专利名称：交通信号模糊自适应控制系统及其方法
技术领域：
本发明涉及一种交通信号模糊自适应控制系统及其方法，特别是应用在城市道路单点平面交叉路口的城市交通信号模糊自适应控制系统及其方法。
1.2检测器设在主要道路上主要道路绿灯，当检测器在一段时间内检测不到车辆时，换相位，次要道路通车，主要道路上测得车辆到达时，通车相位返回主要道路。
2.全感应控制所有进口道上都设置检测器的感应控制，适用于相交道路等级相当，交通量相仿且变化较大的交叉口上。
2.1基本全感应控制。这种感应控制的控制机理是当交叉口没有机动车到达时，信号机按最小周期以定周期方式运行。当某一方向来车时，则对来车方向放绿灯，以后就按感应信号的基本机理运行。
2.2特殊感应控制。特殊感应控制，可在一般感应控制上，按特殊需要，增加特殊的感应装置，执行特殊需要的感应控制功能平时仍可按通常的交通需求，执行一般的感应控制，一旦接到特殊感应信息时，立刻执行特殊的控制功能，如公共交通优先感控制、消防、警卫等特种车辆优先感应控制等。
3.优化感应控制感应控制有可随交通需求的变化而改变信号相位与时间的优点，在交通需求随机变化较大的交叉口上，感应控制对交通变化的适应性比定时信号为优越。但按现行感应控制的机理，感应控制的绿灯时间总是不能被充分利用的，特别是绿灯延长时间。因此，又产生了优化感应控制。有一种，叫做MOVA的优化感应控制，其简要原理是在交叉口的每一进口道上设两个检测器，譬如一个在停车线前40m，一个停车线前100m。开始给每个相位配以足够的绿灯时间，把40m检测器到停车线间的车辆先放光，而在两个检测器之间的这一段时间间隙内，用来检测寻找何时产生饱和交通流，最后用一个优化程序，把这一相位延长绿灯时间能得到的交通效益和另一相位车辆因延长红灯所得到的损失加以比较，确定换相时间，从而降低感应控制中的绿灯损失时间。提高交通效益。
但是上述的这些交通信号实时自适应控制有一个共同的缺点都不能带倒计时显示屏。这是因为它们都拘泥于一个限制，那就是“必须在当前放行阶段时间内把到达路口的当前放行车流全部放行完”。限制过于严格，就束缚了控制的手脚。因为路口车辆到达的时间是随机的，为了能让刚刚到达路口的车辆及时通过路口，很有可能要改变当前放行阶段的放行时间，这种时间的改变就直接影响到实时倒计时屏当前所显示的数据的准确性。而实时倒计时显示屏所显示的数据如果不准确，也就失去了实时倒计时显示屏的存在意义。所以，以往的这些交通信号实时自适应控制都不能带倒计时显示屏。
上述的这些交通信号实时自适应控制还有一个缺点，那就是需要在每个需要响应的车道都设置车流量检测器，而车流量检测器的成本是很高的，而且有些种类的检测器也是很容易出现故障的。因此上述的这些交通信号实时自适应控制常常因为某个检测器出现故障而不得不停止使用自适应控制。
本发明的交通信号模糊自适应控制系统及其方法包括车流量检测器、交通信号控制装置、信号显示装置；车流量检测器设置在车道上；交通信号控制装置一端与所述的车流量检测器相连，另一端与所述的信号显示装置相连，所述的交通信号控制装置将一个交通信号周期划分为若干个互不相交的信号阶段；每个信号阶段对应若干个车道；车流量检测器采集在当前放行阶段通过检测器的各单车道车流量的参数f；事先交通调查得出的各种车流在路口停车线通过一辆车平均所用的时间参数t0，并采用下列算法单车道最大车流量fm＝Max{当前阶段的单车道车流量f} 计算出绿灯饱和度参数U；初设绿灯饱和度上限、下限、最大绿灯时间、最小绿灯时间和调整步长；当绿灯饱和度U大于上限时定为绿灯时间过饱和，让下一周期同一阶段放行时间t2比当前阶段放行时间t1有所增加，增加幅度为一个调整步长，但若增加后超过最大绿灯时间，就取最大绿灯时间为下一周期同一阶段放行时间t2；当绿灯饱和度U小于下限时定为绿灯时间欠饱和，让下一周期同一阶段放行时间t2比当前阶段放行时间t1有所减少，减少幅度为一个调整步长，但若减小后低于最小绿灯时间，就取最小绿灯时间为下一周期同一阶段放行时间t2；当绿灯饱和度U小于上限且大于下限时定为适中，在适中时让下一周期同一阶段放行时间t2保持与当前阶段放行时间t1相同不变；计算R＝∑其余各阶段(绿灯信号时间+过渡时间)-∑各阶段绿灯重叠时间，并把该总和R确定为从当前放行阶段绿灯信号结束到下一周期同一阶段绿灯信号放行时刻开始之间对应交通流的红灯信号禁行时间t3；将所述的下一周期同一阶段放行时间t2和所述的红灯信号禁行时间t3提供给信号显示装置。
信号显示装置可以是信号灯与倒计时显示屏的组合，也可以是单独的倒计时显示屏或单独的信号灯。
本发明的这种交通信号模糊自适应控制系统及其方法根据车流量检测器检测到的当前阶段车流量数据和预先通过调查得到的该路口停车线通过一辆车所用的平均时间参数，并采用优化算法程序得到下一周期同一阶段放行时间和禁行时间，因此能使放行各种车流的交通信号的时间长短进行模糊地实时自适应控制，既随交通流量的变大而增加，随交通流量的变小而减少，同时由于下一周期同一阶段放行时间在该信号阶段是不变的，所以还可以在不改变该放行阶段的时间的情况下准确显示交通信号灯距离变换信号还剩余的时间，把信号灯的变换时间及早地公布于众，让大家能及早地调整自己的行动，配合交通指挥，从而可以带来以下好处1.可把因信号灯突变造成的路口机动车急刹车减到最少，从而也减少了由其造成的噪声污染、能量消耗、尾气污染；2.可以提高路口的交通效率a.绿灯时到路口的机动车，当驾驶员不知道信号灯何时变换时，为避免信号灯突变造成的急刹车，往往提前减速，到路口发现信号灯不变再加速。这减速、加速过程，既降低了路口交通效率，又增加了油耗。
b.绿灯时到路口的机动车，当驾驶员知道信号灯何时变换后，不仅可以通过路口的车可以不减速，而且有些加加速可以通过路口的车也通过了。据统计，可以提高通过量达20％，大大减少了红灯时路口排队量。
3.红灯时到路口的机动车，驾驶员可以知道信号灯变换时间后，a.可以减少红灯时排队等候放行的急躁情绪。
b.到红灯快要结束时可以提前发动车辆，充分利用绿灯放行时间，减少绿灯损失。
而且上述优点的效益远远大于前述“优化感应控制”中“把这一相位延长绿灯时间能得到的交通效益和另一相位车辆因延长红灯所得到的损失加以比较，确定换相时间，从而降低感应控制中的绿灯损失时间。提高交通效益”所得的效益。
另外，注意到，前述的那些交通信号实时自适应控制还有一个缺点，那就是需要在每个需要响应的车道都设置车流量检测器，而车流量检测器的成本是很高的，而且有些种类的检测器也是很容易出现故障的。因此前述的那些交通信号实时自适应控制常常因为某个检测器出现故障而不得不停止使用自适应控制。
本发明方案所述的交通信号控制装置还包括检测器故障自诊断功能，即为所述的车流量检测器设置的一个上限值和一个下限值，当车流量检测器采集到的单车道车流量大于上限值或小于下限值时，就自动诊断该车流量检测器出现故障，自动设置故障标志。
本发明方案所述的交通信号控制装置还包括检测器故障自维护功能，即在自动诊断出某检测器故障时自动停止使用该检测器提供的车流量数据。
停止使用某个车流量检测器提供的数据，虽然可能导致单车道最大车流量fm不一定是单车道车流量f中的最大值，但至少不会使自适应控制停止运行。
当然，这种自维护功能的实现也是在一定条件下才能实现的，那就是在同一放行阶段放行的所有交通流的检测器不都出现故障。而都出现故障的概率是极其微小的，因此，只要在每一放行阶段都设置了多个检测器，本发明的交通信号模糊自适应控制系统及其方法的这种自维护功能就确实是可以实现的。
当然，本发明方案在车流量检测器都不容易损坏的情况下；每个信号阶段也可以只设置1个车流量检测器；即把能冗余的车流量检测器都省掉，只保留饱和度可能最大的那个车流量检测器。从而实现最少车流量检测器设置的自适应控制。
图1为平面交叉路口交通信号模糊自适应控制系统及其方法布置图；图2为判断车流量检测器是否失效，失效后停用，以及寻找最大单车道车流量的程序流程图；图3为求取绿灯饱和度及设置其高于上限、低于下限或适中标志的程序流程图；图4为计算确定下一周期同一阶段放行时间t2和从绿灯信号结束到下一周期同一阶段绿灯信号放行时刻开始之间对应交通流的红灯信号禁行时间流程图。
根据事先交通调查，给出各种车流在停车线通过一辆车平均所用的时间参数t0，如2.5s。因为不同车种、车况的车速不同，只能模糊处理为平均值。
在路口交通信号机在各阶段绿灯结束前采集此前一周期内通过检测器的此阶段放行方向各车道车流量f，如在南北直行绿灯结束前采集此前一周期内3、6、9、10车道上到达的车流量f。
在未计算前一般先设定下一周期同一阶段放行时间t2＝当前阶段放行时间t1。
交通信号控制装置2接受到当前阶段结束前一周期内通过检测器的车流量f再根据公式单车道最大车流量fm＝Max{当前阶段结束前一周期内通过检测器的车流量f}来得出最大单车道车流量。其程序流程图请看图2。
再根据公式 得出绿灯饱和度U；交通信号控制装置2还初设的绿灯饱和度的上限，如80％，下限，如50％，和调整步长，如5s，以及规定的最大绿灯时间，如90s，最小绿灯时间，如15s，过渡过程时间，如绿闪2s、黄灯2s、四面红2s、红黄灯2s等。并按照图3和图4所示软件流程图计算在某阶段，如南北直行阶段，放行这些车流量所需时间t2，把其赋予下一周期同一阶段，如南北直行阶段，放行时间。
当绿灯饱和度U大于上限时定为当前阶段放行时间t1过饱和，过饱和时让下一周期同一阶段放行时间，如南北直行阶段放行时间t2比t1有所增加，增加幅度为一个调整步长，如5s；但若增加后超过最大绿灯时间，就取最大绿灯时间为下一周期同一阶段，如南北直行阶段，放行时间t2；当绿灯饱和度U小于下限时定为当前阶段放行时间t1欠饱和，让下一周期同一阶段放行时间t2，如南北直行阶段的放行时间t2比t1有所减少，减少幅度为一个调整步长，如5s；但若减小后低于最小绿灯时间，就取最小绿灯时间为下一周期同一阶段，如南北直行阶段，放行时间t2；当绿灯饱和度U小于上限且大于下限时定为当前阶段放行时间t1适中，在适中时让下一周期同一阶段放行时间t2，如南北直行阶段的放行时间，保持与t1相同不变。如图4的流程图所示。
由此可在当前放行阶段，如南北直行阶段，绿灯信号结束前计算出下一周期同一阶段，如南北直行阶段，绿灯信号放行时间t2；并在下一周期此阶段，如南北直行阶段，开始前将此时间t2提供给实时倒计时显示屏进行倒计时显示。
由于各绿灯放行阶段是互不相交的，故可同时计算R＝∑其余各阶段(绿灯信号时间+过渡时间)-∑各阶段绿灯重叠时间并把该总和R定为从当前放行阶段绿灯信号结束到下一周期同一阶段绿灯信号放行时刻开始之间对应交通流的红灯信号禁行时间t3。
在本实施例中，当前放行阶段，如南北直行阶段，绿灯信号结束到下一周期同一阶段，如下一周期南北直行阶段，绿灯信号放行时刻开始之间对应交通流的红灯信号禁行时间R＝南北左转阶段绿灯信号放行时间+东西直行阶段绿灯信号放行时间+东西左转阶段绿灯信号放行时间+3组过渡时间。
并在当前放行阶段，如南北直行阶段，绿灯信号结束前，及时地把t3＝R提供给实时倒计时显示屏进行倒计时显示。
这样，计算出来的绿灯信号放行时间和红灯信号禁行时间都可以在中途不改变当前放行阶段的时间的情况下，一秒一秒地进行递减倒计时，无大幅度跳变地准确显示各种交通信号距离变换时刻还剩余的时间。
从而可以把各种交通信号距离变换时刻还剩余的时间及早地公布于众，让所有的用路者能及早地调整自己的行动，主动配合适应交通指挥，实现带倒计时显示屏的众多好处。
本发明方案所述的交通信号控制装置还包括检测器故障自诊断功能，即为所述的车流量检测器设置的一个上限值和一个下限值，当车流量检测器采集到的单车道车流量大于上限值或小于下限值时，就自动诊断该车流量检测器出现故障，自动设置故障标志。
具体实施方法见图2的流程图所示。
如当车流量检测器12检测到的单车道车流量大于上限值或小于下限值时，就自动断定该车流量检测器出现故障，自动设置故障标志。
本发明方案所述的交通信号控制装置2包括检测器故障自维护功能，即在自动诊断出某检测器故障时自动停止使用该检测器提供的车流量数据。
具体实施方法见图2的流程图所示。
如当诊断出车流量检测器12有故障后，自动停止使用车流量检测器12提供的数据。
停止使用车流量检测器12提供的数据，虽然可能导致单车道最大车流量fm不一定是单车道车流量f中的最大值，但至少不会使自适应控制停止运行。
这种自维护功能的实现也是在一定条件下才能实现的，那就是在同一放行阶段放行的所有交通流的检测器不都出现故障。而都出现故障的概率是极其微小的，因此，只要在每一放行阶段都设置了多个检测器，本发明的交通信号模糊自适应控制系统及其方法的这种自维护功能就确实是可以实现的。
当然，本发明方案在车流量检测器都不容易损坏的情况下；每个信号阶段也可以只设置1个车流量检测器；即把能冗余的车流量检测器，如车流量检测器4、5、11都省掉，只保留饱和度可能最大的那个车流量检测器，如车流量检测器12。从而实现最少车流量检测器设置的自适应控制。
可以理解，虽然本发明是以地感线圈式车辆车流量检测器的形式表述的，但也适用于使用其他车辆车流量检测器装置。同样，本发明的交通信号模糊自适应控制系统及其方法可以带实时倒计时显示屏；但不带实时倒计时显示屏，也可以实施本发明的交通信号模糊自适应控制系统及其方法。
权利要求
1.一种交通信号模糊自适应控制系统及其方法，包括车流量检测器、交通信号控制装置、信号显示装置；所述的车流量检测器设置在所述的车道上；所述的交通信号控制装置一端与所述的车流量检测器相连，另一端与所述的信号显示装置相连；其特征在于所述的交通信号控制装置将一个交通信号周期划分为若干个互不相交的信号阶段，每个信号阶段对应若干个车道；所述的车流量检测器采集当前放行阶段通过检测器的各单车道车流量参数f；根据事先交通调查得出各种车流在停车线过一辆车平均所用的时间参数t0，并采用下列算法单车道最大车流量fm＝Max{当前阶段的单车道车流量f} 计算出绿灯饱和度参数U；初设绿灯饱和度上限、下限、最大绿灯时间、最小绿灯时间和调整步长；当绿灯饱和度U大于上限时定为绿灯时间过饱和，让下一周期同一阶段放行时间t2比当前阶段放行时间t1有所增加，增加幅度为一个调整步长，但若增加后超过最大绿灯时间，就取最大绿灯时间为下一周期同一阶段放行时间t2；当绿灯饱和度U小于下限时定为绿灯时间欠饱和，让下一周期同一阶段放行时间t2比当前阶段放行时间t1有所减少，减少幅度为一个调整步长，但若减小后低于最小绿灯时间，就取最小绿灯时间为下一周期同一阶段放行时间t2；当绿灯饱和度U小于上限且大于下限时定为适中，在适中时让下一周期同一阶段放行时间t2保持与当前阶段放行时间t1相同不变；用于计算R＝∑其余各阶段(绿灯信号时间+过渡时间)-∑各阶段绿灯重叠时间并把该总和R确定为从当前放行阶段绿灯信号结束到下一周期同一阶段绿灯信号放行时刻开始之间对应交通流的红灯信号禁行时间t3；再将下一周期同一阶段放行时间t2和所述的红灯信号禁行时间t3提供给所述的信号显示装置。
2.如权利要求1所述的交通信号模糊自适应控制系统及其方法，其特征在于所述的信号显示装置包括信号灯和实时倒计时显示屏。
3.如权利要求1或2所述的交通信号模糊自适应控制系统及其方法，其特征在于每个信号阶段只有一个对应车道设置1个所述的车流量检测器。
4.如权利要求1或2所述的交通信号模糊自适应控制系统及其方法，其特征在于所述的车流量检测器的检测流量初设一个上限值和一个下限值，并当所述的车流量检测器采集到的单车道车流量f大于上限值或小于下限值时，就自动诊断该车流量检测器出现故障，自动设置故障标志。
5.如权利要求4所述的交通信号模糊自适应控制系统及其方法，其特征在于所述的交通信号控制装置还可以在自动诊断出所述的某检测器故障时自动停止使用该检测器提供的车流量数据。
全文摘要
本发明公开了一种交通信号模糊自适应控制系统及其方法，它适用于城市道路单点平面交叉路口的交通信号控制。由交通信号控制装置将车流量检测器与信号显示装置相连接，并将一个交通信号周期划分为若干个互不相交的信号阶段；每个信号阶段通过信号显示装置赋予若干个交通流过路权。在车道上设置车流量检测器，通过交通信号控制装置将检测器采集到的车流量数据与事先交通调查得到的各种车流在停车线过一辆车平均所用的时间进行公式计算，得出每个信号阶段的放行时间和禁行时间，并提供给信号显示装置。这种控制装置能使放行的时间长短与各种车流量进行模糊地实时自适应，同时还可以准确显示交通信号灯距离变换信号还剩余的时间。
文档编号G08G1/09GK1452140SQ0215974
公开日2003年10月29日 申请日期2002年12月30日 优先权日2002年12月30日
发明者刘业兴 申请人:刘业兴