CN1710626A - 分布式四级结构交通信号控制系统 - Google Patents

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Abstract

分布式四级结构交通信号控制系统，涉及应用在区域道路路网的一种分布式四级结构交通信号控制系统及方法。按照本发明所提供的设计方案，分布式四级结构交通信号控制系统包括中央控制级、区域控制级、关键路口控制级，其特征是：在关键路口控制级下面设置路口控制级或增设虚拟路口控制级；其中，中央控制级是一级控制，主要设备是中央控制机；区域控制级是第二级控制，主要设备是区域控制机，负责协调控制关键路口控制机；关键路口控制级是第三级控制，主要设备是关键路口控制机，负责协调路口控制机或虚拟路口控制机；路口控制级或虚拟路口控制级是第四级控制，主要设备是路口控制机，负责控制路口交通信号灯的亮或灭，并且，虚拟路口控制机仅在软件逻辑上存在，在物理上是不存在的。

Description

分布式四级结构交通信号控制系统
技术领域
本发明专利涉及应用在区域道路路网的一种分布式四级结构交通信号控制系统及方法。
背景技术
目前，区域道路路网的交通信号协调控制普遍采用集中式二级结构或半分布式三级结构的交通信号控制系统。其中，集中式二级结构交通信号控制系统的典型代表是英国的SCOOT系统，控制结构如图1所示。系统分成中央控制和路口控制二级控制。中央控制级的主要设备是中央控制机，路口控制级的主要设备是路口控制机，路口控制机通过光纤或电缆通信信道直接连接到中心控制机。中心控制机根据各个路口控制机所上传的车辆到达信息、采用数据模型及优化算法、最终优化得到一个新的控制方案(包括信号周期长度、绿灯时比和绿灯起步时差)来生成各路口信号灯亮灭时间，分别下送至相应的路口控制机，通过路口控制机来控制路口交通信号灯的亮灭。该系统的中心控制机需要处理大量的车辆到达信息，并进行繁重的交通控制方案的优化计算、通信控制和操作设置工作，中心控制机是整个系统的核心单元，承担的工作任务艰巨。
应用在大中型城市交通信号控制时，集中式控制结构系统往往需要同时协调控制上百个甚至上千个路口控制机，系统的中心控制机将承担十分繁重的计算工作，势必要求中心控制机不仅要具备很高的计算速度而且还要具备很大的存储容量，并要求众多连接中心控制机和路口控制机的通信信道不仅需要较高的通信频率而且需要较高的通信质量，只有这样才能保证系统的正常运行。一旦中心控制机发生故障，整个系统就会瘫焕。这种结构的系统对硬件环境和通信信道的要求都很高，要求的设备投入和通信成本都很高。
半分布式三级结构交通信号控制系统的典型代表是澳大利亚的SCATS系统，控制结构如图2所示。系统分成中央控制、区域控制和路口控制三级控制。中央控制级是最高级控制级，路口控制级是最低级控制级。中央控制级的主要设备是中央控制机，区域控制级的主要设备是区域控制机，路口控制级的主要设备是路口控制机。区域控制机既可以与中央控制机设在同一个地方，也可以分设在不同的地方，在地理上存在一定的分布性。
路口控制机是安装于室外路口的专用设备，它对路口各方向的所有信号灯的亮灭进行控制，同时采集处理路口各个入口的车辆到达信息。区域控制机和中央控制机是室内设备，它们都是安装了系统控制软件的高档计算机。区域控制机可连接多达250台路口控制机，区域控制机主要完成交通控制功能，它基于其所连的各个路口控制机上传的车辆到达信息优化得到各路口的交通控制方案(包括周期长度、绿灯时比和绿灯起步时差)来生成各路口交通信号灯亮灭时间，分别下发至相应的路口控制机，通过路口控制机来控制路口交通信号灯的亮灭。
中央控制机是执行管理任务的计算机，可连接多达64台区域控制机，它维护系统的数据库，记录各个区域控制机及路口控制机上传的运行配置、运行状态、车辆达到信息等各类信息，供交通管理人员分析决策。在通讯连接的方式上，区域控制机与路口控制机间根据实际应用情况可采用串口、网络，传输媒体可以是电话线、光纤。中央控制机与区域控制机采用网络相连，通讯速度更快，数据量也更大。
这种半分布式控制结构系统的中心控制机和区域控制机虽然在任务上有所分担，但区域控制机仍需要同时协调控制数十个甚至上百个路口控制机，区域控制机不仅需要集中分析和处理大量的车辆到达信息，而且还需要进行大量的优化计算工作来动态确定周期长度、绿灯时比和绿灯起步时差这些控制参数，对区域控制机的实时处理速度和工作要求仍然较大，对硬件环境及通信线路的要求较高，设备投资和通信成本仍较高。
发明内容
本发明的目的在于寻求一种分布式四级结构交通信号控制系统，不仅可降低交通信号控制系统的建设和维护成本，而且还可实现对道路网络更为有效的交通信号协调控制。
按照本发明所提供的设计方案，分布式四级结构交通信号控制系统包括中央控制级、区域控制级、关键路口控制级其特征是：在关键路口控制级下面设置路口控制级或增设虚拟路口控制级；其中，中央控制级是一级控制，主要设备是中央控制机，设置在城市交通控制中心，负责协调控制区域控制机；区域控制级是第二级控制，主要设备是区域控制机，设置在城市交通控制中心或分中心，负责协调控制关键路口控制机；关键路口控制级是第三级控制，主要设备是关键路口控制机，设置在预先确定的关键的道路交叉路口，负责协调路口控制机或虚拟路口控制机；路口控制级或虚拟路口控制级是第四级控制，主要设备是路口控制机，设置在道路交叉路口，负责控制路口交通信号灯的亮或灭，并且，虚拟路口控制机仅在软件逻辑上存在，在物理上是不存在的。
中央控制机通过光纤或电缆通信信道连接多达48个区域控制机，每个区域控制机通过光纤或电缆通信信道连接多达48个关键路口控制机，每个关键路口控制机通过电缆通信信道连接位于关键路口周边或位于同一条主干道路上的多达10个路口控制机或虚拟路口控制机，每个路口控制机或虚拟路口控制机负责点亮或熄灭与其连接的多个交通信号灯。选择一个中央控制机控制多达48个区域控制机，每个区域控制机控制多达48个关键路口控制机主要是基于控制机的计算处理能力、存储容量与投资成本的均衡考虑，在这种要求下中央控制机或区域控制机只需选用CPU是P4或以上的PC服务器就能胜任工作，可大大降低设备投资成本。选择一个关键路口控制机控制多达10个路口控制机或虚拟路口控制机是主要基于以下两点考虑：1、关键路口信号机的控制核心单元是工业控制计算机，在这种要求下只需选用目前物美价廉的PC/104工业控制计算机就能胜任工作，不仅控制了成本，而且有很强的运行可靠性；2、关键路口信号机控制多于10个以上路口控制机或虚拟路口信号机时，不仅协调控制效果难于保障，而且通信信道建设成本较高。
当关键路口控制机所要控制的周边路口与关键路口的间距不超过100米时，在这些路口不设路口控制机，把安装在这些路口的信号灯通过控制电缆直接连接到关键路口控制机，当不设路口控制机时，关键路口控制机的内置软件系统在逻辑上仍为这些路口设立虚拟路口控制机，关键路口控制机通过这些在物理上并不存在但在软件逻辑上却存在的虚拟路口控制机来点亮或熄灭这些路口的信号灯。
路口控制机或虚拟路口控制机基于关键路口下发的信号周期、绿灯起步时差，由其内置的控制软件优化得到本路口的绿灯时比后，生成路口信号灯的亮灭时间，控制各方向所有信号灯的亮灭，同时采集处理本路口各个方向的车辆到达信息，形成初级信息上传给关键路口控制机。
关键路口控制机基于区域控制机下发的周期长度变化范围和路口控制机或虚拟路口控制机上传的初级信息，由其内置的控制软件优化得到本关键路口控制机所连接的各个路口的周期长度和绿灯起步时差，同时对各个路口控制机或虚拟路口控制机上传的初级信息进行汇总处理形成中级信息后上传给区域控制机。
区域控制机和中央控制机是室内设备，区域控制机内置控制软件，主要完成协调控制和数据处理功能，它基于其所连接的各个关键路口控制机上传的中级信息来宏观地确定各个关键路口控制机的周期长度的变化范围，同时对各个关键路口控制机上传的中级信息进行汇总处理形成高级信息。
中央控制机是执行管理任务的计算机，它维护系统的数据库，记录和存储管理各个区域控制机及各个关键路口控制机的运行配置、运行状态和各个区域控制机上传的高级信息，供交通管理人员分析决策。
本发明公开的是一种全分布式四级控制结构的交通信号控制系统，首先它在物理结构上是分散的，中央控制级和区域控制级设在室内的同一个地方或不同的地方，关键路口控制级和路口控制级设在室外不同的地方；其次在功能作用上也是分布的，中央控制机完成执行管理任务，区域控制机完成宏观协调控制关键路口控制机的任务，关键路口控制机完成交通控制参数周期长度和绿灯起步时差的优化计算工作，路口控制机完成交通控制参数绿灯时比的优化计算工作，系统的总体工作量更加均衡地分配给了中央控制机、区域控制机、关键路口控制机和路口控制机。
本发明与已有技术相比具有，1、系统采用分布式控制和分散式信息处理、优化计算，对中央控制机、区域控制机、关键路口控制机和路口控制机的计算能力和计算容量要求都较低，可明显节省设备投入成本。2、路口控制机就近与关键路口控制机进行通信连接，无需长距离接入交通控制中心或分中心，对通信线路资源的占用较小，可大量节省通信线路的投资建设成本。3、系统对通信线路和设备的传输速率和可靠性要求相对较低，一旦连接室内与室外设备的主干通信线路发生故障，关键路口控制机和路口控制机或虚拟路口控制机仍然正常工作。4、控制灵活、可靠性高，安装调试更加方便。
附图说明
图1为SCOOT系统控制结构图。
图2为SCATS系统控制结构图。
图3为分布式四级系统控制结构图。
图4为道路网络示意图。
图5为控制设备布局示意图。
具体实施方式
分布式四级结构交通信号控制系统包括中央控制级、区域控制级、关键路口控制级及一个路口控制级或虚拟路口控制级；其中，中央控制级是一级控制，主要设备是中央控制机，设置在城市交通控制中心，负责协调控制区域控制机；区域控制级是第二级控制，主要设备是区域控制机，设置在城市交通控制中心或分中心，负责协调控制关键路口控制机；关键路口控制级是第三级控制，主要设备是关键路口控制机，设置在预先确定的关键的道路交叉路口，负责协调路口控制机或虚拟路口控制机；路口控制级或虚拟路口控制级是第四级控制，主要设备是路口控制机，设置在道路交叉路口，负责控制路口交通信号灯的亮或灭，并且，虚拟路口控制机仅在软件逻辑上存在，在物理上是不存在的。
中央控制机通过光纤或电缆通信信道连接多达48个区域控制机，每个区域控制机通过光纤或电缆通信信道连接多达48个关键路口控制机，每个关键路口控制机通过电缆通信信道连接位于关键路口周边或位于同一条主干道路上的多达10个路口控制机或虚拟路口控制机，每个路口控制机或虚拟路口控制机负责点亮或熄灭与其连接的多个交通信号灯。
当关键路口控制机所要控制的周边路口与关键路口的间距不超过150米时，在这些路口不设路口控制机，把安装在这些路口的信号灯通过控制电缆直接连接到关键路口控制机，路口间距短于150米时采用直接连接是基于交通信号协调效果与路口设备、通信信道投资成本的均衡考虑。当不设路口控制机时，关键路口控制机的内置软件系统在逻辑上仍为这些路口设立虚拟路口控制机，关键路口控制机通过这些在物理上并不存在但在软件逻辑上却存在的虚拟路口控制机来点亮或熄灭这些路口的信号灯。
路口控制机或虚拟路口控制机基于关键路口下发的信号周期、绿灯起步时差，由其内置的控制软件优化得到本路口的绿灯时比后，生成路口信号灯的亮灭时间，控制各方向所有信号灯的亮灭，同时采集处理本路口各个方向的车辆到达信息，形成初级信息上传给关键路口控制机。
关键路口控制机基于区域控制机下发的周期长度变化范围和路口控制机或虚拟路口控制机上传的初级信息，由其内置的控制软件优化得到本关键路口控制机所连接的各个路口的周期长度和绿灯起步时差，同时对各个路口控制机或虚拟路口控制机上传的初级信息进行汇总处理形成中级信息后上传给区域控制机。
区域控制机和中央控制机是室内设备，区域控制机内置控制软件，主要完成协调控制和数据处理功能，它基于其所连接的各个关键路口控制机上传的中级信息来宏观地确定各个关键路口控制机的周期长度的变化范围，同时对各个关键路口控制机上传的中级信息进行汇总处理形成高级信息。
中央控制机是执行管理任务的计算机，它维护系统的数据库，记录和存储管理各个区域控制机及各个关键路口控制机的运行配置、运行状态和各个区域控制机上传的高级信息，供交通管理人员分析决策。
实施例如下所述：假设本交通信号控制系统的控制区域是如图4所示的由6个信号路口组成的道路网络，路口间距如表1所示。
预先设定路口2为关键路口，在路口2设置关键路口信号机，在路口1、3、4、6分别设置路口信号机，由于路口5与关键路口2的间距是100米，短于150米，因此在路口5不设路口信号机，而在关键路口信号机2的软件逻辑上为路口5设置虚拟路口信号机5。
如图5所示，路口控制机1、3、4、6和虚拟路口信号机5、关键路口信号机2分别通过电力电缆、控制电缆连接各自的信号灯组和车辆检测器组，路口控制机1、3、4、6直接通过通信电缆连接到关键路口信号机2。车辆检测器组用于实时检测所在路口的交通状态并上传给与其直接相连的路口控制机，首先路口控制机1、3、4、6和虚拟路口信号机5、关键路口信号机2各自内置的交通信号优化模块基于所在路口的交通状态分别求取使本路口总的车辆延误达到最小值的信号周期并传送给关键路口信号机2的内置的交通信号优化协调模块由它来确定这些路口的共同信号周期和绿灯起步时差，其后路口控制机1、3、4、6和虚拟路口控制机5、关键路口信号机2基于共同信号周期、绿灯起步时差再由其内置的交通信号优化模块优化得到本路口的绿灯时比，从而生成各自路口的信号灯组的亮灭时间，达到控制路口各方向所有信号灯的亮灭的目的。
在交通指挥中心设置区域控制机，区域控制机通过光缆或通信电缆直接连接关键路口信号机2。关键路口信号机2每个信号周期向区域控制机发送一次信息，内容包括共同信号周期和本信号周期内路口1、2、3、4、5、6的交通状态信息，区域控制机基于这些信息来确定关键路口控制机2的共同信号周期可供选择的变化范围并对关键路口控制机2传送来的交通状态信息进行汇总分析处理，得到诸如每个信号周期内路口1、2、3、4、5、6的车辆到达流量、占有率等交通信息。
在本案例中由于只设一个区域控制机，且区域控制机只负责协调控制一个关键路口控制机2，对计算处理能力和存储容量的要求相对较低，故可不单独设置中央控制机，中央控制机的功能可由区域控制机一并完成，这样区域控制机同时还需负责维护系统的数据库，负责记录和存储管理区域控制机及关键路口控制机2的运行配置等信息。
                       表1路口间距表
  路口对   2-1   2-3   2-4   2-5   2-6
  路口间距(米)   200   350   300(100+200)   100   450(100+350)
参考文献：
1、交通管理与控制(第二版)，杨佩昆、吴兵编著，人民交通出版社出版
2、道路交通控制技术，尹宏宾、徐建闽编著，华南理工大学出版社出版

Claims (7)

1、分布式四级结构交通信号控制系统，包括中央控制级、区域控制级、关键路口控制级，其特征是：在关键路口控制级的下级增设一个路口控制级或虚拟路口控制级；其中，中央控制级是一级控制，主要设备是中央控制机，设置在城市交通控制中心，负责协调控制区域控制机；区域控制级是第二级控制，主要设备是区域控制机，设置在城市交通控制中心或分中心，负责协调控制关键路口控制机；关键路口控制级是第三级控制，主要设备是关键路口控制机，设置在预先确定的关键的道路交叉路口，负责协调路口控制机或虚拟路口控制机；路口控制级或虚拟路口控制级是第四级控制，主要设备是路口控制机，设置在道路交叉路口，负责控制路口交通信号灯的亮或灭，并且，虚拟路口控制机仅在软件逻辑上存在，在物理上是不存在的。
2、根据权利要求1所述的分布式四级结构交通信号控制系统，其特征是：中央控制机通过光纤或电缆通信信道连接多达48个区域控制机，每个区域控制机通过光纤或电缆通信信道连接多达48个关键路口控制机，每个关键路口控制机通过电缆通信信道连接位于关键路口周边或位于同一条主干道路上的多达10个路口控制机或虚拟路口控制机，每个路口控制机或虚拟路口控制机负责点亮或熄灭与其连接的多个交通信号灯。
3、根据权利要求1所述的分布式四级结构交通信号控制系统，其特征是：当关键路口控制机所要控制的周边路口与关键路口的间距不超过100米时，在这些路口不设路口控制机，把安装在这些路口的信号灯通过控制电缆直接连接到关键路口控制机，当不设路口控制机时，关键路口控制机的内置软件系统在逻辑上仍为这些路口设立虚拟路口控制机，关键路口控制机通过这些在物理上并不存在但在软件逻辑上却存在的虚拟路口控制机来点亮或熄灭这些路口的信号灯。
4、根据权利要求1所述的分布式四级结构交通信号控制系统，其特征是：路口控制机或虚拟路口控制机基于关键路口下发的信号周期、绿灯起步时差，由其内置的控制软件优化得到本路口的绿灯时比后，生成路口信号灯的亮灭时间，控制各方向所有信号灯的亮灭，同时采集处理本路口各个方向的车辆到达信息，形成初级信息上传给关键路口控制机。
5、根据权利要求1所述的分布式四级结构交通信号控制系统，其特征是：关键路口控制机基于区域控制机下发的周期长度变化范围和路口控制机或虚拟路口控制机上传的初级信息，由其内置的控制软件优化得到本关键路口控制机所连接的各个路口的周期长度和绿灯起步时差，同时对各个路口控制机或虚拟路口控制机上传的初级信息进行汇总处理形成中级信息后上传给区域控制机。
6、根据权利要求1所述的分布式四级结构交通信号控制系统，其特征是：区域控制机和中央控制机是室内设备，区域控制机内置控制软件，主要完成协调控制和数据处理功能，它基于其所连接的各个关键路口控制机上传的中级信息来宏观地确定各个关键路口控制机的周期长度的变化范围，同时对各个关键路口控制机上传的中级信息进行汇总处理形成高级信息。
7、根据权利要求1所述的分布式四级结构交通信号控制系统，其特征是：中央控制机是执行管理任务的计算机，它维护系统的数据库，记录和存储管理各个区域控制机及各个关键路口控制机的运行配置、运行状态和各个区域控制机上传的高级信息，供交通管理人员分析决策。
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