CN108346306A - 一种车辆与信号灯信息交互及自适应控制系统 - Google Patents

一种车辆与信号灯信息交互及自适应控制系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种车辆与信号灯信息交互及自适应控制系统。由车辆与信号灯信息交互子系统、预警子系统和信号灯自适应控制子系统三个部分组成。其中,车辆与信号灯信息交互子系统包括车辆终端和信号灯终端两部分,车辆终端包括zigbee无线通信模块cc2530、车辆终端控制单元、gps模块、led显示模块和蜂鸣器模块;信号灯终端包括zigbee无线通信模块cc2530、信号灯终端控制单元和信号灯显示模块。信号灯将当前信号灯状态通过无线通信模块以广播形式传递到各个车辆终端控制单元,由预警子系统生成预警提示信息,提示驾驶员是否可以顺利通过交叉口。信号灯终端控制单元根据各车辆终端控制单元传送过来的车辆信息,由信号灯自适应控制子系统。

Description

一种车辆与信号灯信息交互及自适应控制系统
技术领域
[0001] 本发明涉及一种车路协同信息领域,具体涉及一种车辆与信号灯信息交互及自适 应控制系统。
背景技术
[0002] 我国道路交通建设飞速发展,道路不断增加与扩建,信号灯在交通控制,维持交通 秩序中起着至关重要的作用。
[0003] —些偏僻路口甚至很多主干道上的红绿灯不配有秒数倒计时器,有的甚至没有黄 灯的过渡,直接从绿灯跳到红灯。红绿灯设置的不完善,存在很大的安全隐患。而且即使在 一些有秒数提醒的情况下,仍有相当多的驾驶员无法正确判断在剩余绿灯秒数下汽车能否 通过红绿灯,从而导致闯黄灯或急刹车追尾等交通事故的发生。
[0004] 为解决交叉口拥堵问题,采取无线通信等方式实现车辆与信号灯之间的信息交 互,实时获取车速、车流量等信息,从而进行自适应信号灯配时及控制是一种有效的解决办 法。在信号灯对车速和车流量的识别方面,已有系统或研究多是采用埋设磁感线圈的方法 检测交叉口的车流量,这种方法需要挖开路面,耗时长,施工难度大,且增加路口通行压力。 在专利号CN104392616A中使用图像识别的方式对车辆进行检测,并通过无线通信手段传输 到相关路口,这方法数据传输繁琐、成本昂贵,并在恶劣天气下视频检测效果并不理想。在 车辆对信号灯的识别方面,已有技术多基于图像识别,识别精度受天气影响较大。最主要的 是,现有的自适应控制系统都无法实现对车辆能否顺利通过交叉口的预警。
[0005] 基于上述背景可见,亟需设计一种采取无线通信方式实现车辆与信号灯之间的信 息交互和数据采集,并进行自适应信号灯配时及车辆预警的有效办法。
发明内容
[0006] 本发明涉及的一种车辆与信号灯信息交互及自适应控制系统,是一项快速进行车 辆与信号灯之间的无线通信和数据采集,并辅助信号灯自适应和驾驶员安全驾驶的技术。 该系统可以完成车辆与信号灯的信息交互,基于当前车辆信息对驾驶员给予提示,并根据 交叉口的实时车流量等信息,完成信号灯的最优自适应配时。
[0007] 本发明是采用如下技术方案实现的,结合附图说明如下:
[0008] 1、一种车辆与信号灯信息交互及自适应控制系统,包括车辆与信号灯信息交互子 系统、预警子系统和信号灯自适应控制子系统三个部分,其特征在于:
[0009] 所述车辆与信号灯信息交互子系统包括车辆终端和信号灯终端两部分,所述的车 辆终端包括:zigbee无线通信模块cc2530、车辆终端控制单元、gps模块、led显示模块和蜂 鸣器模块;所述的信号灯终端包括:zigbee无线通信模块CC2530、信号灯终端控制单元、信 号灯显示模块;信号灯将当前信号灯状态以及剩余时长通过无线通信模块,以广播形式传 递到各个车辆终端的zigbee无线通信模块cc2530,再传输到车辆终端控制单元;
[0010] 车辆终端的gps模块将当前车辆位置与车速信息传送给车辆终端控制单元;
[0011]车辆终端控制单元根据接收的以上信息,由预警子系统生成提示信息,并将提示 信息传送给led显示模块与蜂鸣器模块;
[0012]车辆终端将当前车辆位置与车速信息,通过zigbee无线通信模块CC2530,以单播 形式传送给信号灯终端的zigbee无线通信模块CC2530,再传输到信号灯终端控制单元;
[0013] 信号灯终端控制单元根据各车辆终端控制单元传送过来的当前车辆位置信息,汇 总成当前车流信息,由信号灯自适应控制子系统生成配时信息,并将配时信息传送给信号 灯终端的zigbee无线通信模块cc2530和信号灯显示模块。
[0014] 2、根据权利要求1所述的一种车辆与信号灯信息交互及自适应控制系统,其特征 在于:所述的预警子系统,其采用的预警方法包括以下步骤:
[0015] 步骤一:检测车辆距停止线距离L,速度Vo,信号灯信号状态以及剩余时长to;
[0016] 步骤二:判断当前信号为绿灯、红灯还是黄灯,当前信号状态剩余时长to是否〉 10s;
[0017] 步骤三:如果剩余时长to> 10s,不对车辆进行引导,绿灯时提示其正常行驶,红灯 或黄
[0018] 灯时提示其无法通过;如果剩余时长t〇〈 = IOs,需要对车辆进行引导;
Figure CN108346306AD00051
[0019] 步骤四:引导车辆,计灣
Figure CN108346306AD00052
如果当前为绿灯且t〈 = tQ,则提示车辆可以匀速通 过;
[0020] 如果t>t〇,计算 如果ti>t〇则提示车辆无法通过当前绿灯,否则 如果tl〈t0则提示车辆加速;如果当前为红灯或黄灯且t> = t0,则提示车辆可以匀速行驶, 否则如果tl〈t0则提示其减速行驶。
[0021]
[0022]
[0023] 3、根据权利要求1或2所述的一种车辆与信号灯信息交互及自适应控制系统,其特 征在于:
[0024] 所述信号灯自适应控制子系统采取如下的信号灯自适应配时方法:以5秒为检测 周期,按照以下步骤执行信号灯自适应配时过程:
[0025] 步骤一:使用韦伯斯特算法先确定各相位的最长绿灯时间Ci;
[0026] Ci = Gi-最小绿灯保护时间
[0027] Gi为各相位有效绿灯时间
[0028] 步骤二:车辆终端将当前车辆位置和车速信息传给信号灯终端,信号灯终端计算 车流量信息,依据下式计算车道占有率;
[0029] 车道占有率=车流量/饱和流量
[0030] 步骤三:判断信号灯所处状态是否为黄灯或已进入最小绿灯保护时间段内,若是 则跳转到步骤一,进入下一检测周期,否则进入步骤四;
[0031] 步骤四:切换到绿灯相位,检测此相位的绿灯时长T1是否小于各相位的最长绿灯 时间C1,如果小于C1,且车道占有率大于0.5,则表明该相位有增加绿灯时长的需求,则将此 相位绿灯时长T1增加5s;否则表示没有增加绿灯时长的需求,则进入最小绿灯保护时间段, 则跳转到步骤一,进入下一检测周期;
[0032] 如果此相位的信号周期大于或等于各相位最长绿灯时间C1,则直接进入最小绿灯 保护时间段,跳转到步骤一,进入下一检测周期。
[0033] 4、根据权利要求3所述的一种车辆与信号灯信息交互及自适应控制系统,其特征 在于:
[0034] 所述最小绿灯保护时间是不可以被信号灯自适应控制子系统所改变的最短绿灯 时间,设定为l〇s,则最小绿灯保护时间段定义为从绿灯相位截止时间开始倒数IOs所得时 间点到绿灯相位截止时间为止的时长为IOs的一个时间段;如进入最小绿灯保护时间段内, 则不再执行信号灯自适应配时方法了,进入下一检测周期。
[0035] 与现有技术相比,本发明的有益效果是:
[0036] 1.通过设置预警子系统,对车辆能否顺利通过交叉口进行预警,从而提高驾驶安 全性,大大减少驾驶员闯黄灯或追尾等事故发生的几率;
[0037] 2.采取无线通信的方式实现车辆与信号灯之间的双向、直接式的信息交互和数据 采集,避免采取磁感线圈、图像识别等方式的施工难度大、成本高、数据传输繁琐、受天气影 响等问题;
[0038] 3.本系统通过设置最小绿灯保护时间和5秒的检测周期,确保预警方法顺利执行, 不受自适应信号配时的干扰,能够更加准确的辅助行驶,极大的保证了驾驶安全;
[0039] 4.通过利于韦伯斯特算法进行信号灯自适应配时,最大程度减少车辆延误时间, 提高交叉口通行效率。
附图说明
[0040] 图1为本发明的车辆与信号灯信息交互及自适应控制系统的结构示意图;
[0041] 图2为本发明的预警子系统的预警方法流程图;
[0042] 图3为本发明的信号灯自适应配时方法流程图;
[0043] 图4为本发明的绿灯时长组成示意图。
具体实施方式
[0044] 下面结合附图以进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式:
[0045] —、实施步骤
[0046] 参见图1,信号灯将当前信号灯状态以及剩余时长通过无线通信模块,以广播形式 传递到各个车辆终端的zigbee无线通信模块cc2530,再传输到车辆终端控制单元;
[0047] 车辆终端的gps模块将当前车辆位置与车速信息传送给车辆终端控制单元;
[0048] 车辆终端控制单元根据接收的以上信息,由预警方法生成提示信息,并将提示信 息传送给led显示模块与蜂鸣器模块;
[0049]车辆终端将当前车辆位置与车速信息,通过zigbee无线通信模块cc2530,以单播 形式传送给信号灯终端的zigbee无线通信模块CC2530,再传输到信号灯终端控制单元;
[0050] 信号灯终端控制单元根据各车辆终端控制单元传送过来的当前车辆位置信息,汇 总成当前车流信息,由信号灯自适应配时方法生成配时信息,并将配时信息传送给信号灯 终端的zigbee无线通信模块cc2530和信号灯显示模块。
[0051] 参考图2,预警方法如下:
[0052] 步骤一:检测车辆距停止线距离L,速度Vo,信号灯信号状态以及剩余时长to;
[0053] 步骤二:判断当前信号为绿灯、红灯还是黄灯,当前信号状态剩余时长to是否〉 10s;
[0054] 步骤三:如果剩余时长to> 10s,不对车辆进行引导,绿灯时提示其正常行驶,红灯 或黄
[0055] 灯时提示其无法通过;如果剩余时长to〈 = IOs,需要对车辆进行引导;
[0056] 步骤四:引导车辆,计算
Figure CN108346306AD00071
如果当前为绿灯且t〈 = to,则提示车辆可以匀速通
Figure CN108346306AD00072
过;
[0057] 如果t>t〇,计算 如果ti>t〇则提示车辆无法通过当前绿灯,否则 如果tl〈t0则提示车辆加速;如果当前为红灯或黄灯且t> = t0,则提示车辆可以匀速行驶, 否则如果tl〈t0则提示其减速行驶。
[0058]
[0059]
[0060] 参考图3,信号灯自适应配时方法为:以5秒为周期检测交叉口各个相位的车道占 有率,实时改变信号配时。
[0061] 具体过程如下:
[0062] 步骤一:考虑到充分利用车辆信息,为了减少延误,使用韦伯斯特算法先确定各相 位最长绿灯时间。
[0063] 1.计算各相位流量比yi和流量系数之和Y
Figure CN108346306AD00073
[0064] 各相位流量比计算公式
[0065] 流量系数之和Y为
[0066]
Figure CN108346306AD00074
[0067] η为相位总数,i表示第i个相位。
[0068] 2.计算总损失时间T
[0069]
Figure CN108346306AD00075
[0070] ti为各相位损失时间,AR为各个相位全红时间之和。
[0071] 3.根据韦伯斯特提出的最佳周期公式计算最佳信号周期
[0072]
Figure CN108346306AD00076
[0073] 4.计算各相位有效绿灯时间Gi及总有效绿灯时间Ge
[0074]
Figure CN108346306AD00077
[0075] 各相位有效绿灯时间按下式计算:
[0076]
Figure CN108346306AD00078
[0077] 各相位最长绿灯时间Ci = Gi-最小绿灯保护时间。
[0078] 所述最小绿灯保护时间是不可以被信号灯终端自适应配时方法所改变的最短绿 灯时间,设定为l〇s。最小绿灯保护时间段定义为从绿灯相位截止时间开始倒数IOs所得时 间点到绿灯相位截止时间为止的时长为IOs的一个时间段;如进入最小绿灯保护时间段内, 则不再执行信号灯自适应配时方法了,进入下一检测周期。所以每相位的绿灯显示时长的 最后IOs不会被信号灯终端自适应配时方法改变,预警算法里判断剩余时长to〈 = 10s时才 对车辆引导,剩余时长to〈 = 10s后不会因为自适应配时方法的执行而改变,这样预警算法 生成的预警提示信息对车辆在剩余时长内的行驶是有指导意义的。如果没有最小绿灯保护 时间段,to〈 = 10s后还会变化,预警算法生成的预警提示就不准确,例如当前相位为红灯, 剩余时长为6s时,预警算法生成预警提示提示车辆可匀速行驶,而5s后信号灯终端自适应 配时方法执行完后增加5s,剩余时长变成6s,预警算法生成预警提示信息提示其减速行驶, 而车辆已经来不及反应会闯红灯,如此预警算法就不可行;设有最小绿灯保护时间段,剩余 时长to不会变化,此问题就不会出现,预警算法才能正常工作。
[0079] 二、实施例
[0080] 长春市南关区某四相位路口,各个进口车道的饱和流量均为1200pcu/h,各个进口 车道的实际流量分别为:东进口流量274pcu/h;南进口流量215pcu/h;西进口流量284pcu/ h;北进口流量246pcu/h,交叉口相位的黄灯时间设为2秒,而各个相位的绿灯间隔时间设为 3秒,确定各相位最大配时绿灯时间过程如下:
[0081] 各个相位的流量系数分别为:
Figure CN108346306AD00081
相位1南北左转 相位2南北直行
[0082] 相位3东西左转 相位4东西直行 流量系数和为:
[0083] 将交叉口相位的黄灯时间设为2秒,而各个相位的绿灯间隔时间设为3秒,所以绿 灯间隔损失时间即为全红时间(全红信号通常设置于黄灯信号之后,交叉口所有进口方向 的车道信号灯都为红灯的状态。主要功能是使黄灯期间进入交叉口而未能驶出交叉口的车 辆能够在下一相位的首车到达冲突点前安全驶出交叉口)为1秒,由于各相位有全红时间, 所以启动损失时间设St1=Is,由于相位数是四相位,因此,总损失时间为:
Figure CN108346306AD00082
[0084]
[0085]
[0086]
[0087]
[0088]
[0089]
[0090]
Figure CN108346306AD00091
[0091]
[0092]
[0093]
[0094]
[0095] 最后得到结果:相位1的最长绿灯时间为18秒,相位2的最长绿灯时间为12秒,相位 3的最长绿灯时间为19秒,相位4的最长绿灯时间为15秒。
[0096] 步骤二:车辆终端将当前车辆位置和车速信息传给信号灯终端,信号灯终端计算 车流量信息,依据下式计算车道占有率;
[0097] 车道占有率=车流量/饱和流量
[0098] 步骤三:判断信号灯所处状态是否为黄灯或已进入最小绿灯保护时间段内,若是 则跳转到步骤一,进入下一检测周期,否则进入步骤四;
[0099] 步骤四:切换到绿灯相位,检测此相位的绿灯时长T1是否小于各相位的最长绿灯 时间C1,如果小于C1,且车道占有率大于0.5,则表明该相位有增加绿灯时长的需求,则将此 相位绿灯时长T1增加5s;否则表示没有增加绿灯时长的需求,则进入最小绿灯保护时间段, 则跳转到步骤一,进入下一检测周期;
[0100] 如果此相位的信号周期大于或等于各相位最长绿灯时间C1,则直接进入最小绿灯 保护时间段,跳转到步骤一,进入下一检测周期。
[0101] 采用本系统前,统计长春市南关区该交叉口各相位的车辆等待时间平均值为62.2 秒,车辆队列长度平均值为40.2m,车流量为252pcu/h。采用本专利所述的一种车辆与信号 灯信息交互及自适应控制系统后,统计该交叉口各相位的车辆等待时间平均值为48.9秒, 车辆排队长度平均值为32m,车流量为457pcu/h,车辆等待时间明显减少,交叉口排队拥挤 现象明显减轻,整体的车流量也大幅增加。且采用本系统后半年内,该交叉口事故率为0,可 以证明本系统提供的车辆预警可以有效提高驾驶安全性,降低事故率。

Claims (4)

1. 一种车辆与信号灯信息交互及自适应控制系统,包括车辆与信号灯信息交互子系 统、预警子系统和信号灯自适应控制子系统三个部分,其特征在于: 所述车辆与信号灯信息交互子系统包括车辆终端和信号灯终端两部分,所述的车辆终 端包括:Zigbee无线通信模块CC2530、车辆终端控制单元、gps模块、led显示模块和蜂鸣器 模块;所述的信号灯终端包括:zigbee无线通信模块CC2530、信号灯终端控制单元、信号灯 显示模块;信号灯将当前信号灯状态以及剩余时长通过无线通信模块,以广播形式传递到 各个车辆终端的zigbee无线通信模块cc2530,再传输到车辆终端控制单元; 车辆终端的gps模块将当前车辆位置与车速信息传送给车辆终端控制单元; 车辆终端控制单元根据接收的以上信息,由预警子系统生成提示信息,并将提示信息 传送给led显示模块与蜂鸣器模块; 车辆终端将当前车辆位置与车速信息,通过zigbee无线通信模块cc2530,以单播形式 传送给信号灯终端的zigbee无线通信模块CC2530,再传输到信号灯终端控制单元; 信号灯终端控制单元根据各车辆终端控制单元传送过来的当前车辆位置信息,汇总成 当前车流信息,由信号灯自适应控制子系统生成配时信息,并将配时信息传送给信号灯终 端的zigbee无线通信模块cc2530和信号灯显示模块。
2. 根据权利要求1所述的一种车辆与信号灯信息交互及自适应控制系统,其特征在于: 所述的预警子系统,其采用的预警方法包括以下步骤: 步骤一:检测车辆距停止线距离L,速度Vo,信号灯信号状态以及剩余时长to; 步骤二:判断当前信号为绿灯、红灯还是黄灯,当前信号状态剩余时长to是否>l〇S; 步骤三:如果剩余时长to>10s,不对车辆进行引导,绿灯时提示其正常行驶,红灯或黄灯 时提示其无法通过;如果剩余时长to〈 = IOs,需要对车辆进行引导; 步骤四:引导车辆,计算
Figure CN108346306AC00021
如果当前为绿灯且t< = tQ,则提示车辆可以匀速通过; 如果t>tQ,计算
Figure CN108346306AC00022
ϋ果则提示车辆无法通过当前绿灯,否则如果h <tQ则提示车辆加速;如果当前为红灯或黄灯且t> = tQ,则提示车辆可以匀速行驶,否则如 果tl〈t〇则提示其减速行驶。
3. 根据权利要求1或2所述的一种车辆与信号灯信息交互及自适应控制系统,其特征在 于: 所述信号灯自适应控制子系统采取如下的信号灯自适应配时方法:以5秒为检测周期, 按照以下步骤执行信号灯自适应配时过程: 步骤一:使用韦伯斯特算法先确定各相位的最长绿灯时间C1; Ci = Gi-最小绿灯保护时间 Gi为各相位有效绿灯时间 步骤二:车辆终端将当前车辆位置和车速信息传给信号灯终端,信号灯终端计算车流 量信息,依据下式计算车道占有率; 车道占有率=车流量/饱和流量 步骤三:判断信号灯所处状态是否为黄灯或已进入最小绿灯保护时间段内,若是则跳 转到步骤一,进入下一检测周期,否则进入步骤四; 步骤四:切换到绿灯相位,检测此相位的绿灯时长T1是否小于各相位的最长绿灯时间 C1,如果小于C1,且车道占有率大于0.5,则表明该相位有增加绿灯时长的需求,则将此相位 绿灯时长!^增加5s;否则表示没有增加绿灯时长的需求,则进入最小绿灯保护时间段,则跳 转到步骤一,进入下一检测周期; 如果此相位的信号周期大于或等于各相位最长绿灯时间C1,则直接进入最小绿灯保护 时间段,跳转到步骤一,进入下一检测周期。
4.根据权利要求3所述的一种车辆与信号灯信息交互及自适应控制系统,其特征在于: 所述最小绿灯保护时间是不可以被信号灯自适应控制子系统所改变的最短绿灯时间, 设定为l〇s,则最小绿灯保护时间段定义为从绿灯相位截止时间开始倒数IOs所得时间点到 绿灯相位截止时间为止的时长为IOs的一个时间段;如进入最小绿灯保护时间段内,则不再 执行信号灯自适应配时方法了,进入下一检测周期。
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