1.一种基于电警数据的交叉口自适应交通信号控制系统,其特征在于,包括电警数据采集模块、交通信号控制方案生成模块、信号控制平台和信号机,其中,所述交通信号控制方案生成模块包括交通信号控制预案库生成单元、交通信号控制战略方案生成单元和交通信号控制战术方案生成单元;
所述电警数据采集模块用于采集并缓存电警数据,其中,所述电警数据包括交叉口的若干相位、若干流向、各个相位对应的流向、各个流向对应的车道数和各个流向对应的流量;
所述交通信号控制预案库生成单元通信连接所述电警数据采集模块,用于根据在若干个历史时间片内采集的电警数据,计算历史的各相位等效关键单车道流量矩阵,该各相位等效关键单车道流量矩阵包含有各个历史时间片的各相位等效关键单车道流量序列,并以所有历史时间片的各相位等效关键单车道流量序列为样本集进行聚类分析,得到交叉口在多个交通状态下的各相位流量表征值序列,最后针对各个交通状态,根据对应的各相位流量表征值序列计算对应交通信号控制方案的最佳信号周期时长,得到包含多个交通状态-信号周期预案的交通状态-信号周期预案库,其中,每个交通状态-信号周期预案分别包含有一个交通状态、对应交通状态的各相位流量表征值序列和对应交通信号控制方案的最佳信号周期时长;
所述交通信号控制战略方案生成单元分别通信连接所述电警数据采集模块和所述交通信号控制预案库生成单元,用于在当前时间片结束时,根据在前一个时间片内采集的电警数据,计算下一个时间片的各相位等效关键单车道预测流量序列,并根据计算结果从已生成的交通状态-信号周期预案库中查找匹配的交通状态及对应交通信号控制方案的最佳信号周期时长,将查找所得的最佳信号周期时长作为在下一个时间片内各个信号周期的周期时长,并根据计算所得的各相位等效关键单车道预测流量序列分配在各个信号周期内各相位的绿灯显示时长,得到包含多个信号周期的周期时长及在各个信号周期内各相位的绿灯显示时长的交通信号控制战略方案;
所述交通信号控制战术方案生成单元分别通信连接所述电警数据采集模块和所述交通信号控制战略方案生成单元,用于在当前信号周期结束时,根据在前一个信号周期和当前信号周期内采集的电警数据,对在已生成的交通信号控制战略方案中下一个信号周期的周期时长和各相位的绿灯显示时长进行微调,得到包含下一个信号周期的周期时长及各相位的绿灯显示时长的交通信号控制战术方案;
所述信号控制平台通信连接所述交通信号控制战术方案生成单元,用于将来自所述交通信号控制战术方案生成单元的交通信号控制战术方案写入所述信号机;
所述信号机通信连接所述信号控制平台,用于执行交通信号控制战术方案。
2.如权利要求1所述的一种基于电警数据的交叉口自适应交通信号控制系统,其特征在于,所述根据在若干个历史时间片内采集的电警数据,计算历史的各相位等效关键单车道流量矩阵的方法,包括如下步骤:
S101.从电警数据采集模块中读取在若干个历史时间片内采集的电警数据,得到各个流向在各个历史时间片内对应的流量,并建立如下的交叉口交通流量矩阵:
式中,n表示流向的总数,h表示历史时间片的总数,qqij表示第i(i=1,2,3,…,n)个流向在第j(j=1,2,3,…h)个历史时间片内对应的流量;
S102.根据各个流向对应的车道数将所述交叉口交通流量矩阵转化为如下等效单车道流量矩阵:
式中,li表示第i(i=1,2,3,…,n)个流向对应的车道数,表示第i(i=1,2,3,…,n)个流向在第j(j=1,2,3,…h)个历史时间片内对应的等效单车道流量;
S103.针对各个相位,取对应流向中的等效单车道流量最大值为等效关键单车道流量的值,将所述等效单车道流量矩阵转化为如下各相位等效关键单车道流量矩阵:
式中,m表示相位的总数,qrj表示第r(r=1,2,3,…,m)个相位在第j(j=1,2,3,…h)个时间片内对应的等效关键单车道流量。
3.如权利要求2所述的一种基于电警数据的交叉口自适应交通信号控制系统,其特征在于,所述以所有历史时间片的各相位等效关键单车道流量序列为样本集进行聚类分析,得到交叉口在多个交通状态下的各相位流量表征值序列的方法,包括如下步骤:
S201.将所述等效关键单车道流量矩阵中的每一列作为一个样本,得到包含h个历史时间片的各相位等效关键单车道流量序列的样本集;
S202.设定聚类数为K,采用K-means算法对所述样本集进行聚类分析,得到K个交通状态及对应交通状态的聚类中心序列:
式中,Srk表示第r(r=1,2,…,m)个相位在第k(k=1,2,…,K)类交通状态下的且处于聚类中心位置的等效关键单车道流量,Center(k)表示第k类交通状态的聚类中心序列;
S203.将得到的各类交通状态的聚类中心序列作为对应交通状态下的各相位流量表征值序列:
式中,PR(k)表示第k类交通状态下的各相位流量表征值序列。
4.如权利要求3所述的一种基于电警数据的交叉口自适应交通信号控制系统,其特征在于,所述针对各个交通状态,根据对应的各相位流量表征值序列计算对应交通信号控制方案的最佳信号周期时长的方法,包括如下步骤:
S301.根据对应交通状态的各相位流量表征值序列PR(k),按照如下公式计算组成信号周期的全部相位的流量比之和:
式中,表示在第r(r=1,2,…,m)个相位时等效关键单车道的饱和流量,Y(k)表示在第k类交通状态下组成信号周期的全部相位的流量比之和;
S302.按照如下公式计算对应交通信号控制方案的最佳信号周期时长:
式中,L表示在信号周期中的总损失时间,C(k)表示与第k类交通状态对应的交通信号控制方案的最佳信号周期时长,其单位为秒;
S303.若计算所得的最佳信号周期时长C(k)小于最小周期时长Cmin,则将该最佳信号周期时长C(k)更新为最小周期时长Cmin。
5.如权利要求1所述的一种基于电警数据的交叉口自适应交通信号控制系统,其特征在于,所述电警数据采集模块包括电子警察设备和SQL数据库;
所述电子警察设备用于采集电警数据,所述SQL数据库用于以SQL数据结构存储来自所述电子警察设备的电警数据。
6.一种如权利要求1~5任意一项所述的基于电警数据的交叉口自适应交通信号控制系统的工作方法,其特征在于,包括如下步骤:
S401.在时刻t秒结束时判断当前时间片是否结束,若判定当前时间片已结束,则执行步骤S402,否则执行步骤S407;
S402.判断当前信号周期是否结束,若判定当前信号周期已结束,则执行步骤S403,否则执行步骤S406;
S403.根据在前一个时间片内采集的电警数据,计算下一个时间片的各相位等效关键单车道预测流量序列,并根据计算结果从已生成的交通状态-信号周期预案库中查找匹配的交通状态及对应交通信号控制方案的最佳信号周期时长,将查找所得的最佳信号周期时长作为在下一个时间片内各个信号周期的周期时长,并根据计算所得的各相位等效关键单车道预测流量序列分配在各个信号周期内各相位的绿灯显示时长,得到包含多个信号周期的周期时长及在各个信号周期内各相位的绿灯显示时长的交通信号控制战略方案,然后执行步骤S404;
S404.根据在前一个信号周期和当前信号周期内采集的电警数据,对在已生成的交通信号控制战略方案中下一个信号周期的周期时长和各相位的绿灯显示时长进行微调,得到包含下一个信号周期的周期时长及各相位的绿灯显示时长的交通信号控制战术方案,然后执行步骤S405;
S405.将所述交通信号控制战术方案上传至信号控制平台,由信号控制平台将所述交通信号控制战术方案写入信号机,然后执行步骤S406;
S406.信号机正常执行当前的交通信号控制战术方案,并等待时刻t自加1秒,然后返回执行步骤S401;
S407.判断当前信号周期是否结束,若判定当前信号周期已结束,则执行步骤S404,否则执行步骤S406。
7.如权利要求6所述的一种基于电警数据的交叉口自适应交通信号控制系统的工作方法,其特征在于,所述根据在前一个时间片内采集的电警数据,计算下一个时间片的各相位等效关键单车道预测流量序列的方法,包括如下步骤:
S501.根据在前一个时间片内采集的电警数据,计算首时间子片的各相位等效关键单车道流量序列中时间子片的各相位等效关键单车道流量序列和尾时间子片的各相位等效关键单车道流量序列其中,所述首时间子片、所述中时间子片和所述尾时间子片为在前一个时间片内依次排序的且均分前一个时间片的时间子片;
S502.按照如下公式计算当前时间片的二次数据序列:
式中,α=2.4,β=0.3,χ=0.3;
S503.按照如下公式计算下一个时间片的各相位等效关键单车道预测流量序列:
式中,表示在计算前一个时间片的各相位等效关键单车道预测流量序列时所得到的各相位等效关键单车道预测流量序列,λ常数,当时取值为0.75,反之取值为0.25。
8.如权利要求6所述的一种基于电警数据的交叉口自适应交通信号控制系统的工作方法,其特征在于,所述根据计算结果从已生成的交通状态-信号周期预案库中查找匹配的交通状态及对应交通信号控制方案的最佳信号周期时长的方法,包括如下步骤:
S601.分别计算下一个时间片的各相位等效关键单车道预测流量序列与各交通状态的流量表征值序列的欧式距离;
S602.选择欧式距离最短的交通状态为匹配目标,并获取与该匹配目标对应的交通信号控制方案的最佳信号周期时长。
9.如权利要求6所述的一种基于电警数据的交叉口自适应交通信号控制系统的工作方法,所述根据计算所得的各相位等效关键单车道预测流量序列分配在各个信号周期内各相位的实际绿灯显示时长的方法,包括如下步骤:
S701.根据在所述各相位等效关键单车道流量预测序列中各相位的等效关键单车道预测流量,按照如下公式计算各相位的流量比预测值:
式中,r=1,2,…,m,m表示相位的总数,表示第r相位的饱和度预测值,表示第r相位的等效关键单车道预测流量,表示第r相位的等效关键单车道饱和流量;
S702.按照如下公式计算各相位的绿灯显示时间:
式中,gr表示第r相位的绿灯显示时间,C0表示信号周期的周期时长,L表示信号周期的总损失时间,L=(A+R)*m,其中,A表示黄灯显示时间,R表示红灯显示时间,m表示相位的总数。
10.如权利要求6所述的一种基于电警数据的交叉口自适应交通信号控制系统的工作方法,所述根据在前一个信号周期和当前信号周期内采集的电警数据,对在已生成的交通信号控制战略方案中下一个信号周期的周期时长和各相位的绿灯显示时长进行微调的方法,包括如下步骤:
S801.根据在前一个信号周期内采集的电警数据,计算前一个信号周期的各相位等效关键单车道流量序列,根据在当前信号周期内采集的电警数据,计算当前信号周期的各相位等效关键单车道流量序列;
S802.根据前一个信号周期的各相位等效关键单车道流量序列,按照如下公式计算前一个信号周期的饱和度值:
式中,m表示相位的总数,xlast表示前一个信号周期的饱和度值,表示在前一个信号周期内第r相位的等效关键单车道预测流量,表示第r相位的等效关键单车道饱和流量,表示前一个信号周期第r相位的绿灯显示时间,Clast表示前一个信号周期的周期时长,同时根据当前信号周期的各相位等效关键单车道流量序列,按照如下公式计算当前信号周期的饱和度值:
式中,xcurrent表示当前信号周期的饱和度值,表示在当前信号周期内第r相位的等效关键单车道预测流量,表示当前信号周期第r相位的绿灯显示时间,Ccurrent表示当前信号周期的周期时长;
S803.按照如下公式计算下一个信号周期的周期时长:
式中,Cnext表示下一个信号周期的周期时长,Ccurrent表示当前信号周期的周期时长,Δ表示最小时间单位为秒的微调时间步长;
S804.按照如下公式计算各相位的饱和度变化率:
式中,γr表示第r相位的饱和度变化率;
S805.按照如下几种情况,对下一个信号周期内各相位的实际绿灯显示时长进行微调:
(1)当Cnext=Ccurrent+Δ且存在至少两个相位的饱和度变化率大于零时,则针对饱和度变化率最大的相位的实际绿灯显示时长,延长针对饱和度变化率次大的相位的实际绿灯显示时长,延长其中,Round()为四舍五入函数,γmax为饱和度变化率的最大值,γsecond_max为饱和度变化率的次大值;
(2)当Cnext=Ccurrent+Δ且存在一个相位的饱和度变化率大于零时,则针对饱和度变化率最大的相位的实际绿灯显示时长,延长Δ;
(3)当Cnext=Ccurrent-Δ且存在至少两个相位的饱和度变化率小于零时,则针对饱和度变化率最小的相位的实际绿灯显示时长,缩短针对饱和度变化率次小的相位的实际绿灯显示时长,缩短其中,Round()为四舍五入函数,γmin为饱和度变化率的最小值,γsecond_min为饱和度变化率的次小值;
(4)当Cnext=Ccurrent-Δ且存在一个相位的饱和度变化率小于零时,则针对饱和度变化率最小的相位的实际绿灯显示时长,缩短Δ;
(5)当Cnext=Ccurrent时,不微调。