本發(fā)明屬于城市交通信號控制技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于分形幾何的交通信號控制器。

背景技術(shù)：

隨著先進技術(shù)在交通信號控制領(lǐng)域的深入應(yīng)用和快速發(fā)展，城市交通信號控制從原來的機械式控制、燒制芯片式電子控制、定時多方案存儲式控制，發(fā)展到現(xiàn)在基于各種交通流檢測信息的感應(yīng)控制、自適應(yīng)動態(tài)控制、智能主從控制、在線優(yōu)化控制、遠程協(xié)調(diào)聯(lián)動控制等。交通信號控制器的控制功能、控制模式、控制層次、控制規(guī)模等都在不斷向網(wǎng)絡(luò)化、智能化、集成化等方向發(fā)展，為維護城市道路交通網(wǎng)絡(luò)的交通秩序、提高城市道路交通出行的安全性、提高道路交通通行能力和使用效率、緩解城市道路交通擁擠擁堵等發(fā)揮著越來越重要的作用。

在城市交通系統(tǒng)中，交通信號控制器要實現(xiàn)感應(yīng)控制、自適應(yīng)動態(tài)控制、在線優(yōu)化控制、智能主從控制、遠程協(xié)調(diào)聯(lián)動控制等現(xiàn)代化、智能化控制技術(shù)手段，需要依托在城市道路交叉口各進口道安裝一定數(shù)量的交通流檢測裝置，同時在道路交叉口附近鋪設(shè)連通交通流檢測裝置、現(xiàn)場終端控制設(shè)備、交通信號控制器等硬件設(shè)施的復(fù)雜通信網(wǎng)絡(luò)。與此同時，交通流檢測裝置的安裝與維護、交叉口附近通信網(wǎng)絡(luò)的鋪設(shè)與維護等需要投入大量的資金、人力、物力資源。而且依托交叉口各進口道安裝交通流檢測裝置、交叉口附近鋪設(shè)復(fù)雜通信網(wǎng)絡(luò)進行感應(yīng)控制、自適應(yīng)動態(tài)控制、智能主從控制、遠程協(xié)調(diào)聯(lián)動控制等現(xiàn)代化交通信號控制技術(shù)的交通信號控制系統(tǒng)，在進行交通信號控制功能、控制模式、控制層次、控制規(guī)模等方面進行升級、改造、維護、管理、重構(gòu)等將面臨系統(tǒng)重建、運維困難、投資巨大等諸多問題，不利于交通信號控制裝置和控制系統(tǒng)系統(tǒng)的集約化管理，不能滿足時變交通背景下進行交通信號控制精細化組織和優(yōu)化控制的需求。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為減少交通信號控制系統(tǒng)在道路交叉口交通流檢測裝置的購置和安裝投入、降低城市道路交叉口終端設(shè)備連通網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性和工程投入、提高城市道路交叉口交通信號控制的靈活性、滿足交通信號控制精細化組織和優(yōu)化控制的需求、實現(xiàn)交通信號控制設(shè)備的集約化管理，本發(fā)明提出了一種基于分形幾何的交通信號控制器，該交通信號控制器主要由檢測單元、主控單元、通信單元、電源單元組成，如圖1、圖2所示，主要實現(xiàn)對城市道路交叉口各進口方向交通流檢測、交叉口交通信號精細化組織設(shè)計和交叉口交通信號優(yōu)化控制。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案主要在城市道路交叉口進口道的路側(cè)上空安裝本發(fā)明提出的交通信號控制器，如圖3所示。通過交通信號控制器的檢測單元獲取交叉口各進口方向的交通流分布形態(tài)特征信息和分布密集度信息；通過交通信號控制器的主控單元對交叉口的交通信號進行精細化組織設(shè)計和優(yōu)化控制；通過交通信號控制器的通信單元將主控單元的交通信號控制配時信息傳送給交叉口各方向的交通信號燈，將檢測單元的交通流分布信息傳送給交通指揮中心或相鄰交叉口的交通信號控制器，接收交通指揮中心、相鄰交叉口交通信號控制器、現(xiàn)場警用手持交通信號調(diào)控終端對交通信號控制方案的干預(yù)信息；通過交通信號控制器的電源單元為交通信號控制器的各功能單元提供穩(wěn)壓、不間斷的電源。本發(fā)明提出的一種基于分形幾何的交通信號控制器，其特征主要包括：

1)檢測單元

檢測單元嵌有陣列式紅外多目球形攝像機和DSP微處理模塊，用于對交叉口各進口方向的交通流分布形態(tài)特征和分布密集度進行檢測、識別和提取，并將交叉口各進口方向的交通流分布特征信息通過母板總線傳送給主控單元和通信單元。

2)主控單元

主控單元嵌有MCU微處理模塊和母板總線，主控單元與各功能單元通過母板總線進行信息通信，獲取檢測單元、通信單元傳送過來的交通流分布特征信息、交通信號控制方案干預(yù)信息等；MCU微處理模塊根據(jù)獲取的交叉口各進口方向的交通流分布形態(tài)特征信息和分布密集度信息、交通信號控制方案干預(yù)信息等進行分析、評估后，對交叉口交通信號進行精細化組織設(shè)計和交通信號優(yōu)化控制。

3)通信單元

通信單元嵌有WIFI無線路由模塊、4G移動通信模塊和光纖網(wǎng)絡(luò)通信模塊，通過WIFI無線路由模塊與交叉口各方向的交通信號燈、現(xiàn)場警用手持交通信號調(diào)控終端以及其他現(xiàn)場終端設(shè)備建立通信連接和信息通信；通過4G移動通信模塊和光纖網(wǎng)絡(luò)通信模塊與交通指揮中心、相鄰交叉口的交通信號控制器建立通信連接和信息通信，進行交叉口交通流分布特征信息、交通信號控制方案、交通信號控制方案干預(yù)信息的信息交互。

4)電源單元

電源單元嵌有微型變壓器、微型電壓調(diào)整器、太陽能電池組件模塊、微型在線互動式UPS控制器，其中太陽能電池組件模塊由太陽能電池板、充電控制器、太陽能電池組、小型蓄電池組成，在太陽能電池組件模塊供電正常時利用太陽能電池組件模塊對交通信號控制器各功能單元進行供電，同時利用微型在線互動式UPS控制器中的雙向變換器對太陽能電池進行充電，以保持太陽能電池處于滿充狀態(tài)；當太陽能電池組件模塊供電不正常時，UPS控制器中的雙向變換器對市電進穩(wěn)壓、濾噪處理后對太陽能電池進行充電，并由太陽能電池對交通信號控制器各功能單元進行供電，以保障交通信號控制電源供應(yīng)的不間斷，實現(xiàn)交通信號控制器各功能單元的不間斷運行。通過微型變壓器、微型電壓調(diào)整器為交通信號控制器各功能單元提供穩(wěn)壓電源，保障交通信號控制器各功能單元各元器件的穩(wěn)定運行。

附圖說明

圖1：交通信號控制器功能單元組成圖；

圖2：交通信號控制器外觀結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3：交通信號控制器安裝及工作原理示意圖。

具體實施方式

本發(fā)明所述的一種基于分形幾何的交通信號控制器安裝在城市道路交叉口進口方向的路側(cè)上空，主要由檢測單元、主控單元、通信單元、電源單元組成，如圖1、圖2、圖3所示，主要實現(xiàn)對城市道路交叉口各進口方向交通流分布特征檢測、交叉口交通信號精細化組織設(shè)計和交叉口交通信號優(yōu)化控制。

本發(fā)明提出的一種基于分形幾何的交通信號控制器，其工作的具體流程為：

1)檢測單元

檢測單元中的陣列式紅外多目球形攝像機中的攝像頭分別以不同的視角覆蓋交叉口的各進口方向，對交叉口各進口方向的交通流分布形態(tài)進行視頻圖像采集；DSP微處理模塊對陣列式紅外多目球形攝像機中各攝像頭采集的視頻圖像進行圖像識別和信息提取，具體工作步驟如下：

Step1：DSP微處理模塊為每個陣列式紅外多目球形攝像機中攝像頭采集的視頻圖像構(gòu)建一個M×N的二維數(shù)字圖像矩陣I(Ω)，

其中：Ω表示陣列式紅外多目球形攝像機中的攝像頭視角下覆蓋的交叉口進口方向的二維空間區(qū)域；M表示在二維數(shù)字圖像矩陣中以像素為單位將Ω劃分形成的總行數(shù)；N表示在二維數(shù)字圖像矩陣中以像素為單位將Ω劃分形成的總列數(shù)；I_ij表征Ω中第i行第j列像素點的灰度值。

Step2：定義A為一個由n×n個像素點組成的方形區(qū)域，A∈Ω。方形區(qū)域A_ij的中心點為Ω中第i行第j列像素點。計算Ω中的像素點灰度值在各自方形區(qū)域內(nèi)的測度值μ_ij，

其中：為方形區(qū)域A_ij內(nèi)所有像素點的灰度平均值；為二維數(shù)字圖像Ω所有像素點的灰度平均值。

Step3：計算各像素點在二維數(shù)字圖像中的局部奇異性指數(shù)α_ij，

其中：α_ij為I_ij在方形區(qū)域A_ij中的局部奇異性指數(shù)；ε＝2n+1，n＝0,1,…。

計算所有像素點的局部奇異性指數(shù)后，可獲得二維數(shù)字圖像中最大的局部奇異性指數(shù)和最小的局部奇異性指數(shù)

Step4：將[α_min，α_max]劃分成κ個盒子，每個盒子用表示，i表示盒子在α_min，α_max]中的序列號，計算盒子中心點的局部奇異性指數(shù)并用代替盒子中其他點的局部奇異性指數(shù)。

Step5：計算像素點在二維數(shù)字圖像的全局奇異性指數(shù)P_ij：

其中：為像素點灰度值測度為μ_ij的覆蓋盒子數(shù)；δ為盒子的劃分尺度，δ＝(α_max-α_min)/κ。

Step6：提取二維數(shù)字圖像Ω各個像素點的P_ij值，當τ-σ≤P_ij≤τ+σ時，判定所在像素點為平滑邊緣點，其中τ為平滑邊緣點檢測臨界閾值，σ為平滑邊緣點檢測隨機噪聲；當λ-ξ≤P_ij≤λ+ξ時，判定所在像素點為紋理點，其中λ為紋理點檢測臨界閾值，ξ為紋理點檢測隨機噪聲；當τ<P_ij<β時，判定所在像素點為奇異邊緣點，其中β為奇異邊緣點檢測臨界閾值。

Step7：沿二維數(shù)字圖像Ω外側(cè)平滑邊緣點和奇異邊緣點組成的邊緣線進行外側(cè)延長和交叉，繪制形成交通流分布形態(tài)的外側(cè)邊緣線，構(gòu)建行車成閉合的邊緣圖形，形成交叉口進口方向交通流的分布形態(tài)特征圖形Δ；同時，計算紋理點在二維數(shù)字圖像Ω中的占用面積Φ，將Φ除以邊緣圖形Δ的占用面積，得到交叉口進口方向的交通流分布密集度d。

Step8：對陣列式紅外多目球形攝像機各攝像頭采集的視頻圖像重復(fù)Step1-Step7的過程，獲得交叉口各進口方向的交通流分布形態(tài)特征Δ_i和交叉口各進口方向的交通流分布密集度d_i，其中i為交叉口各進口方向的序號。并將交叉口各進口方向的交通流分布形態(tài)特征信息和交通流分布密集度信息通過母板總線傳送給主控單元的MCU微處理模塊和通信單元的4G移動通信模塊和光纖網(wǎng)絡(luò)通信模塊。

2)主控單元

主控單元中的MCU微處理模塊通過母板總線實時獲取檢測單元、通信單元傳送過來的交通流分布特征信息、交通信號控制方案干預(yù)信息，并基于這些信息分析交叉口的交通流運行狀態(tài)，從而對交叉口交通信號進行精細化組織設(shè)計和優(yōu)化控制，具體工作步驟如下：

Step1：MCU微處理模塊將檢測單元傳送過來的交叉口各進口方向的交通流分布形態(tài)特征圖形Δ_i與MCU微處理模塊存儲的標準圖形集進行相似匹配，其中Z為標準圖形集元素的個數(shù)，找到與交通流分布形態(tài)特征圖形Δ_i最為近似的標準圖形其中z為標準圖形在標準圖形集中的序列號。

Step2：在MCU微處理模塊中，每一個標準圖形根據(jù)其圖形分布特征，集成了不同分布密集度下的相位構(gòu)成PH_z及其對應(yīng)的相位建議綠燈時長PG_z，相位構(gòu)成集為PH＝{ST、ST&IT、ST||IT}，其中ST表示該進口方向只有直行相位；ST&IT表示該進口方向直行和左轉(zhuǎn)共用一個相位；ST||IT表示該進口方向直行和左轉(zhuǎn)有各自獨立的相位。

Step3：當交叉口各進口方向交通流分布形態(tài)特征圖形Δ_i與標準圖形集匹配完成后，MCU微處理模塊根據(jù)各進口方向標準圖形在交通流分布密集度d_i下匹配的相位構(gòu)成PH_z及其對應(yīng)的相位建議綠燈時長PG_z，同時結(jié)合交通指揮中心傳送過來的交通信號控制方案干預(yù)信息或現(xiàn)場警用手持交通信號調(diào)控終端的調(diào)控信息，進行交叉口交通信號相位的沖突檢測和優(yōu)化組合，得到交叉口交通信號相位相序的優(yōu)化構(gòu)成形式PH_C_O。

Step4：MCU微處理模塊判斷PH_C_O與交叉口當前正在執(zhí)行的相位相序構(gòu)成形式PH_C是否一致，如果PH_C_O≠PH_C，則判斷PH_C執(zhí)行時間T(PH_C)是否大于相位最小執(zhí)行周期E，如果T(PH_C)≥E，則過渡到執(zhí)行當前最優(yōu)相位相序構(gòu)成形式PH_C_O；如果T(PH_C)<E，則繼續(xù)執(zhí)行相位相序構(gòu)成形式PH_C，令PH_C_O＝PH_C。

Step5：MCU微處理模塊根據(jù)交叉口各進口方向的交通流分布形態(tài)特征Δ_i和交叉口各進口方向的交通流分布密集度d_i，對交叉口各進口方向的相位綠燈時間進行修正：

其中：PG_i為交叉口第i進口方向修正后的相位綠燈時長；Ψ(Δ_i)為交叉口交通流分布形態(tài)特征圖形Δ_i的面積；為Δ_i對應(yīng)的標準圖形的面積；為交通流分布形態(tài)特征Δ_i和交通流分布密集度d_i下標準圖形匹配的密集度。

Step6：MCU微處理模塊根據(jù)組織設(shè)計形成的交叉口相位相序構(gòu)成形式PH_C_O，根據(jù)相位的組成，選擇同一相位構(gòu)成內(nèi)PG_i最大的值作為相位綠燈時長，并根據(jù)相位數(shù)、相位損失時間，獲得交叉口的信號周期時長C_PH。同時，MCU微處理模塊接收來自交通指揮中心的交通控制方案干預(yù)信息和現(xiàn)場警用手持交通信號調(diào)控終端的調(diào)控信息，查看是否有對相位綠燈時長、相序執(zhí)行順序、信號周期時長的干預(yù)信息，如果存在干預(yù)信息，則按交通指揮中心的分配的相位綠燈時長PH_G、相位執(zhí)行順序PH_S、信號周期時長C_PH_C。

Step7：MCU微處理模塊判斷是否有來自相鄰交叉口傳送過來的交叉口交通流分布形態(tài)特征信息和交叉口分布密度集信息，如果存在相鄰交叉口傳送過來的交叉口交通流分布形態(tài)特征信息和交叉口分布密度集信息，MCU微處理模塊按Step3-Step5的過程為相鄰交叉口的交通信號相位相序的優(yōu)化構(gòu)成形式、相位綠燈時長、相位執(zhí)行順序、信號周期時長進行組織設(shè)計和優(yōu)化，并確定本交叉口和相鄰交叉口的相位綠燈起步時距，與相鄰交叉口形成聯(lián)動協(xié)調(diào)控制。

Step8：MCU微處理模塊通過母板總線將本交叉口的交通信號相位相序的優(yōu)化構(gòu)成形式、相位綠燈時長、相位執(zhí)行順序、信號周期時長通過通信單元的WIFI無線路由模塊傳送給交叉口的交通信號燈；通過通信單元的4G通信模塊或光纖網(wǎng)絡(luò)通信模塊將組織設(shè)計和優(yōu)化形成的相鄰交叉口的交通信號相位相序的優(yōu)化構(gòu)成形式、相位綠燈時長、相位執(zhí)行順序、信號周期時長、相位綠燈起步時距傳送給相鄰交叉口的交通信號控制器；通過通信單元的4G通信模塊或光纖網(wǎng)絡(luò)通信模塊將本交叉口交通流分布形態(tài)特征信息和交叉口分布密度集信息、交通信號相位相序的優(yōu)化構(gòu)成形式、相位綠燈時長、相位執(zhí)行順序、信號周期時長傳送給交通指揮中心。

3)通信單元

通信單元通過WIFI無線路由模塊與交叉口各方向的交通信號燈、現(xiàn)場警用手持交通信號調(diào)控終端以及其他現(xiàn)場終端設(shè)備建立通信連接和信息通信；通過4G移動通信模塊或光纖網(wǎng)絡(luò)通信模塊與交通指揮中心、相鄰交叉口的交通信號控制器建立通信連接和信息通信，進行交叉口交通流分布形態(tài)特征、交通流分布密集度、交通信號控制方案、交通信號控制方案干預(yù)信息的信息交互。具體工作步驟如下：

Step1：通信單元通過母板總線獲取主控單元傳送過來的交通信號相位相序的優(yōu)化構(gòu)成形式、相位綠燈時長、相位執(zhí)行順序、信號周期時長，WIFI無線路由模塊將這些信息傳送給交叉口各方向的交通信號燈，由交通信號燈執(zhí)行具體的交通信號控制方案。

Step2：WIFI無線路由模塊接收來自現(xiàn)場警用手持交通信號調(diào)控終端的交通信號綠燈時長調(diào)控信息，并將該信息通過母板總線傳送給主控單元的MCU微處理模塊，由MCU微處理模塊對交叉口的交通信號相位相序的優(yōu)化構(gòu)成形式、相位綠燈時長、相位執(zhí)行順序、信號周期時長進行調(diào)整。

Step3通信單元通過母板總線獲取主控單元傳送過來的本交叉口交通流分布形態(tài)特征信息和交叉口分布密度集信息、交通信號相位相序的優(yōu)化構(gòu)成形式、相位綠燈時長、相位執(zhí)行順序、信號周期時長，通過4G移動通信模塊或光纖網(wǎng)絡(luò)通信模塊傳送給交通指揮中心。

Step5：通信單元通過母板總線獲取主控單元傳送過來相鄰交叉口的交通信號相位相序的優(yōu)化構(gòu)成形式、相位綠燈時長、相位執(zhí)行順序、信號周期時長、相位綠燈起步時距，通過4G移動通信模塊或光纖網(wǎng)絡(luò)通信模塊傳送給相鄰交叉口的交通信號控制器。

Step6：4G移動通信模塊或光纖網(wǎng)絡(luò)通信模塊接收來自交通指揮中心的交通信號控制方案干預(yù)信息以及相鄰交叉口交通信號控制器的交通流分布形態(tài)特征信息和交叉口分布密度集信息，并通過母板總線傳送給主控單位的MCU微處理模塊。

4)電源單元

電源單元通過嵌入其中的微型變壓器和微型電壓調(diào)整器提供穩(wěn)壓直流電源，保障交通信號控制器內(nèi)部線路的可靠性和穩(wěn)定性。通過太陽能電池組件模塊將太陽能通過太陽能接收板、太陽能電池組件、充電控制器、小型蓄電池轉(zhuǎn)化成直流穩(wěn)壓電源，為交通信號控制器各功能模塊進行供電；通過微型在線互動式UPS控制器中的雙向變換器，在太陽能電池組件模塊供電正常時利用太陽能電池組件模塊對交通信號控制器各功能模塊進行供電，同時對太陽能電池進行充電，以保持電池處于滿充狀態(tài)，當太陽能電池組件模塊供電不正常時，UPS控制器中的雙向變換器對市電進行穩(wěn)壓、濾噪處理后對太陽能電池進行充電，并由太陽能電池對交通信號控制器各功能單元進行供電。