城市区域多交叉口信号协同优化控制方法及系统技术方案

一种交通管理和控制领域的城市区域多交叉口信号协同优化控制方法及系统，根据车辆离开上游交叉口时间以及上游交叉口的控制方案信息依次估计车辆到达排队末端的时间、排队车辆的数量变化、车辆排队等待时间，然后以此为目标函数，计算预测时长内的最优信号控制方案，最后更新信号灯状态。本发明专利技术充分利用现有交叉口设施资源配置，解决了传统自适应信号控制方法只适用于单个交叉口，计算复杂度大的问题，具有适用范围广，易于实现，控制方法可靠性高等优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及的是一种交通信息管理领域的技术，具体是一种城市区域多交叉口信号协同优化控制方法及系统。
技术介绍
近年来，随着机动车保有量显著上升，产生了一系列严峻的交通问题，拥堵现象随处可见。为了缓解城市交通问题，城市交叉口的信号控制显得越来越重要。早期城市交叉口信号主要以单点控制为主，采用人工或定时方式对信号进行切换，直至20世纪30年代初期，才出现采用压力探测器的触发式信号控制。20世纪中后期，随着计算机网络技术发展，在城市距离较近的相邻交叉口出现互联式信号控制，其目的在于在多交叉口之间实现信号协调，使得通过一个交叉口的车队能够高效通过其下游相邻交叉口。自适应信号控制系统则在此基础上，以分布式、实时、高效、快速响应为特征，力求从局部信号优化达到全局信号优化。自第一套交通自适应管控系统SCOOT系统由英国运输和道路研究所研制成功以来，自适应系统取得了公认成功，已在世界上许多城市安装和使用。除SCOOT系统以外，主要还有以澳大利亚悉尼为背景开发的交通自适应协调系统以及日本的京三系统等。由于与动态交通诱导系统、先进公共交通系统结合上的优势，自适应控制方法被认为实用性强、是发展先进交通管理系统的最佳基础，将是未来城市交通控制系统发展的重要方向。以SCOOT为代表的自适应控制系统，根据检测器得到的实时数据计算交通量、占用时间、占有率及拥挤程度。同时，结合预先存储的交通参数对各路口进行短时交通流预测，在此基础上对各交叉口信号控制方案进行优化。优化方法主要以交通模型为基础，找出符合当前状态的最佳信号配时组合。为了跟踪交通流的瞬时变化，SCOOT的信号优化方法采用小增量寻优方法，即信号配时参数可随交通流分布变化作相应微小变化，尽量做到对交通连续运动妨碍最小，又不为交通参与者察觉。该系统要求通过数学模型以获得相关控制策略模型，因而要求抽象的数学模型在较短时间，准确地反映系统的运行状态，否则会影响控制效果。另一方面，数学模型精确度越高、结构越复杂，仿真时间也越长，因此，会在实时性与可靠性之间产生矛盾，特别是实现多个交叉口协调控制时该矛盾将尤为突出。为了解决以上矛盾，有两种方法可行：一是使用高效的优化算法缩短信号优化时间，其次是通过改善预测方法和线圈布置提高预测精度。其中：我国绝大部分城市已实施触发式信号控制的交叉口，线圈一般埋设在入口道。如要增加线圈数量或改变线圈位置，将不可避免地带来较大附加购置与施工费用。因此，一个重要的问题就是如何在已有城市交叉口设施资源(信号控制器、信号灯及线圈等)配置下，通过信息共享与传递，综合考虑多个交叉口配时以实现交通流预测，并使用合理算法对交叉口信号配时进行实时优化。随着近年来物联网、云计算、移动互联网等新的技术的发展，信息互动、高速传输等变得更容易实施、成本更低。因此，自适应信号控制可借此实现更高层次的控制方案信息共享。这样一来，协同优化控制将不仅仅局限在干道的若干个交叉口上，而是扩展至任意方向相邻的交叉口，实现更大范围内的信号协同优化控制。但是，现有的信号协同控制策略在交通流预测方面略显不足，各分布式系统协同机制不够明确，这在一定层度上限制了自适应控制系统的效果。因此，在准确预测交通路网中各路段交通流基础上实现的信号协同控制有着重要的实际意义。经过对现有技术的检索发现，中国专利文献号CN103680127A公开(公告)日2014.03.26，公开了一种利用低采样率浮动车数据计算信号灯控制道路交叉口延误的方法，所述方法包括：原始轨迹数据预处理；提取浮动车通过各信号灯控制道路交叉口的通行轨迹片段并进行转向标识；分别针对单个浮动车通行轨迹片段进行延误计算，构建所有交叉口延误估算数据集；判断延误估算数据集规模与分布特征；根据分布特征采用不同模型计算交叉口延误，形成所有交叉口延误时序结果集。利用该技术可实现从低采样率轨迹数据中提取城市交叉口时间延误，有效弥补传统交叉口延误机理模型参数难以获取的缺陷，该方法可为城市出行信息平台、动态导航提供一种重要数据源，可应用于实时导航与位置服务系统、交通信息服务网站、交通规划管理与应急预案等。但该技术只是得到了延误的平均值计算模型，不能从微观角度分析经过交叉口每辆车的延误。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术存在的上述不足，提出一种城市区域多交叉口信号协同优化控制方法及系统，利用已有城市交叉口设施资源，通过预测交叉口车辆排队长度和排队等待时间信息，实现多交叉口信号配时动态优化与协同。本专利技术是通过以下技术方案实现的：本专利技术涉及一种城市区域多交叉口信号协同优化控制方法，基于模型预测‐控制的思想，每经过一个单位时间步长更新交叉口的交通状态，对预测时长内交通流进行估计，最后计算最优信号控制方案；当预测交通流变化时，根据车辆到达信息、上游交叉口的控制方案以及车辆自上游交叉口到达下游交叉口的行驶时间估计车辆到达排队末端的时间、排队车辆的数量变化、按车辆到达时信号相位估计车辆排队等待时间，然后以减少车辆排队等待时间为目标函数，计算未来多个单位时间步长内交叉口信号的相位顺序，最后根据最优控制方案更新信号灯状态，实现交叉口信号灯优化控制。所述的模型预测‐控制思想是指：每隔单位时间步长进行一次预测和优化，在得到预测时长内最优信号控制方案后，仅实施第一个单位时间步长内的控制方案。所述的预测时长是指对未来时间内交通流变化进行估计的时间范围，由若干个单位时间步长组成。所述的车辆到达信息是指：当车辆经过上游交叉口进口道检测线圈记录的时间信息以及按一定概率估计的行驶方向。所述的车辆排队等待时间是指：车辆进入排队状态时起算，至车辆离开该交叉口所经过的时间。所述的信号控制方案是指预测时长内各单位时间步长的信号相位顺序。本专利技术涉及上述方法的实现系统，包括：优化模块和与之相连的预测模块，其中：优化模块包括：分支定界单元和决策树模型单元，预测模块包括排队长度估计单元、车辆到达时间估计单元和排队等待时间估计单元，其中：分支定界单元与决策树模型单元相连并传输累计排队等待时间，决策树模型单元分别与排队等待时间估计单元和排队估计单元相连，接收车辆排队信息并输出信号控制方案，排队长度估计单元、车辆到达时间估计单元以及排队等待时间估计单元依次连接并传输实时车辆排队长度、车辆到达队伍末尾时间信息。技术效果相比于传统自适应交通信号控制，本专利技术采用了交叉口隐式协调方法，即在预测模块中充分考虑了上游交叉口车流量对下游交叉口排队长度和车辆到达时间的影响。优化模块针对单个交叉口信号配时本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种城市区域多交叉口信号协同优化控制方法，其特征在于，根据车辆离开上游交叉口时间以及上游交叉口的控制方案信息估计预测时长内车辆到达排队末端的时间、排队车辆的数量变化、按车辆到达时信号相位估计车辆排队等待时间，然后以此为目标函数，计算预测时长内的最优信号控制方案，最后更新信号灯状态；所述的预测时长是指对未来时间内交通流变化进行估计的时间范围，由若干个单位时间步长组成；所述的车辆到达信息是指：当车辆经过上游交叉口进口道检测线圈记录的时间信息以及按一定概率估计的行驶方向；所述的车辆排队等待时间是指：车辆进入排队状态时起算，至车辆离开该交叉口所经过的时间；所述的信号控制方案是指预测时长内各单位时间步长的信号相位顺序。

【技术特征摘要】
1.一种城市区域多交叉口信号协同优化控制方法，其特征在于，根据车辆离开上游交叉
口时间以及上游交叉口的控制方案信息估计预测时长内车辆到达排队末端的时间、排队车辆的
数量变化、按车辆到达时信号相位估计车辆排队等待时间，然后以此为目标函数，计算预测时
长内的最优信号控制方案，最后更新信号灯状态；
所述的预测时长是指对未来时间内交通流变化进行估计的时间范围，由若干个单位时间步
长组成；
所述的车辆到达信息是指：当车辆经过上游...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙健，陈书恺，张颖，薛睿，倪训友，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海;31