本发明属于交通控制和智能交通技术领域，具体涉及基于视频实时信息的城市快速路入口匝道信号控制方法。
背景技术：
随着社会经济的高速发展，城市化进程的不断加快，城市居民的经济、文化活动日益频繁，机动车数量急剧增加，城市交通需求迅猛增长。然而，城市快速路建设速度远不及机动车增长速度，交通管理水平滞后于交通需求的增长，已不能满足现有需求，城市交通拥堵成为日益显著的社会问题之一。在城市快速路匝道交织区域，由于存在频繁的车辆换道行为，且分流区域与合流区域距离过近，在交通高峰时段经常成为交通瓶颈易激发的敏感地带。交织行为对交织区通行能力有很大影响，并在交通拥堵时引起严重的通行能力下降现象。匝道控制是最常见的主动交通需求管理策略之一，能有效缓解交通瓶颈严重程度。因此，如何通过视频实时交通信息对入口匝道上信号控制进行优化，更加有效地预防快速路交汇区通行能力下降现象的出现，避免交通拥堵的产生，实现快速路主线通行效率最大化，保证快路便捷、高效、安全的运行，成为我国高速公路交通管理实践中所面临的首要任务。
现有高速公路拥堵路段交通控制最常用技术为匝道控制技术。入口匝道控制是通过调节进入快速路的交通量,使快速路本身的交通需求不超过它的容量,从而保证快速路依据某一性能指标运行在最佳状态附近。
技术实现要素：
发明目的：本发明提出了基于视频实时信息的城市快速路入口匝道信号控制方法，克服现有快速路入口匝道与主线交汇区交通控制的不足，对入口匝道上信号控制进行优化，以避免通过车辆率过高导致主线下游生成交通拥堵，可以更加有效的预防快速路交汇区通行能力下降现象的出现，实现快速路主线通行效率最大化。
技术方案：
基于视频实时信息的城市快速路入口匝道信号控制方法，包括如下步骤：
(1)数据采集：在城市快速路的入口匝道上位于信号灯的位置、入口匝道的入口处，以及主线上位于入口匝道与主线交汇区下游布设视频检测器，通过布设的视频检测器实时提取固定周期的交通流参数信息；所述固定周期取值范围为2～10秒；所述交通流参数信息包括入口匝道与主线交汇区下游区域的交通流占有率、入口匝道的交通流量和车道排队长度，以及每一周期内由入口匝道进入快速路主线的交通流通过量；
(2)根据城市快速道路该路段的历史交通流参数信息，绘制拥堵生成之前和生成之后这段时间内，交通流量、交通流占有率随时间变化曲线，确定维持入口匝道与主线交汇区下游主线交通流运行在其通行能力时的占有率阈值，预先设定入口匝道与主线交汇区下游主线交通流占有率期望值
根据步骤(1)实时获取的入口匝道与主线交汇区下游区域的交通流占有率计算入口匝道调节率：
其中，所述入口匝道调节率是调节每一匝道控制周期内由入口匝道进入快速路的交通量；r(k)为第k个匝道控制周期的入口匝道调节率；r(k-1)为第k-1个匝道控制周期的入口匝道调节率；kr是具有校准性质的参数；oout(k-1)为第k-1个匝道控制周期入口匝道与主线交汇区下游的主线占有率；
(3)根据步骤(1)实时获取的入口匝道的交通流量和每一周期内由入口匝道进入快速路主线的交通通过量，计算出入口匝道实时排队长度，判断入口匝道排队长度是否超过入口匝道排队长度临界值；若超过入口匝道排队长度临界值，则根据入口匝道排队长度和入口匝道需求计算入口匝道的排队控制调节率；反之，则不用调节；所述排队控制调节率是调节每一匝道控制周期内由入口匝道进入快速路的交通量；
其中，入口匝道的排队控制调节率计算过程如下：
(31)入口匝道车辆排队长度计算公式为：
n(k)＝n(k-1)+tk[qoin(k)-qoout(k)]
其中，n(k)为第k个匝道控制周期最后一个检测时刻入口匝道的车辆排队长度；n(k-1)为第k-1个匝道控制周期最后一个检测时刻入口匝道的车辆排队长度；tk为第k个匝道控制周期；qoin(k)为第k个匝道控制周期内进入入口匝道的交通通过量，由在入口匝道上位于信号灯的位置布设的视频检测器检测获得；qoout(k)为第k个匝道控制周期内由入口匝道进入快速路主线的交通通过量，由入口匝道入口处布设的视频检测器检测获得；
(32)确定入口匝道排队长度临界值
其中，r’(k)为第k个匝道控制周期匝道的排队控制调节率；r’(k-1)为第k-1个匝道控制周期匝道的排队控制调节率；kq为是具有校准性质的参数；r’max为入口匝道的最大排队控制调节率；入口匝道的车辆排队长度分级为：0～0.6nmax为排队长可以接受范围，(0.6～0.9)nmax为排队长可以容忍范围，0.9nmax以上排队长度不可忍受范围；
(4)计算当前入口匝道最优调节率ro(k)：
ro(k)＝max{r(k),r’(k)}；
(5)根据步骤(4)所获得的匝道最优调节率，确定信号灯的配时方案，包括红灯、绿灯和黄灯时间及信号周期tk；计算公式如下：
t绿＝2s
t黄＝1s
t红＝tk－t绿－t黄
其中，t绿、t黄、t红分别为第k个匝道控制周期内绿灯、黄灯、红灯时间；
(6)完成当前匝道控制周期内入口匝道车辆通过率最优化控制之后，进入下一个周期之内，针对获取的交通流数据，重复步骤(2)至步骤(5)的过程，获取下一周期的入口匝道最优调节率，完成下一个周期的匝道车辆通过率的最优化控制。
在步骤(5)后还包括步骤：对数据采集周期和匝道控制周期进行协同优化，第k个周期内视频检测与信号控制同步进行，数据采集周期时长为当前匝道控制周期内所有检测周期时长之和，数值上等于当前匝道控制周期时长，根据该匝道控制周期内采集到的视频数据计算得到下一控制周期的控制参数；
tk＝nkt＝tck，nk为整数
其中，tck为第k个数据采集周期；nk为第k个匝道控制周期内的检测周期数；t为视频检测器的检测周期；
若对于采集到的视频信息，若视频处理时间为t0，则第k个周期对应的数据采集周期时长仍与控制周期时长仍相等；数据采集周期起始时间为上一检测周期的截止时刻，控制周期与数据采集周期起始时间差为t0。
入口匝道分为无加速车道入口匝道和有加速车道入口匝道；根据两种入口匝道进行视频检测器的布设；针对无加速车道入口匝道，分别在入口匝道与主流交汇区下游、在入口匝道上位于信号灯的位置及在入口匝道入口处布设视频检测器；针对有加速车道入口匝道，分别在入口匝道的加速车道与主流交汇区下游、在入口匝道上位于信号灯的位置及在入口匝道入口处布设视频检测器。
有益效果：本发明根据主线下游路段占有率及入口匝道排队长度判断交通流运行状态是否过饱和，通过控制算法自动计算当前入口匝道的最优调节率，对入口匝道上信号控制进行优化，以避免通过车辆率过高导致主线下游生成交通拥堵，改善基于传统采用感应线圈集计交通流数据进行控制导致的系统对交通变化反应迟缓、控制延迟等缺陷，提升入口匝道控制系统的反应速度和控制效果，可以更加有效的预防快速路交汇区通行能力下降现象的出现，避免交通拥堵的产生，实现快速路主线通行效率最大化。
附图说明
图1为本发明基于视频实时信息的城市快速路入口匝道信号控制方法的流程图。
图2为本发明快速路入口匝道协调控制配套硬件设置图；其中，(a)为无加速车道入口匝道协调控制配套硬件设置图；(b)为有加速车道入口匝道协调控制配套硬件设置图。
图3为本发明视频数据检测周期与匝道控制周期关系示意图；其中，(a)为视频处理时间可以忽略不计的情况；(b)为考虑视频处理时间为t0的情况。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
本发明旨在通过视频实时信息的城市快速路入口匝道信号控制技术，预防快速路主线与入口匝道交汇区局部交通拥堵。基于视频实时信息的城市快速路入口匝道信号控制技术流程可参考图1，某快速路入口匝道设置如图2所示。
本发明的基于视频实时信息的城市快速路入口匝道信号控制技术，步骤如下：
(1)数据采集：通过布设于主线上位于入口匝道与主线交汇区域的视频检测器实时提取固定周期的交通流参数信息，周期选择应该同时兼顾控制算法对交通流变化的响应速度以及系统稳定性，经过大量测试，建议取值范围为2秒-10秒。，来判断不同时刻入口匝道与快速路交汇区交通流的运行状态；在本发明中，所述视频检测器采用的是摄像机；
如图2所示，入口匝道分为无加速车道入口匝道和有加速车道入口匝道，本发明根据两种入口匝道进行视频检测器的布设。针对无加速车道入口匝道，如图2a所示，分别在入口匝道与主流交汇区下游、在入口匝道上位于信号灯的位置及在入口匝道入口处布设视频检测器；针对有加速车道入口匝道，如图2b所示，分别在入口匝道的加速车道与主流交汇区下游、在入口匝道上位于信号灯的位置及在入口匝道入口处布设视频检测器。
具体过程如下：
利用摄像机对交通流进行实时摄像，将道路上摄像机拍摄到的实时交通流图像进行数字化处理，运用图像处理的知识对数字化后的图像进行包括滤波降噪、阈值分割，目标提取，区域融合等处理；然后把连续的模拟图像转换为离散的数字图像，通过成熟的物理模型与数字模型编制软件分析并得到交通流参数信息；具体交通流参数信息包括入口匝道与主线交汇区下游区域的交通流占有率、入口匝道的交通流量、每一周期内由入口匝道进入快速路主线的交通通过量和入口匝道上的车辆排队长度；在本发明中，视频检测器每隔时间1s自动上传一组交通流参数数据至服务器，记为检测周期t。
(2)根据历史交通流参数信息来判断维持入口匝道与主线交汇区下游主线交通流运行状态在通行能力时的占有率阈值，预先设定入口匝道与主线交汇区下游主线交通流占有率期望值
其中，入口匝道调节率根据步骤(1)测得的入口匝道与主线交汇区下游区域的实时交通流占有率进行计算：
入口匝道调节率计算公式为：
其中，r(k)为第k个匝道控制周期的入口匝道调节率；r(k-1)为第k-1个匝道控制周期的入口匝道调节率；kr是具有校准性质的参数，作用是根据当前控制周期的影响结果回馈调整下一个控制周期的值，从而能够使控制系统在外部扰动下趋于平稳；通过以控制后通行时间最短以及交通流收敛速度最快作为目标，通过大量分析后确定kr最优取值；oout(k-1)为第k-1个匝道控制周期入口匝道与主线交汇区下游的主线占有率；
(3)根据步骤(1)实时获取的入口匝道的交通流量和每一周期内由入口匝道进入快速路主线的交通通过量，计算出入口匝道实时排队长度，判断入口匝道排队长度是否超过入口匝道排队长度临界值。若超过入口匝道排队长度临界值，则根据入口匝道排队长度和入口匝道需求计算入口匝道的排队控制调节率；所述排队控制调节率也是调节每一匝道控制周期内由入口匝道进入快速路的交通量；反之，则不用调节；
其中，入口匝道的排队控制调节率计算过程如下：
(31)通过步骤(1)获取入口匝道实时交通流量，并获取入口匝道在当前检测周期最后一个检测时刻的排队长度。入口匝道车辆排队长度计算公式为：
n(k)＝n(k-1)+tk[qoin(k)-qoout(k)]
其中，n(k)为第k个匝道控制周期最后一个检测时刻入口匝道的车辆排队长度；n(k-1)为第k-1个匝道控制周期最后一个检测时刻入口匝道的车辆排队长度；tk为第k个匝道控制周期；qoin(k)为第k个匝道控制周期内进入入口匝道的交通通过量，由在入口匝道上位于信号灯的位置布设的视频检测器检测获得；qoout(k)为第k个匝道控制周期内由入口匝道进入快速路主线的交通通过量，由入口匝道入口处布设的视频检测器检测获得；
(32)确定入口匝道排队长度临界值
(33)计算入口匝道的排队控制调节率：
其中，r’(k)为第k个匝道控制周期匝道的排队控制调节率；r’(k-1)为第k-1个匝道控制周期匝道的排队控制调节率；kq为是具有校准性质的参数，作用是调整回馈控制中固定的外部扰动；r’max为入口匝道的最大排队控制调节率；
(4)计算当前入口匝道最优调节率：匝道最优调节率为占有率控制调节率和排队控制调节率的最大值；匝道最优调节率计算公式为：
ro(k)＝max{r(k),r’(k)}
其中，ro(k)为第k个匝道控制周期匝道的最优调节率；
(5)计算当前入口匝道信号灯控制周期及信号配时：根据匝道最优调节率确定匝道的信号灯的配时方案，包括红灯、绿灯和黄灯时间及信号周期，将所得的配时方案反馈给匝道的信号灯上，用于对入口匝道下一周期通过车辆的控制；
具体为：
(51)匝道的信号灯的配时方案使得一次绿灯和黄灯时间只有一辆车能够通过停车线进入快速路。一个信号周期为了保证只有一辆车通过停车线，绿灯加黄灯时间一般为3s。当采用绿灯加黄灯时间为3s，最小红灯时间为1s的单车放行方式时，即通过一辆车的最短时间为4秒，1h中匝道的最大调节量为900veh/h；
(52)根据步骤(4)所获得的匝道最优调节率，确定信号灯的配时方案，包括红灯、绿灯和黄灯时间及信号周期tk；计算公式如下：
t绿＝2s
t黄＝1s
t红＝tk－t绿－t黄
其中，t绿、t黄、t红分别为第k个匝道控制周期内绿灯、黄灯、红灯时间；绿灯和黄灯时长的确定是经过大量访谈和仿真实验后得到，能够确保每个绿灯加黄灯时间驾驶员能够通过车道，且避免多辆车同时通过车道，黄灯起到一个提示作用。
(6)对数据采集周期和匝道控制周期进行协同优化，图3为本发明视频数据检测周期与匝道控制周期关系示意图；其中，(a)为视频处理时间可以忽略不计的情况；(b)为考虑视频处理时间为t0的情况。如图3所示，第k个周期内视频检测与信号控制同步进行，数据采集周期时长为当前匝道控制周期内所有检测周期时长之和，数值上等于当前匝道控制周期时长，根据该匝道控制周期内采集到的视频数据计算得到下一控制周期的控制参数；
tk＝nkt＝tck，nk为整数
其中，tck为第k个数据采集周期；nk为第k个匝道控制周期内的检测周期数；t为检测周期(t＝1s)；
若对于采集到的视频信息，视频处理需要一定的时间，该处理时间记为t0，则第k个周期对应的数据采集周期时长仍与控制周期时长仍相等；数据采集周期起始时间为上一检测周期的截止时刻，控制周期与数据采集周期起始时间差为t0。
(7)完成当前匝道控制周期内入口匝道车辆通过率最优化控制之后，进入下一个周期之内，针对获取的交通流数据，重复步骤(2)至步骤(6)的过程，获取下一周期的入口匝道最优调节率，完成下一个周期的匝道车辆通过率的最优化控制。
不采用控制的情况下，由于较多车辆通过入口匝道，导致入口匝道与主线交汇区下游路段通行需求大于通行能力，入口匝道车辆通过率过高导致入口匝道与主线交汇区主线下游生成交通拥堵，下游交通流量较低，即产生通行能力下降现象，影响了整体的通行效率。采用入口匝道流量控制后，通过入口匝道的车辆减少，减少了入口匝道与主线交汇区主线下游路段车辆间行驶的冲突及交通拥堵，使得入口匝道与主线交汇区主线下游交通流量维持在通行能力附近，从而有效阻止了交通拥堵生成，并且改善了基于传统采用感应线圈集计交通流数据进行控制导致的系统对交通变化反应迟缓、控制延迟等缺陷，提升入口匝道控制系统的反应速度和控制效果，可以更加有效的预防快速路交汇区通行能力下降现象的出现，避免交通拥堵的产生，实现快速路主线通行效率最大化。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。