专利名称：一种基于混合推荐的交通信号控制方案实时选取方法
技术领域：
本发明涉及交通信号控制技术领域，特别涉及一种基于混合推荐的交通信号控制 方案实时选取方法。
背景技术：
良好运转的交通系统与城市健康发展息息相关。交通拥堵问题已成为大中型城市 发展的瓶颈问题，而交通系统本身所具有的动态特性所产生的时段差异以及路口自身之间 的差异，使得单一一种路口控制方案无法满足路网上全部的路口交通控制需求。因此根据 不同路口的不同时段的交通特点，执行具有差异性路口控制方案将优化整个交通路网的运 行效率，提高交通控制系统的整体控制性能。
在现有的交通路口控制设计方法当中，多时段路口控制方法依据路口状态时段特 性(即不同时段有其不同特点)，采用多种控制方案轮换来优化路口交通控制效果。其中 已有技术包含控制时段的划分(即控制方案轮换的时间点选择)和每单个控制时段合适的 控制方案选取两个步骤。前者主要采用通过对路口交通状态历史数据的模态进行识别来 找出一天控制轮换时间点，而后者也是依据交通状态历史数据来设计出恰当的交通控制方 案。此类多时段路口控制方法依赖于交通历史数据，为应对交通系统动态特性的一种离线 方法。此类方法使用时要求交通系统的动态特性在时空上有较好的可重复性。此外，无法 对细粒度，短时交通状态波动变化做出反应，如交通突发状况等，而这在实际交通系统中却 是无法避免的。发明内容
(一 )要解决的技术问题
本发明的目的是要克服离线划分控制时段与离线控制时段的控制方案选取的不 足，在网络范围内，以已有交通控制方案为基础，根据交通控制方案的差异与交通路口实时 状况，采用动态匹配，最大限度地优化路口交通控制性能，为此发明一种基于混合推荐的交 通信号控制方案实时选取方法。
( 二 )技术方案
为解决上述问题，本发明提出了一种基于混合推荐的交通信号控制方案实时选取 方法，该方法包括
离线知识获取层模块构建标准路口模型和标准交通场景，并获得标准交通场景下 各个适合交通信号控制方案的交通状态参数，并将所述交通状态参数与对应的标准交通场 景数据发送给交通信息存储与处理层模块；
交通信息存储与处理层模块根据从离线知识获取层模块所得到的所述交通状态 参数和标准交通场景数据计算各个交通信号控制方案的交通场景-方案得分，还根据从现 场执行层模块获得的现实路口交通信息来继续填充和修正交通场景-方案得分记录，同时 判断现实路口的交通信号控制方案是否需要切换，需要切换时发送新的交通信号控制方案至现场执行层模块；
现场执行层模块获取现实路口交通信息，并将所获取的现实路口交通信息发送至 交通信息存储与处理层模块；在接收到交通信息存储与处理层模块发送的更新交通信号控 制方案消息时，将现有信号控制方案切换成新的交通信号控制方案，并根据物理通信协议 对路口控制信号进行灯控信号编码，执行所述新的交通信号控制方案。
本发明还提出了一种基于混合推荐的交通信号控制方案实时选取装置，其包括
离线知识获取层模块，其包括交通仿真场景构建模块、场景仿真模块和仿真路口 交通信息获取模块，其中交通仿真场景构建模块构建标准路口模型和标准交通场景，场景 仿真模块仿真不同标准交通场景下适合的各个交通信号控制方案，仿真路口交通信息获取 模块获取仿真过程中的交通状态参数，并将所述交通状态参数与相应的标准交通场景数据 发送给交通信息存储与处理层模块；
交通信息存储与处理层模块，其包括交通信息评估与处理模块和交通信号控制方 案管理模块；其中所述交通信息评估与处理模块根据从离线知识获取层模块所得到的所 述交通状态参数和标准交通场景数据计算各个交通信号控制方案的交通场景-方案得分， 所述交通信息评估与处理模块还根据从现场执行层模块获得的现实路口交通信息来继续 填充和修正交通场景-方案得分记录，同时判断现实路口的交通信号控制方案是否需要切 换，如果需要切换，则交通信号控制方案管理模块发送新的交通信号控制方案至现场执行 层模块；
现场执行层模块，其包括现实路口交通信息获取模块、信号控制执行模块和信号 控制方案切换模块；其中所述现实路口交通信息获取模块获取现实路口交通信息，并将所 获取的现实路口交通信息发送至交通信息存储与处理层模块；所述信号控制方案切换模块 在接收到交通信息存储与处理层模块发送的更新交通信号控制方案消息时，将现有交通信 号控制方案切换成新的交通信号控制方案；所述信号控制执行模块根据物理通信协议对路 口控制信号进行灯控信号编码，执行所更新的交通信号控制方案。
(三)有益效果
本发明的有益效果采用基于混合推荐的交通信号控制方案实时选取之后，实现 了交通路口控制可依据实时路口交通状态变化动态调整交通控制方案，较大幅度提高了控 制系统应付短时交通状态波动的能力，特别是对突发事件处理能力。同时能充分利用方案 库已有方案，优化路口交通控制效果，带来较好的综合效益。
图1是本发明实施例中网络化分层交通信号控制系统结构图2是本发明实施例中一个交通路口大类决策树的示例；
图3是本发明实施例中离线知识获取过程工作流程图4是本发明实施例中交通信息存储与处理层控制方案实时选取过程工作流程 图5是本发明实施例中现场执行层工作流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照 附图，对本发明进一步详细说明。
如图1所示，本发明的基于混合推荐的交通信号控制方案实时选取方法由不同层 级的计算机分布式实现，不同层级的计算机中按照本发明的功能划分为离线知识获取层 Al、交通信息存储与处理层A2和现场执行层A3。各层之间通讯可采用现有信号控制器网络 通讯介质和方法。推荐流程中所用到的皮尔森相关性计算，基于谷本系数相似度度量方法， Slope One算法可选择常见的、例如mahout开源机器学习平台实现。知识和方案数据库采 用常见的、例如MySQL数据库。交通仿真平台采用常见的、例如Paramics交通仿真平台。
离线知识获取层Al中含有场景仿真模块AU、交通仿真场景构建模块A12、路网 数据处理模块A13、仿真路口交通信息获取模块A14，其中
离线知识获取层中路网数据处理模块A13中记录了实际交通路网的基本参数，如 路口特征数据。所述路网数据处理模块A13基于所述实际交通路网的基本参数通过ID3算 法构建出最浅的交通路口大类决策树并写入交通知识库A16。通过交通路口大类决策树获 得若干路口大类实现对交通路网中所有被控路口的归类。如图2所示，所述交通路口大类 决策树的根节点为路口类型(或其他路口特征属性)，叶节点为路口大类，每个路口大类包 含若干个特殊路口特征。基于路口大类，交通仿真场景构建模块A12构建出相应的标准路 口模型(如标准十字路口模型、标准丁字路口模型等)和所述标准路口模型的标准交通场 景(如标准的出行高峰交通场景、标准的出行稀少交通场景等)，其中标准的含义是指路口 构建和交通场景的构建在特殊路口特征上取默认值，例如大路口默认通道数为24条等。接 着，场景仿真模块All在分布式平台上对不同标准交通场景下适合的交通信号控制方案并 行仿真，仿真路口交通信息获取模块A14调用仿真平台的路网路口运行参数指标函数获取 交通信息，所述交通信息包括路口交通状态参数(如车辆速度等)和交通场景数据(如现 路口交通车流状态等)，仿真路口交通信息获取模块A14还将所获得的路口交通状态参数 写入交通知识库A16，同时将交通场景数据写入交通场景特征数据库，以提交至交通信息存 储与处理层A2 ;其中所述标准场景下适合的交通信号控制方案由交通信号控制方案管理 模块A15提供。
交通信息存储与处理层A2中含有交通信号控制方案管理模块A15，交通知识库 A16,交通信息评估与处理模块A17,基于内容推荐模块A18和基于协同过滤推荐模块A19, 其中
交通信息存储与处理层A2的交通知识库A16中共包含交通路口大类决策树，交通 信号控制方案大类决策树，交通方案-场景得分记录，交通场景数据四类交通知识。交通路 口大类决策树由路网数据处理模块A13产生，交通信号控制方案大类决策树由交通信号控 制管理模块A15利用交通信号控制方案的基本参数通过ID3算法产生并写入交通知识库 A16，实现对系统中所有信号控制方案的归类，其根节点为交通信号控制方案的适用路口类 型(或其他交通信号控制方案特征属性)，叶节点为交通信号控制方案大类，每个交通信号 控制方案大类包含若干个特殊交通信号控制方案特征。交通信号控制方案管理模块A15存 储所有可选交通信号控制方案及控制方案的涉及特征(所适用的路口特征和交通场景特 征)。所述交通方案-场景得分记录和交通场景数据则由交通信息评估与处理模块A17提 供，其中所述交通信号控制方案的基本参数包括适用交通路口特征和适用交通场景特征。交通信息评估与处理模块A17负责评估与处理来自离线知识获取层Al与现场执行层A3提 供的交通信息。接收到来自离线知识获取层Al的仿真路口产生的交通信息后，所述交通信 息评估与处理模块A17会向交通知识库A16记录标准交通场景数据与标准交通场景-方 案得分。接收到来自现场执行层A3的现实路口交通信息后，该模块会评估现实路口信号 控制方案是否需要切换，同时也会向交通知识库A16记录现实交通场景数据与现实交通场 景-方案得分。当交通信息评估与处理模块A17判断现实交通路口的信号控制方案需要切 换时，会触发推荐模块A18与A19，其中基于内容推荐模块A18会在交通控制方案大类决策 树支持下将适合待切换现实路口的交通信号控制方案大类找出并提交给基于协同过滤推 荐模块A19，基于协同过滤推荐模块A19将在交通知识库A16中的交通场景得分、交通场景 数据的支持下找出适合待切换现实路口的交通信号控制方案，并提交方案号至交通信号控 制方案管理模块A15中，该模块从自身的交通信号控制方案库提取并发送信号控制方案至 现场执行层A3。
现场执行层A3中含有信号控制方案切换模块A20，信号控制执行模块A21，现实 路口交通信息获取模块A22，其中
现场执行层A3运行缺省的定时信号控制方案，当交通信息存储与处理层A2向现 场执行层A3提供切换信号控制方案时，信号控制方案切换模块A20负责接收并完成新到来 交通信号控制方案与原交通信号控制方案执行方案切换工作。待切换工作完成后运行信 号控制执行模块A21，该模块负责灯控信号编码与支持物理通信协议，完成交通信号控制功 能。现实路口交通信息获取模块A22完成交通信息采集并将采集到的交通信息提交至交通 信息存储与处理层A2。
离线知识获取层Al获取离线知识，按照不同交通路口的物理特性和不同交通场 景下的交通状态，在分布式交通仿真平台上同时构建出多个标准交通场景，对所述标准交 通场景下适合的交通信号控制方案予以测试，获取所述交通信号控制方案在所述标准交通 场景下的路口交通状态参数，如路口车辆平均延误时间，路口车辆平均通行速度等。标准交 通场景数据与对应的交通信号控制方案的路口交通状态参数将作为离线知识提交给交通 信息存储与处理层A2，解决整个推荐系统冷启动问题。
如附图3所示离线知识获取过程工作流程图，其中
步骤Bll :交通信号控制方案的特性数据由方案设计者录入A15中交通信号控制 方案库，包括每个交通信号控制方案适合的路口类型和适合的交通场景数据；
步骤B12 :将所有涉及路口的特征数据录入，路口特征数据包含路口形状，地理位 置，检测手段信息，相位通道比，路口规模；其中检测手段信息包括路口交通信息获取手段， 如基于地感线圈，红外检测器，摄像头等；相位是指在一个信号周期内同时获取通行权的一 组道路通道组合，一个相位既可以表示机动车的通行权也可以表示行人的通行权，且这两 个通行权是一致的；所述相位通道比为所有相位中包含通道数目最大的相位与通道数目最 小的相位的通道数目比值。
步骤B13 :根据所述交通信号控制方案的特性数据和所述路口的特征数据采用 ID3决策树生成算法生成交通信号控制方案大类决策树和交通路口大类决策树；
步骤B14 :构建标准路口模型根据所述交通路口大类决策树中的不同路口大类 所拥有的物理特性，在分布式交通仿真平台上搭建不同的标准路口模型；
步骤B15 :构建标准交通场景通过改变分布式交通仿真平台的每个标准路口模型的交通状态参数构建不同的标准交通场景，其中交通状态参数包含交通路口车辆拥堵状况如各个通道上车辆排队长度、路口外部车流输入状况如各个通道车辆到达率、行车速度等;
步骤B16 :在所述标准交通场景下对各适合的交通信号控制方案执行仿真工作 在交通信号控制方案大类决策树与交通信号控制方案库的支持下，获得每个现有交通信号控制方案适合的交通场景大类，并将相应的交通信号控制方案发送到仿真平台上对应的标准交通场景中完成路口信号控制工作；
步骤B17 :在标准交通场景下各适合的交通信号控制方案的控制性能记录当一个标准交通场景仿真结束后，其场景中路口交通状态参数将被记录下来，并和对应的交通场景数据一起发送给交通信息存储与处理层A2用于生成所述的交通信号控制方案在此交通场景下的控制性能得分，以作为交通场景-方案得分记录在交通知识库A16中。
交通信息存储与处理层A2中的交通信息评估与处理模块A17中关于交通方案评分步骤是对交通信号控制方案在有一定时间跨度的交通场景(包含仿真与现实)中的控制效果进行评分，交通场景结束时依据这一时间段路口涉及的各个道路的交通状态数据来计算，并同时记录相应地交通场景数据，来构建所述交通信号控制方案的方案-场景得分知识，其中所述交通状态参数包括路口交通控制性能指标。若一个交通场景时间跨度未结束， 就发生交通信号控制方案切换，则替换掉的交通信号控制方案评分所涉及的交通场景时间跨度以切换时刻为结束时间。
交通信号控制方案的交通场景-方案得分的具体评分公式如下所示
权利要求
1.一种基于混合推荐的交通信号控制方案实时选取方法，该方法包括离线知识获取层模块构建标准路口模型和标准交通场景，并获得标准交通场景下各个适合交通信号控制方案的交通状态参数，并将所述交通状态参数与对应的标准交通场景数据发送给交通信息存储与处理层模块；交通信息存储与处理层模块根据从离线知识获取层模块所得到的所述交通状态参数和标准交通场景数据计算各个交通信号控制方案的交通场景-方案得分，还根据从现场执行层模块获得的现实路口交通信息来继续填充和修正交通场景-方案得分记录，同时判断现实路口的交通信号控制方案是否需要切换，需要切换时发送新的交通信号控制方案至现场执行层模块；现场执行层模块获取现实路口交通信息，并将所获取的现实路口交通信息发送至交通信息存储与处理层模块；在接收到交通信息存储与处理层模块发送的更新交通信号控制方案消息时，将现有信号控制方案切换成新的交通信号控制方案，并根据物理通信协议对路口控制信号进行灯控信号编码，执行所述新的交通信号控制方案。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于离线知识获取层模块还根据输入的路口特征数据，通过ID3决策树生成算法生成交通路口大类决策树；交通信息存储与处理层模块根据所述交通信号控制方案适用的路口类型和交通场景数据，通过ID3决策树生成算法生成交通信号控制方案大类决策树；其中，所述交通信号控制方案大类决策树用于对交通信号控制方案进行归类，所述交通路口大类决策树用于对交通路网中所有被控路口进行归类。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于离线知识获取层模块根据交通路口大类决策树中的路口大类构建标准路口模型，还通过标准交通场景数据根据交通信号控制方案大类决策树获得所述标准交通场景下各个适合的交通信号控制方案，然后基于标准路口模型构建出标准交通场景并对相应的交通信号控制方案实施仿真工作，并将获得的交通状态参数与对应的标准交通场景数据发送给交通信息存储与处理层模块。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述交通信息存储与处理层模块通过下式计算交通信号控制方案的交通场景-方案得分
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述交通信息存储与处理层模块在交通知识库中记录所述离线知识获取层模块和现场执行层模块提供的标准交通场景数据和现实交通场景数据；且所述交通信息存储与处理层模块判断现实路口的交通信号控制方案是否需要切换具体包括步骤1、根据从现场执行层模块获取的目标路口的交通信息判断目标路口的信号控制方案的性能波动幅度是否超过一定阈值，若超过则执行步骤2 ；步骤2、根据所述目标路口当前的交通场景数据从所述交通信号控制方案大类决策树得到适合所述交通场景数据的交通信号控制方案大类；步骤3、判断所述交通信号控制方案大类中涉及的交通信号控制方案是否唯一，若唯一则直接将该交通信号控制方案作为推荐交通信号控制方案，并执行步骤7 ;若不唯一，则执行步骤4，以启动协同过滤推荐流程；步骤4、将所述目标路口当前的交通场景数据与交通知识库中存储的交通场景数据进行匹配，并获得相似场景；步骤5、找出所述相似场景对应的所有交通信号控制方案中交通场景-方案得分最高的交通信号控制方案；步骤6、判断所述得分最高的交通信号控制方案的得分是否超过阈值，若超过，则将该得分最高的交通信号控制方案作为推荐交通信号控制方案，并执行步骤7 ；步骤7、将所述推荐交通信号控制方案与目标路口上现执行的交通信号控制方案进行比较，若不一致，则发送更新交通信号控制方案的消息至交通信息存储与处理层模块；若一致，则不需切换信号控制方案。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于所述步骤6中当判断所述得分最高的交通信号控制方案的得分未超过阈值时，执行以下步骤步骤61 :判断所述相似场景的邻域范围大小是否可增加，若可增加，则执行步骤62，若不可增加，则将所述得分最高的交通信号控制方案作为推荐交通信号控制方案，并执行步骤7 ;步骤62:在交通知识库中，根据所增加的邻域范围中的交通场景下不同交通信号控制方案的交通场景-方案得分，搜索与所述相似场景相似度最高的新交通场景；步骤63 :获取与所述新交通场景对应的各个交通信号控制方案在所述相似场景下的交通场景-方案得分，并找出最高得分方案，然后执行步骤6。
7.如权利要求5所述的方法，其特征在于所述步骤I中所述目标路口的交通信号控制方案的性能波动幅度计算过程如下步骤11、在第t个路口交通评估时间点由路口检测设备获取目标路口在当前交通场景下交通信号控制方案i的η个路口交通控制性能指标参数，记为P1: ,&,···, Pi ;步骤12 :依据如下公式进行性能指标参数归一化处理
8.如权利要求5所述的方法，其特征在于所述步骤4中获取相似场景时，利用皮尔森相关性计算获得所述目标路口的当前交通场景与交通知识库中存储的交通场景的相关度， 进而确定所述相似场景，其中所述交通知识库中存储的交通场景包括标准交通场景和现实交通场景。
9.如权利要求6所述的方法，其特征在于所述步骤62中基于谷本系数相似度度量方法搜索与相似场景相似度最高的新交通场景。
10.一种基于混合推荐的交通信号控制方案实时选取装置，其包括离线知识获取层模块，其包括交通仿真场景构建模块、场景仿真模块和仿真路口交通信息获取模块，其中交通仿真场景构建模块构建标准路口模型和标准交通场景，场景仿真模块仿真不同标准交通场景下适合的各个交通信号控制方案，仿真路口交通信息获取模块获取仿真过程中的交通状态参数，并将所述交通状态参数与相应的标准交通场景数据发送给交通信息存储与处理层模块；交通信息存储与处理层模块，其包括交通信息评估与处理模块和交通信号控制方案管理模块；其中所述交通信息评估与处理模块根据从离线知识获取层模块所得到的所述交通状态参数和标准交通场景数据计算各个交通信号控制方案的交通场景-方案得分，所述交通信息评估与处理模块还根据从现场执行层模块获得的现实路口交通信息来继续填充和修正交通场景-方案得分记录，同时判断现实路口的交通信号控制方案是否需要切换， 如果需要切换，则交通信号控制方案管理模块发送新的交通信号控制方案至现场执行层模块；现场执行层模块，其包括现实路口交通信息获取模块、信号控制执行模块和信号控制方案切换模块；其中所述现实路口交通信息获取模块获取现实路口交通信息，并将所获取的现实路口交通信息发送至交通信息存储与处理层模块；所述信号控制方案切换模块在接收到交通信息存储与处理层模块发送的更新交通信号控制方案消息时，将现有交通信号控制方案切换成新的交通信号控制方案；所述信号控制执行模块根据物理通信协议对路口控制信号进行灯控信号编码，执行所更新的交通信号控制方案。
全文摘要
本发明公开了一种基于混合推荐的交通信号控制方案实时选取方法，本方法包括以下步骤对路口特性及交通信号控制方案特征处理获得路口大类和方案大类，对每一路口大类在并行仿真平台上搭建标准交通场景对控制方案测试从而获得其仿真平台下的性能，作为系统启动知识。当实际路口控制性能不能满足要求时，此方法通过混合推荐技术，包含基于内容推荐与协同过滤推荐找出适合路口的控制方案，发送至实际路口改善路口交通控制效果。同时通过对实际路口交通信息的记录与处理进一步完善系统知识库，提高推荐算法的准确性。本发明能动态应对城市交通路网上短时交通状态波动变化，突发事件情况，因此特别适合用于城市交通控制系统中。
文档编号G08G1/07GK103050016SQ20121056841
公开日2013年4月17日 申请日期2012年12月24日 优先权日2012年12月24日
发明者陈诚, 王飞跃, 陈松航, 李镇江 申请人:中国科学院自动化研究所, 东莞中国科学院云计算产业技术创新与育成中心