一种交叉口自适应车辆远引掉头交通引导系统及控制方法

摘要

一种交叉口自适应车辆远引掉头交通引导系统及控制方法，该系统包括：交通信息采集设备、主控设备、交通信号控制机、信息诱导设备、可变式道路分隔设施；其中，所述交通信息采集设备包括：实时采集交通信息的环形线圈车辆检测器及摄像头视频采集系统；所述环形线圈车辆检测器埋置于交叉口的四个进口道路面下，通过WiFi接口将数据传输给主控设备；所述摄像头视频采集系统设置于监控立柱上，且位于路段交织区，摄像头视频采集系统中的数据信息也是通过wifi传输给主控设备。采用该系统以实时的交通流数据为引导策略的设计依据，并根据车辆行程时间、机动车延误等指标实时调整分隔带的开口位置，确保路网通行效率的最大化。

说明书

技术领域

本发明涉及一种交叉口自适应车辆远引掉头交通引导系统，既属于智能交通领域，也涉及光电领域。

背景技术

平交路口远引是解决路口流向禁限后车流转向问题的有效方法。当路网具备分流绕行条件时，可通过平交路口远引掉头交通组织就地解决因交叉口禁左后所带来的路网交通压力转移问题，这样有利于路口路段的负荷均分。国内近年来，一些城市在某些合适的路口实行远引掉头，的确取得了一定的效果。然而驾驶员对某些路口的远引管理策略，包括掉头位置的选址、交通组织方案的设计等方面，仍然存在许多争议。

目前，通常采用在中央分隔带设置开口的形式来引导和控制左转车流。在城市道路中，中央分隔带是固定设施，开口位置一旦确定就很难更改，尤其是起到绿化作用的分隔带，开口的设置影响了道路美观。此外，在交叉口左转车辆的远引策略通常是固定的，也就是说即使在平峰时期，交叉口进口道交通流量较小的情况下，左转车辆仍然需要遵循交通规则，采用远引方式通行。这给左转车辆造成了不必要的出行时间浪费，造成了交通效率低下。

为更有效地缓解交通拥堵，交通管理策略应由“被动改善”转向对交通拥堵的“主动管理”。道路智能化交通管理设施应以动态跟踪交通运行状况为基础，以定量化评估为手段，强调提前预防，主动响应，有效地对交通流量进行诱导，提高路网的交通运输能力。

发明内容

本发明的目的在于为交叉口车辆的组织与控制提供一个系统解决方案。该系统根据实时交通流数据，结合可变式道路分隔设施，以减少交叉口交通拥堵为准则，自适应调整交叉口车辆通行规则、信号配时，动态调整远引设施开口位置，从而引导交叉口交通压力的转移。

为实现上述目的，本发明提供一种交叉口自适应车辆远引掉头交通引导系统，该系统包括：交通信息采集设备、主控设备、交通信号控制机、信息诱导设备、可变式道路分隔设施；

其中，所述交通信息采集设备包括：实时采集交通信息的环形线圈车辆检测器及摄像头视频采集系统；所述环形线圈车辆检测器埋置于交叉口的四个进口道路面下，通过WiFi接口将数据传输给主控设备；所述摄像头视频采集系统设置于监控立柱上，且位于路段交织区，摄像头视频采集系统中的数据信息也是通过wifi传输给主控设备；

所述主控设备与环形线圈车辆检测器及摄像头视频采集系统连接，用于接收、处理环形线圈车辆检测器及摄像头视频采集系统采集到的数据信息；所述主控设备还与交通信号控制机、信息诱导设备、可变式道路分隔设施连接；用于根据采集分析后的数据信息对交通信号控制机、信息诱导设备、可变式道路分隔设施进行实时控制；主控设备包括：数据存储模块、交通状态检测模块、控制模块、控制信号发送模块；其中，所述数据存储模块，用于存储环形线圈车辆检测器及摄像头视频采集系统所采集的数据信息；所述交通状态检测模块，用于根据数据存储模块中的交通数据，识别交叉口交通状态、路段交通状态，对交通流通行效率进行评价、对机动车冲突风险进行评估，并将评估结果反馈给控制模块；所述控制模块，用于根据交通状态检测模块中的信息控制交叉口车辆通行策略及信号灯控制策略，控制模块中取得的通行策略通过控制信号发送器实时发送给交通信号控制机、信息诱导设备、可变式道路分隔设施；

所述交通信号控制机，用于接收来自主控设备的信息，控制信号灯的信号相位及相应的相位时间；

所述信息诱导设备包括：可变情报板、车载信息接收装置；其中，所述可变情报板以LED发光器件为基本显示单元，具有图形及文字显示功能；可变情报板设置位置分别位于信号交叉口进口道上游区域，可变情报板根据主控设备的指令信息向驾驶员发布直行车道及左转车道在进口道的分布情况；

所述车载信息接收装置与主控设备相连接，用于辅助车辆接收实时交通路况信息、道路诱导信息；

所述可变式道路分隔设施由连接主控设备的若干个LED灯7构成，主控设备控制LED灯开启或关闭，使若干个LED灯发射形成分隔带，起到隔离作用。

本发明的目的另一目的在于提供一种交叉口自适应车辆远引掉头交通引导系统的控制方法，解决现有交叉口左转车辆的远引策略固定，交通效率低的问题。该车辆远引掉头交通引导系统的控制方法，具体包括以下步骤：

步骤S1、由环形线圈车辆检测器采集交叉口交通流数据，摄像头视频采集系统采集机动车视频图像数据；

步骤S2、将环形线圈车辆检测器、摄像头视频采集系统采集到的实时交通流数据通过wifi传输至主控设备中的数据存储模块；

步骤S3、主控设备中的交通状态检查模块读取数据存储模块中的数据；首先根据实时的直行、左转路段交通量数据V_i，将此数据与该车道的通行能力数据C_i进行比较，得到各车道组实时的饱和度x_i，确定各车道组的通行能力；其中，x_i＝V_i/C_i；V_i通过交通信息采集设备即可直接获得；各车道组的通行能力C_i＝S_i×λ_i，C_i为车道组i的通行能力，车道组是指在交叉口的一个进口道上，服务于一个或几个交通流向的一条或多条车道，如左转车道组、左直车道组、直行车道组、直右车道组；S_i为车道组i的饱和流率，S_i＝S₀N_if_i，其中S₀为一条车道在理想条件下的饱和流率，N_i为车道组i的车道数，f_i车道组的饱和流率修正系数，通过美国道路通行能力手册HCM获得；λ_i为车道组i的绿灯时间与周期时间之比，λ_i＝g_i/c，其中g_i为车道组i的有效绿灯时间，c为周期时长；

步骤S4、交通状态检查模块判断各进口道的直行车道组的饱和度是否小于1；若是，进入步骤S5；若否，进入步骤S6；

步骤S5、现有道路设施通行能力满足通行需求，不需要进行改变，控制结束，返回步骤S1；

步骤S6、直行车道组的通行能力不能满足此进口方向直行车辆的通行需求，需要增加直行车道，控制模块33计算得出满足现状直行车流需要增加的车道数a；a的计算公式基于HCM方法获得，a＝(V_i-C_i)/S₀f_i；其中，Vi是实时检测的交通量数据；S₀为一条车道在理想条件下的饱和流率，f_i为车道组的饱和流率修正系数，可通过美国道路通行能力手册HCM获得；C_i为各车道组的通行能力；

步骤S7、主控设备根据获取的数据信息确定当前左转车道数为b，判断a>b是否成立，若是，进入步骤S8；若否，进入步骤S9；

步骤S8、主控设备控制交通运行情况，将进口道的b个左直车道组或左转车道组全部转变为直行车道组，即原有的交叉口左转车道取消，左转车辆将执行远引策略，执行步骤S10、步骤S11、步骤S12、步骤S16，控制结束，返回步骤S1；

步骤S9、主控设备控制交通运行情况，将a个左直车道组或左转车道组转变为直行车道组，b-a个车道组仍然保持为左转车道，同时执行S10、步骤S11、步骤S12、步骤S13；

步骤S10、将控制模块优化后的控制策略通过控制信号发送模块发送给交通信号控制机，信号机实时调整信号相位；

步骤S11、将控制模块优化后的控制策略通过控制信号发送器发送给可变情报板，可变情报板将向道路车辆发布实时交通管制信息；

步骤S12、将控制模块优化后的控制策略通过控制信号发送器发送给机动车车载信息接收设备，机动车将获得实时的交通管制信息；

步骤S13、交通状态检查模块检测b-a个左转车道的饱和度，判断饱和度是否小于1；若是，进入步骤S14；若否，进入步骤S15；

步骤S14、左转车道的通行能力满足需求，控制结束，返回步骤S1；

步骤S15、左转车道的通行能力不能满足左转车辆的通行需求，此时将引导部分左转车辆执行远引策略，引导过程将执行步骤S11、步骤S12，再执行步骤S16，最后返回步骤S1。

步骤S16、控制模块依据左转车流量大小，决定远引设施开口位置，在开口位置处，LED灯显示为绿灯；同时主控设备控制开口长度，即显示为绿灯的LED灯的数量。

本发明的优点和积极效果是：

1、本发明以实时的交通流数据为引导策略的设计依据，并根据车辆行程时间、机动车延误等指标实时调整分隔带的开口位置，确保路网通行效率的最大化。

2、本发明将左转车流的引导策略划分为交叉口左转、远引掉头及两方案相结合三种策略模式，并结合可变式道路隔离设施实现道路分隔等功能，辅以可变情报板、车载信息诱导完成，改变了传统固定模式下的交通管理策略，对交通拥堵实现了“提前预防”及“主动管理”。

3、本发明中的可变式道路分隔设施由LED灯发出的光源所构成，一方面LED灯在视觉上有效的起到了隔离效果，避免车辆在路段中违章掉头行为的发生；另一方面可变式分隔设施机动灵活，操作简单，成本低，满足智能化交通管理的需求。

4、本发明中的可变式道路分隔设施可根据上下游交叉口交通流状态在路段中选择最佳的开口位置，且开口长度可根据左转交通流流量大小灵活确定。最大限度地满足交通需求，提高道路网通行效率。

5、本发明中通过可变情报板、车载信息发布等措施诱导机动车行驶路线，从而满足机动车驾驶员快速行车的同时，提高道路交通安全。

附图说明

图1为本发明车辆远引掉头智能交通引导系统结构示意图。

图2为本发明图1的结构框图。

图3为本发明车辆远引掉头智能交通引导系统的使用方法流程图。

图4为本发明可变式道路隔离设施结构示意图。

附图标记：1环形线圈车辆检测器；2摄像头视频采集系统；3主控设备；4交通信号控制机；5可变情报板；6车载信息接收设备、7LED灯。

具体实施方式

为使本领域技术人员清楚明白本发明所述技术方案及其优点和效果，下面结合附图对本发明进一步详细说明，但以下实施例仅用于说明本发明，不用来限制本发明的范围。

实施例1一种交叉口自适应车辆远引掉头交通引导系统

参阅图1、图2，本发明所述的车辆远引掉头智能交通引导系统，包括：交通信息采集设备、主控设备3、交通信号控制机4、信息诱导设备、可变式道路分隔设施；其中，所述交通信息采集设备包括：实时采集交通信息的环形线圈车辆检测器1及摄像头视频采集系统2；

所述环形线圈车辆检测器1埋置于交叉口的四个进口道路面下。环形线圈车辆检测器是用感应线圈来检测车辆速度的检测器，是道路监控系统非常重要的一部分。它可以获得当前监控路面交通流量、占有率、速度等数据，以此判断道路阻塞情况等，是目前世界上用量最大的一种检测设备。我国在2011年发布了环形线圈车辆检测器标准GB26942-2011，此标准规定了环形线圈车辆检测器的组成与分类、技术要求、试验方法、检验规则、标志、包装、运输和贮存。本标准适用于道路交通管理、交通调查、高速公路收费系统的车辆检测。一般检测器的通讯接口包括rs232/485，比较先进的还具有以太网接口和gprs模块。在该发明中，检测器1中获得的数据是通过WiFi接口传输给主控设备3。

所述摄像头视频采集系统2设置于监控立柱上，且位于路段交织区，当路段设计车速为60km/h时，每隔200m设置一个摄像头视频采集系统2，当车速增加时，间距也可适当增加。环形线圈车辆检测器1及摄像头视频采集系统2采集的数据给交叉口信号控制方案的制定提供数据支持，摄像头视频采集系统2是对环形线圈车辆检测器1检测数据的补充，可以实现复杂道路交通场景下的车辆跟踪、定位、拍摄，包括对混合交通车流的准确检测。类似的，摄像头视频采集系统2中的数据信息也是通过wifi传输给主控设备3。

所述主控设备3与环形线圈车辆检测器1及摄像头视频采集系统2连接，用于接收、处理环形线圈车辆检测器1及摄像头视频采集系统2采集到的数据信息；所述主控设备3还与交通信号控制机4、信息诱导设备、可变式道路分隔设施连接；用于根据采集分析后的数据信息对交通信号控制机4、信息诱导设备、可变式道路分隔设施进行实时控制；

所述主控设备3包括：数据存储模块31、交通状态检测模块32、控制模块33、控制信号发送模块34；其中，所述数据存储模块31，用于存储环形线圈车辆检测器1及摄像头视频采集系统2所采集的数据信息；所述交通状态检测模块32，用于根据数据存储模块31中的交通数据，识别交叉口交通状态、路段交通状态，对交通流通行效率进行评价、对机动车冲突风险进行评估，并将评估结果反馈给控制模块33；所述控制模块33，用于根据交通状态检测模块32中的信息控制交叉口车辆通行策略及信号灯控制策略，控制模块中取得的最优策略通过控制信号发送器34实时发送给交通信号控制机4、信息诱导设备、可变式道路分隔设施。

所述交通信号控制机4，用于接收来自主控设备3的信息，控制信号灯的信号相位及相应的相位时间，例如实时调整设置左转相位前后的信号配时。

所述信息诱导设备包括：可变情报板5、车载信息接收装置6；其中，所述可变情报板5以LED发光器件为基本显示单元，具有图形及文字显示功能。可变情报板5设置位置分别位于信号交叉口进口道上游区域，可变情报板5根据主控设备3的指令信息向驾驶员发布直行车道及左转车道在进口道的分布情况；对于需要远引掉头的左转车辆，可变情报板会显示其通行策略，内容包括掉头行驶路线及掉头开口设施与交叉口的相对距离。

所述车载信息接收装置6与主控设备3相连接，用于辅助车辆接收实时交通路况信息、道路诱导信息。车载信息接收装置6的功能与可变情报板5功能相类似，但是其不受天气或遮挡物的影响，起到了车辆诱导及驾驶辅助的功能。

所述可变式道路分隔设施由连接主控设备3的若干个LED灯7构成。一方面，当主控设备3判断左转车辆不能执行路段远引掉头策略时，主控设备控制LED灯7开启，灯光在视觉上形成分隔带，起到相向车流分隔的作用。另一方面，由主控设备3依据上下游交通流状态以及路段混合交通流冲突状态提出最优开口控制方案，由主控设备3控制掉头设施的开口位置及开口长度。

所述LED灯7是光源的发生装置，若干个LED灯发射形成分隔带，起到隔离作用。当若干个LED灯显示为绿色时，形成开口，方便驾驶员掉头，起到传统的移动护栏作用，与移动护栏相比，LED灯操作简便，且灵活机动。

对于开口长度的设置，我国公路路线设计规范(JTG D20条款)对中央分隔带开口及其间距有详细的规定。中央分隔带开口长度不宜大于40m；八车道高速公路开口长度可适当增长，不应大于50m。中央分隔带开口应设置在通视良好的路段，若开口设于曲线路段，该圆曲线半径的超高值不宜大于3％。在本发明中，开口长度可根据掉头车流量大小决定，当掉头车辆在对向车辆到达开口处之前到达，可适当增加开口长度，方便双排车辆同时通过，加快掉头车辆通行效率。反之，当掉头汇入对向车流可插车间隙较小，且对向车辆拥有通行权时，可通过缩小开口长度的方法限制汇入车流对对向车流的干扰。

实施例2一种交叉口自适应车辆远引掉头交通引导系统的控制方法

参见图4，上述车辆远引掉头智能交通引导系统的控制方法，假设初始状态可变式道路分隔设施处于关闭状态，即LED灯7显示为红灯，包括以下步骤：

步骤S1、由环形线圈车辆检测器1采集交叉口交通流数据，摄像头视频采集系统2采集机动车视频图像数据；

步骤S2、将环形线圈车辆检测器1、摄像头视频采集系统2采集到的实时交通流数据通过wifi传输至主控设备3中的数据存储模块31；

步骤S3、主控设备3中的交通状态检查模块32读取数据存储模块31中的数据；首先根据实时的直行、左转路段交通量数据V_i，将此数据与该车道的通行能力数据C_i进行比较，得到各车道组实时的饱和度x_i，确定各车道组的通行能力；其中，x_i＝V_i/C_i；V_i通过交通信息采集设备即可直接获得；各车道组的通行能力C_i＝S_i×λ_i，C_i为车道组i的通行能力，车道组是指在交叉口的一个进口道上，服务于一个或几个交通流向的一条或多条车道，如左转车道组、左直车道组、直行车道组、直右车道组；S_i为车道组i的饱和流率，S_i＝S₀N_if_i，其中S₀为一条车道在理想条件下的饱和流率，N_i为车道组i的车道数，f_i车道组的饱和流率修正系数，可通过美国道路通行能力手册HCM获得；λ_i为车道组i的绿灯时间与周期时间之比(绿信比)，λ_i＝g_i/c，其中g_i为车道组i的有效绿灯时间，c为周期时长；

步骤S4、交通状态检查模块32判断各进口道的直行车道组的饱和度是否小于1；若是，进入步骤S5；若否，进入步骤S6；

步骤S5、现有道路设施通行能力满足通行需求，不需要进行改变，控制结束，返回步骤S1；

步骤S6、直行车道组的通行能力不能满足此进口方向直行车辆的通行需求，需要增加直行车道，控制模块33计算得出满足现状直行车流需要增加的车道数a；a的计算公式可基于HCM方法获得，a＝(V_i-C_i)/S₀f_i；其中，Vi是实时检测的交通量数据；S₀为一条车道在理想条件下的饱和流率，f_i为车道组的饱和流率修正系数，可通过美国道路通行能力手册HCM获得；C_i为各车道组的通行能力；

步骤S7、主控设备根据获取的数据信息确定当前左转车道数为b，判断a>b是否成立，若是，进入步骤S8；若否，进入步骤S9；

步骤S8、主控设备控制交通运行情况，将进口道的b个左直车道组或左转车道组全部转变为直行车道组，即原有的交叉口左转车道取消，左转车辆将执行远引策略，执行步骤S10、步骤S11、步骤S12、步骤S16，控制结束，返回步骤S1；

步骤S9、主控设备控制交通运行情况，将a个左直车道组或左转车道组转变为直行车道组，而b-a个车道组仍然保持为左转车道，同时执行S10、步骤S11、步骤S12、步骤S13；

步骤S10、将控制模块33优化后的控制策略通过控制信号发送模块34发送给交通信号控制机4，信号机实时调整信号相位；

步骤S11、将控制模块33优化后的控制策略通过控制信号发送器34发送给可变情报板5，可变情报板将向道路车辆发布实时交通管制信息；

步骤S12、将控制模块33优化后的控制策略通过控制信号发送器34发送给机动车车载信息接收设备7，机动车将获得实时的交通管制信息；

步骤S13、交通状态检查模块32检测b-a个左转车道的饱和度，判断饱和度是否小于1；若是，进入步骤S14；若否，进入步骤S15。

步骤S14、左转车道的通行能力满足需求，控制结束，返回步骤S1；

步骤S15、左转车道的通行能力不能满足左转车辆的通行需求，此时将引导部分左转车辆执行远引策略，引导过程将执行步骤S11、步骤S12，再执行步骤S16，最后返回步骤S1。

步骤S16、控制模块33依据左转车流量大小，决定远引设施开口位置，在开口位置处，LED灯7显示为绿灯；同时主控设备3控制开口长度，即显示为绿灯的LED灯的数量。

开口位置的选择基于左转车辆延误最小的原则设定，其计算过程如下：

如图1所示，机动车远引掉头的绕行距离L分为两部分，一是车辆交织变道距离Lw，一是对向车道车辆排队长度Lq。因此，一般绕行掉头开口处与交叉口的距离为L＝Lw+Lq。

基于环形线圈车辆检测器1、摄像头视频采集系统2采集路段交通流数据，主控设备3提取交通流参数，获得车辆在L_w、L_q的平均车速V_t、V_l，由此获得车辆的延误：d_r＝L_w/V_t+L_q/V_l。其中，依据HCM2000，交织区的车速V_l的计算公式为：其中w_k为交织强度，它与交织区总流量V，交织区车道数N，掉头车流占交织区总流量的比例q_R相关，其中a、b、c、d为常数，可查HCM2000。V_ff为没有交织车流下的自由流速度，可通过交通信息采集设备获得。远引开口位置距离交叉口越近，车辆绕行距离越短，但是车辆交织冲突却越严重，因此需合理选择开口位置。在此控制系统中，主控设备会根据交织区车流的交织强度、冲突状态，本着最小化车辆延误，即min>r的原则取得最优的L值。

参见图4

本发明所述地面镶嵌式LED灯的可变式道路分隔设施结构示意图。LED灯7设置于中央分隔带处，若道路中央分隔带宽度非零，可设置多排LED灯7。LED灯带发光，在视觉上模仿车道线，平铺于道路中央；LED灯开启，LED灯发光，在功能上一方面代替了车道线，另一方面光线向上投射，在视觉上形成屏障，起到道路分隔作用。在交通实时控制过程中，LED灯7显示为绿灯时，表明开口打开；LED灯显示为红灯时，开口关闭。

LED灯光具有颜色鲜艳、亮度高、指向性好、射程远、易控制等优点，因此作为机动车引导工具，能有效起到双侧机动车分隔及掉头机动车掉头引导作用，且机动车通过远程可见的LED灯束能提前预知开口位置，提前做好驾驶准备。LED灯发出的光束可在视觉上形成运动的箭头，箭头方向指向开口处，且离开口位置越近，运动速度加快，起到提示及引导作用，引导需掉头行驶的驾驶员及时换道至掉头车道。