專利名稱：基于車輛自組網(wǎng)的單點十字交叉口信號燈實時控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及城市單點十字交叉口的信號燈實時控制方法。
背景技術(shù)：
許多國家都高度關(guān)注城市、尤其是大城市的交通擁堵問題。最常用的方法是在交叉口處實現(xiàn)信號控制。單點交叉口的信號控制方法大致可以分為3類分時段信號控制、定時信號控制和實時信號控制?；谝惶熘胁煌瑫r段的信號控制，將一天劃分為某幾個時段，每個時段采用一種預先制定的信號配時方法。定時信號控制則不管交通環(huán)境和時間如何改變，完全采用靜態(tài)的信號控制方案。實時信號控制通過分析實時的交通運行狀況，自動優(yōu)化調(diào)整信號配時方案。分時段信號控制和定時信號控制的優(yōu)點在于無需額外的交通信息采集設(shè)備以及 復雜的控制算法，但其控制效果相比實時信號控制而言具有較大的差距。另一方面，實時信號控制通過實時交通信息的獲取，能夠制定更加合理的信號控制方案，從而緩解交通擁堵。但其核心的難點是如何檢測準確的、實時的交通信息。當前，信號交叉口處最常用的交通信息檢測設(shè)備主要包括線圈檢測器、超聲檢測器、微波檢測器以及視頻檢測器等。線圈檢測器與超聲監(jiān)測器需要埋設(shè)在路面下方，造成其維護成本較高。視頻和微波檢測器雖然易于安裝，同樣會導致較高的維護成本。目前，依據(jù)交叉口各進口道排隊長度的信號控制是最優(yōu)的實時信號控制方法。在以往的工程實踐中，為實現(xiàn)該控制方法，需要在每個進口道的每條車道上安裝線圈檢測器。排隊長度的檢測依賴于上游排隊長度檢測器和下游溢回檢測器的數(shù)據(jù)。此外，所計算的排隊長度非常容易受到檢測速度誤差的影響，從而造成所估計的排隊長度與實際偏差較大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種基于車輛自組網(wǎng)的單點十字交叉口信號燈實時控制方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)利用線圈檢測器檢測各進口道排隊長度的信號控制方法，所計算的排隊長度非常容易受到檢測速度誤差的影響，從而造成所估計的排隊長度與實際偏差較大的問題。本方法基于車輛自組網(wǎng)，對每個進口道車道的排隊車輛進行組隊，并選擇某一車輛作為該車輛自組網(wǎng)的對外通信節(jié)點，由該車輛向該信號交叉口信號燈的信號控制器發(fā)送車輛排隊長度信息；信號控制器基于車輛排隊信息完成下一個信號控制周期長度的計算和綠燈相位組合配時的設(shè)計。車輛自組網(wǎng)(VANETs)技術(shù)的提出，使得無需在交叉口處安裝任何交通信息檢測設(shè)備，便可以通過車與車的通信、車輛與信號控制器的通信，獲取交叉口各進口道的排隊長度交通信息，從而準確地計算和配時。解決了現(xiàn)有技術(shù)利用線圈檢測器檢測各進口道排隊長度的信號控制方法，所計算的排隊長度非常容易受到檢測速度誤差影響的問題。


圖I是基于VANETs的交叉口實時信號控制系統(tǒng)示意圖；圖2是十字交叉口進口道及車道編號的示意圖；圖3是雙環(huán)信號控制的相位設(shè)置對應圖；圖4系統(tǒng)的工作流程圖；圖5是車輛組隊示例圖。
具體實施例方式具體實施方式
一下面結(jié)合圖I至圖5具體說明本實施方式。本實施方式的方法基于車輛自組網(wǎng)，對每個進口道車道的排隊車輛進行組隊，并選擇某一車輛作為該車輛自組網(wǎng)的對外通信節(jié)點，由該車輛向該信號交叉口信號燈的信號控制器I發(fā)送車輛排隊長度信息；信號控制器I基于車輛排隊信息完成下一個信號控制周期長度的計算和綠燈相位組合配時的設(shè)計。(I)本發(fā)明方法的系統(tǒng)架構(gòu)
本發(fā)明系統(tǒng)的功能是實現(xiàn)對單點十字交叉口的實時信號控制。系統(tǒng)組成包含了 信號控制器I和車輛自組網(wǎng)(VANETs)。車輛自組網(wǎng)能夠?qū)崿F(xiàn)車與車間的通信和車輛與交叉口信號控制器I之間通信的功能。車輛自組網(wǎng)的功能是獲取交叉口進口道車輛排隊長度的信息，基于車-車通信在自組網(wǎng)內(nèi)部選出“領(lǐng)導者”車輛(leader),由“ leader”車輛將排隊長度信息定期傳送給信號控制器。信號控制器實現(xiàn)基于車道排隊長度的實時最優(yōu)信號控制，主要包含了信號控制周期優(yōu)化模塊和相位綠燈時間優(yōu)化模塊。系統(tǒng)示意如圖I所示。(2)交叉口及其信號控制相位的數(shù)字化模型為實現(xiàn)交叉口的實時信號控制，首先需要對交叉口及其控制相位進行數(shù)字化建模。交叉口的各進口道依據(jù)各自的方位依次進行編號東(E)、南(S)、西(W)、北(N)。每個進口道假定有2條車道，分別為左轉(zhuǎn)車道(L)和直行/右轉(zhuǎn)車道(F)。因而，可以將交叉口處的每一進口道車道用一個標示符D來表示，也就是D=EF, EL, NF, NL, WF, WL, SF, SL。由此產(chǎn)生的交叉口模型如圖2所示?；谒⒌慕徊婵跀?shù)字化模型，可以通過如圖3所示的雙環(huán)信號相位設(shè)置實現(xiàn)對該交叉口的控制。在一個控制周期(cycle)內(nèi)，信號控制一共包含4個相位，分別為相位I (Gl和G5)、相位2 (G2和G6)、相位3 (G3和G7)和相位4 (G4和G8)。(3)系統(tǒng)的工作流程該系統(tǒng)的運行流程詳見圖4。每個進口道的每條車道，在其通行綠燈時間結(jié)束后，開始對其排隊車輛進行組隊(組隊算法見第(4)節(jié))，并且在組隊的同時，選擇編隊的“領(lǐng)導者”(leader)。被選擇作為“l(fā)eader”的車輛通過接受編隊成員車輛的交通信息，計算下一個通行綠燈時間之前的排隊長度，并將排隊長度信息定期發(fā)送給信號控制器。在車道通行綠燈時間開始時，該車道排隊車輛的“l(fā)eader”將最終的排隊長度計算結(jié)果發(fā)送給信號控制器(排隊長度計算見第(5)節(jié))，然后通過交叉口。當相位4的通行綠燈時間開始時，信號控制器基于所接收到的排隊長度信息，計算下一個信號控制周期長度以及相應的綠燈配時分配方案(信號周期及綠燈配時方案見第(6)和(7)節(jié))。(4)基于VANETs的車輛組隊算法對于交叉口的實時信號控制，獲取各進口道各車道的排隊長度是至關(guān)重要的。帶有無線通信功能的車輛能夠直接將各自的信息發(fā)送給信號控制機，然而，當排隊中存在較多的車輛時，如果車輛均與信號控制器通信，將會造成通信的阻塞，并會造成信號控制器計算性能的下降。因而，本發(fā)明所采用的思路為將一個車道上排隊的車輛進行組隊(組隊期間從該車道通行綠燈時間結(jié)束，到下一個通行綠燈時間開始)，然后從組隊中選擇出組隊的“領(lǐng)導者”(leader)，“l(fā)eader”車輛與各排隊車輛之間，通過無線通信的方式確定排隊長度，然后由“l(fā)eader”統(tǒng)一將排隊長度信息發(fā)送給信號控制機。圖5給出了車輛組隊的示意。針對交叉口進口道某一車道所設(shè)計的詳細車輛組隊過程如下步驟I :信號交叉口的相位設(shè)置如圖3所示。在該車道通行綠燈時間結(jié)束后，從該車道達到交叉口的車輛排隊開始形成，每一個到達的車輛向附近的車輛廣播一條請求充當“l(fā)eader”的信息；這條信息包含的內(nèi)容為唯一的車輛ID信息、該信息的發(fā)出時間、車輛的經(jīng)緯度位置和交叉口信號控制器I的ID信息；接收到該信息的其它車輛不生成自身的信息，而是重新廣播該接收到的信息。步驟2 :廣播“l(fā)eader”請求信息的車輛對比它所廣播的信息以及所接 收到的來自其它車輛的“ leader ”請求信息，然后會向比它更早進入排隊(位置更加接近交叉口)的車輛發(fā)送一條信息，表明自己放棄“l(fā)eader”的申請；步驟3:最終確定的車輛組隊“l(fā)eader”把“選舉”結(jié)果發(fā)送給它的成員車輛，接收到“l(fā)eader”車輛所發(fā)送信息的成員車輛，向“l(fā)eader”車輛反饋一條信息作為確認；當“l(fā)eader”車輛接收到來自成員車輛的反饋信息時，它會向該成員車輛發(fā)送一條接受其作為成員車輛的確認信息；在成員車輛接收到來自“l(fā)eader”車輛的確認信息之后,它將更新自身的“l(fā)eader”車輛ID，并且與“l(fā)eader”共享組隊中其它成員車輛的信息；步驟4 :除自身的綠燈時間以外的整個信號控制周期內(nèi)，“l(fā)eader”車輛都接收來自其成員車輛的信息，并且周期性的將排隊長度信息發(fā)送給信號控制器I (排隊長度計算方法詳見第(5)節(jié))。步驟5 :當“l(fā)eader”車輛的通行綠燈時間開始時，它不再接收任何來自其成員車輛的信息，直接通過交叉口 ；步驟6 :在通行綠燈時間結(jié)束后，重復步驟I至步驟5。(5)進口道車道排隊長度估計算法在相位通行綠燈時間結(jié)束后，相應車道的排隊開始形成。“l(fā)eader”車輛開始接收其成員車輛的信息。車輛排隊長度估計公式如下RQLfM) = 士VL + Amv X (/V - I)(I)
/ 二 I其中，RQL表示當前周期t內(nèi)的排隊長度；D表示進口道車道的編碼，gpD=I, 2，. . .，8 (見第(2)節(jié))；VL表示車輛的平均長度；ADBV表示車輛間的平均車頭間距；N表示組隊的車輛數(shù)?！發(fā)eader”車輛依據(jù)公式(I )，計算得到車輛排隊長度，并將該長度發(fā)送給信號控制器。信號控制器依據(jù)當前周期和前二個周期內(nèi)的車輛排隊長度，采用加權(quán)的方式，計算得到最終的車輛排隊長度，如公式(2)QLD(t)=AXRQLD(t)+BXRQLD(t-l)+CXRQLD(t_2) (2)其中A+B+C= I ；A=RQLD(t)/lD ；B = (I-A) XA ;1D 表示進口車道 D 的長度。(6)信號控制周期計算方法
一個交叉口處的信號控制周期不能太長也不能太短。如果信號控制周期過短，信號相位切換較為頻繁，相應每個相位的通行綠燈時間較短，就可能造成交叉口停車數(shù)的增加和車輛頻繁的起步和停車。相反，如果信號控制周期過長，那么將會造成每個相位排隊車輛的等待時間過長。為此，本發(fā)明所設(shè)計的信號控制周期長度計算方法如下步驟I :信號控制器接收每個車輛組隊的排隊長度，QL1⑴，QL2⑴QL8⑴步驟2 :分別計算東西向和南北向最大車輛排隊長度MAX-Q1 (t) =max (QL1 (t), QL5 (t), QL2 (t), QL6 (t)} (3)MAX_Q2 (t) =max (QL3 (t), QL7 (t), QL4 (t), QL8 (t)} (4) 其中，MAX_Qi(t)為周期t內(nèi)東西向最大排隊長度；MAX_Q2(t)為周期t內(nèi)南北向最大排隊長度。步驟3 :估計臨時需要的周期長度R _= Smx x h(5)R CLM = .,、+■-...￠2(" x h(6)其中，R^L1 (t)為周期t內(nèi)東西向臨時需要的信號周期長度；R_CL2(t)為周期t內(nèi)南北向臨時需要的信號周期長度；舊瓢為周期t內(nèi)東西向最大排隊內(nèi)的車輛數(shù)；-Vw 為周期t內(nèi)南北向最大排隊內(nèi)的車輛數(shù)；h為車頭時距。步驟4 :計算需要的周期長度R_CL (t) =R^L1 (t) +R_CL2 (t)(7)步驟5 :添加紅燈時間和黃燈時間R—CL (t) =R—CL (t) +intergreen—time(8)intergreen_time=yellow—time+red—time (9)步驟6 :確定最終的信號周期長度如果，R_CL(t)_CL(t)I ( A c，那么下一周期的信號長度 CL (t+1) =CL (t)；否則，下一周期的信號長度CL(t+l)=R_CL(t)。其中，Ac為設(shè)定的信號周期長度改變閾值；CL(t)為周期t的信號周期長度。( 7 )相位綠燈配時算法一旦確定了信號控制周期，便可以根據(jù)以下的算法確定各相位的綠燈時間步驟I :依據(jù)第(6)節(jié)中信號控制周期計算方法的步驟3，可以分別獲得下一周期內(nèi)，東西向通行綠燈時間(GT1=ILCL1⑴)和南北向通行綠燈時間(GT2=R_CL2 (t))，從而得到總的綠燈時間為GT=GI\+GT2(10)步驟2 :估計每個進口道車道的綠燈時間占總綠燈時間的比例
V；R_GT0 = ____^_丨__ _(10)
yB K/
JLmmdB: I其中，R_GTd為進口道車道D的通行綠燈時間占總綠燈時間的比例；VD/CD為進口道車道D的流量比。步驟3 :依據(jù)表I選擇相應的綠燈相位設(shè)置樣式；
權(quán)利要求
1.基于車輛自組網(wǎng)的單點十字交叉口信號燈實時控制方法，其特征在于本方法基于車輛自組網(wǎng)，對每個進口道車道的排隊車輛進行組隊，并選擇某一車輛作為該車輛自組網(wǎng)的對外通信節(jié)點，由該車輛向該信號交叉口信號燈的信號控制器(I)發(fā)送車輛排隊長度信息；信號控制器(I)基于車輛排隊信息完成下一個信號控制周期長度的計算和綠燈相位組合配時的設(shè)計。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于車輛自組網(wǎng)的單點十字交叉口信號燈實時控制方法，其特征在于車輛自組網(wǎng)組隊過程如下 步驟I :在該車道通行綠燈時間結(jié)束后，從該車道達到交叉口的車輛排隊開始形成，每一個到達的車輛向附近的車輛廣播一條請求充當“l(fā)eader”的信息；這條信息包含的內(nèi)容為唯一的車輛ID信息、該信息的發(fā)出時間、車輛的經(jīng)緯度位置和交叉口信號控制器(I)的ID信息；接收到該信息的其它車輛不生成自身的信息，而是重新廣播該接收到的信息。
步驟2 :廣播“ leader ”請求信息的車輛對比它所廣播的信息以及所接收到的來自其它車輛的“ leader”請求信息，然后會向比它更早進入排隊的車輛發(fā)送一條信息，表明自己放棄“l(fā)eader”的申請； 步驟3 :最終確定的車輛組隊“l(fā)eader”把“選舉”結(jié)果發(fā)送給它的成員車輛，接收到“l(fā)eader”車輛所發(fā)送信息的成員車輛，向“l(fā)eader”車輛反饋一條信息作為確認；當“l(fā)eader”車輛接收到來自成員車輛的反饋信息時，它會向該成員車輛發(fā)送一條接受其作為成員車輛的確認信息；在成員車輛接收到來自“l(fā)eader”車輛的確認信息之后,它將更新自身的“l(fā)eader”車輛ID，并且與“l(fā)eader”共享組隊中其它成員車輛的信息； 步驟4:除自身的綠燈時間以外的整個信號控制周期內(nèi)，“l(fā)eader”車輛都接收來自其成員車輛的信息，并且周期性的將排隊長度信息發(fā)送給信號控制器I。
步驟5:當“l(fā)eader”車輛的通行綠燈時間開始時，它不再接收任何來自其成員車輛的信息，直接通過交叉口 ； 步驟6 :在通行綠燈時間結(jié)束后，重復步驟I至步驟5。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于車輛自組網(wǎng)的單點十字交叉口信號燈實時控制方法，其特征在于 車輛排隊長度估計的公式如下
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于車輛自組網(wǎng)的單點十字交叉口信號燈實時控制方法，其特征在于信號控制周期長度計算方法如下 步驟I :信號控制器接收每個車輛組隊的排隊長度，QL1 (t)，QL2⑴， ，QL8 (t)；步驟2 :分別計算東西向和南北向最大車輛排隊長度 MAX-Q1 (t) =max (QL1 (t), QL5 (t), QL2 (t), QL6(t)} (3) MAX_Q2 (t) =max (QL3 (t), QL7 (t), QL4 (t), QL8 (t)} (4) 其中，MAX_Qi(t)為周期t內(nèi)東西向最大排隊長度；MAX_Q2(t)為周期t內(nèi)南北向最大排隊長度； 步驟3 :估計臨時需要的周期長度
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于車輛自組網(wǎng)的單點十字交叉口信號燈實時控制方法，其特征在于各相位綠燈時間的計算方法為 步驟I :依據(jù)信號控制周期計算方法的步驟3，分別獲得下一周期內(nèi)，東西向通行綠燈時間(GT1=ILCL1U))和南北向通行綠燈時間(GT2=R_CL2(t))，從而得到總的綠燈時間為GT=GT^GT2(10) 步驟2 :估計每個進口道車道的綠燈時間占總綠燈時間的比例
全文摘要
基于車輛自組網(wǎng)的單點十字交叉口信號燈實時控制方法，本發(fā)明涉及城市單點十字交叉口的信號燈實時控制方法。解決現(xiàn)有技術(shù)利用線圈檢測器檢測各進口道排隊長度的信號控制方法，所計算的排隊長度非常容易受到檢測速度誤差的影響，從而造成所估計的排隊長度與實際偏差較大的問題。用于交通控制。本方法基于車輛自組網(wǎng)，對每個進口道車道的排隊車輛進行組隊，并選擇某一車輛作為該車輛自組網(wǎng)的對外通信節(jié)點，由該車輛向該信號交叉口信號燈的信號控制器發(fā)送車輛排隊長度信息；信號控制器基于車輛排隊信息完成下一個信號控制周期長度的計算和綠燈相位組合配時的設(shè)計。
文檔編號G08G1/08GK102867422SQ20121033844
公開日2013年1月9日 申請日期2012年9月13日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月13日
發(fā)明者安實, 崔建勛, 趙蒙, 關(guān)積珍 申請人:哈爾濱工業(yè)大學