一种自适应控制的多相位单交叉口信号控制系统及方法技术方案

本发明专利技术提供一种自适应控制的多相位单交叉口信号控制系统及方法。本发明专利技术通过将交叉口各个相位设置的车辆检测器测量出的车辆排队长度数据采集上传到数据处理平台，数据处理平台通过输入的各相位车辆排队长度差计算出伪雅克比矩阵，然后通过伪雅克比矩阵和理论排队长度差计算出该周期所要达到该排队长度差所需要的各相位绿灯配时，计算完成后将数据下发到信号机执行，待执行完后，开始进入下一个循环周期，以此实现交叉口的无模型自适应控制。以此实现交叉口的无模型自适应控制。以此实现交叉口的无模型自适应控制。

【技术实现步骤摘要】
一种自适应控制的多相位单交叉口信号控制系统及方法


[0001]本专利技术涉及智能交通控制
，尤其涉及一种基于数据驱动自适应控制的单交叉口信号控制系统及方法。

技术介绍

[0002]近年来，随着人口的迅速增长和城市化，国内各大城市的交通需求正在稳步上升，同时交通堵塞也在日益增长。交叉口作为调节城市交通的枢纽对交通出行和交通堵塞有很大的影响，故而交叉口的信号控制至关重要。
[0003]目前，国内交叉口信号控制多数为定时控制或者是干线协调控制，控制方法简单易实现，但是在车辆到达的随机性较大时控制效果比较差，不能根据车辆到达率的大小来适当调节信号灯配时，各个相位配时的不合理导致了大量的绿损失，降低了通行效率。
[0004]众多专家学者将Q学习、神经网络和模糊逻辑等各种模型广泛应用于交通控制上，能够有效提高交叉口通行效率。但是随着交通需求的不断增加，交通控制建模难度逐渐增大，工作量增加，模型控制效果逐渐变差且建立的模型只适用于特定饱和度流量的交通，算法比较复杂，不易于工程实现。

技术实现思路

[0005]本专利技术针对以上不足，提供基于数据驱动的交叉口自适应控制方法，本专利技术能够将无模型自适应控制运用到交通领域，不需要进行大量模型的建立就能够有效的缓解交叉口问题，工作量大大减少。本专利技术具体采用如下技术方案：
[0006]一种自适应控制的多相位单交叉口信号控制系统，该系统包括数据处理平台、交互服务器、车辆检测器、执行器；
[0007]车辆检测器，其检测各个相位在一个周期结束时的车辆排队长度，并将数据通过交互服务器发送到数据处理平台，所述车辆检测器为雷达检测器、视频检测器或地磁检测器；
[0008]数据处理平台，将接收所述车辆检测器收集的每周期各相位车辆排队长度数据，以每周期内各相位排队长度均衡为目标进行无模型自适应控制，通过前一周期的车辆排队数据计算出下一周期各相位的绿灯时间，并下发给执行器使其按照指令运行；
[0009]交互服务器，用于连接车辆检测器和数据处理平台，以及连接数据处理平台和执行器；其将数据转化成所述数据处理平台能够识别的数据，并将所述数据处理平台计算出的数据转化成执行器的指定；
[0010]执行器，接收数据处理平台经过交互服务器下发的指令，并让交叉口信号灯在下一周期执行。
[0011]优选地，该方法包括如下步骤：
[0012]第一步：由车辆检测器可得各相位的排队长度L(k)；
[0013]第二步：计算出各相位的排队长度差y(k)；其中y1(k)＝L1(k)
‑
L2(k)，y2(k)＝L2
(k)
‑
L3(k)，y3(k)＝L3(k)
‑
L4(k)
[0014]第三步：由排队长度差y(k)计算出该周期的伪分块雅克比矩阵Φ(k)；
[0015]第四步：将y(k)结合Φ(k)以及想要达到的排队长度差即理论排队长度差yd(k)计算出该周期各相位的绿灯时间g(k)；
[0016]第五步：并将第k周期的配时下发给执行器，并执行；
[0017]第六步：待执行器执行完第k周期时，k＝k+1，返回第一步，进入第k+1个周期。
[0018]优选地，该方法具体计算方式如下：
[0019]数据模型表示为：
[0020]y(k+1)
‑
y(k)＝Φ
p,L
(k)ΔG
L
(k)
ꢀꢀꢀ
(1)
[0021]其中，ΔGL(k)为一个由在滑动时间窗口[k
‑
L+1,k]内的所有控制输入向量组成的向量；
[0022]估计准则函数：
[0023]J(Φ
p,L
(k))＝||Δy(k)
‑
Φ
p,L
(k)ΔG
L
(k
‑
1)||2+μ||Φ
p,L
(k)
‑
Φ
p,L
(k
‑
1)||2[0024](2)
[0025]其中，Δy(k)表示k时刻排队长度差与k
‑
1时刻排队长度差的差值；
[0026]极小化(2)得到系统的伪分块雅克比矩阵Φ
p,L
(k):
[0027][0028]其中，Φ
p,L
(k)＝[Φ1(k),
…
,Φ
L
(k)]∈R
m
×
mL
，
[0029]为相应的子方阵
[0030]φ
ii1
(k)＝φ
ii1
(1),如果|φ
ii1
(k)|＜b2或|φ
ii1
(k)|＞αb2或sign(φ
ii1
(k))≠sign(φ
ii1
(1)),i＝1,
…
,m
[0031]φ
ij1
(k)＝φ
ij1
(1),如果|φ
ij1
(k)|＞b1或sign(φ
ij1
(k))≠sign(φ
ij1
(1)),i,j＝1,
…
,m,i≠j
[0032]其中，m表示矩阵的维度，α≥1；b2＞b1(2α+1)(m
‑
1)，a，b为常数；
[0033]ΔGL(k)＝[ΔgT(k),
…
,ΔgT(k
‑
L+1)]T
[0034]其中，Δg(k)为各相位绿灯时间k周期与k
‑
1周期的差值，Δg(k)＝g(k)
‑
g(k
‑
1)，y(k)是系统各个相位在第k个采样周期的控制输出排队长度差，g(k)是系统各个相位在第k个采样周期的控制输入绿灯时间，μ>0是权重因子，η是步长因子；
[0035]考虑如下控制各相位绿灯时间输入准则函数：
[0036]J(g(k))＝||yd(k+1)
‑
y(k+1)||2+λ||g(k)
‑
g(k
‑
1)||2ꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0037]将(1)代入(4)，对g(k)进行求导，并令其等于零可得各相位绿灯时间：
[0038][0039]其中，λ是避免信号变化过于激烈的惩罚因子，ρ1,
…
,ρ
L
为步长因子，yd(k+1)为目标排队长度差；
[0040]各相位绿灯时间约束：
[0041]如果g
i
＜g
min
[0042][0043]如果g
i
＞g
min
而且
[0044][0045]如果g
i
＞g
min...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种自适应控制的多相位单交叉口信号控制系统，该系统包括数据处理平台、交互服务器、车辆检测器、执行器，其特征在于，车辆检测器，其检测各个相位在一个周期结束时的车辆排队长度，并将数据通过交互服务器发送到数据处理平台，所述车辆检测器为雷达检测器、视频检测器或地磁检测器；数据处理平台，将接收所述车辆检测器收集的每周期各相位车辆排队长度数据，以每周期内各相位排队长度均衡为目标进行无模型自适应控制，通过前一周期的车辆排队数据计算出下一周期各相位的绿灯时间，并下发给执行器使其按照指令运行；交互服务器，用于连接车辆检测器和数据处理平台，以及连接数据处理平台和执行器；其将数据转化成所述数据处理平台能够识别的数据，并将所述数据处理平台计算出的数据转化成执行器的指定；执行器，接收数据处理平台经过交互服务器下发的指令，并让交叉口信号灯在下一周期执行。2.应用于如权利要求1所述的自适应控制的多相位单交叉口信号控制系统的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：第一步：由车辆检测器可得各相位的排队长度L(k)；第二步：计算出各相位的排队长度差y(k)；其中y1(k)＝L1(k)
‑
L2(k)，y2(k)＝L2(k)
‑
L3(k)，y3(k)＝L3(k)
‑
L4(k)第三步：由排队长度差y(k)计算出该周期的伪分块雅克比矩阵Φ(k)；第四步：将y(k)结合Φ(k)以及想要达到的排队长度差即理论排队长度差yd(k)计算出该周期各相位的绿灯时间g(k)；第五步：并将第k周期的配时下发给执行器，并执行；第六步：待执行器执行完第k周期时，k＝k+1，返回第一步，进入第k+1个周期。3.如权利要求2所述的应用于自适应控制的多相位单交叉口信号控制系统的方法，其特征在于，该方法具体计算方式如下：数据模型表示为：y(k+1)
‑
y(k)＝Φ
p,L
(k)ΔG
L
(k)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)其中，ΔGL(k)为一个由在滑动时间窗口[k
‑
L+1,k]内的所有控制输入向量组成的向量；估计准则函数：J(Φ
p,L
(k))＝||Δy(k)
‑
Φ
p,L
(k)ΔG
L
(k
‑
1)||2+μ||Φ
p,L
(k)
‑
Φ
p,L
(k
‑
1)||2(2)其中，Δy(k)表示k时刻排队长度差与k
‑
1时刻排队长度差的差值；极小化(2)得到系统的伪分块雅克比矩阵Φ
p,L
(k):其中，Φ
p,L...

【专利技术属性】
技术研发人员：王力，任叶，尹浩，吉鸿海，于泉，王庞伟，何忠贺，刘世达，
申请(专利权)人：北方工业大学，
类型：发明
国别省市：