CN111091714A - 一种基于车路协同的交通灯信号控制方案 - Google Patents

一种基于车路协同的交通灯信号控制方案 Download PDF

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Abstract

一种基于车路协同的交通灯信号控制方案，利用交通控制系统进行交通信号的控制，其特征在于：所述自交通控制系统包括测控模块、控制模块、交通灯；所述测控模块用于定位并确定道路上的车辆行驶信息，所述控制模块基于所述行驶信息控制、调整所述交通灯的设置。

Description

一种基于车路协同的交通灯信号控制方案
技术领域
本发明涉及交通领域，具体涉及一种基于车路协同的交通灯信号控制方案。
背景技术
城市化的不断加快使得城市居民的汽车拥有量剧增，由此带来的城市交通拥堵问题日益凸显。城市干线在居民出行中承担着重要的交通量，是城市交通的主动脉，其运行效益直接反映了城市交通的健康状态。近年来，随着信息化技术的发展，交通信号控制系统已经上升到智能交通信号控制系统，采集交通数据的方式也随之多源化。除了传统固定检测器，利用浮动车、全球定位系统、网联车、移动通信等方式成为了现在获取路网交通信息的重要手段。相比于传统检测器，新一代的检测方式给我们提供的交通数据具有易获取、覆盖范围广、低成本、实时性等众多优点，但同时，这些交通数据以车辆轨迹数据为主，其所包含的交通信息是隐含的、间接的，这给我们充分挖掘数据潜在的信息带来了无限的诱惑。因此，如何利用低样本率的交通数据打造智慧信号灯以及进行城市大脑决策近年来受到了额外关注。
英国学者Lighthill和Whitham提出了著名有L—W理论，该理论将交通流比作一种流体，运用流体动力学基本原理，建立车流的连续性方程，把车流密度的稀疏变化比作水流的起伏而抽象为车流波。作为车流波理论中的重要内容，交通波表示流量或者密度的不连续性，这种不连续性尤其在信号交叉口等瓶颈路段出现较多：当队列车辆遇到红灯时，进口道内由于陆续停车而形成向后传播的停车波；而当绿灯启动时，车辆陆续离开交叉口，形成向后传播的起动波。通过对交通波的研究，可以得出连续车辆运行的始末状态情况，从而无论是在道路设计、交通管理或者是车辆本身都能获得一定的改善思路。
但现有技术的GPS采集与车辆拥堵排队计算存在如下问题：
1、由于道路的双向性，车在采集GPS轨迹点时可能与实际道路存在偏差，存在错把车辆匹配到对向车道上去。
2、路段匹配遇到的最大难点就是如何判断当前坐标点与前一坐标点之间是否间隔了交叉口。
3、单纯的依靠车流长度来判断拥堵指数并不准确，有多种不同情况。例如实际上虽然车流长度长，但车速并没有很慢。
发明内容
为了克服上述问题，本发明提出同时解决上述多种问题的方案。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种交通灯信号控制方法，利用交通控制系统进行交通信号的控制，所述交通控制系统包括测控模块、控制模块、交通灯；所述测控模块用于定位并确定道路上的车辆行驶信息，所述控制模块基于所述行驶信息控制、调整所述交通灯的设置；
定位并确定所述车辆行驶信息的方法包括：
1）.定位并确定距离信息：
路段L的首尾节点为
Figure 282414DEST_PATH_IMAGE001
，
Figure 214508DEST_PATH_IMAGE002
，车辆定位点为
Figure 702252DEST_PATH_IMAGE003
，车辆定位点到路段上的垂直投影距离的公式为：
Figure 491217DEST_PATH_IMAGE004
；
2）.为避免对向车道信息干扰，定位并确定方向夹角信息：
路段L的首尾节点为
Figure 248957DEST_PATH_IMAGE005
，
Figure 225003DEST_PATH_IMAGE006
，车辆定位点为
Figure 359181DEST_PATH_IMAGE007
，则路段L的方向角
Figure 205915DEST_PATH_IMAGE008
的计算公式如下：
Figure 101933DEST_PATH_IMAGE009
;
定位点与路段L之间的夹角计算公式如下，其中
Figure 221068DEST_PATH_IMAGE010
为路段行驶方向方位角：
Figure 299882DEST_PATH_IMAGE011
;
3）.提取区间平均车速，方法如下：
对于交叉口i与i+1间的路段
Figure 329018DEST_PATH_IMAGE012
，正常行驶距离为
Figure 461184DEST_PATH_IMAGE013
, 正常行驶时间为
Figure 880664DEST_PATH_IMAGE014
，n为检测到的车辆数，区间平均车速按交叉口间的车流稳定性可以有以下两种方法，
当车流稳定时（车辆速度变化较小）：
Figure 559907DEST_PATH_IMAGE015
对于车流不稳定时（车辆速度变化存在波动）：
Figure 771446DEST_PATH_IMAGE016
对于N天同一时段、同一区间的车辆平均车速，样本数据形式为：
Figure 510732DEST_PATH_IMAGE017
，给定置信度为0.95，有
Figure 683087DEST_PATH_IMAGE018
Figure 461294DEST_PATH_IMAGE019
的置信区间为
Figure 465022DEST_PATH_IMAGE020
，其中
Figure 47313DEST_PATH_IMAGE021
为样本均值
Figure 566019DEST_PATH_IMAGE022
Figure 259169DEST_PATH_IMAGE023
为样本标准差
Figure 648562DEST_PATH_IMAGE024
;
所述控制模块基于所述距离信息与所述区间平均车速信息，通过对二者分配的权重得出拥堵指数，从而控制、调整所述交通灯的时长设置。
进一步的，权重分配中，距离信息与区间平均车速信息各占一半。
进一步的，定位并确定所述方向夹角信息的方法进一步包括：交叉口路段信息定位与确定。
进一步的，所述交叉口路段信息定位与确定的方法包括：
Step1: 计算当前时刻为基准，K时刻之后的点与当前路段的夹角；
Step2: 若夹角大于45度小于135度，则车量转弯；
若夹角大于135度，则车量直行；
若夹角小于45度，则车量驶离交叉口，当前点所属路段与前一点相同。
进一步的，所述K时刻选择为10-30秒。
进一步的，所述K时刻选择为20秒。
本发明的有益效果是：
1、针对背景技术提到的第1点问题，引入了夹角参数；通过轨迹点的行驶方向和实际道路方向之间的夹角避免对向车道信息干扰。
2、针对背景技术提到的第2点问题，通过交叉口夹角参数的引入，分三种情况明确了车辆在交叉口的信息。
3、针对背景技术提到的第3点问题，避免了单纯依靠车流长度来确定拥堵指数的方式，引入了更多参数，使得交通拥堵判断更为准确。
附图说明
图1是车流波型图。
图2是车辆通行示意图。
图3是交叉口三种情况示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
如图1所示：在已知停车线位置，信号灯配时的初始条件下，典型信号控制交叉口周期排队形成可由图1描述。假设最大排队长度不超过L米，并且在L米长的路段上没有其他进出口。则图1其他点或线段的意义可以这样描述：沿x方向，水平线BF表示停车线位置，点A对应有效绿灯间隔开始时车队的队尾；沿水平轴t方向，t = 0 代表有效绿绿灯开始时刻，g和r分别代表绿灯和红灯时长。
Figure 762273DEST_PATH_IMAGE025
和
Figure 909221DEST_PATH_IMAGE026
分别表示信号周期C开始和结束时的排队初始长度和最终长度。从t = 0，x = 0到x = L 所画的曲线是特征曲线，即流量密度关系曲线对应的点的切线。特征曲线相交部分的连线即为交通波曲线。该曲线上任意一点的切线斜率代表该点交通波向上游或下游传播的速度（波速）。C点处交通曲线波斜率为0，波速由负转为正，即由集结波转为疏散波。如果周期内到达的车辆能在绿灯时间内疏散完，则点D落在BF（停车线）线上，此时D点后的排队长度为0，后续绿灯时间内到达的车辆无须排队。交通波曲线ACMDE将整个区域划分为四个子部分,在①和④处，车流密度等于拥挤密度；在区域②处，车流密度为初始密度；在③处，车流密度值在拥挤密度和最佳密度之间。交通波曲线反映了周期内排队长度的变化过程，在图1中，AB点间的长度为绿灯开始时刻排队长度，FC点间的长度为绿灯结束时的排队长度，C点位置交通波曲线斜率为0，也正是向后传播的集结波和向前传播的疏散波的相交点，因此在C点处周期内排队长度达到最大值。
如图2-3所示：一种交通灯信号控制方法，利用交通控制系统进行交通信号的控制，所述交通控制系统包括测控模块、控制模块、交通灯；所述测控模块用于定位并确定道路上的车辆行驶信息，所述控制模块基于所述行驶信息控制、调整所述交通灯的设置；
定位并确定所述车辆行驶信息的方法包括：
1） 定位并确定距离信息：
轨迹采集点至路段的距离反映了点和路段的关联程度，因此距离选择匹配路段的重要因素。在计算时，先判断垂直投影点是否在路段上，若垂直投影点在路段上，则定位点到候选路径的垂直投影距离为定位点到候选路径的最短距离，若投影点不在路段上，则轨迹定位点可能在交叉口附近，需要计算轨迹定位点候选路径始点和始点后一点的距离，取最小值作为定位点到候选路径的最短距离。路段L的首尾节点为
Figure 733958DEST_PATH_IMAGE027
，
Figure 774595DEST_PATH_IMAGE028
，车辆定位点为
Figure 26585DEST_PATH_IMAGE003
，车辆定位点到路段上的垂直投影距离的公式为：
Figure 129670DEST_PATH_IMAGE029
；
2） 为避免对向车道信息干扰，定位并确定方向夹角信息：
由于道路的双向性，车在采集GPS轨迹点时可能与实际道路存在偏差，存在错把车辆匹配到对向车道上去，因此轨迹点的行驶方向和实际道路方向之间的夹角也是一个重要的判断因素。
路段L的首尾节点为
Figure 53370DEST_PATH_IMAGE027
，
Figure 823880DEST_PATH_IMAGE002
，车辆定位点为
Figure 246771DEST_PATH_IMAGE003
，则路段L的方向角
Figure 227365DEST_PATH_IMAGE030
的计算公式如下：
Figure 66008DEST_PATH_IMAGE031
;
定位点与路段L之间的夹角计算公式如下，其中
Figure 815659DEST_PATH_IMAGE010
为路段行驶方向方位角：
Figure 910916DEST_PATH_IMAGE011
;
3） 提取区间平均车速，方法如下：
车辆不停车连续通过交叉口是干线协调的效果之一，在该种情况下，车辆不维持原行车特性而不作改变。因此，在本文中只考虑车辆在交叉口间的行驶车速。对于交叉口i与i+1间的路段
Figure 254172DEST_PATH_IMAGE012
，正常行驶距离为
Figure 395041DEST_PATH_IMAGE013
, 正常行驶时间为
Figure 530357DEST_PATH_IMAGE014
，n为检测到的车辆数，区间平均车速按交叉口间的车流稳定性可以有以下两种方法，
当车流稳定时（车辆速度变化较小）：
Figure 357367DEST_PATH_IMAGE032
对于车流不稳定时（车辆速度变化存在波动）：
Figure 14351DEST_PATH_IMAGE033
对于N天同一时段、同一区间的车辆平均车速，样本数据形式为：
Figure 194797DEST_PATH_IMAGE034
，给定置信度为0.95，有
Figure 653460DEST_PATH_IMAGE018
Figure 589055DEST_PATH_IMAGE019
的置信区间为
Figure 641325DEST_PATH_IMAGE020
，其中
Figure 15674DEST_PATH_IMAGE021
为样本均值
Figure 33571DEST_PATH_IMAGE035
Figure 77750DEST_PATH_IMAGE023
为样本标准差
Figure 741950DEST_PATH_IMAGE036
;
所述控制模块基于所述距离信息与所述区间平均车速信息，通过对二者分配的权重得出拥堵指数，从而控制、调整所述交通灯的时长设置。
权重分配中，距离信息与区间平均车速信息各占一半。定位并确定所述方向夹角信息的方法进一步包括：交叉口路段信息定位与确定。
所述交叉口路段信息定位与确定的方法包括：路段匹配遇到的最大难点就是如何判断当前坐标点与前一坐标点之间是否间隔了交叉口，为此增加如下判别条件：
Step1: 计算当前时刻为基准，K时刻之后的点与当前路段的夹角；
Step2: 若夹角大于45度小于135度，则车量转弯；
若夹角大于135度，则车量直行；
若夹角小于45度，则车量驶离交叉口，当前点所属路段与前一点相同。
上列详细说明是针对本发明可行实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均应包含于本案的专利范围中。

Claims (6)

1.一种基于车路协同的交通灯信号控制方案，利用交通控制系统进行交通信号的控制，其特征在于：所述交通控制系统包括所述测控模块、所述控制模块、所述交通灯；所述测控模块用于定位并确定道路上的车辆行驶信息，所述控制模块基于所述行驶信息控制、调整所述交通灯的设置；
定位并确定所述车辆行驶信息的方法包括：
1）.定位并确定距离信息：
路段L的首尾节点为
Figure 763507DEST_PATH_IMAGE001
，
Figure 921955DEST_PATH_IMAGE002
，车辆定位点为
Figure 430297DEST_PATH_IMAGE003
，车辆定位点到路段上的垂直投影距离的公式为：
Figure 29906DEST_PATH_IMAGE004
；
2）.为避免对向车道信息干扰，定位并确定方向夹角信息：
路段L的首尾节点为
Figure 549790DEST_PATH_IMAGE001
，
Figure 664377DEST_PATH_IMAGE002
，车辆定位点为
Figure 241989DEST_PATH_IMAGE003
，则路段L的方向角
Figure 977995DEST_PATH_IMAGE005
的计算公式如下：
Figure 22174DEST_PATH_IMAGE006
;
定位点与路段L之间的夹角计算公式如下，其中
Figure 889636DEST_PATH_IMAGE007
为路段行驶方向方位角：
Figure 238315DEST_PATH_IMAGE008
;
3）.提取区间平均车速，方法如下：
对于交叉口i与i+1间的路段
Figure 671571DEST_PATH_IMAGE009
，正常行驶距离为
Figure 621072DEST_PATH_IMAGE010
, 正常行驶时间为
Figure 772568DEST_PATH_IMAGE011
，n为检测到的车辆数，区间平均车速提取按交叉口间的车流稳定性有以下两种方法，
当车流稳定时：
Figure 98507DEST_PATH_IMAGE012
对于车流不稳定时：
Figure 651848DEST_PATH_IMAGE013
对于N天同一时段、同一区间的车辆平均车速，样本数据形式为：
Figure 601612DEST_PATH_IMAGE014
，给定置信度为0.95，有
Figure 850190DEST_PATH_IMAGE015
Figure 838875DEST_PATH_IMAGE016
的置信区间为
Figure 387668DEST_PATH_IMAGE017
，其中
Figure 803606DEST_PATH_IMAGE018
为样本均值
Figure 539481DEST_PATH_IMAGE019
Figure 535119DEST_PATH_IMAGE020
为样本标准差
Figure 561587DEST_PATH_IMAGE021
;
所述控制模块基于所述距离信息与所述样本均值信息，通过对二者分配的权重得出拥堵指数，从而控制、调整所述交通灯的时长设置。
2.根据权利要求1所述的一种交通灯信号控制方法，其特征在于：权重分配中，距离信息与区间平均车速信息各占一半。
3.根据权利要求1所述的一种交通灯信号控制方法，其特征在于：定位并确定所述方向夹角信息的方法进一步包括：交叉口路段信息定位与确定。
4.根据权利要求3所述的一种交通灯信号控制方法，其特征在于：所述交叉口路段信息定位与确定的方法包括：
Step1: 计算当前时刻为基准，K时刻之后的点与当前路段的夹角；
Step2: 若夹角大于45度小于135度，则车量转弯；
若夹角大于135度，则车量直行；
若夹角小于45度，则车量驶离交叉口，当前点所属路段与前一点相同。
5.根据权利要求4所述的一种交通灯信号控制方法，其特征在于：所述K时刻选择为10-30秒。
6.根据权利要求5所述的一种交通灯信号控制方法，其特征在于：所述K时刻选择为20秒。
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