一种交通灯的动态控制方法及系统与流程

1.本发明涉及交通控制系统，尤其涉及一种交通灯的动态控制方法及系统。


背景技术：

2.智能交通路网的建设是缓解交通压力，提高城市交通路网通行效率的有效手段。目前大部分城市都建立了饱和状态下城市交通拥堵区域动态识别的监管控制体系，为智能交通路网的发展与技术进步奠定了基础。现有技术中，交通灯的控制与延时调节方法主要依靠智能交通路网管理系统进行控制，例如，cn205564033u公开了一种基于传感网的智能交通灯系统，通过远程网络对交通灯进行控制，实现了交通网络的联动调节。再例如，cn204332081u公开了一种基于nrf905无线网络的智能交通灯装置，通过nrf905无线通信模块调节红绿灯的周期，提高通信效率与路网的智能化程度。现有技术在交通灯智能控制技术领域的管理方式要求服务器短时间内处理城市路网多个交叉路口的交通路况信息，并以此做出对应的反馈，以实现交通灯的智能、自动调节，现有技术的这种技术方案对服务器的负载能力提出了新的要求，大型城市路网的路况数据信息量庞大，服务器在固定时间内需要处理的数据复杂，且需要投入较大的处理时间，以此技术手段作为基础建立智能交通路网不仅需要较大的经济投入，终端设备的能耗也相对较高，不利于长远的应用与维护。因此，现有技术有必要进一步改进。


技术实现要素：

3.针对上述问题，本发明提供了一种交通灯的动态控制方法。该控制方法在主干线交叉路口上布置轻量化的车辆传感器，用于检测车辆是否存在排队超限的问题，建立局部的传感网络，根据当前主干线交叉路口与相邻主干线交叉路口的交通情况，通过调度网络调节主干线交叉路口的绿信比，生成适用于当前主干线交叉路口最优的交通灯运行参数。进一步的，本发明还提供了一种用于实现所述交通灯的动态控制方法的控制系统。
4.本技术的发明目的可通过以下技术手段实现：一种交通灯的动态控制方法，包括以下步骤：步骤1：控制区域i包含j个相邻主干线交叉路口，在j个相邻主干线交叉路口分别设置一控制器，距离交通灯k的各个排队车道上设置n个车道传感器；步骤2：控制区域i内的交通灯经过数传终端与n个车道传感器构成二级传感网，任意一个相邻主干线交叉路口的控制器接收来自n个车道传感器的无线通信数据；步骤3：交通服务器管理j个控制器的数据收发，构成一级调度网；步骤4：交通服务器获取控制区域i内j个相邻主干线交叉路口的实时路况信息，生成第一绿信比λ1并经一级调度网发送至二级传感网；步骤5：二级传感网基于第一绿信比λ1生成第一参数，交通灯基于第一参数工作，车道传感器周期性采集车道信息；步骤6：在一个采集周期内，车道传感器若检测当前车道有车辆排队，进入步骤7，
反之，进入步骤5；步骤7：车道传感器发送一数据帧至一级调度网，控制器获取控制区域内各主干线内多个车道传感器的数据帧，生成车道排队集，发送至交通服务器；步骤8：交通服务器基于车道排队集判断各主干线是否排队超限，若排队超限，则进入步骤9，若排队未超限，则清除车道排队集，进入步骤7；步骤9：交通服务器生成第二绿信比λ2，并发送至二级传感网，二级传感网基于第二绿信比λ2生成第二参数，交通灯根据第二参数工作，返回步骤4，进入下一采集周期。
5.在本发明中，第一参数、第二参数包含所述主干线交叉路口交通灯的绿波速度、周期起始时刻、公共周期、相位差。
6.在本发明中，通过控制器与交通灯之间的通信网络实现一级调度网与二级传感网之间的数据收发。
7.在本发明中，根据当前路段车辆的行驶时间进行计算第一绿信比λ1，λ1=g/c，其中，g为绿灯下通过交叉路口的车辆数量，c为预设周期。
8.在本发明中，记录同一车辆从控制区域i上游与下游停车线的通过时间，通过时间，其中，为第n辆车通过控制区域i内上游路口停车线的时刻，为第n辆车通过控制区域i内下游路口停车线的时刻，n
t
为t单位步长内所观测到的车辆数量。
9.在本发明中，若一级调度网能够接收到同一条主干线各车道上车道传感器的数据帧，且车道排队集与交通服务器预存的主干线传感集构成一一映射的关系，则判定为排队超限。
10.在本发明中，每一车道传感器周期性上报带有身份识别码的认证消息，交通服务器根据车道传感器认证消息确定所属的干线、车道，生成按接收认证消息顺序排列的干线传感集。
11.在本发明中，j1为控制区域i中任意一交叉路口，j2为与主干线交叉路口j1相邻且沿车辆行驶下游方向的一个主干线交叉路口：若主干线交叉路口j2排队超限，主干线交叉路口j1的第二绿信比λ2=λ1；若主干线交叉路口j2排队未超限但主干线交叉路口j1排队超限，此时主干线交叉路口j1第二绿信比λ2=[g+
△
x]/c，其中，
△
x为需增加的通行车辆数。
[0012]
一种用于实现所述交通灯的动态控制方法的控制系统，包括：交通服务器、控制器、交通灯、车道传感器数传终端，交通服务器用于获取实时路况信息，生成第一绿信比与第二绿信比；控制器用于接收车道传感器的数据帧，生成车道排队集；交通灯用于显示绿波速度、红灯、黄灯、绿灯，交通灯内设置数传终端；车道传感器用于检测车道是否有车辆排队，车道传感器内设置信号模块，其中，控制器与交通服务器构成一级调度网，交通灯与车道传感器构成二级传感网。
[0013]
实施本发明的交通灯的动态控制方法及系统，具有以下有益效果：通过在主干线交叉路口设置二级传感网的方式，交通服务器不需要处于庞大的路网传感信息，只需要根据二级传感网传输的排队超限信息，通过“0”和“1”的数据帧判断是否调整绿信比，数据处
理量更小，且将绿信比调节的具体范围分配到各个二级传感器进行处理，有效减轻了交通服务器的负载，提高了交通灯的控制效率。进一步的，车道传感器传输在区域中进行短距单工通信，通信损耗更低，有利于二级传感网长期稳定运行。
附图说明
[0014]
图1为本发明的交通灯的动态控制方法的实施流程图；图2为本发明的车道传感器在车道上的布置示意图；图3为本发明车流在上下游交叉路口路程通过时间的示意图；图4为本发明的用于实现动态化的交通灯控制方法的控制系统的硬件框图；图5为适用于本发明的交通路口的示意图，该交通路口的交通灯包含绿波速度。
具体实施方式
[0015]
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。
[0016]
智能化路网的实现了极为广泛的覆盖，智能化路网的普及也为优化交通网络管理提供了新的思路与方向。现有技术下，智能路网主要通过获取路网交通实况信息，并将数据传输到交通服务器进行统一处理，传输数据技术以驻地网为载体，路网交通实况信息需要进行多次传输，以路网传感器与驻地网服务器构建的传感网与交通服务器的通信过程有较大的花销，且长距离、高花销的数据传输处理过程不利于及时动态化的交通管理过程。因此，如何尽可能减少智能化路网的花销，提高智能化路网的通信效率是解决现有计划弊端的主要方向。
[0017]
交通灯是路网建设中分流、管理、调度的重要基础设施，现有技术下布置的交通灯均为固定周期与分段周期两种形式，固定周期下的交通灯不会根据环境信息做出改变，分段周期则可以通过定时，划分多个时段内切换周期，进行简单的动态化交通控制。在实际应用中，分段周期的交通灯为单向控制，不会根据环境信息做出改变，由于单个交叉路口的交通拥堵率受到多方面因素的影响，而并不仅仅是与时段有关，分段周期交通灯对于建设智能化路网、缓解交通压力的贡献不足。本发明的这种交通灯的动态控制方法及系统用于解决上述问题。
实施例一
[0018]
在本实施例中，以具有三个流向的单向双车道十字形主干线交叉路口作为实施区域。在主干线交叉路口构建单独的二级传感网，在控制区域内，一级调度网通过交通服务器与控制器构成，一级调度网下属的多个二级传感网视作单独的节点，与一级调度网通信。二级传感网通过车道传感器监测各个车道的信息，各个车道上的车道传感器在二级传感网中视作单独的节点，与二级调度网通信。参照图1，这种交通灯的动态控制方法的实施包括以下步骤：步骤1：划定有限的多个主干线交叉路口作为控制区域i，控制区域i中包含j个相邻主干线交叉路口，在j个相邻主干线交叉路口分别设置一控制器，距离交通灯k的各个排队车道上设置n个车道传感器。
[0019]
在本实施例中，车道传感器用于判断当前车道位置上是否有车辆停留。参照图2，在一条车道a上，车道传感器按照距离d的间隔依次排列，首个车道传感器a1与交通灯起止线的距离为k，定义k为排队超限距离的临界值。当首个车道传感器a1检测到有车辆停留时，说明当前车道排队长度超过k，定义为排队超限。
[0020]
步骤2：控制区域i内的交通灯经过数传终端与n个车道传感器构成二级传感网，任意一个控制器接收来自n个车道传感器的无线通信数据。
[0021]
在二级传感网中，车道传感器为终端节点，数传终端为汇聚节点，控制器为收发设备。车道传感器之间构成ad-hoc网络，每一帧通信信息在车道传感器之间通过多跳自组织发送至交通灯的数传终端，任意一个数传终端管理主干线内所有车道的数据收发。
[0022]
在本实施例中，一级调度网与二级传感网之间的数据收发基于控制器与交通灯之间的通信过程实现。二级传感网监测的车道占用信息经数传终端发送至控制器，进入一级调度网，控制器接收车道占用信息后发送至交通服务器。
[0023]
步骤3：交通服务器管理j个相邻主干线交叉路口j个控制器的数据收发，构成一级调度网。交通服务器为公安部互联网交通服务平台的云端服务器，包含有城市各个区域内的实时交通路况信息。控制器与交通服务器之间通过驻地网光纤连接构成一级调度网。
[0024]
步骤4：控制器通过api接口与交通服务器进行通信，交通服务器获取控制区域i内j个相邻主干线交叉路口的实时路况信息发送至控制器，并生成第一绿信比λ1发送至二级传感网，其中，第一绿信比λ1基于当前路段的车辆行驶时间进行计算，λ1=g/c，其中，g为有效绿灯下通过路口的车辆数量，c为默认周期，优选的预设值为50s。
[0025]
在本实施例中，参照图3，上游交叉口与下游交叉口均布置交通视频信息采集系统视频设备，交通视频信息采集系统视频设备通过识别车辆车牌号记录第n辆车瞬时通过下游停车线的时间，记为，记录第n辆车瞬时通过上游停车线的时间，则路程通过时间，其中，n
t
为t时间步长内所观测到的车辆数量。
[0026]
交通视频信息采集系统视频设备在记录车辆车牌号的过程，统计的路程通过时间可能存在问题数据，需要对数据进行预处理后解决异常路程通过时间的记录数据。在本实施例中，通过设定限定条件：限定条件1：控制器设置一筛选区间，最小值为10%e，最大值设定为3600s，定义的值为筛选区间内的元素值，所述筛选区间内的元素值构成一初筛集y，控制器删除初筛集y之外的路程通过时间数据；限定条件2：如限定条件1中所述的筛选区间内的元素值的中位数记为h
t,i
，控制器设置一检验区间，最小值为h
t,i-e，最大值为h
t,i
+e，定义的值∈[h
t,i-e,h
t,i
+e]，控制器删除不满足的值
∉
[h
t,i-e,h
t,i
+e]的路程通过时间数据，其中，。
[0027]
步骤5：二级传感网基于第一绿信比λ1生成第一参数，并将第一参数传输至数传终端，交通灯解析第一参数信息，并以解析后的第一参数信息工作，车道传感器周期性采集车道信息，信号模块维持中断，与一级调度网有通信数据的传输。
[0028]
步骤6：在一个采集周期内，车道传感器若检测当前车道有车辆排队，进入步骤7，
反之，进入步骤5。
[0029]
车道传感器之间按照固定频率发射红外线，若能在固定时间内接收到反射红外线，则说明此时车道没有遮挡，没有车辆排队；若无法在固定时间内接收到反射红外线，则说明此时车道有遮挡，有车辆经过或停留，此时车道传感器立刻发送另一入射红外线，在连续多个周期内均为收到反射红外线，说明车辆在当前车道检测位置停留，即车辆排队，否则，则为车辆经过。
[0030]
步骤7：触发信号模块，通过无线网络覆盖与一级调度网通信，发送一数据帧至一级调度网，控制器获取控制区域内各主干线内多个车道传感器的数据帧，并生成车道排队集，发送至交通服务器。
[0031]
在本实施例中，为减少车道传感器的能量损耗，所述数据帧为一差分信号，数据量极小，当控制器接收差分信号后，根据电压差值判断信号模块的发送逻辑状态，信号模块中断则记为“0”，对应当前车道未排队，信号模块触发则记为“1”。
[0032]
步骤8：交通服务器基于车道排队集判断各主干线是否排队超限，若排队超限，则进入步骤9，若排队未超限，则清除车道排队集，进入步骤7。
[0033]
主干线上各个车道是否有车辆排队是判断排队超限的唯一条件。当车道排队集中同一车流汇入流向上每一条车道均有车辆排队，则判定为排队超限；若同一车流汇入流向上存在至少一条车道没有车辆排队，则判定为排队未超限。在本实施例中，同一车流在交通灯前的排队状态分为三个流向的车流，分别为直行车流、左转车流、右转车流，三个车流汇入流向均保持独立。
[0034]
步骤9：交通服务器生成第二绿信比λ2，并发送至二级传感网，二级传感网基于第二绿信比λ2生成第二参数，交通灯根据第二参数工作，进入下一采集周期。
[0035]
在本实施例中，主干线交叉口中任意一车道上均等间距布置有x个车道传感器，车道传感器之间间隔等距为d，排队超限长度的最小值
△kmin
＞0，排队超限长度的最大值
△kmax
≤nd，理论上排队超限长度为无穷大，本实施例仅考虑设置车道传感器监测范围内的排队超限最大值，当前车道排队长度为(k+
△
k)。当0＜(k+
△
k)≤d，增加公共周期
△
c1；当d＜(k+
△
k)≤2d，增加公共周期
△
c2；当(n-1)d＜(k+
△
k)≤nd，增加公共周期
△cn
。
实施例二
[0036]
本实施例详述基于绿信比λ生成第一参数与第二参数的方法。第一参数与第二参数为不同状态下控制区域i中所述主干线交叉路口交通灯工作的绿波速度v、周期起始时刻w、公共周期
△
c、相位差l。
[0037]
在本实施例中，第一参数与第二参数为不同状态下控制区域i中所述主干线交叉路口交通灯工作的绿波速度v、周期起始时刻w、公共周期
△
c、相位差l、相位时序q。对向主干道交叉路口的车道上汇入同一车流的为相同流向，汇入不同车流的相斥流向，按照主干道交叉路口的车流汇入与通行规则，同一时刻内对向主干道交叉路口最多包含两条相同流向与两条相斥流向。设定公共周期
△
c=g/λ，λ为当前交通服务器设定的绿信比。
[0038]
上游交叉口行驶到达下游交叉口的车辆需要确保在绿灯通行时段内，对于任意两个相邻主干线交叉口，分别为上游主干线交叉口jm与主干线下游交叉口jn，设定的相位差
，其中，主干线交叉口jm到jn下行方向的距离，为主干线交叉口jn到jm上行方向的距离，μ1与μ2为满足条件的常值，w为周期起始时刻。
[0039]
在理想状态下，主干线交叉口jm在某一时刻的上下行车流的启动时刻为t
jm
，则与其相邻主干线交叉口jn在该时刻设定的周期起始时刻；当主干线交叉口jn在某一时刻的上下行车流的启动时刻为t
jn
，则与其相邻主干线交叉口jm在该时刻设定的周期起始时刻，其中，μ3为满足条件(t
jm
≤
△
c)的0或1，μ4为满足条件(t
jm
≥0)的0或1。
[0040]
在非理想状态下，主干线交叉口jm与jn的周期起始时刻都需要进行调整以适配最佳的绿波速度，设定一调整量
△
w，，其中，
△
w≤(1/2)
△
c，其中，μ5为满足条件
△
w≤(1/2)
△
c的0或1。
实施例三
[0041]
参照图4，本实施例公开了一种用于实现交通灯的动态控制方法的控制系统，包括：交通服务器、控制器、交通灯、车道传感器、信号模块、数传终端。交通服务器用于获取实时路况信息，判断各主干线是否超限，生成第一绿信比与第二绿信比，与服务器构成一级调度网。控制器用于接收车道传感器的数据帧，生成车道排队集，与服务器构成一级调度网。交通灯显示绿波速度、红灯、黄灯、绿灯，与车道传感器构成二级传感网。车道传感器检测车道是否有车辆排队，与交通灯构成二级传感网。信号模块安装在车道传感器内，与一级传感网进行单工通信，有中断/触发两种状态。数传终端安装在交通灯内，与一级传感网进行全双工通信。本实施例的控制系统可以用于图5所示的交通路口，该交通路口包含四个交叉路口，每一交叉路口的停车线设置交通灯，交通灯包含绿波速度。
[0042]
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改，等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种交通灯的动态控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：控制区域i包含j个相邻主干线交叉路口，在j个相邻主干线交叉路口分别设置一控制器，距离交通灯k的各个排队车道上设置n个车道传感器；步骤2：控制区域i内的交通灯经过数传终端与n个车道传感器构成二级传感网，任意一个相邻主干线交叉路口的控制器接收来自n个车道传感器的无线通信数据；步骤3：交通服务器管理j个控制器的数据收发，构成一级调度网；步骤4：交通服务器获取控制区域i内j个相邻主干线交叉路口的实时路况信息，生成第一绿信比λ1并经一级调度网发送至二级传感网；步骤5：二级传感网基于第一绿信比λ1生成第一参数，交通灯基于第一参数工作，车道传感器周期性采集车道信息；步骤6：在一个采集周期内，车道传感器若检测当前车道有车辆排队，进入步骤7，反之，进入步骤5；步骤7：车道传感器发送一数据帧至一级调度网，控制器获取控制区域内各主干线内多个车道传感器的数据帧，生成车道排队集，发送至交通服务器；步骤8：交通服务器基于车道排队集判断各主干线是否排队超限，若排队超限，则进入步骤9，若排队未超限，则清除车道排队集，进入步骤7；步骤9：交通服务器生成第二绿信比λ2，并发送至二级传感网，二级传感网基于第二绿信比λ2生成第二参数，交通灯根据第二参数工作，返回步骤4，进入下一采集周期。2.根据权利要求1所述的交通灯的动态控制方法，其特征在于，第一参数、第二参数包含所述主干线交叉路口交通灯的绿波速度、周期起始时刻、公共周期、相位差。3.根据权利要求1所述的交通灯的动态控制方法，其特征在于，通过控制器与交通灯之间的通信网络实现一级调度网与二级传感网之间的数据收发。4.根据权利要求1所述的交通灯的动态控制方法，其特征在于，根据当前路段车辆的行驶时间进行计算第一绿信比λ1，λ1=g/c，其中，g为绿灯下通过交叉路口的车辆数量，c为预设周期。5.根据权利要求4所述的交通灯的动态控制方法，其特征在于，记录同一车辆从控制区域i上游与下游停车线的通过时间，通过时间，其中，为第n辆车通过控制区域i内上游路口停车线的时刻，为第n辆车通过控制区域i内下游路口停车线的时刻，n
t
为t单位步长内所观测到的车辆数量。6.根据权利要求1所述的交通灯的动态控制方法，其特征在于，若一级调度网能够接收到同一条主干线各车道上车道传感器的数据帧，且车道排队集与交通服务器预存的主干线传感集构成一一映射的关系，则判定为排队超限。7.根据权利要求6所述的交通灯的动态控制方法，其特征在于，每一车道传感器周期性上报带有身份识别码的认证消息，交通服务器根据车道传感器认证消息确定所属的干线、车道，生成按接收认证消息顺序排列的干线传感集。8.根据权利要求1所述的交通灯的动态控制方法，其特征在于，j1为控制区域i中任意一交叉路口，j2为与主干线交叉路口j1相邻且沿车辆行驶下游方向的一个主干线交叉路口：若主干线交叉路口j2排队超限，主干线交叉路口j1的第二绿信比λ2=λ1；
若主干线交叉路口j2排队未超限但主干线交叉路口j1排队超限，此时主干线交叉路口j1第二绿信比λ2=[g+
△
x]/c，其中，
△
x为需增加的通行车辆数。9.一种用于实现权利要求1所述交通灯的动态控制方法的控制系统，其特征在于，包括：交通服务器、控制器、交通灯、车道传感器，交通服务器用于获取实时路况信息，生成第一绿信比与第二绿信比；控制器用于接收车道传感器的数据帧，生成车道排队集；交通灯用于显示绿波速度、红灯、黄灯、绿灯，交通灯内设置数传终端；车道传感器用于检测车道是否有车辆排队，车道传感器内设置信号模块，其中，控制器与交通服务器构成一级调度网，交通灯与车道传感器构成二级传感网。

技术总结
本发明公开了一种交通灯的动态控制方法及系统。通过在控制区域内多个相邻主干线交叉路口的各个车道上布置车道传感器，车道传感器与交通灯构成的二级传感网，控制器与交通服务器构成一级调度网，二级传感网与一级调度网构成分布式网络控制交通灯的信号调度。交通服务器生成第一绿信比调节交通灯进入初始工作状态，后续通过车道传感器检测车辆排队情况，并基于车辆排队情况生成第二绿信比，通过控制器解析第二绿信比，传输相应的工作参数至交通灯，实现交通灯绿波速度、周期起始时刻、公共周期、相位差的动态变化。期、相位差的动态变化。期、相位差的动态变化。


技术研发人员：李抚生 丁红军 王钦云
受保护的技术使用者：南昌金科交通科技股份有限公司
技术研发日：2023.04.10
技术公布日：2023/5/14