CN113421445B - 一种交叉口交通信号实时优化控制系统及其方法 - Google Patents

一种交叉口交通信号实时优化控制系统及其方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种交叉口交通信号实时优化控制系统及其方法，该方法包括以下步骤：微波雷达检测器实时获取并上传各车道的交通参数给终端服务器；根据各车道的交通参数，结合预设的控制策略，由终端服务器分析得到对应的相位控制信号，并将该相位控制信号输出给相应的交叉口信号灯；交叉口信号灯根据接收的相位控制信号，实时改变工作状态。与现有技术相比，本发明基于微波雷达检测器的实时交通排队数据，并根据排队数据和车头时距实时计算出当前相位放行时间；在相位快结束放行时，通过其他各个车道的排队长度决定当前相位是否继续感应控制以保证个别车辆安全通过路口，以此有效地减少车辆二次排队和相位绿灯空放现象、提高交叉口通行效率。

Description

一种交叉口交通信号实时优化控制系统及其方法
技术领域
本发明涉及智能交通控制领域，尤其是涉及一种交叉口交通信号实时优化控制系统及其方法。
背景技术
目前典型的交叉口交通信号单点优化控制主要有两种，第一种是实时的车辆感应控制，即在相位最后几秒内根据过车流量给予相位绿灯时间的延长；第二种则是根据上一个或几个交通信号运行周期内车流量的统计分析，然后预测下个运行周期内的车流量，并根据预测的车流量对该周期内各个相位绿灯时间进行调整。这两种优化控制经过实地应用后都有其自身的局限性和缺陷，单纯的车辆感应控制容易造成绿灯相位时间空放和车辆二次排队现象，并造成其他方向出现车辆严重排队情况；基于上一个或几个周期车流量，以预测并调整下个周期相位绿灯时间的优化方法则存在滞后性的缺陷，会给交通信号放行带来很多不确定性的因素，上述两种控制方式均不利于提高交叉口的交通通行效率。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种交叉口交通信号实时优化控制系统及其方法，以解决车辆二次排队和相位绿灯空放问题，同时避免控制滞后的缺陷，以有效提高交叉口的交通通行效率。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种交叉口交通信号实时优化控制系统，包括安装于交叉口信号灯杆位置的微波雷达检测器，所述微波雷达检测器与终端服务器连接，所述终端服务器连接至交叉口信号灯，所述微波雷达检测器用于获取交叉口各车道的交通参数，并将获取的数据传输给终端服务器；
所述终端服务器根据交叉口各车道的交通参数，分析得到对应的相位控制信号，并将相位控制信号输出给交叉口信号灯，以实时控制交叉口信号灯的工作状态。
一种交叉口交通信号实时优化控制方法，包括以下步骤：
S1、微波雷达检测器实时获取并上传各车道的交通参数给终端服务器，其中，交通参数包括排队长度、排队数量和车头时距；
S2、根据各车道的交通参数，结合预设的控制策略，由终端服务器分析得到对应的相位控制信号，并将该相位控制信号输出给相应的交叉口信号灯；
S3、交叉口信号灯根据接收的相位控制信号，实时改变工作状态。
进一步地，所述步骤S2具体包括以下步骤：
S21、根据当前相位各车道的交通参数，若当前相位对应方向没有行人和车辆，则跳过该相位、放行下一相位绿灯；
若当前相位对应方向存在行人或车辆排队，则基于当前相位对应车道的交通参数以及预设的排队长度阈值，分析得到当前相位的放行绿灯时间；
S22、在当前相位的绿灯时间结束时，根据其他相位对应车道的排队长度，分析得到相位之间的放行顺序以及放行绿灯时间。
进一步地，所述步骤S21中分析得到当前相位的放行绿灯时间的具体过程为：
S211、从当前相位对应各车道的排队长度数据中筛选出最大数值，以作为当前相位对应车道的最大排队长度；
S212、若最大排队长度小于或等于第一预设排队长度阈值，则确定当前相位的放行绿灯时间为设定的最小绿灯时间；
若最大排队长度大于第一预设排队长度阈值、且小于第二预设排队长度阈值，则根据当前车位对应各车道的排队数量以及车头时距的平均值，计算得到当前相位的放行绿灯时间；
若最大排队长度大于或等于第二预设排队长度阈值，则确定当前相位的放行绿灯时间为设定的最大绿灯时间。
进一步地，所述步骤S212中，若最大排队长度大于第一预设排队长度阈值、且小于第二预设排队长度阈值，则当前相位的放行绿灯时间具体为：
t＝λ*max(Vehi×ht)
其中，t为当前相位的放行绿灯时间，λ为修正系数，Vehi为当前相位对应各车道的排队数量，ht为当前相位对应各车道的车头时距平均值。
进一步地，所述步骤S22具体包括以下步骤：
S221、若确定当前相位的放行绿灯时间为设定的最大绿灯时间，则在当前相位绿灯时间结束后立即放行下一相位绿灯，否则执行步骤S222；
S222、若其他相位对应某个车道的排队长度大于第二预设排队长度阈值，则立即结束当前相位绿灯时间，直接跳转至其他相位放行绿灯；
若存在多个相位对应车道的排队长度均大于第二预设排队长度阈值，则按照相序以及其他多个相位对应的放行绿灯时间，依次放行其他多个相位；
若没有其他相位对应车道的排队长度大于第二预设排队长度阈值，则执行步骤S223；
S223、检测当前相位对应的车道停止线预设距离位置是否有后续车辆通过，若无后续车辆通过，则立即停止当前相位绿灯，放行下一相位绿灯，否则延长当前相位的单位绿灯时间，之后执行步骤S224；
S224、在当前相位延长单位绿灯时间结束时，结合下一相位对应车道的排队长度以及设定的最大绿灯时间，分析得到当前相位与下一相位之间的放行顺序。
进一步地，所述步骤S222中其他多个相位各自对应的放行绿灯时间具体为0.6*gmax，其中，gmax为设定的最大绿灯时间。
进一步地，所述步骤S224具体包括以下步骤：
S2241、在当前相位延长单位绿灯时间结束时，若下一相位对应的车道排队长度中最大值大于第二预设排队长度阈值，则立即停止当前相位绿灯，放行下一相位绿灯，否则执行步骤S2242；
S2242、判断当前相位绿灯放行时间是否达到设定的最大绿灯时间，若判断为是，则立即停止当前相位绿灯，放行下一相位绿灯，否则返回步骤S221。
进一步地，所述最小绿灯时间具体是根据平均行人速度和路口长度计算得到。
进一步地，所述最大绿灯时间具体是路口停止线之后最长范围内车道全部排满车辆所需的清空时间。
与现有技术相比，本发明通过在交叉口各方向的信号灯杆上设置微波雷达检测器，并将各微波雷达检测器分别连接至终端服务器，终端服务器再连接至交叉口各信号灯，利用微波雷达检测器全面、准确、实时感知交叉口各车道的交通参数，利用终端服务器统一对所有车道的交通参数进行分析处理、并将对应的相位控制信号实时转发给各信号灯，由此实现实时优化控制的目的，避免控制滞后现象的发生；
本发明根据微波雷达检测器检测到的路口各项交通参数，选取反应路口车道运行情况的排队长度、排队数量、车头时距等参数。然后在每个相位开始之前，实时通过车道排队数量和车头时距计算相位的绿灯时间；在相位快结束放行时，通过其他各个车道的排队长度决定当前相位是否继续感应控制以保证个别车辆安全通过路口。即采取排队数量感应和个别车辆感应相结合的方法进行实时单点优化控制，通过排队数量乘以车头时距作为相位绿灯时间进行放行，然后在相位放行到最后感应时间时，根据其他相位对应车道排队情况再决定是否进行单独的车辆感应控制。由此有效地减少车辆二次排队和相位绿灯空放现象，更不会单纯地放行某一个方向而造成其他方向车辆严重排队，通过减少和消除车辆二次排队和相位绿灯空放，可以大大提高城市路口的交通通行效率。
附图说明
图1为本发明的系统结构示意图；
图2为本发明的方法流程示意图；
图中标记说明：1、微波雷达检测器，2、终端服务器，3、交叉口信号灯。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例
如图1所示，一种交叉口交通信号实时优化控制系统，包括安装于交叉口信号灯杆位置的微波雷达检测器1，各微波雷达检测器1对应于交叉口的各个方向，各微波雷达检测器1分别与终端服务器2连接，终端服务器2在分别连接至交叉口各信号灯3，其中，微波雷达检测器1用于获取交叉口各车道的交通参数，并将获取的数据传输给终端服务器2；
终端服务器2则根据交叉口各车道的交通参数，分析得到对应的相位控制信号，并将相位控制信号输出给交叉口信号灯3，以实时控制交叉口信号灯3的工作状态。
本实施例中，微波雷达检测器1的检测范围的宽度可达10条车道，长度可达250米。
将上述系统应用于实际，其具体的交叉口交通信号实时优化控制方法如图2所示，包括以下步骤：
S1、微波雷达检测器实时获取并上传各车道的交通参数给终端服务器，其中，交通参数包括排队长度、排队数量和车头时距；
S2、根据各车道的交通参数，结合预设的控制策略，由终端服务器分析得到对应的相位控制信号，并将该相位控制信号输出给相应的交叉口信号灯，具体的：
S21、根据当前相位各车道的交通参数，若当前相位对应方向没有行人和车辆，则跳过该相位、放行下一相位绿灯；
若当前相位对应方向存在行人或车辆排队，则基于当前相位对应车道的交通参数以及预设的排队长度阈值，分析得到当前相位的放行绿灯时间：首先从当前相位对应各车道的排队长度数据中筛选出最大数值，以作为当前相位对应车道的最大排队长度；
若最大排队长度小于或等于第一预设排队长度阈值，则确定当前相位的放行绿灯时间为设定的最小绿灯时间；
若最大排队长度大于第一预设排队长度阈值、且小于第二预设排队长度阈值，则根据当前车位对应各车道的排队数量以及车头时距的平均值，计算得到当前相位的放行绿灯时间为t＝λ*max(Vehi×ht)，其中，t为当前相位的放行绿灯时间，λ为修正系数，Vehi为当前相位对应各车道的排队数量，ht为当前相位对应各车道的车头时距平均值；
若最大排队长度大于或等于第二预设排队长度阈值，则确定当前相位的放行绿灯时间为设定的最大绿灯时间；
S22、在当前相位的绿灯时间结束时，根据其他相位对应车道的排队长度，分析得到相位之间的放行顺序以及放行绿灯时间，具体的：
S221、若确定当前相位的放行绿灯时间为设定的最大绿灯时间，则在当前相位绿灯时间结束后立即放行下一相位绿灯，否则执行步骤S222；
S222、若其他相位对应某个车道的排队长度大于第二预设排队长度阈值，则立即结束当前相位绿灯时间，直接跳转至其他相位放行绿灯；
若存在多个相位对应车道的排队长度均大于第二预设排队长度阈值，则按照相序以及其他多个相位各自对应的放行绿灯时间(具体为0.6*gmax，其中，gmax为设定的最大绿灯时间)，依次放行其他多个相位；
若没有其他相位对应车道的排队长度大于第二预设排队长度阈值，则执行步骤S223；
S223、检测当前相位对应的车道停止线预设距离位置是否有后续车辆通过，若无后续车辆通过，则立即停止当前相位绿灯，放行下一相位绿灯，否则延长当前相位的单位绿灯时间，之后执行步骤S224；
S224、在当前相位延长单位绿灯时间结束时，结合下一相位对应车道的排队长度以及设定的最大绿灯时间，分析得到当前相位与下一相位之间的放行顺序：
在当前相位延长单位绿灯时间结束时，若下一相位对应的车道排队长度中最大值大于第二预设排队长度阈值，则立即停止当前相位绿灯，放行下一相位绿灯，否则执行步骤判断当前相位绿灯放行时间是否达到设定的最大绿灯时间，若判断为是，则立即停止当前相位绿灯，放行下一相位绿灯，否则返回步骤S221；
S3、交叉口信号灯根据接收的相位控制信号，实时改变工作状态。
本实施例中，最小绿灯时间具体是根据平均行人速度和路口长度计算得到；最大绿灯时间具体是路口停止线之后最长范围内车道全部排满车辆所需的清空时间。
本实施例应用上述系统及对应的方法，首先根据交叉口渠化设置和车流量情况，预先设置合适的信号放行相位；并确定微波雷达检测器每秒上传各车道排队数据(排队长度、队首、队尾、排队数量)；再设定某相位对应的各车道的排队数量为Vehi，平均车头时距为ht，平均车头时距应实测，若无实测数据时，可按车道饱和流量估算，取2.3秒/辆，记该相位的估算绿灯放行时间为t0，可得：
t0＝λ*max(Vehi×ht)
其中，λ是修正系数。
之后确定各基本控制参数，包括：最小绿灯时间gmin——由行人安全过街时间计算得到，具体是在路口进行实际测量，基于行人平均行走速度来确定过街时间，这个时间就是最小绿灯时间；
最大绿灯时间gmax——路口停止线后最长范围内单个车道全部排满车辆(即最大排队长度)、将这些车辆全部清空所需的时间；
单位绿灯延长时间g0；
检测区域内的各车道排队长度Li和排队数量Vehi(单位：辆)，排队长度取其最大值，假设为L(单位：m)。
最后依据以下控制策略进行交叉口交通信号实时优化控制：
1)当前相位绿灯放行之前，检测对应车道排队情况(排队长度Li、排队数量Vehi)，根据排队情况，确定放行策略和相位绿灯放行时间；
2)当前相位不含行人且当前相位无车到达，可跳过该相位放行下一相位绿灯；
3)当前相位含行人或有车辆排队，则当前相位放行绿灯时间t；记当前相位对应车道的最大排队长度为L；①若L≤L1，则t＝gmin；②若L1＜Li＜L2，则t＝t0；③若Li≥L2，则t＝gmax.其中L1和L2可根据路口的实际情况确定，本实施例中，L1取30m，L2取100m；
4)①和②情况下，相位绿灯时间即将结束，检测其他相位对应的车道是否存在排队过长的情况；③情况下，相位绿灯时间结束后立即放行下一相位绿灯；
5)若检测到某车道有排队过长的情况，则不管当前相位是否有后续车辆到达，应立即结束当前相位绿灯时间，直接跳到有长排队车道对应的相位放行绿灯；如果某车道的排队长度Li超过L2，则可确定该车道存在排队过长情况；
6)若检测到多个相位出现排队过长的情况，则按照相序依次放行检测到的排队过长车道对应的相位绿灯，放行绿灯时间t＝0.6*gmax，至各车道排队过长情况结束；
7)若其他相位无排队过长的情况，则检测当前相位对应的车道停止线30m处是否有后续车辆通过；若后续无车辆通过，则立即停止当前相位绿灯，放行下一相位绿灯；若后续有车辆通过执行感应控制，则延长单位绿灯时间g0；
8)当前相位延长单位绿灯时间即将结束时，检测下一相位对应车道的排队长度；若下一相位对应的车道排队长度中最大值大于L2，则立即停止当前相位绿灯，放行下一相位绿灯；否则，判断当前相位绿灯放行时间是否达到最大绿灯时间gmax；
9)若当前相位绿灯放行时间达到最大绿灯时间gmax，则立即停止当前相位绿灯，放行下一相位绿灯；否则，跳转4)。
综上所述，本发明提出一种基于微波雷达检测器感知车辆排队长度、采取排队数量感应和个别车辆感应相结合的方式、以进行实时单点优化控制的技术方案，通过排队数量乘以车头时距作为相位绿灯时间进行放行，然后在相位放行到最后感应时间时，根据其他相位对应车道排队情况再决定是否进行单独的车辆感应控制。相比目前现有的单纯车辆感应控制、通过上个或几个周期车流量预测并调整下个周期相位绿灯时间这两种控制方法，本发明在相位时间内清空排队的车辆和减少相位绿灯时间空放方面都得到了很大的提高，经过实地验证测试，不会造成车辆二次排队和空等空放现象，更不会单纯地放行某一个方向而造成其他方向车辆严重排队，能有效地提高交叉口的交通通行效率。

Claims (3)

1.一种交叉口交通信号实时优化控制系统，其特征在于，包括安装于交叉口信号灯(3)杆位置的微波雷达检测器(1)，所述微波雷达检测器(1)与终端服务器(2)连接，所述终端服务器(2)连接至交叉口信号灯(3)，所述微波雷达检测器(1)用于获取交叉口各车道的交通参数，并将获取的数据传输给终端服务器(2)；
所述终端服务器(2)根据交叉口各车道的交通参数，分析得到对应的相位控制信号，并将相位控制信号输出给交叉口信号灯(3)，以实时控制交叉口信号灯(3)的工作状态；
应用上述交叉口交通信号实时优化控制系统，实现一种交叉口交通信号实时优化控制方法，包括以下步骤：
S1、微波雷达检测器实时获取并上传各车道的交通参数给终端服务器，其中，交通参数包括排队长度、排队数量和车头时距；
S2、根据各车道的交通参数，结合预设的控制策略，由终端服务器分析得到对应的相位控制信号，并将该相位控制信号输出给相应的交叉口信号灯；
S3、交叉口信号灯根据接收的相位控制信号，实时改变工作状态；
步骤S2具体包括以下步骤：
S21、根据当前相位各车道的交通参数，若当前相位对应方向没有行人和车辆，则跳过该相位、放行下一相位绿灯；
若当前相位对应方向存在行人或车辆排队，则基于当前相位对应车道的交通参数以及预设的排队长度阈值，分析得到当前相位的放行绿灯时间；
S22、在当前相位的绿灯时间结束时，根据其他相位对应车道的排队长度，分析得到相位之间的放行顺序以及放行绿灯时间；
步骤S21中分析得到当前相位的放行绿灯时间的具体过程为：
S211、从当前相位对应各车道的排队长度数据中筛选出最大数值，以作为当前相位对应车道的最大排队长度；
S212、若最大排队长度小于或等于第一预设排队长度阈值，则确定当前相位的放行绿灯时间为设定的最小绿灯时间；
若最大排队长度大于第一预设排队长度阈值、且小于第二预设排队长度阈值，则根据当前车位对应各车道的排队数量以及车头时距的平均值，计算得到当前相位的放行绿灯时间：
t＝λ*max(Vehi×ht)
其中，t为当前相位的放行绿灯时间，λ为修正系数，Vehi为当前相位对应各车道的排队数量，ht为当前相位对应各车道的车头时距平均值；
若最大排队长度大于或等于第二预设排队长度阈值，则确定当前相位的放行绿灯时间为设定的最大绿灯时间；
步骤S22具体包括以下步骤：
S221、若确定当前相位的放行绿灯时间为设定的最大绿灯时间，则在当前相位绿灯时间结束后立即放行下一相位绿灯，否则执行步骤S222；
S222、若其他相位对应某个车道的排队长度大于第二预设排队长度阈值，则立即结束当前相位绿灯时间，直接跳转至其他相位放行绿灯；
若存在多个相位对应车道的排队长度均大于第二预设排队长度阈值，则按照相序以及其他多个相位对应的放行绿灯时间，依次放行其他多个相位；
若没有其他相位对应车道的排队长度大于第二预设排队长度阈值，则执行步骤S223；
所述其他多个相位各自对应的放行绿灯时间具体为0.6*gmax，其中，gmax为设定的最大绿灯时间；
S223、检测当前相位对应的车道停止线预设距离位置是否有后续车辆通过，若无后续车辆通过，则立即停止当前相位绿灯，放行下一相位绿灯，否则延长当前相位的单位绿灯时间，之后执行步骤S224；
S224、在当前相位延长单位绿灯时间结束时，结合下一相位对应车道的排队长度以及设定的最大绿灯时间，分析得到当前相位与下一相位之间的放行顺序；
步骤S224具体包括以下步骤：
S2241、在当前相位延长单位绿灯时间结束时，若下一相位对应的车道排队长度中最大值大于第二预设排队长度阈值，则立即停止当前相位绿灯，放行下一相位绿灯，否则执行步骤S2242；
S2242、判断当前相位绿灯放行时间是否达到设定的最大绿灯时间，若判断为是，则立即停止当前相位绿灯，放行下一相位绿灯，否则返回步骤S221。
2.根据权利要求1所述的一种交叉口交通信号实时优化控制系统，其特征在于，所述最小绿灯时间具体是根据平均行人速度和路口长度计算得到。
3.根据权利要求1所述的一种交叉口交通信号实时优化控制系统，其特征在于，所述最大绿灯时间具体是路口停止线之后最长范围内车道全部排满车辆所需的清空时间。
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