车路协同环境下城市多交叉口多层分布控制系统及其方法

1.本发明涉及道路交叉口信号控制技术领域，尤其是涉及一种车路协同环境下城市多交叉口多层分布控制系统及其方法。


背景技术：

2.城市道路多交叉口信号控制方案的有机协同，是缓解交通拥堵、提高通行效率的有效方法之一。目前的多交叉口信号控制方法大多基于集中式方法，即利用启发式算法获得最优控制方案，这种控制方法的求解效率低、难以在实际中应用。
3.此外，现有的城市多交叉口信号控制平台架构大多为集中式优化框架，将多个交叉路口作为统一运行的整体来考虑，通过将所有交叉口信号配时参数集成到同一个优化问题中，以保证整个区域的整体运行性能达到最优。但是随着城市交叉口数量的增加，变量以及约束的数量增长速度非常快，优化问题的规模也越来越大，这会严重影响求解集中式信号协同问题的效率以及准确性，难以高效、可靠、稳定地得到多交叉口信号配时方案，不利于缓解城市交通拥堵问题。


技术实现要素：

4.本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种车路协同环境下城市多交叉口多层分布控制系统及其方法，基于分布式架构，以提高多交叉口信号控制问题的求解效率及准确性，实现城市多交叉口的最优协同控制。
5.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种车路协同环境下城市多交叉口多层分布控制系统，包括布设在各交叉口的信号控制单元、路测单元和多源交通状态感知设备，所述各交叉口分别设置有对应的路网拓扑结构，所述路网拓扑结构包括与本交叉口所有直接相邻的交叉口；
6.所述路测单元与本交叉口的信号控制单元通信连接，所述路测单元与本交叉口对应路网拓扑结构内其他相邻交叉口的路测单元和多源交通状态感知设备分别通信连接，以构成各交叉口路网拓扑结构之间的分布式通讯；
7.所述多源交通状态感知设备用于实时采集交叉口状态信息；
8.所述路测单元用于融合处理本交叉口状态信息以及相邻交叉口状态信息，并结合相邻交叉口的信号配时信息，以得到本交叉口的优化信号配时方案；
9.所述信号控制单元从本交叉口的路测单元获取优化信号配时方案，以对应控制本交叉口的信号机执行优化信号配时方案。
10.进一步地，所述多源交通状态感知设备包括但不限于固定线圈、摄像头以及雷达。
11.进一步地，所述路测单元还与网联车辆通信连接。
12.进一步地，所述交叉口对应的路网拓扑结构具体为：
13.gi(ni,ei)
14.其中，gi为交叉口i的路网拓扑结构模型，ni为节点集合，包括与本地交叉口i所有
直接相邻的交叉口，ei为与交叉口i相接的路段集合，用于反映路段长度、饱和流量数据；
15.本地交叉口i的路测单元只与ni节点集合内的交叉口路测单元进行通讯连接，同时本地交叉口i的路测单元只接收来自ei路段集合的多源交通状态感知设备采集的交叉口状态信息。
16.一种车路协同环境下城市多交叉口多层分布控制方法，包括以下步骤：
17.s1、基于各交叉口路网拓扑结构之间的分布式通讯，路测单元分别从本交叉口与相邻交叉口的多源交通状态感知设备获取交叉口状态信息、从相邻交叉口的路测单元获取相邻交叉口的信号配时信息；
18.s2、路测单元对获取的交叉口状态信息进行融合处理，以得到路段一致性交通状态描述信息；
19.s3、基于路段一致性交通状态描述信息以及相邻交叉口的信号配时信息，通过确定异步时刻的相邻交叉口配时信息、构建分布式交通路网系统动态更新方程，再结合设定的目标函数，以得到分布式信号配时优化模型；
20.s4、对分布式信号配时优化模型进行求解，得到各个交叉口对应的优化信号配时方案；
21.s5、信号控制单元从本交叉口的路测单元获取对应的优化信号配时方案，并控制本交叉口信号机执行获取的优化信号配时方案。
22.进一步地，所述步骤s2中路段一致性交通状态描述信息包括排队长度、信号状态、转向比例、车辆延误数据。
23.进一步地，所述步骤s3中确定异步时刻的相邻交叉口配时信息的具体过程为：由于上游交叉口放行通过的车辆不会立即到达下游交叉口停车线位置，可知当前相邻交叉口的信号配时方案不会影响到本地交叉口，反而是上一时刻的信号配时方案会影响本地交叉口此时的信号配时，将上一时刻的相邻交叉口配时方案作为异步时刻信息，即本地交叉口i在时刻t进行信号配时优化所基于的相邻交叉口配时方案是来自t-hi时刻的，
24.其中，j为交叉口i的相邻交叉口编号，ni为与交叉口i所有直接相邻的交叉口集合，i为交叉口的集合，t
j,i
为交叉口j到i的行程时间，异步时刻的相邻交叉口配时信息能够为分布式信号配时优化控制提供建模基础和实时性保障。
25.进一步地，所述步骤s3中构建分布式交通路网系统动态更新方程的具体过程为：交通路网的排队长度演变被视为系统动态更新，基于异步时刻的相邻交叉口配时信息，可以对分布式路网拓扑结构的系统动态演变进行分布式更新，以满足分布式信号配时优化的需求，由此将交叉口i的进口道m在时刻t的排队长度的演变公式作为分布式交通路网系统动态更新方程。
26.进一步地，所述交叉口i的进口道m在时刻t的排队长度演变公式为：
27.[0028][0029][0030]
式中，与分别为交叉口i的进口道m在时刻t从上游进入和流出向下游的车辆数，mi为交叉口i进口道集合，pm′
,m
为上游进口道m
′
到下游进口道m的转向比例，为交叉口j进口道m
′
在t-t
j,i
时刻的信号灯状态，绿灯时取1，否则取0；s
j,m
′
为交叉口j进口道m
′
的饱和流率，δt为时间步长，为交叉口j的进口道m
′
在t-t
j,i
时刻的排队长度，u(i,m)为交叉口i的进口道m的上游进口道集合，m
′
属于u(i,m)集合，j为交叉口i的相邻交叉口编号，ni为与交叉口i所有直接相邻的交叉口集合，i为交叉口的集合，t
j,i
为交叉口j到i的行程时间，为交叉口i的进口道m在t时刻的信号灯状态，绿灯时取1，否则取0；s
i,m
为交叉口i进口道m的饱和流率，δt为时间步长，为交叉口i的进口道m在t-1时刻的排队长度。
[0031]
进一步地，所述步骤s3中设定的目标函数具体为车辆延误最小、通过量最大。
[0032]
与现有技术相比，本发明针对城市多交叉口，基于分布式架构，提出城市多交叉口在感知、拓扑建模、通讯、优化、控制等多层的分布式控制系统及方法，通过分布式方法，实现感知、拓扑建模、通讯、优化、控制等多层的快速协同，克服了求解困难、稳定性不佳等问题，能够提高多交叉口信号控制问题的求解效率、提高城市多交叉口信号配时的稳定性，缓解城市交通拥堵问题，实现城市多交叉口信号配时最优协同控制，从而有效降低延误、提高通行能力。
[0033]
本发明通过设置交叉口对应的路网拓扑结构，利用各路网拓扑结构之间的分布式通讯，使得路测单元能够获取到所在路网拓扑结构内所有交叉口的状态信息以及信号配时信息，一方面避免局部交叉口接收大量无效的、来自整个路网的全样本数据，从而能够只基于分布式拓扑结构实现交叉口间的协同控制，另一方面也能够充分融合利用获取的信息，以准确完成后续对本交叉口信号配时的优化。
[0034]
本发明在进行分布式信号配时优化的过程中，充分考虑异步时刻的相邻交叉口配时信息，结合交叉口的进口道实时动态变化的排队长度，以构建出分布式交通路网系统动态更新方程，再结合延误最小、通过量最大作为目标函数，构建分布式信号配时方案优化模型，使得优化每个交叉口信号配时方案的同时，充分准确地考虑了邻接交叉口的信息，进而能够可靠实现多交叉口协同。
附图说明
[0035]
图1为本发明的方法流程示意图；
[0036]
图2为实施例中多层分布式信号控制平台的技术路线与逻辑框架图；
[0037]
图3为实施例中车路协同环境分布式感知的物理架构示意图；
[0038]
图4为实施例中分布式信号配时优化控制和实施的过程示意图。
具体实施方式
[0039]
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
[0040]
实施例
[0041]
一种车路协同环境下城市多交叉口多层分布控制系统，包括布设在各交叉口的信号控制单元、路测单元和多源交通状态感知设备，各交叉口分别设置有对应的路网拓扑结构，路网拓扑结构包括与本交叉口所有直接相邻的交叉口，交叉口对应的路网拓扑结构具体为：
[0042]gi
(ni,ei)
[0043]
式中，gi为交叉口i的路网拓扑结构模型，ni为节点集合，包括与本地交叉口i所有直接相邻的交叉口，ei为与交叉口i相接的路段集合，用于反映路段长度、饱和流量数据；
[0044]
本地交叉口i的路测单元只与ni节点集合内的交叉口路测单元进行通讯连接，同时本地交叉口i的路测单元只接收来自ei路段集合的多源交通状态感知设备采集的交叉口状态信息。
[0045]
路测单元与本交叉口的信号控制单元通信连接，路测单元与本交叉口对应路网拓扑结构内其他相邻交叉口的路测单元和多源交通状态感知设备分别通信连接，以构成各交叉口路网拓扑结构之间的分布式通讯，在实际应用中，路测单元还可与网联车辆通信连接。
[0046]
其中，多源交通状态感知设备用于实时采集交叉口状态信息；
[0047]
路测单元用于融合处理本交叉口状态信息以及相邻交叉口状态信息，并结合相邻交叉口的信号配时信息，以得到本交叉口的优化信号配时方案；
[0048]
信号控制单元从本交叉口的路测单元获取优化信号配时方案，以对应控制本交叉口的信号机执行优化信号配时方案。
[0049]
将上述系统应用于实际，以实现一种车路协同环境下城市多交叉口多层分布控制方法，如图1所示，包括以下步骤：
[0050]
s1、基于各交叉口路网拓扑结构之间的分布式通讯，路测单元分别从本交叉口与相邻交叉口的多源交通状态感知设备获取交叉口状态信息、从相邻交叉口的路测单元获取相邻交叉口的信号配时信息；
[0051]
s2、路测单元对获取的交叉口状态信息进行融合处理，以得到路段一致性交通状态描述信息；
[0052]
s3、基于路段一致性交通状态描述信息以及相邻交叉口的信号配时信息，通过确定异步时刻的相邻交叉口配时信息、构建分布式交通路网系统动态更新方程，再结合设定的目标函数，以得到分布式信号配时优化模型；
[0053]
s4、对分布式信号配时优化模型进行求解，得到各个交叉口对应的优化信号配时方案；
[0054]
s5、信号控制单元从本交叉口的路测单元获取对应的优化信号配时方案，并控制本交叉口信号机执行获取的优化信号配时方案。
[0055]
本实施例应用上述技术方案，利用车路协同环境下的分布式感知方法获取实时交通状态信息，根据分布式路网拓扑结构实现分布式通讯，基于实时交通信息优化本地信号配时方案，实现城市多交叉口多层分布式信号控制平台的架构。如图2所示，主要包括以下内容：
[0056]
步骤1、分布式交通状态信息感知；
[0057]
步骤2、根据路网拓扑结构的分布式通讯方法；
[0058]
步骤3、分布式信号配时优化；
[0059]
步骤4、分布式控制方案实施。
[0060]
具体的：
[0061]
步骤1、分布式交通状态信息感知
[0062]
(1.1)分布式感知系统物理架构。
[0063]
该多层分布式信号控制平台要求在车路协同环境下，每个交叉口处布设信号控制单元、路测单元及一系列交通状态感知设备(如图3所示)。
[0064]
信号控制单元负责接收来自路测单元的优化后的信号配时信息，并按照优化方案实施。
[0065]
路测单元用于接收来自各状态感知设备、网联车辆以及相邻交叉口路测单元的信息，基于这些信息优化本地交叉口信号配时，将优化后的信号配时方案反馈到信号控制单元，并将本地信息广播给相邻交叉口的路测单元。
[0066]
交通状态感知设备包括固定线圈、摄像头、雷达等检测设备，用于实时感知本地交叉口的状态信息，并将这些信息融合汇总至路测单元。此外，路段上的网联车辆也可以和路测设备实时通讯广播信息。
[0067]
(1.2)交通状态信息融合方法。
[0068]
利用多源数据融合技术，该多层分布式信号控制平台将来自众多感知设备的交通信息进行综合，吸取不同数据源的特点，然后从中提取出统一的、更精确的交通状态信息，生成路段的一致性交通状态描述信息，主要包括排队长度、车辆延误等数据。
[0069]
步骤2、根据路网拓扑结构的分布式通讯方法
[0070]
(2.1)建立相邻交叉口的分布式拓扑结构
[0071]
考虑相邻交叉口的分布式拓扑结构。每个交叉口i单独构建局部路网拓扑结构模型gi(ni,ei)，其中ni为节点集合，包括与本地交叉口i所有直接相邻的交叉口。ei表示与交叉口i相接的路段集合，反映路段长度、饱和流量等数据。
[0072]
(2.2)分布式通讯方法
[0073]
不同于集中式通讯方法，分布式通讯方法只应用于交叉口i的局部路网拓扑结构gi(ni,ei)。即本地交叉口i的路测单元只与ni节点集合内的交叉口路测单元进行通讯，同时本地交叉口i的路测单元只接受来自ei路段集合的多源交通状态感知融合信息。分布式通讯方法避免了局部交叉口接收大量无效的、来自整个路网的全样本数据，只基于分布式拓扑结构实现交叉口间的协同控制。
[0074]
(2.3)拓扑结构的调整
[0075]
相邻交叉口分布式拓扑结构作为该多层分布式信号控制平台的底层静态数据，根据现实世界的真实路网数据构造，需要收集交叉口邻接关系、路段长度、渠化设计方案、饱和流率等数据。现实世界路网改造后，需要对平台的底层分布式拓扑结构进行调整和改变。
[0076]
步骤3、分布式信号配时优化
[0077]
(3.1)异步时刻的相邻交叉口配时信息
[0078]
上游交叉口放行通过的车辆不会立即到达下游交叉口停车线位置，即当前相邻交
叉口的信号配时方案不会影响到本地交叉口，反而是上一时刻的配时方案会影响本地交叉口此时的信号配时。上一时刻的相邻交叉口配时方案被视为异步时刻信息，表示本地交叉口i在时刻t进行信号配时优化，基于的相邻交叉口配时方案是来自t-hi时刻的。其中，hi为：
[0079][0080]
j表示交叉口i的相邻交叉口编号，ni为与交叉口i所有直接相邻的交叉口集合，i为交叉口的集合，t
j,i
为交叉口j到i的行程时间。异步时刻信息为分布式信号配时优化控制提供了建模基础和实时性保障。
[0081]
(3.2)系统动态分布式更新
[0082]
交通路网的排队长度演变被视为系统动态更新。基于异步时刻的相邻交叉口配时信息，可以对分布式拓扑结构的系统动态演变进行分布式更新，以满足分布式信号配时优化的需求。交叉口i进口道m在时刻t的排队长度演变公式可按如下计算：
[0083][0084]
与分别表示交叉口i进口道m在时刻t从上游进入和流出向下游的车辆数。mi表示交叉口i进口道集合。根据异步时刻信息，与的计算公式如下：
[0085][0086]
其中，pm′
,m
表示上游进口道m
′
到下游进口道m的转向比例。表示交叉口j进口道m
′
在t-t
j,i
时刻的信号灯状态，绿灯时取1，否则取0。s
j,m
′
表示交叉口j进口道m
′
的饱和流率。δt表示时间步长，在应用中可设计为1s。表示交叉口j进口道m
′
在t-t
j,i
时刻的排队长度。u(i,m)表示交叉口i进口道m的上游进口到集合，m
′
属于u(i,m)集合。j表示交叉口i的相邻交叉口编号，ni为与交叉口i所有直接相邻的交叉口集合，i表示交叉口的集合，t
j,i
为交叉口j到i的行程时间。
[0087][0088]
表示交叉口i进口道m在t时刻的信号灯状态，绿灯时取1，否则取0。s
i,m
表示交叉口i进口道m的饱和流率。δt表示时间步长，在应用中可设计为1s。表示交叉口i进口道m在t-1时刻的排队长度。mi表示交叉口i进口道集合。i表示交叉口的集合。
[0089]
由此构建了分布式交通路网系统动态更新方程。其中排队长度、信号状态、转向比例等变量都可根据车路协同环境下的分布式感知系统获得。
[0090]
(3.3)分布式信号配时方案优化
[0091]
基于分布式交通路网系统动态更新方程，路测单元可根据延误最小、通过量最大等作为目标函数，构建分布式信号配时方案优化模型，优化每个交叉口的信号配时方案的同时考虑邻接交叉口的信息，达到多交叉口协同的目的，如图4所示。该多层分布式信号控制平台不限制优化模型具体形式，现有的优化模型均可被应用在该平台架构中。
[0092]
步骤4、分布式控制方案实施
[0093]
(4.1)本地交叉口控制方案实施
[0094]
根据以上步骤获得每个交叉口处优化后的信号配时方案，按照分布式框架实施：每个交叉口的信号控制单元接收路测单元的优化信号配时，并控制信号机按照优化方案执行。
[0095]
(4.2)信息广播与接收
[0096]
每个交叉口处的路测单元将排队长度、优化后信号配时方案等信息广播至邻接交叉口处的路测单元，并接收来自邻接交叉口的信息。
[0097]
综上可知，本技术方案充分利用车路协同环境下可获取的实时交通状态信息，提出了城市多交叉口多层分布式信号控制平台。通过在感知、拓扑建模、通讯、优化、控制等多层上均采取分布式建模架构，解决了传统集中式方法求解困难、难以应用等问题，能够有效提高多交叉口信号控制稳定性、有效提高通行效率并降低延误，本技术方案可应用于当前车路协同环境下的城市多交叉口中信号控制中，即可实现城市多交叉口的最优协同控制。