CN201993914U

CN201993914U - 群集智能交通流控制系统

Info

Publication number: CN201993914U
Application number: CN2011200436281U
Authority: CN
Inventors: 陈蜀乔
Original assignee: Kunming University of Science and Technology
Current assignee: Kunming University of Science and Technology
Priority date: 2011-02-21
Filing date: 2011-02-21
Publication date: 2011-09-28
Anticipated expiration: 2021-02-21

Abstract

本实用新型涉及一种群集智能交通流控制系统，属智能交通领域。本系统的单辆汽车上配置微电脑装置，微电脑装置的主控CPU接口连接有无线数据传输模块和预编程输入模块，道路沿线和交叉路口设置有信息中转站，信息中转站的无线收发装置与计算机连接，且计算机通过数据线分别连接中央监控站和路口信号灯装置，各车载无线收发装置的功率相同并还另外配置了功率放大激活电路。本实用新型可实现单个车辆之间具有信息交流，使得多辆车产生群集智能，同时多个群体之间也具有信息交流，使得群体之间实现相互协商，以最佳的方案通过交叉口，避免交通冲突；本系统的结构简单，方案可行。

Description

群集智能交通流控制系统

技术领域

本实用新型涉及一种交通流控制系统，特别是群集智能交通流控制系统，属于运载工具和交通控制综合技术领域。

背景技术

随着科技不断的进步，智能交通成为研究的主流。但目前的交通流并不具备群集智能的特性，但考虑到未来的发展，群集智能交通将会成为未来发展的方向。就目前的技术手段而言，赋予每一辆汽车具备智能化已成为一个可行的技术方案，如在车上增加一个智能化芯片即可。当车辆大面积采用智能化芯片后，行驶于道路上的交通流就具有了群集智能的可能。对于汽车而言，可以装入性能较高的智能芯片，使得单辆汽车具有强大的计算能力和移动性，然而其感知能力的局限性，限制了其智能的发展。把汽车视为一种移动机器人，同时借鉴移动机器人无线传输网络的技术使得汽车彼此间具有信息交流(薛晗，李迅，马宏绪，传感技术学报，基于无线传感器网络的未知环境下移动机器人实时路径规划，第21卷第5期，2008年5月)，实现群集智能，对环境进行连续的、大范围的监测就可提供汽车对全局的实时感知能力，提高车辆对环境的控制力。另一方面，进一步发展群集智能的特性，可使更多的群体之间具有信息交流，使得群体之间实现相互协商，以最佳的方案通过交叉口，避免交通冲突。结合个体智能和群集智能二者的优势，使二者互补，既可提高单辆车的周围车辆的感知能力，同时又具有了群与群之间的相互协商的特性，成为一种“聪明”的交通流。具有了智能的车流构成的群会彼此协调，而处于群体内的车辆会寻求最佳位置，使单个车辆处于最佳安全状态。极大的提高了交通流效率，为缓解交通拥堵提供了一种可行的方案。如何发明出最简单、最可靠的群集智能交通流控制系统是极其重要的课题，目前群集智能交通流方面相关的相关技术或专利的文献还不多见。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种群集智能交通流控制系统，借助于汽车内置的智能装置，使车具有群集智能的特性，它可实现单个车辆之间具有信息交流，使得多辆车产生群集智能，同时多个群体之间也具有信息交流，使得群体之间实现相互协商，以最佳的方案通过交叉口，避免交通冲突；本系统的结构简单，方案可行。

解决本实用新型的技术问题所采用的方案是：单辆汽车上配置微电脑装置，微电脑装置的主控CPU接口连接有无线数据传输模块和预编程输入模块，道路沿线和交叉路口设置有信息中转站，信息中转站的无线收发装置与计算机连接，且计算机通过数据线分别连接中央监控站和路口信号灯装置，各车载无线收发装置的功率相同并还另外配置了功率放大激活电路。其中预编程输入模块预设了群集智能程序，通过微电脑装置的无线数据传输模块与相邻的车辆进行信息交流，判断出周围车辆间的相对距离和相对方位，获得群集智能，群集车辆的微电脑装置通过比对和统计，处于中心位置的车辆所装的功率放大激活电路此时可被激活启动，它可获得该车辆群的数量和平均速度，较大的无线数据传输功率代表本群体车辆与信息发布交流中转站和其它车辆群进行数据交流，协商如何通过前方路口，本群内其余车辆的无线收发装置由于保持原来的相同功率，所以不参与对信息发布交流中转站和其它车辆群的数据交流。

车载微电脑装置的主控CPU接口还连接有汽车控制驱动模块，该模块通过数据线分别连接着汽车上的转向、制动、燃料配给和变速的电控装置。当微电脑装置设置在自动状态时，可按照群集智能程序随本群内车辆自动驾驶；当微电脑装置设置在手动状态时，驾驶员的操作如果违反群集智能程序并同时将会导致交通事故时，微电脑装置可通过汽车控制驱动模块强行使车辆回到自动状态。

车载微电脑装置的主控CPU接口还连接有角度与距离输入模块、车况信号输入模块、显示模块、人机接口模块、电源管理模块、路径目标设定模块、GPS导航仪和数据存储模块。角度与距离输入模块可以更好地用来判断周围车辆间的相对距离和相对方位；车况信号输入模块是通过多个汽车自身的仪表参数和传感器来实现，可将汽车内的仪表参数，如汽车瞬态速度、机油压力、发动机转速、档位、汽车总质量等重要的参数转为数字信号输入；显示模块包含两个显示屏，一个用于显示行车路路线，另一个用于显示相邻车辆的数量、方位和距离、安全空间范围和车辆目前需要的运行速度；人机接口模块用于人机对话，可以对某些参数进行设置，选择人工驾驶或半自动驾驶；电源管理模块可以根据单辆汽车智能装置需求进行供电及电源管理；路径目标设定模块可输入所要到达的目的地，GPS导航仪则能够根据前方路况自动选择行车路径，数据存储模块用来存储车辆行驶的各类信息数据。

车载的无线数据传输模块配置有转动式遮蔽天线，该天线的结构为在车顶上固定天线基座，信号遮蔽罩转动连接在天线基座上，天线基座上固定着配有驱动齿轮的驱动电机，驱动齿轮与信号遮蔽罩内壁的内齿圈啮合，信号遮蔽罩内装有信号接收天线，信号遮蔽罩侧壁开有信号接收窗，伸缩式发射天线从信号遮蔽罩顶部伸出，信号遮蔽罩上设有角度脉冲感应齿，在天线基座对应角度脉冲感应齿的位置装有与无线数据传输模块连接的角度脉冲电磁感应头。该天线可大大改善车辆的信息接收精确度，只有当信号接收窗的窗口对准相邻车辆时，信号接收天线才能接收到相邻车辆发出来的信号。

本实用新型的有益效果是：借助于汽车内置的智能装置，使车辆具有群集智能的特性。在该控制体系中，单个车辆之间具有信息交流，而信息交流又使得多辆车产生群集智能；多个的车流群体之间也具有信息交流，使得群体之间实现相互协商，以最佳的方案通过交叉口，避免交通冲突。结合个体智能和群集智能二者的优势，既提高单辆车的周围车辆的感知能力，同时具有了群与群之间的相互协商的特性，成为一种“聪明”的交通流，极大的提高了交通流效率。

附图说明

图1为本实用新型系统整体结构示意图；

图2为本实用新型单辆汽车微电脑装置的连接示意图；

图3为本实用新型转动式遮蔽天线结构示意图。

图1～3中：1.路口信号灯装置，2.信息中转站，3.数据线，4.车辆群，5.行驶车辆，6.计算机，7.网络，8冲央监控站，9.主控CPU，10.角度与距离输入模块，11.车况信号输入模块，12.显示模块，13.预编程输入模块，14.人机接口模块，15.电源管理模块，16.路径目标设定模块，17.汽车控制驱动模块，18.数据存储模块，19.无线数据传输模块，20.微电脑装置，21.GPS导航仪，22.发射天线，23.信号遮蔽罩，24.信号接收天线，25.内齿圈，26.驱动齿轮，27.驱动电机，28.角度脉冲感应齿，29.角度脉冲电磁感应头，30.信号接收窗，31.天线基座，32.转动式遮蔽天线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。

每辆汽车内均置入单辆汽车微电脑装置20，所发出的信号强弱相同。微电脑装置20的接口配置了角度与距离输入模块10、车况信号输入模块11、显示模块12、预编程输入模块13、人机接口模块14、电源管理模块15、汽车控制驱动模块17、路径目标设定模块16、数据存储模块18、无线数据传输模块19和GPS导航仪21。其中预编程输入模块13预设群集智能程序，通过微电脑装置20的无线数据传输模块19与相邻的车辆进行信息交流，获得群集智能，单辆汽车的设有角度与距离输入模块10，可以判断周围车辆间的相对距离和相对方位，通过比对和统计，处于中心位置的车辆获得该车辆群4的数量和平均速度，由该车辆代表本群体车辆作为独立的指挥者(其余车辆不参与对信息发布交流中转站2数据交流)进行无线数据传输，即一方面与信息发布交流中转站，另一方面直接其它车辆群进行数据交流，协商如何通过前方路口。

单辆汽车微电脑装置20的角度与距离输入模块10由转动式遮蔽天线32和信号处理装置、指南针基准信号源构成。转动式遮蔽天线32由数据发射天线22、信号遮蔽罩23、信号接收天线24、内齿圈25、驱动齿轮26、驱动电机27、角度脉冲感应齿28、角度脉冲电磁感应头29、信号接收窗30、天线基座31组装而成。其工作过程是驱动电机27带动驱动齿轮26转动(参见图3)，该齿轮与信号遮蔽罩的内齿圈25啮合，使得信号遮蔽罩23转动，该遮蔽罩设有信号接收窗30，只有当窗口对准相邻车辆时，信号接收天线24才能接收到相邻车辆发出来的信号。该屏蔽罩转动的角度可以通过屏蔽罩下沿的角度脉冲感应齿28来实现，屏蔽罩转动时，天线基座31上安装的角度脉冲电磁感应头29感应到磁通量发生改变，给出转角信号脉冲，该脉冲与指南针给出的基准信号比对，得到信号源的方位，从而得到相邻车辆方位，并根据信号源的数量得知周围共有多少辆车。得到相邻车辆方位和数量之后，还要判断自身车辆与相邻车辆的间距，考虑到每辆汽车内的单辆汽车微电脑装置20所发出的信号强弱相同，只需通过信号处理装置判断信号源强弱即可得到相邻汽车的距离。

车况信号输入模块11是通过汽车自身的多个仪表参数和传感器来实现。将汽车内的仪表参数如汽车瞬态速度、机油压力、发动机转速、档位、汽车总质量等重要的参数转为数字信号输入到车况信号输入模块11，这些参数可以用于判断汽车运行是否正常，如果汽车不正常，会给予即使提示，同时也将判断结果告知其它车辆，其它车辆会根据不正常相邻汽车存在，而提前做出预判，改变跟车距离。对于汽车速度和质量参数用于计算出自身车辆安全空间距离，通过无线数据传输模块19将安全空间距离传输给相邻车辆，使得彼此间进行相互协调，避免发生追尾等安全事故。

显示模块12包含两个显示屏。一个显示行车路路线，这是GPS导航仪21的显示屏，能够通过路径目标设定模块16输入所要到达的目的地，GPS导航仪21能够根据前方路况自动选择行车路径；另一个显示模块用于显示相邻车辆的数量、方位和距离、安全空间范围和车辆目前需要的运行速度(用箭头内的色块大小表示)和方向。

预编程输入模块13包括本车的智能自动驾驶控制程序、本车的群集智能程序和群协商绿波智能程序。

车辆的智能自动驾驶控制程序用于控制车辆自动回避前方目标，实现自动驾驶，使得汽车具有高度的智能，但这种智能只存在于独立的个体中，无法协调自身与车辆群之间的关系，也无法实现群与群之间的协调；本车的群集智能程序是a.协调自身车辆和相邻车辆的关系，找到自身在群体之中的最恰当位置，使得自身车辆处于最佳位置；b.实现集群效应，将自身车辆汇聚到某一个合适的群体中，实现群集智能系统中群体的自聚性；c.进行信息交流，找出处于中心位置的车辆代表本群与其它群进行信息交流，协调如何顺利通过前方路口而不与其它群发生冲突。

具体的实现方案是借助于群集智能理论。群集智能是指简单个体通过局部交互所涌现出的不可预见的全局智能行为的特性，系统中的个体仅在局部感知能力下，通过同其它个体以及环境的交互就可以实现复杂的行为模式。群集智能利用群体的优势，在没有集中控制、不提供全局模型的前提下，寻找复杂问题的解决方案。本方案能够把群体中的个体都最终收敛于一定的范围内，并且在群体移动的过程中，个体也会在相互作用下保持一定的紧密程度。

对系统中的N个个体，首先假定每个个体的感知范围为r，对个体i来说，只有在该范围内的其它个体才能对它产生作用，这一范围通过天线接收信号强弱来实现，信号小于某一规定值，则不采集信号，对于个体i的可观测集为它感知范围内所有个体的集合S_i＝{j|ρ(x_i-x_j)＝||x_i-x_j||≤r，j∈Φ}，其中ρ(x_i-x_j)表示个体x_i和x_j间的距离，Φ表示群体中所有个体集合。个体i可以感知到的其它个体数量表示为N_i＝|S_i|，个体i可观测范围内所有个体的中心位置为

处于中心位置的车辆代表本群与其它群的信息交流。聚集的实现需要个体间的相互作用，当群体中的个体感知到其它个体后，为了保证他们能够聚集成群，最简单的方式就是引入个体间的引力。同样，为了避开同其它个体的碰撞，当两个体距离近达一定程度后需要远离对方，因此需要引入个体间的斥力。个体x和y之间的线性引力f_a(x，y)和有界斥力f_r(x，y)定义为：

f_{a} (x, y) = \{\begin{matrix} - a (x - y), & ρ (x, y) < r \\ 0, & ρ (x, y) &GreaterEqual; r \end{matrix}

f_{r} (x, y) = \{\begin{matrix} b exp (\frac{- {| | x - y | |}^{2}}{c}) (x - y), & ρ (x, y) < r \\ 0, & ρ (x, y) &GreaterEqual; r \end{matrix}

其中，a＞0和b＞0分别表示引力和斥力系数；0＜c＜r为斥力的作用范围.在可观测范围内个体间的引力值大小随着两者之间距离的增加而增加，而斥力值则减小。从引力和斥力定义可以看出，个体i仅仅受到感知区域内个体的作用力，其它个体均不对它产生作用。可以定义安全空间范围Q(x，y)＝kr，根据上述公式为依据进行改造编程，可以获得群集智能。

群协商绿波智能程序是通过预编程输入模块13进入CPU，构成群协商绿波智能，能够实现与其它车辆群进行交流，并将协商的结果通知信息发布交流中转站，控制红绿灯，确保过路口不发生冲突，实现动态绿波交通控制。

人机接口模块14用于人机对话，可以对某些参数进行设置，选择人工驾驶和半自动驾驶。

电源管理模块15可以根据单辆汽车智能装置需求进行供电及电源管理。

汽车控制驱动模块17是将CPU给出的控制指令发送到控制驱动设备中，用于驱动汽车的方向、刹车、油门、离合器、档位，实现自动驾驶。

无线数据传输模块19分两种工作状态，①当处于非中心位置时与相邻车辆进行信息交流，实现群集智能，并接收来自信息中转站2发布的路况信息，这些路况信息包括道路摩擦系数、道路坡度、弯道路况、历史车流、事故统计状况、天气状况等，车辆接收到这些信息后，可以调整行驶速度，跟车距离等，保证车辆的安全；②当处于中心位置后，功率放大电路则被激活，可代表群与外界进行信息交流，将车辆群的平均速度、车辆群的总质量、车辆群的总数量、车辆群的实时位置数据传输给信息中转站2，通过网络7将数据回传给中央监控站8，中央监控站8便可以直观的看到该车辆群的位置和移动速度，另一方面，群与群之间可以通过信息中转站2进行信息交流，通过预编程输入模块13的群协商绿波智能程序与其它车辆群进行交流，并将协商的结果通知信息中转站2，控制路口信号灯装置1的红绿灯，确保过路口不发生冲突，实现动态绿波交通控制。

群集智能交通控制系统的具体的工作过程：首先，车辆必须安装单辆汽车微电脑装置20。车辆在行驶的过程中，在自动驾驶的情况下，会根据GPS当前行驶路径自动分类结成群体，且保持适当的间距。在人工驾驶的情况下，根据显示模块单元12的提示，进行驾驶，也可以进入群体，并处于一个适当的位置。由于群与群之间进行信息交流，产生了群集智能。当处于非中心位置时与相邻车辆进行信息交流，实现群集智能，并接收信息中转站发布的路况信息，这些路况信息包括道路摩擦系数、道路坡度、弯道路况、历史车流、事故统计状况、天气状况等，车辆接收到这些信息后，可以调整行驶速度，跟车距离等，保证车辆的安全。当处于中心位置后，车载的大功率无线数据传输装置则被激活，代表群与外界进行信息交流，将车辆群的平均速度、车辆群的总质量、车辆群的总数量、车辆群的实时位置数据传输给信息中转站2，通过网络将数据回传给中央监控站8，中央监控站8便可以直观的看到该车辆群的位置和移动速度；另一方面，群与群之间可以通过信息中转站2进行信息交流，通过预编程输入模块13的群协商绿波智能程序与其它车辆群进行交流，并将协商的结果通知信息中转站2，控制路口信号灯装置1的红绿灯，确保过路口不发生冲突，实现动态绿波交通控制。

Claims

1.一种群集智能交通流控制系统，其特征在于：单辆汽车上配置微电脑装置，微电脑装置的主控CPU接口连接有无线数据传输模块和预编程输入模块，道路沿线和交叉路口设置有信息中转站，信息中转站的无线收发装置与计算机连接，且计算机通过数据线分别连接中央监控站和路口信号灯装置，各车载无线收发装置的功率相同并还另外配置了功率放大激活电路。

2.根据权利要求1所述的群集智能交通流控制系统，其特征在于：车载微电脑装置的主控CPU接口还连接有汽车控制驱动模块，该模块通过数据线分别连接着汽车上的转向、制动、燃料配给和变速的电控装置。

3.根据权利要求2所述的群集智能交通流控制系统，其特征在于：车载微电脑装置的主控CPU接口还连接有角度与距离输入模块、车况信号输入模块、显示模块、人机接口模块、电源管理模块、路径目标设定模块、GPS导航仪和数据存储模块。

4.根据权利要求2所述的群集智能交通流控制系统，其特征在于：车载的无线数据传输模块配置有转动式遮蔽天线，该天线的结构为在车顶上固定天线基座，信号遮蔽罩转动连接在天线基座上，天线基座上固定着配有驱动齿轮的驱动电机，驱动齿轮与信号遮蔽罩内壁的内齿圈啮合，信号遮蔽罩内装有信号接收天线，信号遮蔽罩侧壁开有信号接收窗，伸缩式发射天线从信号遮蔽罩顶部伸出，信号遮蔽罩上设有角度脉冲感应齿，在天线基座对应角度脉冲感应齿的位置装有与无线数据传输模块连接的角度脉冲电磁感应头。