CN108171998A - 一种基于电警数据的交叉口自适应交通信号控制系统及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及交通信号控制技术领域，公开了一种基于电警数据的交叉口自适应交通信号控制系统及其工作方法。本发明创造以在交叉口普遍布置的电子警察设备作为前端的数据采集设备，可以采集并缓存反映交叉口流量数据、交叉口的车道情况以及相位分配等基础数据的电警数据，并通过复用这些电警数据实现自适应交通信号控制的目的，不但能够克服现有技术中基于线圈检测器难以维护和数据缺失严重的问题，还可以提高电子警察设备的利用率，减少设备维护管理的成本。此外，还能够满足早晚高峰等各种交通状况下的动态控制需求，适应交通流不断变化的管控需求，提高了交叉口的通行效率，具有很高的经济效益和社会效益，便于实际推广和应用。

Description

一种基于电警数据的交叉口自适应交通信号控制系统及其工 作方法

技术领域

本发明涉及交通信号控制技术领域，具体地，涉及一种基于电警数据的交叉口自适应交通信号控制系统及其工作方法。

背景技术

交通信号控制是城市交通组织优化的重要方法之一，其中单交叉口的交通信号控制，应用最为普遍、控制策略最为成熟可靠。根据控制策略的不同，单点控制可分为定时控制、感应控制、智能控制和自适应控制，其中，定时控制不能适应交通流迅速的变化，操作灵活性低，需要人工经验的判断；感应控制比较适合饱和度较低且各流向流量具有较大差异的路口；智能控制(包括模糊控制或基于神经网络算法的控制)的控制效果虽然较好，但存在控制模型、算法复杂、求解繁琐的问题；单点自适应控制能够适应于多种交通状态，而且其控制模型也比较简单。

现有交通信号控制系统中交通流数据采集的方式，目前普遍存在交通流数据缺失严重，缺乏自适应控制的数据条件。现有系统(如SCOOT-Split Cycle Offset OptimizingTechnique，SCATS-Sydney Coordinated Adaptive Traffic System或HiCon交通信号控制系统等)一般都是基于线圈采集交通流数据，由于线圈易于损坏且难以维修，一旦线圈出现损坏的情况，将对交叉口信号控制产生严重影响。而在交叉口中存在大量的视频监控设备，例如电子警察设备等，这些设备管理维护简单，且采集的交通流数据能够满足交叉口自适应控制的需求。

现有的自适应交通信号控制方法，过多地通过预测手段来表征交叉口的需求，其预测效果的好坏直接决定了自适应的控制效果，缺乏根据交通流运行态势进行反馈调整控制方案的过程。

发明内容

针对前述现有交通信号控制系统所存在的问题，本发明提供了一种基于电警数据的交叉口自适应交通信号控制系统及其工作方法。

本发明采用的技术方案,一方面提供了一种基于电警数据的交叉口自适应交通信号控制系统，包括电警数据采集模块、交通信号控制方案生成模块、信号控制平台和信号机，其中，所述交通信号控制方案生成模块包括交通信号控制预案库生成单元、交通信号控制战略方案生成单元和交通信号控制战术方案生成单元；

所述电警数据采集模块用于采集并缓存电警数据，其中，所述电警数据包括交叉口的若干相位、若干流向、各个相位对应的流向、各个流向对应的车道数和各个流向对应的流量；

所述交通信号控制预案库生成单元通信连接所述电警数据采集模块，用于根据在若干个历史时间片内采集的电警数据，计算历史的各相位等效关键单车道流量矩阵，该各相位等效关键单车道流量矩阵包含有各个历史时间片的各相位等效关键单车道流量序列，并以所有历史时间片的各相位等效关键单车道流量序列为样本集进行聚类分析，得到交叉口在多个交通状态下的各相位流量表征值序列，最后针对各个交通状态，根据对应的各相位流量表征值序列计算对应交通信号控制方案的最佳信号周期时长，得到包含多个交通状态-信号周期预案的交通状态-信号周期预案库，其中，每个交通状态-信号周期预案分别包含有一个交通状态、对应交通状态的各相位流量表征值序列和对应交通信号控制方案的最佳信号周期时长；

所述交通信号控制战略方案生成单元分别通信连接所述电警数据采集模块和所述交通信号控制预案库生成单元，用于在当前时间片结束时，根据在前一个时间片内采集的电警数据，计算下一个时间片的各相位等效关键单车道预测流量序列，并根据计算结果从已生成的交通状态-信号周期预案库中查找匹配的交通状态及对应交通信号控制方案的最佳信号周期时长，将查找所得的最佳信号周期时长作为在下一个时间片内各个信号周期的周期时长，并根据计算所得的各相位等效关键单车道预测流量序列分配在各个信号周期内各相位的绿灯显示时长，得到包含多个信号周期的周期时长及在各个信号周期内各相位的绿灯显示时长的交通信号控制战略方案；

所述交通信号控制战术方案生成单元分别通信连接所述电警数据采集模块和所述交通信号控制战略方案生成单元，用于在当前信号周期结束时，根据在前一个信号周期和当前信号周期内采集的电警数据，对在已生成的交通信号控制战略方案中下一个信号周期的周期时长和各相位的绿灯显示时长进行微调，得到包含下一个信号周期的周期时长及各相位的绿灯显示时长的交通信号控制战术方案；

所述信号控制平台通信连接所述交通信号控制战术方案生成单元，用于将来自所述交通信号控制战术方案生成单元的交通信号控制战术方案写入所述信号机；

所述信号机通信连接所述信号控制平台，用于执行交通信号控制战术方案。

优化的，所述根据在若干个历史时间片内采集的电警数据，计算历史的各相位等效关键单车道流量矩阵的方法，包括如下步骤：

S101.从电警数据采集模块中读取在若干个历史时间片内采集的电警数据，得到各个流向在各个历史时间片内对应的流量，并建立如下的交叉口交通流量矩阵：

式中，n表示流向的总数，h表示历史时间片的总数，qq_ij表示第i(i＝1,2,3,…,n)个流向在第j(j＝1_,2,3,…h)个历史时间片内对应的流量；

S102.根据各个流向对应的车道数将所述交叉口交通流量矩阵转化为如下等效单车道流量矩阵：

式中，l_i表示第i(i＝1,2,3,…,n)个流向对应的车道数，表示第i(i＝1,2,3,…,n)个流向在第j(j＝1,2,3,…h)个历史时间片内对应的等效单车道流量；

S103.针对各个相位，取对应流向中的等效单车道流量最大值为等效关键单车道流量的值，将所述等效单车道流量矩阵转化为如下各相位等效关键单车道流量矩阵：

式中，m表示相位的总数，q_rj表示第r(r＝1,2,3,…,m)个相位在第j(j＝1,2,3,…h)个时间片内对应的等效关键单车道流量。

进一步优化的，所述以所有历史时间片的各相位等效关键单车道流量序列为样本集进行聚类分析，得到交叉口在多个交通状态下的各相位流量表征值序列的方法，包括如下步骤：

S201.将所述等效关键单车道流量矩阵中的每一列作为一个样本，得到包含h个历史时间片的各相位等效关键单车道流量序列的样本集；

S202.设定聚类数为K，采用K-means算法对所述样本集进行聚类分析，得到K个交通状态及对应交通状态的聚类中心序列：

式中，S_rk表示第r(r＝1,2,…,m)个相位在第k(k＝1,2,…,K)类交通状态下的且处于聚类中心位置的等效关键单车道流量，Center(k)表示第k类交通状态的聚类中心序列；

S203.将得到的各类交通状态的聚类中心序列作为对应交通状态下的各相位流量表征值序列：

式中，P_R(k)表示第k类交通状态下的各相位流量表征值序列。

详细优化的，所述针对各个交通状态，根据对应的各相位流量表征值序列计算对应交通信号控制方案的最佳信号周期时长的方法，包括如下步骤：

S301.根据对应交通状态的各相位流量表征值序列P_R(k)，按照如下公式计算组成信号周期的全部相位的流量比之和：

式中，表示在第r(r＝1,2,…,m)个相位时等效关键单车道的饱和流量，Y(k)表示在第k类交通状态下组成信号周期的全部相位的流量比之和；

S302.按照如下公式计算对应交通信号控制方案的最佳信号周期时长：

式中，L表示在信号周期中的总损失时间，C(k)表示与第k类交通状态对应的交通信号控制方案的最佳信号周期时长，其单位为秒；

S303.若计算所得的最佳信号周期时长C(k)小于最小周期时长C_min，则将该最佳信号周期时长C(k)更新为最小周期时长C_min。

优化的，所述电警数据采集模块包括电子警察设备和SQL数据库；所述电子警察设备用于采集电警数据，所述SQL数据库用于以SQL数据结构存储来自所述电子警察设备的电警数据。

本发明采用的技术方案,另一方面提供了一种前述基于电警数据的交叉口自适应交通信号控制系统的工作方法，包括如下步骤：

S401.在时刻t秒结束时判断当前时间片是否结束，若判定当前时间片已结束，则执行步骤S402，否则执行步骤S407；

S402.判断当前信号周期是否结束，若判定当前信号周期已结束，则执行步骤S403，否则执行步骤S406；

S403.根据在前一个时间片内采集的电警数据，计算下一个时间片的各相位等效关键单车道预测流量序列，并根据计算结果从已生成的交通状态-信号周期预案库中查找匹配的交通状态及对应交通信号控制方案的最佳信号周期时长，将查找所得的最佳信号周期时长作为在下一个时间片内各个信号周期的周期时长，并根据计算所得的各相位等效关键单车道预测流量序列分配在各个信号周期内各相位的绿灯显示时长，得到包含多个信号周期的周期时长及在各个信号周期内各相位的绿灯显示时长的交通信号控制战略方案，然后执行步骤S404；

S404.根据在前一个信号周期和当前信号周期内采集的电警数据，对在已生成的交通信号控制战略方案中下一个信号周期的周期时长和各相位的绿灯显示时长进行微调，得到包含下一个信号周期的周期时长及各相位的绿灯显示时长的交通信号控制战术方案，然后执行步骤S405；

S405.将所述交通信号控制战术方案上传至信号控制平台，由信号控制平台将所述交通信号控制战术方案写入信号机，然后执行步骤S406；

S406.信号机正常执行当前的交通信号控制战术方案，并等待时刻t自加1秒，然后返回执行步骤S401；

S407.判断当前信号周期是否结束，若判定当前信号周期已结束，则执行步骤S404，否则执行步骤S406。

优化的，所述根据在前一个时间片内采集的电警数据，计算下一个时间片的各相位等效关键单车道预测流量序列的方法，包括如下步骤：

S501.根据在前一个时间片内采集的电警数据，计算首时间子片的各相位等效关键单车道流量序列中时间子片的各相位等效关键单车道流量序列和尾时间子片的各相位等效关键单车道流量序列其中，所述首时间子片、所述中时间子片和所述尾时间子片为在前一个时间片内依次排序的且均分前一个时间片的时间子片；

S502.按照如下公式计算当前时间片的二次数据序列：

式中，α＝2.4，β＝0.3，χ＝0.3；

S503.按照如下公式计算下一个时间片的各相位等效关键单车道预测流量序列：

式中，表示在计算前一个时间片的各相位等效关键单车道预测流量序列时所得到的各相位等效关键单车道预测流量序列，λ常数，当时取值为0.75，反之取值为0.25。

优化的，所述根据计算结果从已生成的交通状态-信号周期预案库中查找匹配的交通状态及对应交通信号控制方案的最佳信号周期时长的方法，包括如下步骤：

S601.分别计算下一个时间片的各相位等效关键单车道预测流量序列与各交通状态的流量表征值序列的欧式距离；

S602.选择欧式距离最短的交通状态为匹配目标，并获取与该匹配目标对应的交通信号控制方案的最佳信号周期时长。

优化的，所述根据计算所得的各相位等效关键单车道预测流量序列分配在各个信号周期内各相位的实际绿灯显示时长的方法，包括如下步骤：

S701.根据在所述各相位等效关键单车道流量预测序列中各相位的等效关键单车道预测流量，按照如下公式计算各相位的流量比预测值：

式中，r＝1,2,…,m，m表示相位的总数，表示第r相位的流量比预测值，表示第r相位的等效关键单车道预测流量，表示第r相位的等效关键单车道饱和流量；

S702.按照如下公式计算各相位的绿灯显示时间：

式中，g_r表示第r相位的绿灯显示时间，C₀表示信号周期的周期时长，L表示信号周期的总损失时间，L＝(A+R)*m,其中，A表示黄灯显示时间,R表示红灯显示时间，m表示相位的总数。

优化的，所述根据在前一个信号周期和当前信号周期内采集的电警数据，对在已生成的交通信号控制战略方案中下一个信号周期的周期时长和各相位的绿灯显示时长进行微调的方法，包括如下步骤：

S801.根据在前一个信号周期内采集的电警数据，计算前一个信号周期的各相位等效关键单车道流量序列，根据在当前信号周期内采集的电警数据，计算当前信号周期的各相位等效关键单车道流量序列；

S802.根据前一个信号周期的各相位等效关键单车道流量序列，按照如下公式计算前一个信号周期的饱和度值：

式中，m表示相位的总数，x_last表示前一个信号周期的饱和度值，表示在前一个信号周期内第r相位的等效关键单车道预测流量，表示第r相位的等效关键单车道饱和流量，表示前一个信号周期第r相位的绿灯显示时间，C_last表示前一个信号周期的周期时长，同时根据当前信号周期的各相位等效关键单车道流量序列，按照如下公式计算当前信号周期的饱和度值：

式中，x_current表示当前信号周期的饱和度值，表示在当前信号周期内第r相位的等效关键单车道预测流量，表示当前信号周期第r相位的绿灯显示时间，C_current表示当前信号周期的周期时长；

S803.按照如下公式计算下一个信号周期的周期时长：

式中，C_next表示下一个信号周期的周期时长，C_current表示当前信号周期的周期时长，Δ表示最小时间单位为秒的微调时间步长；

S804.按照如下公式计算各相位的饱和度变化率：

式中，γ_r表示第r相位的饱和度变化率；

S805.按照如下几种情况，对下一个信号周期内各相位的实际绿灯显示时长进行微调：

(1)当C_next＝C_current+Δ且存在至少两个相位的饱和度变化率大于零时，则针对饱和度变化率最大的相位的实际绿灯显示时长，延长针对饱和度变化率次大的相位的实际绿灯显示时长，延长其中，Round()为四舍五入函数，γ_max为饱和度变化率的最大值，γ_{second_max}为饱和度变化率的次大值；

(2)当C_next＝C_current+Δ且存在一个相位的饱和度变化率大于零时，则针对饱和度变化率最大的相位的实际绿灯显示时长，延长Δ；

(3)当C_next＝C_current-Δ且存在至少两个相位的饱和度变化率小于零时，则针对饱和度变化率最小的相位的实际绿灯显示时长，缩短针对饱和度变化率次小的相位的实际绿灯显示时长，缩短其中，Round()为四舍五入函数，γ_min为饱和度变化率的最小值，γ_{second_min}为饱和度变化率的次小值；

(4)当C_next＝C_current-Δ且存在一个相位的饱和度变化率小于零时，则针对饱和度变化率最小的相位的实际绿灯显示时长，缩短Δ；

(5)当C_next＝C_current时，不微调。

综上，采用本发明所提供的一种基于电警数据的交叉口自适应交通信号控制系统及其工作方法，具有如下有益效果。

(1)本发明创造以在交叉口普遍布置的电子警察设备作为前端的数据采集设备，可以采集并缓存反映交叉口流量数据、交叉口的车道情况以及相位分配等基础数据的电警数据，并通过复用这些电警数据实现自适应交通信号控制的目的，不但能够克服现有技术中基于线圈检测器难以维护和数据缺失严重的问题，还可以提高电子警察设备的利用率，减少设备维护管理的成本。

(2)本发明创造的发明构思是：先根据历史采集的电警数据，学习生成相应的交通信号控制预案库(即交通状态-信号周期预案库)，然后以定长的时间片(例如15min)为间隔，根据在前一个时间片采集的电警数据对未来下一个时间片的交通流发展趋势进行预测，并将预测结果与交通信号控制预案库中的交通控制方案进行匹配，生成未来下一个时间片的交通信号控制战略方案，以及在交通信号控制战略方案的基础上，对时间片中每个信号周期和各相位的绿信比进行小步距地反馈调整，生成针对每个信号周期的交通信号控制战术方案，最后将每个信号周期的交通信号控制战术方案上传到信号控制平台，由信号控制平台下发给相应交叉口的信号机进行执行，从而能够满足早晚高峰等各种交通状况下的动态控制需求，在中小城市具有广泛的应用性。

本发明创造提供的交通信号控制系统及其工作方法，能够适应交通流不断变化的管控需求，提高了交叉口的通行效率，具有很高的经济效益和社会效益，便于实际推广和应用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的交叉口自适应交通信号控制系统的结构示意图。

图2是本发明提供的交叉口自适应交通信号控制系统的工作方法流程示意图。

具体实施方式

以下将参照附图，通过实施例方式详细地描述本发明提供的基于电警数据的交叉口自适应交通信号控制系统及其工作方法。在此需要说明的是，对于这些实施例方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。

本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述绑定对象的绑定关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，单独存在B，同时存在A和B三种情况，本文中术语“/和”是描述另一种绑定对象关系，表示可以存在两种关系，例如，A/和B，可以表示：单独存在A，单独存在A和B两种情况，另外，本文中字符“/”，一般表示前后绑定对象是一种“或”关系。

实施例一

图1示出了本发明提供的交叉口自适应交通信号控制系统的结构示意图，图2示出了本发明提供的交叉口自适应交通信号控制系统的工作方法流程示意图。

本实施例提供的所述基于电警数据的交叉口自适应交通信号控制系统，包括电警数据采集模块、交通信号控制方案生成模块、信号控制平台和信号机，其中，所述交通信号控制方案生成模块包括交通信号控制预案库生成单元、交通信号控制战略方案生成单元和交通信号控制战术方案生成单元。

所述电警数据采集模块用于采集并缓存电警数据，其中，所述电警数据包括交叉口的若干相位、若干流向、各个相位对应的流向、各个流向对应的车道数和各个流向对应的流量。具体的，如图1所示，所述电警数据采集模块包括电子警察设备和SQL数据库。所述电子警察设备用于采集电警数据，例如卡式电子警察设备或普通电子警察设备，所述电警数据能够反映交叉口各个进口道车辆的过车信息(主要包括车牌号、过车时间等基础信息)、交叉口的车道情况以及相位方案等静态基础数据。所述SQL数据库用于以SQL数据结构存储来自所述电子警察设备的电警数据，以便被所述交通信号控制方案生成模块中的各个单元所读取。

所述交通信号控制预案库生成单元通信连接所述电警数据采集模块，用于根据在若干个历史时间片内采集的电警数据，计算历史的各相位等效关键单车道流量矩阵，该各相位等效关键单车道流量矩阵包含有各个历史时间片的各相位等效关键单车道流量序列，并以所有历史时间片的各相位等效关键单车道流量序列为样本集进行聚类分析，得到交叉口在多个交通状态下的各相位流量表征值序列，最后针对各个交通状态，根据对应的各相位流量表征值序列计算对应交通信号控制方案的最佳信号周期时长，得到包含多个交通状态-信号周期预案的交通状态-信号周期预案库，其中，每个交通状态-信号周期预案分别包含有一个交通状态、对应交通状态的各相位流量表征值序列和对应交通信号控制方案的最佳信号周期时长。

优化的，所述根据在若干个历史时间片内采集的电警数据，计算历史的各相位等效关键单车道流量矩阵的方法，可以但不限于包括如下步骤：

S101.从电警数据采集模块中读取在若干个历史时间片内采集的电警数据，得到各个流向在各个历史时间片内对应的流量，并建立如下的交叉口交通流量矩阵：

式中，n表示流向的总数，h表示历史时间片的总数，当历史时间片优选为在前一周内(每日6：00～24：00时段内)的且以15分钟为粒度进行切分的时间片时，其值将为504，qq_ij表示第i(i＝1,2,3,…,n)个流向在第j(j＝1,2,3,…h)个历史时间片内对应的流量；

S102.根据各个流向对应的车道数将所述交叉口交通流量矩阵转化为如下等效单车道流量矩阵：

式中，l_i表示第i(i＝1,2,3,…,n)个流向对应的车道数，表示第i(i＝1,2,3,…,n)个流向在第j(j＝1,2,3,…h)个历史时间片内对应的等效单车道流量；

S103.针对各个相位，取对应流向中的等效单车道流量最大值为等效关键单车道流量的值，将所述等效单车道流量矩阵转化为如下各相位等效关键单车道流量矩阵：

式中，m表示相位的总数，q_rj表示第r(r＝1,2,3,…,m)个相位在第j(j＝1,2,3,…h)个时间片内对应的等效关键单车道流量。

进一步优化的，所述以所有历史时间片的各相位等效关键单车道流量序列为样本集进行聚类分析，得到交叉口在多个交通状态下的各相位流量表征值序列的方法，可以但不限于包括如下步骤：

S201.将所述等效关键单车道流量矩阵中的每一列作为一个样本，得到包含h个历史时间片的各相位等效关键单车道流量序列的样本集；

S202.设定聚类数为K，采用K-means算法(现有的一种聚类算法)对所述样本集进行聚类分析，得到K个交通状态及对应交通状态的聚类中心序列：

式中，S_rk表示第r(r＝1,2,…,m)个相位在第k(k＝1_,2,…,K)类交通状态下的且处于聚类中心位置的等效关键单车道流量，Center(k)表示第k类交通状态的聚类中心序列；

S203.将得到的各类交通状态的聚类中心序列作为对应交通状态下的各相位流量表征值序列：

式中，P_R(k)表示第k类交通状态下的各相位流量表征值序列。

详细优化的，所述针对各个交通状态，根据对应的各相位流量表征值序列计算对应交通信号控制方案的最佳信号周期时长的方法，可以但不限于包括如下步骤：

S301.根据对应交通状态的各相位流量表征值序列P_R(k)，按照如下公式计算组成信号周期的全部相位的流量比之和：

式中，表示在第r(r＝1,2,…,m)个相位时等效关键单车道的饱和流量，Y(k)表示在第k类交通状态下组成信号周期的全部相位的流量比之和；

S302.按照如下公式计算对应交通信号控制方案的最佳信号周期时长：

式中，L表示在信号周期中的总损失时间，C(k)表示与第k类交通状态对应的交通信号控制方案的最佳信号周期时长，其单位为秒；

S303.若计算所得的最佳信号周期时长C(k)小于最小周期时长C_min，则将该最佳信号周期时长C(k)更新为最小周期时长C_min。

所述交通信号控制战略方案生成单元分别通信连接所述电警数据采集模块和所述交通信号控制预案库生成单元，用于在当前时间片结束时，根据在前一个时间片内采集的电警数据，计算下一个时间片的各相位等效关键单车道预测流量序列，并根据计算结果从已生成的交通状态-信号周期预案库中查找匹配的交通状态及对应交通信号控制方案的最佳信号周期时长，将查找所得的最佳信号周期时长作为在下一个时间片内各个信号周期的周期时长，并根据计算所得的各相位等效关键单车道预测流量序列分配在各个信号周期内各相位的绿灯显示时长，得到包含多个信号周期的周期时长及在各个信号周期内各相位的绿灯显示时长的交通信号控制战略方案。

所述交通信号控制战术方案生成单元分别通信连接所述电警数据采集模块和所述交通信号控制战略方案生成单元，用于在当前信号周期结束时，根据在前一个信号周期和当前信号周期内采集的电警数据，对在已生成的交通信号控制战略方案中下一个信号周期的周期时长和各相位的绿灯显示时长进行微调，得到包含下一个信号周期的周期时长及各相位的绿灯显示时长的交通信号控制战术方案。

所述信号控制平台通信连接所述交通信号控制战术方案生成单元，用于将来自所述交通信号控制战术方案生成单元的交通信号控制战术方案写入所述信号机。所述信号机通信连接所述信号控制平台，其布置在对应交叉口，用于执行交通信号控制战术方案。

如图2所示，前述基于电警数据的交叉口自适应交通信号控制系统的工作方法，可以但不限于包括如下步骤。

S401.在时刻t秒结束时判断当前时间片是否结束，若判定当前时间片已结束，则执行步骤S402，否则执行步骤S407。

S402.判断当前信号周期是否结束，若判定当前信号周期已结束，则执行步骤S403，否则执行步骤S406。

S403.根据在前一个时间片内采集的电警数据，计算下一个时间片的各相位等效关键单车道预测流量序列，并根据计算结果从已生成的交通状态-信号周期预案库中查找匹配的交通状态及对应交通信号控制方案的最佳信号周期时长，将查找所得的最佳信号周期时长作为在下一个时间片内各个信号周期的周期时长，并根据计算所得的各相位等效关键单车道预测流量序列分配在各个信号周期内各相位的绿灯显示时长，得到包含多个信号周期的周期时长及在各个信号周期内各相位的绿灯显示时长的交通信号控制战略方案，然后执行步骤S404。

在所述步骤S403中，所述根据在前一个时间片内采集的电警数据，计算下一个时间片的各相位等效关键单车道预测流量序列的方法，可以但不限于包括如下步骤：

S501.根据在前一个时间片内采集的电警数据，计算首时间子片的各相位等效关键单车道流量序列中时间子片的各相位等效关键单车道流量序列和尾时间子片的各相位等效关键单车道流量序列(可参照由步骤S101～S103所述的方法进行计算)，其中，所述首时间子片、所述中时间子片和所述尾时间子片为在前一个时间片内依次排序的且均分前一个时间片的时间子片(即当前一个时间片的时长为15分钟，则所述首时间子片为前5分钟，所述中时间子片为中间5分钟，所述尾时间子片为最后5分钟)；

S502.按照如下公式计算当前时间片的二次数据序列：

式中，α＝2.4，β＝0.3，χ＝0.3；

S503.按照如下公式计算下一个时间片的各相位等效关键单车道预测流量序列：

式中，表示在计算前一个时间片的各相位等效关键单车道预测流量序列时所得到的各相位等效关键单车道预测流量序列，λ常数，当时取值为0.75，反之取值为0.25。

在所述步骤S403中，所述根据计算结果从已生成的交通状态-信号周期预案库中查找匹配的交通状态及对应交通信号控制方案的最佳信号周期时长的方法，可以但不限于包括如下步骤：

S601.分别计算下一个时间片的各相位等效关键单车道预测流量序列与各交通状态的流量表征值序列的欧式距离；

S602.选择欧式距离最短的交通状态为匹配目标，并获取与该匹配目标对应的交通信号控制方案的最佳信号周期时长。

在所述步骤S403中，所述根据计算所得的各相位等效关键单车道预测流量序列分配在各个信号周期内各相位的实际绿灯显示时长的方法，包括如下步骤：

S701.根据在所述各相位等效关键单车道流量预测序列中各相位的等效关键单车道预测流量，按照如下公式计算各相位的流量比预测值：

式中，r＝1,2,…,m，m表示相位的总数，表示第r相位的饱和度预测值，表示第r相位的等效关键单车道预测流量，表示第r相位的等效关键单车道饱和流量；

S702.按照如下公式计算各相位的绿灯显示时间：

式中，g_r表示第r相位的绿灯显示时间，C₀表示信号周期的周期时长，L表示信号周期的总损失时间，L＝(A+R)*m,其中，A表示黄灯显示时间,R表示红灯显示时间，m表示相位的总数

S404.根据在前一个信号周期和当前信号周期内采集的电警数据，对在已生成的交通信号控制战略方案中下一个信号周期的周期时长和各相位的绿灯显示时长进行微调，得到包含下一个信号周期的周期时长及各相位的绿灯显示时长的交通信号控制战术方案，然后执行步骤S405。

在所述步骤S404中，所述根据在前一个信号周期和当前信号周期内采集的电警数据，对在已生成的交通信号控制战略方案中下一个信号周期的周期时长和各相位的绿灯显示时长进行微调的方法，可以但不限于包括如下步骤：

S801.根据在前一个信号周期内采集的电警数据，计算前一个信号周期的各相位等效关键单车道流量序列(可参照由步骤S101～S103所述的方法进行计算)，根据在当前信号周期内采集的电警数据，计算当前信号周期的各相位等效关键单车道流量序列(可参照由步骤S101～S103所述的方法进行计算)；

S802.根据前一个信号周期的各相位等效关键单车道流量序列，按照如下公式计算前一个信号周期的饱和度值：

式中，m表示相位的总数，x_last表示前一个信号周期的饱和度值，表示在前一个信号周期内第r相位的等效关键单车道预测流量，表示第r相位的等效关键单车道饱和流量，表示前一个信号周期第r相位的绿灯显示时间，C_last表示前一个信号周期的周期时长，同时根据当前信号周期的各相位等效关键单车道流量序列，按照如下公式计算当前信号周期的饱和度值：

式中，x_current表示当前信号周期的饱和度值，表示在当前信号周期内第r相位的等效关键单车道预测流量，表示当前信号周期第r相位的绿灯显示时间，C_current表示当前信号周期的周期时长；

S803.按照如下公式计算下一个信号周期的周期时长：

式中，C_next表示下一个信号周期的周期时长，C_current表示当前信号周期的周期时长，Δ表示最小时间单位为秒的微调时间步长；

S804.按照如下公式计算各相位的饱和度变化率：

式中，γ_r表示第r相位的饱和度变化率；

S805.按照如下几种情况，对下一个信号周期内各相位的实际绿灯显示时长进行微调：

(1)当C_next＝C_current+Δ且存在至少两个相位的饱和度变化率大于零时，则针对饱和度变化率最大的相位的实际绿灯显示时长，延长针对饱和度变化率次大的相位的实际绿灯显示时长，延长其中，Round()为四舍五入函数，γ_max为饱和度变化率的最大值，γ_{second_max}为饱和度变化率的次大值；

(2)当C_next＝C_current+Δ且存在一个相位的饱和度变化率大于零时，则针对饱和度变化率最大的相位的实际绿灯显示时长，延长Δ；

(3)当C_next＝C_current-Δ且存在至少两个相位的饱和度变化率小于零时，则针对饱和度变化率最小的相位的实际绿灯显示时长，缩短针对饱和度变化率次小的相位的实际绿灯显示时长，缩短其中，Round()为四舍五入函数，γ_min为饱和度变化率的最小值，γ_{second_min}为饱和度变化率的次小值；

(4)当C_next＝C_current-Δ且存在一个相位的饱和度变化率小于零时，则针对饱和度变化率最小的相位的实际绿灯显示时长，缩短Δ；

(5)当C_next＝C_current时，不微调。

S405.将所述交通信号控制战术方案上传至信号控制平台，由信号控制平台将所述交通信号控制战术方案写入信号机，然后执行步骤S406。

S406.信号机正常执行当前的交通信号控制战术方案，并等待时刻t自加1秒，然后返回执行步骤S401。

S407.判断当前信号周期是否结束，若判定当前信号周期已结束，则执行步骤S404，否则执行步骤S406。

综上，本实施例所提供的基于电警数据的交叉口自适应交通信号控制系统及其工作方法，具有如下有益效果。

(1)本发明创造以在交叉口普遍布置的电子警察设备作为前端的数据采集设备，可以采集并缓存反映交叉口流量数据、交叉口的车道情况以及相位分配等基础数据的电警数据，并通过复用这些电警数据实现自适应交通信号控制的目的，不但能够克服现有技术中基于线圈检测器难以维护和数据缺失严重的问题，还可以提高电子警察设备的利用率，减少设备维护管理的成本。

(2)本发明创造的发明构思是：先根据历史采集的电警数据，学习生成相应的交通信号控制预案库(即交通状态-信号周期预案库)，然后以定长的时间片(例如15min)为间隔，根据在前一个时间片采集的电警数据对未来下一个时间片的交通流发展趋势进行预测，并将预测结果与交通信号控制预案库中的交通控制方案进行匹配，生成未来下一个时间片的交通信号控制战略方案，以及在交通信号控制战略方案的基础上，对时间片中每个信号周期和各相位的绿信比进行小步距地反馈调整，生成针对每个信号周期的交通信号控制战术方案，最后将每个信号周期的交通信号控制战术方案上传到信号控制平台，由信号控制平台下发给相应交叉口的信号机进行执行，从而能够满足早晚高峰等各种交通状况下的动态控制需求，在中小城市具有广泛的应用性。

本发明创造提供的交通信号控制系统及其工作方法，能够适应交通流不断变化的管控需求，提高了交叉口的通行效率，具有很高的经济效益和社会效益，便于实际推广和应用。

如上所述，可较好地实现本发明。对于本领域的技术人员而言，根据本发明的教导，设计出不同形式的基于电警数据的交叉口自适应交通信号控制系统及其工作方法并不需要创造性的劳动。在不脱离本发明的原理和精神的情况下对这些实施例进行变化、修改、替换、整合和变型仍落入本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于电警数据的交叉口自适应交通信号控制系统，其特征在于，包括电警数据采集模块、交通信号控制方案生成模块、信号控制平台和信号机，其中，所述交通信号控制方案生成模块包括交通信号控制预案库生成单元、交通信号控制战略方案生成单元和交通信号控制战术方案生成单元；

所述电警数据采集模块用于采集并缓存电警数据，其中，所述电警数据包括交叉口的若干相位、若干流向、各个相位对应的流向、各个流向对应的车道数和各个流向对应的流量；

所述交通信号控制预案库生成单元通信连接所述电警数据采集模块，用于根据在若干个历史时间片内采集的电警数据，计算历史的各相位等效关键单车道流量矩阵，该各相位等效关键单车道流量矩阵包含有各个历史时间片的各相位等效关键单车道流量序列，并以所有历史时间片的各相位等效关键单车道流量序列为样本集进行聚类分析，得到交叉口在多个交通状态下的各相位流量表征值序列，最后针对各个交通状态，根据对应的各相位流量表征值序列计算对应交通信号控制方案的最佳信号周期时长，得到包含多个交通状态-信号周期预案的交通状态-信号周期预案库，其中，每个交通状态-信号周期预案分别包含有一个交通状态、对应交通状态的各相位流量表征值序列和对应交通信号控制方案的最佳信号周期时长；

所述交通信号控制战略方案生成单元分别通信连接所述电警数据采集模块和所述交通信号控制预案库生成单元，用于在当前时间片结束时，根据在前一个时间片内采集的电警数据，计算下一个时间片的各相位等效关键单车道预测流量序列，并根据计算结果从已生成的交通状态-信号周期预案库中查找匹配的交通状态及对应交通信号控制方案的最佳信号周期时长，将查找所得的最佳信号周期时长作为在下一个时间片内各个信号周期的周期时长，并根据计算所得的各相位等效关键单车道预测流量序列分配在各个信号周期内各相位的绿灯显示时长，得到包含多个信号周期的周期时长及在各个信号周期内各相位的绿灯显示时长的交通信号控制战略方案；

所述交通信号控制战术方案生成单元分别通信连接所述电警数据采集模块和所述交通信号控制战略方案生成单元，用于在当前信号周期结束时，根据在前一个信号周期和当前信号周期内采集的电警数据，对在已生成的交通信号控制战略方案中下一个信号周期的周期时长和各相位的绿灯显示时长进行微调，得到包含下一个信号周期的周期时长及各相位的绿灯显示时长的交通信号控制战术方案；

所述信号控制平台通信连接所述交通信号控制战术方案生成单元，用于将来自所述交通信号控制战术方案生成单元的交通信号控制战术方案写入所述信号机；

所述信号机通信连接所述信号控制平台，用于执行交通信号控制战术方案。

2.如权利要求1所述的一种基于电警数据的交叉口自适应交通信号控制系统，其特征在于，所述根据在若干个历史时间片内采集的电警数据，计算历史的各相位等效关键单车道流量矩阵的方法，包括如下步骤：

S101.从电警数据采集模块中读取在若干个历史时间片内采集的电警数据，得到各个流向在各个历史时间片内对应的流量，并建立如下的交叉口交通流量矩阵：

式中，n表示流向的总数，h表示历史时间片的总数，qq_ij表示第i(i＝1,2,3,…,n)个流向在第j(j＝1_,2,3,…h)个历史时间片内对应的流量；

S102.根据各个流向对应的车道数将所述交叉口交通流量矩阵转化为如下等效单车道流量矩阵：

式中，l_i表示第i(i＝1,2,3,…,n)个流向对应的车道数，表示第i(i＝1,2,3,…,n)个流向在第j(j＝1,2,3,…h)个历史时间片内对应的等效单车道流量；

S103.针对各个相位，取对应流向中的等效单车道流量最大值为等效关键单车道流量的值，将所述等效单车道流量矩阵转化为如下各相位等效关键单车道流量矩阵：

式中，m表示相位的总数，q_rj表示第r(r＝1,2,3,…,m)个相位在第j(j＝1,2,3,…h)个时间片内对应的等效关键单车道流量。

3.如权利要求2所述的一种基于电警数据的交叉口自适应交通信号控制系统，其特征在于，所述以所有历史时间片的各相位等效关键单车道流量序列为样本集进行聚类分析，得到交叉口在多个交通状态下的各相位流量表征值序列的方法，包括如下步骤：

S201.将所述等效关键单车道流量矩阵中的每一列作为一个样本，得到包含h个历史时间片的各相位等效关键单车道流量序列的样本集；

S202.设定聚类数为K，采用K-means算法对所述样本集进行聚类分析，得到K个交通状态及对应交通状态的聚类中心序列：

式中，S_rk表示第r(r＝1,2,…,m)个相位在第k(k＝1,2,…,K)类交通状态下的且处于聚类中心位置的等效关键单车道流量，Center(k)表示第k类交通状态的聚类中心序列；

S203.将得到的各类交通状态的聚类中心序列作为对应交通状态下的各相位流量表征值序列：

式中，P_R(k)表示第k类交通状态下的各相位流量表征值序列。

4.如权利要求3所述的一种基于电警数据的交叉口自适应交通信号控制系统，其特征在于，所述针对各个交通状态，根据对应的各相位流量表征值序列计算对应交通信号控制方案的最佳信号周期时长的方法，包括如下步骤：

S301.根据对应交通状态的各相位流量表征值序列P_R(k)，按照如下公式计算组成信号周期的全部相位的流量比之和：

式中，表示在第r(r＝1,2,…,m)个相位时等效关键单车道的饱和流量，Y(k)表示在第k类交通状态下组成信号周期的全部相位的流量比之和；

S302.按照如下公式计算对应交通信号控制方案的最佳信号周期时长：

式中，L表示在信号周期中的总损失时间，C(k)表示与第k类交通状态对应的交通信号控制方案的最佳信号周期时长，其单位为秒；

S303.若计算所得的最佳信号周期时长C(k)小于最小周期时长C_min，则将该最佳信号周期时长C(k)更新为最小周期时长C_min。

5.如权利要求1所述的一种基于电警数据的交叉口自适应交通信号控制系统，其特征在于，所述电警数据采集模块包括电子警察设备和SQL数据库；

所述电子警察设备用于采集电警数据，所述SQL数据库用于以SQL数据结构存储来自所述电子警察设备的电警数据。

6.一种如权利要求1～5任意一项所述的基于电警数据的交叉口自适应交通信号控制系统的工作方法，其特征在于，包括如下步骤：

S401.在时刻t秒结束时判断当前时间片是否结束，若判定当前时间片已结束，则执行步骤S402，否则执行步骤S407；

S402.判断当前信号周期是否结束，若判定当前信号周期已结束，则执行步骤S403，否则执行步骤S406；

S403.根据在前一个时间片内采集的电警数据，计算下一个时间片的各相位等效关键单车道预测流量序列，并根据计算结果从已生成的交通状态-信号周期预案库中查找匹配的交通状态及对应交通信号控制方案的最佳信号周期时长，将查找所得的最佳信号周期时长作为在下一个时间片内各个信号周期的周期时长，并根据计算所得的各相位等效关键单车道预测流量序列分配在各个信号周期内各相位的绿灯显示时长，得到包含多个信号周期的周期时长及在各个信号周期内各相位的绿灯显示时长的交通信号控制战略方案，然后执行步骤S404；

S404.根据在前一个信号周期和当前信号周期内采集的电警数据，对在已生成的交通信号控制战略方案中下一个信号周期的周期时长和各相位的绿灯显示时长进行微调，得到包含下一个信号周期的周期时长及各相位的绿灯显示时长的交通信号控制战术方案，然后执行步骤S405；

S405.将所述交通信号控制战术方案上传至信号控制平台，由信号控制平台将所述交通信号控制战术方案写入信号机，然后执行步骤S406；

S406.信号机正常执行当前的交通信号控制战术方案，并等待时刻t自加1秒，然后返回执行步骤S401；

S407.判断当前信号周期是否结束，若判定当前信号周期已结束，则执行步骤S404，否则执行步骤S406。

7.如权利要求6所述的一种基于电警数据的交叉口自适应交通信号控制系统的工作方法，其特征在于，所述根据在前一个时间片内采集的电警数据，计算下一个时间片的各相位等效关键单车道预测流量序列的方法，包括如下步骤：

S501.根据在前一个时间片内采集的电警数据，计算首时间子片的各相位等效关键单车道流量序列中时间子片的各相位等效关键单车道流量序列和尾时间子片的各相位等效关键单车道流量序列其中，所述首时间子片、所述中时间子片和所述尾时间子片为在前一个时间片内依次排序的且均分前一个时间片的时间子片；

S502.按照如下公式计算当前时间片的二次数据序列：

式中，α＝2.4，β＝0.3，χ＝0.3；

S503.按照如下公式计算下一个时间片的各相位等效关键单车道预测流量序列：

式中，表示在计算前一个时间片的各相位等效关键单车道预测流量序列时所得到的各相位等效关键单车道预测流量序列，λ常数，当时取值为0.75，反之取值为0.25。

8.如权利要求6所述的一种基于电警数据的交叉口自适应交通信号控制系统的工作方法，其特征在于，所述根据计算结果从已生成的交通状态-信号周期预案库中查找匹配的交通状态及对应交通信号控制方案的最佳信号周期时长的方法，包括如下步骤：

S601.分别计算下一个时间片的各相位等效关键单车道预测流量序列与各交通状态的流量表征值序列的欧式距离；

S602.选择欧式距离最短的交通状态为匹配目标，并获取与该匹配目标对应的交通信号控制方案的最佳信号周期时长。

9.如权利要求6所述的一种基于电警数据的交叉口自适应交通信号控制系统的工作方法，所述根据计算所得的各相位等效关键单车道预测流量序列分配在各个信号周期内各相位的实际绿灯显示时长的方法，包括如下步骤：

S701.根据在所述各相位等效关键单车道流量预测序列中各相位的等效关键单车道预测流量，按照如下公式计算各相位的流量比预测值：

式中，r＝1,2,…,m，m表示相位的总数，表示第r相位的饱和度预测值，表示第r相位的等效关键单车道预测流量，表示第r相位的等效关键单车道饱和流量；

S702.按照如下公式计算各相位的绿灯显示时间：

式中，g_r表示第r相位的绿灯显示时间，C₀表示信号周期的周期时长，L表示信号周期的总损失时间，L＝(A+R)*m,其中，A表示黄灯显示时间,R表示红灯显示时间，m表示相位的总数。

10.如权利要求6所述的一种基于电警数据的交叉口自适应交通信号控制系统的工作方法，所述根据在前一个信号周期和当前信号周期内采集的电警数据，对在已生成的交通信号控制战略方案中下一个信号周期的周期时长和各相位的绿灯显示时长进行微调的方法，包括如下步骤：

S801.根据在前一个信号周期内采集的电警数据，计算前一个信号周期的各相位等效关键单车道流量序列，根据在当前信号周期内采集的电警数据，计算当前信号周期的各相位等效关键单车道流量序列；

S802.根据前一个信号周期的各相位等效关键单车道流量序列，按照如下公式计算前一个信号周期的饱和度值：

式中，m表示相位的总数，x_last表示前一个信号周期的饱和度值，表示在前一个信号周期内第r相位的等效关键单车道预测流量，表示第r相位的等效关键单车道饱和流量，表示前一个信号周期第r相位的绿灯显示时间，C_last表示前一个信号周期的周期时长，同时根据当前信号周期的各相位等效关键单车道流量序列，按照如下公式计算当前信号周期的饱和度值：

式中，x_current表示当前信号周期的饱和度值，表示在当前信号周期内第r相位的等效关键单车道预测流量，表示当前信号周期第r相位的绿灯显示时间，C_current表示当前信号周期的周期时长；

S803.按照如下公式计算下一个信号周期的周期时长：

式中，C_next表示下一个信号周期的周期时长，C_current表示当前信号周期的周期时长，Δ表示最小时间单位为秒的微调时间步长；

S804.按照如下公式计算各相位的饱和度变化率：

式中，γ_r表示第r相位的饱和度变化率；

S805.按照如下几种情况，对下一个信号周期内各相位的实际绿灯显示时长进行微调：

(1)当C_next＝C_current+Δ且存在至少两个相位的饱和度变化率大于零时，则针对饱和度变化率最大的相位的实际绿灯显示时长，延长针对饱和度变化率次大的相位的实际绿灯显示时长，延长其中，Round()为四舍五入函数，γ_max为饱和度变化率的最大值，γ_{second_max}为饱和度变化率的次大值；

(2)当C_next＝C_current+Δ且存在一个相位的饱和度变化率大于零时，则针对饱和度变化率最大的相位的实际绿灯显示时长，延长Δ；

(3)当C_next＝C_current-Δ且存在至少两个相位的饱和度变化率小于零时，则针对饱和度变化率最小的相位的实际绿灯显示时长，缩短针对饱和度变化率次小的相位的实际绿灯显示时长，缩短其中，Round()为四舍五入函数，γ_min为饱和度变化率的最小值，γ_{second_min}为饱和度变化率的次小值；

(4)当C_next＝C_current-Δ且存在一个相位的饱和度变化率小于零时，则针对饱和度变化率最小的相位的实际绿灯显示时长，缩短Δ；

(5)当C_next＝C_current时，不微调。