CN116935665B - 用于货物运输的交通控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了用于货物运输的交通控制系统，包括数据采集模块、交通评估模块、拥堵控制模块和交通信号优化模块。本发明属于智能交通领域，具体是指采用对交通情况定量评估，综合考虑车辆横纵向距离，道路权重、长度多个因素分析道路评估状态，构造拥堵等级提示，优化信标传输提高效率和可靠性，从而提高交通效率和安全性；综合考虑多种因素，基于信号周期和损失时间控制交通流量，提高通行效率，基于车道通行能力实时调整信号配时方案，提高灵活性，基于目标函数使得交叉口车辆平均延误最小化，提高整体交通效率和服务水平。

Description

用于货物运输的交通控制系统

技术领域

本发明属于智能交通领域，具体是用于货物运输的交通控制系统。

背景技术

交通控制系统是用于管理和优化交通流的系统，旨在提高交通效率、减少拥堵和事故，并提供更安全、便捷的出行环境，随着城市化进程的加快和车辆数量的增加，交通控制系统变得越来越重要。但是传统交通拥堵控制方法存在依赖静态数据导致无法准确反映实时交通状况变化，简化模型导致忽略车辆特性从而降低评估结果准确性，无法处理复杂情况的问题；传统交通配时方案存在无实时数据支持导致配时方案精确性低，缺乏交叉口协调导致拥堵，缺乏灵活性导致交通恢复时间长的问题。

发明内容

针对上述情况，为克服现有技术的缺陷，本发明提供了一种用于货物运输的交通控制系统，针对传统交通拥堵控制方法存在依赖静态数据导致无法准确反映实时交通状况变化，简化模型导致忽略车辆特性从而降低评估结果准确性，无法处理复杂情况的问题，本方案综合考虑车辆横纵向距离，道路权重、长度多个因素对交通情况定量评估，构造拥堵等级提示，优化信标传输提高效率和可靠性，从而提高交通效率和安全性；针对传统交通配时方案存在无实时数据支持导致配时方案精确性低，缺乏交叉口协调导致拥堵，缺乏灵活性导致交通恢复时间长的问题，本方案采用综合考虑多种因素，基于信号周期和损失时间控制交通流量，提高通行效率，基于车道通行能力实时调整信号配时方案，提高灵活性，基于目标函数使得交叉口车辆平均延误最小化，提高整体交通效率和服务水平。

本发明提供的一种用于货物运输的交通控制系统，包括数据采集模块、交通评估模块、拥堵控制模块和交通信号优化模块；

所述数据采集模块采集车辆数据、道路数据和信标数据；

所述交通评估模块综合考虑车辆横纵向距离，道路权重、长度多个因素对交通情况定量评估；

所述拥堵控制模块基于道路状态评估采取拥堵控制措施，通过构造拥堵等级指示，优化信标传输以控制拥堵情况，确保网络正常运行；

所述交通信号优化模块通过计算车道流量比率、信号周期、车道通行能力、车道饱和度、车道内车辆排队长度和平均延误，基于最小化目标函数得到交叉口的最佳信号配时方案。

进一步地，所述交通评估模块具体包括以下内容：

定义瓶颈状态σ，表示如下：

；

式中，x是车辆索引，m是车辆数量，D_x是车辆之间的横向距离，B_x是路径权重，B_r是道路权值；

定义事故状态ρ，表示如下：

；

式中，R_l（x）是道路长度，V_x是车辆长度；

计算车辆通行时间，所用公式如下：

；

式中，T_path是车辆行驶的路径，T_total是所有可用路径，x1是道路索引，y1是路径索引，n1是道路总数，n2是路径总数；

计算燃油使用率G_c，所用公式如下：

；

式中，Q_y是每小时发动机燃油使用量，U_x是限速；

道路状态评估，具体如下：

道路评估状态1：当道路容量小于等于通过该道路的车辆数量，会发生网络拥堵，表示如下：

；

式中，S_TEA是交通评估区的评估状态，V_ω是车辆宽度；

道路评估状态2：由于交通拥挤，整条路径都是单车道的车辆，表示如下：

；

式中，v_l是车辆长度，D_y是车辆之间纵向距离；

道路评估状态3：当预计的车辆通行时间小于实际通行时间时，道路评估状态为交通拥挤，表示如下：

；

式中，是车辆实际通行时间。

进一步地，所述拥堵控制模块具体包括以下内容：

通过获取车辆在各路径下通过时间确定路径评估状态，计算评估总时间P和道路可用带宽BW_av，所用公式如下：

；

；

式中，P_tr是传输时间，P_rc是接收时间，P_no是噪声时间，P_id是空转时间，C_C是数据传输；

构造拥堵等级指示，表示为：

；

式中，BW_c是道路带宽；

拥堵控制，当车辆密集度较低，车速较快时，发送的信号频率越高，提供车辆状态数据的速度越快，当车流量密度较大，车速适中时，车况发生缓慢，通过降低信标频率以掌握邻近车辆的状况数据；

规范信标的规律性，传输信标频率为fr，信号有效接收率为bc_ss，计算安全接收n个信标的概率Pr_n，所用公式如下：

；

式中，是带频率的信道容量，是成功接收的信号，x3是信标索引；

当可用的通道数量不能够支持车辆交通强度，调整传输功率使bc_ss满足Pr_n；

当车辆交通密度持续增加，bc_ss无法再削减信标频率时，进行传输恢复，并采用流控制来确保网络保持正常运行，防止拥堵。

进一步地，所述交通信号优化模块具体包括以下内容：

计算各车道流量比率，所用公式如下：

；

；

；

式中，y_j，l是左转车道流量比率，y_j，v是可变引导车道流量比率，y_j，sr是直行右转车道的流量比率；S_j，l是左转车道饱和流量，S_j，v是可变引导车道饱和流量，S_j，sr是直行右转车道饱和流量，q_j，l是左转车道实际车辆到达率，q_j，sr是直行右转车道的实际车辆到达率，d_j是变道引导车辆数量；

计算信号周期C，所用公式如下：

；

；

；

式中，l_i为i阶段损失时间，Y是交叉口的总流量比率，L是交叉口总损失时间，y_i是i阶段流量比率；

计算各车道通行能力，所用公式如下：

；

；

；

式中，Q_j，l是左转车道通行能力，Q_j，v是可变引导车道通行能力，Q_j，sr是直行右转车道通行能力；

计算车道饱和度，由于可变引导车道的设置，每个入口车道在对应车道上的每个转弯方向的饱和度都会发生相应的变化，具体计算如下：

；

；

；

式中，x_j，l是交叉口入口j左转车道的饱和度，x_j，v是可变引导车道的饱和度，x_j，sr是直行右转车道的饱和度，q_j，l是左转车道实际车辆到达率，q_j，sr是直行右转车道的实际车辆到达率；

计算车道内车辆排队长度和平均延误，当车道饱和度不同，车道内信号周期中最长的队列长度N_j，k和平均延误D_j，k的计算也不同，具体如下：

当x_j，k≤x₀≤1，公式如下：

；

；

式中，x_j，k是交叉口j入口k车道的车道饱和度；x₀是过饱和队列长度的初始饱和度，q_j，k是车辆到达率，r_j，k是交叉口j入口k车道的红灯时间，Q_j，k是交叉口j入口k车道的通行能力，J为车辆长度，v_j，k是车辆平均车速；

当x₀≤x_jk≤1，公式如下：

；

；

式中，T是学习周期；

当1<x₀<x_j，k，公式如下：

；

；

计算过饱和队列长度N₀，所用公式如下：

；

计算均匀相位队列长度N_u，所用公式如下：

；

计算信号周期中最长的队列长度N_j，k，所用公式如下：

；

式中，N_u是均匀相位队列长度，N₀是过饱和队列长度，q_j，k是车辆到达率；

计算目标函数，每条车道的通行效率影响着整个交叉口的服务水平，因此目标函数是使交叉口第j个入口第k条车道车辆的平均延误D_j，k最小，所用公式如下：

；

通过目标函数得到交叉口的最佳信号配时方案。

采用上述方案本发明取得的有益效果如下：

（1）针对传统交通拥堵控制方法存在依赖静态数据导致无法准确反映实时交通状况变化，简化模型导致忽略车辆特性从而降低评估结果准确性，无法处理复杂情况的问题，本方案综合考虑车辆横纵向距离，道路权重、长度多个因素对交通情况定量评估，构造拥堵等级提示，优化信标传输提高效率和可靠性，从而提高交通效率和安全性；

（2）针对传统交通配时方案存在无实时数据支持导致配时方案精确性低，缺乏交叉口协调导致拥堵，缺乏灵活性导致交通恢复时间长的问题，本方案采用综合考虑多种因素，基于信号周期和损失时间控制交通流量，提高通行效率，基于车道通行能力实时调整信号配时方案，提高灵活性，基于目标函数使得交叉口车辆平均延误最小化，提高整体交通效率和服务水平。

附图说明

图1为本发明提供的一种用于货物运输的交通控制系统的示意图；

图2为交通评估模块的示意图；

图3为拥堵控制模块的示意图；

图4为交通信号优化模块的示意图。

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

实施例一，参阅图1，本发明提供的一种用于货物运输的交通控制系统，包括数据采集模块、交通评估模块、拥堵控制模块和交通信号优化模块；

所述数据采集模块采集车辆数据、道路数据和信标数据；

所述交通评估模块综合考虑车辆横纵向距离，道路权重、长度多个因素对交通情况定量评估；

所述拥堵控制模块基于道路状态评估采取拥堵控制措施，通过构造拥堵等级指示，优化信标传输以控制拥堵情况，确保网络正常运行；

所述交通信号优化模块通过计算车道流量比率、信号周期、车道通行能力、车道饱和度、车道内车辆排队长度和平均延误，基于最小化目标函数得到交叉口的最佳信号配时方案。

实施例二，参阅图1和图2，该实施例基于上述实施例，交通评估模块具体包括以下内容：

定义瓶颈状态σ，表示如下：

；

式中，x是车辆索引，m是车辆数量，D_x是车辆之间的横向距离，B_x是路径权重，B_r是道路权值；

定义事故状态ρ，表示如下：

；

式中，R_l（x）是道路长度，V_x是车辆长度；

计算车辆通行时间，所用公式如下：

；

式中，T_path是车辆行驶的路径，T_total是所有可用路径，x1是道路索引，y1是路径索引，n1是道路总数，n2是路径总数；

计算燃油使用率G_c，所用公式如下：

；

式中，Q_y是每小时发动机燃油使用量，U_x是限速；

道路状态评估，具体如下：

道路评估状态1：当道路容量小于等于通过该道路的车辆数量，会发生网络拥堵，表示如下：

；

式中，S_TEA是交通评估区的评估状态，V_ω是车辆宽度；

道路评估状态2：由于交通拥挤，整条路径都是单车道的车辆，表示如下：

；

式中，v_l是车辆长度，D_y是车辆之间纵向距离；

道路评估状态3：当预计的车辆通行时间小于实际通行时间时，道路评估状态为交通拥挤，表示如下：

；

式中，是车辆实际通行时间。

实施例三，参阅图1和图3，该实施例基于上述实施例，拥堵控制模块具体包括以下内容：

通过获取车辆在各路径下通过时间确定路径评估状态，计算评估总时间P和道路可用带宽BW_av，所用公式如下：

；

；

式中，P_tr是传输时间，P_rc是接收时间，P_no是噪声时间，P_id是空转时间，C_C是数据传输；

构造拥堵等级指示，表示为：

；

式中，BW_c是道路带宽；

拥堵控制，当车辆密集度较低，车速较快时，发送的信号频率越高，提供车辆状态数据的速度越快，当车流量密度较大，车速适中时，车况发生缓慢，通过降低信标频率以掌握邻近车辆的状况数据；

规范信标的规律性，传输信标频率为fr，信号有效接收率为bc_ss，计算安全接收n个信标的概率Pr_n，所用公式如下：

；

式中，是带频率的信道容量，是成功接收的信号，x3是信标索引；

当可用的通道数量不能够支持车辆交通强度，调整传输功率使bc_ss满足Pr_n；

当车辆交通密度持续增加，bc_ss无法再削减信标频率时，进行传输恢复，并采用流控制来确保网络保持正常运行，防止拥堵。

通过执行上述操作，针对传统交通拥堵控制方法存在依赖静态数据导致无法准确反映实时交通状况变化，简化模型导致忽略车辆特性从而降低评估结果准确性，无法处理复杂情况的问题，本方案综合考虑车辆横纵向距离，道路权重、长度多个因素对交通情况定量评估，构造拥堵等级提示，优化信标传输提高效率和可靠性，从而提高交通效率和安全性。

实施例四，参阅图1和图4，交通信号优化模块具体包括以下内容：

计算各车道流量比率，所用公式如下：

；

；

；

式中，y_j，l是左转车道流量比率，y_j，v是可变引导车道流量比率，y_j，sr是直行右转车道的流量比率；S_j，l是左转车道饱和流量，S_j，v是可变引导车道饱和流量，S_j，sr是直行右转车道饱和流量，q_j，l是左转车道实际车辆到达率，q_j，sr是直行右转车道的实际车辆到达率，d_j是变道引导车辆数量；

计算信号周期C，所用公式如下：

；

；

；

式中，l_i为i阶段损失时间，Y是交叉口的总流量比率，L是交叉口总损失时间，y_i是i阶段流量比率；

计算各车道通行能力，所用公式如下：

；

；

；

式中，Q_j，l是左转车道通行能力，Q_j，v是可变引导车道通行能力，Q_j，sr是直行右转车道通行能力；

计算车道饱和度，由于可变引导车道的设置，每个入口车道在对应车道上的每个转弯方向的饱和度都会发生相应的变化，具体计算如下：

；

；

；

式中，x_j，l是交叉口入口j左转车道的饱和度，x_j，v是可变引导车道的饱和度，x_j，sr是直行右转车道的饱和度，q_j，l是左转车道实际车辆到达率，q_j，sr是直行右转车道的实际车辆到达率；

计算车道内车辆排队长度和平均延误，当车道饱和度不同，车道内信号周期中最长的队列长度N_j，k和平均延误D_j，k的计算也不同，具体如下：

当x_j，k≤x₀≤1，公式如下：

；

；

式中，x_j，k是交叉口j入口k车道的车道饱和度；x₀是过饱和队列长度的初始饱和度，q_j，k是车辆到达率，r_j，k是交叉口j入口k车道的红灯时间，Q_j，k是交叉口j入口k车道的通行能力，J为车辆长度，v_j，k是车辆平均车速；

当x₀≤x_jk≤1，公式如下：

；

；

式中，T是学习周期；

当1<x₀<x_j，k，公式如下：

；

；

计算过饱和队列长度N₀，所用公式如下：

；

计算均匀相位队列长度N_u，所用公式如下：

；

计算信号周期中最长的队列长度N_j，k，所用公式如下：

；

式中，N_u是均匀相位队列长度，N₀是过饱和队列长度，q_j，k是车辆到达率；

计算目标函数，每条车道的通行效率影响着整个交叉口的服务水平，因此目标函数是使交叉口第j个入口第k条车道车辆的平均延误D_j，k最小，所用公式如下：

；

通过目标函数得到交叉口的最佳信号配时方案。

通过执行上述操作，针对传统交通配时方案存在无实时数据支持导致配时方案精确性低，缺乏交叉口协调导致拥堵，缺乏灵活性导致交通恢复时间长的问题，本方案采用综合考虑多种因素，基于信号周期和损失时间控制交通流量，提高通行效率，基于车道通行能力实时调整信号配时方案，提高灵活性，基于目标函数使得交叉口车辆平均延误最小化，提高整体交通效率和服务水平。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

以上对本发明及其实施方式进行了描述，这种描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。总而言之如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.用于货物运输的交通控制系统，其特征在于：包括数据采集模块、交通评估模块、拥堵控制模块和交通信号优化模块；

所述数据采集模块采集车辆数据、道路数据和信标数据；

所述交通评估模块综合考虑车辆横纵向距离，道路权重、长度多个因素对交通情况定量评估；

所述拥堵控制模块基于道路状态评估采取拥堵控制措施，通过构造拥堵等级指示，优化信标传输以控制拥堵情况，确保网络正常运行；

所述交通信号优化模块通过计算车道流量比率、信号周期、车道通行能力、车道饱和度、车道内车辆排队长度和平均延误，基于最小化目标函数得到交叉口的最佳信号配时方案；

所述交通评估模块具体包括以下内容：

定义瓶颈状态σ，表示如下：

；

式中，x是车辆索引，m是车辆数量，D_x是车辆之间的横向距离，B_x是路径权重，B_r是道路权值；

定义事故状态ρ，表示如下：

；

式中，R_l（x）是道路长度，V_x是车辆长度；

计算车辆通行时间，所用公式如下：

；

式中，T_path是车辆行驶的路径，T_total是所有可用路径，x1是道路索引，y1是路径索引，n1是道路总数，n2是路径总数；

道路状态评估，具体如下：

道路评估状态1：当道路容量小于等于通过该道路的车辆数量，会发生网络拥堵，表示如下：

；

式中，S_TEA是交通评估区的评估状态，V_ω是车辆宽度；

道路评估状态2：由于交通拥挤，整条路径都是单车道的车辆，表示如下：

；

式中，v_l是车辆长度，D_y是车辆之间纵向距离；

道路评估状态3：当预计的车辆通行时间小于实际通行时间时，道路评估状态为交通拥挤，表示如下：

；

式中，是车辆实际通行时间；

所述拥堵控制模块具体包括以下内容：

通过获取车辆在各路径下通过时间确定路径评估状态，计算评估总时间P和道路可用带宽BW_av，所用公式如下：

；

；

式中，P_tr是传输时间，P_rc是接收时间，P_no是噪声时间，P_id是空转时间，C_C是数据传输；

构造拥堵等级指示，表示为：

；

式中，BW_c是道路带宽；

拥堵控制，当车辆密集度较低，车速较快时，发送的信号频率越高，提供车辆状态数据的速度越快，当车流量密度较大，车速适中时，车况发生缓慢，通过降低信标频率以掌握邻近车辆的状况数据；

规范信标的规律性，传输信标频率为fr，信号有效接收率为bc_ss，计算安全接收n个信标的概率Pr_n，所用公式如下：

；

式中，是带频率的信道容量，/>是成功接收的信号，x3是信标索引；

当可用的通道数量不能够支持车辆交通强度，调整传输功率使bc_ss满足Pr_n；

当车辆交通密度持续增加，bc_ss无法再削减信标频率时，进行传输恢复，并采用流控制来确保网络保持正常运行，防止拥堵。

2.根据权利要求1所述的用于货物运输的交通控制系统，其特征在于：所述交通信号优化模块具体包括以下内容：

计算各车道流量比率，所用公式如下：

；

；

；

式中，y_j，l是左转车道流量比率，y_j，v是可变引导车道流量比率，y_j，sr是直行右转车道的流量比率；S_j，l是左转车道饱和流量，S_j，v是可变引导车道饱和流量，S_j，sr是直行右转车道饱和流量，q_j，l是左转车道实际车辆到达率，q_j，sr是直行右转车道的实际车辆到达率，d_j是变道引导车辆数量；

计算信号周期C，所用公式如下：

；

；

；

式中，l_i为i阶段损失时间，Y是交叉口的总流量比率，L是交叉口总损失时间，y_i是i阶段流量比率；

计算各车道通行能力，所用公式如下：

；

；

；

式中，Q_j，l是左转车道通行能力，Q_j，v是可变引导车道通行能力，Q_j，sr是直行右转车道通行能力；

计算车道饱和度，由于可变引导车道的设置，每个入口车道在对应车道上的每个转弯方向的饱和度都会发生相应的变化，具体计算如下：

；

；

；

式中，x_j，l是交叉口入口j左转车道的饱和度，x_j，v是可变引导车道的饱和度，x_j，sr是直行右转车道的饱和度，q_j，l是左转车道实际车辆到达率，q_j，sr是直行右转车道的实际车辆到达率；

计算车道内车辆排队长度和平均延误，当车道饱和度不同，车道内信号周期中最长的队列长度N_j，k和平均延误D_j，k的计算也不同，具体如下：

当x_j，k≤x₀≤1，公式如下：

；

；

式中，x_j，k是交叉口j入口k车道的车道饱和度；x₀是过饱和队列长度的初始饱和度，q_j，k是车辆到达率，r_j，k是交叉口j入口k车道的红灯时间，Q_j，k是交叉口j入口k车道的通行能力，J为车辆长度，v_j，k是车辆平均车速；

当x₀≤x_jk≤1，公式如下：

；

；

式中，T是学习周期；

当1<x₀<x_j，k，公式如下：

；

；

计算过饱和队列长度N₀，所用公式如下：

；

计算均匀相位队列长度N_u，所用公式如下：

；

计算信号周期中最长的队列长度N_j，k，所用公式如下：

；

式中，N_u是均匀相位队列长度，N₀是过饱和队列长度，q_j，k是车辆到达率；

计算目标函数，每条车道的通行效率影响着整个交叉口的服务水平，因此目标函数是使交叉口第j个入口第k条车道车辆的平均延误D_j，k最小，所用公式如下：

；

通过目标函数得到交叉口的最佳信号配时方案。