一种基于时间敏感网络的智能交通信号控制系统与方法

1.本发明涉及智能交通技术领域，具体为一种基于时间敏感网络的智能交通信号控制系统与方法。


背景技术：

2.交通信号控制是缓解交通拥堵、提高出行效率和减少环境污染的重要手段。传统的交通信号控制方法依赖于一些对交通模型的假设，然而，这些假设通常忽略了车辆个体之间的差异和各种随机事件，严重背离了真实的交通状况，因而，限制了传统交通信号控制方法的应用。
3.近年来，随着信息技术的发展，以强化学习为主的智能交通信号控制方法根据实时的交通流信息，动态的调节信号相位，表现出优异的控制效果。智能交通信号控制依赖于高清摄像头，毫米波雷达等感知设备收集到的实时交通流数据，以秒为时间间隔调整信号相位，对智能交通信号控制系统的通信带宽、数据传输延迟与抖动、数据可靠性有着较高的要求。然而，目前智能交通信号控制系统通信方式主要为标准以太网以及传统工业以太网。标准以太网是基于尽力而为的传输机制，传输延时和抖动不可控，无法满足智能交通信号控制系统的要求。传统工业以太网协议种类多，大都是针对特定行业的专有技术，需要专用的硬件和电路支持，且互不兼容，无法支持未来工业网络的发展。
4.时间敏感网络是以标准以太网为基础，在数据链路层提供确定性数据传输服务的标准化网络技术。时间敏感网络既能满足工业控制的实时性和确定性，又能兼容以太网，实现工业控制数据和以太网数据的混合传输。然而，智能交通信号控制系统其连接的物理对象具有多样性的特点，不同物理的对象的计算能力与数据解析能力存在显著差距。同时，智能交通信号控制系统各节点间传输的数据类型具有多模态的特点，不同模态的数据对实时性、抖动、带宽有着不同的要求。这需要时间敏感网络控制器对智能交通信号控制系统的网络资源配置与流量调度进行针对性设计与优化。是以，实现基于时间敏感网络的智能交通信号控制系统与方法仍面临着重要的挑战。
5.因此，亟待需要实现一种基于时间敏感网络的智能交通信号控制系统与方法，以支持智能算法在交通信号控制领域的落地与应用。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种基于时间敏感网络的智能交通信号控制系统与方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
7.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于时间敏感网络的智能交通信号控制系统，包括感知模块、时间敏感网络交换机、智能控制模块和交通信号机，所述时间敏感网络交换机双向信号连接感知模块、智能控制模块和交通信号机，所述感知模块包括目标检测高清摄像头和广域多目标毫米波雷达，所述智能控制模块具体用于接收感知模块发送的所述图像数据与雷达数据，并进行数据融合分析，提取交通特征，所述交通特征包
括：车道车辆数、车道排队长度、车道平均车速、交叉口通过车辆数和车辆到车道停止线的距离，所述智能控制模块还具体用于存储深度强化学习算法预训练得到的神经网络结构与权重，将所述交通特征作为神经网络的输入，输出当前时刻的相位，并发送给所述交通信号机。
8.优选的，所述交通信号机支持全相位选择、相位跳变与以秒为时间间隔的相位改变，还用于接收智能控制模块发送的相位信息，将相位信息发送给交叉口交通信号灯。
9.优选的，所述时间敏感网络交换机包括利用时间敏感网络芯片集成的通信控制模块、数据存储器、配置存储器与通信接口，所述通信控制模块与数据存储器、配置存储器和通信接口双向信号连接。
10.优选的，所述通信控制模块包括时钟同步模块、网络管理配置模块、流量整形模块和流可靠性模块。
11.优选的，所述时钟同步模块根据ieee802.1as协议中的广义精确时钟同步协议同步网络节点的时间信息，具体包括以下步骤：使用同步生成树确定网络节点的层次与拓扑结构，并测量不同网络节点的数据链路层延时；配置多个冗余广义精确时钟同步协议域，每个广义精确时钟同步协议域都设置一个主时钟节点；若主广义精确时钟同步协议域的主时钟节点运行状态出现异常，可由冗余广义精确时钟同步协议域代替主广义精确时钟同步协议域。
12.优选的，所述网络管理配置模块根据ieee802.qcc协议中的集中网络配置和集中用户配置方式实现灵活的网络配置，还根据ieee802.1qat协议为关键业务流生成门控列表，为音频视频桥接业务流预留带宽。
13.优选的，所述流量整形模块根据ieee802.1qbv中的时间感知整形器与ieee802.1qav中的基于信用的整形器中的流量调度算法调度相位控制流与交叉口信息流，所述相位控制流为智能控制模块发送的相位选择信息，所述时间感知整形器流量调度算法将相位控制流认定为关键业务流，为相位控制流生成门控制列表，以类似时间触发的方式，每间隔5秒或10秒定时发送相位控制流，提供低延时、低抖动的确定性传输；
14.所述交叉口信息流包括目标检测高清摄像头发送的当前交叉口的实时道路交通状况信息的高清图像与广域多目标毫米波雷达发送的当前交叉口观测范围内每辆车的位置、速度与轨迹信息；
15.所述基于信用的整形器流量调度算法为高带宽要求的图像数据流量分配优先级为8的优先级队列与为低带宽要求的雷达数据流量分配优先级为7的优先级队列，所述基于信用的整形器流量调度算法为高优先级队列中的流量预留高带宽，为低优先级队列中的流量预留低带宽，从而满足不同类型流量的延迟与抖动要求。
16.一种基于时间敏感网络的智能交通信号控制系统的控制方法，包括如下步骤：根据感知模块获取当前交叉口的交通状况信息与交通流信息；
17.智能控制模块根据当前交叉口的交通状况信息与交通流信息进行数据融合分析，提取交通特征，如车道车辆数、车道排队长度、车道平均车速、交叉口通过车辆数和车辆到车道停止线的距离；
18.智能控制模块利用强化学习算法预训练得到的申请网络模型以提取到的交通特征作为输入，输出当前时刻的相位选择信息；
19.交通信号机根据得到的相位选择信息选择当前时刻的相位。
20.优选的，所述强化学习算法的预训练过程包括如下步骤：通过预设的仿真软件和路网环境信息生成路网文件；根据路网中每个车辆的行驶路径生成路网交通流量文件；根据该路网文件和路网交通流量文件生成仿真配置文件；根据仿真配置文件搭建强化学习仿真环境，进行交通信号控制模型训练；将每轮模型训练所得的结果存储到经验回放池；从经验池中随机采样一批样本，通过柔性演员-评论家算法训练模型在仿真环境中对训练得到的模型进行评估。
21.优选的，所述当前时刻的相位选择信息包括所有不冲突的相位组合信息组合，具体包括：南北直行相位、北直行左拐相位、南直行左拐相位、南北左拐相位、东西直行相位、东西左拐相位、东直行左拐相位和西直行左拐相位。
22.与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明能够极大的改善智能交通信号控制系统通信的延迟与抖动，提高数据的可靠性，实现以秒为时间间隔的相位选择，且该方法使用深度强化学习交通信号控制模型选择当前时刻的相位，能够极大的提高通行效率。
附图说明
23.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
24.图1为本发明系统原理框图；
25.图2为本发明智能控制模块原理框图；
26.图3为本发明时间敏感网络交换机组成框图；
27.图4为本发明时间同步模块工作流程图；
28.图5为本发明流量整形模块原理框图。
具体实施方式
29.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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
30.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”等指示的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。
31.请参阅图1-2，本发明提供一种技术方案：一种基于时间敏感网络的智能交通信号控制系统，包括感知模块、时间敏感网络交换机、智能控制模块和交通信号机，感知模块用于获取当前交叉口的道路交通状况信息，实时交通流信息，并发送道路状况与交通流信息；智能控制模块根据获取的当前交叉口的道路交通状况，实时交通流信息和历史交通数据信息进行数据融合分析，提取交通特征，以提取出来的交通特征作为强化学习算法预训练得
到的神经网络模型的输入，输出当前时刻的相位；交通信号机用于接收智能控制模块输出的相位，将相位信息发送给当前交叉口的交通信号灯，时间敏感网络交换机双向信号连接感知模块、智能控制模块和交通信号机，用于同步所述模块的时钟信息，实现网络中统一的时间基准，使其工作在统一的时间基准下，自动配置当前网络的门控表，根据流量整形算法为调度不同类型的流量，确保感知模块、智能控制模块和交通信号机数据传输的确定性、低时延与可靠性，感知模块包括目标检测高清摄像头和广域多目标毫米波雷达，具体为：目标检测高清摄像头实时获取当前交叉口的道路交通状况信息的高清图像，采用人工智能目标检测算法以矩形框的形式标注出图像中每辆车的位置；多目标广域毫米波雷达实时获取当前交叉口观测范围内每辆车的位置与速度，根据人工智能目标跟踪算法计算出每辆车的轨迹，智能控制模块具体用于接收感知模块发送的图像数据与雷达数据，并进行数据融合分析，提取交通特征，交通特征包括：车道车辆数、车道排队长度、车道平均车速、交叉口通过车辆数和车辆到车道停止线的距离，智能控制模块还具体用于存储深度强化学习算法预训练得到的神经网络结构与权重，将交通特征作为神经网络的输入，输出当前时刻的相位，并发送给交通信号机。
32.其中，交通信号机支持全相位选择、相位跳变与以秒为时间间隔的相位改变，还用于接收智能控制模块发送的相位信息，将相位信息发送给交叉口交通信号灯。
33.请参阅图3，时间敏感网络交换机包括利用时间敏感网络芯片集成的通信控制模块、数据存储器、配置存储器与通信接口，通信控制模块与数据存储器、配置存储器和通信接口双向信号连接，数据存储器缓存传输流量，支持基于冗余机制的流可靠性服务；配置存储器存储网络拓扑结构中各节点的配置、流量信息；通信接口连接支持时间敏感网络的终端设备。
34.其中，通信控制模块包括时钟同步模块、网络管理配置模块、流量整形模块和流可靠性模块，具体为：时钟同步模块通过对网络各节点时钟的操作，实现网络中统一的时间基准，控制不同设备同步执行操作；网络管理配置模块获取网络拓扑结构中各节点的流量、带宽等信息，动态的生成时间敏感网络的资源管理协议和配置策略，并将生成的时间敏感网络资源管理协议和配置策略存储到配置存储器中；流量整形模块对时间敏感网络中不同类型的流量使用不同的流量调度技术，满足不同类型流量传输的延时与抖动的要求；流可靠性模块通过备份在数据存储器中的流量数据，以及网络链路中空闲的带宽等冗余机制实现关键数据的重传，提高数据传输的可靠性。
35.请参阅图4，时钟同步模块根据ieee802.1as协议中的广义精确时钟同步协议同步网络节点的时间信息，具体包括以下步骤：使用同步生成树确定网络节点的层次与拓扑结构，并测量不同网络节点的数据链路层延时；配置多个冗余广义精确时钟同步协议域，每个广义精确时钟同步协议域都设置一个主时钟节点；若主广义精确时钟同步协议域的主时钟节点运行状态出现异常，可由冗余广义精确时钟同步协议域代替主广义精确时钟同步协议域。
36.请参阅图5中(a)与(b)，网络管理配置模块根据ieee802.qcc协议中的集中网络配置和集中用户配置方式实现灵活的网络配置，还根据ieee802.1qat协议为关键业务流生成门控列表，为音频视频桥接业务流预留带宽。
37.其中，流量整形模块根据ieee802.1qbv中的时间感知整形器与ieee802.1qav中的
基于信用的整形器中的流量调度算法调度相位控制流与交叉口信息流，相位控制流为智能控制模块发送的相位选择信息，时间感知整形器流量调度算法将相位控制流认定为关键业务流，为相位控制流生成门控制列表，以类似时间触发的方式，每间隔5秒或10秒定时发送相位控制流，提供低延时、低抖动的确定性传输；
38.交叉口信息流包括目标检测高清摄像头发送的当前交叉口的实时道路交通状况信息的高清图像与广域多目标毫米波雷达发送的当前交叉口观测范围内每辆车的位置、速度与轨迹信息；
39.基于信用的整形器流量调度算法为高带宽要求的图像数据流量分配优先级为8的优先级队列与为低带宽要求的雷达数据流量分配优先级为7的优先级队列，基于信用的整形器流量调度算法为高优先级队列中的流量预留高带宽，为低优先级队列中的流量预留低带宽，从而满足不同类型流量的延迟与抖动要求。
40.一种基于时间敏感网络的智能交通信号控制系统的控制方法，包括如下步骤：根据感知模块获取当前交叉口的交通状况信息与交通流信息；
41.智能控制模块根据当前交叉口的交通状况信息与交通流信息进行数据融合分析，提取交通特征，如车道车辆数、车道排队长度、车道平均车速、交叉口通过车辆数和车辆到车道停止线的距离；
42.智能控制模块利用强化学习算法预训练得到的申请网络模型以提取到的交通特征作为输入，输出当前时刻的相位选择信息；
43.交通信号机根据得到的相位选择信息选择当前时刻的相位。
44.其中，强化学习算法的预训练过程包括如下步骤：通过预设的仿真软件和路网环境信息生成路网文件；根据路网中每个车辆的行驶路径生成路网交通流量文件；根据该路网文件和路网交通流量文件生成仿真配置文件；根据仿真配置文件搭建强化学习仿真环境，进行交通信号控制模型训练；将每轮模型训练所得的结果存储到经验回放池；从经验池中随机采样一批样本，通过柔性演员-评论家算法训练模型在仿真环境中对训练得到的模型进行评估。
45.当前时刻的相位选择信息包括所有不冲突的相位组合信息组合，具体包括：南北直行相位、北直行左拐相位、南直行左拐相位、南北左拐相位、东西直行相位、东西左拐相位、东直行左拐相位和西直行左拐相位。
46.本发明能够确保智能交通信号系统数据传输的确定性、低时延与可靠性，使用深度强化学习交通信号控制模型选择当前时刻的相位，能够极大的提高通行效率与道路通行能力。
47.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
48.以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明
的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

技术特征：
1.一种基于时间敏感网络的智能交通信号控制系统，包括感知模块、时间敏感网络交换机、智能控制模块和交通信号机，其特征在于：所述时间敏感网络交换机双向信号连接感知模块、智能控制模块和交通信号机，所述感知模块包括目标检测高清摄像头和广域多目标毫米波雷达，所述智能控制模块具体用于接收感知模块发送的所述图像数据与雷达数据，并进行数据融合分析，提取交通特征，所述交通特征包括：车道车辆数、车道排队长度、车道平均车速、交叉口通过车辆数和车辆到车道停止线的距离，所述智能控制模块还具体用于存储深度强化学习算法预训练得到的神经网络结构与权重，将所述交通特征作为神经网络的输入，输出当前时刻的相位，并发送给所述交通信号机。2.根据权利要求1所述的一种基于时间敏感网络的智能交通信号控制系统，其特征在于：所述交通信号机支持全相位选择、相位跳变与以秒为时间间隔的相位改变，还用于接收智能控制模块发送的相位信息，将相位信息发送给交叉口交通信号灯。3.根据权利要求1所述的一种基于时间敏感网络的智能交通信号控制系统，其特征在于：所述时间敏感网络交换机包括利用时间敏感网络芯片集成的通信控制模块、数据存储器、配置存储器与通信接口，所述通信控制模块与数据存储器、配置存储器和通信接口双向信号连接。4.根据权利要求3所述的一种基于时间敏感网络的智能交通信号控制系统，其特征在于：所述通信控制模块包括时钟同步模块、网络管理配置模块、流量整形模块和流可靠性模块。5.根据权利要求4所述的一种基于时间敏感网络的智能交通信号控制系统，其特征在于：所述时钟同步模块根据ieee 802.1as协议中的广义精确时钟同步协议同步网络节点的时间信息，具体包括以下步骤：使用同步生成树确定网络节点的层次与拓扑结构，并测量不同网络节点的数据链路层延时；配置多个冗余广义精确时钟同步协议域，每个广义精确时钟同步协议域都设置一个主时钟节点；若主广义精确时钟同步协议域的主时钟节点运行状态出现异常，可由冗余广义精确时钟同步协议域代替主广义精确时钟同步协议域。6.根据权利要求4所述的一种基于时间敏感网络的智能交通信号控制系统，其特征在于：所述网络管理配置模块根据ieee 802.qcc协议中的集中网络配置和集中用户配置方式实现灵活的网络配置，还根据ieee 802.1qat协议为关键业务流生成门控列表，为音频视频桥接业务流预留带宽。7.根据权利要求4所述的一种基于时间敏感网络的智能交通信号控制系统，其特征在于：所述流量整形模块根据ieee 802.1qbv中的时间感知整形器与ieee 802.1qav中的基于信用的整形器中的流量调度算法调度相位控制流与交叉口信息流，所述相位控制流为智能控制模块发送的相位选择信息，所述时间感知整形器流量调度算法将相位控制流认定为关键业务流，为相位控制流生成门控制列表，以类似时间触发的方式，每间隔5秒或10秒定时发送相位控制流，提供低延时、低抖动的确定性传输；所述交叉口信息流包括目标检测高清摄像头发送的当前交叉口的实时道路交通状况信息的高清图像与广域多目标毫米波雷达发送的当前交叉口观测范围内每辆车的位置、速度与轨迹信息；所述基于信用的整形器流量调度算法为高带宽要求的图像数据流量分配优先级为8的优先级队列与为低带宽要求的雷达数据流量分配优先级为7的优先级队列，所述基于信用
的整形器流量调度算法为高优先级队列中的流量预留高带宽，为低优先级队列中的流量预留低带宽，从而满足不同类型流量的延迟与抖动要求。8.根据权利要求1-7任意一项所述的一种基于时间敏感网络的智能交通信号控制系统的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：根据感知模块获取当前交叉口的交通状况信息与交通流信息；智能控制模块根据当前交叉口的交通状况信息与交通流信息进行数据融合分析，提取交通特征，如车道车辆数、车道排队长度、车道平均车速、交叉口通过车辆数和车辆到车道停止线的距离；智能控制模块利用强化学习算法预训练得到的申请网络模型以提取到的交通特征作为输入，输出当前时刻的相位选择信息；交通信号机根据得到的相位选择信息选择当前时刻的相位。9.根据权利要求8所述的一种基于时间敏感网络的智能交通信号控制系统的控制方法，其特征在于：所述强化学习算法的预训练过程包括如下步骤：通过预设的仿真软件和路网环境信息生成路网文件；根据路网中每个车辆的行驶路径生成路网交通流量文件；根据该路网文件和路网交通流量文件生成仿真配置文件；根据仿真配置文件搭建强化学习仿真环境，进行交通信号控制模型训练；将每轮模型训练所得的结果存储到经验回放池；从经验池中随机采样一批样本，通过柔性演员-评论家算法训练模型在仿真环境中对训练得到的模型进行评估。10.根据权利要求8所述的一种基于时间敏感网络的智能交通信号控制系统的控制方法，其特征在于：所述当前时刻的相位选择信息包括所有不冲突的相位组合信息组合，具体包括：南北直行相位、北直行左拐相位、南直行左拐相位、南北左拐相位、东西直行相位、东西左拐相位、东直行左拐相位和西直行左拐相位。

技术总结
本发明公开了智能交通技术领域的一种基于时间敏感网络的智能交通信号控制系统与方法，包括感知模块、时间敏感网络交换机、智能控制模块和交通信号机，感知模块包括目标检测高清摄像头和广域多目标毫米波雷达，本发明集成边缘智能计算与时间敏感网络，针对智能交通信号控制系统其连接的物理对象具有多样性、不同物理对象的计算能力与数据解析能力存在显著差距的特点优化时钟同步模块与网络管理配置模块，并针对智能交通信号控制系统各节点间传输的数据类型具有多模态、不同模态的数据对实时性、抖动、带宽有着不同要求的特点优化流量整形模块与流可靠性模块，实现智能交通信号控制系统数据传输的确定性与实时性。制系统数据传输的确定性与实时性。制系统数据传输的确定性与实时性。


技术研发人员：王鹏勇 郭梦雪 毛锋 曹阳
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学人工智能研究院有限公司
技术研发日：2023.03.03
技术公布日：2023/6/27