CN110706492A

CN110706492A - 一种交通信号灯时长计算方法、控制方法及系统

Info

Publication number: CN110706492A
Application number: CN201910940277.5A
Authority: CN
Inventors: 傅启明; 王哲超; 马帅; 李可; 陈建平; 陆悠
Original assignee: Suzhou University of Science and Technology
Current assignee: Suzhou University of Science and Technology
Priority date: 2019-09-30
Filing date: 2019-09-30
Publication date: 2020-01-17

Abstract

本发明涉及一种交通信号灯时长计算方法、控制方法及系统。其主要是根据通行单位的图像获得通行道路上的本次的待通行量，获取上游侧通行速度，根据本次的待通行量获取当前路口的通行道路的经验速度，根据上游侧通行速度以及经验速度，获取本次通行对应的估计速度，根据本次的待通行量和估计速度计算出通行时间，根据通行时间确定信号灯的时长。本发明有利于充分利用路口设置的摄像机资源，提高路口通行效率。

Description

一种交通信号灯时长计算方法、控制方法及系统

技术领域

本发明涉及交通信号灯控制领域，特别是涉及交通信号灯时长计算方法、控制方法及系统。

背景技术

随着图像处理、物联网、云计算等技术的发展，摄像机在城市数据收集和安全监察方面得到广泛的应用。无论是在社区、道路、公园、工地，这些摄像机及其背后的技术支持，使之成为了人们俗知的“天眼”系统，也成了一座“智慧城市”的“标配”。

在交通管理方面，如今摄像机的主要作用一般是配合各类传感器做一些违规的抓拍、进出城的抓拍和常规的行驶记录。这使摄像机只在不良事件发生后才起到一定的辅助作用，特别是在摄像机密集的交通路口。在某种意义上讲，这是对已有摄像资源的一种浪费。在“智慧城市”的概念中，人们通常更希望这种“智慧”是一种提前干预和主动作为的能力，以此来防范或减少交通事故发生，而不是只对事件做简单的记录工作。因此，如何利用摄像资源，来提高路口通行效率或者来降低路口的事故发生率，是一个有待解决的问题。

发明内容

基于此，提供一种交通信号灯时长计算方法。可利用交通路口的摄像资源，提高路口通行效率。

一种基于待通行量的交通信号灯时长计算方法，包括：

获取当前路口的通行道路上等待通行的通行单位图像，根据通行单位的图像获得所述通行道路上的本次的待通行量，

获取上游路口处与所述通行道路对应道路的实际通行速度，根据所述实际通行速度获取上游侧通行速度，根据本次的待通行量获取当前路口的所述通行道路的经验速度，根据所述上游侧通行速度以及经验速度，获取当前路口的所述通行道路的本次通行对应的估计速度，

根据所述本次的待通行量和估计速度计算出通行时间，通行时间＝(待通行量/估计速度)+T，T为预留通过路口时间，

根据所述通行时间确定信号灯的时长。

上述方法中，通过利用路口设置的摄像机可获取通行单位图像，进而获得本次的待通行量。根据本次的待通行量可获取当前路口的所述通行道路的经验速度，通过经验速度并结合上游侧通行速度可获取本次通行的估计速度，进而通过本次的待通行量和估计速度可计算出本次通行的通行时间。信号灯的时长可以等于该通行时间。这样计算获得的通行时间既考虑了本次待通行量以及该道路的经验速度，又考虑了上游侧的通行速度，所以更有利于提高路口通行效率。

在其中一个实施例中，

当上游路口仅有直行道的通行单位或仅有左转道的通行单位进入当前路口，则上游侧通行速度为所述直行道的实际通行速度或所述左转道的实际通行速度，

当上游路口既有直行道的通行单位进入当前路口，又有左转道的通行单位进入当前路口，所述上游侧通行速度为：(直行道的实际通行速度+左转道的实际通行速度)/2。

在其中一个实施例中，所述当前路口的通行道路为当前路口的直行道路以及当前路口的左转道路。

在其中一个实施例中，所述根据本次的待通行量获取当前路口的所述通行道路的经验速度是通过以下方法实现：

对当前路口的经验速度进行学习，具体为，通过以下公式获得不同待通行量对应的经验速度：

v_exp＝v_exp+β(v_pra-v_exp)，

其中，v_exp为经验速度；β是步长参数，为小于1的正值；v_pra为实际通行速度；c为待通行量；t_pra为实际通行时间，其计算方法为：当前路口的通行道路的所有等待通行的通行单位中，第一个通行单位穿过所述通行道路的停止线开始计时，最后一个通行单位穿过所述通行道路的停止线后停止计时，整个过程所用的时间为t_pra，

根据本次的待通行量调取对应的经验速度。

在其中一个实施例中，所述估计速度是通过以下公式获得：

其中，v_est为估计速度，其中λ是估计率，λ初始值为1；α是步长参数，为小于1的正值；

为上游侧通行速度，其计算方法为：

当上游路口仅有直行道的通行单位或仅有左转道的通行单位进入当前路口，则∑v_prior为所述直行道的实际通行速度或所述左转道的实际通行速度，此时，n＝1，

当上游路口既有直行道的通行单位进入当前路口，又有左转道的通行单位进入当前路口，则∑v_prior为：直行道的实际通行速度与左转道的实际通行速度之和，此时，n＝2。

在其中一个实施例中，当λ≤0.8时，信号灯的时长等于所述通行时间。

本发明还提供了一种基于待通行量的交通信号灯控制方法，包括所述的基于待通行量的交通信号灯时长计算方法，还包括：

根据所述通行时间确定信号灯的时长，根据所述信号灯的时长控制信号灯中绿灯的持续时间。

在其中一个实施例中，所述通行单位为行人以及车辆，当用于控制行人通行的行人信号灯以及直行车道的车辆信号灯都变为红灯时，左转车道的车辆信号灯变为绿灯。

本发明还提供了一种基于待通行量的交通信号灯控制系统，包括：

摄像机组；

信号灯控制器；

路口计算单元，所述路口计算单元包括中央控制器、指令转换发送模块、数据处理模块、数据交互模块以及数据存储模块，所述中央控制器分别与所述指令转换发送模块、数据处理模块、数据交互模块以及数据存储模块相连，

所述数据交互模块分别与所述摄像机组以及数据处理模块相连，用于获取摄像机组的图像数据并将图像数据发送给数据处理模块，所述数据处理模块包括图像处理子模块以及信号灯时长计算子模块，所述图像处理子模块用于根据所述图像数据获得待通行量，所述信号灯时长计算子模块用于根据所述待通行量计算获得信号灯所需的时长，所述中央控制器可将所述信号灯所需的时长发送给指令转换发送模块，

所述指令转换发送模块与所述摄像机组以及信号灯控制器相连，用于将中央控制器发送的控制指令转换后发送给控制摄像机组以及信号灯控制器。

在其中一个实施例中，所述指令转换发送模块包括摄像机指令转换发送器以及信号灯控制指令转换发送器。

附图说明

图1为本发明的实施例的交通信号灯控制方法的流程图。

图2为本发明的实施例的机动车道的待通行量的计算方法示意图。

图3为本发明的实施例的人行道的待通行量的计算方法示意图。

图4为本发明的实施例的交通信号灯控制系统的示意图。

图5为本发明的实施例的同一道路设置两个摄像机的示意图。

图6为本发明的实施例的三个摄像机分别对准不同道路的示意图。

图7为本发明的实施例的交通信号灯控制系统的信号传输示意图。

其中：

1、摄像机组 2、路口计算单元 3、信号灯控制器

21、指令转换发送模块 211、摄像机指令转换发送器

212、信号灯控制指令转换发送器 23、数据交互模块

22、数据处理模块 221、图像处理子模块

222、信号灯时长计算子模块 24、数据存储模块

241、经验表 242、速度栈 25、中央控制器

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

如图1所示，本发明的实施例提供了一种基于待通行量的交通信号灯时长计算方法，包括：

S100、获取当前路口的通行道路上等待通行的通行单位图像，根据通行单位的图像获得所述通行道路上的本次的待通行量。

S200、获取上游路口处与所述通行道路对应道路的实际通行速度，根据所述实际通行速度获取上游侧通行速度，根据本次的待通行量获取当前路口的所述通行道路的经验速度，根据所述上游侧通行速度以及经验速度，获取当前路口的所述通行道路的本次通行对应的估计速度。

S300、根据所述本次的待通行量和估计速度计算出通行时间，通行时间＝(待通行量/估计速度)+T，T为预留通过路口时间，也就是可通过以下公式计算：

其中，t_est是通行时间，c是待通行量，v_est是估计速度，T是预留通过路口时间。

根据所述通行时间确定信号灯的时长。其中，信号灯的时长可以等于上述计算获得的通行时间。

需要说明的是，上述方法中，T为预留通过路口时间，为预设的固定时间，可根据实际情况进行具体设定和调整。设置T，是方便最后一位通行单位通过路口。因为按照上述方法，上游侧路口的实际通行速度和当前路口的经验速度都是从第一位通行单位离开停止线，计算到最后一位通行单位离开停止线。而估计速度依据这两个速度计算，所以计算出的时间只能使最后一位通行单位刚好离开停止线，而最后一位通行单位离开停止线后并未真正地通过路口区域，它需要一定的时间才能通过路口区域进入其它道路。所以，就需要给最后一位通行单位一定时间去通过路口区域。

本实施例中，所述通行单位可以为车辆，也可以为行人。所述当前路口的通行道路可以为当前路口的直行道路，也可以为当前路口的左转道路等。

具体的，上述方法可以仅仅用于人行道，以控制人行道的信号灯的运行。也可以是，上述方法仅仅用于机动车道，以控制机动车道的信号灯的运行。还可以是，上述方法同时用于机动车道和人行道。

而且，上述方法可以仅仅用于机动车道的直行道。也可以仅仅用于机动车道的左转道。还可以同时用于机动车道的直行道和左转道等。

上述方法中，通过利用路口设置的摄像机可获取本次待通行的通行单位图像，进而获得本次的待通行量。根据本次的待通行量可获取当前路口的所述通行道路的经验速度，通过经验速度并结合上游侧通行速度可获取本次通行的估计速度，进而通过本次的待通行量和估计速度可计算出本次通行的通行时间。信号灯的时长可以等于该通行时间。这样计算获得的通行时间既考虑了本次待通行量以及该道路的经验速度，又考虑了上游侧的通行速度，所以更有利于提高路口通行效率。

步骤S100中，获取当前路口的通行道路上等待通行的通行单位图像，可通过在路口设置摄像机，通过摄像机获得通行单位图像。

具体的，如图5至图7所示，摄像机A对准机动车的左转道，摄像机B对准机动车的直行道，当直行道需由红灯跳转绿灯时，只对图像中的直行道分析计算。当左转道需由红灯跳转绿灯时，只对图像中的左转道分析计算。摄像机C对准人行道，当人行道需由红灯跳转绿灯时，只对图像中的人行道分析计算。放置摄像机A、摄像机B和摄像机C时，保证道路上的停止线出现在图像下端。停止线也就是车辆在等红灯时不能越过的那条线，人行道的停止线也就是行人在等红灯时不能越过的那条线。

进一步的是，还可以按照以下方式设置摄像机。对于机动车道的直行道和左转道，可同时使用摄像机A和摄像机B进行拍摄。，并使其画面可以恰好无缝拼接。也就是，摄像机A既拍摄左转车辆又拍摄直行车辆，摄像机B也是既拍摄左转车辆又拍摄直行车辆。因为在现有的图像识别技术中，很容易分清左拐车辆和直行车辆，它们按照白线很容易辨别。只是在左转时识别图像右侧，直行时识别图像左侧。摄像机A作为主要摄像，摄像机B作为辅助摄像，例如图5中，摄像机B可拍摄更远路段的车辆。

如图2所示，以圆角矩形表示待通行单位，图2中待通行单位是车辆，实线为停止线。图像分析时无需精确判断准确的待通行单位的数量，因为通行单位之间的间距对通行速度也有很大影响，只需要对图像按照等量或者不等量(从下往上依次变小)进行横向分割，形成计数线，从下往上以靠近最后一个待通行单位的计数线为准，计数线对应的数字即为待通行量，所以这是一个逻辑量，不是实际量，是对第一个通行单位到最后一个通行单位之间距离的粗略描述，因此可以用待通行量计算速度。如图3所示，以简易人形表示待通行单位(行人)，实线为停止线，与对车辆的计算类似，对图像不识别具体行人个数，而是识别最后一位行人所对应的计数线。图2和图3实例中的待通行量分别为8和6，其中都考虑了单位与单位前后间隙对后面计算实际通行速度的影响。具体对车辆以及行人的识别方法，可通过现有的图像识别算法即可实现。

步骤S200中，上游侧通行速度的获取方法为：

以下举例说明。表1中给出了当前路口的由南向北直行道路对应的上游侧通行速度，以及当前路口由南向西左转道路对应的上游侧通行速度。

表1

具体的，可设置速度栈242，速度栈242用于记录上游路口传来的对应道路的实际通行速度。速度栈242中可记录2个实际通行速度，也就是速度栈242中记录2个实际通行速度后就不再记录。上述2个实际通行速度可包括上游路口对应的直行道路和左转道路的实际通行速度，也就是考虑上游路口的直行道路和左转道路的车辆进入当前路口。在步骤S200中，在计算估计速度时，速度栈242中的2个实际通行速度被取出。当这2个实际通行速度被取出后，这2个实际通行速度就不在栈中。速度栈242可以再重新记录新的上游路口传来的实际通行速度。

以当前路口的直行道路为例，上游路口的直行道路以及左转道路的车辆都可能进入当前路口。所以当前路口的速度栈242中存储2个实际通行速度值，分别对应上游路口的直行道路和左转道路。当速度栈242中的2个实际通行速度值都不为0时，在步骤S200中，在计算估计速度时，上游侧通行速度为速度栈242中的2个值的平均值。当速度栈242中有1个值为0时，另一个值不为0时，在步骤S200中，在计算估计速度时，上游侧通行速度为速度栈242中不为0的那个值。下文会以具体计算公式进行详细说明。

可以理解，上述速度栈242的存储方式只是举例。也可以是其它存储方式。进一步的是，在计算所述直行道的实际通行速度或所述左转道的实际通行速度时，可应用以下公式：

v_pra为实际通行速度；c为待通行量；t_pra为实际通行时间，其计算方法为：当前路口的通行道路的所有等待通行的通行单位中，第一个通行单位穿过所述通行道路的停止线开始计时，最后一个通行单位穿过所述通行道路的停止线后停止计时，整个过程所用的时间为t_pra。

需要说明的是，本方法中，每个路口获取到本路口的通行道路的实际通行速度后，会将该实际通行速度发送到下游侧的路口，供下游侧的路口使用。例如，本路口由南向北直行道路的实际通行速度以及由西向北左转道路的实际通行速度会发送到下游侧的路口，供下游侧的路口在计算由南向北直行道路以及由南向西左转道路的通行时间t_est使用。

本实施例中，所述根据本次的待通行量获取当前路口的所述通行道路的经验速度是通过以下方法实现：

v_exp＝v_exp+β(v_pra-v_exp)， (3)

根据本次的待通行量调取对应的经验速度。

需要说明的是，通过上述公式(3)和(2)可计算经验速度并对待通行量对应的经验速度进行更新。也就是，对于一个待通行量c，当t_pra发生变化，则v_pra也随之改变，这时，该待通行量c对应的经验速度v_exp通过公式(3)重新计算后，获得新的值。也就是，利用原有待通行量c对应的v_exp以及新计算获得的v_pra代入公式(3)，计算获得新的v_exp的值。

上述方法在实际使用时，可建立一个经验表241。经验表241中存储待通行量以及对应的经验速度。经验表241是一种顺序表的数据结构，其中有n个单元，每个单元的编号就是对应的待通行量，单元里面存储着与待通行量对应的经验速度，在取出或更新经验速度时，即是对相应编号的单元数据的查询和修改。也就是每次取出经验速度后，经过本轮计算，可对经验表241中的对应数据进行更新。在学习前，经验表241被初始化为存储皆为0的顺序表。

进一步的是，所述估计速度是通过以下公式获得：

为上游侧通行速度，其计算方法为：

需要说明的是，通过上述公式(5)可对估计率λ进行更新。通过不断更新，估计率λ变化趋势是从1逐渐变小。通过实验证明，当λ≤0.8时，利用本发明的上述方法获得的通行时间t_est控制信号灯的时长，对于提高路口通行效率有显著效果。λ接近1时，效果没有λ≤0.8时显著。也就是，当λ大于0.8时，也可以使用现有技术中的常规方法来控制信号灯的时长，即信号灯的时长可以采取固定的时间长度，不使用通行时间t_est控制信号灯的时长。当λ≤0.8时，再通过本方法的上述公式(1)获取的通行时间t_est控制信号灯的时长，使信号灯的时长等于通行时间t_est。

本发明的实施例还提供了一种基于待通行量的交通信号灯控制方法，包括所述的基于待通行量的交通信号灯时长计算方法，还包括：

本实施例中，所述通行单位为行人以及车辆，当用于控制行人通行的行人信号灯以及直行车道的车辆信号灯都变为红灯时，左转车道的车辆信号灯变为绿灯。

具体的，上述方法中，机动车道的直行道、左转道以及人行道分别用上述方法计算获得信号灯的时长。机动车道的直行道以及同向的人行道的信号灯可同时跳转为绿灯，而机动车道的直行道的车辆如果先通行完毕，则该直行道的信号灯先变为红灯，人行道后变为红灯，或者，人行道的行人先通行完毕，则人行道的信号灯先变为红灯，直行道的信号灯后变为红灯。但是机动车道的左转道是在直行道以及人行道的两个信号灯都转为红灯时才跳转为绿灯。

如图4所示，本发明的实施例还提供了一种基于待通行量的交通信号灯控制系统，包括：

摄像机组1，

信号灯控制器3，

路口计算单元2，所述路口计算单元2包括中央控制器25、指令转换发送模块21、数据处理模块22、数据交互模块23以及数据存储模块24，所述中央控制器25分别与所述指令转换发送模块21、数据处理模块22、数据交互模块23以及数据存储模块24相连，

所述数据交互模块23分别与所述摄像机组1以及数据处理模块22相连，用于获取摄像机组1的图像数据并将图像数据发送给数据处理模块22，所述数据处理模块22包括图像处理子模块221以及信号灯时长计算子模块222，所述图像处理子模块221用于根据所述图像数据获得待通行量，所述信号灯时长计算子模块222用于根据所述待通行量计算获得信号灯所需的时长，这里，信号灯所需的时长可以根据本申请的上述方法来计算获得。所述中央控制器25可将所述信号灯所需的时长发送给指令转换发送模块21，所述指令转换发送模块21与所述摄像机组1以及信号灯控制器3相连，用于将中央控制器25发送的控制指令转换后发送给控制摄像机组1以及信号灯控制器3。

本实施例中，所述指令转换发送模块21包括摄像机指令转换发送器211以及信号灯控制指令转换发送器212。

具体的，可在各个路口设置上述系统。在信号灯需要转跳绿灯时，中央控制器25让指令转换发送模块21向摄像机组1发送指令，具体的可由摄像机指令转换发送器211完成，摄像机组1接收到指令后开始将图像信息发给数据交互模块23，并由数据交互模块23告知中央控制器25图像完成传输。中央控制器25让数据处理模块22从数据交互模块23提取图像至图像处理子模块221进行分析，得到对待通行量的估算，记为c，并发送给中央控制器25。中央控制器25根据待通行量在数据存储模块24存储的经验表241中取出对应的经验速度，同时在数据存储模块24存储的速度栈242中取出上游路口发送来的对应道路的实际通行速度，并将上述值发送给信号灯时长计算子模块222，信号灯时长计算子模块222通过公式(4)计算出估计速度v_est，接着通过公式(1)可计算出通行时间。中央控制器25将得到的通行时间t_est作为控制指令发送给信号灯控制指令转换器212，再由信号灯控制指令转换器212将控制指令转换后发给信号灯控制器33，做出对信号灯的时长控制。

需要说明的是，上述经验速度可以通过数据处理模块22根据公式(2)和(3)获得，并存储在经验表241中。上述公式(2)中的实际通行时间t_pra可借助上述系统获得。也就是，当通行单位在摄像机组1中显示第一位通行单位开始穿越停止线时，中央控制器25开始计时，当通行单位在摄像机组1中显示最后一位通行单位刚好通过停止线时，中央控制器25停止计时，这样可得到实际通行时间t_pra，并按照公式(2)计算出实际通行速度，这里可由中央控制器25计算出实际通行速度。并借助数据交互模块23或者借助中央控制器25内置的无线传输模块发送给下游侧的路口，并存储在下游侧路口对应的数据存储模块内。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims

1.一种基于待通行量的交通信号灯时长计算方法，其特征在于，包括：

根据所述通行时间确定信号灯的时长。

2.根据权利要求1所述的基于待通行量的交通信号灯时长计算方法，其特征在于，

3.根据权利要求1所述的基于待通行量的交通信号灯时长计算方法，其特征在于，所述当前路口的通行道路为当前路口的直行道路以及当前路口的左转道路。

4.根据权利要求1所述的基于待通行量的交通信号灯时长计算方法，其特征在于，所述根据本次的待通行量获取当前路口的所述通行道路的经验速度是通过以下方法实现：

v_exp＝v_exp+β(v_pra-v_exp)，

根据本次的待通行量调取对应的经验速度。

5.根据权利要求4所述的基于待通行量的交通信号灯时长计算方法，其特征在于，所述估计速度是通过以下公式获得：

为上游侧通行速度，其计算方法为：

6.根据权利要求5所述的基于待通行量的交通信号灯时长计算方法，其特征在于，当λ≤0.8时，信号灯的时长等于所述通行时间。

7.一种基于待通行量的交通信号灯控制方法，其特征在于，包括权利要求1至6中任意一项所述的基于待通行量的交通信号灯时长计算方法，还包括：

8.根据权利要求7所述的基于待通行量的交通信号灯时长计算方法，其特征在于，所述通行单位为行人以及车辆，当用于控制行人通行的行人信号灯以及直行车道的车辆信号灯都变为红灯时，左转车道的车辆信号灯变为绿灯。

9.一种基于待通行量的交通信号灯控制系统，其特征在于，包括：

摄像机组；

信号灯控制器；

10.根据权利要求9所述的基于待通行量的交通信号灯控制系统，其特征在于，所述指令转换发送模块包括摄像机指令转换发送器以及信号灯控制指令转换发送器。