专利名称：自适应交通控制系统和方法
技术领域：
本发明涉及一种面向混合交通的交通信号控制系统，以及应用该系统的工作方法。
背景技术：
国民经济的快速发展，给我国城市化交通控制和管理带来了较大的压力。现在已有多种交通管理控制系统，应用于解决因车辆数量激增而带来的交通拥堵问题。
目前，现有城市道路中除少数建有立交桥外，大多数是纵横交汇的平面交叉路口。除机动车辆外，在城市中心地带和交通较为密集的地区，非机动车和行人的数量也较为可观，从而形成体现中国国情的混合交通现状。
而国内外现有的交通信号控制系统，大多是面向机动车辆的管理，并不涉及到非机动车和行人的管理因素。又如，专利号为01119483的国内专利所公开的智能化城市交通管理网络系统，其基本控制原理和内容是通过设置在交叉口的检测器检测机动车的交通流量、速度、时间占有率、车头时距等交通信息；再经路口信号机的通讯模块上传到控制中心通信子系统；由控制中心的优化子系统对交通流量信息进行分析和判断，计算路口的机动车信号配时参数，如周期长、绿信比、相位差，对信号配时参数等；在进行实时调整的基础上，中心系统还具有监控路口交通状态、查看故障信息、统计查询等功能；系统的网络部分由指挥中心局域网、宽带地域专网、以及路口局域网等构成。从而连接成一个完整的交通管理网络。
上述已有公开专利和使用技术，没有建立起面向机动车、自行车和行人的混合交通控制模型。因而，不能对自行车交通进行检测和控制，也就不能根本上解决国内实际的交通问题。应用上述管理系统，仍会存在诸如交通拥堵严重、市民出行困难、交通事故增多等的交通问题。
发明内容
本发明所述的自适应交通控制系统和方法，其目的即在于克服现有技术的缺陷。通过应用交通信号配时优化技术，建立起一种新的混合交通控制模型，从而能够根据中国国情提供交通问题的解决方案。
本发明所述的面向混合交通的自适应交通控制系统和方法，其核心技术采用交通信号工程技术。采用混合交通控制算法，提供控制机动车、行人、非机动车的算法，以此形成实际的控制功能。在分析自行车、行人交通流的规律的基础上，形成配时理论和算法，从而应用于混合交通的控制。
本发明所述的自适应交通控制系统采用三级控制模式，包括中央控制服务器、区域控制服务器、交通信号机。
中央控制服务器(简称中心机)是控制系统的最高层，主要负责交通状况预测和跨区域人工干预方案下载。中央控制服务器，主要包括有交通状况预测模块、自动中心对时模块和脉冲数据采集模块。交通状况预测包括宏观交通状态预测、中观交通状态预测、微观交通状态预测，其中微观交通状态预测是交通控制方案优化的直接依据，宏观预测和中观预测是交通管理的内容。
区域控制服务器(简称区域机)是控制系统的中间层，是自适应交通控制功能实现的关键，主要功能包括饱和流量分析、交通强度计算、周期时长优选、绿信比计算、相位差计算和区域内人工干预方案的下载。区域控制服务器，主要包括有交通强度计算模块、周期时长优选模块、绿信比计算模块、相位差计算模块和自动干预控制模块。
信号机是控制系统的终端设备，是交通控制功能的执行单元和基础交通信息的处理单元。主要功能包括交通信息的采集、处理、上载，控制方案的执行，控制参数的预置。
混合交通的自适应协调控制模型应用于这三级当中。中央控制服务器、区域控制服务器、通信控制服务器以及客户端通过TCP/IP协议形成控制中心局域网。中央控制服务器通过混合交通控制模型预测交通流量与时间占有率，区域控制服务器根据上传的交通信息，选择路口的控制方式，并对周期长、绿信比、相位差等配时参数进行优化，并应用NTCIP协议实现控制中心与路口信号机之间的通信，将控制指令下达到信号机执行，实现区域协调控制或次一级的绿波带控制。
本系统是数据信息进行主要包括有周期时长参数S(P、m)，自行车相位配时参数φ(m2、n机、Tt)的优化运算，从而形成优化方案。
其中，周期时长参数S采用相位交通强度P作为优选指标，优选相位数m确定相位交通强度P与周期时长S的对应关系。
同时，系统采用GIS技术，在控制中心的电子地图上实现远程监控和参数设置。
实施本发明的交通信号控制系统，由于应用了混合交通控制模型，从而能针对我国的交通特点，解决机动车、非机动车混行情况下的交通信号配时问题，有利于路口通行能力的提高，行车延误的降低，能大幅度地提高交通管理与控制的效果。
图1是本发明所述的自适应交通控制系统的结构图；图2是自适应交能控制系统的三级控制模型图；图3是系统内检测数据控制流程图；图4是信号机结构示意图；图5是信号机控制模块示意图；图6是信号机流程控制流程图具体实施方式
如图1、图2所示，本发明所述的自适应交通控制系统采用三级结构控制模型，即中央控制服务器、区域控制服务器和交通信号机终端。
中央控制服务器，主要负责交通状况预测和跨区域人工干预方案下载。
区域控制服务器，主要负责饱和流量分析、交通强度计算、周期时长优选、绿信比计算、相位差计算和区域内人工干预方案下载。
交通信号机，是交通控制执行单元和基础交通信息的处理单元。主要负责交通信息的采集、处理、上载，控制方案的执行，控制参数的预置。
如图4所示，信号机是本发明所述的自适应交通控制系统的执行单元，是交通控制系统工作方法的执行终端。
信号机工作模块主要由主控单元、通信单元、相位驱动单元、接口单元、车检单元、电源单元、手动及显示单元组成。
信号机的主控单元以嵌入式微处理器MCF5272为核心，采用单微处理器结构，配有写入配置数据、冲突检测和固化软件的FLASH芯片、板上可充电锂电池供电的实时时钟和SDRAM、标准的RS232C接口、连接外部模块的接口通信单元。
相位驱动单元主要由可控硅开关电路组成，通过电网电压驱动交通信号。一块板可控制4个相位，该板还包括信号灯供电监视电路，电压过零检测电路和信号灯电流监视电路等。每台交通信号机最多可装4块相位控制驱动插件。相位控制驱动模块还具有对浪涌电压抑制功能，以实现信号机内部电路、信号灯的保护。
通信单元主要包括有标准的串行通信接口(如RS232或RS485)，可以实现同步/异步的通信方式。调制解调器电路，可以实现以FSK方式、600/900/1200bit/s速率，通过普通电话专线进行2/4线制、全/半双工数据通信；提供一个以太网接口，用于设备调试和维护，以及远程通信。
车检单元是车辆检测单元采用环形线圈检测器，主要用于交通信息检测，包括交通流量、时间占有率、速度、车头时距等信息。感应线圈的馈线距离为300米，输出到接口板的信号应为开关量信号。
如图5所示，信号机控制模块主要包括有系统初始化模块、控制处理模块、通信处理模块、系统检测模块、数据采集模块、显示与修改模块、以及系统主模块、RTOS、BSP。其中系统初始化模块，是初始化内存和CPU、外围设备以及信号机参数。
控制处理模块，负责提供关灯、黄闪、全红、单点定周期、无电缆联动、单点优化、有电缆线控、系统线控、单点感应、单点方案选择、手动等控制方式。
系统检测模块，检测各硬件模块的状态，收集故障信息，并上报故障。
数据采集模块，采集并处理各种交通数据，如交通流量、时间占有率等。
显示与修改模块，显示信号机工作状态、信号机时钟，显示及修改信号机控制参数。
系统主模块负责完成系统主任务，其主要功能是系统公用数据初始化、创建信号量、加载设备驱动程序、创建消息队列、启动各任务、消息接收和系统监视。CPU的BSP和操作系统(RTOS)部分完成下列功能硬件的初始化、系统启动、设备驱动、基本参数设置、应用程序下载等工作。
如图6所示的信号机工作流程第一步，初始化操作系统；包括创建任务，初始化时钟、定时器。
第二步，启动数据管理任务；包括读取信号机运行参数，启动通信任务，与车检器、配置终端或控制中心进行通信，采集交通信息，获取控制中心或配置终端的消息。
第三步，启动信号灯驱动和控制策略任务；根据信号机配置参数，当与中心通信时，按照控制中心下发的控制参数进行协调控制；当信号机单点运行时，按照本机的控制参数运行各种控制方式。最终通过信号灯驱动任务实现对信号灯的控制。
如图3所示，本发明所述的自适应交通控制方法，其工作流程是A、通过信号机控制模块将混合交通流量数据，提供给区域控制器；
B、由区域控制器将流量数据输至数据库中储存，并依据流量数据进行主要包括有周期时长参数S(P、m)，自行车相位配时参数φ(m2、n机、Tt)的优化运算，从而形成优化方案；或是通过交通客户端制订出人工干预控制方案；C、由区域控制器将优化方案或人工干预方案输入数据库和中央控制服务器中，同时将优化方案或人工干预方案下发至信号机终端执行；D、由信号机终端实时调节、控制各类交通信号。
根据上述系统的工作方法，本发明所述的自适应交通控制方法，其核心内容是面向混合交通的控制算法，其主要包括流量预测与推测算法；周期长优选算法；绿信比优化算法；相位差优化算法；自行车相位配时算法；单点感应算法；单点优化算法组成。
上述面向混合交通的控制算法，其关键是周期时长优选算法、自行车相位配时算法。
周期时长优选算法，其算法函数表达式是S(P、m)。
周期时长参数S采用相位交通强度P作为优选指标，交通强度P是时间占有率和流量的函数。
优选相位数m确定相位交通强度P与周期时长S的对应关系。关键相位数m取值在2-5之间，因此优选周期时长S具有四种选择，即(P、2)，(P、3)，(P、4)，(P、5)。
混合交通控制系统，可根据预置的优选相位数选择相应的相位交通强度P，从而确定相应的周期时长S。
自行车相位配时算法，其算法函数表达式是φ(m2、n机、Tt)。
自行车相配时参数φ分为三部分，即自行车的折算系数确定、自行车相位分配、自行车相位配时。
其中，自行车折算系数是从自行车流量角度计量自行车交通流，自行车相位分配及配时算法从通行权角度分配自行车相位的时间。
(1)、计算自行车与机动车的折算系数通过线性回归，确定直行自行车与机动车的换算系数、以及左转自行车与机动车的换算系数m2。
(2)、判断何时分配自行车相位是否分配左转自行车相位，其关键因素是左转自行车的数量，即混行比例的问题。
当左转自行车数量较多时，混行车流通行能力要求上升，此时需利用较大的直行机动车间隙一次通过大量的左转自行车，因而需设置一个左转自行车相位；当左转自行车数量较少时，左转自行车可以先利用本向绿灯到达右侧进口道直行等待区，当竞争方向绿灯时再随竞争直行车流一起通过交叉口。
由此，需确定一个左转自行车的临界值计算模型，超过该临界值即可设置左转自行车相位；低于该临界值则不设置左转自选车相位，可使左转自行车二次通过以避免冲突。
该临界值的计算，是通过比较同一时间内的左转自行车通过数、直行机动车通过数来确定的。具体地先计算一次释放的最大左转自行车数所需的时间t；再计算该时间内能够通过的直行机动车n机；如表达式(2-1)所示 其中t-排队的左转自行车尾车从停车线到通过冲突点所需时间n左-绿灯初始时刻排队的左转自行车辆数s左-左转自行车的饱和流率l冲-左转自行车从停车线到与机动车冲突点的距离v左-左转自行车的平均速度n机-时间t内可以通过的不受干扰的直行机动车数然后比较直行机动车数与左转自行车数(换算为机动车数)，来决定是否为左转自行车设置相位。即若n机＞n左/m2(m2为左转自行车与机动车的换算系数)，则说明未达到临界值，则不应设置左转自行车相位；若n机＜n左/m2，则说明已达到临界值，则应当设置左转自行车相位。
综上所述，n机就是设置左转自行车相位的临界值。
(3)、计算自行车相位配时参数左转自行车的绿灯提前截止时间Tt，如函数表达式(3-1)所示 其中s自左-左转自行车从停车线到冲突点的行驶距离s机直-直行机动车从停车线到冲突点的行驶距离v自左-左转自行车从停车线到冲突点的平均速度v机直头-竞争直行机动车头车从停车线到冲突点的平均速度n机右-从停车线到与右转车冲突点时间内经过的右转机动车车辆数t右延-一辆右转机动车对左转自行车造成的平均延误t损-相位损失时间在机动车流和自行车流都较多的交叉口，配时参数Tt与直行车流通过时间之和，或配时参数Tt与左转车流通过时间之和，应是流量较大车流的通过时间。
以直行为例，直行机动车和直行自行车的相位时间如(3-2)式所示。
其中t自直-直行自行车排队尾车从起动到通过冲突点的时间n自直-直行自行车到达数s自直-直行自行车饱和流率l自冲-直行自行车从停车线到与对向左转机动车冲突点的行驶距离v自直-直行自行车平均速度t机直-直行机动车排队尾车从起动到通过冲突点的时间n机直-直行机动车到达数s机直-直行机动车饱和流率l机冲-直行机动车从停车线到与对向左转机动车冲突点的行驶距离v机直-直行机动车平均速度
权利要求
1.一种自适应交通控制系统，具有三级结构即中央控制服务器、区域控制服务器和交通信号机终端，其特征在于中央控制服务器，主要包括有交通状况预测模块、自动中心对时模块和脉冲数据采集模块；区域控制服务器，主要包括有交通强度计算模块、周期时长优选模块、绿信比计算模块、相位差计算模块和自动干预控制模块；交通信号机，主要包括有主控单元、通信单元、相位驱动单元、接口单元、车检单元、电源单元、手动及显示单元。
2.根据权利要求1所述的自适应交通控制系统，其特征在于信号机控制模块主要包括有系统初始化模块、控制处理模块、通信处理模块、系统检测模块、数据采集模块、显示与修改模块、以及系统主模块、RTOS、BSP。
3.一种自适应交通控制系统的工作方法，其特征在于通过信号机控制模块将混合交通流量数据，提供给区域控制器；由区域控制服务器将流量数据输至数据库中储存，并依据流量数据进行主要包括有周期时长参数S(P、m)，自行车相位配时参数φ(m2、n机、Tt)的优化运算，从而形成优化方案；或是通过交通客户端制订出人工干预控制方案；由区域控制服务器将优化方案或人工干预方案输入数据库和中央控制服务器中，同时将优化方案或人工干预方案下发至信号机终端执行；由信号机终端实时调节、控制各类交通信号。
4.根据权利要求3所述的自适应交通控制系统的工作方法，其特征在于周期时长参数S采用相位交通强度P作为优选指标，优选相位数m确定相位交通强度P与周期时长S的对应关系，关键相位数m取值在2-5之间。
5.根据权利要求4所述的自适应交通控制系统的工作方法，其特征在于自行车相位配时参数φ包括有自行车的折算系数、自行车相位分配与否、自行车相位配时的三个计算部分；其中，当n机＜n左/m2时，设置左转自行车相位；左转自行车的绿灯提前截止时间Tt与直行车流通过时间之和，或配时参数Tt与左转车流通过时间之和，应是流量较大车流的通过时间。
6.根据权利要求5所述的自适应交通控制系统的工作方法，其特征在于直行机动车和直行自行车的相位时间运算公式为
7.根据权利要求3所述的自适应交通控制系统的工作方法，其特征在于信号机控制模块监控收集混合交通流量数据，由自行车检测器采集自行车流量数据；感应检测器采集各进口道流量或进口道饱和流量；战略检测器采集流量、速度、时间占有率。
8.根据权利要求7所述的自适应交通控制系统的工作方法，其特征在于信号机终端的工作流程是第一步，初始化操作系统；包括创建任务，初始化时钟、定时器。第二步，启动数据管理任务；包括读取信号机运行参数，启动通信任务，与车检器、配置终端或控制中心进行通信，采集交通信息，获取控制中心或配置终端的消息。第三步，启动信号灯驱动和控制策略任务；根据信号机配置参数，当与中心通信时，按照控制中心下发的控制参数进行协调控制；当信号机单点运行时，按照本机的控制参数运行各种控制方式。最终通过信号灯驱动任务实现对信号灯的控制。
全文摘要
本发明所述的自适应交通控制系统和方法，其目的即在于克服现有技术的缺陷。通过应用交通信号配时优化技术，建立起一种新的混合交通控制模型，从而能够根据中国国情提供交通问题的解决方案。本发明所述的面向混合交通的自适应交通控制系统和方法，其核心技术采用交通信号工程技术。采用混合交通控制算法，提供控制机动车、行人、非机动车的算法，以此形成实际的控制功能。在分析自行车、行人交通流的规律的基础上，形成配时理论和算法，从而应用于混合交通的控制。
文档编号G08G1/00GK1619551SQ20031010567
公开日2005年5月25日 申请日期2003年11月18日 优先权日2003年11月18日
发明者朱中, 陈维强, 汪志涛, 李月高, 冯璐, 孟祥军 申请人:海信集团有限公司, 青岛海信网络科技股份有限公司