CN106846840B - 一种基于道路流量的交通信号灯控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于道路流量的交通信号灯控制方法，方法包括：在进入路口前的每个道路上均安装一个第一摄像装置，用于采集其对应道路上即将进入路口车辆的第一车辆数据。在路口中央安装一个垂直向地面的第二摄像装置，用于记录已进入路口车辆的第二车辆数据；第一摄像装置和第二摄像装置将采集到的第一车辆数据和第二车辆数据输出至数据处理模块，数据处理模块根据第一车辆数据和第二车辆数据分析得到各个路口信号灯的配置信息。本发明的方法能够根据实时的道路情况对信号灯进行调整，提高了道路利用率，降低了拥堵情况出现的概率。

Description

一种基于道路流量的交通信号灯控制方法

技术领域

本发明涉及交通电子技术领域，尤其涉及一种基于道路流量的交通信号灯控制方法。

背景技术

交通信号灯的时间基本是根据经验设置的，不能够体现不同时段和不同场景下的道路实时交通需求，尤其是对于临时性流量变化和路口拥堵等不可预计场景无法进行调整，导致信号灯时间不能配合路况。常见的现象是路口某些方向排队很长，而另外的方向绿灯时车辆很少，导致道路资源无法得到充分利用，降低通行效率。

目前各地交通信号灯的时间基本都是根据经验来设定，部分地区采用是同一个路口总是使用相同设定，部分根据每天不同时段的车流量经验数据进行一定修正，在不同时段使用不同的信号灯时长。不过不管是哪种方式，信号灯时间都是根据历史经验设定，而不能适合实时的交通路况，尤其是在有计划外事件，如交通管制、事故、路口拥堵等情况发生时，无法及时调整信号灯。

目前交通信号灯的控制主要有三种方案，第一种方案是固定信号灯时间，即在不同时段都采用固定的信号灯时间；第二种方案是根据历史车流量设定每个时段的信号灯时间，以在不同时段使用不同的信号灯时长，该方案存在的不足在于，实际流量和经验数据仍然经常有很大差距。前述这两种方案均无法动态地根据实时车流量来调整信号灯时间，而根据时段调整比全天都用相同的设定更合理一些。第三种方案，在美国的一些地区，通过在地面埋设交通流量感应装置，以根据车辆的多少控制红绿灯长短。第三种因为流量感应装置安装在路口，对于美国这样交通秩序较好，拥堵不算严重的国家来说较为实用，但中国的大城市几乎每个路口都很繁忙，任何时候各个方向都有排队的车辆，从而导致感应器无法准确测出排队车辆的数量，从而无法精确控制。

因此，如何实时根据需要通过路口车辆的数量适应性的调整交通信号灯的时间成为目前交通领域亟需解决的问题。

发明内容

针对现有技术之不足，一种基于道路流量的交通信号灯控制方法，所述方法包括：

在进入路口前的每个道路上均安装一个第一摄像装置，所述第一摄像装置用于采集其对应道路上即将进入路口车辆的第一车辆数据；

在路口中央安装一个垂直向地面的第二摄像装置，所述第二摄像装置用于采集已进入路口车辆的第二车辆数据；

所述第一摄像装置和所述第二摄像装置将采集到的所述第一车辆数据和所述第二车辆数据输出至数据处理模块，所述数据处理模块根据所述第一车辆数据和所述第二车辆数据分析得出对各个路口信号灯的配置信息；

所述数据处理模块将所述配置信息输出至控制模块，所述控制模块根据所述配置信息来控制各个方向道路上信号灯的点亮和熄灭。

根据一种优选的实施方式，所述方法还包括所述数据处理模块根据所述第二车辆数据判断路口是否出现拥堵，在出现拥堵时，所述控制模块控制信号灯开启阻断模式，具体方法包括：

所述第二摄像装置从车辆的顶部拍摄车辆的尺寸，并计算得到车辆的实际占地面积；

预设车辆与车辆之间的安全距离，基于所述安全距离和所述车辆尺寸，计算得到车辆的虚拟占地面积；

所述第二摄像装置拍摄路口的形状和尺寸，计算得到路口总占地面积；

将所有已进入路口的车辆的所述虚拟占地面积求和得到总虚拟占地面积，当所述总虚拟占地面积与所述路口总占地面积的比值超过拥堵阈值时，判定路口为拥堵状态，并开启阻断模式，所述阻断模式为各个方向道路上的信号灯处于红灯状态。

根据一种优选的实施方式，所述方法还包括：在开启阻断模式后，所述第二摄像装置以预设的第二时间间隔拍摄路口照片，同时实时计算车辆的所述总虚拟占地面积，以计算出实时的所述总虚拟占地面积与所述路口总占地面积的比值，当所述比值低于解除拥堵阈值时，关闭阻断模式。

根据一种优选的实施方式，所述方法还包括：在所述控制模块开启阻断模式时，与所述控制模块相连的声音警示模块发出声音警示信号。

根据一种优选的实施方式，所述配置信息为各个方向道路上信号灯的开启时间和持续时长。

根据一种优选的实施方式，所述第一车辆数据包括排列长度和车速，所述第二车辆数据包括车辆数量、形状、尺寸、位置、行进方向和车速。

根据一种优选的实施方式，所述拥堵阈值的范围为55%-65%，所述解除拥堵阈值的设置范围为25%-35%。

本发明的有益效果在于：

1、本发明能够根据实时的交通情况，动态的调整各个路口信号灯的持续时长，更大程度的利用了道路资源，提高了通过率，降低发生拥堵的几率。

2、本发明的技术方案能够判断路口是否处于拥堵状态，并且在出现拥堵状态时自动开启阻断模式，解决了进一步堵死的问题，降低了交警的工作量，更加智能。

附图说明

图1是本发明交通信号灯控制方法的流程图；

图2是拥堵状态下的路口车辆示意图；和

图3是本发明开启和关闭阻断模式的方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图进行详细说明。

本发明中的信号灯包括红灯、绿灯、黄灯、左转弯灯。

图1是本发明信号灯控制方法的流程图。如图1所示，本发明针对现有技术中存在的不足，提出一种基于道路流量和拥堵预测的信号灯控制方法，本发明的方法包括：在进入路口前的每个道路上均安装一个第一摄像装置，第一摄像装置用于采集对应道路上即将进入路口车辆的第一车辆数据。第一车辆数据包括车辆数量、排列长度和车速。第一摄像装置为摄像机或相机。

为了根据第一摄像装置拍摄的照片得到第一车辆数据，在每个第一摄像装置上安装一个第一图像处理模块。各个方向道路上车辆的车速的采集过程为：

第一摄像装置以预设的第一时间间隔拍摄照片，并将拍摄的照片输出至第一图像处理模块，第一图像处理模块设别照片上的车辆，得到各个道路上的车辆数量。并且，比较相邻时间间隔拍摄的照片上同一辆车的行驶情况，得到每辆车的行驶距离，通过每辆车的行驶距离除以第一时间间隔，得到每辆车的行驶车速，对该道路上所有行驶车速做平均，得到该道路车辆的平均车速。

为了将采集到的第一车辆数据无线传输至数据处理模块，还安装有与第一图像处理模块连接的第一无线传输模块。

在路口中央安装一个垂直向地面的第二摄像装置，第二摄像装置用于采集已进入路口车辆的第二车辆数据。第二车辆数据至少包括路口车辆数量、位置、行进方向和车速。第二摄像装置竖直向下拍摄，其拍摄范围覆盖整个路口。

为了根据第二摄像装置拍摄的照片得到第二车辆数据，与第二摄像装置设置有第二图像处理模块。已进入路口车辆的车辆数量、行进方向和速度的采集过程为：

第二摄像装置以预设的第二时间间隔拍摄照片，并将拍摄的照片输出是第二图像处理模块，第二图像处理模块设别照片上的车辆，得到车辆数量。并且，比较相邻时间间隔所拍摄的照片上同一辆车的行驶情况，得到每辆车的行驶距离，通过每辆车的行驶距离除以第二时间间隔，得到每辆车的行驶速度，对该道路上所有行驶车速做平均，得到路口中车辆的平均车速。进一步的，根据第二摄像装置连续拍摄的照片，跟踪车辆的行驶方向和轨迹。

为了接收从第一摄像装置发送的第一车辆数据，在第二摄像装置上安装有第二无线传输模块。第一无线传输模块和第二无线传输模块为Wifi模块、Zigbee模块，蓝牙模块中的一个或多个。

第一摄像装置和第二摄像装置将采集到的第一车辆数据和第二车辆数据输出至数据处理模块，数据处理模块根据第一车辆数据和第二车辆数据建立车辆分析得到对各个路口信号灯的配置信息。配置信息为各个方向道路上信号灯的开启时间和持续时长。

数据处理模块将配置信息输出至控制模块，控制模块根据配置信息来控制各个方向道路上信号灯的点亮和熄灭。

由于路口车辆数量、大小、行驶方向对平均通行速度的影响很复杂，通过采用非参数方法得经验性的数值关系，或者在趋势较明显时采用参数方法进行公式拟合。基于各个方向道路上排行车辆的数量、所在车道、行驶方向和路口中已有车辆情况，进行一个仿真实验，尝试各个道路上信号灯的时间配置，找到设定优化目标下最优的信号灯控制方案，即，最优通行方案。这里的设定优化目标可以是单位时间内通过路口的车辆最多，还可以是目前已排队车辆总等待时间最短。在必要时，还可以设定额外的约束目标，如公交车辆优先通过、救护车优先通过等。

在交通实际应用中，即使路口有红路灯和监控摄像头，仍然经常出现拥堵的情况，而且拥堵状态会持续恶化，直到所有方向的车辆互相阻挡，这就是我们经常说的堵死。出现这种情况，一般需要交通警察进行人工指挥和疏导，否则拥堵情况很难得到解决。而在实际中，交警人手有限，对于大多数路口无法实现长时间驻守，因此无法及时了解哪些路口出现堵死的情况。因此本发明提出的方法还包括在第二摄像装置检测路口是否出现拥堵的情况，并且在检测到出现拥堵时，控制模块控制信号灯开启阻断模式，即禁止一切车辆驶入路口。

图2为某个拥堵状态下的路口车辆示意图，图3是本发明方法中开启和关闭阻断模式的方法流程图。如何开启和关闭阻断模式的具体方法包括：

第二摄像装置从车辆的顶部拍摄车辆的形状和尺寸，并计算得到车辆的实际占地面积。拍摄到的路口车辆如图2中所示的实线四边形。

考虑到车辆之间的安全距离，在每辆车的四个方向上再留出一定的距离。预设车辆与车辆之间的安全距离，基于安全距离和车辆尺寸，计算得到车辆的虚拟占地面积。

虚拟占地面积如图2中所示的长划线四边形。第二摄像装置拍摄路口的形状和尺寸，计算得到路口总占地面积。路口的形状和大小如图2中所示的虚线四边形。

将所有已进入路口的车辆的虚拟占地面积求和得到总虚拟占地面积，当总虚拟占地面积与路口总占地面积的比值超过拥堵阈值时，判定路口为拥堵状态，并开启阻断模式，阻断模式为各个方向道路上的信号灯全红。

为了出现堵死而寸步难移的情况发生，拥堵阈值不能设置的太高，拥堵阈值最大可设置为65%。并且，阻断模式必须是在路口比较拥堵的状态下才能开启，否则容易浪费时间，因此，拥堵阈值最小可设置为55%。因此，拥堵阈值的设置范围为55%-65%。交警可根据该路口的实际情况设置拥堵阈值。

在实际交通中，当路口出现比较拥堵的情况时，交警首先会禁止各个方向道路上的车辆进入路口，再将路口的车辆疏导，可见本发明的技术方案与交警的实际操作是相符合的，因此本发明的方法适用于实际交通情况。

进一步的，在控制模块开启阻断模式时，与控制模块相连的声音警示模块发出声音警示信号。以提醒即将进入路口的车辆，此处已经比较拥堵，通行缓慢，以便提前改道。

在开启阻断模式后，第二摄像装置以预设的第二时间间隔拍摄路口照片，同时实时计算车辆的总虚拟占地面积，以计算出实时的总虚拟占地面积与路口总占地面积的比值，当比值低于解除拥堵阈值时，关闭阻断模式。解除拥堵阈值的范围为25%-35%。

在阻断模式开启设定的时间后，该时间可设置范围为3s-10s，如果有新的车辆进入路口，则根据车辆的出现位置，控制模块向该方向第一摄像装置下达拍摄指令，拍摄违章进入路口车辆。如图2中左下角点划线所示的四边形，即违章进入路口的车辆，控制模块向左方路口的第一摄像装置下达拍摄指令，第一摄像装置从尾部进行拍摄，并记录下该车的车牌号。

实施例1

本实施例是在路口未处于拥堵状态下，并且该路口为东西南北向的十字路口。

在四个路口上均安装一个第一摄像装置，第一摄像装置分别采集其对应道路上的第一车辆数据，包括车辆数量、排队长度和车速。第二摄像装置采集已经进入路口车辆的第二车辆数据，第二车辆数据至少包括路口车辆数量、位置、行进方向和车速。

第一摄像装置拍摄的道路情况为：向南方向道路和向北方向道路排队的车辆较多，车速行进缓慢，向东方向和向西方向几乎没有车辆排队，第二摄像装置拍摄的道路情况为：路口车辆情况较为畅通，均无排队等候左转的车辆。

第一摄像装置和第二摄像装置将第一车辆数据和第二车辆数据输出至数据处理模块，数据处理模块根据第一车辆数据和第二车辆数据分析得到各种信号灯的时间配置，并将配置信息发送到控制模块。控制模块根据配置信息对四个道路上的信号灯进行点亮和熄灭的操作。配置信息为信号灯的开启时间和持续时间。

本实施例中的配置信息为：由于向西方法和向东方向排队的车辆较多，向南和向北方向的车辆几乎没有排队，因此向南方向道路和向北方向道理的信号灯为红色，禁止车辆通行，向西方向道路和向东方向道路的信号灯为绿色，允许车辆通行，持续时间为60s。

在向西方向和向东方向的信号灯为绿色的时间内，第一摄像装置和第二摄像装置分别以第一时间间隔和第二时间间隔拍摄照片，并将采集数据输出至数据处理模块，以便数据处理模块分析得出60s结束后新的信号灯配置信息。如此循环，就能够根据实时路口车辆信息智能的控制信号灯，解决了固定信号灯时长所带来的道路资源利用率低的问题。

实施例2

本实施例是在路口处于拥堵状态下进行的，拥堵阈值为60%，解除拥堵阈值为25%。

第二摄像装置以第二时间间隔拍摄照片，获取路口中每辆车的尺寸，通过该尺寸计算得到车辆的实际占地面积，根据预设的车与车之间的安全距离，计算得到每辆车的虚拟占地面积，对路口所有车辆的虚拟占地面积求和得到总虚拟占地面积。第二摄像装置拍摄路口的形状和尺寸，计算得到路口总占地面积。总虚拟占地面积与路口总占地面积相比得到的比值大于拥堵阈值60%，判定当前路口为拥堵状态，控制模块控制信号灯开启阻断模式，所有路口的信号灯全红，禁止车辆进入路口。开启阻断模式，是为了拥堵情况进一步恶化出现堵死的情况，此时只要各个方向道路上的车辆没有继续驶入路口，则路口内的车辆可还可继续缓慢前进驶出路口，路口车辆驶出路口的过程中，第二摄像模块以第二时间间隔对路口进行拍照，每拍一张照片，计算出该照片上车辆的总虚拟占地面积，并计算总虚拟占地面积和路口总占地面积的比值。在拍到某张照片的虚拟占地面积和路口总占地面积的比值小于25%时，判断拥堵状态已经结束，此时结束阻断模式，各个道路方向上的信号灯恢复到正常状态。从某个方向的绿灯开始，让路口恢复通行。

同时，与控制模块相连的声音警示模块发出声音警示信号。

在阻断模式开启后的3s后，第二摄像模块以第二时间间隔对路口进行拍照，当拍到有新的车辆进入路口后，根据该车辆出现的位置，向对应的第一摄像装置下达拍摄指令，从车辆尾部拍摄车牌号并记录。

为了使阻断模式更有约束力，在阻断模式开启后，新驶入路口的车辆记录其车牌号并进行一定的惩罚，如罚款或扣分。

需要注意的是，上述具体实施例是示例性的，本领域技术人员可以在本发明公开内容的启发下想出各种解决方案，而这些解决方案也都属于本发明的公开范围并落入本发明的保护范围之内。本领域技术人员应该明白，本发明说明书及其附图均为说明性而并非构成对权利要求的限制。本发明的保护范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种基于道路流量的交通信号灯控制方法，其特征在于，所述方法包括：

在进入路口前的每个道路上均安装一个第一摄像装置，所述第一摄像装置用于采集其对应道路上即将进入路口车辆的第一车辆数据；

在路口中央安装一个垂直向地面的第二摄像装置，所述第二摄像装置用于采集已进入路口车辆的第二车辆数据；

所述第一摄像装置和所述第二摄像装置将采集到的所述第一车辆数据和所述第二车辆数据输出至数据处理模块，所述数据处理模块根据所述第一车辆数据和所述第二车辆数据分析得出对各个路口信号灯的配置信息；

所述数据处理模块将所述配置信息输出至控制模块，所述控制模块根据所述配置信息来控制各个方向道路上信号灯的点亮和熄灭；

所述方法还包括所述数据处理模块根据所述第二车辆数据判断路口是否出现拥堵，在出现拥堵时，所述控制模块控制信号灯开启阻断模式，具体方法包括：

所述第二摄像装置从车辆的顶部拍摄车辆的尺寸，并计算得到车辆的实际占地面积；

预设车辆与车辆之间的安全距离，基于所述安全距离和所述车辆尺寸，计算得到车辆的虚拟占地面积；

所述第二摄像装置拍摄路口的形状和尺寸，计算得到路口总占地面积；

将所有已进入路口的车辆的所述虚拟占地面积求和得到总虚拟占地面积，当所述总虚拟占地面积与所述路口总占地面积的比值超过拥堵阈值时，判定路口为拥堵状态，并开启阻断模式，所述阻断模式为各个方向道路上的信号灯处于红灯状态；

基于各个方向道路上排行车辆的数量、所在车道、行驶方向和路口中已有车辆情况，进行一个仿真实验，尝试各个道路上信号灯的时间配置，找到设定优化目标下最优的信号灯控制方案。

2.如权利要求1所述的交通信号灯控制方法，其特征在于，所述方法还包括：在开启阻断模式后，所述第二摄像装置以预设的第二时间间隔拍摄路口照片，同时实时计算车辆的所述总虚拟占地面积，以计算出实时的所述总虚拟占地面积与所述路口总占地面积的比值，当所述比值低于解除拥堵阈值时，关闭阻断模式。

3.如权利要求2所述的交通信号灯控制方法，其特征在于，所述方法还包括：在所述控制模块开启阻断模式时，与所述控制模块相连的声音警示模块发出声音警示信号。

4.如权利要求3所述的交通信号灯控制方法，其特征在于，所述配置信息为各个方向道路上信号灯的开启时间和持续时长。

5.如权利要求4所述的交通信号灯控制方法，其特征在于，所述第一车辆数据包括排列长度和车速，所述第二车辆数据包括车辆数量、形状、尺寸、位置、行进方向和车速。

6.如权利要求5所述的交通信号灯控制方法，其特征在于，所述拥堵阈值的范围为55％-65％，所述解除拥堵阈值的设置范围为25％-35％。