CN105957343A - 一种基于有色Petri网的城市交通系统建模方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于有色Petri网的城市交通系统建模方法及系统。其中，所述基于有色Petri网的城市交通系统建模方法包括：建立交叉口路段的Petri网交通流模型，所述交叉口路段的Petri网交通流模型中采用不同颜色的变迁代表车辆进入不同的区域，采用不同颜色的令牌代表不同行使方向的车辆；建立交叉口信号控制模型，所述交叉口信号控制模型的交通信号控制中加入了相位损失时间。所述相位损失时间包括绿初损失时间和黄末损失时间。本发明的方案加入了相位损失时间，使得所建模型更具实际意义，同时所建模型可以方便的对各种信号控制方案策略进行评价。

Description

一种基于有色Petri网的城市交通系统建模方法及系统
技术领域
本发明涉及一种交通控制信号分析领域，特别是涉及一种基于有色Petri网的城市交通系统建模方法及系统。
背景技术
随着社会经济的高速发展和城市化进程的不断加快，汽车保有量持续上升，交通需求不断增加，交通问题愈发严重。交叉口的信号控制是城市交通管理与控制的重要手段之一，为了得到理想的交通信号控制方案，有必要对城市交通道路进行建模、模型分析和仿真分析。
Petri网作为一种建模与分析的工具，既可以描述系统中并发、同步等现象，又可以加入许多数学方法对其进行分析，因此适用于建立城市交通系统模型。Tolba等采用VCPN建立了城市交通网络的宏观模型，将交通时间考虑为离散时间动态系统，分析了交通流参数与Petri网参数的对应关系，并分析了Petri网在交通控制中的应用。但是该模型不能适应交通流的随机变化，只能模拟固定信号控制策略，可能导致绿灯相位没有车辆通行，而红灯相位车道却有车辆排队等不合理现象出现。
鉴于此，如何找到一种更有利于获取理想交通信号控制的交通系统建模方案就成了本领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于有色Petri网的城市交通系统建模方法及系统，用于解决现有技术中的交通系统建模方法不利于获取理想的交通信号控制方案的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种基于有色Petri网的城市交通系统建模方法，所述基于有色Petri网的城市交通系统建模方法包括：建立交叉口路段的Petri网交通流模型，所述交叉口路段的Petri网交通流模型中采用不同颜色的变迁代表车辆进入不同的区域，采用不同颜色的令牌代表不同行使方向的车辆；建立交叉口信号控制模型，所述交叉口信号控制模型的交通信号控制中加入了相位损失时间。
可选地，所述交叉口路段的Petri网交通流模型分为离开交叉口路段的Petri网交通流模型与进入交叉口路段的Petri网交通流模型。
可选地，采用不同颜色的变迁代表车辆进入不同的区域的具体实现方式包括：采用三种颜色的变迁分别对库所的车辆进行触发，所述三种颜色的变迁被触发分别代表车辆进入左转车道检测区、车辆进入直行车道检测区和车辆进入右转车道检测区。
可选地，采用不同颜色的令牌代表不同行驶方向的车辆的具体实现方式包括：采用三种颜色的令牌分别代表左转、直行、右转的车辆。
可选地，所述相位损失时间包括绿初损失时间和黄末损失时间。
可选地，所述交叉口信号控制模型的交通信号控制中加入了相位损失时间的具体实现包括：绿灯信号经过预设绿初损失时间后触发第一变迁，以允许车辆通行；经过预设绿灯有效时间后触发第二变迁转变成黄灯信号；黄灯信号经过预设黄灯有效时间后触发第三变迁，以禁止车辆通行；经过预设黄末损失时间后触发第四变迁转变成红灯信号；红灯信号经过预设红灯时间后触发第五变迁转变成绿灯信号。
可选地，所述基于有色Petri网的城市交通系统建模方法还包括：在建立的Petri网交通流模型以及交叉口信号控制模型根据预设策略分析获取交通信号控制方案。
本发明提供一种基于有色Petri网的城市交通系统建模系统，所述基于有色Petri网的城市交通系统建模系统包括：交通流模型建立模块，用于建立交叉口路段的Petri网交通流模型，所述交叉口路段的Petri网交通流模型中采用不同颜色的变迁代表车辆进入不同的区域，采用不同颜色的令牌代表不同行使方向的车辆；信号控制模型建立模块，用于建立交叉口信号控制模型，所述交叉口信号控制模型的交通信号控制中加入了相位损失时间。
可选地，所述交叉口路段的Petri网交通流模型分为离开交叉口路段的Petri网交通流模型与进入交叉口路段的Petri网交通流模型。
可选地，采用不同颜色的变迁代表车辆进入不同的区域的具体实现方式包括：采用三种颜色的变迁触发库所的车辆，所述三种颜色的变迁被触发分别代表车辆进入左转车道检测区、车辆进入直行车道检测区和车辆进入右转车道检测区。
可选地，采用不同颜色的令牌代表不同行驶方向的车辆的具体实现方式包括：采用三种颜色的令牌分别代表左转、直行、右转的车辆。
可选地，所述相位损失时间包括绿初损失时间和黄末损失时间。
可选地，所述交叉口信号控制模型的交通信号控制中加入了相位损失时间的具体实现包括：绿灯信号经过预设绿初损失时间后，触发第一变迁允许车辆通行；经过预设绿灯有效时间后，触发第二变迁转变成黄灯信号；黄灯信号经过预设黄灯有效时间后，触发第三变迁禁止车辆通行；经过预设黄末损失时间后，触发第四变迁转变成红灯信号；红灯信号经过预设红灯时间后，触发第五变迁转变成绿灯信号。
如上所述，本发明的一种基于有色Petri网的城市交通系统建模方法及系统，具有以下有益效果：建立了一种城市交通网络系统的混杂颜色Petri网模型，设计了专门的信号控制模型来控制相位的转换，并充分考虑了相位损失时间对车流的影响。经论证，该方法可以完整清晰实时地表达复杂交通网络的动态运行过程，明确了交叉口的通行能力，可以有效地对城市交通网络进行建模分析。本发明设计了专门的Petri网模型控制相位之间的转换。加入了相位损失时间，使得所建模型更具实际意义，同时所建模型可以方便的对各种信号控制方案策略进行评价。
附图说明
图1显示为本发明的基于有色Petri网的城市交通系统建模方法的一实施例的流程示意图。
图2显示为本发明的基于有色Petri网的城市交通系统建模方法的一实施例的交叉路口结构示意图。
图3显示为本发明的基于有色Petri网的城市交通系统建模方法的一实施例的交叉口相位示意图。
图4显示为本发明的基于有色Petri网的城市交通系统建模方法的一实施例的交叉口路段Petri网模型示意图。
图5显示为本发明的基于有色Petri网的城市交通系统建模方法的一实施例的交叉口检测区Petri网模型示意图。
图6显示为本发明的基于有色Petri网的城市交通系统建模方法的一实施例的相位损失时间的示意图。
图7显示为本发明的基于有色Petri网的城市交通系统建模方法的一实施例的相位转换与信号显示的示意图。
图8显示为本发明的基于有色Petri网的城市交通系统建模系统的一实施例的模块示意图。
元件标号说明
1 基于有色Petri网的城市交
通系统建模系统
11 交通流模型建立模块
12 信号控制模型建立模块
S1～S2 步骤
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
经典的Petri网是简单的过程模型，由两种节点：库所和变迁，有向弧，以及令牌等元素组成的。Petri网的元素：1，库所(place)圆形节点；2，变迁(transition)方形节点；3，有向弧(Connection)是库所和变迁之间的有向弧；4，令牌(token，或称为托肯)是库所中的动态对象，可以从一个库所移动到另一个库所。一个流程的状态是由在场所中的令牌建模的，状态的变迁是由变迁建模的。令牌表示事物(人、货物、机器)，信息，条件，或对象的状态；库所代表库所，通道或地理位置；变迁代表事件，转化或传输。一个令牌通常代表具有各种属性的对象，因此令牌拥有值(颜色)代表由令牌建模的对象的具体特征。城市交通系统为一个时变的、具有不确定因素的复杂系统，交通规划人员往往需要在同一交通网络模型上仿真不同的信号控制策略以比较不同的信号控制策略的优劣，而传统的Petri网信号控制模型只是简单的模拟固定信号配时控制方案，或是固定的某一种信号控制策略，并不能评价其它信号控制方案的性能指标。
本发明提供一种基于有色Petri网的城市交通系统建模方法。在一个实施例中，如图1所示，所述基于有色Petri网的城市交通系统建模方法包括：
步骤S1，建立交叉口路段的Petri网交通流模型，所述交叉口路段的Petri网交通流模型中采用不同颜色的变迁代表车辆进入不同的区域，采用不同颜色的令牌代表不同行使方向的车辆。在一个实施例中，所述交叉口路段的Petri网交通流模型分为离开交叉口路段的Petri网交通流模型与进入交叉口路段的Petri网交通流模型。采用不同颜色的变迁代表车辆进入不同的区域的具体实现方式包括：采用三种颜色的变迁分别对库所的车辆进行触发，所述三种颜色的变迁被触发分别代表车辆进入左转车道检测区、车辆进入直行车道检测区和车辆进入右转车道检测区。采用不同颜色的令牌代表不同行驶方向的车辆的具体实现方式包括：采用三种颜色的令牌分别代表左转、直行、右转的车辆。
步骤S2，建立交叉口信号控制模型，所述交叉口信号控制模型的交通信号控制中加入了相位损失时间。在一个实施例中，所述相位损失时间包括绿初损失时间和黄末损失时间。所述交叉口信号控制模型的交通信号控制中加入了相位损失时间的具体实现包括：绿灯信号经过预设绿初损失时间后触发第一变迁，以允许车辆通行；经过预设绿灯有效时间后触发第二变迁转变成黄灯信号；黄灯信号经过预设黄灯有效时间后触发第三变迁，以禁止车辆通行；经过预设黄末损失时间后触发第四变迁转变成红灯信号；红灯信号经过预设红灯时间后触发第五变迁转变成绿灯信号。
在一个实施例中，所述基于有色Petri网的城市交通系统建模方法还包括：在建立的Petri网交通流模型以及交叉口信号控制模型根据预设策略分析获取交通信号控制方案。
在一个实施例中，本发明的方法以图2所示的双向六车道十字路口为例进行分析。其中，方向1、2、3、4分别代表西、南、东、北四个入口方向。qi0、qi1、qi2，i＝1,2,3,4分别表示方向i左转、直行、右转的车辆。假设在交叉口的每条进口道上埋设2个磁感应线圈，分别位于停车线前100米处和停车线处，中间区域如图2所示的车辆检测区，用来检测车辆的到达信息和检测车辆离去的信息。通常右转车辆与其它相位车辆不冲突，因此在本方法中右转车辆不受信号灯控制。在一个实施例中，如图3所示，交叉口采用四相位信号对车辆进行控制，具体相位配时方案如下：东西直行为第一相位；东西左转为第二相位；南北直行为第三相位；南北左转为第四相位。
在一个实施例中，为了建立具有模块化层次特点的模型，本方法采用空间离散化方法，将交通流模型分为两个部分，即离开交叉口之后的路段模型和进入交叉口的检测区模型。本方法根据路段的长度将路段划分为多个平均的子区段，划分的子区段越多，则精度越精确，本方法以200米为例对路段进行划分，在保证极快的仿真速度的同时也有较高的精度。由于本例中各入口车道路段结构相同，所以以方向1上进入路段的交通流为例，划分为三个平均的子区段，得到路段上的交通流模型如图4所示。该实例中颜色集C＝{c10,c11,c12}，c1j颜色的托肯代表q1j方向的车辆，无颜色标志的弧表示一般弧。在图4中，所有的库所都是连续库所；库所p1s表示方向1的上游交叉口即将进入方向1的车辆；变迁t1s、t1x、t1y、t1z的触发对应于车辆进入子区段1、进入子区段2、进入子区段3和离开子区段3。库所p”1s、p”1x、p”1y、p”1z中的标识数a 1s、a 1x、a 1y、a 1z分别表示变迁t1s、t1x、t1y、t1z同时触发的车辆数上限；库所p 1x、p 1y、p 1z分别表示方向1路段的三个子区段，标识数则代表子区段上的实时车辆数；模型中考虑到路段上各个自区段上的容量限制，其中p'1x、p'1y、p'1z的标识数b 1x、b 1y、b 1z分别表示方向1路段的子区段即库所p 1x、p 1y、p 1z所能容纳的剩余车辆数。
继续以方向1为例，建立方向1的检测区模型如图5所示。其中，连续变迁t1z和库所p1a用来连接图5的交叉口路段模型。根据库所p1a中标识的颜色选择变迁t1b、t1c、t1d进行触发，变迁t1b、t1c、t1d被触发代表车辆进入左转车道检测区、直行车道检测区和右转车道检测区。库所p1b、p1c、p1d的标识分别表示进入左转车道检测区内的车流、直行车道检测区的车辆和右转车道检测区的车流；本方法中右转不受信号控制，故仅考虑交叉口处左转和直行车道排队车辆的容量限制，库所p'1b、p'1c的标识分别表示左转车道检测区剩余位置数、直行车道检测区剩余车辆位置数；变迁t1e、t1f、t1g一旦被触发则代表车辆通过交叉口，变迁t1e、t1f的使能受到库所PE2和PF2、PE1和PF1的约束。
库所PN、PE、PS、PW中的托肯表示路口中向北、东、南、西行驶的车辆，通过统计库所PN、PE、PS、PW的标识数以统计各个方向的总的车辆通过数。如图5所示，方向1中托肯进入库所PN、PE、PS时，立即触发瞬时变迁tN、tE、tS，。即在进入下一路段之前，已经通过变迁tN、tE、tS计算出下一交叉口的转向，且瞬时变迁tN、tE、tS用来连接下一路段的路段模型。
对于单个交叉口，只需要分别连接4个路段模型和交叉口检测区模型即可构成整个交叉口的交通流模型。此外，基于Petri网替换运算的建模方法，对于一个复杂的城市网络系统，可以只构建该系统的轮廓模型，对轮廓模型中的子系统再构建子网系统的模型，再用上述的路段模型以及交叉口检测区模型替换子网系统中的基本元素，就可以得到整个城市网络系统的交通流详细模型。
在一个实施例中，如图6所示，一个相位的绿灯时间不可能全部用在车辆通行上，绿灯初期和黄灯末期都会损失一段时间，而相位的损失时间往往是决定信号控制方案与仿真的关键，因此必须在信号控制模型中加入相位损失时间。
在一个实施例中，如图7中所示，其中，模型中颜色集C＝{c1,c2c3,c4}，部分库所含义见下表1(信号控制模型关键库所含义表)所示：
部分变迁含义见下表2(信号控制模型关键变迁含义表)所示：
为说明相位转换过程，当前库所PG中含有一个颜色为c1的标识，此时第一相位开始。经过绿初损失时间，赋时变迁tx1(第一变迁)被触发，库所PE1得到托肯，变迁t1f使能，此时进入有效绿灯时间，允许方向1和方向3中直行车辆通行。然后通过赋时变迁ty1(第二变迁)来控制相位1的执行(变迁ty1和t1f的触发时间为相位1信号灯的绿灯持续时间)。变迁ty1触发，标识进入PY，相位1的信号灯则由绿灯转为黄灯。变迁tz1立即触发，标识进入PF1，此时仍然允许相位1车辆通行。有效绿灯时间结束后变迁tu1(第三变迁)触发，标识从PF1进入PT，交叉口不再允许车辆通行。经过黄末损失时间后变迁tv(第四变迁)触发，标识进入PR，相位1信号灯转为红灯。等待全红时间后变迁tw(第五变迁)触发，变迁tw的颜色映射函数对应相位的信号控制策略，并以此来确定应该执行的后续相位f(i)，开始新的循环。根据Petri网的模块化表示方法，将信号控制模型和交通流模型结合起来就可以得到城市交通网络系统的Petri网模型，输入交通流状况，就可以检验信号控制策略的执行并对该控制策略的性能指标进行评价。
本发明提供一种基于有色Petri网的城市交通系统建模系统，所述基于有色Petri网的城市交通系统建模系统可以采用如上所述的基于有色Petri网的城市交通系统建模方法。在一个实施例中，如图8所示，所述基于有色Petri网的城市交通系统建模系统包括交通流模型建立模块11以及信号控制模型建立模块12，其中：
交通流模型建立模块11用于建立交叉口路段的Petri网交通流模型，所述交叉口路段的Petri网交通流模型中采用不同颜色的变迁代表车辆进入不同的区域，采用不同颜色的令牌代表不同行使方向的车辆。在一个实施例中，所述交叉口路段的Petri网交通流模型分为离开交叉口路段的Petri网交通流模型与进入交叉口路段的Petri网交通流模型。采用不同颜色的变迁代表车辆进入不同的区域的具体实现方式包括：采用三种颜色的变迁触发库所的车辆，所述三种颜色的变迁被触发分别代表车辆进入左转车道检测区、车辆进入直行车道检测区和车辆进入右转车道检测区。采用不同颜色的令牌代表不同行驶方向的车辆的具体实现方式包括：采用三种颜色的令牌分别代表左转、直行、右转的车辆。
信号控制模型建立模块12与交通流模型建立模块11相连，用于建立交叉口信号控制模型，所述交叉口信号控制模型的交通信号控制中加入了相位损失时间。在一个实施例中，所述交叉口信号控制模型的交通信号控制中加入了相位损失时间的具体实现包括：绿灯信号经过预设绿初损失时间后，触发第一变迁允许车辆通行；经过预设绿灯有效时间后，触发第二变迁转变成黄灯信号；黄灯信号经过预设黄灯有效时间后，触发第三变迁禁止车辆通行；经过预设黄末损失时间后，触发第四变迁转变成红灯信号；红灯信号经过预设红灯时间后，触发第五变迁转变成绿灯信号。
综上所述，本发明的一种基于有色Petri网的城市交通系统建模方法及系统，具有以下有益效果：建立了一种城市交通网络系统的混杂颜色Petri网模型，设计了专门的信号控制模型来控制相位的转换，并充分考虑了相位损失时间对车流的影响。经论证，该方法可以完整清晰实时地表达复杂交通网络的动态运行过程，明确了交叉口的通行能力，可以有效地对城市交通网络进行建模分析。本发明设计了专门的Petri网模型控制相位之间的转换。加入了相位损失时间，使得所建模型更具实际意义，同时所建模型可以方便的对各种信号控制方案策略进行评价。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种基于有色Petri网的城市交通系统建模方法，其特征在于，所述基于有色Petri网的城市交通系统建模方法包括：
建立交叉口路段的Petri网交通流模型，所述交叉口路段的Petri网交通流模型中采用不同颜色的变迁代表车辆进入不同的区域，采用不同颜色的令牌代表不同行使方向的车辆；
建立交叉口信号控制模型，所述交叉口信号控制模型的交通信号控制中加入了相位损失时间。
2.根据权利要求1所述的基于有色Petri网的城市交通系统建模方法，其特征在于：所述相位损失时间包括绿初损失时间和黄末损失时间。
3.根据权利要求1所述的基于有色Petri网的城市交通系统建模方法，其特征在于：采用不同颜色的变迁代表车辆进入不同的区域的具体实现方式包括：采用三种颜色的变迁分别对库所的车辆进行触发，所述三种颜色的变迁被触发分别代表车辆进入左转车道检测区、车辆进入直行车道检测区和车辆进入右转车道检测区。
4.根据权利要求1所述的基于有色Petri网的城市交通系统建模方法，其特征在于：采用不同颜色的令牌代表不同行驶方向的车辆的具体实现方式包括：采用三种颜色的令牌分别代表左转、直行、右转的车辆。
5.根据权利要求1所述的基于有色Petri网的城市交通系统建模方法，其特征在于：所述交叉口信号控制模型的交通信号控制中加入了相位损失时间的具体实现包括：绿灯信号经过预设绿初损失时间后触发第一变迁，以允许车辆通行；经过预设绿灯有效时间后触发第二变迁转变成黄灯信号；黄灯信号经过预设黄灯有效时间后触发第三变迁，以禁止车辆通行；经过预设黄末损失时间后触发第四变迁转变成红灯信号；红灯信号经过预设红灯时间后触发第五变迁转变成绿灯信号。
6.一种基于有色Petri网的城市交通系统建模系统，其特征在于：所述基于有色Petri网的城市交通系统建模系统包括：交通流模型建立模块，用于建立交叉口路段的Petri网交通流模型，所述交叉口路段的Petri网交通流模型中采用不同颜色的变迁代表车辆进入不同的区域，采用不同颜色的令牌代表不同行使方向的车辆；信号控制模型建立模块，用于建立交叉口信号控制模型，所述交叉口信号控制模型的交通信号控制中加入了相位损失时间。
7.根据权利要求6所述的基于有色Petri网的城市交通系统建模系统，其特征在于：所述相位损失时间包括绿初损失时间和黄末损失时间。
8.根据权利要求6所述的基于有色Petri网的城市交通系统建模系统，其特征在于：采用不同颜色的变迁代表车辆进入不同的区域的具体实现方式包括：采用三种颜色的变迁触发库所的车辆，所述三种颜色的变迁被触发分别代表车辆进入左转车道检测区、车辆进入直行车道检测区和车辆进入右转车道检测区。
9.根据权利要求6所述的基于有色Petri网的城市交通系统建模系统，其特征在于：采用不同颜色的令牌代表不同行驶方向的车辆的具体实现方式包括：采用三种颜色的令牌分别代表左转、直行、右转的车辆。
10.根据权利要求6所述的基于有色Petri网的城市交通系统建模系统，其特征在于：所述交叉口信号控制模型的交通信号控制中加入了相位损失时间的具体实现包括：绿灯信号经过预设绿初损失时间后，触发第一变迁允许车辆通行；经过预设绿灯有效时间后，触发第二变迁转变成黄灯信号；黄灯信号经过预设黄灯有效时间后，触发第三变迁禁止车辆通行；经过预设黄末损失时间后，触发第四变迁转变成红灯信号；红灯信号经过预设红灯时间后，触发第五变迁转变成绿灯信号。
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CN112365704A (zh) * 2020-06-04 2021-02-12 同济大学 基于Petri网的道路交通建模方法、系统、介质及终端

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