一种城市交通信号优化控制方法技术

一种城市交通信号优化控制方法，属于自动控制领域，包括：步骤1，选择控制方案，定义交通状态、瞬时路口收益和控制动作；步骤2，采样阶段采用感应控制，在每个采样时刻把交通摄像头拍摄的图像和相位并发送至服务器；步骤3，服务器从图像中提取交通状态并计算瞬时路口收益；步骤4，服务器计算每个离散交通状态出现的概率和路口收益，通过最大化路口平均收益得到最优控制策略并将其发送至路口机；步骤5，路口机设置交通信号控制器的控制策略为步骤4获得的策略，设置决策周期等于采样周期；步骤6，交通信号控制器从路口机获取离散交通状态，查询控制策略，把控制动作发送至路口机执行；能够提高较长时间段内路口交通的平均性能指标。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及自动控制

技术介绍
目前，我国采用的城市交通信号控制方法为定时控制和感应控制，但是定时控制无法做到根据实时交通状况切换控制动作，而感应控制策略又不够灵活，因此交通信号控制策略尚有很大的改进余地。马尔可夫链可用于交通信号控制问题的建模和优化。如果设定一个较短的单位时间步长，路口当前时刻的交通状态可以认为只和前一时刻的交通状态和采取的控制动作有关，因此交通状态的迁移可以看成一个马尔可夫链。每个时刻路口都会处于一个交通状态，每个交通状态下获得的收益为路口拥堵程度的倒数，如果交通状态空间中的任意两个状态都是可达的，那么可以计算路口处于每个交通状态的概率，然后计算路口的平均收益。使路口平均收益最大的控制策略就是最优策略。该方法无需在实际控制过程中进行试错，避免了在线学习可能引发的交通安全问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提高较长时间段内路口交通的平均性能指标，而不是某一个或几个交通信号周期内的性能指标，最终目的是通过优化交通信号控制器的控制策略提高城市路口车辆的通过率，并且降低平均延误。本专利技术先使用感应控制方法对路口交通信号进行控制，每隔一段较短的单位时间，第一交通摄像头(1)、第二交通摄像头(2)、第三交通摄像头(3)、第四交通摄像头(4)、第五交通摄像头(5)、第六交通摄像头(6)、第七交通摄像头(7)、第八交通摄像头(8)、和第九交通摄像头(9)、第十交通摄像头(10)、第十一交通摄像头(11)、第十二交通摄像头(12)拍摄图像并发送给路口机，路口机保存图像并从图像中提取车辆排队长度信息，将车辆排队长度表示的交通状态发送给交通信号控制器进行感应控制。同时，路口机也记录交通信号控制器的当前相位。每个采样时刻的图像和相位共同构成学习所需的样本。每当获取一个样本之后，路口机将样本发送至服务器。服务器每接收到一个样本之后，就从样本图像中提取车辆排队长度信息。当服务器接收到预定数目的样本并提取出每个样本图像的车辆排队长度后，就开始对车辆排队长度进行离散化，得到离散交通状态，然后通过最大化路口的平均收益求解最优控制策略，并将优化好的控制策略发送至路口机，路口机再把优化好的控制策略保存到交通信号控制器，并且设置交通信号控制器的控制策略为服务器优化好的控制策略，并且把决策周期设置为等同于采样周期，每个决策时刻，路口机接收第一交通摄像头(1)、第二交通摄像头(2)、第三交通摄像头(3)、第四交通摄像头(4)、第五交通摄像头(5)、第六交通摄像头(6)、第七交通摄像头(7)、第八交通摄像头(8)、和第九交通摄像头(9)、第十交通摄像头(10)、第十一交通摄像头(11)、第十二交通摄像头(12)拍摄的图像并从中提取交通状态，把交通状态离散化之后发送至交通信号控制器，交通信号控制器接收离散交通状态并查询策略选择合适的控制动作供路口机执行。本专利技术提出一种城市交通信号优化控制方法，包括以下步骤：步骤1，选择待优化的信号控制方案为固定相序控制，定义交通状态为当前相位的车辆排队长度和下一相位的车辆排队长度，定义瞬时路口收益为处于红灯相位的车辆排队长度的均值的倒数，定义控制动作为保持当前相位或切换到下一相位，定义控制策略为每个离散交通状态应该执行的控制动作；步骤2，在采样阶段，路口机设置交通信号控制器的控制策略为感应控制，并且设置交通信号控制器的最小绿灯时间、最大绿灯时间为采样周期的正整数倍，单位绿灯延长时间与采样周期相同，每个采样时刻所处的相位、第一交通摄像头(1)、第二交通摄像头(2)、第三交通摄像头(3)、第四交通摄像头(4)、第五交通摄像头(5)、第六交通摄像头(6)、第七交通摄像头(7)、第八交通摄像头(8)、和第九交通摄像头(9)、第十交通摄像头(10)、第十一交通摄像头(11)、第十二交通摄像头(12)拍摄的图像和控制动作构成一个样本，在每个采样时刻，第一交通摄像头(1)、第二交通摄像头(2)、第三交通摄像头(3)、第四交通摄像头(4)、第五交通摄像头(5)、第六交通摄像头(6)、第七交通摄像头(7)、第八交通摄像头(8)、和第九交通摄像头(9)、第十交通摄像头(10)、第十一交通摄像头(11)、第十二交通摄像头(12)和交通信号控制器选择的控制动作发送至路口机，路口机从图像中提取交通状态发送给交通信号控制器用于感应控制，然后把样本发送给服务器；步骤3，服务器每接收到一个样本后，根据样本中的当前相位，从相关图像中提取交通状态，然后对交通状态进行离散化，得到离散交通状态，计算并保存离散交通状态对应的瞬时路口收益；步骤4，当服务器接收到预定数目的样本后，根据每个离散交通状态下的瞬时路口收益计算每个离散交通状态下的路口收益，计算离散交通状态转移概率，根据离散交通状态转移概率计算路口处于每个离散交通状态的概率，路口平均收益为每个离散交通状态下的路口收益乘以每个离散交通状态出现的概率的加和，最大化路口平均收益得到最优控制策略；步骤5，服务器把步骤4获得的最优控制策略发送至路口机，路口机再把最优控制策略保存到交通信号控制器，设置交通信号控制器的控制策略为最优控制策略，把决策周期设置为等同于采样周期；步骤6，在每个决策时刻，路口机接收第一交通摄像头(1)、第二交通摄像头(2)、第三交通摄像头(3)、第四交通摄像头(4)、第五交通摄像头(5)、第六交通摄像头(6)、第七交通摄像头(7)、第八交通摄像头(8)、和第九交通摄像头(9)、第十交通摄像头(10)、第十一交通摄像头(11)、第十二交通摄像头(12)拍摄的图像并从中提取交通状态，然后使用步骤3中服务器所使用的离散化方法把交通状态进行离散化，把离散交通状态发送至交通信号控制器，交通信号控制器接收离散交通状态并查询策略选择合适的控制动作供路口机执行。本专利技术较现有技术所具有的优点：离散交通状态转移的过程可以近似看成是一个马尔科夫链。并且，离散交通状态转移矩阵中不存在吸收态，从任何一个离散交通状态开始，都有可能到达另外一个离散交通状态，因此任何两个离散交通状态是可达的，利用这一特性，可以根据离散交通状态转移矩阵计算每一个离散交通状态出现的概率，再利用每个离散交通状态的路口收益求出路口平均收益。而离散交通状态转移矩阵与控制策略是有关的，因此可以建立起控制策略与平稳分布的关系，进而建立起控制策略与路口平均收益的关系。与其他方法相比，本专利技术提出的方法针对离散交通状态转移的可达性对控制策略进行优化，在一段较长时间内看，所得控制策略能更好地提高路口车辆通行率，降低平均延误。附图说明图1为城市路口交通信号控制原理图。图2为一种城市交通信号优化控制方法流程图。1、第一交通摄像头；2、第二交通摄像头；3、第三交通摄像头；4、第四交通摄像头；5、第五交通摄像头；6、第六交通摄像头；7、第七交通摄像头；8、第八交通摄像头；9、第九交通摄像头；10、第十交通摄像头；11、第十一交通摄像头；12、第十二交通摄像头；13、第一悬梁；14、第二悬梁；15、第三悬梁；16、第四悬梁；17、车道一；18、车道二；19、车道三；20、车道四；21、车道五；22、车道六；23、车道七；24、车道八；25、车道九；26、车道十；27、车道十一；28、车道十二。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种城市交通信号优化控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，选择待优化的信号控制方案为固定相序控制，定义交通状态为当前相位的车辆排队长度和下一相位的车辆排队长度，定义瞬时路口收益为处于红灯相位的车辆排队长度的均值的倒数，定义控制动作为保持当前相位或切换到下一相位，定义控制策略为每个离散交通状态应该执行的控制动作；步骤2，在采样阶段，路口机设置交通信号控制器的控制策略为感应控制，并且设置交通信号控制器的最小绿灯时间、最大绿灯时间为采样周期的正整数倍，单位绿灯延长时间与采样周期相同，每个采样时刻所处的相位、第一交通摄像头(1)、第二交通摄像头(2)、第三交通摄像头(3)、第四交通摄像头(4)、第五交通摄像头(5)、第六交通摄像头(6)、第七交通摄像头(7)、第八交通摄像头(8)、和第九交通摄像头(9)、第十交通摄像头(10)、第十一交通摄像头(11)、第十二交通摄像头(12)拍摄的图像和控制动作构成一个样本，在每个采样时刻，第一交通摄像头(1)、第二交通摄像头(2)、第三交通摄像头(3)、第四交通摄像头(4)、第五交通摄像头(5)、第六交通摄像头(6)、第七交通摄像头(7)、第八交通摄像头(8)、和第九交通摄像头(9)、第十交通摄像头(10)、第十一交通摄像头(11)、第十二交通摄像头(12)和交通信号控制器选择的控制动作发送至路口机，路口机从图像中提取交通状态发送给交通信号控制器用于感应控制，然后把样本发送给服务器；步骤3，服务器每接收到一个样本后，根据样本中的当前相位，从相关图像中提取交通状态，然后对交通状态进行离散化，得到离散交通状态，计算并保存离散交通状态对应的瞬时路口收益；步骤4，当服务器接收到预定数目的样本后，根据每个离散交通状态下的瞬时路口收益计算每个离散交通状态下的路口收益，计算离散交通状态转移概率，根据离散交通状态转移概率计算路口处于每个离散交通状态的概率，路口平均收益为每个离散交通状态下的路口收益乘以每个离散交通状态出现的概率的加和，最大化路口平均收益得到最优控制策略；步骤5，服务器把步骤4获得的最优控制策略发送至路口机，路口机再把最优控制策略保存到交通信号控制器，设置交通信号控制器的控制策略为最优控制策略，把决策周期设置为等同于采样周期；步骤6，在每个决策时刻，路口机接收第一交通摄像头(1)、第二交通摄像头(2)、第三交通摄像头(3)、第四交通摄像头(4)、第五交通摄像头(5)、第六交通摄像头(6)、第七交通摄像头(7)、第八交通摄像头(8)、和第九交通摄像头(9)、第十交通摄像头(10)、第十一交通摄像头(11)、第十二交通摄像头(12)拍摄的图像并从中提取交通状态，然后使用步骤3中服务器所使用的离散化方法把交通状态进行离散化，把离散交通状态发送至交通信号控制器，交通信号控制器接收离散交通状态并查询策略选择合适的控制动作供路口机执行。...

【技术特征摘要】
1.一种城市交通信号优化控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，选择待优化的信号控制方案为固定相序控制，定义交通状态为当前相位的车辆排队长度和下一相位的车辆排队长度，定义瞬时路口收益为处于红灯相位的车辆排队长度的均值的倒数，定义控制动作为保持当前相位或切换到下一相位，定义控制策略为每个离散交通状态应该执行的控制动作；步骤2，在采样阶段，路口机设置交通信号控制器的控制策略为感应控制，并且设置交通信号控制器的最小绿灯时间、最大绿灯时间为采样周期的正整数倍，单位绿灯延长时间与采样周期相同，每个采样时刻所处的相位、第一交通摄像头(1)、第二交通摄像头(2)、第三交通摄像头(3)、第四交通摄像头(4)、第五交通摄像头(5)、第六交通摄像头(6)、第七交通摄像头(7)、第八交通摄像头(8)、和第九交通摄像头(9)、第十交通摄像头(10)、第十一交通摄像头(11)、第十二交通摄像头(12)拍摄的图像和控制动作构成一个样本，在每个采样时刻，第一交通摄像头(1)、第二交通摄像头(2)、第三交通摄像头(3)、第四交通摄像头(4)、第五交通摄像头(5)、第六交通摄像头(6)、第七交通摄像头(7)、第八交通摄像头(8)、和第九交通摄像头(9)、第十交通摄像头(10)、第十一交通摄像头(11)、第十二交通摄像头(12)和交通信号控制器选择的控制动作发送至路口机，路口机从图像中提取交通状态发送给交通信号控制器用于感应控制，然后把样本发送给服务器；步骤3，服务器每接收到一个样本后，根据样本中的当前相位，从相关图像中提取交通状态，然后对交通状态进行离散化，得到离散交通状态，计算并保存离散交通状态对应的瞬时路口收益；步骤4，当服务器接收到预定数目的样本后，根据每个离散交通状态下的瞬时路口收益计算每个离散交通状态下的路口收益，计算离散交通状态转移概率，根据离散交通状态转移概率计算路口处于每个离散交通状态的概率，路口平均收益为每个离散交通状态下的路口收益乘以每个离散交通状态出现的概率的加和，最大化路口平均收益得到最优控制策略；步骤5，服务器把步骤4获得的最优控制策略发送至路口机，路口机再把最优控制策略保存到交通信号控制器，设置交通信号控制器的控制策略为最优控制策略，把决策周期设置为等同于采样周期；步骤6，在每个决策时刻，路口机接收第一交通摄像头(1)、第二交通摄像头(2)、第三交通摄像头(3)、第四交通摄像头(4)、第五交通摄像头(5)、第六交通摄像头(6)、第七交通摄像头(7)、第八交通摄像头(8)、和第九交通摄像头(9)、第十交通摄像头(10)、第十一交通摄像头(11)、第十二交通摄像头(12)拍摄的图像并从中提取交通状态，然后使用步骤3中服务器所使用的离散化方法把交通状态进行离散化，把离散交通状态发送至交通信号控制器，交通信号控制器接收离散交通状态并查询策略选择合适的控制动作供路口机执行。2.如权利要求1所述的一种城市交通信号优化控制方法，其特征在于，步骤4所描述的优化控制策略的方法如下：步骤a，定义瞬时路口收益r为采样时刻处于红灯相位的车辆排队长度的均值的倒数，按如下公式计算：r=mΣi∈ΩLi]]>其中，Ω表示所有处于红灯相位的车道编号的集合，Li表示车道i的车辆排队长度，m表示当前等待红灯的车道数；定义样本为如下形式的数据向...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋婷婷，张震，薛斌强，何文雪，张彩虹，
申请(专利权)人：青岛大学，
类型：发明
国别省市：山东;37