基于车辆自组网的单点十字交叉口信号灯实时控制方法.pdf

1、(10)申请公布号 CN 102867422 A (43)申请公布日 2013.01.09 CN 102867422 A *CN102867422A* (21)申请号 201210338446.6 (22)申请日 2012.09.13 G08G 1/07(2006.01) G08G 1/08(2006.01) (71)申请人 哈尔滨工业大学 地址 150001 黑龙江省哈尔滨市南岗区西大 直街 92 号 (72)发明人 安实 崔建勋 赵蒙 关积珍 (74)专利代理机构 哈尔滨市松花江专利商标事 务所 23109 代理人 牟永林 (54) 发明名称 基于车辆自组网的单点十字交叉口信号灯实 时控制

2、方法 (57) 摘要 基于车辆自组网的单点十字交叉口信号灯实 时控制方法， 本发明涉及城市单点十字交叉口的 信号灯实时控制方法。解决现有技术利用线圈检 测器检测各进口道排队长度的信号控制方法， 所 计算的排队长度非常容易受到检测速度误差的影 响， 从而造成所估计的排队长度与实际偏差较大 的问题。 用于交通控制。 本方法基于车辆自组网， 对每个进口道车道的排队车辆进行组队， 并选择 某一车辆作为该车辆自组网的对外通信节点， 由 该车辆向该信号交叉口信号灯的信号控制器发送 车辆排队长度信息 ； 信号控制器基于车辆排队信 息完成下一个信号控制周期长度的计算和绿灯相 位组合配时的设计。 (51)Int

3、.Cl. 权利要求书 2 页 说明书 5 页 附图 3 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 2 页 说明书 5 页 附图 3 页 1/2 页 2 1. 基于车辆自组网的单点十字交叉口信号灯实时控制方法， 其特征在于本方法基于车 辆自组网， 对每个进口道车道的排队车辆进行组队， 并选择某一车辆作为该车辆自组网的 对外通信节点， 由该车辆向该信号交叉口信号灯的信号控制器 （1） 发送车辆排队长度信息 ； 信号控制器 （1） 基于车辆排队信息完成下一个信号控制周期长度的计算和绿灯相位组合配 时的设计。 2. 根据权利要求 1 所述的基于车辆自组网的单点十字交叉

4、口信号灯实时控制方法， 其 特征在于车辆自组网组队过程如下 ： 步骤 1 ： 在该车道通行绿灯时间结束后， 从该车道达到交叉口的车辆排队开始形成， 每 一个到达的车辆向附近的车辆广播一条请求充当 “leader” 的信息 ； 这条信息包含的内容 为 ： 唯一的车辆 ID 信息、 该信息的发出时间、 车辆的经纬度位置和交叉口信号控制器 （1） 的 ID 信息 ； 接收到该信息的其它车辆不生成自身的信息， 而是重新广播该接收到的信息。 步骤 2 ： 广播 “leader” 请求信息的车辆对比它所广播的信息以及所接收到的来自其它 车辆的 “leader” 请求信息， 然后会向比它更早进入排队的车辆发

5、送一条信息， 表明自己放 弃 “leader” 的申请 ； 步骤 3 ： 最终确定的车辆组队 “leader”把 “选举”结果发送给它的成员车辆， 接收 到 “leader”车辆所发送信息的成员车辆， 向 “leader”车辆反馈一条信息作为确认 ； 当 “leader” 车辆接收到来自成员车辆的反馈信息时， 它会向该成员车辆发送一条接受其作为 成员车辆的确认信息 ； 在成员车辆接收到来自 “leader” 车辆的确认信息之后， 它将更新自 身的 “leader” 车辆 ID， 并且与 “leader” 共享组队中其它成员车辆的信息 ； 步骤 4 ： 除自身的绿灯时间以外的整个信号控制周期内，

6、“leader” 车辆都接收来自其 成员车辆的信息， 并且周期性的将排队长度信息发送给信号控制器 1。 步骤 5 ： 当 “leader” 车辆的通行绿灯时间开始时， 它不再接收任何来自其成员车辆的 信息， 直接通过交叉口 ； 步骤 6 ： 在通行绿灯时间结束后， 重复步骤 1 至步骤 5。 3. 根据权利要求 1 所述的基于车辆自组网的单点十字交叉口信号灯实时控制方法， 其 特征在于 车辆排队长度估计的公式如下 ： 其中， RQL 表示当前周期 t 内的排队长度 ； D 表示进口道车道的编码， 即 D=1,2,.,8 ； VL 表示车辆的平均长度 ； ADBV 表示车辆间的平均车头间距 ；

7、N 表示组队的车辆数 ； “leader” 车辆依据公式 （1） ， 计算得到车辆排队长度， 并将该长度发送给信号控制器。 信号控制器依据当前周期和前二个周期内的车辆排队长度， 采用加权的方式， 计算得到最 终的车辆排队长度， 如公式 （2） ： QLD(t)=ARQLD(t)+BRQLD(t-1)+CRQLD(t-2） （2） 其中 ： A+B+C 1 ； A=RQLD(t)/1D； B (1-A)A ； 1D表示进口车道 D 的长度。 4. 根据权利要求 1 所述的基于车辆自组网的单点十字交叉口信号灯实时控制方法， 其 特征在于信号控制周期长度计算方法如下 ： 步骤 1 ： 信号控制器接收

8、每个车辆组队的排队长度， QL1(t),QL2(t)， .,QL8(t) ； 权 利 要 求 书 CN 102867422 A 2 2/2 页 3 步骤 2 ： 分别计算东西向和南北向最大车辆排队长度 ： MAX_Q1(t)=maxQL1(t),QL5(t),QL2(t),QL6(t)（3） MAX_Q2(t)=maxQL3(t),QL7(t),QL4(t),QL8(t)（4） 其中， MAX_Q1(t) 为周期 t 内东西向最大排队长度 ； MAX_Q2(t) 为周期 t 内南北向最大 排队长度 ； 步骤 3 ： 估计临时需要的周期长度 其中， R_CL1(t) 为周期 t 内东西向临时需要

9、的信号周期长度 ； R_CL2(t) 为周期 t 内 南北向临时需要的信号周期长度 ； 为周期 t 内东西向最大排队内的车辆数 ； 为周期 t 内南北向最大排队内的车辆数 ； h 为车头时距 ； 步骤 4 ： 计算需要的周期长度 R_CL(t)=R_CL1(t)+R_CL2(t) （7） 步骤 5 ： 添加红灯时间和黄灯时间 R_CL(t)=R_CL(t)+intergreen_time （8） intergreen_time=yellow_time+red_time （9） 步骤 6 ： 确定最终的信号周期长度 如果， |R_CL(t)-CL(t)| c， 那么下一周期的信号长度 CL(t+

10、1)=CL(t) ； 否则， 下一周期的信号长度 CL(t+1)=R_CL(t) ； 其中， c 为设定的信号周期长度改变阈值 ； CL(t) 为周期 t 的信号周期长度。 5. 根据权利要求 1 所述的基于车辆自组网的单点十字交叉口信号灯实时控制方法， 其 特征在于各相位绿灯时间的计算方法为 ： 步骤 1 ： 依据信号控制周期计算方法的步骤 3， 分别获得下一周期内， 东西向通行绿灯 时间 (GT1=R_CL1(t) 和南北向通行绿灯时间 (GT2=R_CL2(t)， 从而得到总的绿灯时间为 ： GT=GT1+GT2 (10) 步骤 2 ： 估计每个进口道车道的绿灯时间占总绿灯时间的比例 其

11、中， R_GTD为进口道车道D的通行绿灯时间占总绿灯时间的比例 ； VD/CD为进口道车道 D 的流量比 ； 步骤 3 ： 依据表 1 选择相应的绿灯相位设置样式 ； 步骤 4 ： 依据公式 （11） ， 确定每个进口道车道的最终绿灯时间 GTD=R_GTDGT (11) 。 权 利 要 求 书 CN 102867422 A 3 1/5 页 4 基于车辆自组网的单点十字交叉口信号灯实时控制方法 技术领域 0001 本发明涉及城市单点十字交叉口的信号灯实时控制方法。 背景技术 0002 许多国家都高度关注城市、 尤其是大城市的交通拥堵问题。最常用的方法是在交 叉口处实现信号控制。 单点交叉口的信

12、号控制方法大致可以分为3类 ： 分时段信号控制、 定 时信号控制和实时信号控制。 基于一天中不同时段的信号控制， 将一天划分为某几个时段， 每个时段采用一种预先制定的信号配时方法。 定时信号控制则不管交通环境和时间如何改 变， 完全采用静态的信号控制方案。 实时信号控制通过分析实时的交通运行状况， 自动优化 调整信号配时方案。 0003 分时段信号控制和定时信号控制的优点在于无需额外的交通信息采集设备以及 复杂的控制算法， 但其控制效果相比实时信号控制而言具有较大的差距。 另一方面， 实时信 号控制通过实时交通信息的获取， 能够制定更加合理的信号控制方案， 从而缓解交通拥堵。 但其核心的难点是

13、如何检测准确的、 实时的交通信息。 当前， 信号交叉口处最常用的交通信 息检测设备主要包括 ： 线圈检测器、 超声检测器、 微波检测器以及视频检测器等。线圈检测 器与超声监测器需要埋设在路面下方， 造成其维护成本较高。视频和微波检测器虽然易于 安装， 同样会导致较高的维护成本。 0004 目前， 依据交叉口各进口道排队长度的信号控制是最优的实时信号控制方法。在 以往的工程实践中， 为实现该控制方法， 需要在每个进口道的每条车道上安装线圈检测器。 排队长度的检测依赖于上游排队长度检测器和下游溢回检测器的数据。此外， 所计算的排 队长度非常容易受到检测速度误差的影响， 从而造成所估计的排队长度与实

14、际偏差较大。 发明内容 0005 本发明的目的是提供一种基于车辆自组网的单点十字交叉口信号灯实时控制方 法， 以解决现有技术利用线圈检测器检测各进口道排队长度的信号控制方法， 所计算的排 队长度非常容易受到检测速度误差的影响， 从而造成所估计的排队长度与实际偏差较大的 问题。 0006 本方法基于车辆自组网， 对每个进口道车道的排队车辆进行组队， 并选择某一车 辆作为该车辆自组网的对外通信节点， 由该车辆向该信号交叉口信号灯的信号控制器发送 车辆排队长度信息 ； 信号控制器基于车辆排队信息完成下一个信号控制周期长度的计算和 绿灯相位组合配时的设计。 0007 车辆自组网 （VANETs） 技术

15、的提出， 使得无需在交叉口处安装任何交通信息检测设 备， 便可以通过车与车的通信、 车辆与信号控制器的通信， 获取交叉口各进口道的排队长度 交通信息， 从而准确地计算和配时。解决了现有技术利用线圈检测器检测各进口道排队长 度的信号控制方法， 所计算的排队长度非常容易受到检测速度误差影响的问题。 说 明 书 CN 102867422 A 4 2/5 页 5 附图说明 0008 图1是基于VANETs的交叉口实时信号控制系统示意图 ； 图2是十字交叉口进口道 及车道编号的示意图 ； 图 3 是双环信号控制的相位设置对应图 ； 图 4 系统的工作流程图 ； 图 5 是车辆组队示例图。 具体实施方式

16、0009 具体实施方式一 ： 下面结合图 1 至图 5 具体说明本实施方式。本实施方式的方法 基于车辆自组网， 对每个进口道车道的排队车辆进行组队， 并选择某一车辆作为该车辆自 组网的对外通信节点， 由该车辆向该信号交叉口信号灯的信号控制器 1 发送车辆排队长度 信息 ； 信号控制器 1 基于车辆排队信息完成下一个信号控制周期长度的计算和绿灯相位组 合配时的设计。 0010 （1） 本发明方法的系统架构 0011 本发明系统的功能是实现对单点十字交叉口的实时信号控制。系统组成包含了 ： 信号控制器 1 和车辆自组网 （VANETs） 。车辆自组网能够实现车与车间的通信和车辆与交 叉口信号控制器

17、 1 之间通信的功能。车辆自组网的功能是获取交叉口进口道车辆排队长度 的信息， 基于车 - 车通信在自组网内部选出 “领导者” 车辆 （leader） ， 由 “leader” 车辆将排 队长度信息定期传送给信号控制器。 信号控制器实现基于车道排队长度的实时最优信号控 制， 主要包含了信号控制周期优化模块和相位绿灯时间优化模块。系统示意如图 1 所示。 0012 （2） 交叉口及其信号控制相位的数字化模型 0013 为实现交叉口的实时信号控制， 首先需要对交叉口及其控制相位进行数字化建 模。交叉口的各进口道依据各自的方位依次进行编号 ： 东 （E） 、 南 （S） 、 西 （W） 、 北 （N

18、） 。每个 进口道假定有 2 条车道， 分别为左转车道 （L） 和直行 / 右转车道 （F） 。因而， 可以将交叉口 处的每一进口道车道用一个标示符 D 来表示， 也就是 D=EF,EL， NF,NL， WF,WL， SF,SL。由此 产生的交叉口模型如图 2 所示。 0014 基于所建立的交叉口数字化模型， 可以通过如图 3 所示的双环信号相位设置实现 对该交叉口的控制。在一个控制周期 （cycle） 内， 信号控制一共包含 4 个相位， 分别为 ： 相 位 1（G1 和 G5） 、 相位 2（G2 和 G6） 、 相位 3（G3 和 G7） 和相位 4（G4 和 G8） 。 0015 （3

19、） 系统的工作流程 0016 该系统的运行流程详见图 4。每个进口道的每条车道， 在其通行绿灯时间结束后， 开始对其排队车辆进行组队 （组队算法见第 （4） 节） ， 并且在组队的同时， 选择编队的 “领导 者” （leader） 。被选择作为 “leader” 的车辆通过接受编队成员车辆的交通信息， 计算下一 个通行绿灯时间之前的排队长度， 并将排队长度信息定期发送给信号控制器。 0017 在车道通行绿灯时间开始时， 该车道排队车辆的 “leader” 将最终的排队长度计算 结果发送给信号控制器 （排队长度计算见第 （5） 节） ， 然后通过交叉口。当相位 4 的通行绿 灯时间开始时， 信号

20、控制器基于所接收到的排队长度信息， 计算下一个信号控制周期长度 以及相应的绿灯配时分配方案 （信号周期及绿灯配时方案见第 （6） 和 （7） 节） 。 0018 （4） 基于 VANETs 的车辆组队算法 0019 对于交叉口的实时信号控制， 获取各进口道各车道的排队长度是至关重要的。带 有无线通信功能的车辆能够直接将各自的信息发送给信号控制机， 然而， 当排队中存在较 说 明 书 CN 102867422 A 5 3/5 页 6 多的车辆时， 如果车辆均与信号控制器通信， 将会造成通信的阻塞， 并会造成信号控制器计 算性能的下降。因而， 本发明所采用的思路为 ： 将一个车道上排队的车辆进行组

21、队 （组队期 间从该车道通行绿灯时间结束， 到下一个通行绿灯时间开始） ， 然后从组队中选择出组队的 “领导者” （leader） ，“leader” 车辆与各排队车辆之间， 通过无线通信的方式确定排队长度， 然后由 “leader” 统一将排队长度信息发送给信号控制机。图 5 给出了车辆组队的示意。 0020 针对交叉口进口道某一车道所设计的详细车辆组队过程如下 ： 0021 步骤 1 ： 信号交叉口的相位设置如图 3 所示。在该车道通行绿灯时间结束后， 从该 车道达到交叉口的车辆排队开始形成， 每一个到达的车辆向附近的车辆广播一条请求充当 “leader” 的信息 ； 这条信息包含的内容为

22、 ： 唯一的车辆 ID 信息、 该信息的发出时间、 车辆的 经纬度位置和交叉口信号控制器 1 的 ID 信息 ； 接收到该信息的其它车辆不生成自身的信 息， 而是重新广播该接收到的信息。 0022 步骤 2 ： 广播 “leader” 请求信息的车辆对比它所广播的信息以及所接收到的来自 其它车辆的 “leader” 请求信息， 然后会向比它更早进入排队 （位置更加接近交叉口） 的车辆 发送一条信息， 表明自己放弃 “leader” 的申请 ； 0023 步骤 3 ： 最终确定的车辆组队 “leader” 把 “选举” 结果发送给它的成员车辆， 接 收到 “leader” 车辆所发送信息的成员车

23、辆， 向 “leader” 车辆反馈一条信息作为确认 ； 当 “leader” 车辆接收到来自成员车辆的反馈信息时， 它会向该成员车辆发送一条接受其作为 成员车辆的确认信息 ； 在成员车辆接收到来自 “leader” 车辆的确认信息之后， 它将更新自 身的 “leader” 车辆 ID， 并且与 “leader” 共享组队中其它成员车辆的信息 ； 0024 步骤 4 ： 除自身的绿灯时间以外的整个信号控制周期内，“leader” 车辆都接收来 自其成员车辆的信息， 并且周期性的将排队长度信息发送给信号控制器 1 （排队长度计算方 法详见第 （5） 节） 。 0025 步骤 5 ： 当 “lea

24、der” 车辆的通行绿灯时间开始时， 它不再接收任何来自其成员车 辆的信息， 直接通过交叉口 ； 0026 步骤 6 ： 在通行绿灯时间结束后， 重复步骤 1 至步骤 5。 0027 （5） 进口道车道排队长度估计算法 0028 在相位通行绿灯时间结束后， 相应车道的排队开始形成。 “leader” 车辆开始接收 其成员车辆的信息。车辆排队长度估计公式如下 ： 0029 0030 其中， RQL 表示当前周期 t 内的排队长度 ； D 表示进口道车道的编码， 即 D=1,2， .,8（见第 （2） 节） ； VL 表示车辆的平均长度 ； ADBV 表示车辆间的平均车头间距 ； N 表示组队的车

25、辆数。 0031 “leader” 车辆依据公式 （1） ， 计算得到车辆排队长度， 并将该长度发送给信号控制 器。 信号控制器依据当前周期和前二个周期内的车辆排队长度， 采用加权的方式， 计算得到 最终的车辆排队长度， 如公式 （2） ： 0032 QLD(t)=ARQLD(t)+BRQLD(t-1)+CRQLD(t-2） （2） 0033 其中 ： A+B+C 1 ； A=RQLD(t)/1D； B (1-A)A ； 1D表示进口车道 D 的长度。 0034 （6） 信号控制周期计算方法 说 明 书 CN 102867422 A 6 4/5 页 7 0035 一个交叉口处的信号控制周期不能

26、太长也不能太短。如果信号控制周期过短， 信 号相位切换较为频繁， 相应每个相位的通行绿灯时间较短， 就可能造成交叉口停车数的增 加和车辆频繁的起步和停车。 相反， 如果信号控制周期过长， 那么将会造成每个相位排队车 辆的等待时间过长。为此， 本发明所设计的信号控制周期长度计算方法如下 ： 0036 步骤 1 ： 信号控制器接收每个车辆组队的排队长度， QL1(t),QL2(t)， .,QL8(t) 0037 步骤 2 ： 分别计算东西向和南北向最大车辆排队长度 ： 0038 MAX_Q1(t)=maxQL1(t),QL5(t),QL2(t),QL6(t) （3） 0039 MAX_Q2(t)=

27、maxQL3(t),QL7(t),QL4(t),QL8(t) （4） 0040 其中， MAX_Q1(t) 为周期 t 内东西向最大排队长度 ； MAX_Q2(t) 为周期 t 内南北向 最大排队长度。 0041 步骤 3 ： 估计临时需要的周期长度 0042 0043 0044 其中， R_CL1(t) 为周期 t 内东西向临时需要的信号周期长度 ； R_CL2(t) 为周期 t 内南北向临时需要的信号周期长度 ； 为周期 t 内东西向最大排队内的车辆数 ； 为周期 t 内南北向最大排队内的车辆数 ； h 为车头时距。 0045 步骤 4 ： 计算需要的周期长度 0046 R_CL(t)=R

28、_CL1(t)+R_CL2(t) （7） 0047 步骤 5 ： 添加红灯时间和黄灯时间 0048 R_CL(t)=R_CL(t)+intergreen_time （8） 0049 intergreen_time=yellow_time+red_time （9） 0050 步骤 6 ： 确定最终的信号周期长度 0051 如果， |R_CL(t)-CL(t)| c， 那么下一周期的信号长度 CL(t+1)=CL(t) ； 0052 否则， 下一周期的信号长度 CL(t+1)=R_CL(t)。 0053 其中， c 为设定的信号周期长度改变阈值 ； CL(t) 为周期 t 的信号周期长度。 005

29、4 （7） 相位绿灯配时算法 0055 一旦确定了信号控制周期， 便可以根据以下的算法确定各相位的绿灯时间 ： 0056 步骤 1 ： 依据第 （6） 节中信号控制周期计算方法的步骤 3， 可以分别获得下一周期 内， 东西向通行绿灯时间(GT1=R_CL1(t)和南北向通行绿灯时间(GT2=R_CL2(t)， 从而得到 总的绿灯时间为 ： 0057 GT=GT1+GT2 (10) 0058 步骤 2 ： 估计每个进口道车道的绿灯时间占总绿灯时间的比例 0059 0060 其中， R_GTD为进口道车道D的通行绿灯时间占总绿灯时间的比例 ； VD/CD为进口道 车道 D 的流量比。 0061 步骤 3 ： 依据表 1 选择相应的绿灯相位设置样式 ； 说 明 书 CN 102867422 A 7 5/5 页 8 0062 0063 步骤 4 ： 依据公式 （11） ， 确定每个进口道车道的最终绿灯时间 0064 GTD=R_GTDGT (11)。 说 明 书 CN 102867422 A 8 1/3 页 9 图 1 说 明 书 附 图 CN 102867422 A 9 2/3 页 10 图 2 图 3 说 明 书 附 图 CN 102867422 A 10 3/3 页 11 图 4 图 5 说 明 书 附 图 CN 102867422 A 11