基于背压路由算法的分布式智能交通信号控制方法及装置与流程

本发明涉及智能交通领域，尤其涉及一种基于背压路由算法的分布式智能交通信号控制方法及装置。

背景技术：

随着城市道路交通网的不断完善和发展，交通拥堵成为了一个日益严峻的，影响着人们日常生活的重要问题。同时，随着智能交通、智慧出行等技术与理念的出现，交通控制技术也成为了解决交通拥堵，节约人们出行时间，提升人们出行体验的实用技术与研究热点。

城市交通路口的信号灯控制是疏导交通流，缓解城市道路交通网拥堵的主要手段。目前已经在实际中部署与应用的自适应交通信号控制系统包括scoot(splitcycleoffsetoptimisationtechnique)，scats(sydneycoordinatedadaptivetraffic)等。scoot系统产生于70年代的英国，通过连续检测道路网络中交叉口所有进入车道的交通需求来优化配时方案，使交叉口的延误与停车次数最小。scat悉尼自适应交通系统由澳大利亚新南威尔士州道路交通局(rta)研究开发，也是目前世界上少有的几个先进的城市信号交通控制系统之一。与传统的基于历史交通流信息的固定时长交通灯控制系统相比，自适应交通路口控制系统基于实时的交通流信息，可以更加有效的对通过交叉路口的车流进行调度。目前已有的城市交通路口信号灯控制分为单一交叉口控制与协同交叉口控制。单一交叉口控制虽然实现简单，但由于没有考虑各路段间交通流变化的相互关系，也难以应对路段容量有限导致的局部拥堵，从而使控制算法失效的问题，因此有着一定的局限性。背压路由是一种协同交叉口控制算法，这种控制算法的最大特点是基于lyapunov漂移理论，因此能够保证整个道路网通过车流量最大化。在lyapunov最优中通过lyapunov函数来对动态系统进行最优化控制，并保证系统在各种形式下的最优。lyapunov漂移理论在排队网络的最优控制中起到核心作用。然而，目前的背压路由算法主要基于传统的交通灯控制，也就是说，给出几种常见的路口通行策略，计算哪一种通行策略能够使得交叉路口的交通压力得到最大化释放。显然，自适应的，基于智能交通灯控制策略的交通灯控制能够真正意义上的实现lyapunov漂移理论的网内交通流量最大化，同时也适合背压路由的分布式执行的特点。

技术实现要素：

本发明的目的在于通过一种基于背压路由算法的分布式智能交通信号控制方法及装置，来解决以上背景技术部分提到的问题。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于背压路由算法的分布式智能交通信号控制方法，该方法包括：通过智能交通灯对城市道路网内交通流进行分布式协同控制；采用背压路由算法控制与疏导城市道路网内交通流，使城市道路网内交通流通过率最大。

特别地，对于每个交通路口，计算其各通行路线对应的压力差即各通行路线对应的进入路口与驶出路口之间的压力差；并将各通行路线对应的压力差与当前时间片将通过该通行路线的车辆总数作相乘运算，获得当前该通行路线的通行优先权重；

预先定义与计算各城市交叉路口对应的车道冲突图，然后，根据各通行路线对应的通行优先权重，计算得出车道冲突图中总权重最大的独立集；

计算得出的车道冲突图中总权重最大的独立集作为当前优先通行的车道集合，并根据预先定义的调度周期时长，循环执行交通信号灯调度。

特别地，在计算各通行路线对应的进入路口与驶出路口之间的压力差时，采用正则化的压力差函数来计算压力差：

正则化压力函数为：压力＝车辆队列长度/路段容量，相应的，正则化压力差函数为：压力差＝(驶入路段车辆队列长度/驶入路段容量-驶出路段车辆队列长度/驶出路段容量)。

基于上述分布式智能交通信号控制方法，本发明还公开了一种基于背压路由算法的分布式智能交通信号控制装置，该装置包括：

预处理单元，用于预定义与计算交通路口的车道冲突图，并将计算结果发送给存储单元；

存储单元，用于存储车道冲突图，以及通信单元收集到的周围路段车流量信息；

响应单元，用于周期性响应交叉路口调度请求，负责各城市交通路口对应的车道冲突图中总权重最大的独立集的计算，以及各通行路线对应的进入路口与驶出路口的压力差的计算；

通信单元，用于各交叉路口的智能交通信号控制装置与车辆间的消息传递，从而保证响应单元接收与汇总路段车辆的到达与通过信息，也用于向交通路口正在等待或通过车辆发送响应单元计算得出的控制信息。

本发明提出的基于背压路由算法的分布式智能交通信号控制方法及装置通过移动车联网收集各路段车流量信息，计算各通行路线对应的进入路口与驶出路口之间的压力差，然后在各路口分别计算能够保证最大车流压力释放的交通信号调度策略，最后根据计算得出的信号调度策略进行信号灯调度，进而实现道路网内总通过车流量最优的分布式城市交叉路口协同调度。

附图说明

图1为本发明实施例提供的五岔路口各路段基于背压路由的算法中压力差计算方法示例图；

图2为本发明实施例提供的五岔路口各行驶路线的实际拓扑示例图；

图3为本发明实施例提供的五岔路口对应的冲突图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。需要说明的是，除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。

在本实施例中基于背压路由算法的分布式智能交通信号控制方法包括：通过智能交通灯对城市道路网内交通流进行分布式协同控制；采用背压路由算法控制与疏导城市道路网内交通流，使城市道路网内交通流通过率最大。

具体的，响应周期性接收到的交通路口控制请求，各路口部署的中心控制器通过车联网v2i通信接收附近路段的车辆状态信息，并统计附近各路段的实时车辆总数以及它们的行驶路线与转向请求。其中，所述中心控制器即指本发明提供的基于背压路由算法的分布式智能交通信号控制装置。车联网通信主要分三大类：车与车v2v(vehicletovehicle),车与路侧基础设施v2i(vehicletoinfrastructure)和车与行人v2p(vehicletopedestrian)。

对于每个交通路口，计算其各通行路线对应的压力差即各通行路线对应的进入路口与驶出路口之间的压力差；并将各通行路线对应的压力差与当前时间片将通过该通行路线的车辆总数作相乘运算，获得当前该通行路线的通行优先权重。另外，为了避免各路段容量有限导致的死锁问题，在计算各通行路线对应的进入路口与驶出路口之间的压力差时，采用正则化的压力差函数来计算压力差：最简单的正则化压力函数为：压力＝车辆队列长度/路段容量，相应的，最简单的正则化压力差函数为：压力差＝(驶入路段车辆队列长度/驶入路段容量-驶出路段车辆队列长度/驶出路段容量)。

预先定义与计算各城市交叉路口对应的车道冲突图，然后，根据各通行路线对应的通行优先权重，计算得出车道冲突图中总权重最大的独立集。其中，所述车道冲突图是通过各路口部署的中心控制器根据交叉路口的实际拓扑，计算对应的冲突图。

计算得出的车道冲突图中总权重最大的独立集作为当前优先通行的车道集合，并根据预先定义的调度周期时长，循环执行交通信号灯调度。

在本实施例中，如图1所示，所有的驶出路段用一个点来表示，驶入路口的各个车道由不同的点来表示。图1中所有的行驶路线都由0-11数字表示，可见共有12条不同的行驶路线。假设所有的路段容量相同且为1，车道2,3,4所在路段的车辆队列长度为14，而行驶路线2对应的驶出车道所在路段的车辆队列长度为4，因此行驶路线2对应的压力差为10。与之类似，行驶路线10与11对应的压力差为-1与0。图3是由图1与图2所示的路口对应的车道冲突图，括号内的数字表示的是各行驶路线对应的压力差。根据背压路由的基本理论，定义各行驶路线对应的通行优先权重为压力差乘以该时间片内经该路线通过的车辆数。背压路由的目标是每一时间片内路口的压力释放最大，因此，算法目标是找到车道冲突图中能够同时通行的，即互不冲突的，总优先级权重最大的行驶路线的集合即车道冲突图中总权重最大的独立集。由于车道冲突图中能够同时通行的行驶路线的集合是冲突图的一个独立集，因此背压路由算法归结成为了最大权重独立集问题，且算法是完全分布式的，各路口中心控制器完全独立而不需要相互通信。另外，由于压力差为负的行驶路线显然对于释放压力没有贡献，因此可以直接忽略压力差为负的行驶路线。至于最大权重独立集问题是一个经典的图论问题，有许多关于该问题的求解方法，在此不再赘述。

基于上述分布式智能交通信号控制方法，本实施例还公开了一种基于背压路由算法的分布式智能交通信号控制装置，该装置包括：

预处理单元，用于预定义与计算交通路口的车道冲突图，并将计算结果发送给存储单元。

存储单元，用于存储车道冲突图，以及通信单元收集到的周围路段车流量信息。

响应单元，用于周期性响应交叉路口调度请求，负责各城市交通路口对应的车道冲突图中总权重最大的独立集的计算，以及各通行路线对应的进入路口与驶出路口的压力差的计算。

通信单元，用于各交叉路口的智能交通信号控制装置与车辆间的消息传递，从而保证响应单元接收与汇总路段车辆的到达与通过信息，也用于向交通路口正在等待或通过车辆发送响应单元计算得出的控制信息。

本发明的技术方案首先通过移动车联网收集各路段车流量信息，计算各通行路线对应的进入路口与驶出路口之间的压力差，然后在各路口分别计算能够保证最大车流压力释放的交通信号调度策略，最后根据计算得出的信号调度策略进行信号灯调度，进而实现道路网内总通过车流量最优的分布式城市交叉路口协同调度。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例中的全部部分是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体或随机存储记忆体等。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。