一种交叉路口车流建模及自适应控制方法及系统的制作方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明属于城市道路交通管理领域，尤其涉及一种交叉路口车流建模及自适应控 制方法及系统。
【背景技术】
[0002] 城市道路交通的瓶颈是大量存在的平面交叉路口，因为在交叉路口处各方向车流 的行驶轨迹存在很多空间冲突点。消除交叉路口车流轨迹空间冲突点的措施就是采用目前 已广泛使用的交通信号灯控制方法，将车流在时间和空间上进行分离，以时间换空间，使各 方向车流分时使用路口，从而达到安全通行的目的。从自动控制的角度来看，交通信号控制 有开环控制和闭环控制两种方式。
[0003] 交通信号开环控制就是目前广泛使用的定时控制方式。定时控制方式虽然简单易 行，但其信号配时方案一经确定就不再改变，对车流的动态变化毫无适应性，容易造成绿时 浪费，控制效果不理想。
[0004] 而闭环控制方式是通过埋设在交叉路口各进口车道上的车辆检测传感器所实时 检测到的车流数据，利用先进的智能交通信号控制算法计算出该交叉路口下一信号周期的 红绿灯配时方案，从而对交叉路口实施信号控制。只要车流检测传感器工作可靠，信号控制 算法合理可行，交通信号的闭环控制可以做到各方向车流的绿时既合理又不浪费，从而达 到最大限度地发挥交叉路口通行能力、减少停车等待时间和使车流顺畅的目的，其控制效 果远好于定时控制的效果。
[0005] 但是，现有闭环控制方式缺乏车流模型、车辆通过交叉路口的平均延误无法实时 测量、控制方案适应性不强、控制效果较差。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于提供一种交叉路口车流建模及自适应控制方法及系统，旨在解 决传统的交通信号控制系统中，由于各进口方向车流的平均延误无法实时测量，且车流排 队长度的测量不精确，无法实施基于车流模型的交通信号控制的问题。
[0007] 本发明是这样实现的，一种交叉路口车流建模及自适应控制方法，包括以下步 骤：
[0008] S1、在一个信号周期内，感知各入口和出口方向处车辆的驶入和驶出事实，驶入 和驶出时间，各入口方向驶入车辆数，以及该入口对应的直行和左转出口方向的驶出车辆 数；
[0009] S2、根据所述驶入和驶出事实和时间，计算车辆经过交叉路口的入口和出口时车 辆延误时间的平均值，将该平均值确定为该方向车流的平均延误；根据所述驶入车辆数和 驶出车辆数计算车辆排队长度；
[0010] S3、以每个入口方向车流的平均延误时间为离散状态变量，相应方向的绿灯时间 为控制变量，各方向的排队长度为输出变量，建立交叉路口的车流数学模型；
[0011] S4、对上述车流数学模型采用自适应控制方法进行实时控制。
[0012] 优选地，在步骤S1中，通过在车辆上安装有源射频识别标签，在交叉路口的入口 和出口处安装射频阅读器，通过射频阅读器读取有源射频识别标签，感知车辆的驶入驶出 事实和驶入驶出时间。
[0013] 优选地，在步骤S2中，所述车辆排队长度的计算公式为：各入口方向的车辆排队 长度=该入口方向原有排队长度+该入口方向驶入车辆数该入口方向驶出车辆数；其中， 车辆数单位为标准小客车PCU，当识别到的车辆不是标准小客车时，按车型标准乘以相应的 系数。
[0014] 优选地，在步骤S3中，所述车流数学模型用离散状态方程定义为：
[0016] 其中，X(k)为当前时刻的车流平均延误时间向量，X(k+1)为下个时刻的车流平均 延误时间向量，u(k)为绿灯时间向量，y(k)为排队长度向量，v(k)和w(k)为随机干扰向 量，A、B、C、D为系数矩阵。
[0017] 优选地，在步骤S4中，所述自适应控制方法包括自校正控制、广义预测控制、模型 参考自适应控制、自校正PID控制。
[0018] 本发明进一步提供了一种交叉路口车流自适应控制系统，所述系统包括：
[0019] 感应模块，用于在一个信号周期内，感知各入口和出口方向处车辆的驶入和驶出 事实，驶入和驶出时间，各入口方向驶入车辆数，以及该入口对应的直行和左转出口方向的 驶出车辆数；
[0020] 计算模块，用于根据所述驶入和驶出事实和时间，计算车辆经过交叉路口的入口 和出口时车辆延误时间的平均值，将该平均值确定为该方向车流的平均延误；以及用于根 据所述驶入车辆数和驶出车辆数计算车辆排队长度；
[0021] 建模模块，用于以每个入口方向车流的平均延误时间为离散状态变量，相应方向 的绿灯时间为控制变量，各方向的排队长度为输出变量，建立交叉路口的车流数学模型；
[0022] 实时控制模块，用于对上述车流数学模型采用自适应控制方法进行实时控制。
[0023] 优选地，在所述感应模块中，通过在车辆上安装有源射频识别标签，在交叉路口的 入口和出口处安装射频阅读器，通过射频阅读器读取有源射频识别标签，感知车辆的驶入 驶出事实和驶入驶出时间。
[0024] 优选地，在所述计算模块中，所述车辆排队长度的计算公式为：各入口方向的车辆 排队长度=该入口方向原有排队长度+该入口方向驶入车辆数该入口方向驶出车辆数；其 中，车辆数单位为标准小客车PCU，当识别到的车辆不是标准小客车时，按车型标准乘以相 应的系数。
[0025] 优选地，在所述建模模块中，所述车流数学模型用离散状态方程定义为：
[0027] 其中，X(k)为当前时刻的车流平均延误时间向量，X(k+1)为下个时刻的车流平均 延误时间向量，u(k)为绿灯时间向量，y(k)为排队长度向量，v(k)和w(k)为随机干扰向 量，A、B、C、D为系数矩阵。
[0028] 优选地，在所述实时控制模块中，所述自适应控制方法包括自校正控制、广义预测 控制、模型参考自适应控制、自校正PID控制。
[0029] 本发明克服了现有技术的不足，提供了一种交叉路口车流建模及自适应控制方法 及系统，由车流检测物联网布局、车辆平均延误测量计算方法、车辆排队长度测量计算方 法、车流状态方程模型的建立、交通信号的自适应控制等环节构成，本发明在构建交叉路口 车流数据采集的物联网系统基础上，建立了统一的车流状态方程，并利用云计算技术和自 适应控制技术，对交叉路口的信号进行实时计算和控制，以实现车辆的平均延误最小化。该 模型结构对任意十字交叉路口均适用，具有很强的适应性。
[0030] 相比于现有技术的缺点和不足，本发明具有以下有益效果：
[0031] (1)车流检测是非接触式的，寿命长且易于维护
[0032] 传统的车流检测是用埋于路面下的环形线圈来实现的，容易受车流碾压变形而失 效，维护或更换的工程量较大，工程施工时对交通的影响很大。而基于物联网的车辆检测方 式是非接触式的，使用寿命长，且有源射频识别标签（tag)是安装在车辆上的，射频阅读器 (reader)则安装在路边，所以维护和施工很方便，对交通没有任何影响。
[0033] (2)可实现车辆延误的精确测量
[0034] 由于传统的环形线圈检测方法不能检测出同一辆车的驶入和驶出路口时刻，所以 无法计算出车辆通过路口的延误时间，在控制模型算法中无法使用这一参数。而基于物联 网的车辆检测方式可以很方便地检测出每辆车的延误时间和每个入口方向的车辆平均延 误时间，可以据此建立交叉路口的车流模型并进行求解。
[0035] (3)可实现车辆排队长度的精确测量
[0036] 环形线圈脉冲式的工作方式不能识别车辆的类型，只能判断出有无车辆通过， 大车和小车均认为是一辆车，由此计算出的车辆排队长度的精度较差。而射频阅读器 (reader)能读取车辆的车型信息，所以可精确计算出车辆排队长度，甚至还可以检测出车 辆的去向。
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