CN105632198A - 基于模糊控制的城市区域道路交通协调控制方法及系统 - Google Patents

基于模糊控制的城市区域道路交通协调控制方法及系统 Download PDF

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CN105632198A
CN105632198A CN201610053215.9A CN201610053215A CN105632198A CN 105632198 A CN105632198 A CN 105632198A CN 201610053215 A CN201610053215 A CN 201610053215A CN 105632198 A CN105632198 A CN 105632198A
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李洪中
陈海燕
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    • GPHYSICS
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    • G08G1/07Controlling traffic signals
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    • G08G1/081Plural intersections under common control

Abstract

本发明涉及一种基于模糊控制的城市区域道路交通协调控制方法及系统,本城市区域道路交通协调控制方法,包括如下步骤:步骤S1,根据城市中的路网状况进行控制区域划分;步骤S2,将划分好的各控制区域分别建立相应两级模糊控制器,以对信号灯进行控制;本发明的区域协调控制方法、区域协调控制系统及城市区域道路交通协调控制方法,其采用两种车辆检测器,实时检测各个平交路口的车流量信息;定义耦合度概念,对城市路网进行控制子区的划分,对划分后的控制子区建立两级模糊控制器,减少了算法的时间复杂度,大大节省了时间,提高了执行的效率;同时实现了全时段的智能化,无需人工干预。

Description

基于模糊控制的城市区域道路交通协调控制方法及系统
技术领域
[0001] 本发明设及一种城市区域道路交通协调控制方法及系统,具体设及一种基于模糊 控制的城市区域道路交通协调控制方法及系统。
背景技术
[0002] 目前平交路口所采用的信号控制方式主要有Ξ种,分别为定时控制方式、感应控 制方式及自适应控制方式。
[0003] (1)定时控制方式是采用预先设定的信号配时方案进行信号控制,不考虑实时的 车辆信息,无法根据车辆到达的数量多少而改变信号配时,其参数是由已知的数据经过一 系列的数学运算推倒出来的,信号是依据周期反复执行的,所W很难反映出交通系统的内 在规律。
[0004] (2)感应控制方式采取的方法是利用线圈检测器采集路网中的交通流量,W此来 计算相位时间,能够客观地反映出交叉路口的动态交通流信息,但是运种方式只对当前相 位的信息进行了考虑,也仅仅使用了简单信号相位延时原理,对遇到红灯时所造成的车辆 滞留并没有给予考虑。
[0005] (3)自适应控制方式是一种先进的智能控制方式,基于智能控制方法进行城市道 路交通信号灯控制是目前城市道路控制最前沿的技术。模糊控制是一种先进的自适应智能 控制方法,其最主要的思想就是使用自然语言来描述模糊控制需要用到的规则库。
[0006] 与本发明技术最接近的方案是中国专利授权公告为CN102521990B,授权公告日为 2013年12月4日的发明专利。公布了一种基于图像处理的智能交通灯的控制方法,该控制方 法依次包括利用FPGA系统模块及其上连接的CMOS图像传感器、外围控制设施、LCD显示模块 和SDRAM存储器的图像采集模块、图象处理模块W及通过模糊控制模块实现的绿灯控制。
发明内容
[0007] 本发明的目的是提供一种区域协调控制方法、区域协调控制系统及城市区域道路 交通协调控制方法,W实现对城市路网交通优化,降低路口等候时间,提高通行效率。
[000引为了解决上述技术问题,本发明提供了一种区域协调控制方法,包括:检测各平交 路口所对应的相应路段上的交通流量信息,W获得各平交路口各相位的实际绿灯延长时间 T2;判断平交路口各相位的最小绿灯时间Gmin、实际绿灯延长时间T2之和与最大绿灯时间Gmax 的关系,W控制各平交路口的绿灯相位。
[0009]进一步,所述区域协调控制方法还包括:初始化,即设置信号灯的信号周期时长的 重复次数η,且η = 0;通过车辆流量检测装置检测各平交路口的交通流量信息状况,确定下 一时段的信号周期时长;设置各平交路口的相位标志位flag,即各平交路口的初始相位标 志位flag = 0,且当初始相位标志位f lag = 1时表示为当前绿灯相位;设定平交路口各相位 的最小绿灯时间Gmin和最大绿灯时间Gmax;设定东西直行方向为各平交路口各个信号周期时 长内的初始相位,且设定东西直行相位、东西左转相位、南北直行相位和南北左转相位的相 位优先级依次从高到低;w及在初始时刻,各平交路口的东西直行相位均设置为最小绿灯 时间Gmin。
[0010]进一步,所述区域协调控制方法还包括:根据各平交路口的相位标志位flag的值 对各平交路口的相位切换,且依据信号灯一周期内的交通流数据信息,计算出下一时段的 信号周期时长。
[0011 ]进一步,所述实际绿灯延长时间T2的方法包括:
[0012]建立两级模糊控制器,即一级模糊控制器FCI、二级模糊控制器FCII;
[0013]所述一级模糊控制器FCI的输入变量分别为Fi (t)和F2 (t),其输出变量为时间Τι; [0014]所述二级模糊控制器FCII的两输入分别为时间Τι和预设信号周期时长的剩余时 间Trest,其输出为实际绿灯延长时间Τ2 ;其中
[001引Fi(t)表示一控制区域内,平交路口(i,j)当前时刻绿灯相位上、下游近端车辆检 测器之间的车辆数之和的最大值减去该平交路口当前时刻红灯相位上、下游远端车辆检测 器之间的车辆数之和的最大值;
[0016] F2(t)表示t时刻时,上一平交路口(iJ+1)与平交路口(i,j)之间路段的车辆数和 下一平交路口(iJ-1)与平交路口(i,j)之间路段的车辆数的最大值。
[0017] 进一步,判断最小绿灯时间Gmin、实际绿灯延长时间T2之和与最大绿灯时间Gmax的 关系,即
[0018] 若Gmh+T2<Gmax,则将实际绿灯延长时间T2作为当前绿灯相位延时时间;
[0019] 若Gmin+T2含Gmax,则当前绿灯相位延时时间为Gmax-Gmin。
[0020] 进一步,在绿灯相应延时时间的末尾,适于通过相位标志位flag进行相位切换; [0021 ]通过相位标志位flag进行相位切换的方法包括:
[0022] 根据采集得到的交通流量数据信息,放行红灯滞留最大的相位为下一时段的绿灯 相位;当有不止1个平交路口的相位标志位f 1 a g = 1时,则按照初始相位的优先级高低顺序 置区域内各平交路口的下一个绿灯相位;并且置下一绿灯相位的初始绿灯时间为Gmin。
[0023] 又一方面,本发明提供了一种区域协调控制系统,包括:
[0024] -车辆流量检测装置,用于检测各平交路口的相应路段上的交通流量信息;
[0025] 与该车辆流量检测装置相连的控制模块,该控制模块分别与各平交路口的信号灯 控制器相连;其中
[0026] 所述控制模块适于根据获得的交通流量信息,计算出各平交路口各相位的的实际 绿灯延长时间T2,并判断平交路口各相位的最小绿灯时间Gmin、实际绿灯延长时间T2之和与 最大绿灯时间Gmax的关系,W控制各平交路口的绿灯相位。
[0027] 进一步,所述车辆流量检测装置包括:在平交路口各个路段上分别设有车辆流量 检测装置,所述车辆流量检测装置包括:近端车辆检测器和远端车辆检测器;其中
[0028] 近端车辆检测器采用摄像探头,远端车辆检测器采用环形线圈车辆传感器。
[0029] 第Ξ方面,本发明提供了一种城市区域道路交通协调控制方法,包括如下步骤:
[0030] 步骤S1,根据城市中的路网状况进行控制区域划分;
[0031] 步骤S2,将划分好的各控制区域分别建立相应两级模糊控制器,W对信号灯进行 控制。
[0032] 进一步,所述的城市区域道路交通协调控制方法,所述步骤S1中根据城市中的路 网状况进行控制区域划分的方法包括:
[0033] 步骤S11,初步划分,即根据路网中两平交路口间的连线长度L,对城市路网的平交 路口群进行初步划分;
[0034] 步骤S12,细分,即根据路网中各平交路口之间相关度,定义其禪合度,且依据该禪 合度对初步划分后的较大控制区域进行细分,直到控制区域内的各平交路口之间有较大的 相关性时,停止划分;其中
[0035] 所述步骤S12中禪合度的获得方法包括:
[0036] 将影响交通控制区域划分的各因素各自集合,W得到各平交路口之间相关度的评 价准则,即相邻平交路口间距L、交通流量q、排队长度Q和信号周期时长C;
[0037] 将平交路口(i,j)的各指标值组成的矢量称为该平交路口的禪合矢量将其 表示如公式(1)所示:
[00:3 引
Figure CN105632198AD00071
(1);
[0039] 且禪合矢量取模值
Figure CN105632198AD00072
其中,K为正比例关系符号;
[0040] 其中,若相邻平交路口间距L越大,则yU'Jl越小,表示平交路口之间相关度越小;而 交通流量q越大、排队长度Q越长、信号周期时长C越接近,则越大,平交路口之间的相关 度越大;
[0041 ]根据两个相关平交路口,即平交路口( i,j)、上一平交路口( i,j+1)相关度的禪合 矢量和yUj+u,两平交路口之间的禪合度明戸化"由公式(2)得出:
Figure CN105632198AD00073
(2)[0043] 所述禪合度明:说。沪"''",^心'+。)巨的,1],禪合度越大,则相互禪合的平交路口之 间的相关程度越大,并划分到同一个控制区域进行控制;
[0042]
[0044] 上式中
Figure CN105632198AD00074
是两个常量,1非< + w,i含Q含+W,卫
Figure CN105632198AD00075
I · I |p和II · I Iq分别是各个矢量的P范数和Q范数,i = i、 2、......、M,j = l、2、......、N;W 及
[0045] 所述步骤S2将划分好的各控制区域分别建立相应两级模糊控制器,W对信号灯进 行控制的方法采用所述的区域协调控制方法。
[0046] 本发明的有益效果是,本发明的区域协调控制方法、区域协调控制系统及城市区 域道路交通协调控制方法,其采用两种车辆检测器,实时检测各个平交路口的车流量信息; 定义禪合度概念,对城市路网进行控制子区的划分,对划分后的控制子区建立两级模糊控 制器,减少了算法的时间复杂度,大大节省了时间,提高了执行的效率;同时实现了全时段 的智能化,无需人工干预。
[0047] 有效缓解客流高峰期的拥挤情况,减少车辆在控制子区域内的平均排队长度,从 而大大降低了车辆的平均延误时间。
[0048] 减少车辆在平交路口处停车时间,甚至不停车通过,减少车辆停车重启的次数,有 效的节约能源,同时也减少环境污染。
[0049] 该方案除利用到车辆传感器外,无其他较大经济投入,成本合理可控,易于实现。
[0050] 该方案具有可扩展性,可利用其它更加的先进的算法进行优化,如免疫算法,可更 好的控制交通客流。
附图说明
[0051] 下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
[0052] 图1是城市路网各平交路口位置标识示意图;
[0053] 图2是多路口控制子区划分示意图;
[0054] 图3是平交路口车辆检测器设置示意图;
[0055] 图4是车道编号及其车流方向示意图;
[0056] 图5是两级模糊控制器的结构示意图;
[0057] 图6(a)为输入变量Fi(t)的隶属函数图,图6(b)为输入变量F2(t)的隶属函数图,图 6(c)为输出变量Τι的隶属函数图;
[0058] 图7(a)为输入变量Τι的隶属函数图,图7(b)为输入变量Trest的隶属函数图,图7(c) 为输出变量T2的隶属函数图;
[0059] 图8(a)为东西直行相位示意图,图8(b)为东西左转相位示意图,图8(c)为南北直 行相位示意图,图8(d)南北左转相位示意图;
[0060] 图9是本区域协调控制方法的系统框图。
具体实施方式
[0061] 现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。运些附图均为简化的示意图,仅W 示意方式说明本发明的基本结构,因此其仅显示与本发明有关的构成。
[0062] 本发明首先就城市范围内复杂的路网状况进行控制区域划分,然后就划分好的各 个控制区域分别建立两级模糊控制器W进行控制。其中,对于模糊控制器中的模糊控制最 主要的思想是利用自然语言来描述模糊控制需要用到的规则库,也即对模糊规则的确定; 本发明模糊控制器的输入变量分别来源于各平交路口处设置的两类车辆传感器所采集的 车流量信息。通过设计两级模糊控制器的控制方法很好地实现了各个平交路口的交通流的 控制,进而达到对整个城市路网范围内各区域协调控制的目的。
[0063] 实施例1
[0064] 如图1所示,本发明的一种城市区域道路交通协调控制方法,包括如下步骤:
[0065] 步骤S1,根据城市中的路网状况进行控制区域划分;
[0066] 步骤S2,将划分好的各控制区域分别建立相应两级模糊控制器,W对信号灯进行 控制。
[0067] 其中,所述步骤S1中根据城市中的路网状况进行控制区域划分的方法包括:
[0068] 步骤S11,初步划分,即根据路网中两平交路口间的连线长度L,对城市路网的平交 路口群进行初步划分;
[0069] 具体的,图1为一个MXN的城市路网平交路口群示意图,假设运个交通路网由东西 和南北纵横交错的道路组成,东西向道路从北到南依次记为:EWi、E化、…、EWm;南北向道路 从西到东依次记为:S化、S化、…、SNn ;道路EWi与SNj相交的平交路口记为(i,j),其中i = 1, 2,. . . ,Μ; j = l ,2,. . . ,Ν。
[0070] 例举两个相邻平交路口加 W说明,即平交路口(i,j)和上一平交路口(iJ+1)的间 距/每方"大于预设阔值(该阔值一般取800m)时,将运两个平交路口划分到不同的控制区 域;反之亦然。
[0071] 步骤S12,细分,即根据路网中各平交路口之间相关度,定义其禪合度,且依据该禪 合度对初步划分后的较大控制区域进行细分,直到控制区域内的各平交路口之间有较大的 相关性时,停止划分;其中
[0072] 所述步骤S12中禪合度的获得方法包括:
[0073] 相邻平交路口之间的相关度是定量化描述相邻平交路口之间的相关性的交通参 量,综合反映了相邻平交路口之间交通信号控制需求差异和路网交通运行情况对相邻平交 路口相关性的客观影响。
[0074] 将影响交通控制区域划分的各因素各自集合,W得到各平交路口之间相关度的评 价准则,即相邻平交路口间距L、交通流量q、排队长度Q和信号周期时长C;
[0075] 将平交路口(i,j)的各指标值组成的矢量称为该平交路口的禪合矢量将其 表示如公式(1)所示:
[0076]
Figure CN105632198AD00091
(1);
[0077] 且禪合矢量取模隹
Figure CN105632198AD00092
:其中,K为正比例关系符号;
[007引其中,若相邻平交路口间距L越大,则越小,表示平交路口之间相关度越小;而 交通流量q越大、排队长度Q越长、信号周期时长C越接近,则越大,平交路口之间的相关 度越大;
[0079] 根据两个相关平交路口,即平交路口( i,j)、上一平交路口( i,j+1)相关度的禪合 矢量和两平交路口之间的賴合度町'引。少心由公式(2)得出:
Figure CN105632198AD00093
[0080] (2)
[0081] 所述禪合度巧';Γ旷e EiUl,且禪合度越大,则相互禪合的平交路口 之间的相关程度越大,且划分到同一个控制区域进行控制;
[0082] 上式中,
Figure CN105632198AD00094
是两个常量,1非< + w,i含Q含+W,且
Figure CN105632198AD00095
II · I Ip和II · I Iq分别是各个矢量的P范数和Q范数。
[0083] 下面例举控制区域划分的具体实例,来详细阐述应用禪合度划分控制区域的方 法。
[0084] 图2给出了一个简单的多路口控制区域,各平交路口右上数据表示该路口信号周 期时长C;右下数据表示相邻平交路口间距L。表1给出了各关联路段的交通流量q及其车辆 排队长度Q。
[0085] 表1关联路段的交通流量及其车辆排队长度信息
[0086]
Figure CN105632198AD00101
[0087]根据图2五路口城市路网和表1给出的数据信息,可W对该区域进行控制区域划 分:
[008引初步划分:首先跟据相邻交叉口间距巧贵1)进行初步划分,因为/4掛>800m,可直接 将(i,l)单独划分为一个控制区域1,。,2)、。,3)、。,4)、。,5)初划到一个控制区域11;
[0089] 再次细分:然后根据禪合度对控制区域II再进行划分。各交叉口禪合矢量分别为:
[0090] V(i'2) = (600,500,25,120)
[0091] V(W) =巧 50,550,30,115)
[0092] V(i,4) = (450,500,20,110)
[0093] V。'己) = (400,450,15,110) (3)
[0094] 归一化后为:
[0095] V(i'2) = (0.3,0.25,0.28,0.27)
[0096] V。' 3) = (0.275,0.275,0.33,0.25)
[0097] V(i'4) = (0.225,0.25,0.22,0.24)
[009引 V(i'5) = (0.2,0.225,0.17,0.24) (4)
[0099] 控制区域II四个交叉口两两结合由归一化禪合矢量可得到6个禪合度:
Figure CN105632198AD00102
Figure CN105632198AD00111
[0106] 若给定一个阔值化igh = 0.80, w上禪合度皆不小于该阔值,说明控制区域II各交 叉口相关程度很大,可W禪合,所W可W将控制区域II划分在同一个控制区域内进行协调 控制。
[0107] 所述步骤S2将划分好的各控制区域分别建立相应两级模糊控制器,W对信号灯进 行控制的方法采用区域协调控制方法,该区域协调控制方法将在随后的实施例中将W详细 说明。
[010引实施例2
[0109] 本实施2提出了一种区域协调控制方法,包括
[0110] 检测各平交路口所对应的相应路段上的交通流量信息,W获得各平交路口各相位 的实际绿灯延长时间了2 ;
[0111] 判断平交路口各相位的最小绿灯时间Gmin、实际绿灯延长时间T2之和与最大绿灯 时间Gmax的关系,W控制各平交路口的绿灯相位。
[0112] 其中,所述交通流量信息通过车辆流量检测装置获得,具体的,所述车辆流量检测 装置包括:在平交路口各个路段上分别设有车辆流量检测装置,所述车辆流量检测装置包 括:近端车辆检测器和远端车辆检测器;其中近端车辆检测器采用摄像探头,远端车辆检测 器采用环形线圈车辆传感器。
[0113] 本系统采用车辆传感器对各个平交路口的车流量信息进行数据的采集,如图3给 出了平交路口模糊控制器车辆检测器设置示意图。十字形平交路口分为A、B、C、D四个路段, 每个路段上都设置两个车辆检测器,即近端摄像头(图3中分别用41、81、(:1、01表示)和环形 线圈检测器(图3中分别用42、82八2、02表示),其中近端检测器用于检测绿灯期间车辆通过 平交路口的交通流信息,远端检测器用于检测红灯期间在停车线处等待的车辆交通流信 息。环形线圈车辆传感器与近端摄像头之间的间距依据实际的路网信息确定,一般两者间 距取200m。
[0114] 关于区域协调控制方法中初始化设置等步骤将在后续实施例中详细展开。
[0115] 所述实际绿灯延长时间T2的方法包括:
[0116] 建立两级模糊控制器,即一级模糊控制器FCI、二级模糊控制器FCII;
[0117] 所述一级模糊控制器FCI的输入变量分别为Fi(t)和F2(t),其输出变量为时间Τι; [011引所述二级模糊控制器FCII的两输入分别为时间Τι和预设信号周期时长的剩余时 间Trest,其输出为实际绿灯延长时间Τ2 ;其中
[0119] Fi(t)表示一控制区域内,平交路口(i,j)当前时刻绿灯相位上、下游近端车辆检 测器之间的车辆数之和的最大值减去该平交路口当前时刻红灯相位上、下游远端车辆检测 器之间的车辆数之和的最大值;
[0120] F2(t)表示t时刻时,上一平交路口(i,j+l)与平交路口(i,j)之间路段的车辆数和 下一平交路口(iJ-1)与平交路口(i,j)之间路段的车辆数的最大值。
[0121] 下面给出两级模糊控制器的具体实现过程:
[0122] Fl(t)=Xmax-Ymax (11)
[0123] 其中,X为区域内各自然平交路口当前时刻绿灯相位上、下游车辆检测器之间的车 辆数之和,Xmax为其最大值;Y为区域内各自然平交路口当前时刻红灯相位上、下游车辆检测 器之间的车辆数之和,Ymax为其最大值。
[0124] 不失一般性,设平交路口各路段至少为双向6车道,等待左拐的车辆占据里侧车 道,右拐车辆使用外侧车道,中间车道为等待直行的车辆使用。各交叉口的所有车道统一编 号,令车道号为d,则d = l,2,…,12,如图4所示。此处规定同向交通流使用一个车道号。
[01 巧]
Figure CN105632198AD00121
(12)
[0126] 其中,始/;并读示t时刻,上一平交路口( i,j+1)到平交路口( i,j)中间路段的车 辆数;
[0127] 姐戈。(〇表示t时刻,下一平交路口到平交路口(i,j)中间路段的车辆数;
[0128] W上各参量的计算分别如下:
Figure CN105632198AD00122
[0133] 其中,/,二'二,d(f)表示在t-At时段内在第d车道区域内从上一平交路口(i,j+l)驶 入平交路口(i,j)的车辆数;
[0134] 表示在t-At时段内从上一平交路口(i,j + l)的第d车道区域内驶出到 平交路口(i,j)的车辆数;
[0135] Ag'/ii.h表示在t-At时段内从上一平交路口(i,j+l)驶出到平交路口(i,j)的车 辆分流系数,X表示相位,X = 1,2,3,4 (1表示东西直行,2表示东西左转,3表示南北直行,4表 示南北左转;本实施例未考虑右转相位,故而无右转相位分流系数。具体相位分布见图8(a) 至图8(d))。t-Δt表示一段时间(各个相位的间隔时间)。Δ表示时间间隔。
[0U6]
Figure CN105632198AD00123
其中,1表示当东西直行相位为绿灯时,日表示其他时刻;
[0137]
Figure CN105632198AD00131
其中,1表示当南北左转相位为绿灯时,:ο表示其他时刻。
[0138] -级模糊控制器FCI的输出变量为时间Ti,同时Τι作为二级模糊控制器FCII的一个 输入;二级模糊控制器FCII的另一个输入为预设信号周期时长的剩余时间Trest。最终的输 出变量为T2,表示实时绿灯时长的延时输出,最后叠加预设的最小绿灯时间Gmin,最终得到 实际相位的绿灯输出时间T,两级模糊控制器的结构示意图如图5所示。
[0139] 并且,两级模糊控制器的设计包括:模糊控制器输入输出变量的设计、各变量隶属 函数的设计、模糊规则的设计、模糊控制器最终输出结果。
[0140] 所述模糊控制器输入输出变量的设计中包括:一级模糊控制器的设计、二级模糊 控制器的设计。
[0141] -级模糊控制器的设计,即设输入辅助变量Fi(t)论域为[0,80],在此论域上定义 屯个模糊子集{很少(VF)、少(F)、较少(MF)、中(M)、较多(MR)、多(R)、很多(VR)};输入辅助 变量F2(t)论域为[0,200],在此论域上定义屯个模糊子集{很少(VF)、少(F)、较少(MF)、中 (M)、较多(MR)、多(R)、很多(VR)};输出变量Τι的论域为[0,25],在此论域上定义六个模糊 子集{:零(Ζ)、很短(VS)、短(S)、中(Μ)、长化)、很长(VL)}。模糊集的定义如表2所示。
[0142] 表2-级模糊集合的定义
[0143]
Figure CN105632198AD00132
[0144] 二级模糊控制器的设计,即设输入变量Trest和Τι的论域为[0,25],在此论域上定义 六个模糊子集{:零(Ζ)、很短(VS)、短(S)、中(Μ)、长化)、很长(VL)}。类似处理输出变量Τ2。模 糊集的定义如表3所示。
[0145] 表3二级模糊集合的定义
[0146]
Figure CN105632198AD00133
[0147] ~所述各变量隶属函数的设计包括:一级模糊控制器各变量隶属函数的设计、二级~ 模糊控制器各变量隶属函数的设计。图6、7分别给出了各级模糊控制器的隶属函数。
[0148] 图6给出了FCI各变量的隶属函数:图6(a)为输入变量Fi(t)的隶属函数;图6(b)为 输入变量F2(t)的隶属函数;图6(c)为输出变量Τι的隶属函数;
[0149] 图7给出了FCII各变量的隶属函数:图7(a)为输入变量Τι的隶属函数;图7(b)为输 入变量Trest的隶属函数;图7(c)为输出变量Τ2的隶属函数。
[0150] 所述模糊规则的设计包括:一级模糊控制规则的设计、二级模糊控制规则的设计。
[0151 ] -级模糊控制规则的设计,即辅助输入变量Fl(t) =Xmax-Ymax反应车辆在各个平交 路口能够较多通过车辆的特点。如果从上游驶出较多车辆,则需要相应的延长当前相位的 绿灯时间,用来疏导区域内上游交通;假若下游的车辆数量不断增多,为了保证道路杨通, 应适当控制下游路段的绿灯时长。辅助输入变量F2( t )为平交路口入口与出口的车辆数的 差值。根据W上分析,得出区域协调控制一级模糊控制规则表如表4所示。
[0152] 表4 一级模糊控制规则表
[0153]
Figure CN105632198AD00141
[0154] 二级模糊控制规则的设计,即经过一级模糊系统后其输出为当前相位绿灯持续时 间,如果该持续时间越长,说明该相位存在相当大的交通需求,整个系统的绿灯延长时间T2 就要设置为较大的值;反之,采取相应的设计思路,区域协调控制二级模糊控制如表5所示。 [01W]表5二级模糊控制规则表
[0156]
Figure CN105632198AD00142
[0157] 模糊控制器最终输出结果。输出变量T2可采用MATLAB仿真得到。将输出变量T2的所 有结果进行汇总,得到最终的模糊控制输出查询表,如表6所示。
[0158] 表6模糊控制输出查询表
[0159]
Figure CN105632198AD00143
[0160] 实施例3
[0161] 本实施例3提供了一种区域协调控制系统,包括:一车辆流量检测装置,用于检测 各平交路口的相应路段上的交通流量信息;与该车辆流量检测装置相连的控制模块,该控 制模块分别与各平交路口的信号灯控制器相连;其中所述控制模块适于根据获得的交通流 量信息,计算出各平交路口各相位的实际绿灯延长时间T2,并判断平交路口各相位的最小 绿灯时间Gmin、实际绿灯延长时间T2之和与最大绿灯时间Gmax的关系,W控制各平交路口的 绿灯相位。
[0162] 所述控制模块包括:初始化单元,即设置信号灯的信号周期时长的重复次数n = 0, 且n = 0;通过车辆流量检测装置检测各平交路口的交通流量信息状况,确定下一时段的信 号周期时长;
[0163] 设置各平交路口的相位标志位flag,即各平交路口的初始相位标志位为flag = 0, 且当初始相位标志位f lag = 1时表示为当前绿灯相位;
[0164] 设定平交路口各相位的最小绿灯时间Gmin和最大绿灯时间Gmax;
[0165] 设定东西直行方向为各平交路口各个信号周期时长内的初始相位,且设定东西直 行相位、东西左转相位、南北直行相位和南北左转相位的相位优先级依次从高到低;W及
[0166] 在初始时刻,各平交路口的东西直行相位均设置为最小绿灯时间Gmin。
[0167] 所述控制模块还适于根据各平交路口相位标志位flag的值对各平交路口的相位 切换,且依据信号灯一周期内的交通流数据信息,计算出下一时段的信号周期时长。
[0168] 所述控制模块还包括:
[0169] 两级模糊控制器,即一级模糊控制器FCI、二级模糊控制器FCII;
[0170] 所述一级模糊控制器FCI的输入变量分别为Fi(t)和F2(t),其输出变量为时间Τι;
[0171] 所述二级模糊控制器FCII的两输入分别为时间Τι和预设信号周期时长的剩余时 间Trest,其输出为实际绿灯延长时间Τ2 ;其中
[0172] Fi(t)表示一控制区域内,平交路口(i,j)当前时刻绿灯相位上、下游近端车辆检 测器之间的车辆数之和的最大值减去该平交路口当前时刻红灯相位上、下游远端车辆检测 器之间的车辆数之和的最大值;
[0173] F2(t)表示t时刻时,上一平交路口(i,j+l)与平交路口(i,j)之间路段的车辆数和 下一平交路口(iJ-1)与平交路口(i,j)之间路段的车辆数的最大值。
[0174] 所述控制模块还包括:判断单元,其适于判断最小绿灯时间Gmin、实际绿灯延长时 间T2之和与最大绿灯时间Gmax的关系;
[01巧]所述判断单元包括:
[0176] 若Gmi^2<Gmax,则将实际绿灯延长时间T2作为当前绿灯相位延时时间;
[0177] 若Gmin+T2 > Gmax,则当前绿灯相位延时时间为Gmax-Gmin。
[0178] 在绿灯相应延时时间的末尾,所述控制模块适于通过相位标志位flag进行相位切 换;即
[0179] 根据采集得到的交通流量数据信息,放行红灯滞留最大的相位为下一时段的绿灯 相位;当有不止1个平交路口的flag=l时,则按照初始相位的优先级高低顺序置区域内各 平交路口的下一个绿灯相位;并且置下一绿灯相位的初始绿灯时间为Gmin。
[0180] 所述控制模块还适于依据信号灯一周期内的交通流数据信息,计算出下一时段的 信号周期时长。
[0181] 实施例4
[0182] 通过本实施例4对区域协调控制方法的整个算法流程进行展开。
[0183] 为了使区域内交通能够达到较好的协调控制效果,区域内各信号灯应使用相同的 信号周期时长,并且需要持续一定时间,运样可W防止信号周期变化频繁给系统造成较大 的控制压力。根据控制区域域内路况信息,令其信号周期时长的重复次数n = N,当n = n+l超 预设的最大N值时,进行信号周期时长调整。W相位标志位flag来标示系统内某一特定相位 的通行权状态,f lag = 0表示该相位为红灯状态,f lag = 1表示该相位取得通行权。
[0184] W下分析整个控制过程如下:首先,对系统状态信息参数进行初始化,各平交路口 传感器检测各自交通流信息,经两级模糊控制器处理后,输出实际绿灯延长时间T2,判断平 交路口各相位的最小绿灯时间Gmiη、实际绿灯延长时间T 2之和与最大绿灯时间Gmax的关系, 据此决定各平交路口绿灯相位显示。随后,根据各平交路口相位标志flag的值判定各个相 位间的切换。最后,依据信号灯一周期内的交通流数据信息,计算出下一时段的信号周期时 长。
[0185] 两级区域协调模糊控制算法具体的流程步骤如图9所示:
[0186] St邱1初始化:设置n = 0,车辆检测器检测各平交路口的交通流量信息状况,确定 下一时段的信号周期时长C;设置各平交路口的初始相位标志为flag = 0,令初始相位标志 为1时为当前绿灯相位;设定平交路口各相位的最小绿灯时间Gmin和最大绿灯时间Gmax。
[0187] 系统设定东西直行方向为各平交路口各个信号周期时长内的初始相位,即如相位 分布图8所示的相位1(预定义相位的优先级由高到低的顺序为:东西直行相位、东西左转相 位、南北直行相位和南北左转相位)。初始时刻,各平交路口的东西直行相位均设置为最小 绿灯时间Gmin。
[01 88] Step2在当前相位的绿灯时间末,根据采集到的车流量相关信息计算出Xmax、Ymax及 其平交路口之间的路段交通流量妃二诉),始況"制、損;乃成妃方1唯)(相关计算过 程参见上述实施例);从而得到模糊输入辅助变量Fl(t)和F2(t)。在一级模糊控制器中,使用 输入辅助变量Fi(t)和F2(t)W及系统的模糊规则决定系统输出的模糊变量Ti,即为输出变 量为时间。
[0189] Step3二级模糊控制器的输入变量根据一级模糊控制输出结果Τι和预设信号周期 时长的剩余时间Trest确定,由模糊逻辑推理计算出各平交路口实际绿灯延长时间Τ2。
[0190] St邱4判断Gmin+T2与Gmax的关系:
[0191] 若有:
[0192] Gmin+T2<Gmax (17)
[01 W]此时,将当前相位直接延时T2;跳到steps。
[0194]若有:
[01 巧]Gmin+T2>Gmax (18)
[0196] 此时,将当前相位延时Gmax-Gmin ;跳到steps。
[0197] steps在绿灯延时期间化或Gmax-Gmin)的末尾,根据相位标志位flag状态判断各平 交路口的相位切换:根据采集得到的交通流量数据信息,放行红灯滞留最大的相位为下一 时段的绿灯相位;当有不止1个平交路口的flag=l时,则按照stepl预定义相位的优先级高 低顺序置控制区域内各平交路口的下一个绿灯相位。并且置下一绿灯相位的初始绿灯时间 为 Gmino
[0198] St邱6令n = n+l,判断η与N的关系。如果n〉N,转Step7;否则,返回Step2。
[0199] Step7根据该段时间内的交通流量数据信息情况,计算出下一时段的信号周期时 长,返回Stepl。
[0200] 本城市区域道路交通协调控制方法利用禪合度的概念对整个城市路网进行控制 子区域划分,实现控制子区域内的交通杨通。比各个路口各自为政进行单独控制更能协调 区域内的交通流状况。
[0201] 使用两种不同种类的车辆检测传感器进行车流量的统计,比传统的感应控制单种 车辆检测器更加有效。
[0202] 使用两级模糊控制器,区域协调控制整个城市大范围内的交通流,达到最大化减 少城市大范围路网内交通拥挤状况,实现顺杨通行。比利用单级模糊控制更加精确,比利用 遗传等控制方法计算更加简便。
[0203] 采用变相位的控制方式,根据平交路口处实际的交通状况来确定各平交路口相位 标志位flag的值,进而判定各个相位间的切换,分配给相应相位通行权,可W有效地减少平 交路口处的交通滞留。
[0204] W上述依据本发明的理想实施例为启示,通过上述的说明内容,相关工作人员完 全可W在不偏离本项发明技术思想的范围内,进行多样的变更W及修改。本项发明的技术 性范围并不局限于说明书上的内容,必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (10)

1. 一种区域协调控制方法,其特征在于,包括 检测各平交路口所对应的相应路段上的交通流量信息,以获得各平交路口各相位的实 际绿灯延长时间T2; 判断平交路口各相位的最小绿灯时间Gm i η、实际绿灯延长时间Τ 2之和与最大绿灯时间 Gmax的关系,以控制各平交路口的绿灯相位。
2. 根据权利要求1所述的区域协调控制方法,其特征在于,所述区域协调控制方法还包 括:初始化,即 设置信号灯的信号周期时长的重复次数n,且n = 0;通过车辆流量检测装置检测各平交 路口的交通流量信息状况,确定下一时段的信号周期时长; 设置各平交路口的相位标志位flag,即各平交路口的初始相位标志位flag = 0,且当初 始相位标志位flag = 1时表示为当前绿灯相位; 设定平交路口各相位的最小绿灯时间Gmin和最大绿灯时间Gmax; 设定东西直行方向为各平交路口各个信号周期时长内的初始相位,且设定东西直行相 位、东西左转相位、南北直行相位和南北左转相位的相位优先级依次从高到低;以及 在初始时刻,各平交路口的东西直行相位均设置为最小绿灯时间G mln。
3. 根据权利要求2所述的区域协调控制方法,其特征在于, 所述区域协调控制方法还包括: 根据各平交路口的相位标志位flag的值对各平交路口的相位切换,且依据信号灯一周 期内的交通流数据信息,计算出下一时段的信号周期时长。
4. 根据权利要求1-3任一项所述的区域协调控制方法,其特征在于,所述实际绿灯延长 时间T2的方法包括: 建立两级模糊控制器,即一级模糊控制器FCI、二级模糊控制器FCII; 所述一级模糊控制器FCI的输入变量分别为Fi(t)和内(t),其输出变量为时间Ί\; 所述二级模糊控制器FCII的两输入分别为时间h和预设信号周期时长的剩余时间 Trest,其输出为实际绿灯延长时间T2;其中 FKt)表示一控制区域内,平交路口(i,j)当前时刻绿灯相位上、下游近端车辆检测器之 间的车辆数之和的最大值减去该平交路口当前时刻红灯相位上、下游远端车辆检测器之间 的车辆数之和的最大值; F2(t)表示t时刻时,上一平交路口(i,j+l)与平交路口(i,j)之间路段的车辆数和下一 平交路口( i,j-Ι)与平交路口( i,j)之间路段的车辆数的最大值。
5. 根据权利要求4所述的区域协调控制方法,其特征在于, 判断最小绿灯时间Gmiη、实际绿灯延长时间T2之和与最大绿灯时间Gmax的关系,即 若Gmin+T2<Gmax,则将实际绿灯延长时间^作为当前绿灯相位延时时间; gGmin+T2 2 Gmax,则当前绿灯相位延时时间为Gmax-Gmin。
6. 根据权利要求5所述的区域协调控制方法,其特征在于, 在绿灯相应延时时间的末尾,适于通过相位标志位flag进行相位切换; 通过相位标志位flag进行相位切换的方法包括: 根据采集得到的交通流量数据信息,放行红灯滞留最大的相位为下一时段的绿灯相 位;当有不止1个平交路口的相位标志位flag = l时,则按照初始相位的优先级高低顺序置 区域内各平交路口的下一个绿灯相位;并且置下一绿灯相位的初始绿灯时间为Gmin。
7. -种区域协调控制系统,其特征在于,包括: 一车辆流量检测装置,用于检测各平交路口的相应路段上的交通流量信息; 与该车辆流量检测装置相连的控制模块,该控制模块分别与各平交路口的信号灯控制 器相连;其中 所述控制模块适于根据获得的交通流量信息,计算出各平交路口各相位的的实际绿灯 延长时间!^,并判断平交路口各相位的最小绿灯时间Gmin、实际绿灯延长时间T2之和与最大 绿灯时间G max的关系,以控制各平交路口的绿灯相位。
8. 根据权利要求7所述的区域协调控制系统,其特征在于, 所述车辆流量检测装置包括:在平交路口各个路段上分别设有车辆流量检测装置,所 述车辆流量检测装置包括:近端车辆检测器和远端车辆检测器;其中 近端车辆检测器采用摄像探头,远端车辆检测器采用环形线圈车辆传感器。
9. 一种城市区域道路交通协调控制方法,其特征在于,包括如下步骤: 步骤S1,根据城市中的路网状况进行控制区域划分; 步骤S2,将划分好的各控制区域分别建立相应两级模糊控制器,以对信号灯进行控制。
10. 根据权利要求9所述的城市区域道路交通协调控制方法,其特征在于, 所述步骤S1中根据城市中的路网状况进行控制区域划分的方法包括: 步骤S11,初步划分,即根据路网中两平交路口间的连线长度L,对城市路网的平交路口 群进行初步划分; 步骤S12,细分,即根据路网中各平交路口之间相关度,定义其耦合度,且依据该耦合度 对初步划分后的较大控制区域进行细分,直到控制区域内的各平交路口之间有较大的相关 性时,停止划分;其中 所述步骤S12中耦合度的获得方法包括: 将影响交通控制区域划分的各因素各自集合,以得到各平交路口之间相关度的评价准 贝1J,即相邻平交路口间距L、交通流量q、排队长度Q和信号周期时长C; 将平交路口(i,j)的各指标值组成的矢量称为该平交路口的耦合矢量v(1,n,将其表示 如公式(1)所示: V( 'j)= (L(i, j),q(i, j),Q(i,j),C(i, j)) (1);
Figure CN105632198AC00031
且耦合矢量V(1,n取模彳」 -:;其中,α为正比例关系符号; S 其中,若相邻平交路口间距L越大,则V(1,W越小,表示平交路口之间相关度越小;而交通 流量q越大、排队长度Q越长、信号周期时长C越接近,则V(1d越大,平交路口之间的相关度越 大; 根据两个相关平交路口,即平交路口( i,j)、上一平交路口( i,j+Ι)相关度的耦合矢量V (1,J)和V(1」+1),两平交路口之间的耦合度",产 ;+1))由公式⑵得出:
Figure CN105632198AC00032
所述耦合度吨:彡广少〇:气e (¾ 11,耦合度越大,则相互耦合的平交路口之间的 相关程度越大,并划分到同一个控制区域进行控制; 上式中
Figure CN105632198AC00041
P、Q是两个常量,1 SPS + 1 1 . ⑴,1 ⑴,且7 + $ = 1 Μ · I |p和N · I Iq分别是各个矢量的P范数和Q范数,i = l、 2、……、M,j = l、2、……、N;以及 所述步骤S2将划分好的各控制区域分别建立相应两级模糊控制器,以对信号灯进行控 制的方法采用如权利要求1所述的区域协调控制方法。
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