CN110140157A - 利用车辆移动通信网络控制和管理交通信号灯系统 - Google Patents

利用车辆移动通信网络控制和管理交通信号灯系统 Download PDF

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Abstract

城市中交通信号灯系统(TLS)的编程是个复杂的优化问题。实际操作中主要问题是这是一个必须有规律地重复进行以反应交通流量变化的耗时长、昂贵且不精确的过程。本发明包括使用车辆移动通信网络(VANET)实时收集交通数据并将其传输到交通管理系统中去。车辆移动通信网络(VANET)目前由IEEE 802.11p通信协议定义。本发明使用车辆移动通信网络(VANET)以及其它相关的技术来控制交通信号灯系统(TLS)。本发明能够实现交通信号灯系统更有效的编程，形成实时网络并且可以用于城市规划管理、交通规划和模拟特殊情况下(如运动会、文化节、游行等)的疏散工作。更有效地对实际交通信号灯系统(TLS)进行编程，实时管理网络并且可以用于城市规划研究，交通规划或模拟特殊事件(如体育、文化、游行等)的疏散工作。本发明还让使用任何现有的或待开发的有效算法对交通信号灯系统(TLS)进行实时编程成为可能。

Description

利用车辆移动通信网络控制和管理交通信号灯系统
存在的问题
城市中交通信号灯系统(TLS)的编程是一个复杂的最佳化问题。城市中大多数交通信号灯由机电系统或微处理器控制。很少有用于实时控制交通信号灯系统的系统，并且目前，没有城市可以实现自动实时控制主要的交通信号灯系统。
背景技术
本发明属于控制和管理交通信号以使交通顺畅的系统领域。
通常情况下，交通信号灯系统的编程设计预定为在一天和一周的某些时段(比如15:00-18:00)。这种设计在随后几年一直沿用。此外即使在高峰时期，也存在车辆流量变化。该方法没能考虑到这些变化，因为到达车辆是用泊松定律模拟出来的。本发明可以提供移动车辆的精准分布，本发明能够提供车辆移动的精确分布，因为它在每0.1秒或更短时间内给出每辆车的位置和速度。此外，半触发或完全触发系统可以改变周期持续时间，但需要在路面下安装检测回路，并且这些系统并未安装在整个网络中。此外，维护这些系统成本很高。
图1示出的是美国交通工程师协会(ITE)所推荐的给交通信号灯系统编程的程序如图1所示。这是一个复杂、冗长且成本高昂的过程，且需要定期修改。大多数城市、机构和公共管理部门用的都是这个方法，并且还是目前最可靠的方法。所述过程是用历史流通数据完成的。交通工程师和运输专家根据这些数据确定应用哪种系统编程。通常还会使用专门的模拟软件建模。所述软件可以设计各种最佳方案并提供性能数据(等待时间、速度、队列长度等)。这是一个重复的过程，需要交通流通专家应用各种方案，直到找到满意的解决方案。其中最好的解决方案被保留，并在现场实施之前再次验证(试验并微调)。所述编程在一个或多个路口上进行。一旦建立了交通信号灯系统，数年都不会变化。美国交通工程师协会(ITE)编程过程的关键要素是基于从现场、起点终点调查或通过其他方式所收集的数据的可靠性。目标是计算通过每个路口的车辆数量。一般情况下需要专员人工在路口双向计数。这项任务必须做一段时间，持续一天中数小时，一周数天(早上到下午、晚上和周末的交通高峰期)。这些表示在模拟的时候使用的交通流量。这是一段时间内做出的近似的测量。远远不够接近实时数据。另外因为模拟模型不能代表实时情形，因为模拟模型必须做出一些司机路怒行为的假设。
为了建立模型并尽可能反应现实，这些数据采集时间一般持续数天。了解每个车辆的出发地和目的地的研究也可以补充这项研究的不足。这些补充研究可以通过调查和现场观察进行。还可以通过按照计数环传感器获得其他的数据。这些传感器是安装在路面下，用于计算通过计数环的车辆数量。只要有车辆经过了传感器，计数器就会记录下来。
实际进程的主要问题是这个过程费时长、成本高昂且不够精确，需要有规律的重复以反映交通流量的演变和进化。美国交通工程师协会(ITE)建议每三到五年更新一次编程，但实际上35％的系统超过十年都没有更新过了。2004年TARNOFF和ORDONEZ估计超过半数的美国系统没有同步或维护不及时。
发明具体内容
本发明涉及数据采集系统。本发明包括使用车辆移动通信网络(VANET)来收集交通数据并将其传输到交通管理系统中去。这与车辆移动通信网络(VANET)最初计划的用法不同。车辆移动通信网络(VANET)目前由IEEE 802.11p通信协定定义。在车辆移动通信网络(VANET)中，每辆车都充当临时网络的节点。每辆车会在每个瞬间(0.1秒或更短)接收，来自约300米范围内的其他车辆的状态的信息。车辆移动通信网络(VANET)可提供的信息包括速度、加速度、每辆车的位置、制动系统等。所述信息被传输到沿道路安装的通信站-路侧单元(RSU)并接着传输至基站(见图2)。这被称为从车辆到车辆(V2V)、车辆到基础设施(V2I)和基础设施到基础设施(I2I)的通信模式。车辆移动通信网络(VANET)在75MHz带宽的专用频谱和政府机构分配的5.9GHz频率上运行。此外，车辆移动通信网络(VANET)可以在各种天气条件(雨、雾和雪)下运行并保证了信息的保密性。
2000年初发明车辆移动管理系统(VANET)的主要原因是为了提高道路安全性。这是通过提供给交通网络中流动的司机信息实现的。对车辆移动管理系统(VANET)的研究有很多是关于安全方面的，却没有针对交通管理方面的。本发明提出使用这种技术收集数据，并将其传送给安装在控制中心系统(图3和其他)。这样就可以使用这些数据来测试车辆移动管理系统的场景就如交通专家实际所做的一样。还可以将这些数据用于城市研究等其他用途。本发明中的数据收集方法和系统结构在2016年德国柏林的德国航空中心(DLR)举办的的城市移动模拟会议(SUMO)中发表的一篇文章中叙述了。(Improving Traffic LightsManagement Sytems Using Information Available by VANET，Vaudrin，拉瓦尔大学工程师和Laurence Capus，拉瓦尔大学博士，2016年城市移动模拟会议(SUMO)-交通、流动性和物流，会议记录，柏林)。
作为权利要求的一部分，我们建议使用基于每个部分的占用率的算法。但是，可以使用许多种算法技术(有些可能相对另外一些效果更好)。本发明可以提供比现有技术更经济且可靠的管理交通信号灯系统的进程。车辆移动管理系统(VANET)是在一些研究中用于管理交通信号灯系统。但是这是一些分散的系统和本发明提出的不同。本发明后面还附上了一篇研究车辆移动管理系统(VANET)的用途的文章。没有任何一项像本发明中如此精确地将其用于收集交通数据并用实际方法或通过本发明提出的集中系统对其进行实时处理。
有益效果
本发明与传统方法相比，更加准确和完善。本发明将允许收集更多数据用于模拟并且尊重美国交通工程师协会(ITE)分析过程。此外，要收集流量信息需要在现场使用人工计算或者安装传感器及其他昂贵的设备如摄像头和检测回路。但本发明将不再需要这些成本高昂的工艺。使用本发明方法的数据收集更简单、成本更低、并且运维成本更低。
本发明的优点在于，可以每个瞬间获得多个参数(速度、每个车辆的位置、每个车辆之间的距离等)。公共行政部门可以在每当需要时对编程计划进行修改。一旦观测到变化，就可以快速进行模拟而无需返回现场获得新的测量数据，因为系统将实时提供所述数据。
本发明还提供了必要组件，实现由仿真软件验证的任何有效算法。本发明还能实现真实地管理复杂的交通信号灯系统(TLS)网络。该方法将数据传输到控制中心，控制中心将使用合适的算法处理所述数据，并使用专用互联网将指令传输到安装在每个交叉路口的无线设备。本发明足够详细，可以让公共管理部门在不显著改变其基础设施的前提下，使用他们自己的工作方法实现本发明。所述方法还可用于其他情况，如城市规划研究、交通规划或模拟特殊事件的疏散工作(如体育、文化、节日、游行等)。还可以实时实用现有或即将开发的任何有效算法来实时进行系统编程。

Claims (5)

1.根据美国交通工程师协会(ITE)的现有方法(图1，2,3)中的数据进行交通信号灯的(静态、半致动和全致动)编程
本权利要求实用车辆移动管理系统收集数据并进行交通信号灯(静态、半致动和全致动)的编程；这些数据可以用来替换现场测量的历史数据；所述工艺是美国交通工程师(ITE)建议的工艺(见图1)；从来没有人提出过这种方法，这种方法任何时候都可以获取数据，进行必要的模拟；避免了现场手动计数或安装昂贵的设备。
2.使用车辆移动管理系统替换计数环检测器
本权利要求通过图4所述的结构使用车辆移动管理系统(VANET)来取代现有的半致动或全致动系统；本发明提出的系统将不再需要使用计数环检测器；本发明提出使用本系统而不是在路口安装新的计数环检测器；计数环检测器的功能我们的系统都可以实现。
3.使用车辆移动管理系统实时控制交通信号灯信号
本权利要求使用图5所示车辆移动管理系统(VANET)来实时控制交通信号灯系统；所述方法在附件中的文章(通过车辆移动管理系统改善交通信号灯管理信息系统，VAUDRIN和CAPUS)中解释了；它包括通过所述系统实时处理收集来的数据并将所述信号通过专用网络传送到交通信号灯上；所述系统目前并不存在；这篇文章中提出了基于每条路段的平均占用率的一种算法，但是，还可以使用别的算法；必要的是在0.1秒的频率实时提供信息并使用有效的算法处理系统提供的信息。
4.使用交通信号管理系统的数据进行交通和城市研究
通过车辆移动管理系统提供的参数可以知道给定时间内的交通流程和车辆移动；本权利要求使用根据图6的车辆移动管理系统(VANET)收集数据并将其用于交通研究中；这些数据会替代现场调查或通过出发地-目的地调查测量得到的历史数据；这种创新会给收集所述数据的公共管理部门节省很多。
5.在车辆移动管理系统帮助下管理主要事件
本权利要求是使用图7所述的车辆移动管理系统(VANET)所示的网络帮助管理重大事件期间(如体育、文化、节日、游行等)的交通；这些信息会帮助人流管理者和交通警察管理活动期间的交通；控制中心的官员可以用这些信息确定最好的策略；这些信息还对其他系统(相机)起到了补充作用；本权利要求的主要部分是提供现有系统中不可能有的实时交通移动信息。
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