CN109754617B - 一种高通行效率交通信号灯控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高通行效率交通信号灯控制方法、装置及系统。本发明的控制算法及控制软件，根据路口基本参数以及车辆检测器的实时数据来预测所述路口及附近路段各个行驶方向的行驶效率和相位延时，然后计算无冲突通行方向组合的预期通行效率(以下简称合法相位效率)，根据合法相位效率及相位延时控制所述路口及附近路段的交通灯状态；如果某个合法相位效率比当前绿灯通行的合法相位效率更高，则停止当前合法相位的绿灯并切换到该合法相位。路口交通信号灯状态的逻辑组合相位延时产生掉头信号。本发明还包括运行上述方法的电子设备。本发明能够有效提高路口通行效率。

Description

一种高通行效率交通信号灯控制系统

技术领域

本发明属于通信领域，尤其涉及一种高通行效率交通信号灯控制方法、装置及系统。

背景技术

目前，城市道路交通信号控制机的控制方式大多数采用多时段固定配时方式，各个相位的绿灯时间都是固定的，相位顺序是固定的。这些交通控制信号机控制方式通常会造成车辆或行人“空等”绿灯切换的现象。

虽然有的交通信号机通过根据各个方向的通行量比例对交通信号灯设置不同的定时切换时间，以从一定程度上缓解车辆或行人“空等”绿灯切换的现象，但是每个方向的通行量都是实时变化的，由于定时切换的控制方式没有考虑该路口交通流量的实时变化情况，在某些时间段内可能会导致绿灯放行的车道上车流量很小，而红灯的车道上车流量很大，未能充分发挥道路通行能力，进而导致道路通行资源浪费，降低道路通行效率。

另外虽然也有一些信号机试图结合车辆检测器的实时数据进行更高效率的控制，但是由于效率提升不明显，成本高，维护困难等原因并未被交通管理部门广泛接受。

本发明直接以通行效率为优化目标进行数学建模和设计，同时考虑低成本，高可靠性和安全性等需求。

发明内容

本发明提供一种高通行效率交通信号灯控制方法、装置及系统，能够有效提高道路通行效率。

本发明提供一种高通行效率交通信号灯控制方法、装置及系统，如图1总流程图所示，所述方法包括：

S101路口的参数设置，S102交通信号切换参数设置，S103实时车辆数据采集单元和S105性能预测评估模块构成。其中，所述路口的参数长度，宽度，限速，路口分支数量，车道数量，无冲突通行方向组合，相位延时和车辆的平均加速度等；S102所述交通信号切换参数包括绿闪时间，黄闪时间，全红时间，绿灯倒计时和红灯倒计时等；S103计算车道，和无冲突通行方向组合的预期通行效率并控制路口交通信号灯切换；S105其中通行效率指标包括到达车辆总数，离开车辆总数，等待车辆数目，平均等待时间，最大等待时间，不停车通过率，到达率，离开率和通行饱和率等。

S103把预期通行效率最高的无冲突通行方向组合的通行方向设置为绿灯，其余方向设置为红灯。S206在通行方向存在信号切换时，插入绿灯闪烁，黄灯和全红等信号切换时序控制。

所述车辆到达和离开消息由车辆检测器P1和P2产生；

等待通过路口的性能数量由摄像枪的视频及行人检测算法P4产生。

在本发明中，把行人一次过街，行人半过街前半程，行人半过街后半程当作特殊的行驶方向和车道，统一放在无冲突通行方向组合里处理，并且参与预期通行效率计算，掉头方向不参与预期通行效率计算。

在本发明中，把车辆掉头当作特殊的通行方向，它的绿灯时间由路口交通信号灯状态的组合逻辑加上一个相应的延时所确定。

本发明所述的通行方向同时还包括通常的路口左转，直行和右转。

所以在本发明中路口的每个分支道路一个有7个方向，对于有L条道路分支的路口，共有7xL个方向，常见的十字路口L＝4，所以有28个方向需要考虑，丁字路口则L＝3，有21个方向需要考虑。无冲突通行方向组合是指这些方向中可以没有交叉可以同时通行，不会发生碰撞的方向组合。本发明最大支持道路分支数目L＝6的复杂路口。

本发明中，车道或者人行道Ln的预期通行效率按照公式①计算。

其中，Efficiency_Ln是车道或者人行道Ln的预期通行效率，T_clr是该车道/ 人行通道的过渡状态切换时间，T_clr越大，预期通行效率越低，T_clr可以看作优化目标的惩罚因子，但是为了安全要保证T_clr＞0，通常T_clr≥3秒。wObj_i是路口等待通过的车辆或者行人数量，α_i是wObj_i对应的权重系数。行人的权重系数可以设为单位1。下标i是不同对象类型编号，通过对公交车，消防车和其他特种车辆这些对象赋予更大的权重系数α_i，可以实现公交车和消防车等特种车辆优先通行控制。通过对相同对象赋予权重系数α_i，可以选择系统的通行效率目标可以是单位时间通行的加权乘员数量还是加权通行车辆数量或者是通行物流价值。LRn是该车道的最大离开率。ARnt是该车道实时到达率。公式①中LRn/(LRn-ARnt)这一项是预测修正项，为了避免LRn-ARnt≤0，本发明假定ARnt＜LRn，否则因为到实时到达率大于离开率，所有调度策略都无法适应这个情况，这个车道或者人行道排队长度会一直增加。同时通过 LRn/(LRn-ARnt)这个因子，可以避免通行效率低的车道或者人行道得不到配时。LRn在本发明中是个常数。

通行方向组合的预期通行效率：

其中Efficiency_groupn是通行方向组合的预期通行效率，Dnum是这个通行组合包含的方向数目，Lnum是通行方向d中的平行行驶的车道或者人行通道数目。 Efficiency_dl是按照公式①计算的通行方向d中的第l条车道或者人行道的预期通行效率。通过上述公式，本发明把行人，车辆，特种车辆全部统一纳入预期通行效率进行配时考虑。仿真和路上实际测试证明本发明的实际通行效率比传统的信号机实际通行效率高30％左右，不停车通过率高16％左右，可以有效降低平均等待时间，提高不停车通过率。

如果按照上述预期通行效率最高原则，某些通行方向组合绿灯持续的时间可能会很短，为了保证行人安全通过路口，如果通行方向组合包含行人，本发明可以设置通行方向的最短的绿灯时间，兼顾效率和安全。

掉头车道绿灯配时的确定：如果当前通行方向组合不会干扰到指定车道掉头，则可以把这个车道的掉头信号设置为绿灯。

考虑到车辆检测器在实际使用中可能意外损坏，本发明的车辆检测器在正常工作是必须定时发送心跳给交通信号机控制模块。如果某个车辆检测器失去联系，则交通信号机控制模块转入固定配时模式。

本发明通过视频来检测路口等待的行人数量，其中的行人检测算法另案申请专利。

本发明的车辆检测器可以是线圈车辆检测器，地磁车辆检测器(第一实施例中采用)，雷达车辆检测器(第二实施例中采用)，视频车辆检测器，超声波车辆检测器等。本发明的系统在每个车道配置两个车辆检测器，其中一个用于车辆到达检测，另外一个用于车辆离开路口检测。本发明系统中的车辆到达检测器位于停止线后方(来车方向)30-200米的范围内，车辆离开检测器位于停止线后方0-6米的范围内。

图1是本发明的总体程序流程图：

S101：设置长度，宽度，限速，路口分支数量，车道数量，无冲突通行方向组合，相位延时和车辆的平均加速度等参数；

S102：交通信号切换参数设置：绿闪时间，黄闪时间，全红时间和倒计时等；

S103：计算车道，方向和无冲突通行方向组合的预期通行效率并控制路口交通信号灯切换；

S104：生成路口附近掉头信号灯信号；

S105：生成路口附近掉头信号灯信号；

本发明核心的交通信号灯控制流程如图3所示：

S201：输入车辆到达离开消息；

S202：取得当前对应车道交通信号灯状态；

S203：计算预期车道预期通行效率；

S204：计算所有无冲突通行组合通行的预期通行效率；

S205：当前通行组合是效率最高的吗？

S206：如果当前通行组合是效率最高的则回到S201继续判断是否需要切换；

S207：如果当前通行组合不是效率最高的则执行信号灯切换过渡状态时序；

S208：完成信号灯切换并回到S201继续判断是否需要切换；

本发明通行效率指标计算流程图如图6所示：

S301：输入车辆到达离开消息。每次接收到到达车辆传感器的消息时到达车辆总数+1，离开的时候离开车辆总数+1。

到达车辆总数：程序开始运行时到达车辆总数初始化为0，每次接收到到达车辆传感器的消息时到达车辆总数+1。

S302：输入对应车道交通信号灯状态：这个是用于模拟控制车辆在路口区域的行驶。S304和S305：未过停止线的车遇到红灯必须在停止线或者队尾停下来，遇到绿灯则直接通行或者由等待状态重新启动。重新启动的时候按照设定的加速度加速到限速为止。

S303：总等待时间：评价模块模拟每个车辆在达到车辆检测器位置以后的行驶和停止，如果遇到红灯则在停止线或者队尾停下来，一旦停止运行，就开始累计各个车辆的停车等待时间，把所有车辆的等待时间累加起来就是总等待时间。

S306：平均等待时间：总等待时间/到达车辆总数。

S306：等待车辆总数：所有在通过停止线之前停下来的车辆总数。

S307：不停车通过率：100x(1-等待车辆总数/到达车辆总数)％.

到达率：((T+ΔT)时刻到达车辆总数-T时刻到达车辆总数)/ΔT，ΔT是时间窗口大小，一般设为1-15分钟。

离开率：((T+ΔT)时刻离开车辆总数-T时刻离开车辆总数)/ΔT，ΔT是时间窗口大小，一般设为1-15分钟。

S308：最大离开率：这是一个常数，可以靠实测也可以理论估算，一般在50-100辆/分钟左右。

S308：通行饱和率：离开率/最大离开率。

附图说明

图1是本发明程序总流程图；

图2是本发明系统架构图；

图3是本发明信号灯切换流程图；

图4是本发明第一实施例的结构示意图；

图5是本发明第二实施例的结构示意图；

图6是本发明的通行效率指标计算流程图；

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参阅图4，图4是本发明第一实施例的结构示意图。本实施例的交通灯控制系统包括：到达地磁车检器P1、离开地磁车检器P2、车检器接收卡P3、摄像枪和行人检测单元P4，交通信号机P5，交通信号灯P6。

其中，到达地磁车检器P1设置于车道停止线来车方向30-200米的范围内，具体可根据实际情况设置其位置。离开地磁车检器P2设置于车道停止线来车方向0-6米的范围内，具体可根据实际情况设置其位置。车检器接收卡P3安装在交通信号机P5的机箱内部，摄像枪和行人检测单元P4安装在交通信号灯P6灯杆的横臂上，交通信号机P5安装在路口人行道附近，交通信号灯P6安装在信号灯杆横臂上。

到达地磁车检器P1和离开地磁车检器P2通过无线信道与车检器接收卡P3通信，车检器接收卡P3通信通过RS232与交通信号机P5通信，交

通信号机P5输出控制信号给交通信号灯P6。

如果有车辆经过到达地磁车检器P1和离开地磁车检器P2上方路面，它们会发送相应的消息给车检器接收卡P3，车检器接收卡P3再把消息转发给交通信号机P5。在正常工作的时候到达地磁车检器P1和离开地磁车检器 P2定时发送心跳消息给车检器接收卡P3，交通信号机P5通过车检器接收卡 P3可以知道是不是所有车辆检测器正常工作。如果有地磁传感器异常，则切换回固定配时方式。本实施例是一个十字路口，共有4个道路分支，则需要交通信号机P5控制的最大通行方向有28个，分别是：

1)分支1左转D1，

2)分支1直行D2，

3)分支1右转D3，

4)分支1掉头D4，

5)分支1行人(全程)D5，

6)分支1行人半过街前半程D6，

7)分支1行人半过街后半程D7，

8)分支2左转D8，

9)分支2直行D9，

10)分支2右转D10，

11)分支2掉头D11，

12)分支2行人(全程)D12，

13)分支2行人半过街前半程D13，

14)分支2行人半过街后半程D14，

15)分支3左转D15，

16)分支3直行D16，

17)分支3右转D17，

18)分支3掉头D18，

19)分支3行人(全程)D19，

20)分支3行人半过街前半程D20，

21)分支3行人半过街后半程D21，

22)分支4左转D22，

23)分支4直行D23，

24)分支4右转D24，

25)分支4掉头D25，

26)分支4行人(全程)D26，

27)分支4行人半过街前半程D27，

28)分支4行人半过街后半程D28

首先，也是最重要的是要设置无冲突通行方向组合。比如说：分支1左转D1，分支1直行D2和分支1右转D3这3个方向可以同时通行不会有交叉和冲突。假定分支1和分支2与分支3和分支4垂直正交，则分支1 左转D1，分支1直行D2，支1右转D3和分支3行人半过街前半程D20这4 个方向可以同时通行不会有交叉和冲突。本发明自动检测通行方向组合设置是否会有冲突。在设置包括行人的通行方向组合时，要根据行人过街长度和速度设置一个最短绿灯时间。另外，低峰时段或者行人不多的路口可以执行若干个不含行人通行的组合再执行一个包含行人通行的组合，以便提高车辆的通行效率。十字路口通常可以设置8个无冲突通行方向组合。

其次，是要设置车道信息，A)设置车道通行方向，比如说，车道 1是分支1左转车道，车道2是分支1左转车道，车道3是分支1直行车道，车道4是分支1直行车道等；B)设置每个车道的离开率LRn；C)是要设置到达车辆检测器和离开车辆检测器到停止线的距离；

第三，设置信号切换参数：绿闪时间通常设置为3秒，太长了降低通行效率。黄灯设置为3秒，太长了降低通行效率，全红可以设置为0秒。

第四，由于地磁车检器无法区分车型，所有的车辆权重系数α_i设置为2，行人的权重系数α_i设置为1；

设置完这些参数，重新启动本发明的信号机控制程序，则会按照图1和总流程图和图3的信号切换流程工作，实现平均等待时间低，不停车通过率高的高效率通行。

请参阅图5，图5是本发明第二实施例的结构示意图。本实施例的交通灯控制系统包括：到达雷达车检器P1、离开雷达车检器P2、车检器接收卡P3、摄像枪和行人检测单元P4，交通信号机P5，交通信号灯P6。

其中，到达雷达车检器P1设置于车道停止线来车方向30-200米的范围内，具体可根据实际情况设置其位置。离开雷达车检器P2设置于车道停止线来车方向0-6米的范围内，具体可根据实际情况设置其位置。车检器接收卡P3安装在交通信号机P5的机箱内部，摄像枪和行人检测单元P4安装在交通信号灯P6灯杆的横臂上，交通信号机P5安装在路口人行道附近，交通信号灯P6安装在信号灯杆横臂上。

到达雷达车检器P1和离开雷达车检器P2通过无线信道与车检器

接收卡P3通信，车检器接收卡P3通信通过RS232与交通信号机P5通信，交通信号机P5输出控制信号给交通信号灯P6。

如果有车辆经过到达雷达车检器P1和离开雷达车检器P2上方路面，它们会发送相应的消息给车检器接收卡P3，车检器接收卡P3再把消息转发给交通信号机P5。在正常工作的时候到达雷达车检器P1和离开雷达车检器P2定时发送心跳消息给车检器接收卡P3，交通信号机P5通过车检器接收卡 P3可以知道是不是所有车辆检测器正常工作。如果有雷达传感器异常，则切换回固定配时方式。本实施例是一个丁字路口，共有3个道路分支，则需要交通信号机P5控制的最大通行方向有21个，分别是：

1)分支1左转D1，

2)分支1直行D2，

3)分支1右转D3，

4)分支1掉头D4，

5)分支1行人(全程)D5，

6)分支1行人半过街前半程D6，

7)分支1行人半过街后半程D7，

8)分支2左转D8，

9)分支2直行D9，

10)分支2右转D10，

11)分支2掉头D11，

12)分支2行人(全程)D12，

13)分支2行人半过街前半程D13，

14)分支2行人半过街后半程D14，

15)分支3左转D15，

16)分支3直行D16，

17)分支3右转D17，

18)分支3掉头D18，

19)分支3行人(全程)D19，

20)分支3行人半过街前半程D20，

21)分支3行人半过街后半程D21，

首先，也是最重要的是要设置无冲突通行方向组合。比如说：分支1左转D1，分支1直行D2和分支1右转D3这3个方向可以同时通行不会有交叉和冲突。假定分支1和分支2与分支3垂直正交，则分支1左转D1，分支1直行D2，支1右转D3和分支3行人半过街前半程D20这4个方向可以同时通行不会有交叉和冲突。本发明自动检测通行方向组合设置是否会有冲突。丁字路口通常可以设置3个无冲突通行方向组合。

其次，是要设置车道信息，A)设置车道通行方向，比如说，车道 1是分支1左转车道，车道2是分支1左转车道，车道3是分支1直行车道，车道4是分支1直行车道等；B)设置每个车道的离开率LRn；C)是要设置到达车辆检测器和离开车辆检测器到停止线的距离；

第三，设置信号切换参数：绿闪时间通常设置为3秒，太长了降低通行效率。黄灯设置为3秒，太长了降低通行效率，全红可以设置为0秒。

第四，由于雷达车检器可以区分车型，可以把公交车车辆权重系数α_i设置为20，把其他大型车权重系数设置为α_i5，小轿车权重系数α_i设置为2，行人的权重系数α_i设置为1；

设置完这些参数，重新启动本发明的信号机控制程序，则会按照图1和总流程图和图3的信号切换流程工作，实现平均等待时间低，不停车通过率高的高效率通行。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种高通行效率交通信号灯控制系统，其特征在于，所述系统包括：

根据公式①计算车道预期通行效率并根据公式②计算无冲突通行方向组合的预期通行效率，进而根据效率高低控制路口交通信号灯切换；

其中，Efficiency_Ln是车道或者人行道Ln的预期通行效率，T_clr是该车道/人行通道的过渡状态切换时间，wObj_i是路口等待通过的车辆或者行人数量，α_i是wObj_i对应的权重系数，下标i是不同对象类型编号，LRn是该车道的最大离开率，ARnt是该车道实时到达率；

其中Efficiency_groupn是通行方向组合的预期通行效率，Dnum是这个通行组合包含的方向数目，Lnum是通行方向d中的平行行驶的车道或者人行通道数目；Efficiency_dl是按照公式①计算的通行方向d中的第l条车道或者人行道的预期通行效率；

如果某个无冲突通行方向组合比当前绿灯无冲突通行方向组合预期通行效率更高，则将停止当前无冲突通行方向组合的绿灯并切换到该无冲突通行方向组合上。

2.根据权利要求1所述的高通行效率交通信号灯控制系统，其特征在于，该系统还配置一个以上的无需车辆检测器的固定配时方案，维持本系统正常工作的所有部件都必须带故障检测和报告功能，一旦其中任何一个部件出故障，则自动降级为传统固定配时模式，其中的部件包括车辆检测器，信号机和网络设备。

3.根据权利要求1所述的高通行效率交通信号灯控制系统，其特征在于，该系统的通行方向组合在包括行人通行时可以设置一个最短绿灯时间，兼顾车辆通行效率和行人安全。

4.根据权利要求1所述的高通行效率交通信号灯控制系统，其特征在于，等待通过路口的行人数量通过视频和行人检测算法获得。

5.根据权利要求1所述的高通行效率交通信号灯控制系统，其特征在于，该系统的通行效率目标可以是单位时间通行的加权乘员数量或者加权通行车辆数量或者是通行物流价值。

6.根据权利要求1所述的高通行效率交通信号灯控制系统，其特征在于，该系统实时统计路口的到达车辆总数，离开车辆总数，等待车辆数目，平均等待时间，最大等待时间，不停车通过率，到达率，离开率和通行饱和率这些通行效率指标，并且根据这些指标评价自身的运行效果。

7.根据权利要求1所述的高通行效率交通信号灯控制系统，其特征在于，通过在通行效率预测公式①中赋予特种车辆更大的权重系数，并且让包含特种车的相位更快获得通行权，从而实现特种车辆优先通行。

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