一种基于数据驱动的单交叉口动态交通信号控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于智能交通控制与管理技术领域，设及一种基于数据驱动的单交叉口动 态交通信号控制方法。
【背景技术】
[0002] 城市交叉口是城市道路交通管理与控制的主要对象，合理利用现有道路交通设 施，通过交叉口交通信号的优化控制，可使交叉口交通冲突车流时空分离，提升交叉口的通 行效率，成为了解决交通问题的有效途径。然而，道路交通系统是一个复杂的非线性时变系 统，传统的信号控制方法使用简化后的系统进行数学建模，往往很难实现对交叉口的最优 控制。随着道路交通数据采集技术的日趋成熟，在微观上对于交叉口车辆检测的精度得到 了有效的提升，通过运种高精度数据可W准确记录每一辆车踏上检测器和离开检测器的时 间，得到每一辆车的占有率数据，从而实现对车辆旅行时间、停驶次数、排队长度等多个交 通参数的估算，使通过数据驱动的方式进行交叉口信号优化控制成为可能。
[0003] 目前，传统的交叉口信号控制方法一般依靠视频、微波、线圈和地磁等采集方式获 取流量等较为单一的交通流数据，W控制周期较小的过程为控制对象，对控制系统进行简 化建模，分析模型并制定相应的信号控制策略，并重点根据排队长度的实时变化来调整交 叉口信号配时。方法所获数据精度不高，模型过于理想化，缺乏应用的普适性，控制效果并 不理想。特别是，由于交叉口状态的时变性和多样性，传统控制方法还存在建模复杂和修改 困难的问题。因此，通过高精度数据的获取，W较少的先验知识，运用数据驱动控制算法建 立自适应的交叉口信号灯控制方法，避免对复杂交通系统的建模，通过迭代学习方法实现 对交叉口信号灯的动态交通控制，具有十分重要的意义。
[0004] 现有的一些专利中，已有一些对交叉口进行动态交通信号控制的方法。申请号为： 201410432540. 7,专利《拥堵交叉路口信号配时方法及交通信号灯控制系统》中提出了一种 拥堵交叉路口的信号配时方法及地感和监控系统，该方法通过摄像监控系统反馈交叉口车 辆运行状态信息，从而计算交通流量等数据实现对交叉口信号灯的控制，获取的数据精度 不高，信号配时方案不够精确；申请号为：201310167669. 5,专利《一种自适应的交叉口信 号控制方法》中提供了一种自适应的交叉口信号控制方法，该方法也通过安装车辆检测器 获取交通流数据，但并没有运用非模型化的数据驱动算法，只是根据排队长度的不同比例 动态调整下一周期的信号配时方案，计算较为复杂，也不能很好地适应交通流多变的复杂 情况；申请号为：201310049862. 9,专利《一种动态自适应交通信号控制装置及方法》中提 出了利用包含多个视频检测器的交通信号控制装置对交通信号进行动态自适应控制的方 法，实时图像处理的计算量非常大，价格昂贵，所获数据精度不高，且控制方法也未考虑到 且视频检测易受天气影响等弊端，系统的可靠性较差。
【发明内容】
[0005] 为了解决上述问题，本发明针对交通系统的时变性和多样性特点，提出一种基于 高精度数据的单交叉口动态交通信号控制方法，无需对交通系统进行复杂建模，通过数据 驱动控制方法，实现对交叉口信号配时的动态优化。
[0006] 一种基于数据驱动的单交叉口动态交通信号控制方法，包括W下几个步骤：
[0007] 步骤1 :高精度数据的采集；
[0008] 步骤2 :信号控制器控制执行；
[0009] 步骤3 :交叉口性能指标评价；
[0010] 步骤4 :信号配时迭代优化。
[0011] 本发明的优点在于：
[0012] (1)本发明基于传感器检测到的高精度数据，该数据可W准确记录车辆踏上和离 开检测器的准确时间，从而可W推算绿灯时长W及检测器空闲时间，使得动态交通信号控 制的效能得到更大的发挥，保证了交叉口内部区域始终可被利用，一定程度上为城市路网 的通达性提供了保障。
[0013] (2)本发明可将各相位车辆的通行状态信息反馈到交叉口信号控制系统，一定程 度上避免了交叉口内部排队导致的"死锁"，保证了交叉口内部空间的车辆利用率，使得高 峰时段负荷较高的交叉口拥堵发生的可能性降低，或大面积区域拥堵蔓延速度变缓。
[0014] (3)本发明提出一种模糊自适应PD迭代学习控制算法，将其用于单交叉口动态交 通信号控制。利用模糊逻辑确定PD学习律的隶属度参数，该模糊规则考虑到驾驶员的适应 性，避免了绿灯时间的小范围波动。算法通过每次迭代绿灯时间的少量变化，使信号控制能 够适应交通流需求的变化，W达到精确控制和快速收敛的目的。
【附图说明】
[0015] 图1为本发明中交叉口检测器布设图；
[0016] 图2为本发明交叉口相位分布图；
[0017] 图3为本发明中性能评价指标y(k，i)的隶属度函数图；
[001引图4为本发明中Ay化，i)的隶属度函数图；
[0019] 图5为本发明中交叉口模糊PD迭代学习控制系统图；
[0020] 图6为本发明中单交叉口动态交通信号控制流程图；
【具体实施方式】
[0021] 下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步阐述。
[0022] 本发明的一种基于数据驱动的单交叉口动态交通信号控制方法是通过下述步骤 实现的，主要包括高精度数据采集、信号控制器控制执行、交叉口性能指标评价、信号配时 迭代优化，具体的如下所示：
[002引步骤1 :高精度数据的采集；
[0024] 1)确定单交叉口的相位数W及相位分布；
[002引2)高精度数据的采集是基于美国明尼苏达大学的SMART-SIGNAL系统，该系统 集成了数据收集，数据存储和数据分析，可W不断收集并存储高分辨率的交通状态数据 及车辆状态数据，由此可W识别交通状态改变的关键转折点，包括每一个车辆检测驱动 和每一个信号相位的变化。每条数据都包括时间戳、当前信号状态或车辆检测驱动状态 和当前状态的持续时间等标识。获取的有效数据如"08:09:15. 481，D8off, 0.468s"和 "08:09:16. 761，G3off, 29. 389s"，其中，第一个字段代表某个车辆驱动事件发生或信号状 态变化的时刻；第二个字段代表当前检测器检测到的车辆或信号状态，如"D8off"表示车 辆离开检测器#8，"G3off"表示相位#3的绿灯时间结束；第Ξ个字段表示车辆占用检测器 的时间或信号相位的持续时间。
[0026] 高精度数据的采集依靠车道上安装的检测器，检测器的布设规则如下：检测器成 组安装，每个相位至少一组检测器，每组包含两个检测器，每个检测器编号为i，P，q，依次代 表相位号i，组号P，检测器号q(其中，q= 1或2)。此外，每个检测器都有一个权重系数， 代表其测量值在本组所占的权重。一般取为0. 5,可根据实际情况进行调整，每组检测器的 权重系数和满足
Y若某一相位包含多条车道，则选取车流量最大的一条安装一 组检测器。若某一相位包含多个方向的车流，则需对每个方向均安装一组检测器。
[0027] 检测器的具体安装如图1所示，每组有两个检测器，一个为停车线检测器（q= 1)， 位于停车线下游，一个为路段检测器（q= 2)，安装在路口上游的路段2/^3位置处，一般建议 安装在距离该进口道的停车线120米到150米左右。在路段长度小于120米的情况下，优 先考虑远离该进口道的停车线，避免车辆排队占用检测器导致占有率数据异常。如222为 路段检测器，其权重系数为0. 4,可W估测车辆到达需求；221为停车线检测器，其权重系数 为0. 6,可W估测车辆排队长度。由于路段检测器可能存在被排队车辆占用导致数据异常的 情况，故使得下游停车线检测器权重系数略大于路段检测器。
[0028] 3)按交叉口每天的早高峰时段、午低峰时段、晚高峰时段及一般平峰时段划分各 时段，采集N个信号周期内（每次更新后的交叉口信号配时运行N个信号周期）绿灯时间 内的各个进口道的交通量，换算为小时交通量，将第k次优化后得到的相位i的交通量记为 >-:卢，整个交叉口各进口道的交通量之和为範k，:W采集时间为横轴，民切7 为纵轴绘制曲 线，从而确定各个相位的实时交通状态变化。
[0029] 4)在交叉口各相位各车道上安装的车辆检测器检测到的高精度数据有：第k个优 化周期内，每个停车线车辆检测器采集的第m个信号周期化=2, 3, 4…）第i相位的红灯 启亮时刻I：""，第m个信号周期第i相位的绿灯启亮时刻I；""'％同理，第m-1个信号周期第 i相位的红灯启亮时刻第m-i个信号周期第i相位的绿灯启亮时刻则交叉 口第k次优化后第i相位的绿灯时间为
[0030]
[0031] 某辆车在第k次优化后，每个周期每辆车在相位i的绿灯时间内，踏上P组q号检 测器的时间为t。。(i，P，q)k，离