一种基于交通流感知的智能交通灯调度系统及其调度方法

摘要

本发明公开了一种基于交通流感知的智能交通灯调度系统及其调度方法。系统中主要包括具有流量统计功能的交通传感器，具有通信和调控能力的交通信号灯和交通服务器。具有流量统计功能的交通传感器将交通流量信息上传至交通服务器，交通服务器可进行自动存储、自动计算、自动将调度结果发送至具有通信和调控能力的交通信号灯，从而自动调控交通流量。该方案调控性能良好，自动化的合理调度交通灯，优化人们出行体验。和其他方案相比，该方案保证了系统设施配置相对简单，全程自动化，稳定性强，且调控性能优异。

说明书

 

技术领域

本发明涉及城市智能交通管理，具体是一种基于交通流感知的智能交通灯调度系统及其调度方法，该方法基于离散时隙的配时，在基于历史交通流信息的贪婪策略交通灯配时方法。

背景技术

随着城市车辆数目的急剧增长,车辆与路面的矛盾越来越突出,增加道路面积只能治标不治本。实践证明,合理地对城市红绿灯进行优化设计,将高峰期和缓峰期分开对待,设置合理的配时方案,对于改善交通流的质量,更好地利用现有运输能力,实现交通流的安全性、快速性和舒适性都能起到很大作用。

随着“物联网”、“智能交通”、“车载网”概念的提出以及用以交通流量统计的各种传感器的发展和普及，使得我们有更多手段调节交通流量，缓解交通拥堵。智能的调配交通信号灯时长，是智能交通领域缓解交通压力的重要手段。由于交通流量具有一定的历史规律性，历史道路流量信息可以被我们有效的利用以优化交通信号灯配时以调控交通流。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于交通流感知的智能交通灯调度系统及其调度方法，该方法通过布控在城市干道上的交通流传感器采集的历史近期的车流信息，计算出优化的下一日的配时方案，通过设定交通灯不同的时隙数目实现具体配时，从而缓解交通压力，方便人们出行。

本发明所述的一种基于交通流感知的智能交通灯调度系统，包括：

交通流传感器：安置在整个城市交通节点的单方向车道出口处，实时监控并统计当前道路上流出机动车数目，并定期将数据提交给服务器；该交通流传感器可以为交通摄像头等传感器设备。

智能交通信号灯：对应交通流传感器设置在整个城市交通节点，将交通服务器反馈来的配时方案具体实施，自主设定相应的红绿灯配时时间；

    交通服务器：利用各个交通流传感器节点提交的整个城市拓扑内的交通流量信息，通过基于交通流信息的贪婪策略调控方法，计算各个路口交通灯配时，并将配时结果发送给各个交通路口的智能交通灯，具体实施配时。

所述基于交通流感知的智能交通灯调度系统的调度方法，其特征在于包括以下步骤：

1）利用整个城市交通节点设置的交通流传感器采集交通流的具体信息，存入历史数据库；

2）初始化整个城市交通节点上的所有交通流传感器，设置当前配时方案为红绿灯时间相等的初始配时；

3)寻找历史数据库中的历史信息所显示的当前城市交通拓扑中最为拥堵的节点；

4)调整该节点中的红绿灯配时，以使得当前路口的交通压力减轻；

5)根据步骤4）调整产生的副作用，估算流量新的变化，更新对当前拓扑流量的数值；

6)重复步骤3）至5），直至所有节点配时完成，将结果发送给各个交通路口节点。

所述步骤4)调整该节点中的红绿灯配时，以离散的固定时隙作为调整的基本时间单位。

所述步骤4)调整该节点中的红绿灯配时采用贪婪策略，优先解决历史信息中显示的当前城市拓扑中最拥堵的交通路口，根据道路长度及宽度，机动车流数目计算合适的交通灯配时以缓解当前路口的交通压力。

所述步骤5)的策略是根据步骤4）调整产生的副作用基础上，迭代贪婪策略处理其余交通路口，直至遍历整个交通拓扑。

本发明采用离散时隙控制交通灯配时，即从粗粒度上调控，并不连续调整交通灯配时，而采用更加便于设计和实现的离散化配时方法，设定时只确定基本时间单位的数目，从而方便设计过程和调控过程。在分析历史信息的基础上，优先解决当前城市拓扑中最拥堵的路口。对于城市拓扑中的各个道路，周期性的统计当前制定道路方向车流量情况，并提交至服务器数据库以备使用。利用贪婪策略，优先解决历史信息中显示的当前城市拓扑中最拥堵的交通路口；根据道路长度及宽度，机动车流数目计算合适的交通灯配时以缓解当前路口的交通压力。由于当前交通灯配时的变化，会一定程度上影响相邻路口的交通流量变化，所以需要根据此次调整产生的副作用基础上，迭代贪婪策略处理其余交通路口，直至遍历整个交通拓扑。

附图说明

图1 系统场景结构图，

    图2十字路口示意图，

    图3 调整副作用示意图。

具体实施方式

1. 系统场景

图1是系统场景结构图。主要由交通流传感器节点（交通摄像头）、智能交

通信号灯以及交通服务器组成。各个组成部分功能如下：

交通摄像头：通过拍摄到的车流信息，统计相应机动车道路上当日单方向的使出机动车数目，并将统计结果上传至交通服务器。

智能交通信号灯：将交通服务器反馈来的配时方案具体实施，自主设定相应的红绿灯配时时间。

交通服务器：利用交通摄像头上传的交通流信息，根据设计的基于交通流感知的智能交通灯调度方法，给出相应的交通灯配时，并将其告知各个智能交通信号灯。

2.  基于离散时隙信号灯配时调控具体方法

现代交通中的交通信号灯，通常指由红、黄、绿三种颜色灯组成用来指挥交通的信号灯。绿灯亮时，准许车辆通行，黄灯亮时，已越过停止线的车辆可以继续通行；红灯亮时，禁止车辆通行。由于黄灯只在安全层面起到一些作用，对于本设计的意义不大，在我们的设计方案中，暂且忽略黄灯这一信号灯。

一般情况下，交通信号灯的状态服从两个简单的约束：

         i. 双方向信号灯互斥——某一方向上的交通信号为绿灯时，与之相应垂直的另一方向上必须是红灯，反之亦然。

ii. 周期恒定，为了保证各个红绿灯的公平性，每个路口的红绿等转换周期应该恒定不变。即红绿灯时间加和不变。

而我们的设计工作就是要分配红绿灯的时间权重。从现实意义和实现可能性方面考虑，我们并不需要将交通信号灯的分配时间精细到每一秒，粗略的将信号灯用离散的固定时隙为粒度调控就已经可以满足我们解决问题的需求。

具体来说在如图2所示的十字路口情境下，规定初始状态下，东西方向（W-E）和南北方向（N-S）上的红绿灯时间相同。当需要调整时，东西方向上增加若干红灯（绿灯）基本时隙数的时间，同时减少同样的绿灯时隙数的时间。此时南北方向也要相应的增加若干绿灯（红灯）立本时隙数的时间，同时减少同样的红灯时隙数的时间。

3. 基于历史交通流信息的调控方案具体方法

基于历史交通流信息的全局调控方案的基础是贪婪策略。贪婪策略（Greedy Algorithm），是一种在每一次决策中，都选择在当前状况下最优的选择，从而希望最终结果最优的算法。

由于各个交通灯分布在各个路口（节点），道路和路口的拓扑结构固定。在基于离散时隙的调控方案下，各个节点的交通灯配时方案为有限的若干种。很直观的，交通越是拥堵的交通节点越是亟待调整，所以我们每次都在历史交通流信息中挑选当前城市拓扑区中交通压力最大的节点进行调整，确定交通灯具体配时。

对于调整的优劣，我们以调整后的路口状态下，路口所承担的交通压力来衡量。而相应的交通压力可以从历史信息中估算。

此外，考虑这种调整所带来的一个副作用。在如图3所示情况中，历史交通流信息显示N1节点东西方向上的交通流最为拥堵，经过比较各个配时方案下估算的调整后交通流情况，我们将东西方向的绿灯时间加长若干时隙，并不可避免的将南北方向流量减少相应时隙。与此同时，由于N1的东西方向上流量放行，导致N2的东西方向上的交通流量骤增，增加了N2节点的压力。所以在每次调整某节点的配时方案后，要估算交通流变化并在此基础上进行下一步的调控配时。

全部调控流程如下：

1）利用整个城市交通节点设置的交通流传感器采集交通流的具体信息，存入历史数据库；

2）初始化整个城市交通节点上的所有交通流传感器，设置当前配时方案为红绿灯时间相等的初始配时；

3)寻找历史数据库中的历史信息所显示的当前城市交通拓扑中最为拥堵的节点；

4)调整该节点中的红绿灯配时，以使得当前路口的交通压力最小；

5)根据步骤4）调整产生的副作用，估算流量新的变化，更新对当前拓扑流量的数值；

6)重复步骤3）至5），直至所有节点配时完成，将结果发送给各个交通路口节点。

本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。