專利名稱：自適應(yīng)交通控制系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種面向混合交通的交通信號控制系統(tǒng)，以及應(yīng)用該系統(tǒng)的工作方法。
背景技術(shù)：
國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，給我國城市化交通控制和管理帶來了較大的壓力。現(xiàn)在已有多種交通管理控制系統(tǒng)，應(yīng)用于解決因車輛數(shù)量激增而帶來的交通擁堵問題。
目前，現(xiàn)有城市道路中除少數(shù)建有立交橋外，大多數(shù)是縱橫交匯的平面交叉路口。除機動車輛外，在城市中心地帶和交通較為密集的地區(qū)，非機動車和行人的數(shù)量也較為可觀，從而形成體現(xiàn)中國國情的混合交通現(xiàn)狀。
而國內(nèi)外現(xiàn)有的交通信號控制系統(tǒng)，大多是面向機動車輛的管理，并不涉及到非機動車和行人的管理因素。又如，專利號為01119483的國內(nèi)專利所公開的智能化城市交通管理網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其基本控制原理和內(nèi)容是通過設(shè)置在交叉口的檢測器檢測機動車的交通流量、速度、時間占有率、車頭時距等交通信息；再經(jīng)路口信號機的通訊模塊上傳到控制中心通信子系統(tǒng)；由控制中心的優(yōu)化子系統(tǒng)對交通流量信息進行分析和判斷，計算路口的機動車信號配時參數(shù)，如周期長、綠信比、相位差，對信號配時參數(shù)等；在進行實時調(diào)整的基礎(chǔ)上，中心系統(tǒng)還具有監(jiān)控路口交通狀態(tài)、查看故障信息、統(tǒng)計查詢等功能；系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)部分由指揮中心局域網(wǎng)、寬帶地域?qū)＞W(wǎng)、以及路口局域網(wǎng)等構(gòu)成。從而連接成一個完整的交通管理網(wǎng)絡(luò)。
上述已有公開專利和使用技術(shù)，沒有建立起面向機動車、自行車和行人的混合交通控制模型。因而，不能對自行車交通進行檢測和控制，也就不能根本上解決國內(nèi)實際的交通問題。應(yīng)用上述管理系統(tǒng)，仍會存在諸如交通擁堵嚴重、市民出行困難、交通事故增多等的交通問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所述的自適應(yīng)交通控制系統(tǒng)和方法，其目的即在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷。通過應(yīng)用交通信號配時優(yōu)化技術(shù)，建立起一種新的混合交通控制模型，從而能夠根據(jù)中國國情提供交通問題的解決方案。
本發(fā)明所述的面向混合交通的自適應(yīng)交通控制系統(tǒng)和方法，其核心技術(shù)采用交通信號工程技術(shù)。采用混合交通控制算法，提供控制機動車、行人、非機動車的算法，以此形成實際的控制功能。在分析自行車、行人交通流的規(guī)律的基礎(chǔ)上，形成配時理論和算法，從而應(yīng)用于混合交通的控制。
本發(fā)明所述的自適應(yīng)交通控制系統(tǒng)采用三級控制模式，包括中央控制服務(wù)器、區(qū)域控制服務(wù)器、交通信號機。
中央控制服務(wù)器(簡稱中心機)是控制系統(tǒng)的最高層，主要負責交通狀況預測和跨區(qū)域人工干預方案下載。中央控制服務(wù)器，主要包括有交通狀況預測模塊、自動中心對時模塊和脈沖數(shù)據(jù)采集模塊。交通狀況預測包括宏觀交通狀態(tài)預測、中觀交通狀態(tài)預測、微觀交通狀態(tài)預測，其中微觀交通狀態(tài)預測是交通控制方案優(yōu)化的直接依據(jù)，宏觀預測和中觀預測是交通管理的內(nèi)容。
區(qū)域控制服務(wù)器(簡稱區(qū)域機)是控制系統(tǒng)的中間層，是自適應(yīng)交通控制功能實現(xiàn)的關(guān)鍵，主要功能包括飽和流量分析、交通強度計算、周期時長優(yōu)選、綠信比計算、相位差計算和區(qū)域內(nèi)人工干預方案的下載。區(qū)域控制服務(wù)器，主要包括有交通強度計算模塊、周期時長優(yōu)選模塊、綠信比計算模塊、相位差計算模塊和自動干預控制模塊。
信號機是控制系統(tǒng)的終端設(shè)備，是交通控制功能的執(zhí)行單元和基礎(chǔ)交通信息的處理單元。主要功能包括交通信息的采集、處理、上載，控制方案的執(zhí)行，控制參數(shù)的預置。
混合交通的自適應(yīng)協(xié)調(diào)控制模型應(yīng)用于這三級當中。中央控制服務(wù)器、區(qū)域控制服務(wù)器、通信控制服務(wù)器以及客戶端通過TCP/IP協(xié)議形成控制中心局域網(wǎng)。中央控制服務(wù)器通過混合交通控制模型預測交通流量與時間占有率，區(qū)域控制服務(wù)器根據(jù)上傳的交通信息，選擇路口的控制方式，并對周期長、綠信比、相位差等配時參數(shù)進行優(yōu)化，并應(yīng)用NTCIP協(xié)議實現(xiàn)控制中心與路口信號機之間的通信，將控制指令下達到信號機執(zhí)行，實現(xiàn)區(qū)域協(xié)調(diào)控制或次一級的綠波帶控制。
本系統(tǒng)是數(shù)據(jù)信息進行主要包括有周期時長參數(shù)S(P、m)，自行車相位配時參數(shù)φ(m2、n機、Tt)的優(yōu)化運算，從而形成優(yōu)化方案。
其中，周期時長參數(shù)S采用相位交通強度P作為優(yōu)選指標，優(yōu)選相位數(shù)m確定相位交通強度P與周期時長S的對應(yīng)關(guān)系。
同時，系統(tǒng)采用GIS技術(shù)，在控制中心的電子地圖上實現(xiàn)遠程監(jiān)控和參數(shù)設(shè)置。
實施本發(fā)明的交通信號控制系統(tǒng)，由于應(yīng)用了混合交通控制模型，從而能針對我國的交通特點，解決機動車、非機動車混行情況下的交通信號配時問題，有利于路口通行能力的提高，行車延誤的降低，能大幅度地提高交通管理與控制的效果。


圖1是本發(fā)明所述的自適應(yīng)交通控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖；圖2是自適應(yīng)交能控制系統(tǒng)的三級控制模型圖；圖3是系統(tǒng)內(nèi)檢測數(shù)據(jù)控制流程圖；圖4是信號機結(jié)構(gòu)示意圖；圖5是信號機控制模塊示意圖；圖6是信號機流程控制流程圖具體實施方式
如圖1、圖2所示，本發(fā)明所述的自適應(yīng)交通控制系統(tǒng)采用三級結(jié)構(gòu)控制模型，即中央控制服務(wù)器、區(qū)域控制服務(wù)器和交通信號機終端。
中央控制服務(wù)器，主要負責交通狀況預測和跨區(qū)域人工干預方案下載。
區(qū)域控制服務(wù)器，主要負責飽和流量分析、交通強度計算、周期時長優(yōu)選、綠信比計算、相位差計算和區(qū)域內(nèi)人工干預方案下載。
交通信號機，是交通控制執(zhí)行單元和基礎(chǔ)交通信息的處理單元。主要負責交通信息的采集、處理、上載，控制方案的執(zhí)行，控制參數(shù)的預置。
如圖4所示，信號機是本發(fā)明所述的自適應(yīng)交通控制系統(tǒng)的執(zhí)行單元，是交通控制系統(tǒng)工作方法的執(zhí)行終端。
信號機工作模塊主要由主控單元、通信單元、相位驅(qū)動單元、接口單元、車檢單元、電源單元、手動及顯示單元組成。
信號機的主控單元以嵌入式微處理器MCF5272為核心，采用單微處理器結(jié)構(gòu)，配有寫入配置數(shù)據(jù)、沖突檢測和固化軟件的FLASH芯片、板上可充電鋰電池供電的實時時鐘和SDRAM、標準的RS232C接口、連接外部模塊的接口通信單元。
相位驅(qū)動單元主要由可控硅開關(guān)電路組成，通過電網(wǎng)電壓驅(qū)動交通信號。一塊板可控制4個相位，該板還包括信號燈供電監(jiān)視電路，電壓過零檢測電路和信號燈電流監(jiān)視電路等。每臺交通信號機最多可裝4塊相位控制驅(qū)動插件。相位控制驅(qū)動模塊還具有對浪涌電壓抑制功能，以實現(xiàn)信號機內(nèi)部電路、信號燈的保護。
通信單元主要包括有標準的串行通信接口(如RS232或RS485)，可以實現(xiàn)同步/異步的通信方式。調(diào)制解調(diào)器電路，可以實現(xiàn)以FSK方式、600/900/1200bit/s速率，通過普通電話專線進行2/4線制、全/半雙工數(shù)據(jù)通信；提供一個以太網(wǎng)接口，用于設(shè)備調(diào)試和維護，以及遠程通信。
車檢單元是車輛檢測單元采用環(huán)形線圈檢測器，主要用于交通信息檢測，包括交通流量、時間占有率、速度、車頭時距等信息。感應(yīng)線圈的饋線距離為300米，輸出到接口板的信號應(yīng)為開關(guān)量信號。
如圖5所示，信號機控制模塊主要包括有系統(tǒng)初始化模塊、控制處理模塊、通信處理模塊、系統(tǒng)檢測模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、顯示與修改模塊、以及系統(tǒng)主模塊、RTOS、BSP。其中系統(tǒng)初始化模塊，是初始化內(nèi)存和CPU、外圍設(shè)備以及信號機參數(shù)。
控制處理模塊，負責提供關(guān)燈、黃閃、全紅、單點定周期、無電纜聯(lián)動、單點優(yōu)化、有電纜線控、系統(tǒng)線控、單點感應(yīng)、單點方案選擇、手動等控制方式。
系統(tǒng)檢測模塊，檢測各硬件模塊的狀態(tài)，收集故障信息，并上報故障。
數(shù)據(jù)采集模塊，采集并處理各種交通數(shù)據(jù)，如交通流量、時間占有率等。
顯示與修改模塊，顯示信號機工作狀態(tài)、信號機時鐘，顯示及修改信號機控制參數(shù)。
系統(tǒng)主模塊負責完成系統(tǒng)主任務(wù)，其主要功能是系統(tǒng)公用數(shù)據(jù)初始化、創(chuàng)建信號量、加載設(shè)備驅(qū)動程序、創(chuàng)建消息隊列、啟動各任務(wù)、消息接收和系統(tǒng)監(jiān)視。CPU的BSP和操作系統(tǒng)(RTOS)部分完成下列功能硬件的初始化、系統(tǒng)啟動、設(shè)備驅(qū)動、基本參數(shù)設(shè)置、應(yīng)用程序下載等工作。
如圖6所示的信號機工作流程第一步，初始化操作系統(tǒng)；包括創(chuàng)建任務(wù)，初始化時鐘、定時器。
第二步，啟動數(shù)據(jù)管理任務(wù)；包括讀取信號機運行參數(shù)，啟動通信任務(wù)，與車檢器、配置終端或控制中心進行通信，采集交通信息，獲取控制中心或配置終端的消息。
第三步，啟動信號燈驅(qū)動和控制策略任務(wù)；根據(jù)信號機配置參數(shù)，當與中心通信時，按照控制中心下發(fā)的控制參數(shù)進行協(xié)調(diào)控制；當信號機單點運行時，按照本機的控制參數(shù)運行各種控制方式。最終通過信號燈驅(qū)動任務(wù)實現(xiàn)對信號燈的控制。
如圖3所示，本發(fā)明所述的自適應(yīng)交通控制方法，其工作流程是A、通過信號機控制模塊將混合交通流量數(shù)據(jù)，提供給區(qū)域控制器；
B、由區(qū)域控制器將流量數(shù)據(jù)輸至數(shù)據(jù)庫中儲存，并依據(jù)流量數(shù)據(jù)進行主要包括有周期時長參數(shù)S(P、m)，自行車相位配時參數(shù)φ(m2、n機、Tt)的優(yōu)化運算，從而形成優(yōu)化方案；或是通過交通客戶端制訂出人工干預控制方案；C、由區(qū)域控制器將優(yōu)化方案或人工干預方案輸入數(shù)據(jù)庫和中央控制服務(wù)器中，同時將優(yōu)化方案或人工干預方案下發(fā)至信號機終端執(zhí)行；D、由信號機終端實時調(diào)節(jié)、控制各類交通信號。
根據(jù)上述系統(tǒng)的工作方法，本發(fā)明所述的自適應(yīng)交通控制方法，其核心內(nèi)容是面向混合交通的控制算法，其主要包括流量預測與推測算法；周期長優(yōu)選算法；綠信比優(yōu)化算法；相位差優(yōu)化算法；自行車相位配時算法；單點感應(yīng)算法；單點優(yōu)化算法組成。
上述面向混合交通的控制算法，其關(guān)鍵是周期時長優(yōu)選算法、自行車相位配時算法。
周期時長優(yōu)選算法，其算法函數(shù)表達式是S(P、m)。
周期時長參數(shù)S采用相位交通強度P作為優(yōu)選指標，交通強度P是時間占有率和流量的函數(shù)。
優(yōu)選相位數(shù)m確定相位交通強度P與周期時長S的對應(yīng)關(guān)系。關(guān)鍵相位數(shù)m取值在2-5之間，因此優(yōu)選周期時長S具有四種選擇，即(P、2)，(P、3)，(P、4)，(P、5)。
混合交通控制系統(tǒng)，可根據(jù)預置的優(yōu)選相位數(shù)選擇相應(yīng)的相位交通強度P，從而確定相應(yīng)的周期時長S。
自行車相位配時算法，其算法函數(shù)表達式是φ(m2、n機、Tt)。
自行車相配時參數(shù)φ分為三部分，即自行車的折算系數(shù)確定、自行車相位分配、自行車相位配時。
其中，自行車折算系數(shù)是從自行車流量角度計量自行車交通流，自行車相位分配及配時算法從通行權(quán)角度分配自行車相位的時間。
(1)、計算自行車與機動車的折算系數(shù)通過線性回歸，確定直行自行車與機動車的換算系數(shù)、以及左轉(zhuǎn)自行車與機動車的換算系數(shù)m2。
(2)、判斷何時分配自行車相位是否分配左轉(zhuǎn)自行車相位，其關(guān)鍵因素是左轉(zhuǎn)自行車的數(shù)量，即混行比例的問題。
當左轉(zhuǎn)自行車數(shù)量較多時，混行車流通行能力要求上升，此時需利用較大的直行機動車間隙一次通過大量的左轉(zhuǎn)自行車，因而需設(shè)置一個左轉(zhuǎn)自行車相位；當左轉(zhuǎn)自行車數(shù)量較少時，左轉(zhuǎn)自行車可以先利用本向綠燈到達右側(cè)進口道直行等待區(qū)，當競爭方向綠燈時再隨競爭直行車流一起通過交叉口。
由此，需確定一個左轉(zhuǎn)自行車的臨界值計算模型，超過該臨界值即可設(shè)置左轉(zhuǎn)自行車相位；低于該臨界值則不設(shè)置左轉(zhuǎn)自選車相位，可使左轉(zhuǎn)自行車二次通過以避免沖突。
該臨界值的計算，是通過比較同一時間內(nèi)的左轉(zhuǎn)自行車通過數(shù)、直行機動車通過數(shù)來確定的。具體地先計算一次釋放的最大左轉(zhuǎn)自行車數(shù)所需的時間t；再計算該時間內(nèi)能夠通過的直行機動車n機；如表達式(2-1)所示 其中t-排隊的左轉(zhuǎn)自行車尾車從停車線到通過沖突點所需時間n左-綠燈初始時刻排隊的左轉(zhuǎn)自行車輛數(shù)s左-左轉(zhuǎn)自行車的飽和流率l沖-左轉(zhuǎn)自行車從停車線到與機動車沖突點的距離v左-左轉(zhuǎn)自行車的平均速度n機-時間t內(nèi)可以通過的不受干擾的直行機動車數(shù)然后比較直行機動車數(shù)與左轉(zhuǎn)自行車數(shù)(換算為機動車數(shù))，來決定是否為左轉(zhuǎn)自行車設(shè)置相位。即若n機＞n左/m2(m2為左轉(zhuǎn)自行車與機動車的換算系數(shù))，則說明未達到臨界值，則不應(yīng)設(shè)置左轉(zhuǎn)自行車相位；若n機＜n左/m2，則說明已達到臨界值，則應(yīng)當設(shè)置左轉(zhuǎn)自行車相位。
綜上所述，n機就是設(shè)置左轉(zhuǎn)自行車相位的臨界值。
(3)、計算自行車相位配時參數(shù)左轉(zhuǎn)自行車的綠燈提前截止時間Tt，如函數(shù)表達式(3-1)所示 其中s自左-左轉(zhuǎn)自行車從停車線到?jīng)_突點的行駛距離s機直-直行機動車從停車線到?jīng)_突點的行駛距離v自左-左轉(zhuǎn)自行車從停車線到?jīng)_突點的平均速度v機直頭-競爭直行機動車頭車從停車線到?jīng)_突點的平均速度n機右-從停車線到與右轉(zhuǎn)車沖突點時間內(nèi)經(jīng)過的右轉(zhuǎn)機動車車輛數(shù)t右延-一輛右轉(zhuǎn)機動車對左轉(zhuǎn)自行車造成的平均延誤t損-相位損失時間在機動車流和自行車流都較多的交叉口，配時參數(shù)Tt與直行車流通過時間之和，或配時參數(shù)Tt與左轉(zhuǎn)車流通過時間之和，應(yīng)是流量較大車流的通過時間。
以直行為例，直行機動車和直行自行車的相位時間如(3-2)式所示。

其中t自直-直行自行車排隊尾車從起動到通過沖突點的時間n自直-直行自行車到達數(shù)s自直-直行自行車飽和流率l自沖-直行自行車從停車線到與對向左轉(zhuǎn)機動車沖突點的行駛距離v自直-直行自行車平均速度t機直-直行機動車排隊尾車從起動到通過沖突點的時間n機直-直行機動車到達數(shù)s機直-直行機動車飽和流率l機沖-直行機動車從停車線到與對向左轉(zhuǎn)機動車沖突點的行駛距離v機直-直行機動車平均速度
權(quán)利要求
1.一種自適應(yīng)交通控制系統(tǒng)，具有三級結(jié)構(gòu)即中央控制服務(wù)器、區(qū)域控制服務(wù)器和交通信號機終端，其特征在于中央控制服務(wù)器，主要包括有交通狀況預測模塊、自動中心對時模塊和脈沖數(shù)據(jù)采集模塊；區(qū)域控制服務(wù)器，主要包括有交通強度計算模塊、周期時長優(yōu)選模塊、綠信比計算模塊、相位差計算模塊和自動干預控制模塊；交通信號機，主要包括有主控單元、通信單元、相位驅(qū)動單元、接口單元、車檢單元、電源單元、手動及顯示單元。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自適應(yīng)交通控制系統(tǒng)，其特征在于信號機控制模塊主要包括有系統(tǒng)初始化模塊、控制處理模塊、通信處理模塊、系統(tǒng)檢測模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、顯示與修改模塊、以及系統(tǒng)主模塊、RTOS、BSP。
3.一種自適應(yīng)交通控制系統(tǒng)的工作方法，其特征在于通過信號機控制模塊將混合交通流量數(shù)據(jù)，提供給區(qū)域控制器；由區(qū)域控制服務(wù)器將流量數(shù)據(jù)輸至數(shù)據(jù)庫中儲存，并依據(jù)流量數(shù)據(jù)進行主要包括有周期時長參數(shù)S(P、m)，自行車相位配時參數(shù)φ(m2、n機、Tt)的優(yōu)化運算，從而形成優(yōu)化方案；或是通過交通客戶端制訂出人工干預控制方案；由區(qū)域控制服務(wù)器將優(yōu)化方案或人工干預方案輸入數(shù)據(jù)庫和中央控制服務(wù)器中，同時將優(yōu)化方案或人工干預方案下發(fā)至信號機終端執(zhí)行；由信號機終端實時調(diào)節(jié)、控制各類交通信號。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的自適應(yīng)交通控制系統(tǒng)的工作方法，其特征在于周期時長參數(shù)S采用相位交通強度P作為優(yōu)選指標，優(yōu)選相位數(shù)m確定相位交通強度P與周期時長S的對應(yīng)關(guān)系，關(guān)鍵相位數(shù)m取值在2-5之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的自適應(yīng)交通控制系統(tǒng)的工作方法，其特征在于自行車相位配時參數(shù)φ包括有自行車的折算系數(shù)、自行車相位分配與否、自行車相位配時的三個計算部分；其中，當n機＜n左/m2時，設(shè)置左轉(zhuǎn)自行車相位；左轉(zhuǎn)自行車的綠燈提前截止時間Tt與直行車流通過時間之和，或配時參數(shù)Tt與左轉(zhuǎn)車流通過時間之和，應(yīng)是流量較大車流的通過時間。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的自適應(yīng)交通控制系統(tǒng)的工作方法，其特征在于直行機動車和直行自行車的相位時間運算公式為
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的自適應(yīng)交通控制系統(tǒng)的工作方法，其特征在于信號機控制模塊監(jiān)控收集混合交通流量數(shù)據(jù)，由自行車檢測器采集自行車流量數(shù)據(jù)；感應(yīng)檢測器采集各進口道流量或進口道飽和流量；戰(zhàn)略檢測器采集流量、速度、時間占有率。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的自適應(yīng)交通控制系統(tǒng)的工作方法，其特征在于信號機終端的工作流程是第一步，初始化操作系統(tǒng)；包括創(chuàng)建任務(wù)，初始化時鐘、定時器。第二步，啟動數(shù)據(jù)管理任務(wù)；包括讀取信號機運行參數(shù)，啟動通信任務(wù)，與車檢器、配置終端或控制中心進行通信，采集交通信息，獲取控制中心或配置終端的消息。第三步，啟動信號燈驅(qū)動和控制策略任務(wù)；根據(jù)信號機配置參數(shù)，當與中心通信時，按照控制中心下發(fā)的控制參數(shù)進行協(xié)調(diào)控制；當信號機單點運行時，按照本機的控制參數(shù)運行各種控制方式。最終通過信號燈驅(qū)動任務(wù)實現(xiàn)對信號燈的控制。
全文摘要
本發(fā)明所述的自適應(yīng)交通控制系統(tǒng)和方法，其目的即在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷。通過應(yīng)用交通信號配時優(yōu)化技術(shù)，建立起一種新的混合交通控制模型，從而能夠根據(jù)中國國情提供交通問題的解決方案。本發(fā)明所述的面向混合交通的自適應(yīng)交通控制系統(tǒng)和方法，其核心技術(shù)采用交通信號工程技術(shù)。采用混合交通控制算法，提供控制機動車、行人、非機動車的算法，以此形成實際的控制功能。在分析自行車、行人交通流的規(guī)律的基礎(chǔ)上，形成配時理論和算法，從而應(yīng)用于混合交通的控制。
文檔編號G08G1/00GK1619551SQ20031010567
公開日2005年5月25日 申請日期2003年11月18日 優(yōu)先權(quán)日2003年11月18日
發(fā)明者朱中, 陳維強, 汪志濤, 李月高, 馮璐, 孟祥軍 申請人:海信集團有限公司, 青島海信網(wǎng)絡(luò)科技股份有限公司