一种基于分形几何的交通信号控制器的制作方法

本实用新型属于城市交通信号控制技术领域，具体涉及一种基于分形几何的交通信号控制器。

背景技术：

随着先进技术在交通信号控制领域的深入应用和快速发展，城市交通信号控制从原来的机械式控制、烧制芯片式电子控制、定时多方案存储式控制，发展到现在基于各种交通流检测信息的感应控制、自适应动态控制、智能主从控制、在线优化控制、远程协调联动控制等。交通信号控制器的控制功能、控制模式、控制层次、控制规模等都在不断向网络化、智能化、集成化等方向发展，为维护城市道路交通网络的交通秩序、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、缓解城市道路交通拥挤拥堵等发挥着越来越重要的作用。

在城市交通系统中，交通信号控制器要实现感应控制、自适应动态控制、在线优化控制、智能主从控制、远程协调联动控制等现代化、智能化控制技术手段，需要依托在城市道路交叉口各进口道安装一定数量的交通流检测装置，同时在道路交叉口附近铺设连通交通流检测装置、现场终端控制设备、交通信号控制器等硬件设施的复杂通信网络。与此同时，交通流检测装置的安装与维护、交叉口附近通信网络的铺设与维护等需要投入大量的资金、人力、物力资源。而且依托交叉口各进口道安装交通流检测装置、交叉口附近铺设复杂通信网络进行感应控制、自适应动态控制、智能主从控制、远程协调联动控制等现代化交通信号控制技术的交通信号控制系统，在进行交通信号控制功能、控制模式、控制层次、控制规模等方面进行升级、改造、维护、管理、重构等将面临系统重建、运维困难、投资巨大等诸多问题，不利于交通信号控制装置和控制系统系统的集约化管理，不能满足时变交通背景下进行交通信号控制精细化组织和优化控制的需求。

技术实现要素：

为减少交通信号控制系统在道路交叉口交通流检测装置的购置和安装投入、降低城市道路交叉口终端设备连通网络的复杂性和工程投入、提高城市道路交叉口交通信号控制的灵活性、满足交通信号控制精细化组织和优化控制的需求、实现交通信号控制设备的集约化管理，本实用新型提出了一种基于分形几何的交通信号控制器，该交通信号控制器主要由检测单元、主控单元、通信单元、电源单元组成，如图1、图2所示，主要实现对城市道路交叉口各进口方向交通流检测、交叉口交通信号精细化组织设计和交叉口交通信号优化控制。

本实用新型的技术解决方案主要在城市道路交叉口进口道的路侧上空安装本实用新型提出的交通信号控制器，如图3所示。通过交通信号控制器的检测单元获取交叉口各进口方向的交通流分布形态特征信息和分布密集度信息；通过交通信号控制器的主控单元对交叉口的交通信号进行精细化组织设计和优化控制；通过交通信号控制器的通信单元将主控单元的交通信号控制配时信息传送给交叉口各方向的交通信号灯，将检测单元的交通流分布信息传送给交通指挥中心或相邻交叉口的交通信号控制器，接收交通指挥中心、相邻交叉口交通信号控制器、现场警用手持交通信号调控终端对交通信号控制方案的干预信息；通过交通信号控制器的电源单元为交通信号控制器的各功能单元提供稳压、不间断的电源。本实用新型提出的一种基于分形几何的交通信号控制器，其特征主要包括：

1)检测单元

检测单元嵌有阵列式红外多目球形摄像机和DSP微处理模块，用于对交叉口各进口方向的交通流分布形态特征和分布密集度进行检测、识别和提取，并将交叉口各进口方向的交通流分布特征信息通过母板总线传送给主控单元和通信单元。

2)主控单元

主控单元嵌有MCU微处理模块和母板总线，主控单元与各功能单元通过母板总线进行信息通信，获取检测单元、通信单元传送过来的交通流分布特征信息、交通信号控制方案干预信息等；MCU微处理模块根据获取的交叉口各进口方向的交通流分布形态特征信息和分布密集度信息、交通信号控制方案干预信息等进行分析、评估后，对交叉口交通信号进行精细化组织设计和交通信号优化控制。

3)通信单元

通信单元嵌有WIFI无线路由模块、4G移动通信模块和光纤网络通信模块，通过WIFI无线路由模块与交叉口各方向的交通信号灯、现场警用手持交通信号调控终端以及其他现场终端设备建立通信连接和信息通信；通过4G移动通信模块和光纤网络通信模块与交通指挥中心、相邻交叉口的交通信号控制器建立通信连接和信息通信，进行交叉口交通流分布特征信息、交通信号控制方案、交通信号控制方案干预信息的信息交互。

4)电源单元

电源单元嵌有微型变压器、微型电压调整器、太阳能电池组件模块、微型在线互动式UPS控制器，其中太阳能电池组件模块由太阳能电池板、充电控制器、太阳能电池组、小型蓄电池组成，在太阳能电池组件模块供电正常时利用太阳能电池组件模块对交通信号控制器各功能单元进行供电，同时利用微型在线互动式UPS控制器中的双向变换器对太阳能电池进行充电，以保持太阳能电池处于满充状态；当太阳能电池组件模块供电不正常时，UPS控制器中的双向变换器对市电进稳压、滤噪处理后对太阳能电池进行充电，并由太阳能电池对交通信号控制器各功能单元进行供电，以保障交通信号控制电源供应的不间断，实现交通信号控制器各功能单元的不间断运行。通过微型变压器、微型电压调整器为交通信号控制器各功能单元提供稳压电源，保障交通信号控制器各功能单元各元器件的稳定运行。

附图说明

图1：交通信号控制器功能单元组成图；

图2：交通信号控制器外观结构示意图；

图3：交通信号控制器安装及工作原理示意图。

具体实施方式

本实用新型所述的一种基于分形几何的交通信号控制器安装在城市道路交叉口进口方向的路侧上空，主要由检测单元、主控单元、通信单元、电源单元组成，如图1、图2、图3所示，主要实现对城市道路交叉口各进口方向交通流分布特征检测、交叉口交通信号精细化组织设计和交叉口交通信号优化控制。

本实用新型提出的一种基于分形几何的交通信号控制器，其工作的具体流程为：

1)检测单元

检测单元中的阵列式红外多目球形摄像机中的摄像头分别以不同的视角覆盖交叉口的各进口方向，对交叉口各进口方向的交通流分布形态进行视频图像采集；DSP微处理模块对阵列式红外多目球形摄像机中各摄像头采集的视频图像进行图像识别和信息提取，具体工作步骤如下：

Step1：DSP微处理模块为每个阵列式红外多目球形摄像机中摄像头采集的视频图像构建一个M×N的二维数字图像矩阵I(Ω)，

其中：Ω表示阵列式红外多目球形摄像机中的摄像头视角下覆盖的交叉口进口方向的二维空间区域；M表示在二维数字图像矩阵中以像素为单位将Ω划分形成的总行数；N表示在二维数字图像矩阵中以像素为单位将Ω划分形成的总列数；I_ij表征Ω中第i行第j列像素点的灰度值。

Step2：定义A为一个由n×n个像素点组成的方形区域，A∈Ω。方形区域A_ij的中心点为Ω中第i行第j列像素点。计算Ω中的像素点灰度值在各自方形区域内的测度值μ_ij，

其中：为方形区域A_ij内所有像素点的灰度平均值；为二维数字图像Ω所有像素点的灰度平均值。

Step3：计算各像素点在二维数字图像中的局部奇异性指数α_ij，

其中：α_ij为I_ij在方形区域A_ij中的局部奇异性指数；ε＝2n+1，n＝0,1,…。

计算所有像素点的局部奇异性指数后，可获得二维数字图像中最大的局部奇异性指数和最小的局部奇异性指数

Step4：将[α_min，α_max]划分成κ个盒子，每个盒子用表示，i表示盒子在α_min，α_max]中的序列号，计算盒子中心点的局部奇异性指数并用代替盒子中其他点的局部奇异性指数。

Step5：计算像素点在二维数字图像的全局奇异性指数P_ij：

其中：为像素点灰度值测度为μ_ij的覆盖盒子数；δ为盒子的划分尺度，δ＝(α_max-α_min)/κ。

Step6：提取二维数字图像Ω各个像素点的P_ij值，当τ-σ≤P_ij≤τ+σ时，判定所在像素点为平滑边缘点，其中τ为平滑边缘点检测临界阈值，σ为平滑边缘点检测随机噪声；当λ-ξ≤P_ij≤λ+ξ时，判定所在像素点为纹理点，其中λ为纹理点检测临界阈值，ξ为纹理点检测随机噪声；当τ<P_ij<β时，判定所在像素点为奇异边缘点，其中β为奇异边缘点检测临界阈值。

Step7：沿二维数字图像Ω外侧平滑边缘点和奇异边缘点组成的边缘线进行外侧延长和交叉，绘制形成交通流分布形态的外侧边缘线，构建行车成闭合的边缘图形，形成交叉口进口方向交通流的分布形态特征图形Δ；同时，计算纹理点在二维数字图像Ω中的占用面积Φ，将Φ除以边缘图形Δ的占用面积，得到交叉口进口方向的交通流分布密集度d。

Step8：对阵列式红外多目球形摄像机各摄像头采集的视频图像重复Step1-Step7的过程，获得交叉口各进口方向的交通流分布形态特征Δ_i和交叉口各进口方向的交通流分布密集度d_i，其中i为交叉口各进口方向的序号。并将交叉口各进口方向的交通流分布形态特征信息和交通流分布密集度信息通过母板总线传送给主控单元的MCU微处理模块和通信单元的4G移动通信模块和光纤网络通信模块。

2)主控单元

主控单元中的MCU微处理模块通过母板总线实时获取检测单元、通信单元传送过来的交通流分布特征信息、交通信号控制方案干预信息，并基于这些信息分析交叉口的交通流运行状态，从而对交叉口交通信号进行精细化组织设计和优化控制，具体工作步骤如下：

Step1：MCU微处理模块将检测单元传送过来的交叉口各进口方向的交通流分布形态特征图形Δ_i与MCU微处理模块存储的标准图形集进行相似匹配，其中Z为标准图形集元素的个数，找到与交通流分布形态特征图形Δ_i最为近似的标准图形其中z为标准图形在标准图形集中的序列号。

Step2：在MCU微处理模块中，每一个标准图形根据其图形分布特征，集成了不同分布密集度下的相位构成PH_z及其对应的相位建议绿灯时长PG_z，相位构成集为PH＝{ST、ST&IT、ST||IT}，其中ST表示该进口方向只有直行相位；ST&IT表示该进口方向直行和左转共用一个相位；ST||IT表示该进口方向直行和左转有各自独立的相位。

Step3：当交叉口各进口方向交通流分布形态特征图形Δ_i与标准图形集匹配完成后，MCU微处理模块根据各进口方向标准图形在交通流分布密集度d_i下匹配的相位构成PH_z及其对应的相位建议绿灯时长PG_f，同时结合交通指挥中心传送过来的交通信号控制方案干预信息或现场警用手持交通信号调控终端的调控信息，进行交叉口交通信号相位的冲突检测和优化组合，得到交叉口交通信号相位相序的优化构成形式PH_C_O。

Step4：MCU微处理模块判断PH_C_O与交叉口当前正在执行的相位相序构成形式PH_C是否一致，如果PH_C_O≠PH_C，则判断PH_C执行时间T(PH_C)是否大于相位最小执行周期Ε，如果T(PH_C)≥E，则过渡到执行当前最优相位相序构成形式PH_C_O；如果T(PH_C)<E，则继续执行相位相序构成形式PH_C，令PH_C_O＝PH_C。

Step5：MCU微处理模块根据交叉口各进口方向的交通流分布形态特征Δ_i和交叉口各进口方向的交通流分布密集度d_i，对交叉口各进口方向的相位绿灯时间进行修正：

其中：PG_i为交叉口第i进口方向修正后的相位绿灯时长；Ψ(Δ_i)为交叉口交通流分布形态特征图形Δ_i的面积；为Δ_i对应的标准图形的面积；为交通流分布形态特征Δ_i和交通流分布密集度d_i下标准图形匹配的密集度。

Step6：MCU微处理模块根据组织设计形成的交叉口相位相序构成形式PH_C_O，根据相位的组成，选择同一相位构成内PG_i最大的值作为相位绿灯时长，并根据相位数、相位损失时间，获得交叉口的信号周期时长C_PH。同时，MCU微处理模块接收来自交通指挥中心的交通控制方案干预信息和现场警用手持交通信号调控终端的调控信息，查看是否有对相位绿灯时长、相序执行顺序、信号周期时长的干预信息，如果存在干预信息，则按交通指挥中心的分配的相位绿灯时长PH_G、相位执行顺序PH_S、信号周期时长C_PH_C。

Step7：MCU微处理模块判断是否有来自相邻交叉口传送过来的交叉口交通流分布形态特征信息和交叉口分布密度集信息，如果存在相邻交叉口传送过来的交叉口交通流分布形态特征信息和交叉口分布密度集信息，MCU微处理模块按Step3-Step5的过程为相邻交叉口的交通信号相位相序的优化构成形式、相位绿灯时长、相位执行顺序、信号周期时长进行组织设计和优化，并确定本交叉口和相邻交叉口的相位绿灯起步时距，与相邻交叉口形成联动协调控制。

Step8：MCU微处理模块通过母板总线将本交叉口的交通信号相位相序的优化构成形式、相位绿灯时长、相位执行顺序、信号周期时长通过通信单元的WIFI无线路由模块传送给交叉口的交通信号灯；通过通信单元的4G通信模块或光纤网络通信模块将组织设计和优化形成的相邻交叉口的交通信号相位相序的优化构成形式、相位绿灯时长、相位执行顺序、信号周期时长、相位绿灯起步时距传送给相邻交叉口的交通信号控制器；通过通信单元的4G通信模块或光纤网络通信模块将本交叉口交通流分布形态特征信息和交叉口分布密度集信息、交通信号相位相序的优化构成形式、相位绿灯时长、相位执行顺序、信号周期时长传送给交通指挥中心。

3)通信单元

通信单元通过WIFI无线路由模块与交叉口各方向的交通信号灯、现场警用手持交通信号调控终端以及其他现场终端设备建立通信连接和信息通信；通过4G移动通信模块或光纤网络通信模块与交通指挥中心、相邻交叉口的交通信号控制器建立通信连接和信息通信，进行交叉口交通流分布形态特征、交通流分布密集度、交通信号控制方案、交通信号控制方案干预信息的信息交互。具体工作步骤如下：

Step1：通信单元通过母板总线获取主控单元传送过来的交通信号相位相序的优化构成形式、相位绿灯时长、相位执行顺序、信号周期时长，WIFI无线路由模块将这些信息传送给交叉口各方向的交通信号灯，由交通信号灯执行具体的交通信号控制方案。

Step2：WIFI无线路由模块接收来自现场警用手持交通信号调控终端的交通信号绿灯时长调控信息，并将该信息通过母板总线传送给主控单元的MCU微处理模块，由MCU微处理模块对交叉口的交通信号相位相序的优化构成形式、相位绿灯时长、相位执行顺序、信号周期时长进行调整。

Step3通信单元通过母板总线获取主控单元传送过来的本交叉口交通流分布形态特征信息和交叉口分布密度集信息、交通信号相位相序的优化构成形式、相位绿灯时长、相位执行顺序、信号周期时长，通过4G移动通信模块或光纤网络通信模块传送给交通指挥中心。

Step5：通信单元通过母板总线获取主控单元传送过来相邻交叉口的交通信号相位相序的优化构成形式、相位绿灯时长、相位执行顺序、信号周期时长、相位绿灯起步时距，通过4G移动通信模块或光纤网络通信模块传送给相邻交叉口的交通信号控制器。

Step6：4G移动通信模块或光纤网络通信模块接收来自交通指挥中心的交通信号控制方案干预信息以及相邻交叉口交通信号控制器的交通流分布形态特征信息和交叉口分布密度集信息，并通过母板总线传送给主控单位的MCU微处理模块。

4)电源单元

电源单元通过嵌入其中的微型变压器和微型电压调整器提供稳压直流电源，保障交通信号控制器内部线路的可靠性和稳定性。通过太阳能电池组件模块将太阳能通过太阳能接收板、太阳能电池组件、充电控制器、小型蓄电池转化成直流稳压电源，为交通信号控制器各功能模块进行供电；通过微型在线互动式UPS控制器中的双向变换器，在太阳能电池组件模块供电正常时利用太阳能电池组件模块对交通信号控制器各功能模块进行供电，同时对太阳能电池进行充电，以保持电池处于满充状态，当太阳能电池组件模块供电不正常时，UPS控制器中的双向变换器对市电进行稳压、滤噪处理后对太阳能电池进行充电，并由太阳能电池对交通信号控制器各功能单元进行供电。