基于图像检测与全速度差模型的交通信号控制方法技术

为了解决现有交叉路口信号控制还不能同时考虑排队长度和交通流模型、影响车辆放行效率问题，本发明专利技术提出了一种基于图像检测与全速度差模型的交通信号控制方法，该方法设计了完整的多路图像检测方案，并以FPGA芯片作为交叉路口各个方向车辆排队长度的检测和处理中心，完成对交叉路口各个方向的图像快速采集、图像处理、车辆排队长度和行人信息提取；同时，设置了完整的交通“绿冲突”约束、建立了优化指标函数和多车辆跟驰约束交通流模型，采用交叉路口放行车辆优化和依赖交通流模型时间对应的两步法进行交通信号的优化配时，完成一个完整周期的交通信号控制优化设计；提高了交叉路口车辆放行效率。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种基于图像检测与全速度差模型的交通信号控制方法，属于信号处理、通信技术和交通信号控制技术。
技术介绍
近年来，随着各种交通工具的数量大大增加，国际上很多国家的设施、道路、交通管理系统已经很难适应这种发展速度，特别是大、中城市交通基础设施不足、交通信号控制的不协调、交通疏导系统缺乏、车辆调度和管理的混乱、交通参与者的交规意识淡薄等诸多方面的原因导致了城市交通较拥堵现象，由此又引发了交通安全、环境污染等一系列的社会经济问题；为此，国内外很多学者致力于交通拥堵问题研究，并试图以公交优先等优化调度方式解决城市交通拥堵问题；在北京、上海等十几个城市引进了国外的交通控制网络，期望能够缓解城市交通问题；由于中国城市交通控制问题远比国外工业发达国家复杂，特别是机动车、非机动车、行人的相互干扰、道路质量、投入经费等问题，使得国际许多著名交通控制系统在应用时常常效果不佳甚至失效；原因是国外的SCATS和SCOOT等系统仅仅考虑交通不拥堵情况，与控制系统配套的检测方案仅仅是进入或驶出交通路口的车流量，由此得到的优化方案常常出现错误；因此，以上措施和理想化的研究工作仍不能缓解交通拥堵问题。交通信号控制是利用交通信号，对道路上运行的车辆和行人进行指挥和疏导，交通信号自动控制是交通拥堵缓解控制的重要组成部分，是科学交通管理的一种有效手段，路口信号机是交通信号的控制器，其主要用于路口的信号灯控制，其既可以独立地实现控制，又可以实时地采集交通信息提供给中央控制机作为决策的依据；现有的信号机实现独立控制的功能已经比较强大：根据各交通路口的不同需要可以实现多相位控制方式；根据不同时间段交通流量的不同可以实现多时段的控制方式，并且还可以根据工作日与节假日来设置不同的控制方案；控制面板上的按钮可以方便的实现手动/自动、联动、感应、多时段、绿冲突等控制，并且配有通信接口，可以实现联网远程控制，以方便地使指挥中心对路口的信号机进行远程监控或通过便携机进行现场监控，满足区域协调控制的要求。通过交通图像检测、建立合理的交通流模型，是提高交叉路口车辆放行率的有效途径；而现有交叉路口信号控制方法还不能同时考虑排队长度和交通流模型，影响了交叉路口车辆放行效率。
技术实现思路
为了解决现有交叉路口信号控制还不能同时考虑排队长度和交通流模型、影响车辆放行效率问题，本专利技术提出了一种基于图像检测与全速度差模型的交通信号控制方法，该方法设计了完整的多路图像检测方案，并以FPGA芯片作为交叉路口各个方向车辆排队长度的检测和处理中心，完成对交叉路口各个方向的图像快速采集、图像处理、车辆排队长度和行人信息提取；同时，设置了完整的交通“绿冲突”约束、建立了优化指标函数和多车辆跟驰约束交通流模型，采用交叉路口放行车辆优化和依赖交通流模型时间对应的两步法进行交通信号的优化配时，完成一个完整周期的交通信号控制优化设计；提高了交叉路口车辆放行效率。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案：一种基于图像检测与全速度差模型的交通信号控制方法，其特征包含以下步骤：步骤1：交叉路口的交通信号控制方案每个信号周期设计一次，交通信号控制方案设计内容包括多路图像信息检测、“绿冲突”约束设置、排队车辆交通流模型、信号优化设计四部分内容；交通信号控制方案设计时间Tsheji小于给定值，在信号执行过程中不能反复调整；在执行下一个信号周期之前Tsheji时刻就设计该周期交通信号控制方案，以保证多路图像信息检测得到最新的交通状况；步骤2：将多路交通视频经过视频解码模块数字化后送入FPGA，在FPGA中先通过边缘检测和二值化、完成对图像进行预处理并将其存入SRAM缓冲，然后根据车道线像素构成的车道检测区域对图像进行分割和腐蚀，提取出路口各个方向排队车辆长度和车间距，并将相邻两帧图像中指定的同一区域在FPGA进行比较，获得有无目标运动信息以得到车辆运动速度；类似的方法用于检测行人多寡和行进速度；多路图像信息检测获取以下信息：⑴东向西直行：每个排队车辆的车间距、绿灯开启后排队车辆的每辆车到达斑马线时间、到达对面路口时间；⑵西向东直行：每个排队车辆的车间距、绿灯开启后排队车辆的每辆车到达斑马线时间、到达对面路口时间；⑶北向南直行：每个排队车辆的车间距、绿灯开启后排队车辆的每辆车到达斑马线时间、到达对面路口时间；⑷南向北直行：每个排队车辆的车间距、绿灯开启后排队车辆的每辆车到达斑马线时间、到达对面路口时间；⑸东向南左转：每个排队车辆的车间距、绿灯开启后排队车辆的每辆车到达斑马线时间、到达南路口时间；⑹西向北左转：每个排队车辆的车间距、绿灯开启后排队车辆的每辆车到达斑马线时间、到达北路口时间；⑺北向东左转：每个排队车辆的车间距、绿灯开启后排队车辆的每辆车到达斑马线时间、到达东路口时间；⑻南向西左转：每个排队车辆的车间距、绿灯开启后排队车辆的每辆车到达斑马线时间、到达西路口时间；⑼东向北右转：每个排队车辆的车间距、绿灯开启后排队车辆的每辆车到达斑马线时间、到达北路口时间；⑽西向南右转：每个排队车辆的车间距、绿灯开启后排队车辆的每辆车到达斑马线时间、到达南路口时间；⑾北向西右转：每个排队车辆的车间距、绿灯开启后排队车辆的每辆车到达斑马线时间、到达西路口时间；⑿南向东右转：每个排队车辆的车间距、绿灯开启后排队车辆的每辆车到达斑马线时间、到达东路口时间；⒀行人东向西：分别从右、左两边分析行人在人行绿灯开启后与车辆冲突，分析人数多寡及构成情况；⒁行人西向东：分别从右、左两边分析行人在人行绿灯开启后与车辆冲突，分析人数多寡及构成情况；⒂行人南向北：分别从右、左两边分析行人在人行绿灯开启后与车辆冲突，分析人数多寡及构成情况；⒃行人北向南：分别从右、左两边分析行人在人行绿灯开启后与车辆冲突，分析人数多寡及构成情况；步骤3：绿冲突约束：⑴对于车辆，定义下标第一个字母s是车辆自北向南方向，n是车辆自南向北方向，e是车辆自西向东方向，w是车辆自东向西方向；下标第二个字母s是车辆直行、r是车辆右转、l是车辆左转；下标第三个字母i表示绿灯开启时刻，f表示绿灯关闭时刻；下标rwr为行人从右手边、即北边、自东向西方向穿越交叉路口，rwl为行人从左手边、即南边、自东向西方向穿越交叉路口，rer为行人从右手边、即南边、自西向东方向穿越交叉路口，rel为行人从左手边、即北边、自西向东方向穿越交叉路口，rnr为行人从右手边、即东边、自南向北方...

【技术保护点】
一种基于图像检测与全速度差模型的交通信号控制方法，其特征包含以下步骤：步骤1：交叉路口的交通信号控制方案每个信号周期设计一次，交通信号控制方案设计内容包括多路图像信息检测、“绿冲突”约束设置、排队车辆交通流模型、信号优化设计四部分内容；交通信号控制方案设计时间Tsheji小于给定值，在信号执行过程中不能反复调整；在执行下一个信号周期之前Tsheji时刻就设计该周期交通信号控制方案，以保证多路图像信息检测得到最新的交通状况；步骤2：将多路交通视频经过视频解码模块数字化后送入FPGA，在FPGA中先通过边缘检测和二值化、完成对图像进行预处理并将其存入SRAM缓冲，然后根据车道线像素构成的车道检测区域对图像进行分割和腐蚀，提取出路口各个方向排队车辆长度和车间距，并将相邻两帧图像中指定的同一区域在FPGA进行比较，获得有无目标运动信息以得到车辆运动速度；类似的方法用于检测行人多寡和行进速度；多路图像信息检测获取以下信息：⑴东向西直行：每个排队车辆的车间距、绿灯开启后排队车辆的每辆车到达斑马线时间、到达对面路口时间；⑵西向东直行：每个排队车辆的车间距、绿灯开启后排队车辆的每辆车到达斑马线时间、到达对面路口时间；⑶北向南直行：每个排队车辆的车间距、绿灯开启后排队车辆的每辆车到达斑马线时间、到达对面路口时间；⑷南向北直行：每个排队车辆的车间距、绿灯开启后排队车辆的每辆车到达斑马线时间、到达对面路口时间；⑸东向南左转：每个排队车辆的车间距、绿灯开启后排队车辆的每辆车到达斑马线时间、到达南路口时间；⑹西向北左转：每个排队车辆的车间距、绿灯开启后排队车辆的每辆车到达斑马线时间、到达北路口时间；⑺北向东左转：每个排队车辆的车间距、绿灯开启后排队车辆的每辆车到达斑马线时间、到达东路口时间；⑻南向西左转：每个排队车辆的车间距、绿灯开启后排队车辆的每辆车到达斑马线时间、到达西路口时间；⑼东向北右转：每个排队车辆的车间距、绿灯开启后排队车辆的每辆车到达斑马线时间、到达北路口时间；⑽西向南右转：每个排队车辆的车间距、绿灯开启后排队车辆的每辆车到达斑马线时间、到达南路口时间；⑾北向西右转：每个排队车辆的车间距、绿灯开启后排队车辆的每辆车到达斑马线时间、到达西路口时间；⑿南向东右转：每个排队车辆的车间距、绿灯开启后排队车辆的每辆车到达斑马线时间、到达东路口时间；⒀行人东向西：分别从右、左两边分析行人在人行绿灯开启后与车辆冲突，分析人数多寡及构成情况；⒁行人西向东：分别从右、左两边分析行人在人行绿灯开启后与车辆冲突，分析人数多寡及构成情况；⒂行人南向北：分别从右、左两边分析行人在人行绿灯开启后与车辆冲突，分析人数多寡及构成情况；⒃行人北向南：分别从右、左两边分析行人在人行绿灯开启后与车辆冲突，分析人数多寡及构成情况；步骤3：绿冲突约束：⑴对于车辆，定义下标第一个字母s是车辆自北向南方向，n是车辆自南向北方向，e是车辆自西向东方向，w是车辆自东向西方向；下标第二个字母s是车辆直行、r是车辆右转、l是车辆左转；下标第三个字母i表示绿灯开启时刻，f表示绿灯关闭时刻；下标rwr为行人从右手边、即北边、自东向西方向穿越交叉路口，rwl为行人从左手边、即南边、自东向西方向穿越交叉路口，rer为行人从右手边、即南边、自西向东方向穿越交叉路口，rel为行人从左手边、即北边、自西向东方向穿越交叉路口，rnr为行人从右手边、即东边、自南向北方向穿越交叉路口，rnl为行人从左手边、即西边、自南向北方向穿越交叉路口，rsr为行人从右手边、即西边、自北向南方向穿越交叉路口，rsl为行人从左手边、即东边、自北向南方向穿越交叉路口；对于行人，下标第四个字母i表示绿灯开启时刻，f表示绿灯关闭时刻；⑵假设每个方向绿灯开启时间不同，每个周期内起始时间设为t0，周期设为T，车辆自北向南直行方向绿灯信号标识为车辆自北向南左转方向绿灯信号标识为车辆自北向南右转方向绿灯信号标识为车辆自南向北直行方向绿灯信号标识为车辆自南向北左转方向绿灯信号标识为车辆自南向北右转方向绿灯信号标识为车辆自西向东直行方向绿灯信号标识为车辆自西向东左转方向绿灯信号标识为车辆自西向东右转方向绿灯信号标识为车辆自东向西直行方向绿灯信号标识为车辆自东向西左转方向绿灯信号标识为车辆自东向西右转方向绿灯信号标识为⑶行人从右手边自东向西方向穿越交叉路口绿灯信号标识为行人从左手边自东向西方向穿越交叉路口绿灯信号标识为行人从右手边自西向东方向穿越交叉路口绿灯信号标识为行人从左手边自西向东方向穿越交叉路口绿灯信号标识为行人从右手边自南向北方向穿越交叉路口绿灯信号标识为行人从左手边自南向北方向穿越交叉路口绿灯信号标识为行人从右手边自北向南方向穿越交叉路口绿灯信号标识为行人从左手边自北向南方向穿越交叉路口绿灯信号标识为⑷必选的绿冲突约束为：bss·be...

【技术特征摘要】
1.一种基于图像检测与全速度差模型的交通信号控制方法，其特征包含以下步骤：
步骤1：交叉路口的交通信号控制方案每个信号周期设计一次，交通信号控制方案设计
内容包括多路图像信息检测、“绿冲突”约束设置、排队车辆交通流模型、信号优化设计四部
分内容；交通信号控制方案设计时间Tsheji小于给定值，在信号执行过程中不能反复调整；在
执行下一个信号周期之前Tsheji时刻就设计该周期交通信号控制方案，以保证多路图像信息
检测得到最新的交通状况；
步骤2：将多路交通视频经过视频解码模块数字化后送入FPGA，在FPGA中先通过边缘检
测和二值化、完成对图像进行预处理并将其存入SRAM缓冲，然后根据车道线像素构成的车
道检测区域对图像进行分割和腐蚀，提取出路口各个方向排队车辆长度和车间距，并将相
邻两帧图像中指定的同一区域在FPGA进行比较，获得有无目标运动信息以得到车辆运动速
度；类似的方法用于检测行人多寡和行进速度；多路图像信息检测获取以下信息：
⑴东向西直行：每个排队车辆的车间距、绿灯开启后排队车辆的每辆车到达斑马线时
间、到达对面路口时间；
⑵西向东直行：每个排队车辆的车间距、绿灯开启后排队车辆的每辆车到达斑马线时
间、到达对面路口时间；
⑶北向南直行：每个排队车辆的车间距、绿灯开启后排队车辆的每辆车到达斑马线时
间、到达对面路口时间；
⑷南向北直行：每个排队车辆的车间距、绿灯开启后排队车辆的每辆车到达斑马线时
间、到达对面路口时间；
⑸东向南左转：每个排队车辆的车间距、绿灯开启后排队车辆的每辆车到达斑马线时
间、到达南路口时间；
⑹西向北左转：每个排队车辆的车间距、绿灯开启后排队车辆的每辆车到达斑马线时
间、到达北路口时间；
⑺北向东左转：每个排队车辆的车间距、绿灯开启后排队车辆的每辆车到达斑马线时
间、到达东路口时间；
⑻南向西左转：每个排队车辆的车间距、绿灯开启后排队车辆的每辆车到达斑马线时
间、到达西路口时间；
⑼东向北右转：每个排队车辆的车间距、绿灯开启后排队车辆的每辆车到达斑马线时
间、到达北路口时间；
⑽西向南右转：每个排队车辆的车间距、绿灯开启后排队车辆的每辆车到达斑马线时
间、到达南路口时间；
⑾北向西右转：每个排队车辆的车间距、绿灯开启后排队车辆的每辆车到达斑马线时
间、到达西路口时间；
⑿南向东右转：每个排队车辆的车间距、绿灯开启后排队车辆的每辆车到达斑马线时
间、到达东路口时间；
⒀行人东向西：分别从右、左两边分析行人在人行绿灯开启后与车辆冲突，分析人数多
寡及构成情况；
⒁行人西向东：分别从右、左两边分析行人在人行绿灯开启后与车辆冲突，分析人数多
寡及构成情况；
⒂行人南向北：分别从右、左两边分析行人在人行绿灯开启后与车辆冲突，分析人数多
寡及构成情况；
⒃行人北向南：分别从右、左两边分析行人在人行绿灯开启后与车辆冲突，分析人数多
寡及构成情况；
步骤3：绿冲突约束：
⑴对于车辆，定义下标第一个字母s是车辆自北向南方向，n是车辆自南向北方向，e是
车辆自西向东方向，w是车辆自东向西方向；下标第二个字母s是车辆直行、r是车辆右转、l
是车辆左转；下标第三个字母i表示绿灯开启时刻，f表示绿灯关闭时刻；下标rwr为行人从
右手边、即北边、自东向西方向穿越交叉路口，rwl为行人从左手边、即南边、自东向西方向
穿越交叉路口，rer为行人从右手边、即南边、自西向东方向穿越交叉路口，rel为行人从左
手边、即北边、自西向东方向穿越交叉路口，rnr为行人从右手边、即东边、自南向北方向穿
越交叉路口，rnl为行人从左手边、即西边、自南向北方向穿越交叉路口，rsr为行人从右手
边、即西边、自北向南方向穿越交叉路口，rsl为行人从左手边、即东边、自北向南方向穿越
交叉路口；对于行人，下标第四个字母i表示绿灯开启时刻，f表示绿灯关闭时刻；
⑵假设每个方向绿灯开启时间不同，每个周期内起始时间设为t0，周期设为T，车辆自北向南直行
方向绿灯信号标识为车辆自北向南左转方向绿灯信号标识为
车辆自北向南右转方向绿灯信号标识为车辆自南向北直行方向绿灯信号标识为车辆自南向北
左转方向绿灯信号标识为车辆自南向北右转方向绿灯信号
标识为车辆自西向东直行方向绿灯信号标识为车辆自西向东
左转方向绿灯信号标识为车辆自西向东右转方向绿灯信号标
识为车辆自东向西直行方向绿灯信号标识为车辆自东向西
左转方向绿灯信号标识为车辆自东向西右转方向绿灯信号
标识为⑶行人从右手边自东向西方向穿越交叉路口绿灯信号标识为行人从左手边自东向西方向穿越交叉路口绿灯信号标识为行人从右手边自西向东方向穿越交叉路口绿灯信号标识为行人从左手边自西向东方向穿越交叉路口绿灯信号标识为行人从右手边自南向北方向穿越交叉路口绿灯信号标识为行人从左手边自南向北方向穿越交叉路口绿灯信号标识为行人从右手边自北向南方向穿越交叉路口绿灯信号标识为行人从左手边自北向南方向穿越交叉路口绿灯信号标识为⑷必选的绿冲突约束为：bss·bes＝0，bss·bws＝0，bss·bnl＝0，bns·bsl＝0，bes·bwl＝
0，bws·bel＝0，bss·brwr＝0，bss·brwl＝0，bss·brer＝0，bss·brel＝0，bns·bes＝0，bns·bws＝
0；bns·brwr＝0，bns·brwl＝0，bns·brer＝0，bns·brel＝0；
⑸选择采用的绿冲突约束为：
当东向西直行绿灯早于北向南方向左转，即向东方向，绿灯时，即
北向南左转方向绿灯开启时刻大于东向西直行绿灯结束时刻与东向西直行绿灯结束后最
后一辆车由斑马线通过北向南方向左转车道后的时间之和；
当东向西直行绿灯晚于北向南方向左转，即向东方向，绿灯时，即
东向西直行绿灯开启时刻大于北向南方向左转绿灯结束时刻与北向南左转方向绿灯结束
后最后一辆车由斑马线通过东向西直行车道后的时间之和；
当西向东直行绿灯早于南向北方向左转，即向西方向，绿灯时，即
南向北左转方向绿灯开启时刻大于西向东直行绿灯结束后最后一辆车由斑马线通过南向
北方向左转车道后的时间之和；
当西向东直行绿灯晚于南向北方向左转，即向西方向，绿灯时，即
西向东直行绿灯开启时刻大于南向北方向左转绿灯结束时刻与南向北左转方向绿灯结束
后最后一辆车由斑马线到达西向东直行车道后的时间之和；
当南向北直行绿灯早于东向西方向左转，即向南方向，绿灯时，即东向西左转方向绿灯开启时刻大于南向北直行绿灯结束时刻与南向北直行绿灯结束后
最后一辆车由斑马线通过东向西方向左转车道后的时间之和；
当南向北直行绿灯晚于东向西方向左转，即向南方向，绿灯时，即
南向北直行绿灯开启时刻大于东向西左转方向绿灯结束时刻与东向西左转方向绿灯结束
后最后一辆车由斑马线通过南向北直行车道后的时间之和；
当北向南直行绿灯早于西向东左转方向，即向北方向，绿灯时，即
西向东左转方向绿灯开启时刻大于北向南直行绿灯结束时刻与北向南直行绿灯结束后最
后一辆车由斑马线通过西向东方向左转车道后的时间之和；
当北向南直行绿灯晚于西向东左转方向，即向北方向，绿灯时，即
北向南直行绿灯开启时刻大于西向东方向左转绿灯结束时刻与西向东左转方向绿灯结束
后最后一辆车由斑马线到达北向南直行车道后的时间之和；
当北向南左转绿灯早于东向西右手方向行人绿灯时，trwri>tslf，即东向西右手方向行人
绿灯开启时间大于北向南左转绿灯结束时刻；
当北向南左转绿灯晚于东向西右手方向行人绿灯时，即北向南
左转绿灯开启时间大于东向西右手方向行人绿灯结束时刻与东向西右手方向行人绿灯结
束后东向西右手方向行人由等待线通过北向南左转方向车道的时间之和；
当西向东左转绿灯早于东向西右手方向行人绿灯时，即东向西
右手方向行人绿灯开启...

【专利技术属性】
技术研发人员：史忠科，王霞，夏天洁，
申请(专利权)人：西安费斯达自动化工程有限公司，
类型：发明
国别省市：陕西;61