CN105894842A - 一种智能交通信号灯系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种智能交通信号灯系统，包括信号灯控制器、智能交通服务器和车载信号灯接收装置。其中信号灯控制器在按照预先配置参数驱动路口信号灯的同时，将信号灯的实时状态和位置信息封装成信号灯信息发布接口消息后发送至智能交通服务器；智能交通服务器接收多个信号灯控制器发送的信号灯信息发布接口消息，处理后发送给车载信号灯接收装置；车载信号灯接收装置接收后获取车行前方路口信号灯的实时状态信息，然后在本地输出这些信息。应用本发明可让驾驶员预先了解前方路口通行状况，便于据此采用最优的操控方案驾驶车辆。城市交通管理者还可利用本发明改进城市交通管理效率。

Description

一种智能交通信号灯系统

技术领域

本发明涉及交通信号控制领域，尤其涉及综合应用无线通信技术、计算机技术和交通信号控制技术的智能交通控制领域。

背景技术

随着城市规模的不断扩大以及城市内机动车保有量的日益增长，城市道路交通压力越来越大。为了保障道路通行安全、提高通行效率，城市内各平面交叉路口普遍采用交通信号灯来指挥各方向交通的通行或停止。具体来说，通过设置路口交通信号灯的周期、绿信比和相位差，在时间上给各方向的交通流分配通行权。交通信号灯已经从最初每个路口独立管理的单点模式，发展到在一条主干道上多个路口联动管理的“线控”模式，以及一个平面区域内多个路口之间的联动管理的“面控”模式。业内也推出了多种综合利用计算机技术、通信技术和道理交通控制技术而设计开发的智能交通控制系统，在城市交通管理领域得到广泛应用。这些智能交通管理系统大多按照路口控制、区域控制和中央控制三级部署。在路口部署信号灯、车辆检测器和路口信号机，用于采集、处理、传送交通信息和控制路口信号灯；路口信号机和区域控制中心通过通信系统连接，完成路口交通信息的上传和交通控制信号的下达；区域控制中心实时监控辖区内各路口交通状况以及信号机和信号灯的工作状态，对各路口交通进行协调控制，必要时通过人机命令进行人工干预；中央控制中心则汇总一个城市各区域控制中心的信息，进行统计分析和协调控制。

虽然城市交通特别是路口信号灯的智能管理已经取得了诸多进步，但是在实际应用中仍然有若干不足之处。例如，在交通流量较大的路口，车辆通行时通常时速不高、车距较小，此时如果前方有公交大巴、大型货车等大型车辆，紧随其后的小型车辆的视线会被严重遮挡，常常无法观察到信号灯的变化情况，往往在跟随前车驶入路口后才发现闯了红灯。再如，驾驶员在一条道路上通行时，无法预知下一路口的交通和信号灯情况，往往造成不必要的反复加速、刹车操作，不仅降低了燃油效率，而且间接造成了更多的环境污染。

本发明即针对上述不足之处，利用无线通信技术将路口信号灯信息从路口的视距显示延伸到机动车的操控台，极大方便了驾驶员对前方路口通行状况的预判，以便采用最优的操控方案驾驶车辆。

发明内容

本发明提出一种智能交通信号灯系统，包括至少一台信号灯控制器和至少一台车载信号灯接收装置，其中：

信号灯控制器负责在按照预先配置参数驱动路口信号灯的同时，将信号灯的实时状态和位置信息封装成信号灯信息发布接口消息后发送；

车载信号灯接收装置接收信号灯信息发布接口消息并处理后获取车行前方路口信号灯的实时状态信息，然后在本地输出这些信息。

上述信号灯的实时状态包括信号灯控制的车道通行方向以及相应方向上的通行状态和状态切换倒计时时间信息，其中车道通行方向信息包括直行、左转、右转、掉头信息。信号灯的位置信息包括信号灯的地理位置坐标和信号灯管理的道路通行方向信息。

上述车载信号灯接收装置对信号灯信息发布接口消息的处理包括按照预先定义的接口消息格式解析消息中包含的各字段信息，

在本地输出的车行前方路口信号灯的实时状态信息以图像、声音、电子接口方式或者以上述任意几种组合的方式输出。其中，以电子接口方式输出车行前方路口信号灯的实时状态信息，是指车载信号灯接收装置按照预先确定的汽车控制总线接口协议，将输出信息封装后发送给车内其它汽车电子控制装置ECU。

上述智能交通信号灯系统还包括一个智能交通管理服务器，负责接收多个信号灯控制器发送的信号灯信息发布接口消息，处理后发送给车载信号灯接收装置。

上述信号灯信息发布接口消息中还包括发送时间标签信息，即发送方在发送本消息时刻的本地时间。

上述智能交通管理服务器对来自信号灯控制器的信号灯信息发布接口消息所做的处理包括：按照预先定义的接口协议解析消息，根据其中的发送时间标签和本地时间之间的时间差，对信号灯状态切换倒计时时间做修正，补偿传输时延后在本地继续自动计时。该处理进一步包括：根据来自车载信号灯接收装置的信号灯状态查询消息，找出匹配的路口信号灯状态信息和位置信息，封装成信号灯信息发布接口消息，其中添加发送时间标签信息。

上述信号灯控制器、智能交通管理服务器和车载信号灯接收装置的本地时间通过网络时间协议NTP获得时间上的同步。

上述信号灯信息发布接口消息中包括以下字段信息：发送者标识、接收者标识、发送时间标签、消息类型、本次消息包内包含的信号灯数量、各信号灯位置坐标、各信号灯控制的通行方向、各信号灯当前状态、各信号灯距离下次状态变化时间、各信号灯控制参数。

上述车载信号灯接收装置的信号灯状态查询消息，由车载信号灯接收装置根据GPS单元实时测得的本车当前位置坐标、车行方向、车速信息，结合预先内置的城市交通电子地图，获得车行方向下一个路口的位置坐标和路名信息后发出。

通过实施本发明，可以有效地将现行信号灯引入每个驾驶舱，方便驾驶员及时了解前方路口信号灯状态和变化趋势，并据此采取最佳操控方式驾驶车辆。进一步的，将本发明和车辆电子控制系统结合可帮助车辆实现自动驾驶功能。

结合附图阅读本发明实施方式的详细描述后，本发明的其他特点和优点将变得更加清楚。

附图说明

图1是市场现有信号灯控制器功能框图；

图2是本发明一个实施例系统框图；

图3是本发明一个实施例中新型信号灯控制器的功能框图；

图4是本发明一个实施例中车载信号灯接收装置的功能框图；

图5是本发明一个实施例中车载信号灯接收装置采用图像方式输出信号灯状态信息示意图；

图6是本发明一个实施例中车载信号灯接收装置提取行车前方路口信号灯状态信息的流程图；

图7是本发明另一个实施例的系统框图；

图8是本发明另一个实施例中智能交通管理服务器与新型信号灯控制器之间保持信号灯状态信息同步的流程。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的具体实施方式。

图1是目前市场使用的路口信号灯控制器功能框图，其工作原理如下：

接口单元外接路口行人、车辆检测装置，将这些装置检测到的路口行人过街感应信息、车辆通行密度、通行量等信息经总线传送给主控单元；接口单元还包括信号灯信号驱动电路，负责根据主控单元给出的控制信号驱动路口信号灯工作；接口单元还包括一个远程控制接口，用于连接远程控制中心，上报现场信息或接收控制中心远程指令；

主控单元根据现场检测的路口行人、车辆通行信息，以及预设的路口信号控制参数，产生(或调整)信号灯控制信号，输入接口单元并通过驱动电路完成信号灯控制；主控单元还负责解析并执行接口单元收到的远程控制中心指令，根据预先确定的接口协议打包上报信息；

存储单元中保存系统软件和配置信息；

时钟和监控单元在系统启动时完成系统自检，在系统进入正常工作状态后提供系统计时功能，同时监测系统工作状态，一旦发现故障，立即产生故障信号封闭接口单元的信号灯驱动口，转而产生黄色闪烁信号驱动信号灯。

此外，路口信号灯控制器还具备现场手动控制功能，通常是通过接口单元的一个键盘和显示子单元来实现。

图2是本发明一个实施例的系统功能框图，其中新型信号灯控制器在完成现场交通信息采集、信号灯驱动控制等通用功能之外，还将交通控制信号状态和信号灯位置信息通过无线发送给车载信号灯接收装置，由后者向驾驶员输出前方路口交通信号灯当前状态信息。

图3给出了本发明实施例中新型信号灯控制器的功能框图。如图可见，它是在现有的信号灯控制器基础上增加一个无线收发单元构成。在完成现有信号灯控制器所有功能的同时，将当前路口信号灯的信号状态和信号灯位置信息编码后通过无线收发单元发送出去。信号灯的信号状态包括车道通行方向以及相应方向上的通行状态和状态切换倒计时时间等信息，其中车道通行方向信息包括直行、左转、右转、掉头等信息，相应方向上的通行状态是指当前在此方向上是通行还是禁行，另一个重要信息就是在各车道通行方向上的信号距离下一次状态切换时间，如当前是直行通行状态(绿灯)，距离下一次状态切换的时间为20秒，即20秒后信号灯将由绿变红(经过黄灯过渡)。信号灯位置信息包括信号灯的地理位置坐标和信号灯管理的道路通行方向，如南向北通行方向。上述路口信号灯信号状态和位置信息按照预先定义的信号灯信息发布接口消息格式进行编码、封装，然后通过图3中的无线收发单元以广播方式发送出去。

图4则给出了本发明实施例中车载信号灯接收装置的功能框图。其中无线收发单元负责接收新型信号灯控制器发出的信号状态信息和信号灯位置信息，送交处理单元进一步分析处理，同时还根据处理单元的指令将本车的位置、车速、行使方向等信息上报；处理单元作为该装置的主控制器，负责解析无线收发单元送交的路口信号灯信号状态信息和位置信息，并结合本机当前的位置坐标、车速、方向信息，以及预先内置的本地电子地图，选出车辆行使前方路口的信号灯状态信息，送交输出单元；输出单元以图像、声音、电子接口或者上述任意几种组合的方式将前方路口信号灯状态信息输出，以便驾驶员和车辆控制系统及时了解前方路口通信状态。上述本机当前的位置坐标、车速、方向信息由GPS单元实时测量获得。

一种以图像方式输出的前方路口信号灯状态信息如图5所示，即以分栏或浮动窗方式在通常的导航仪显示界面上显示车行前方路口的信号灯状态，包括路口路名信息(如黄兴路国定路)，路口红绿灯当前状态(图中可见此时为直行通行，左转弯禁行)，以及以秒为单位的各信号灯倒计时时间(图中可见15秒后将变为直行禁行，左转弯通行)。当然，倒计时时间是动态变化的，只要车载信号灯接收装置成功接收到一次前方路口信号灯状态信息和位置信息，就可以根据其中的信号灯切换倒计时时间在本地自行计数显示。市场现有的智能手机大多已经具备导航功能，它们有内置GPS、无线通行功能和强大的计算能力，只要安装导航应用软件和内置或者联网获取的电子地图就可实现自动导航。显而易见，只要在导航应用软件上增加路口信号灯状态和位置信息接收、解析、输出模块，即可实现本发明上述实施例中所涉及的车载信号灯接收装置。同样，基于市场现有车载导航仪也很容易实现上述车载信号灯接收装置，只要视具体情况扩展或增加车载导航仪的无线通行单元功能，同时在其软件上增加路口信号灯状态和位置信息接收、解析、输出模块即可。

当然，在智能手机导航软件界面和车载导航仪的导航界面上以图像方式输出前方路口信号灯状态信息的同时，车载信号灯接收装置的输出单元还可以通过语音方式播报信号灯状态信息，如“前方某某路口，直行绿灯，左转弯红灯。”此外，同样的信息还可以通过预先确定的接口协议，以电子接口方式和车辆控制系统连接。例如，可以将车载信号灯接收装置作为一个汽车电子控制装置ECU，通过汽车控制总线(如控制器局域网，即CAN总线)和汽车其他ECU连接。这样，汽车电子控制系统就可以及时掌握前方路口信号灯的实时状态，据此可以设计最佳能耗自动驾驶功能。对于完全自动驾驶车辆的实现，通过实施本发明以电子方式获取前方路口信号灯状态也是极有价值的。

在上述实施例中，新型信号灯控制器通过无线方式将其控制的路口信号灯状态和位置信息发送至车载信号灯接收装置。鉴于无线通信的特点，车载信号灯接收装置可能不仅能接收到前方路口信号灯状态和位置信息，同时还可能收到一些来自于其它路口新型信号灯控制器的无关信息。图6进一步说明了车载信号灯接收装置如何从接收信息中提取出前方路口相关通行方向的信号灯状态信息。首先，根据本车当前位置坐标和行车方向，结合预先内置的电子地图，确定前方路口位置坐标；然后据此判断接收到的信息是否属于正确路口的信号灯，如果不是则放弃此信息，如果是属于正确路口的信号灯则进一步做判断；最后根据接收信息中的信号灯管理的道路通行方向信息，结合本车行车方向，判断是否本车前进方向上的信号灯，丢弃反方向上的信号灯信息，保留前进方向上的信号灯状态信息。

图7给出了本发明另一个实施例的系统框图，在这一实施例中，城市各路口的新型信号灯控制器通过因特网和城市智能交通管理服务器建立通行连接，将各自控制的路口信号灯当前状态和信号灯位置信息上报给后者；城市智能交通管理服务器通过无线网络向车载信号灯接收装置发布这些汇总的路口信号灯当前状态和位置信息。信号灯当前状态和位置信息的上报和发布基于预先定义的信号灯信息上报和发布接口消息格式。上报接口消息中至少包括以下字段信息：发送者标识、接收者标识、时间标签、消息类型、本次消息包内包含的信号灯数量、各信号灯位置坐标、各信号灯控制的通行方向、各信号灯当前状态、各信号灯距离下次状态变化时间、各信号灯控制参数。其中时间标签是指发送方在发送本消息时的本地时间，用于接收方在处理信号灯切换倒计时参数时进行网络传输时延的补偿。消息类型字段可以使得此接口协议具备扩展性，如城市智能交通管理服务器需要对路口信号灯控制器本身工作状态进行监管时，可以通过定义一个新的工作状态上报接口消息来实现。由于一台路口信号灯控制器可能控制着多路信号灯，此时上报接口消息中先用本次消息包内包含的信号灯数量来指明随后有多少个信号灯的当前状态和位置信息上报，然后依次给出这些信号灯的位置坐标、控制的通行方向、当前状态、距离下次状态切换时间以及周期、绿信比和相位差等控制参数。

在具体实施时，城市智能交通管理服务器可以通过如图8所示的同步流程保持与路口信号灯的状态同步。首先，路口信号灯控制器在启动并正常工作后发送一次信号灯状态上报消息，使得城市智能交通管理服务器能够获取该信号灯控制器所控制的所有信号灯在消息上报时刻的状态值；然后根据各信号灯的控制参数、发送时间标签和信号灯距离下次状态变化时间计算修正后的信号灯状态切换倒计时时间，并据此在本地计时完成信号灯状态的自动切换；此后在正常状态下，路口信号灯控制器只需定期上报一次信号灯状态消息，城市智能交通管理服务器通过相同的处理流程即可保持双方的信号灯状态同步；如果路口信号灯控制器的工作状态发生变化，如断电重启、自检发现故障等，将中断周期上报流程而进入告警上报模式，实时报告本机的工作状态变化情况，管理服务器则根据具体情况将此信号灯控制器下属信号灯的状态置于故障告警模式或者重新同步他们的状态。

城市智能交通管理服务器在获取并同步了各路口信号灯的实时状态后，就拥有了一张数字版的交通信号灯网络，如何将数字化的交通信号灯信息及时准确地发布给车载信号灯接收装置就是管理服务器的另一个主要功能。通过如下流程，管理服务器将信号灯状态信息分发给车载信号灯接收装置：车载信号灯接收装置通过无线网络接入因特网，进而和管理服务器建立通信连接；如前所述，车载信号灯接收装置根据GPS单元实时测得的当前位置坐标、车行方向、车速等信息，结合预先内置的城市交通电子地图，可获得车行方向下一个路口的位置坐标和路名信息；车载信号灯接收装置向管理服务器发出目标路口信号灯状态查询消息，其中包括路口位置坐标、路边信息、本车通行方向等必要信息；管理服务器据此找出匹配的路口信号灯状态信息和位置信息，按照信号灯信息发布接口消息格式编码封装后发送给车载信号灯接收装置；后者以图像、声音或电子接口方式输出前方路口信号灯状态信息。

上述无线网络是指任何以无线方式提供因特网接入服务的通信网络，包括WiFi网络、WiMAX网络、GPRS网络、EDGE网络、CDMA2000 1x网络、CDMA2000 EVDO网络、WCDMA网络、TD-SCDMA网络以及基于上述无线通信网络的演进网络，如LTE、4G网络等。

在上述实施例中，路口信号灯控制器、城市智能交通管理服务器和车载信号灯接收装置在工作时都接入了因特网，可以通过网络时间协议NTP(Network Time Protocol)从网络NTP服务器首先获得时间同步，因此它们在相互发送信号灯信息接口消息时，接收方可以通过发送方的时间标签来补偿网络传输时延，使得信号灯状态信息在双方的得到同步。

本发明的描述是为了示例而给出的，并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。本发明的范围由所附权利要求书确定。

Claims (13)

1.一种智能交通信号灯系统，所述系统包括至少一台信号灯控制器和至少一台车载信号灯接收装置，其中：

A)信号灯控制器负责在按照预先配置参数驱动路口信号灯的同时，将信号灯的实时状态和位置信息封装成信号灯信息发布接口消息后发送；

B)车载信号灯接收装置接收信号灯信息发布接口消息并处理后获取车行前方路口信号灯的实时状态信息，然后在本地输出这些信息。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述信号灯的实时状态包括信号灯控制的车道通行方向以及相应方向上的通行状态和状态切换倒计时时间信息，其中车道通行方向信息包括直行、左转、右转、掉头信息。

3.根据权利要求1-2任一项所述的系统，其特征在于，所述信号灯的位置信息包括信号灯的地理位置坐标和信号灯管理的道路通行方向信息。

4.根据权利要求1-3任一项所述的系统，其特征在于，所述车载信号灯接收装置对信号灯信息发布接口消息的处理包括按照预先定义的接口消息格式解析消息中包含的各字段信息，

5.根据权利要求1-4任一项所述的系统，其特征在于，所述在本地输出的车行前方路口信号灯的实时状态信息以图像、声音、电子接口方式或者以上述任意几种组合的方式输出。

6.根据权利要求1-5任一项所述的系统，其特征在于，所述以电子接口方式输出车行前方路口信号灯的实时状态信息，是指车载信号灯接收装置按照预先确定的汽车控制总线接口协议，将输出信息封装后发送给车内其它汽车电子控制装置ECU。

7.根据权利要求1-6任一项所述的系统，其特征在于，所述智能交通信号灯系统还包括一个智能交通管理服务器，负责接收多个信号灯控制器发送的信号灯信息发布接口消息，处理后发送给车载信号灯接收装置。

8.根据权利要求1-7任一项所述的系统，其特征在于，所述信号灯信息发布接口消息中还包括发送时间标签信息，即发送方在发送本消息时刻的本地时间。

9.根据权利要求1-8任一项所述的系统，其特征在于，所述智能交通管理服务器对来自信号灯控制器的信号灯信息发布接口消息所做的处理包括：按照预先定义的接口协议解析消息，根据其中的发送时间标签和本地时间之间的时间差，对信号灯状态切换倒计时时间做修正，补偿传输时延后在本地继续自动计时。

10.根据权利要求1-9任一项所述的系统，其特征在于，所述智能交通管理服务器对来自信号灯控制器的信号灯信息发布接口消息所做的处理进一步包括：根据来自车载信号灯接收装置的信号灯状态查询消息，找出匹配的路口信号灯状态信息和位置信息，封装成信号灯信息发布接口消息，其中添加发送时间标签信息。

11.根据权利要求1-10任一项所述的系统，其特征在于，所述信号灯控制器、智能交通管理服务器和车载信号灯接收装置的本地时间通过网络时间协议NTP获得时间上的同步。

12.根据权利要求1-11任一项所述的系统，其特征在于，所述信号灯信息发布接口消息中包括以下字段信息：发送者标识、接收者标识、发送时间标签、消息类型、本次消息包内包含的信号灯数量、各信号灯位置坐标、各信号灯控制的通行方向、各信号灯当前状态、各信号灯距离下次状态变化时间、各信号灯控制参数。

13.根据权利要求1-12任一项所述的系统，其特征在于，所述车载信号灯接收装置的信号灯状态查询消息，由车载信号灯接收装置根据GPS单元实时测得的本车当前位置坐标、车行方向、车速信息，结合预先内置的城市交通电子地图，获得车行方向下一个路口的位置坐标和路名信息后发出。