一种孤立交叉口自适应信号配时控制方法

本发明涉及一种孤立交叉口自适应信号配时控制方法。

背景技术：

1、孤立交叉口事故的增长是一个全球性的问题，由于交通流量的不断增加和驾驶员行为的不确定性，孤立交叉口成为道路上事故最频发的地点之一。这些事故不仅给驾驶员和乘客的生命安全带来威胁，还导致了交通拥堵和经济损失。在这种背景下，孤立交叉口的安全性变得尤为重要。通过采用自适应信号控制技术，可以有效提升孤立交叉口的通行能力并减少事故发生的可能性，从而达到提高孤立交叉口安全性的目的。

2、自适应信号控制技术的专利目的和意义在于：

3、提升通行能力：传统的固定配时信号控制往往无法适应实时的交通需求和路况变化，导致孤立交叉口的通行能力受限。自适应信号控制技术可以根据实时交通数据和算法进行动态调整，合理分配信号灯的配时，从而提高孤立交叉口的通行能力，减少交通拥堵。

4、减少事故发生可能性：自适应信号控制技术可以根据实时交通数据和孤立交叉口特点进行智能的信号灯配时调整。通过合理地分配信号灯的绿灯时间和红灯时间，可以降低车辆之间的冲突和孤立交叉口事故的发生可能性。提高孤立交叉口安全性：通过优化信号灯配时方案，自适应信号控制技术可以提高孤立交叉口的安全性。合理的信号灯配时可以减少驾驶员的等待时间和焦虑感，降低疲劳驾驶和违规行为的风险，从而提升孤立交叉口的整体安全水平。

5、综上所述，自适应信号控制技术的专利目的在于通过动态调整信号灯配时方案，提升孤立交叉口的通行能力，减少事故的发生可能性，提高孤立交叉口的安全性。这是为了解决孤立交叉口事故增长和孤立交叉口安全性提升的重要问题，并改善交通状况，保障交通系统的高效运行。

技术实现思路

1、本发明是为了解决上述现有技术存在的问题而提供一种孤立交叉口自适应信号配时控制方法。

2、本发明所采用的技术方案有：

3、一种孤立交叉口自适应信号配时控制方法，包括如下步骤：

4、1)采集道路交叉口的车辆排队长度，根据排队长度划分拥堵状态，对应为不拥堵，一般拥堵，严重拥堵；

5、2)根据各个车道拥堵状态，选择不同拥堵状态的信号配时方案，信号配时计算如下：

6、周期时长c指信号灯各种灯色轮流显示一次所需要的总时长，一般以s(秒)为单位表示，其计算公式如下：

7、c＝gi+ai+r+ri

8、式中，gi为相位i的绿灯时长，相位i＝{a,b,c,d}，a,b,c,d四个参数表示四相位信号灯信号配时的四种相位，分别对应为：a表示南北直行，b表示南北左转，c表示东西直行，d表示东西左转；ai为相位i的黄灯时长，ri为相位i的红灯时长；

9、黄灯时段的作用是提醒行车相位将发生变化，而全红时段是为了孤立交叉口内车辆清场，黄灯时间和全红时间为冲突相位之间的安全过渡提供了保障。周期时长是信号配时设计的主要对象，是影响信号控制效益的关键控制参数。一般情况下，恰当的周期时长能够有效疏散孤立交叉口处各方向的交通流，并减少车辆的延迟时长。

10、根据webster配时法推导最佳信号周期时长co(单位：s)，计算公式如下：

11、

12、式中，l为周期总损失时间(单位：s)，y为孤立交叉口交通流量比；

13、周期总损失时间l的计算公式为：

14、

15、式中，li为相位i车辆启动损失时间，e为相位i的全红灯时间(单位均为s)，n为周期时长内所包含相位数；

16、孤立交叉口交通流量比y为各相位的最大流量比之和，即：

17、

18、式中，yi1为相位i的交通流向流量比，其计算公式为：

19、

20、式中，vi1为相位i交通流向的设计交通量，单位：pcu/h；s为相位i交通流向的基本饱和流率，单位：pcu/h；

21、信号灯绿信比是某一信号相位的有效绿灯时间与周期时长之比，其计算公式为：

22、

23、式中，λi表示相位i的绿信比，gei表示相位i的有效绿灯时间(单位：s)；

24、有效绿灯时间ge是指分配给交通流有效通行时间，相位有效绿灯时间定义为某一相位绿灯时间内充分利用的时间，其表达式为：

25、

26、孤立交叉口设置了传统四相位的信号灯，其状态由g、r、y、g等4个参数来表示，在sumo模拟器中，g表示优先级较高的绿灯，r表示红灯，y表示黄灯，g表示优先级较低的绿灯，四相位的持续时间分别为30、18、30和18s，绿灯间隔时间为3s，总周期为108s，符合实际道路的通行状态，即不拥堵正常状态。

27、进一步地，分别用saj、sbj、scj和sdj表示四种相位的拥堵状态，其中j＝{1，2，3}＝{不拥堵状态，一般拥堵状态，严重拥堵状态}，

28、每种相位共三种状态，即sj＝{s1，s2，s3}＝{不拥堵状态，一般拥堵状态，严重拥堵状态}。

29、南北直行相位a拥有三个拥堵状态saj，其中j＝{1，2，3}，其中j＝1时表示南北直行相位处于不拥堵状态，此时saj＝sa1＝1，同理，j＝2，j＝3分别表示南北直行相位处于一般拥堵和严重拥堵状态。

30、南北左转相位b拥有三个拥堵状态sbj，j＝{1，2，3}，其中j＝1时表示南北左转相位处于不拥堵状态，此时sbj＝sb1＝1，同理，j＝2，j＝3分别表示南北左转相位处于一般拥堵和严重拥堵状态。

31、东西直行相位c和东西左转相位d也同理表示。其中因此共有四种相位，每种相位三种状态，所以一共有81种情况。

32、当saj-scj＝0时，交叉口两个直行相位均为不拥堵状态，此时两个直行相位采取不拥堵状态的信号配时方案，用x0表示，此时需要进一步观测两个左转相位。

33、当sbj-sdj＝0时，交叉口两个左转相位的拥堵状态一致，此时两个左转相位采取不拥堵状态的信号配时方案，用y0表示，对应的相位信号配时方案记为x0y0，即两个直行相位与两个左转相位拥堵状态一致，对应信号配时方案输出为p00＝{a,b,c,d}＝{30,18,30,18}。

34、当sbj-sdj>0时交叉口两个左转相位为南北优先，此时如果sbj-sdj＝1，即南北方向左转相位比东西方向左转相位拥堵程度为1，此时交叉口两个左转相位需要采取一般拥堵状态的信号配时方案，用y1表示，对应的相位信号配时方案记为x0y1，输出结果记为p01＝{a,b,c,d}＝{30,22,30,14}。

35、当sbj-sdj＝2，即南北方向左转相位比东西方向左转相位拥堵程度为2，此时交叉口两个左转相位信号配时方案需要采取严重拥堵状态的信号配时方案，用y2表示，对应的相位信号配时方案记为x0y2，对应信号配时输出结果记为p02＝{a,b,c,d}＝{30,25,30,11}。

36、同理，当sbj-sdj<0时，交叉口两个左转相位为东西优先，此时如果sbj-sdj＝-1，即东西方向左转相位比南北方向左转相位拥堵程度为1，此时交叉口两个左转相位需要采取一般拥堵状态的信号配时方案，用表示，对应的相位信号配时方案记为对应信号配时输出结果记为p01＝{a,b,c,d}＝{30,14,30,22}。

37、如果sbj-sdj＝-2，即东西方向左转相位比南北方向左转相位拥堵程度为2，此时需要执行严重拥堵状态的信号配时方案，用表示，对应信号配时输出p02＝{a,b,c,d}＝{30,11,30,25}。

38、同理，当saj-scj>0时，两个交叉口直行相位为南北优先，如果此时当saj-scj＝1时，即南北方向直行相位比东西方向直行相位拥堵程度为1，此时需要执行一般拥堵状态的信号灯配时方案，用x1表示，此时需要观察左转相位，当sbj-sdj＝0时，即两个左转相位拥堵状态一致，此时需要执行正常不拥堵状态的信号配时方案，用y0表示，x1y0对应信号配时输出p10＝{a,b,c,d}＝{36,18,24,18}。

39、当sbj-sdj>0时，两个交叉口左转相位为南北优先，如果此时sbj-sdj＝1，即南北方向左转相位比东西方向左转相位拥堵程度为1，需要执行一般拥堵状态的信号灯配时方案，用y1表示，x1y1对应信号配时输出p11＝{a,b,c,d}＝{36,22,24,14}。

40、sbj-sdj＝2，即南北方向左转相位比东西方向左转相位拥堵程度为2，需要执行严重拥堵状态的信号配时方案，用y2表示，x1y2对应信号配时输出p12＝{a,b,c,d}＝{36,25,24,11}。

41、当sbj-sdj<0时，两个交叉口左转相位为东西优先，sbj-sdj＝-1，即东西方向左转相位比南北方向左转相位拥堵程度为1，需要执行一般拥堵状态的信号灯配时方案，用表示，对应信号配时输出p11＝{a,b,c,d}＝{36,14,24,22}。

42、当sbj-sdj＝-2，即东西方向左转相位比南北方向左转相位拥堵程度为2，需要执行严重拥堵状态的信号配时方案，用表示，对应信号配时输出p12＝{a,b,c,d}＝{36,11,24,25}。

43、同理可得，当saj-scj＝2时，需要执行正常不拥堵状态的信号配时方案，用x2表示，此时需要观察左转相位，当sbj-sdj＝0时，需要执行一般拥堵状态的信号灯配时方案，用y0表示，x2y0对应信号配时输出p20＝{42,18,18,18}。

44、当sbj-sdj>0时，左转南北优先，sbj-sdj＝1，需要执行一般拥堵状态的信号灯配时方案，用y1表示，x2y1对应信号配时输出p21＝{42,22,18,14}。sbj-sdj＝2，需要执行严重拥堵状态的信号配时方案，用y2表示，x2y2对应信号配时输出p22＝{42,25,18,11}。

45、当sbj-sdj<0时，左转东西优先，sbj-sdj＝-1，需要执行一般拥堵状态的信号灯配时方案，用表示，对应信号配时输出p21＝{42,14,18,22}。sbj-sdj＝-2，需要执行严重拥堵状态的信号配时方案，用表示，对应信号配时输出p22＝{36,11,24,25}。

46、当saj-scj<0时，直行为东西优先，当saj-scj＝-1时，用表示，此时观察左转相位，当sbj-sdj＝0时，用y0表示，对应信号配时输出p10＝{24,18,36,18}。

47、当sbj-sdj>0时，sbj-sdj＝1，用y1表示，对应信号配时输出p11＝{24,22,36,14}。sbj-sdj＝2，用y2表示，对应信号配时输出p12＝{24,25,36,11}。

48、当sbj-sdj<0时，sbj-sdj＝-1，用表示，对应信号配时输出p11＝{24,14,36,22}；sbj-sdj＝-2，用表示，对应信号配时输出p12＝{24,11,36,25}。

49、同理可得，当saj-scj＝-2时，用表示，此时观察左转相位，当sbj-sdj＝0时，用y0表示，对应信号配时输出p20＝{18,18,42,18}。

50、当sbj-sdj>0时，左转为南北优先，sbj-sdj＝1，用y1表示，对应信号配时输出p21＝{18,22,42,14}；sbj-sdj＝2，用y2表示，对应信号配时输出p22＝{18,25,42,11}。

51、当sbj-sdj<0时，左转东西优先，sbj-sdj＝-1，用表示，对应信号配时输出p21＝{18,14,42,22}；sbj-sdj＝-2，用表示，对应信号配时输出p22＝{18,11,42,25}。

52、为此，信号灯配时直行和左转都是三个模式，用xi表示直行模式，yi表示左转模式，即一共有9种模式。

53、进一步地，在道路交叉口，当车辆排队长度小于10m时，此时设定为不拥堵状态；

54、当车辆排队长度大于10m且小于50m，此时设定为一般拥堵状态；

55、当车辆长度大于50m时，此时设定为严重拥堵状态。

56、获取道路交叉口车辆的排队长度是通过在路口车道上间隔布置压力传感器，和/或通过摄像头采集。

57、本发明配套的系统包括信号灯控制器，压力传感器，摄像头采集器，stm32单片机和定时器。压力传感器放在两个位置，放在停车线后10米和50米处。

58、压力传感器采集排队总数，一共分为三档。设置拥堵阈值，即10m处为第一拥堵阈值，50m处为第二拥堵阈值。第一档，排队小于第一拥堵阈值即不拥堵，第二档，排队大于第一拥堵阈值小于第二拥堵阈值即为拥堵，第三档，排队长度大于第二拥堵阈值即为严重拥堵。

59、压力传感器分别放置在距离停车道第一拥堵阈值和第二拥堵阈值处，而定时器辅助采集。

60、当压力传感器第一拥堵阈值无信号时，即代表排队长度小于10m。

61、当压力传感器第一拥堵阈值有信号时，压力传感器第二拥堵阈值无信号时，即代表排队长度大于10m，小于50m。

62、当压力传感器第一拥堵阈值有信号时，压力传感器第二拥堵阈值有信号时，定时器开始计数，当压力传感器持续有信号超过3s，即排队长度超过50。

63、摄像头采集器为定时采集，300秒采集一次，摄像头采集器为指定区域采集，采用车俩检测和跟踪技术(计算机视觉)，并结合计数器来实现实时统计。摄像头采用车俩检测和跟踪技术(计算机视觉)，结合位移和时间计算速度。

64、本发明具有如下有益效果：

65、本发明实时改变信号配时，实现方便且成本低，智能化高，能够提高孤立交叉口的通行能力，减少交通拥堵，实用性强。