行人与机动车实时感知的均衡协调控制系统与方法与流程

本发明涉及智能交通的道路交通信号控制领域，尤其涉及城市道路网中多个交叉口行人与机动车交通信号的均衡协调控制系统，本发明还涉及一种行人与机动车实时感知的均衡协调控制方法。

背景技术：

近年来，随着我国经济的不断增长，机动车保有量不断增加，城市人口数量也不断上涨，城市交通运行压力越来越大，道路上的交通拥堵、车祸在各大城市频繁发生，给我们的生活带来了诸多不便。

随着智慧城市建设的不断推进，智能交通建设的需求不断扩展，尤其是多个交叉口的交通信号联动协调控制、行人与机动车的均衡控制等得到了广泛的关注。

现有技术中，交通信号控制范围大部分是单个交叉口，并且是以机动车作为主要的控制对象，行人过街需求及安全往往没能够得到重视与保障，机动车在通过多个交叉口时会出现多次停车、等待红灯时间过长等现象。

现有技术中，交通信号控制缺乏实时交通数据的支持，多数仍然以历史经验来设计信号的配时，不能够及时反映道路的实际情况，造成交叉口信号配时不合理，部分方向绿灯损失严重，且无法适应交通流的动态变化过程。

可见，如何同时“照顾”机动车与行人的通行，避免交叉口绿灯时间的损失、提高机动车的通行效率、确保行人的过街安全是当前亟待解决的问题。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种行人与机动车实时感知的道路交通信号均衡协调控制系统，实现主干道绿波协调与行人过街均衡控制，改善道路交通运行环境，提高机动车通行效率及行人过街的安全。

本发明所要解决的另一个技术问题在于提供了一种采用前述系统进行人与机动车实时感知的道路交通信号均衡协调控制的方法。

本发明所要解决的技术问题是通过以下的技术方案来实现的。本发明是一种行人与机动车实时感知的均衡协调控制系统，其特点是，

所述系统由中心交通信号控制系统、若干路口现场设备及传输网络构成，单个路口的现场设备包括路口信号控制机、视频车辆检测器、交通信号灯、行人过街请求按钮和行人过街语音提示柱；

中心交通信号控制系统和若干路口信号控制机之间基于互联网协议地址的宽带总线连接，中心交通信号控制系统同步路口信号控制机的运行参数及行人与机动车的实时请求数据，进行计算、分析与综合处理，同时发送相关控制指令给路口信号控制机，包括时间同步命令、运行参数；

单个路口各方向的视频车辆检测器、行人过街请求按钮与路口信号控制机连接，将实时检测的车辆信息及行人请求信息通过路口信号控制机发送至中心交通信号控制系统；

单个路口各方向的交通信号灯、行人过街语音提示柱与路口信号控制机连接，接收路口信号控制机发送的控制指令，输出相应的信号灯色及语音信息，指示、提醒机动车与行人的安全通行。

本发明所要解决的技术问题还可以通过以下的技术方案来进一步实现。本发明是一种行人与机动车信息实现道路协调控制方法，其特点是，该方法使用以上技术方案所述的行人与机动车实时感知的均衡协调控制系统，且该方法步骤包括：

（1）依据路网结构，按关联性将多个交叉口划分为一个控制子区，对控制子区内的交通信息进行调查分析；

（2）依据调查的交通数据，进行分析，利用网络绿波协调控制方法设计出信号配时方案；

（3）将信号配时方案下发至各路口信号控制机并运行，观察并分析运行情况，对绿波带宽、绿信比、相位差进行微调优化；

（4）将实时检测的机动车信号和行人过街请求信号通过路口信号控制机传输至中心交通信号控制系统，中心交通信号控制系统分析当前路口的运行状态，判断机动车信号与行人过街请求信号的优先级，在不影响行人过街的情况下延长主干道机动车绿灯时间，在不影响主干道绿波效果的情况下放行行人过街及延长过街时间；

（5）中心交通信号控制系统将多个路口的信号周期、绿信比进行动态调整，以适应动态变化的车流量与行人过街请求。

本发明所述的行人与机动车信息实现道路协调控制方法，其进一步优选的技术方案是：行人过街语音提示柱在人行信号灯为红灯且检测到行人越过斑马线时输出“现在是红灯，请按钮”，在行人按下按钮后输出“按钮已响应，请等待”，在人行信号灯为绿灯时输出“现在是绿灯，请安全通行”。

本发明所述的行人与机动车信息实现道路协调控制方法，其进一步优选的技术方案是：控制子区内的交通信息调查，至少包括路口之间的距离、车辆排队长度、车辆行驶速度、各路口各方向的交通流量、行人过街需求。

本发明所述的行人与机动车信息实现道路协调控制方法，其进一步优选的技术方案是：所述的网络绿波协调控制方法是基于改进的绿波协调控制模型用来优化网络信号周期、相序和相位差，采用一种基于延误最小的q学习算法用来优化绿信比的方法，将绿波协调控制与延误协调控制相结合。

本发明所述的行人与机动车信息实现道路协调控制方法，其进一步优选的技术方案是：机动车绿波协调与行人请求过街的处理逻辑如下：

（1）在行人过街路口两个信号周期的放行时序中，cycle对应的时间区间表示路口信号周期，offset对应的时间区间表示主干道协调相位差，bandwidth对应的时间区间表示协调绿波带宽，表示行人过街请求时刻在周期内的分布点；

（2）首先判定当前时刻放行的是行人相位还是机动车相位，其次计算行人请求时刻在周期内的分布，即：①、②、③对应的位置，用requesttime表示；其中：①是指处于cycle周期开始至offset所对应的时间区间内的某一时刻点；②是指bandwidth对应的时间区间内的某一时刻点；③是指bandwidth结束至cycle结束之间的时间区间内的某一时刻点；

（3）若当前放行的是行人相位，requesttime只可能分布于①和③所在区间，针对时刻①可供延长行人过街时间为offset-requesttime，时刻③可供延长行人过街时间为offset+cycle-requesttime;

（4）若当前放行的是机动车相位，requesttime可能分布与①、②、③所在区间，针对时刻①判断在主干道绿灯下次点亮的时刻与时刻①之间是否足够一次行人过街的时间，如果时间足够则响应行人请求，否则不响应请求，直到主干道绿波带放行结束后再响应行人请求；针对时刻②不响应行人请求，主干道绿波带放行结束后再响应行人请求；针对时刻③判断下个周期主干道绿灯点亮的时刻与时刻③之间是否足够一次行人过街的时间，如果时间足够则响应行人请求，否则不响应行人请求；

（5）同时需要判断机动车相位放行的时间是否已满足其最小的绿灯时间，若未满足最小绿灯时间即使有行人请求也不响应该请求，保证机动车的放行时间与主干道的协调效果；

（6）同时需要判断机动车相位放行的时间是否已满足其最大的绿灯时间，若机动车已运行最大绿灯时间而行人请求按钮仍然没有信号，放行一次行人过街，保证特殊人群没请求或者按钮损坏后也能享有过街时间；

（7）放行行人过街时，若行人一直按按钮，即一直产生行人过街请求信号，需要判断行人过街是否满足最大的绿灯放行时间，达到最大的绿灯放行时间，即时仍然有行人过街请求信号，也不在放行行人过街。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

1、本发明可以实现城市道路网多个交叉口行人与机动车交通信号的均衡协调控制，能提高机动车通行效率及行人过街的安全，进一步改善道路交通运行环境。

2、本发明方法将绿波协调控制、延误协调控制、行人过街请求控制较好地相结合，实现了机动车与行人的均衡协调控制，能够明显地改善交通参与者的出行体验。

3、本发明根据实时感知的机动车与行人信号，综合考虑“主路协调”、“支路通行”、“行人过街”各方需求，动态地调整各方向的放行时间，实现自适应感应绿波均衡协调控制，减少车辆停车次数、支路绿灯损失时间及行人过街等待时间，提高路段整体通行效率，改善不同交通参与者出行体验。

附图说明

图1为本发明行人与机动车实时感知的均衡协调控制系统的一种结构示意框图；

图2为本发明中基于q学习的交通网络绿波协调控制方法流程图；

图3为本发明中多路口绿波协调及行人过街均衡控制距离-时间示意图，其中路口2为行人过街路口，requesttime对应的时间区间为行人可过街时间；

图4为本发明的一种行人过街路口信号时序示意图。

具体实施方式

以下进一步说明本申请描述的系统的实施方式，以便于本领域的技术人员进一步理解本发明，而不构成对其权利的限制。

实施例1，参照图1，一种行人与机动车实时感知的均衡协调控制系统，

所述系统由中心交通信号控制系统、若干路口现场设备及传输网络构成，单个路口的现场设备包括路口信号控制机、视频车辆检测器、交通信号灯、行人过街请求按钮和行人过街语音提示柱；

中心交通信号控制系统和若干路口信号控制机之间基于互联网协议地址的宽带总线连接，中心交通信号控制系统同步路口信号控制机的运行参数及行人与机动车的实时请求数据，进行计算、分析与综合处理，同时发送相关控制指令给路口信号控制机，包括时间同步命令、运行参数；

单个路口各方向的视频车辆检测器、行人过街请求按钮与路口信号控制机连接，将实时检测的车辆信息及行人请求信息通过路口信号控制机发送至中心交通信号控制系统；

单个路口各方向的交通信号灯、行人过街语音提示柱与路口信号控制机连接，接收路口信号控制机发送的控制指令，输出相应的信号灯色及语音信息，指示、提醒机动车与行人的安全通行。

实施例2，一种行人与机动车信息实现道路协调控制方法，该方法使用实施例1所述的行人与机动车实时感知的均衡协调控制系统，且该方法步骤包括：

（1）依据路网结构，按关联性将多个交叉口划分为一个控制子区，对控制子区内的交通信息进行调查分析；

（2）依据调查的交通数据，进行分析，利用网络绿波协调控制方法设计出信号配时方案；

（3）将信号配时方案下发至各路口信号控制机并运行，观察并分析运行情况，对绿波带宽、绿信比、相位差进行微调优化；

（4）将实时检测的机动车信号和行人过街请求信号通过路口信号控制机传输至中心交通信号控制系统，中心交通信号控制系统分析当前路口的运行状态，判断机动车信号与行人过街请求信号的优先级，在不影响行人过街的情况下延长主干道机动车绿灯时间，在不影响主干道绿波效果的情况下放行行人过街及延长过街时间；

（5）中心交通信号控制系统将多个路口的信号周期、绿信比进行动态调整，以适应动态变化的车流量与行人过街请求。

行人过街语音提示柱在人行信号灯为红灯且检测到行人越过斑马线时输出“现在是红灯，请按钮”，在行人按下按钮后输出“按钮已响应，请等待”，在人行信号灯为绿灯时输出“现在是绿灯，请安全通行”。

4.根据权利要求2所述的行人与机动车信息实现道路协调控制方法，其特征在于：控制子区内的交通信息调查，至少包括路口之间的距离、车辆排队长度、车辆行驶速度、各路口各方向的交通流量、行人过街需求。

参照图2，所述的网络绿波协调控制方法是基于改进的绿波协调控制模型用来优化网络信号周期、相序和相位差，采用一种基于延误最小的q学习算法用来优化绿信比的方法，将绿波协调控制与延误协调控制相结合。

参照图3和4，机动车绿波协调与行人请求过街的处理逻辑如下：

（1）在行人过街路口两个信号周期的放行时序中，cycle对应的时间区间表示路口信号周期，offset对应的时间区间表示主干道协调相位差，bandwidth对应的时间区间表示协调绿波带宽，表示行人过街请求时刻在周期内的分布点；

（2）首先判定当前时刻放行的是行人相位还是机动车相位，其次计算行人请求时刻在周期内的分布，即：①、②、③对应的位置，用requesttime表示；其中：①是指处于cycle周期开始至offset所对应的时间区间内的某一时刻点；②是指bandwidth对应的时间区间内的某一时刻点；③是指bandwidth结束至cycle结束之间的时间区间内的某一时刻点；

（3）若当前放行的是行人相位，requesttime只可能分布于①和③所在区间，针对时刻①可供延长行人过街时间为offset-requesttime，时刻③可供延长行人过街时间为offset+cycle-requesttime;

（4）若当前放行的是机动车相位，requesttime可能分布与①、②、③所在区间，针对时刻①判断在主干道绿灯下次点亮的时刻与时刻①之间是否足够一次行人过街的时间，如果时间足够则响应行人请求，否则不响应请求，直到主干道绿波带放行结束后再响应行人请求；针对时刻②不响应行人请求，主干道绿波带放行结束后再响应行人请求；针对时刻③判断下个周期主干道绿灯点亮的时刻与时刻③之间是否足够一次行人过街的时间，如果时间足够则响应行人请求，否则不响应行人请求；

（5）同时需要判断机动车相位放行的时间是否已满足其最小的绿灯时间，若未满足最小绿灯时间即使有行人请求也不响应该请求，保证机动车的放行时间与主干道的协调效果；

（6）同时需要判断机动车相位放行的时间是否已满足其最大的绿灯时间，若机动车已运行最大绿灯时间而行人请求按钮仍然没有信号，放行一次行人过街，保证特殊人群没请求或者按钮损坏后也能享有过街时间；

（7）放行行人过街时，若行人一直按按钮，即一直产生行人过街请求信号，需要判断行人过街是否满足最大的绿灯放行时间，达到最大的绿灯放行时间，即时仍然有行人过街请求信号，也不在放行行人过街。

实施例3，行人与机动车信息实现道路协调控制系统与控制方法实验：

选取连云港市连云区中山路平山路至海滨大道这一路段作为试验路段。研究路段总长3140米，共12个交叉口，平均间距285米，其中包括6个行人过街路口。

参照附图1，系统主要由中心交通信号控制系统、若干路口现场设备及传输网络构成，单个路口的现场设备包括路口信号控制机、视频车辆检测器、交通信号灯、行人过街请求按钮、行人过街语音提示柱。

本申请实施例中心交通信号控制系统与路口信号控制机之间采用光纤网络连接，中心交通信号控制系统同步路口信号控制机的运行参数，包括相位参数、放行相序、绿信比、周期等，进行计算、分析与综合处理，同时发送相关控制指令给路口信号控制机，包括时间同步命令、运行参数。

现场交叉口各方向的车辆检测器选取视频检测器，采用网络连接至信号控制机，行人过街请求按钮采用i/o形式连接至信号控制机，将实时检测的车辆信息及行人请求信息通过信号机发送至中心交通信号控制系统。

现场交叉口各方向的交通信号灯、过街语音提示柱与信号控制机连接，接收信号控制机发送的控制指令，输出相应的信号灯色及语音信息，指示、提醒机动车与行人安全通行。

选取2017年9月6日早高峰7:00～9:00为研究时段，对路段中各交叉口的车流量、排队长度、路段行驶速度、行程时间、停车次数、行人过街需求进行调查，提取结果为西向东行程时间489秒，平均速度26km/h，停车次数4.2次。

依据调查的交通数据，进行分析，利用网络绿波协调控制方法设计出合理的信号配时方案，中心交通信号控制系统将设计合理的路口配时参数下发至各信号控制机，并依据实际运行的情况进行微调优化。

网络绿波协调控制方法提出了一种改进的绿波协调控制模型用来优化网络信号周期、相序和相位差，采用了一种基于延误最小的q学习算法用来优化绿信比，将绿波协调控制与延误协调控制两种策略较好地相结合。基于q学习的交通网络绿波协调控制方法流程可参见附图2.

选取4个路口依据上述网络绿波协调控制方法设计出的绿波效果示意图如图3所示，其中路口2为行人过街路口。

针对单个路口，中心交通信号控制系统依据信号控制机传输的实时检测的车辆数据及行人过街请求数据，分析机动车与行人的需求及优先级，综合计算后对相应的请求信号进行处理并下发至信号机，信号机接收中心信号系统下发的控制指令后执行放行相应相位的动作。

参照附图4，选取一行人过街路口进一步对机动车绿波协调与行人请求过街的处理逻辑进行说明，图4为行人过街路口两个信号周期的放行时序示意图，其中cycle对应的时间区间表示路口信号周期，offset对应的时间区间表示主干道协调相位差，bandwidth对应的时间区间表示协调绿波带宽，表示行人过街请求时刻在周期内的分布点。

行人过街路口信号周期cycle为150s，相位差offset为65s，带宽为42s。机动车相位最小绿灯时间为35s，最大绿灯时间为180s，行人相位最小绿灯时间为25s，最大绿灯时间为40s。

（1）实际控制中首先判定当前放行的相位是行人相位还是机动车相位，其次计算行人请求时刻在周期内的分布，即：requesttime=currenttime%cycle;

（2）若当前放行的是行人相位，requesttime只可能分布与①和③所在区间，针对时刻①，例如为10s，则可供延长行人过街时间只有8s，针对时刻③，例如为118s，则可供延长行人过街时间为150+65-118=97s，如果此时行人已经放行绿灯时间为20s，则实际可供延长行人过街的时间为40-20=20s;

（3）若当前放行的是机动车相位，requesttime可能分布与①、②、③所在区间，针对时刻①，例如为28s，主干道绿灯下次点亮的时刻为带宽起始时刻65s与时刻28s之间的时间差为65-28=37s，大于行人最小的过街时间25s，足够一次过街时间，则立即响应该行人请求信号；针对时刻②不响应行人请求，主干道绿波带放行结束后再响应行人请求；针对时刻③判断下个周期主干道绿灯点亮的时刻与时刻③之间是否足够一次行人过街的时间，如果时间足够则响应行人请求，否则不响应行人请求，不在举例说明；

（4）实际控制中会在行人请求时刻判断机动车相位放行的时间是否已满足其最小的绿灯时间，若未满足最小绿灯时间即使有行人请求也不响应该请求，保证机动车的放行时间与主干道的协调效果；

（5）实际控制中会在行人请求时刻判断机动车相位放行的时间是否已满足其最大的绿灯时间，若机动车已运行最大绿灯时间而行人请求按钮仍然没有信号，放行一次行人过街，保证特殊人群没请求或者按钮损坏后也能享有过街时间；

（6）放行行人过街时，如果行人一直按按钮，即一直产生行人过街请求信号，需要判断行人过街是否满足最大的绿灯放行时间，达到最大的绿灯放行时间，即时仍然有行人过街请求信号，也不在放行行人过街。

对实施例中路段前后的行驶情况、行人过街情况对比分析如表1和2：

表1路段行驶情况

表2行人过街等待时间

以上的对比分析可见，利用绿波控制算法实现主干道的绿波协调控制，通过上述控制逻辑处理实时感知的请求信号，能够明显地减少路段行程时间及停车次数，提高路段的平均行驶速度，同时能够有效保证行人的过街时间，较好地实现了自适应感应绿波均衡协调控制，从多个角度对交通信号进行了优化。这说明本申请实现的系统能够满足特定道路的信号控制要求，进一步改善交通参与者的出行体验，具有很高的应用价值。