延迟时间，R⁺是非负实数集；

7)E＝{E₁，E₂，...，E_i}，为事件集合，规定一旦事件发生，与其关联的事件变迁在满足使能的条件下就会同步触发。

(2)基于时间Petri网建立二相位交叉口正常状态模型，正确模拟二相位交叉口每个相位红绿灯的变化和持续时间。

(3)通过可达图对正常状态模型性能进行分析；

(4)通过HPSim软件验证正常状态模型的正确性；

(5)在正常状态模型的基础上基于时间同步Petri网建立二相位交叉口急救车优先通行模型，实现急救车到达交叉口等待线前，通过调整、延长绿灯时间来排除急救车前面排队的车辆，达到优先通行的目的；

(6)通过可达图对急救车优先通行模型性能进行分析；

(7)通过HPSim软件验证急救车优先通行模型的正确性。