CN110619753B - 交通信号灯自适应配时系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种交通信号灯自适应配时系统，其包括信号机、服务器以及车流量检测器；服务器，能计算得到相应的配时策略以及进行所需的配时策略的调整，以将需要调整的配时策略发送至信号机；信号机，根据所接收的配时策略进行信号灯的配时策略调整，且信号机能将当前的配时策略发送至服务器内，以使得服务器能根据信号机传输当前的配时策略计算得到交叉路口在当前配时策略下的流率以及饱和流率；服务器根据在当前配时策略下的流率以及饱和流率能重新确定相应的配时策略以及进行所需的配时策略调整。本发明能实现该交叉路口的交通信号的自适应配时，同时根据新的配时方案继续判断当前路口的交通拥堵情况，进而实现自适应配时。

Description

交通信号灯自适应配时系统

技术领域

本发明涉及一种配时系统，尤其是一种交通信号灯自适应配时系统，属于智能交通的技术领域。

背景技术

近年来，随着城镇化水平的提升，城市的人口数量和人口密度不断增加，再加上车辆工业的蓬勃发展，使城市的机动车保有量不断增加，但城市道路基础建设发展滞后，造成交通需求与供给矛盾愈发突出。目前全国大部分城市普遍面临严重的交通拥堵问题，如何缓解或解决交通拥堵已成为城市发展需要解决的问题之一。

城市干道是城市路网的主体部分，承载着城市中大部分的交通运输功能，而城市干道的交叉路口是城市路网的“瓶颈”，具有汇集和疏散各个方向交通流的功能，特别是由两条或两条以上城市交通要道汇集而成的交叉路口，承担着城市高峰期疏散交通流的重要任务，但同时也是城市交通拥堵的源头。

科学、合理的实施交叉路口的信号灯配时对缓解城市交通有事半功倍的成效，但是在其实施过程中总会因为某些原因，使得其运行效果大大折减。其主要存在的问题有：(1)、对于单行系统中关键交叉路口或主要交叉路口信号配时，因为缺乏对单行系统交通特性的具体分析，以及传统的信号配时参数取值的缺陷，使得配时参数-饱和流率取值难以确定或者不精确，最终导致信号配时产生较大误差；(2)、在城市主干道实施单向交通时，为了使车辆能够回到原点，单行道路通常是成对出现的，因此为了使单行系统达到应有的效果应该对系统内各个交叉路口实行协调控制，但是对于大部分城市而言，其系统的信控设施水平较低、功能简单，且因建设资金的缺乏，导致使用先进的智能控制系统实现干道或区域交叉路口群协调控制成为奢望，而即使使用最为简单的协调控制算法，对于普通的信号管理人员而言其控制原理难以掌握、计算过程也是十分复杂，缺乏实用性。

目前，对于大部分城市而言，交通信号灯的配时大多是采用一个固定的配时策略，当某个交叉路口比较拥堵时只能通过交警进行手动调整信号灯配时或直接指挥交通来缓解交通的拥堵，而对于大多数城市而言交警的警力是有限的，无法覆盖到每个交叉路口。

对于大多数交叉路口而言，通常会给定一个固定的信号灯配时的策略，该配时策略能够满足大多数的交通通行情况；但是对于城市干道交叉路口而言，通常会出现高峰期，而固定的信号灯配时策略往往很难满足高峰期交通通行情况，从而会出现交通拥堵的情况。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种交通信号灯自适应系统，其通过对交叉路口实时的车流量数据进行分析并判断出该路口的交通拥堵情况，再根据当前的交通拥堵情况计算出信号灯配时策略，并发送至相应的信号机进行配时策略调整，从而实现该交叉路口的交通信号的自适应配时，同时根据新的配时方案继续判断当前路口的交通拥堵情况，进而实现自适应配时。

按照本发明提供的技术方案，所述交通信号灯自适应配时系统，包括信号机以及用于控制所述信号机工作状态的服务器；还包括若干用于检测车流量的车流量检测器，所述车流量检测器与服务器连接，所述车流量检测器能将所在交叉路口的车流量信息发送至服务器内；

服务器，根据所述车流量检测器提供的车流量信息计算得到相应交叉路口的流率、饱和流率，并判断交叉路口的交通拥堵状态，且能计算得到相应的配时策略以及进行所需的配时策略的调整，以将需要调整的配时策略发送至信号机；

信号机，接收服务器发送的配时策略，并根据所接收的配时策略进行信号灯的配时策略调整，且信号机能将当前的配时策略发送至服务器内，以使得服务器能根据信号机传输当前的配时策略计算得到交叉路口在当前配时策略下的流率以及饱和流率；服务器根据在当前配时策略下的流率以及饱和流率能重新确定相应的配时策略以及进行所需的配时策略调整。

所述服务器得到相应的配时策略以及进行所需配时策略的调整过程包括如下步骤：

步骤1、初始化配置参数，所述初始化的配置参数包括初始配置方案以及最大车辆通过时间t_max；

步骤2、确定当前的配时方案；

步骤3、根据当前的配时方案获取红灯时间T₁、绿灯时间T₂以及黄灯时间T₃；

步骤4、获取车流量的统计周期T₀；

步骤5、根据上述红灯时间T₁、绿灯时间T₂、黄灯时间T₃以及车流量的统计周期T₀得到边界周期T；

步骤6、计算在边界周期T内车流量的统计周期T₀的个数n₁、绿灯时间T₂与黄灯时间T₃之和的周期个数n₂，其中，

n₁＝T/(T₀)

n₂＝T/(T₂+T₃)

步骤7、计算得到边界周期T内该方向上所有车道通过的测量总和num，其中，

步骤8、计算边界周期T内每辆车辆通过的平均时间t_avg，其中

t_avg＝k×num/[n₂×(T₂+T₃)]

k为校正系数，其取值范围一般选择0.9～1.2之间；

步骤9、当测量通过的平均时间tavg大于最大车辆通过时间t_max时，跳转至步骤15，否则，跳转至步骤10；

步骤10、计算边界周期T内的前损耗时间t_loss1以及后损耗时间t_loss2，其中，

t_loss1＝k₁×n₂×t_avg

t_loss2＝k₂×n₂×t_avg

n₂为边界周期T时间内绿灯时间T₂与黄灯时间T₃之和的周期个数、k₁为前损耗时间校正系数、k₂为后损耗时间校正系数，k₁与k₂的取值范围一般为3～5，且k₁大于k₂；

步骤11、根据上述的前损耗时间t_loss1以及后损耗时间t_loss2，计算得到边界周期T内的有效车辆通过时间t_eff，其中，

t_eff＝(T₂+T₃)×n₂-(t_loss1+t_loss2)

步骤12、根据边界周期T内的有效车辆通过时间teff以及边界周期T内所有通过的车辆总和num，得到边界周期T内的车头时距L，其中，

L＝t_eff/num

步骤13、根据上述边界周期T内的车头时距L，能得到车辆的流率S，其中

S＝3600/L

步骤14、当需要调整配时策略时，跳转至步骤16，否则，跳转至步骤15；

步骤15、使用当前的配时策略，并跳转至步骤2；

步骤16、计算并调整配时策略；

步骤17、将调整后的配时策略发送至信号机；

步骤18、当信号机未收到发送调整后的配时策略时，跳转至步骤17，否则，跳转至步骤19；

步骤19、信号机进行配时策略的调整；

步骤20、当信号机的配时策略成功时，跳转至步骤21，否则，跳转至步骤19；

步骤21、信号机将执行的配时策略反馈至服务器内，并跳转至步骤2。

在得到车辆的流率S后，还包括如下步骤：

步骤A1、计算饱和流率，所述饱和流率S_m为：

S_m＝max(S₁,S₂)

其中，S₁为步骤2中配时方案对应的流率、S₂为当前得出的流率；

步骤A2、当需要对步骤2中的配时方案进行修正时，计算并修正配时策略；

步骤A3、保存修正后的配时策略以及饱和流率，并跳转至步骤2。

步骤3中步骤A2以及步骤A3中的具体过程为：

步骤a1、计算得到两个方向上的饱和流率S_m1、S_m2，且获取步骤2中配时方案中相对应的饱和流率S_e1、S_e2以及交叉路口红绿灯相位的总时间t_all；

步骤a2、计算两个方向上的修正状态，具体地

其中，i为方向系数，i的取值为1或2，λ₁为步骤2中配时方案的饱和流率的修正下限系数、λ₂为步骤2中配时方案的饱和流率的修正上限系数，λ₁与λ₂的取值区间为5％～10％；

步骤a3、对上述步骤a2中交叉路口两份方向上修正的结果进行或操作；

步骤a4、当步骤a3中或操作的结果为1、交叉路口的两个方向饱和流率差的绝对值与步骤2中相对应的饱和流率间满足

时，则需要对步骤2中的配时方案进行修正，并跳转至步骤a5；其中，比例系数η₁为1.1～1.5、η₂为1.1～5，并且η₂≥η₁；

步骤a5、计算得到配时方案的修正权值，具体为：

其中，K_i为各个方向上的修正权值，i的取值为1或2；

步骤a6、计算每个方向应该分配的绿灯时间，具体为：

其中，t_i为每个方向上应分配的绿灯时间，i的取值为1或2；

将t_i的最大值作为某一方向上的绿灯时间，则所述方向上的红灯时间为t_all-t_i，且另一个方向上的红绿灯时间相位与所述方向的红绿灯时间相位相反，以得到所需修正配时策略。

信号机进行配时策略调整时，具体包括如下步骤：

步骤b1、确定交叉路口两个方向上的基础计算参数，所述基础计算参数包括两个方向相对应的流率阈值S_t1、S_t2，计算得到两个方向上相对应的流率S₁、S₂，以及交叉路口的最大车辆通过时间t_max；

步骤b2、对交叉路口的两个方向进行调配计算，在连续三个边界周期T内，若一方向上的流率大于所在方向上相应的流率阈值，则所述方向的调配计算结果为1，否则，所述方向的调配计算结果为0；

步骤b3、将上述两个方向的调配计算结果进行或操作的逻辑运算，当或操作的逻辑运算结果为1时，则跳转至步骤b4，否则，跳转至步骤b8；

步骤b4、当步骤b3中或操作中的调配计算结果为0-1或1-0时，对调配计算结果为1的方向作为当前方向，根据当前方向的流率计算绿灯分配时间，所述当前方向的红灯时间为当前配时策略中另一个方向的绿灯时间，另一个方向的红绿灯配置时间与所述当前方向的红绿灯配置时间相反；

步骤b5、当步骤b3中或操作中的调配计算结果为1-1时，对两个方向，分别根据所述方向的流率计算各自方向的绿灯分配时间，所述两个方向的红灯时间分别为另一个方向的绿灯时间；

步骤b6、根据上述确定新的配时策略中，红绿灯时间之和小于交叉路口的最大车辆通过时间t_max时，则确认新的配时策略，否则，跳转至步骤b7；

步骤b7、对新的配时策略进行优化，以使得配时策略中红绿灯时间之和小于交叉路口的最大车辆通过时间t_max，且将缩短的差值按照交叉路口两个方向的绿灯时间的反比例分配到新的配时策略中，并跳转至步骤b9；

步骤b8、使用初始配时策略，并跳转至步骤b9；

步骤b9、结束配时策略的调整。

在得到每个方向上分配的绿灯时间后，所述车道绿灯时间分配的过程包括如下步骤：

步骤c1、计算同一个方向上两个行驶方向上的流率，并比较所述两个行驶方向上的流率，以流率较大的行驶方向作为参考行驶方向；

步骤c2、计算步骤1所确定的参考行驶方向上的每个车道的流率S_di，其中，i＝1,2,3,……,n；

步骤c3、计算参考行驶方向上各个车道的绿灯分配时间t_di，具体地，

其中，t为参考行驶方向上的绿灯分配的时间；

步骤c4、对参考行驶方向的红绿灯时间分配需要进行对车道的绿灯分配时间进行叠加；

步骤c5、根据上述步骤确定参考行驶方向上的左右、直行以及右转的绿灯配时。

所述步骤c4中，当对相同车道类型进行叠加时，将所有相同车道类型的所有车道上绿灯分配时间进行叠加就可以得到类型车道所分配的绿灯时间；对对多种车道类型进行叠加时，将涉及到的车道类型的所有车道上绿灯分配时间进行叠加就可以得到多种类型车道所分配的绿灯时间。

在得到每个方向上分配的绿灯时间后，所述车道绿灯时间分配的过程包括如下步骤：

步骤c1、计算同一个方向上两个行驶方向上的流率，并比较所述两个行驶方向上的流率，以流率较大的行驶方向作为参考行驶方向；

步骤c2、计算步骤1所确定的参考行驶方向上的每个车道的流率S_di，其中，i＝1,2,3,……,n；

步骤c3、计算参考行驶方向上各个车道的绿灯分配时间t_di，具体地，

其中，t为参考行驶方向上的绿灯分配的时间；

步骤c4、对参考行驶方向的红绿灯时间分配需要进行对车道的绿灯分配时间进行叠加；

步骤c5、根据上述步骤确定参考行驶方向上的左右、直行以及右转的绿灯配时。

所述步骤c4中，当对相同车道类型进行叠加时，将所有相同车道类型的所有车道上绿灯分配时间进行叠加就可以得到类型车道所分配的绿灯时间；对对多种车道类型进行叠加时，将涉及到的车道类型的所有车道上绿灯分配时间进行叠加就可以得到多种类型车道所分配的绿灯时间。

所述车流量检测器包括视频车检器和/或地磁。

本发明的优点：本发明车流量检测器、服务器以及信号机之间的连接配合能构成一个闭环系统，使得整个系统能够准确的对交通信号灯进行调整。实现了对人为设定的初始配时策略的修正，对初始配时策略根据当前交叉路口的交通状况进行自动优化调整，使得初始配时策略更加科学合理，进而保证初始配时策略在大多数情况下满足该交叉路口的通行需求。

实现了交通信号灯自适应配时的功能，该功能根据的当前交叉路口的拥堵情况，对交通信号灯的配时方案进行自动调整，解决或缓解当前路口的拥堵状况。根据当前方向上的车道类型，对一个方向上左转、直行以及右转的具体的绿灯时间进行了分配，该分配方法也是根据当前各个车道的拥堵情况来决定的，实现了自动分配，从而保证的车道类型绿灯时间分配的合理性。

在计算流率时，不再采用传统的一个绿灯周期的时间为计算单位，而是综合绿灯周期时间与数据平台或数据库中的数据周期来确定流率计算的周期时间。该方法保证了无论当前信号灯的状态为何种状态，在这个边界周期T时间内其绿灯与黄灯时间之和的周期个数与车流量的统计周期的个数一定都是整数，这就保证了算法中绿灯周期与车流量的统计周期计数的准确率。

附图说明

图1为本发明的系统框图。

图2为本发明的流程图。

图3为本发明修正配时方案的流程图。

图4为本发明配时策略的调整流程图。

图5为本发明车道绿灯时间分配流程图。

图6为本发明两个方向交叉路口的示意图。

具体实施方式

下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示：为了能通过对交叉路口实时的车流量数据进行分析并判断出该路口的交通拥堵情况，再根据当前的交通拥堵情况计算出信号灯配时策略，并发送至相应的信号机进行配时策略调整，从而实现该交叉路口的交通信号的自适应配时，同时根据新的配时方案继续判断当前路口的交通拥堵情况，进而实现自适应配时，本发明包括信号机以及用于控制所述信号机工作状态的服务器；还包括若干用于检测车流量的车流量检测器，所述车流量检测器与服务器连接，所述车流量检测器能将所在交叉路口的车流量信息发送至服务器内；

服务器，根据所述车流量检测器提供的车流量信息计算得到相应交叉路口的流率、饱和流率，并判断交叉路口的交通拥堵状态，且能计算得到相应的配时策略以及进行所需的配时策略的调整，以将需要调整的配时策略发送至信号机；

信号机，接收服务器发送的配时策略，并根据所接收的配时策略进行信号灯的配时策略调整，且信号机能将当前的配时策略发送至服务器内，以使得服务器能根据信号机传输当前的配时策略计算得到交叉路口在当前配时策略下的流率以及饱和流率；服务器根据在当前配时策略下的流率以及饱和流率能重新确定相应的配时策略以及进行所需的配时策略调整。

具体地，所述车流量检测器包括视频车检器和/或地磁，当然，车流量检测器还可以采用其他常用的形式，具体可以根据需要进行选择，通过车流量检测器能实时的采集交叉路口不同方向上的车流量数据，并将车流量数据按照一定的周期发送给服务器，为信号灯自适应配时提供基础数据的来源。信号机属于交通信号灯自适应配时系统执行机构，能根据服务器给出的配时策略进行信号灯配时策略的调整，还会将当前的配时策略返回给服务器，用于新的配时策略的计算与调整。

具体实施时，图6为两个方向的交叉路口的示意图，本发明实施例中，以图所示的交叉路口的情况对具体交通信号灯的配时进行说明，其它情况下的交叉路口的算法设计与之相同，只需要对配置参数进行修改。如图6所示，该交叉路口有两个方向：上下方向与左右方向；四个行驶方向：由上往下00、由下往上01、由左往右10以及由右往左11；每个行驶方向中都有三类车道：左转、直行以及右转。

图2为本发明的具体实现流程图，该流程图只描述了交叉路口中一个行驶方向的算法流程，其它行驶方向上的算法流程与之相同。图2中的流程中所有的计算都是针对一个行驶方向上所有车道的，并不具体到该行驶方向上的具体车道，对于每个方向上的左转、直行以及右转的具体情况进行后续的说明。

如图2所示，具体地，所述服务器得到相应的配时策略以及进行所需配时策略的调整过程包括如下步骤：

步骤1、初始化配置参数，所述初始化的配置参数包括初始配置方案以及最大车辆通过时间t_max；

具体地，在启动服务器后，需要对服务器内的配置参数进行初始化，服务器进行配置参数初始化的过程与现有相一致，具体为本技术领域人员所熟知，初始化后，能得到初始配置方案以及最大车辆通过时间t_max。所述最大车辆通过时间t_max属于系统初始参数，具体作用是防止某个路口或某个方向的车流量特别大，从而导致相应的绿灯相位时间太长。最大车辆通过时间t_max设定方法为：以两个方向上十字路口为例，该参数为两个方向上的绿灯时间与黄灯时间总和再乘以一个比例系数β(β≥1)，这个β值需要根据实际的情况进行选择，一般β的取值区间为1～2。

步骤2、确定当前的配时方案；

本发明实施例中，确定当前的配时方案时，所述配时方案有三类：第一类配时方案为初始化配时方案，该配时方案是人为设置的配时方案，一般是通过步骤1读去配置文件设置的，用于系统的第一次输入；第二类配时方案为修正过的配时方案，该方案根据计算出的参数对初始化配时方案进行修正得出的，属于对初始化配时方案的优化，当该配时方案实现对初始配时方案优化之后，将保存到系统的配置文件中，代替人为设置的初始化配时方案；第三类配时方案为信号机反馈的配时方案，该方案是根据当前信号机使用的配时方案反馈过来的，是通过算法实现自适应配时的方案。

步骤3、根据当前的配时方案获取红灯时间T₁、绿灯时间T₂以及黄灯时间T₃；

具体地，红灯时间T₁、绿灯时间T₂以及黄灯时间T₃，这三个时间在不同的配时方案中有所不同。

步骤4、获取车流量的统计周期T₀；

具体地，车流量的统计周期T₀是车流量统计的时间周期，同时也是车流量检测器向服务器发送数据的周期时间。

步骤5、根据上述红灯时间T₁、绿灯时间T₂、黄灯时间T₃以及车流量的统计周期T₀得到边界周期T；

具体地，根据步骤3与步骤4得到的红灯时间T₁、绿灯时间T₂、黄灯时间T₃以及车流量的统计周期T₀计算出边界周期T；边界周期T的特点在于：无论当前信号灯的状态为何种状态，在这个边界周期T时间内其绿灯与黄灯时间之和的周期个数与车流量的统计周期的个数一定都是整数，这就保证了算法中绿灯周期与车流量的统计周期计数的准确率。所述步骤中，所计算的边界周期T是该算法的基础计算时间单位，也是该算法的核心计算之一，之后所有的计算都是以该参数为基础进行计算的，该参数计算的结果直接决定整个算法运行的结果。边界周期T具体计算方法为：计算车流量的统计周期T₀与绿灯时间T₂+黄灯时间T₃这两个数的最小公倍数。

步骤6、计算在边界周期T内车流量的统计周期T₀的个数n₁、绿灯时间T₂与黄灯时间T₃之和的周期个数n₂，其中，

n₁＝T/(T₀)

n₂＝T/(T₂+T₃)

步骤7、计算得到边界周期T内该方向上所有车道通过的测量总和num，其中，

具体地，计算边界周期T时间内该方向上所有车道通过的车辆总和num，该步骤的具体实现方法是将处于边界周期T时间内该方向上通过的所有的车辆数据进行累加；为了保证相应参数计算的准确率，大型车辆以两辆车进行计算。

步骤8、计算边界周期T内每辆车辆通过的平均时间t_avg，其中

t_avg＝k×num/[n₂×(T₂+T₃)]

k为校正系数，其取值范围一般选择0.9～1.2之间；

具体地，计算边界周期T时间内每辆车辆通过的平均时间t_avg，该时间是通过以边界周期T时间内所通过的车辆总和除以边界周期T时间内绿灯与黄灯时间之和计算得出的。

步骤9、当测量通过的平均时间t_avg大于最大车辆通过时间t_max时，跳转至步骤15，否则，跳转至步骤10；

具体地，对边界周期T时间内每辆车辆通过的平均时间t_avg进行判断，将车辆通过的平均时间t_avg与最大车辆通过时间t_max进行比较。如果t_avg大于t_max则说明在这个边界周期T的时间内车辆较少，可以判断当前交叉路口未出现拥堵，无需对信号灯的配时方案进行调整，在这种情况下算法不再进行之后的运算，直接跳转到输入/更改配时方案的步骤使用当前的配时方案进行算法的新一次循环计算；如果t_avg小于t_max则算法进入到下一步的计算。此步骤中，最大车辆通过时间t_max的取值一般为3*k秒，其中k为校正系数，其取值范围一般选择0.9～1.2之间。

步骤10、计算边界周期T内的前损耗时间t_loss1以及后损耗时间t_loss2，其中，

t_loss1＝k₁×n₂×t_avg

t_loss2＝k₂×n₂×t_avg

n₂为边界周期T时间内绿灯时间T₂与黄灯时间T₃之和的周期个数、k₁为前损耗时间校正系数、k₂为后损耗时间校正系数，k₁与k₂的取值范围一般为3～5，且k₁大于k₂；

具体地，计算边界周期T时间内的前损耗时间t_loss1与后损耗时间t_loss2，所谓的前损耗时间t_loss1是由于在红灯向绿灯转换时，车辆的起步所损耗的时间；而所谓的后损耗时间t_loss2是由于在绿灯向红灯转换时，车辆的减速所损耗的时间。前损耗时间t_loss1与后损耗时间t_loss2的计算能够有效的降低误差的影响。

步骤11、根据上述的前损耗时间t_loss1以及后损耗时间t_loss2，计算得到边界周期T内的有效车辆通过时间t_eff，其中，

t_eff＝(T₂+T₃)×n₂-(t_loss1+t_loss2)

具体地，根据步骤10计算得出前损耗时间t_loss1与后损耗时间t_loss2，进一步的计算在边界周期T时间内的有效车辆通过时间t_eff。

步骤12、根据边界周期T内的有效车辆通过时间teff以及边界周期T内所有通过的车辆总和num，得到边界周期T内的车头时距L，其中，

L＝t_eff/num

具体地，根据步骤11中计算得出的边界周期T时间内的有效车辆通过时间t_eff，以及步骤7中计算得出的边界周期T时间内所通过的车辆总和num，计算出边界周期T时间内的车头时距L。

步骤13、根据上述边界周期T内的车头时距L，能得到车辆的流率S，其中

S＝3600/L

具体地，根据以上步骤得出的参数计算车辆流率S，其单位为：辆/h。流率S是之后进行配时方案计算以及配时方案选择的最核心的参数之一，该参数的准确直接接到整个算法运行的准确率。

步骤14、当需要调整配时策略时，跳转至步骤16，否则，跳转至步骤15；

具体地，在计算流率S完成之后，算法流程将分为两条路继续执行，其中一路是算法的主回路，该回路将进行配时策略的计算与切换；另一条支路则进行初始输入配时方案的修正，对于配时方案的修正说明，通过后续的说明。当不需要调整配时策略时，跳转至步骤15，否则，跳转至步骤16进行配时策略调整的流程。

步骤15、使用当前的配时策略，并跳转至步骤2；

具体地，当不需要对当前的配时策略进行调整或修正时，跳转至步骤2即可。本发明实施例中，配时策略与上述的配时方案具有相同的含义，即均包含了对交通信号灯的相关配时内容。

步骤16、计算并调整配时策略；

步骤17、将调整后的配时策略发送至信号机；

步骤18、当信号机未收到发送调整后的配时策略时，跳转至步骤17，否则，跳转至步骤19；

步骤19、信号机进行配时策略的调整；

步骤20、当信号机的配时策略成功时，跳转至步骤21，否则，跳转至步骤19；

判断信号机对新的配时策略的调整是否成功，如果没有成功则继续对配时策略进行调整，如果调整成功了，则反馈新的配时策略并则使用新的配时策略进行下一次的循环计算。

步骤21、信号机将执行的配时策略反馈至服务器内，并跳转至步骤2。

进一步地，在得到车辆的流率S后，还包括如下步骤：

步骤A1、计算饱和流率，所述饱和流率S_m为：

S_m＝max(S₁,S₂)

其中，S₁为步骤2中配时方案对应的流率、S₂为当前得出的流率；

步骤A2、当需要对步骤2中的配时方案进行修正时，计算并修正配时策略；

步骤A3、保存修正后的配时策略以及饱和流率，并跳转至步骤2。

具体地，图3为初始配时方案的修正流程图，由于初始配时方案的修正的主要作用是对初始配时方案进行修正的，从而实现对初始化配时方案的优化，所以该流程中其判断的结果为需要对初始配时方案的修正的次数有限，甚至不需要进行初始配时方案的修正，且当初始配时方案稳定之后，该步骤的判断将很难判断出需要进行初始配时方案的修正的结果出来。此外初始配时方案也是经过统计计算得出的具有较大的合理性与可行性，所以其确定的红绿灯相位的总时间可以认为是一个定值，一般不对该时间做调整，只对两个方向的红绿灯相位的时间分配做修正，且这两个方向的红绿灯相位时间差距一般不会很大。

步骤3中步骤A2以及步骤A3中的具体过程为：

步骤a1、计算得到两个方向上的饱和流率S_m1、S_m2，且获取步骤2中配时方案中相对应的饱和流率S_e1、S_e2以及交叉路口红绿灯相位的总时间t_all；

步骤a2、计算两个方向上的修正状态，具体地

其中，i为方向系数，i的取值为1或2，λ₁为步骤2中配时方案的饱和流率的修正下限系数、λ₂为步骤2中配时方案的饱和流率的修正上限系数，λ₁与λ₂的取值区间为5％～10％；

步骤a3、对上述步骤a2中交叉路口两份方向上修正的结果进行或操作；

具体地，对上述得出的交叉路口两个方向上的修正的结果进行或操作(只要有一个方向的修正值为1，则或操作的输出结果都是1)，并将或操作的结果送入到下一步中进行初始配时进行修正条件的判断。

步骤a4、当步骤a3中或操作的结果为1、交叉路口的两个方向饱和流率差的绝对值与步骤2中相对应的饱和流率间满足

时，则需要对步骤2中的配时方案进行修正，并跳转至步骤a5；其中，比例系数η₁为1.1～1.5、η₂为1.1～5，并且η₂≥η₁；

具体地，根据步骤a3中得出的交叉路口两个方向上的修正进行或操作得出的结果并结合其它的条件，对是否需要对初始配时进行修正进行判断，该步骤中的需要进行两个条件的判断，且这些条件判断的结果之间是与的关系，只有满足所有判断条件，才会对初始配时方案进行修正。两个判断条件分别为：

1)、判断或操作的结果：或操作的结果为1满足判断条件；或操作的结果为0则不满足判断条件；

2)、判断两个方向的饱和流率差比例，其判断方法为：

其中，η₁、η₂为比例系数，比例系数η₁为1.1～1.5、η₂为1.1～5，并且η₂≥η₁；

该步骤的判断中，当判断条件同时满足条件1)、2)，其判断的结果为需要对初始配时进行修正；当判断条件不能同时满足条件1)、2)，其判断的结果为暂不需要对初始配时进行修正，并结束初始配时方案的修正流程。

步骤a5、计算得到配时方案的修正权值，具体为：

其中，K_i为各个方向上的修正权值，i的取值为1或2；

具体地，当判断结果为需要对初始配时进行修正时，需要计算配时方案的修正权值，该权值用来对交叉路口两个方向的红绿灯时间进行分配，通过计算能得到修正权值。

步骤a6、计算每个方向应该分配的绿灯时间，具体为：

其中，t_i为每个方向上应分配的绿灯时间，i的取值为1或2；

将t_i的最大值作为某一方向上的绿灯时间，则所述方向上的红灯时间为t_all-t_i，且另一个方向上的红绿灯时间相位与所述方向的红绿灯时间相位相反，以得到所需修正配时策略。

具体地，根据上述计算的出的各个方向上的修正权值K_i，计算具体的初始配时方案修正策略，本步骤中的计算只考虑每个方向上的红灯与绿灯的时间分配，并不具体到每个方向上的左转、直行以及右转的时间分配，对于每个方向上的左转、直行以及右转的时间分配将在后续加以说明。

图4为配时策略的调整流程图，所述配时策略的调整针对图6所示的交叉路口进行设计的，其它情况下的交叉路口的算法设计与之相同，只需要根据不同的交叉路口参数对系统的参数进行修改。

进一步地，信号机进行配时策略调整时，具体包括如下步骤：

步骤b1、确定交叉路口两个方向上的基础计算参数，所述基础计算参数包括两个方向相对应的流率阈值S_t1、S_t2，计算得到两个方向上相对应的流率S₁、S₂，以及交叉路口的最大车辆通过时间t_max；

具体地，计算得到流量的S₁、S₂的过程可以参考上述说明，流率阈值的大小根据交叉路口的情况选择确定，具体为本技术领域人员所熟知，此处不再赘述。流率阈值S_t1、S_t2是初始配时方案或修正过的初始配时方案相对应的饱和流率乘以一个比例系数μ，μ的取值范围为0.8～1.2。

步骤b2、对交叉路口的两个方向进行调配计算，在连续三个边界周期T内，若一方向上的流率大于所在方向上相应的流率阈值，则所述方向的调配计算结果为1，否则，所述方向的调配计算结果为0；

步骤b3、将上述两个方向的调配计算结果进行或操作的逻辑运算，当或操作的逻辑运算结果为1时，则跳转至步骤b4，否则，跳转至步骤b8；

本发明实施例中，或操作结果判断，如果或操作的结果为1代表需要进行配时策略的调整，则进入到下一步计算新的配时策略；如果或操作的结果为0，则使用初始配时策略并结束流程。

步骤b4、当步骤b3中或操作中的调配计算结果为0-1或1-0时，对调配计算结果为1的方向作为当前方向，根据当前方向的流率计算绿灯分配时间，所述当前方向的红灯时间为当前配时策略中另一个方向的绿灯时间，另一个方向的红绿灯配置时间与所述当前方向的红绿灯配置时间相反；

本发明实施例中，当判断结果为需要进行配时策略的调整时，则在这一步中计算新的配时策略。本步骤中的计算只考虑每个方向上的红灯与绿灯的时间分配，并不具体到每个方向上的左转、直行以及右转的时间分配，对于每个方向上的左转、直行以及右转的时间分配将在后续过程中加以说明。

新配时策略的计算步骤如下：

确定配时策略的计算方法，根据上可以得出对方向1与方向2(对交叉路口的两个方向划分为方向1与方向2)进行或运算之后有四种结果，这四种结果分别为0-0、0-1、1-0与1-1，其中0-0这种情况使用初始配时策略，0-1与1-0这两种情况采用同一种计算方法，1-1这种情况采用单独的一种计算方法。

0-1与1-0这两种情况采用的计算方法：对1的那一个方向根据该方向的流率S计算绿灯分配时间，该方向的红灯时间为当前配时策略中另一个方向的绿灯时间。另一个方向的红绿灯配置时间与该方向相反。

步骤b5、当步骤b3中或操作中的调配计算结果为1-1时，对两个方向，分别根据所述方向的流率计算各自方向的绿灯分配时间，所述两个方向的红灯时间分别为另一个方向的绿灯时间；

本发明实施例中，对于1-1这种情况采用的计算方法：对两个方向分别根据该方向的流率S计算各自方向上的绿灯分配时间，这两方向的红灯时间分别为另一个方向的绿灯时间。

步骤b6、根据上述确定新的配时策略中，红绿灯时间之和小于交叉路口的最大车辆通过时间t_max时，则确认新的配时策略，否则，跳转至步骤b7；

步骤b7、对新的配时策略进行优化，以使得配时策略中红绿灯时间之和小于交叉路口的最大车辆通过时间t_max，且将缩短的差值按照交叉路口两个方向的绿灯时间的反比例分配到新的配时策略中，并跳转至步骤b9；

步骤b8、使用初始配时策略，并跳转至步骤b9；

步骤b9、结束配时策略的调整。

如图6所示，该交叉路口有两个方向：上下方向与左右方向；四个行驶方向：由上往下00、由下往上01、由左往右10以及由右往左11；每个行驶方向中都有三类车道：左转、直行以及右转。图5为车道绿灯时间分配流程图，该算法只针对配时策略需要修正或调整使用，在使用初始配时策略时，将使用初始配时策略中的默认车道绿灯时间分配。

在得到每个方向上分配的绿灯时间后，所述车道绿灯时间分配的过程包括如下步骤：

步骤c1、计算同一个方向上两个行驶方向上的流率，并比较所述两个行驶方向上的流率，以流率较大的行驶方向作为参考行驶方向；

步骤c2、计算步骤1所确定的参考行驶方向上的每个车道的流率S_di，其中，i＝1,2,3,……,n；

步骤c3、计算参考行驶方向上各个车道的绿灯分配时间t_di，具体地，

其中，t为参考行驶方向上的绿灯分配的时间；

步骤c4、对参考行驶方向的红绿灯时间分配需要进行对车道的绿灯分配时间进行叠加；

步骤c5、根据上述步骤确定参考行驶方向上的左右、直行以及右转的绿灯配时。

所述步骤c4中，当对相同车道类型进行叠加时，将所有相同车道类型的所有车道上绿灯分配时间进行叠加就可以得到类型车道所分配的绿灯时间；对对多种车道类型进行叠加时，将涉及到的车道类型的所有车道上绿灯分配时间进行叠加就可以得到多种类型车道所分配的绿灯时间。

本发明车流量检测器、服务器以及信号机之间的连接配合能构成一个闭环系统，使得整个系统能够准确的对交通信号灯进行调整。实现了对人为设定的初始配时策略的修正，对初始配时策略根据当前交叉路口的交通状况进行自动优化调整，使得初始配时策略更加科学合理，进而保证初始配时策略在大多数情况下满足该交叉路口的通行需求。

实现了交通信号灯自适应配时的功能，该功能根据的当前交叉路口的拥堵情况，对交通信号灯的配时方案进行自动调整，解决或缓解当前路口的拥堵状况。根据当前方向上的车道类型，对一个方向上左转、直行以及右转的具体的绿灯时间进行了分配，该分配方法也是根据当前各个车道的拥堵情况来决定的，实现了自动分配，从而保证的车道类型绿灯时间分配的合理性。

在计算流率时，不再采用传统的一个绿灯周期的时间为计算单位，而是综合绿灯周期时间与数据平台或数据库中的数据周期来确定流率计算的周期时间。该方法保证了无论当前信号灯的状态为何种状态，在这个边界周期T时间内其绿灯与黄灯时间之和的周期个数与车流量的统计周期的个数一定都是整数，这就保证了算法中绿灯周期与车流量的统计周期计数的准确率。

Claims (9)

1.一种交通信号灯自适应配时系统，包括信号机以及用于控制所述信号机工作状态的服务器；其特征是：还包括若干用于检测车流量的车流量检测器，所述车流量检测器与服务器连接，所述车流量检测器能将所在交叉路口的车流量信息发送至服务器内；

服务器，根据所述车流量检测器提供的车流量信息计算得到相应交叉路口的流率、饱和流率，并判断交叉路口的交通拥堵状态，且能计算得到相应的配时策略以及进行所需的配时策略的调整，以将需要调整的配时策略发送至信号机；

信号机，接收服务器发送的配时策略，并根据所接收的配时策略进行信号灯的配时策略调整，且信号机能将当前的配时策略发送至服务器内，以使得服务器能根据信号机传输当前的配时策略计算得到交叉路口在当前配时策略下的流率以及饱和流率；服务器根据在当前配时策略下的流率以及饱和流率能重新确定相应的配时策略以及进行所需的配时策略调整；

所述服务器得到相应的配时策略以及进行所需配时策略的调整过程包括如下步骤：

步骤1、初始化配置参数，所述初始化的配置参数包括初始配置方案以及最大车辆通过时间t_max；

步骤2、确定当前的配时方案；

步骤3、根据当前的配时方案获取红灯时间T₁、绿灯时间T₂以及黄灯时间T₃；

步骤4、获取车流量的统计周期T₀；

步骤5、根据上述红灯时间T₁、绿灯时间T₂、黄灯时间T₃以及车流量的统计周期T₀得到边界周期T；

步骤6、计算在边界周期T内车流量的统计周期T₀的个数n₁、绿灯时间T₂与黄灯时间T₃之和的周期个数n₂，其中，

n₁＝T/(T₀)

n₂＝T/(T₂+T₃)

步骤7、计算得到边界周期T内某方向上所有车道通过的测量总和num，其中，

步骤8、计算边界周期T内每辆车辆通过的平均时间t_avg，其中

t_avg＝k×num/[n₂×(T₂+T₃)]

k为校正系数，其取值范围一般选择0.9～1.2之间；

步骤9、当测量通过的平均时间tavg大于最大车辆通过时间t_max时，跳转至步骤15，否则，跳转至步骤10；

步骤10、计算边界周期T内的前损耗时间t_loss1以及后损耗时间t_loss2，其中，

t_loss1＝k₁×n₂×t_avg

t_loss2＝k₂×n₂×t_avg

n₂为边界周期T时间内绿灯时间T₂与黄灯时间T₃之和的周期个数、k₁为前损耗时间校正系数、k₂为后损耗时间校正系数，k₁与k₂的取值范围一般为3～5，且k₁大于k₂；

步骤11、根据上述的前损耗时间t_loss1以及后损耗时间t_loss2，计算得到边界周期T内的有效车辆通过时间t_eff，其中，

t_eff＝(T₂+T₃)×n₂-(t_loss1+t_loss2)

步骤12、根据边界周期T内的有效车辆通过时间teff以及边界周期T内所有通过的车辆总和num，得到边界周期T内的车头时距L，其中，

L＝t_eff/num

步骤13、根据上述边界周期T内的车头时距L，能得到车辆的流率S，其中

S＝3600/L

步骤14、当需要调整配时策略时，跳转至步骤16，否则，跳转至步骤15；

步骤15、使用当前的配时策略，并跳转至步骤2；

步骤16、计算并调整配时策略；

步骤17、将调整后的配时策略发送至信号机；

步骤18、当信号机未收到发送调整后的配时策略时，跳转至步骤17，否则，跳转至步骤19；

步骤19、信号机进行配时策略的调整；

步骤20、当信号机的配时策略成功时，跳转至步骤21，否则，跳转至步骤19；

步骤21、信号机将执行的配时策略反馈至服务器内，并跳转至步骤2。

2.根据权利要求1所述的交通信号灯自适应配时系统，其特征是，在得到车辆的流率S后，还包括如下步骤：

步骤A1、计算饱和流率，所述饱和流率S_m为：

S_m＝max(S₁,S₂)

其中，S₁为步骤2中配时方案对应的流率、S₂为当前得出的流率；

步骤A2、当需要对步骤2中的配时方案进行修正时，计算并修正配时策略；

步骤A3、保存修正后的配时策略以及饱和流率，并跳转至步骤2。

3.根据权利要求2所述的交通信号灯自适应配时系统，其特征是，步骤A2以及步骤A3中的具体过程为：

步骤a1、计算得到两个方向上的饱和流率S_m1、S_m2，且获取步骤2中配时方案中相对应的饱和流率S_e1、S_e2以及交叉路口红绿灯相位的总时间t_all；

步骤a2、计算两个方向上的修正状态，具体地

其中，i为方向系数，i的取值为1或2，λ₁为步骤2中配时方案的饱和流率的修正下限系数、λ₂为步骤2中配时方案的饱和流率的修正上限系数，λ₁与λ₂的取值区间为5％～10％；

步骤a3、对上述步骤a2中交叉路口两个方向上修正的结果进行或操作；

步骤a4、当步骤a3中或操作的结果为1、交叉路口的两个方向饱和流率差的绝对值与步骤2中相对应的饱和流率间满足

时，则需要对步骤2中的配时方案进行修正，并跳转至步骤a5；其中，比例系数η₁为1.1～1.5、η₂为1.1～5，并且η₂≥η₁；

步骤a5、计算得到配时方案的修正权值，具体为：

其中，K_i为各个方向上的修正权值，i的取值为1或2；

步骤a6、计算每个方向应该分配的绿灯时间，具体为：

其中，t_i为每个方向上应分配的绿灯时间，i的取值为1或2；

将t_i的最大值作为某一方向上的绿灯时间，则所述方向上的红灯时间为t_all-t_i，且另一个方向上的红绿灯时间相位与所述方向的红绿灯时间相位相反，以得到所需修正配时策略。

4.根据权利要求1所述的交通信号灯自适应配时系统，其特征是，信号机进行配时策略调整时，具体包括如下步骤：

步骤b1、确定交叉路口两个方向上的基础计算参数，所述基础计算参数包括两个方向相对应的流率阈值S_t1、S_t2，计算得到两个方向上相对应的流率S₁、S₂，以及交叉路口的最大车辆通过时间t_max；

步骤b2、对交叉路口的两个方向进行调配计算，在连续三个边界周期T内，若一方向上的流率大于所在方向上相应的流率阈值，则所述方向的调配计算结果为1，否则，所述方向的调配计算结果为0；

步骤b3、将上述两个方向的调配计算结果进行或操作的逻辑运算，当或操作的逻辑运算结果为1时，则跳转至步骤b4，否则，跳转至步骤b8；

步骤b4、当步骤b3中或操作中的调配计算结果为0-1或1-0时，对调配计算结果为1的方向作为当前方向，根据当前方向的流率计算绿灯分配时间，所述当前方向的红灯时间为当前配时策略中另一个方向的绿灯时间，另一个方向的红绿灯配置时间与所述当前方向的红绿灯配置时间相反；

步骤b5、当步骤b3中或操作中的调配计算结果为1-1时，对两个方向，分别根据所述方向的流率计算各自方向的绿灯分配时间，所述两个方向的红灯时间分别为另一个方向的绿灯时间；

步骤b6、根据上述确定新的配时策略中，红绿灯时间之和小于交叉路口的最大车辆通过时间t_max时，则确认新的配时策略，否则，跳转至步骤b7；

步骤b7、对新的配时策略进行优化，以使得配时策略中红绿灯时间之和小于交叉路口的最大车辆通过时间t_max，且将缩短的差值按照交叉路口两个方向的绿灯时间的反比例分配到新的配时策略中，并跳转至步骤b9；

步骤b8、使用初始配时策略，并跳转至步骤b9；

步骤b9、结束配时策略的调整。

5.根据权利要求3所述的交通信号灯自适应配时系统，其特征是，

在得到每个方向上分配的绿灯时间后，所述车道绿灯时间分配的过程包括如下步骤：

步骤c1、计算同一个方向上两个行驶方向上的流率，并比较所述两个行驶方向上的流率，以流率较大的行驶方向作为参考行驶方向；

步骤c2、计算步骤1所确定的参考行驶方向上的每个车道的流率S_di，其中，i表示参考方向上的第i个车道，i＝1,2,3,……,n；

步骤c3、计算参考行驶方向上各个车道的绿灯分配时间t_di，具体地，

其中，t为参考行驶方向上的绿灯分配的时间；

步骤c4、对参考行驶方向的红绿灯时间分配需要进行对车道的绿灯分配时间进行叠加；

步骤c5、根据上述步骤确定参考行驶方向上的左右、直行以及右转的绿灯配时。

6.根据权利要求5所述的交通信号灯自适应配时系统，其特征是，所述步骤c4中，当对相同车道类型进行叠加时，将所有相同车道类型的所有车道上绿灯分配时间进行叠加就可以得到类型车道所分配的绿灯时间；对多种车道类型进行叠加时，将涉及到的车道类型的所有车道上绿灯分配时间进行叠加就可以得到多种类型车道所分配的绿灯时间。

7.根据权利要求4所述的交通信号灯自适应配时系统，其特征是，

在得到每个方向上分配的绿灯时间后，所述车道绿灯时间分配的过程包括如下步骤：

步骤c1、计算同一个方向上两个行驶方向上的流率，并比较所述两个行驶方向上的流率，以流率较大的行驶方向作为参考行驶方向；

步骤c2、计算步骤1所确定的参考行驶方向上的每个车道的流率S_di，其中，i表示参考方向上的第i个车道，i＝1,2,3,……,n；

步骤c3、计算参考行驶方向上各个车道的绿灯分配时间t_di，具体地，

其中，t为参考行驶方向上的绿灯分配的时间；

步骤c4、对参考行驶方向的红绿灯时间分配需要进行对车道的绿灯分配时间进行叠加；

步骤c5、根据上述步骤确定参考行驶方向上的左右、直行以及右转的绿灯配时。

8.根据权利要求7所述的交通信号灯自适应配时系统，其特征是，所述步骤c4中，当对相同车道类型进行叠加时，将所有相同车道类型的所有车道上绿灯分配时间进行叠加就可以得到类型车道所分配的绿灯时间；对对多种车道类型进行叠加时，将涉及到的车道类型的所有车道上绿灯分配时间进行叠加就可以得到多种类型车道所分配的绿灯时间。

9.根据权利要求1所述的交通信号灯自适应配时系统，其特征是，所述车流量检测器包括视频车检器和/或地磁。

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