基于圖像檢測與車間距偏差約束模型的交通信號控制方法
【專利摘要】為了解決現(xiàn)有交叉路口信號控制還不能同時考慮排隊長度和交通流模型、影響車輛放行效率問題，本發(fā)明提出了一種基于圖像檢測與車間距偏差約束模型的交通信號控制方法，該方法設(shè)計了完整的多路圖像檢測方案，并以FPGA芯片作為交叉路口各個方向車輛排隊長度的檢測和處理中心，完成對交叉路口各個方向的圖像快速采集、圖像處理、車輛排隊長度和行人信息提??；同時，設(shè)置了完整的交通“綠沖突”約束、建立了優(yōu)化指標(biāo)函數(shù)和多車輛跟馳約束交通流模型，采用交叉路口放行車輛優(yōu)化和依賴交通流模型時間對應(yīng)的兩步法進(jìn)行交通信號的優(yōu)化配時，完成一個完整周期的交通信號控制優(yōu)化設(shè)計；提高了交叉路口車輛放行效率。
【專利說明】
基于圖像檢測與車間距偏差約束模型的交通信號控制方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種基于圖像檢測與車間距偏差約束模型的交通信號控制方法，屬于 信號處理、通信技術(shù)和交通信號控制技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，隨著各種交通工具的數(shù)量大大增加，國際上很多國家的設(shè)施、道路、交通 管理系統(tǒng)已經(jīng)很難適應(yīng)運種發(fā)展速度，特別是大、中城市交通基礎(chǔ)設(shè)施不足、交通信號控制 的不協(xié)調(diào)、交通疏導(dǎo)系統(tǒng)缺乏、車輛調(diào)度和管理的混亂、交通參與者的交規(guī)意識淡薄等諸多 方面的原因?qū)е铝顺鞘薪煌ㄝ^擁堵現(xiàn)象，由此又引發(fā)了交通安全、環(huán)境污染等一系列的社 會經(jīng)濟(jì)問題;為此，國內(nèi)外很多學(xué)者致力于交通擁堵問題研究，并試圖W公交優(yōu)先等優(yōu)化調(diào) 度方式解決城市交通擁堵問題;在北京、上海等十幾個城市引進(jìn)了國外的交通控制網(wǎng)絡(luò)，期 望能夠緩解城市交通問題；由于中國城市交通控制問題遠(yuǎn)比國外工業(yè)發(fā)達(dá)國家復(fù)雜，特別 是機(jī)動車、非機(jī)動車、行人的相互干擾、道路質(zhì)量、投入經(jīng)費等問題，使得國際許多著名交通 控制系統(tǒng)在應(yīng)用時常常效果不佳甚至失效;原因是國外的SCATS和SCOOT等系統(tǒng)僅僅考慮交 通不擁堵情況，與控制系統(tǒng)配套的檢測方案僅僅是進(jìn)入或駛出交通路口的車流量，由此得 到的優(yōu)化方案常常出現(xiàn)錯誤；因此，W上措施和理想化的研究工作仍不能緩解交通擁堵問 題。
[0003] 交通信號控制是利用交通信號，對道路上運行的車輛和行人進(jìn)行指揮和疏導(dǎo)，交 通信號自動控制是交通擁堵緩解控制的重要組成部分，是科學(xué)交通管理的一種有效手段， 路口信號機(jī)是交通信號的控制器，其主要用于路口的信號燈控制，其既可W獨立地實現(xiàn)控 審IJ，又可W實時地采集交通信息提供給中央控制機(jī)作為決策的依據(jù);現(xiàn)有的信號機(jī)實現(xiàn)獨 立控制的功能已經(jīng)比較強(qiáng)大:根據(jù)各交通路口的不同需要可W實現(xiàn)多相位控制方式;根據(jù) 不同時間段交通流量的不同可W實現(xiàn)多時段的控制方式，并且還可W根據(jù)工作日與節(jié)假日 來設(shè)置不同的控制方案;控制面板上的按鈕可W方便的實現(xiàn)手動/自動、聯(lián)動、感應(yīng)、多時 段、綠沖突等控制，并且配有通信接口，可W實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程控制，W方便地使指揮中屯、對路 口的信號機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控或通過便攜機(jī)進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)控，滿足區(qū)域協(xié)調(diào)控制的要求。
[0004] 通過交通圖像檢測、建立合理的交通流模型，是提高交叉路口車輛放行率的有效 途徑;而現(xiàn)有交叉路口信號控制方法還不能同時考慮排隊長度和交通流模型，影響了交叉 路口車輛放行效率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 為了解決現(xiàn)有交叉路口信號控制還不能同時考慮排隊長度和交通流模型、影響車 輛放行效率問題，本發(fā)明提出了一種基于圖像檢測與車間距偏差約束模型的交通信號控制 方法，該方法設(shè)計了完整的多路圖像檢測方案，并WFPGA忍片作為交叉路口各個方向車輛 排隊長度的檢測和處理中屯、，完成對交叉路口各個方向的圖像快速采集、圖像處理、車輛排 隊長度和行人信息提取；同時，設(shè)置了完整的交通"綠沖努'約束、建立了優(yōu)化指標(biāo)函數(shù)和多 車輛跟馳約束交通流模型，采用交叉路口放行車輛優(yōu)化和依賴交通流模型時間對應(yīng)的兩步 法進(jìn)行交通信號的優(yōu)化配時，完成一個完整周期的交通信號控制優(yōu)化設(shè)計;提高了交叉路 口車輛放行效率。
[0006] 本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案:一種基于圖像檢測與車間距偏差約束 模型的交通信號控制方法，其特征包含W下步驟：
[0007] 步驟1:交叉路口的交通信號控制方案每個信號周期設(shè)計一次，交通信號控制方案 設(shè)計內(nèi)容包括多路圖像信息檢測、"綠沖突"約束設(shè)置、排隊車輛交通流模型、信號優(yōu)化設(shè)計 四部分內(nèi)容;交通信號控制方案設(shè)計時間TsheW小于給定值，在信號執(zhí)行過程中不能反復(fù)調(diào) 整;在執(zhí)行下一個信號周期之前TsheW時刻就設(shè)計該周期交通信號控制方案，W保證多路圖 像信息檢測得到最新的交通狀況；
[0008] 步驟2:將多路交通視頻經(jīng)過視頻解碼模塊數(shù)字化后送入FPGA，在FPGA中先通過邊 緣檢測和二值化、完成對圖像進(jìn)行預(yù)處理并將其存入SRAM緩沖，然后根據(jù)車道線像素構(gòu)成 的車道檢測區(qū)域?qū)D像進(jìn)行分割和腐蝕，提取出路口各個方向排隊車輛長度和車間距，并 將相鄰兩帖圖像中指定的同一區(qū)域在FPGA進(jìn)行比較，獲得有無目標(biāo)運動信息W得到車輛運 動速度;類似的方法用于檢測行人多寡和行進(jìn)速度;多路圖像信息檢測獲取W下信息：
[0009] (1)東向西直行:每個排隊車輛的車間距、綠燈開啟后排隊車輛的每輛車到達(dá)斑馬 線時間、到達(dá)對面路口時間；
[0010] 間西向東直行:每個排隊車輛的車間距、綠燈開啟后排隊車輛的每輛車到達(dá)斑馬 線時間、到達(dá)對面路口時間；
[0011] 間北向南直行:每個排隊車輛的車間距、綠燈開啟后排隊車輛的每輛車到達(dá)斑馬 線時間、到達(dá)對面路口時間；
[0012] (4)南向北直行:每個排隊車輛的車間距、綠燈開啟后排隊車輛的每輛車到達(dá)斑馬 線時間、到達(dá)對面路口時間；
[0013] 間東向南左轉(zhuǎn):每個排隊車輛的車間距、綠燈開啟后排隊車輛的每輛車到達(dá)斑馬 線時間、到達(dá)南路口時間；
[0014] 做西向北左轉(zhuǎn):每個排隊車輛的車間距、綠燈開啟后排隊車輛的每輛車到達(dá)斑馬 線時間、到達(dá)北路口時間；
[0015] 例北向東左轉(zhuǎn):每個排隊車輛的車間距、綠燈開啟后排隊車輛的每輛車到達(dá)斑馬 線時間、到達(dá)東路口時間；
[0016] 腳南向西左轉(zhuǎn):每個排隊車輛的車間距、綠燈開啟后排隊車輛的每輛車到達(dá)斑馬 線時間、到達(dá)西路口時間；
[0017] (9)東向北右轉(zhuǎn):每個排隊車輛的車間距、綠燈開啟后排隊車輛的每輛車到達(dá)斑馬 線時間、到達(dá)北路口時間；
[0018] (10)西向南右轉(zhuǎn):每個排隊車輛的車間距、綠燈開啟后排隊車輛的每輛車到達(dá)斑馬 線時間、到達(dá)南路口時間；
[0019] (11)北向西右轉(zhuǎn):每個排隊車輛的車間距、綠燈開啟后排隊車輛的每輛車到達(dá)斑馬 線時間、到達(dá)西路口時間；
[0020] (12)南向東右轉(zhuǎn):每個排隊車輛的車間距、綠燈開啟后排隊車輛的每輛車到達(dá)斑馬 線時間、到達(dá)東路口時間；
[0021] (13)行人東向西:分別從右、左兩邊分析行人在人行綠燈開啟后與車輛沖突，分析人 數(shù)多寡及構(gòu)成情況；
[0022] (14)行人西向東:分別從右、左兩邊分析行人在人行綠燈開啟后與車輛沖突，分析人 數(shù)多寡及構(gòu)成情況；
[0023] (15)行人南向北:分別從右、左兩邊分析行人在人行綠燈開啟后與車輛沖突，分析人 數(shù)多寡及構(gòu)成情況；
[0024] (16)行人北向南:分別從右、左兩邊分析行人在人行綠燈開啟后與車輛沖突，分析人 數(shù)多寡及構(gòu)成情況；
[0025] 步驟3:綠沖突約束；
[0026] (1)對于車輛，定義下標(biāo)第一個字母S是車輛自北向南方向，n是車輛自南向北方向， e是車輛自西向東方向，W是車輛自東向西方向；下標(biāo)第二個字母S是車輛直行、r是車輛右 轉(zhuǎn)、1是車輛左轉(zhuǎn);下標(biāo)第S個字母i表示綠燈開啟時刻，f表示綠燈關(guān)閉時刻；下標(biāo)rwr為行 人從右手邊、即北邊、自東向西方向穿越交叉路口，rwl為行人從左手邊、即南邊、自東向西 方向穿越交叉路口，rer為行人從右手邊、即南邊、自西向東方向穿越交叉路口，rel為行人 從左手邊、即北邊、自西向東方向穿越交叉路口，rnr為行人從右手邊、即東邊、自南向北方 向穿越交叉路口，rnl為行人從左手邊、即西邊、自南向北方向穿越交叉路口，rsr為行人從 右手邊、即西邊、自北向南方向穿越交叉路口，rsl為行人從左手邊、即東邊、自北向南方向 穿越交叉路口；對于行人，下標(biāo)第四個字母i表示綠燈開啟時刻，f表示綠燈關(guān)閉時刻；
[0027] 間假設(shè)每個方向綠燈開啟時間不同，每個周期內(nèi)起始時間設(shè)為to,周期設(shè)為T，車 輛自北向南直行方向綠燈信號標(biāo)識呆
'車輛自北向南左轉(zhuǎn)方 向綠燈信號標(biāo)識^車輛自北向南右轉(zhuǎn)方向綠燈信號標(biāo)識為 一
./、
[0028] 車輛自南向北直行方向綠燈信號標(biāo)識
車輛自南 向北左轉(zhuǎn)方向綠燈信號標(biāo)識巧
輛自南向北右轉(zhuǎn)方向綠燈 信號標(biāo)識巧
[0029] 車輛自西向東直行方向綠燈信號標(biāo)識3
車輛自西 向東左轉(zhuǎn)方向綠燈信號標(biāo)識為，車輛自西向東右轉(zhuǎn)方向綠燈信 、：
號標(biāo)識天
[0030] 車輛自東向西直行方向綠燈信號標(biāo)識夫
^^輛自 東向西左轉(zhuǎn)方向綠燈信號標(biāo)識）
車輛自東向西右轉(zhuǎn)方向綠 燈信號標(biāo)識；

[0031] 巧)行人從右手邊自東向西方向穿越交叉路口緑廳信號標(biāo)i只另
[0032] 行人從左手邊自東向西方向穿越交叉路口綠燈信號標(biāo)識3
[0033] 行人從右手邊自西向東方向穿越交叉路口綠燈信號標(biāo)識為，
[0034] 行人從左手邊自西向東方向穿越交叉路口綠燈信號標(biāo)識為 [003引行人從右手邊自南郵k方向穿越交叉路口綠燈信號標(biāo)識為，
[0036] 行人從左手邊自南郵巧向穿越交叉路口緻:了信號梳M為6
[0037] 行人從右手邊自北向南方向穿越交叉路口緻:T信號梳M為皮 [003引行人從左手邊自北向南方向穿越交叉路口綠燈信號標(biāo)識為
[0039] (4)必選的綠沖突約束為：bss ? bes = 〇，bss ? bws = 〇，bss ? bnl = U，bns ? bsl = 0，bes ? bwl = 〇，bws ? bel = 0，bss ? brwr = 〇，bss ? brwl = 〇，bss ? brer = 〇，bss ? brel = 〇，bns ? bes = 〇，bns ? bws = 〇;bns ? brwr = 〇，bns ? brwl = 〇，bns ? brer = 〇，bns ? brel = 〇;
[0040] 間選擇采用的綠沖突約束為：
[0041] 當(dāng)東向西直行綠燈早于北向南方向左轉(zhuǎn)，即向東方向，綠燈時，
即北向南左轉(zhuǎn)方向綠燈開啟時刻大于東向西直行綠燈結(jié)束時刻與東
向西直行綠燈結(jié)束后最后一輛車由斑馬線通過北向南方向左轉(zhuǎn)車道后的時間之 和；
[0042] 當(dāng)東向西直行綠燈晚于北向南方向左轉(zhuǎn)，即向東方向，綠燈時 即東向西直行綠燈開啟時刻大于北向南方向左轉(zhuǎn)綠燈結(jié)束時刻與； 束后最后一輛車由斑馬線通過東向西直行車道后的時間,之坪
[0043] 當(dāng)西向東直行綠燈早于南向北方向左轉(zhuǎn)，即向西方向，綠燈巧 即南向北左轉(zhuǎn)方向綠燈開啟時刻大于西向東直行綠燈結(jié)束后最后- 向北方向左轉(zhuǎn)車道后的時間之和；
[0044] 當(dāng)西向東直行綠燈晚于南向北方向左轉(zhuǎn)，即向西方向，綠燈曰、 即西向東直行綠燈開啟時刻大于南向北方向左轉(zhuǎn)綠燈結(jié)束時刻與I 束后最后一輛車由斑馬線到達(dá)西向東直行車道后的時間,之巧
[0045] 當(dāng)南向北直行綠燈早于東向西方向左轉(zhuǎn)，即向南方向，綠燈時 即東向西左轉(zhuǎn)方向綠燈開啟時刻大于南向北直行綠燈結(jié)束時刻與I 最后一輛車由斑馬線通過東向西方向左轉(zhuǎn)車道后的時間^^^_、^之3
[0046] 當(dāng)南向北直行綠燈晚于東向西方向左轉(zhuǎn)，即向南方向，綠燈時 即南向北直行綠燈開啟時刻大于東向西左轉(zhuǎn)方向綠燈結(jié)束時刻與： 束后最后一輛車由斑馬線通過南向北直行車道后的時間之3
[0047] 當(dāng)北向南直行綠燈早于西向東左轉(zhuǎn)方向，即向北方向，綠燈曰- 即西向東左轉(zhuǎn)方向綠燈開啟時刻大于北向南直行綠燈結(jié)束時刻與； 最后一輛車由斑馬線通過西向東方向左轉(zhuǎn)車道后的時間之巧
[004引當(dāng)北向南直行綠燈晚于西向東左轉(zhuǎn)方向，即向北方向，綠燈曰- 即北向南直行綠燈開啟時刻大于西向東方向左轉(zhuǎn)綠燈結(jié)束時刻與西向東左轉(zhuǎn)方向綠燈結(jié) 束后最后一輛車由斑馬線到達(dá)北向南直行車道后的時間之和；
[0049]當(dāng)北向南左轉(zhuǎn)綠燈早于東向西右手方向行人綠燈時，trwriHslf，即東向西右手方 向行人綠燈開啟時間大于北向南左轉(zhuǎn)綠燈結(jié)束時刻；
[0化0]當(dāng)北向南左轉(zhuǎn)綠燈晚于東向西右手方向行人綠燈時，_,/，即北 向南左轉(zhuǎn)綠燈開啟時間大于東向西右手方向行人綠燈結(jié)束時刻與東向西右手方向行人綠 燈結(jié)束后東向西右手方向行人由等待線通過北向南左轉(zhuǎn)方向車道的時間之和；
[0化1]當(dāng)西向東左轉(zhuǎn)綠燈早于東向西右手方向行人綠燈時，W./ > f。// +馬// rm.，即東 向西右手方向行人綠燈開啟時間大于西向東左轉(zhuǎn)綠燈結(jié)束時刻與西向東左轉(zhuǎn)綠燈結(jié)束后 最后一輛車由斑馬線到達(dá)南向北車道后的時間之和；
[0052]當(dāng)西向東左轉(zhuǎn)綠燈晚于東向西右手方向行人綠燈時，teliHrwrf，即西向東左轉(zhuǎn)綠 燈開啟時間大于東向西右手方向行人綠燈結(jié)束時刻；
[0化3] 當(dāng)南向北左轉(zhuǎn)綠燈早于東向西左手方向行人綠燈時，trwliHnlf，即東向西左手方
向行人綠燈開啟時間大于南向北左轉(zhuǎn)綠燈結(jié)束時刻；
[0化4]當(dāng)南向北左轉(zhuǎn)綠燈晚于東向西左手方向行人綠燈日 I南 向北左轉(zhuǎn)綠燈開啟時間大于東向西左手方向行人綠燈結(jié)束I .綠 燈結(jié)束后東向西左手方向行人由等待線通過南向北左轉(zhuǎn)方向
[0化5]當(dāng)東向西左轉(zhuǎn)綠燈早于東向西左手方向行人綠燈 ，即 東向西左手方向行人綠燈開啟時間大于東向西左轉(zhuǎn)綠燈結(jié)束時刻與東向西左轉(zhuǎn)綠燈結(jié)束 后最后一輛車由斑馬線到達(dá)北向南車道后的時間之和；
[0化6] 當(dāng)東向西左轉(zhuǎn)綠燈晚于東向西左手方向行人綠燈時，teliHrwlf，即西向東左轉(zhuǎn)綠 燈開啟時間大于東向西左手方向行人綠燈結(jié)束時刻；
[0057]當(dāng)南向北左轉(zhuǎn)綠燈早于西向東右手方向行人綠燈時，treriHnlf，即西向東右方向 行人綠燈開啟時間大于南向北左轉(zhuǎn)綠燈結(jié)束時刻；
[005引當(dāng)南向北左轉(zhuǎn)綠燈晚于西向東右手方向行人綠燈時
，即南 向北左轉(zhuǎn)綠燈開啟時間大于西向東右手方向行人綠燈結(jié)束時刻與西向東右手方向行人綠 燈結(jié)束結(jié)束后西向東右手方向行人由等待線通過南向北左轉(zhuǎn)方向車道的時間之 和；
[0059] 當(dāng)東向西左轉(zhuǎn)綠燈早于西向東右手方向行人綠燈時
，即 西向東右手方向行人綠燈開啟時間大于東向西左轉(zhuǎn)綠燈結(jié)束時刻與東向西左轉(zhuǎn)綠燈結(jié)束 后最后一輛車由斑馬線到達(dá)北向南車道后的時間與之和；
[0060] 當(dāng)東向西左轉(zhuǎn)綠燈晚于西向東右手方向行人綠燈時，teliHrwrf，即西向東左轉(zhuǎn)綠 燈開啟時間大于西向東右手方向行人綠燈結(jié)束時刻；
[0061] 當(dāng)北向南左轉(zhuǎn)綠燈早于西向東左手方向行人綠燈時，treliHslf，即西向東左手方 向行人綠燈開啟時間大于北向南左轉(zhuǎn)綠燈結(jié)束時刻；
[0062] 當(dāng)北向南左轉(zhuǎn)綠燈晚于西向東左手方向行人綠燈時
即北 向南左轉(zhuǎn)綠燈開啟時間大于西向東左手方向行人綠燈結(jié)束時刻與西向東左手方向行人綠 燈結(jié)束后西向東左手方向行人由等待線通過北向南左轉(zhuǎn)方向車道的時間之和；
[0063] 當(dāng)西向東左轉(zhuǎn)綠燈早于西向東左手方向行人綠燈時：
即西 向東左手方向行人綠燈開啟時間大于西向東左轉(zhuǎn)綠燈結(jié)束時刻與西向東左轉(zhuǎn)綠燈結(jié)束后 最后一輛車由斑馬線到達(dá)南向北車道后的時間寫//_w/之和；
[0064] 當(dāng)西向東左轉(zhuǎn)綠燈晚于西向東左手方向行人綠燈時，teliHrelf，即西向東左轉(zhuǎn)綠 燈開啟時間大于西向東左手方向行人綠燈結(jié)束時刻；
[0065] 將路口方向逆時針旋轉(zhuǎn)90度，即北代替原來東、西代替原來北、南代替原來西、東 代替原來南，同理可W得到南向北、北向南行人的綠沖突約束條件；
[0066] 步驟4:交通流模型動態(tài)約束表達(dá)如下：
[0067] ①車間距偏差模型：
[006引
（1)
[0069] 式中，xn(t)是時亥IJt第n輛車所在位置，是時亥IJt第n輛車的速度，是時 也 dr 亥Ijt第n輛車的加速度。A ^(1:)=^-1(1:)-孔(1:)是第]1輛車與其前車]1-1之間的車頭間距，￥ (?)是優(yōu)化速度函數(shù)，a是敏感系數(shù)，K是車頭間距估計偏差的對應(yīng)參數(shù);模型右端表示本車 速度小于最優(yōu)速度時，則本車加速，否則本車減速；
[0070] ②將近似表達(dá)為：
[0071 ]
口）
[0072] 其中，T為采樣周期；
[0073] 得到模型（1)的差分形式：
[0074] Xn(t+2T)-Xn(t+T)=aT2V{(l+K)[Xn-l(t)-Xn(t)]} + (l-aT)[Xn(tW)-Xn(t)] (3)
[0075] 進(jìn)而得到遞推計算式：
[0076]
(4)
[0077] 其中，V[ A XnQT)]是第n輛車在t = iT時的優(yōu)化速度函數(shù)，N為正整數(shù)；
[007引③給定Xn(O) = 0，Xn(l) = 0,根據(jù)（4)式可 W得到當(dāng) I Xn[(N+l)T]-Ln I <8時的N，其 中，Ln為第n輛排隊車輛在綠燈開啟后要行駛的距離，S為給定的正數(shù)；
[0079] 經(jīng)驗統(tǒng)計得到第n輛排隊車輛在綠燈開啟后需要延時tdn后才能開動，運樣，第n輛 排隊車輛在綠燈開啟后要行駛距離Ln所需時間W為:tnf = tdn+NT;
[0080] 步驟5:信號優(yōu)化配時方法如下：
[0081] (1)建立優(yōu)化指標(biāo)：
[0082] J -min {入ewsLews+入enrLenr+人es止esl+入wesLwes+入wnlLwnl+入WsrLwsr+
[0083] 入 snsLsns+入 SerLser+入 3\￥止3\?1+、1331^。33+、1機(jī)'1^。機(jī)'+、16止。61+口6機(jī)'尺6機(jī)'+
[0084] PewlRewl+P\rerRwer+P\relRwel+PnsrRnsr+PnslRnsl+PsnrRsnr+PsnlRsnl}
[0085] 其中：A表示車輛加權(quán)系數(shù)，L表示排隊車輛長度，P表示行人加權(quán)系數(shù)，R表示行人 數(shù)，A和L的下標(biāo)第I和第2位的e，s，w，n分別表示東、南、西、北方向，且第I位朝向第2位方向； 第S位S，r，l分別表示直行、右轉(zhuǎn)和左轉(zhuǎn);例如Lews為東向西直行方向的車輛排隊隊長，入ews 為東向西直行方向的車輛排加權(quán)系數(shù);P和R下標(biāo)第1和第2位的e，s，w，n分別表示東、南、西、 北方向，且第1位朝向第2位方向；第=位l，r分別表示從前進(jìn)方向的左手邊或右手邊穿越人 行道；
[0086] (2)選取交叉路口信號總周期：
[0087] Tz 二 fz 化ews , Lwes , Lsns , Lnss )
[0088] 其中：Tz為所有方向車輛和行人綠燈放行時間并集，即交叉路口信號總周期，fz (；Lews，Lwes，Lsns，Lnss )為根據(jù)經(jīng)驗已經(jīng)確定的函數(shù)；
[0089] 根據(jù)步驟5(1)的優(yōu)化指標(biāo)和步驟3的綠沖突約束，采用線性規(guī)劃方法確定各個綠 燈開啟、持續(xù)時間及需要放行的車輛數(shù)；
[0090] (3)根據(jù)步驟4的改進(jìn)跟馳車輛交通流模型確定放行車輛數(shù)與放行時間的關(guān)系，按 照各個方向需要放行的車輛數(shù)，對步驟5(2)確定的各個綠燈開啟、持續(xù)時間進(jìn)行修正，確定 信號總周期。
[0091] 本發(fā)明的有益效果是:設(shè)計了完整的多路圖像檢測方案，并WFPGA忍片作為交叉 路口各個方向車輛排隊長度的檢測和處理中屯、，完成對交叉路口各個方向的圖像快速采 集、圖像處理、車輛排隊長度和行人信息提??；同時，設(shè)置了完整的交通"綠沖突"約束、建立 了優(yōu)化指標(biāo)函數(shù)和多車輛跟馳約束交通流模型，采用交叉路口放行車輛優(yōu)化和依賴交通流 模型時間對應(yīng)的兩步法進(jìn)行交通信號的優(yōu)化配時，完成一個完整周期的交通信號控制優(yōu)化 設(shè)計;提高了交叉路口車輛放行效率。
[0092] 下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作詳細(xì)說明。
【附圖說明】
[0093] 附圖1是本發(fā)明的流程結(jié)構(gòu)框圖；
[0094] 附圖2是本發(fā)明的圖像采集與排隊長度提取硬件結(jié)構(gòu)框圖。
【具體實施方式】
[00巧]參照附圖1、附圖2。
[0096] 步驟1:交叉路口的交通信號控制方案每個信號周期設(shè)計一次，交通信號控制方案 設(shè)計內(nèi)容包括多路圖像信息檢測、"綠沖突"約束設(shè)置、排隊車輛交通流模型、信號優(yōu)化設(shè)計 四部分內(nèi)容;交通信號控制方案設(shè)計時間TsheW小于給定值，在信號執(zhí)行過程中不能反復(fù)調(diào) 整;在執(zhí)行下一個信號周期之前TsheW時刻就設(shè)計該周期交通信號控制方案，W保證多路圖 像信息檢測得到最新的交通狀況；
[0097] 步驟2:每個方向視頻采集單元采用4個CCD，它可W把現(xiàn)場圖像采集進(jìn)來并送給A/ D轉(zhuǎn)化忍片作進(jìn)一步處理;A/D忍片采用PHILIPS公司的711IH忍片，711IH忍片有4個模擬通 道，通過分時采集4路的圖像信號，分時進(jìn)行處理，可W通過編程選擇7111的轉(zhuǎn)換模式，通過 I2C總線進(jìn)行編程，完成7111H的初始化工作，信號的輸出格式也由I2C總線進(jìn)行控制，采用 CCIR601的4:2:2格式;運樣，現(xiàn)場圖像就從模擬數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，可W通過緩存器，送 給FPGA忍片進(jìn)行相應(yīng)的處理;FPGA采用美國Altera公司的切clone系列FPGA中的EP1C12忍 片;該忍片密集度達(dá)12060個LE單元(每個LE包括一個LUT，一個觸發(fā)器和相關(guān)邏輯，是忍片 實現(xiàn)邏輯的最基本結(jié)構(gòu)，也是FPGA綜合性能評價的主要指標(biāo)），完全能夠滿足圖像處理算法 和系統(tǒng)邏輯控制的需要；169個用戶可用I/O端口滿足系統(tǒng)實現(xiàn)圖像采集和存儲的多個忍片 連接要求;緩沖器采用了FIFO器件1041V;由A/D轉(zhuǎn)換忍片轉(zhuǎn)換而來的視頻數(shù)據(jù)直接進(jìn)入 FIFO,在FIFO中暫時存放；當(dāng)FPGA需要對其進(jìn)行處理時，可W通過重復(fù)讀指令進(jìn)行讀操作， 因為重復(fù)指令可W把一條多到5個周期的指令變?yōu)?個周期的指令，所WFPGA-次可W讀大 量的數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)緩沖的功能;將多路交通視頻經(jīng)過視頻解碼模塊數(shù)字化后送入FPGA，在 FPGA中先通過邊緣檢測和二值化完成對圖像進(jìn)行預(yù)處理并將其存入SRAM緩沖，然后根據(jù)車 道線像素構(gòu)成的車道檢測區(qū)域?qū)D像進(jìn)行分割和腐蝕，提取出路口各個方向排隊車輛長度 和車間距，并將相鄰兩帖圖像中指定的同一區(qū)域在FPGA進(jìn)行比較，獲得有無目標(biāo)運動信息 W得到車輛運動速度;類似的方法用于檢測行人多寡和行進(jìn)速度;多路圖像信息檢測獲取 W下信息：
[0098] (1)東向西直行:每個排隊車輛的車間距、綠燈開啟后排隊車輛的每輛車到達(dá)斑馬 線時間、到達(dá)對面路口時間；
[0099] 間西向東直行:每個排隊車輛的車間距、綠燈開啟后排隊車輛的每輛車到達(dá)斑馬 線時間、到達(dá)對面路口時間；
[0100] 間北向南直行:每個排隊車輛的車間距、綠燈開啟后排隊車輛的每輛車到達(dá)斑馬 線時間、到達(dá)對面路口時間；
[0101] (4)南向北直行:每個排隊車輛的車間距、綠燈開啟后排隊車輛的每輛車到達(dá)斑馬 線時間、到達(dá)對面路口時間；
[0102] 間東向南左轉(zhuǎn):每個排隊車輛的車間距、綠燈開啟后排隊車輛的每輛車到達(dá)斑馬 線時間、到達(dá)南路口時間；
[0103] 做西向北左轉(zhuǎn):每個排隊車輛的車間距、綠燈開啟后排隊車輛的每輛車到達(dá)斑馬 線時間、到達(dá)北路口時間；
[0104] 例北向東左轉(zhuǎn):每個排隊車輛的車間距、綠燈開啟后排隊車輛的每輛車到達(dá)斑馬 線時間、到達(dá)東路口時間；
[0105] 腳南向西左轉(zhuǎn):每個排隊車輛的車間距、綠燈開啟后排隊車輛的每輛車到達(dá)斑馬 線時間、到達(dá)西路口時間；
[0106] (9)東向北右轉(zhuǎn):每個排隊車輛的車間距、綠燈開啟后排隊車輛的每輛車到達(dá)斑馬 線時間、到達(dá)北路口時間；
[0107] (10)西向南右轉(zhuǎn):每個排隊車輛的車間距、綠燈開啟后排隊車輛的每輛車到達(dá)斑馬 線時間、到達(dá)南路口時間；
[0108] (11)北向西右轉(zhuǎn):每個排隊車輛的車間距、綠燈開啟后排隊車輛的每輛車到達(dá)斑馬 線時間、到達(dá)西路口時間；
[0109] (12)南向東右轉(zhuǎn):每個排隊車輛的車間距、綠燈開啟后排隊車輛的每輛車到達(dá)斑馬 線時間、到達(dá)東路口時間；
[0110] (13)行人東向西:分別從右、左兩邊分析行人在人行綠燈開啟后與車輛沖突，分析人 數(shù)多寡及構(gòu)成情況；
[0111] (14)行人西向東:分別從右、左兩邊分析行人在人行綠燈開啟后與車輛沖突，分析人 數(shù)多寡及構(gòu)成情況；
[0112] (15)行人南向北:分別從右、左兩邊分析行人在人行綠燈開啟后與車輛沖突，分析人 數(shù)多寡及構(gòu)成情況；
[0113] (16)行人北向南:分別從右、左兩邊分析行人在人行綠燈開啟后與車輛沖突，分析人 數(shù)多寡及構(gòu)成情況；
[0114] 步驟3:綠沖突約束；
[0115] (1)對于車輛，定義下標(biāo)第一個字母S是車輛自北向南方向，n是車輛自南向北方向， e是車輛自西向東方向，W是車輛自東向西方向；下標(biāo)第二個字母S是車輛直行、r是車輛右 轉(zhuǎn)、1是車輛左轉(zhuǎn);下標(biāo)第S個字母i表示綠燈開啟時刻，f表示綠燈關(guān)閉時刻；下標(biāo)rwr為行 人從右手邊、即北邊、自東向西方向穿越交叉路口，rwl為行人從左手邊、即南邊、自東向西 方向穿越交叉路口，rer為行人從右手邊、即南邊、自西向東方向穿越交叉路口，rel為行人 從左手邊、即北邊、自西向東方向穿越交叉路口，rnr為行人從右手邊、即東邊、自南向北方 向穿越交叉路口，rnl為行人從左手邊、即西邊、自南向北方向穿越交叉路口，rsr為行人從 右手邊、即西邊、自北向南方向穿越交叉路口，rsl為行人從左手邊、即東邊、自北向南方向 穿越交叉路口；對于行人，下標(biāo)第四個字母i表示綠燈開啟時刻，f表示綠燈關(guān)閉時刻；
[0116] 間假設(shè)每個方向綠燈開啟時間不同，每個周期內(nèi)起始時間設(shè)為to,周期設(shè)為T，車 輛自北向南直行方向綠燈信號標(biāo)識^
，車輛自北向南左轉(zhuǎn)方 向綠燈信號標(biāo)識3
，車輛自北向南右轉(zhuǎn)方向綠燈信號標(biāo)識為
[0117] 車輛自南向北直行方向綠燈信號標(biāo)識^
，車輛自南 向北左轉(zhuǎn)方向綠燈信號標(biāo)識3
，車輛自南向北右轉(zhuǎn)方向綠燈 倍號標(biāo)識3
.，
[0118] 車輛自西向東直行方向綠燈信號標(biāo)識夫
車輛自西 向東左轉(zhuǎn)方向綠燈信號標(biāo)識3
，車輛自西向東右轉(zhuǎn)方向綠燈信 號標(biāo)識為^
[0119] 車輛自東向西直行方向綠燈信號標(biāo)識^
，車輛自東 向西左轉(zhuǎn)方向綠燈信號標(biāo)識），車輛自東向西右轉(zhuǎn)方向綠燈 、'
f目號標(biāo)識3

[0120] (3片于人從右手邊自東向西方向穿越交鶏口綠燈信號t郝 '
[01別]行人從左手邊自東向西方向穿越交叉路口緑廳信號標(biāo)識 ，
[012^ 行人從右手邊自西向東方向穿越交叉路口綠燈信號標(biāo)，
[012引行人從左手邊自西向東方向穿越交叉路口緑廳信號標(biāo)識 ，
[0124] 行人從右手邊自南郵巧向穿越交叉路口緻:了信號梳R ，
[0125] 行AA化手邊自南向北方向穿越卿各口綠燈信號申射蜘 ，
[012W 行人從右手邊自北向南方向穿越交叉路口綠燈信號梳R ,
[0127]行人從￡手邊自北向南方向穿越交鶏口綠燈信號t棘巧 ，；
[012引（4)必選的綠沖突約束為: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 二0;bns ? brwr 二0，bns ? brwl 二0，bns ? brer 二0，bns ? brel二0;
[0129] 間選擇采用的綠沖突約束為：
[0130] 當(dāng)東向西直行綠燈早于北向南方向左轉(zhuǎn)，即向東方向，綠燈時，+ 即北向南左轉(zhuǎn)方向綠燈開啟時刻大于東向西直行綠燈結(jié)束時刻與東向西直行綠燈結(jié)束后 最后一輛車由斑馬線通過北向南方向左轉(zhuǎn)車道后的時間:馬之和；
[0131 ]當(dāng)東向西直行綠燈晚于北向南方向左轉(zhuǎn)，即向東方向，綠燈時，> fy/ + ，： 即東向西直行綠燈開啟時刻大于北向南方向左轉(zhuǎn)綠燈結(jié)束時刻與北向南左轉(zhuǎn)方向綠燈結(jié) 束后最后一輛車由斑馬線通過東向西直行車道后的時間之和；
[0132] 當(dāng)西向東直行綠燈早于南向北方向左轉(zhuǎn)，即向西方向，綠燈時， 即南向北左轉(zhuǎn)方向綠燈開啟時刻大于西向東直行綠燈結(jié)束后最后一輛車由斑馬線通過南 向北方向左轉(zhuǎn)車道后的時間馬之和；
[0133] 當(dāng)西向東直行綠燈晚于南向北方向左轉(zhuǎn)，即向西方向，綠燈時， 即西向東直行綠燈開啟時刻大于南向北方向左轉(zhuǎn)綠燈結(jié)束時刻與南向北左轉(zhuǎn)方向綠燈結(jié) 束后最后一輛車由斑馬線到達(dá)西向東直行車道后的時間之和；
[0134] 當(dāng)南向北直行綠燈早于東向西方向左轉(zhuǎn)，即向南方向，綠燈時，《w/j >..， 即東向西左轉(zhuǎn)方向綠燈開啟時刻大于南向北直行綠燈結(jié)束時刻與南向北直行綠燈結(jié)束后 最后一輛車由斑馬線通過東向西方向左轉(zhuǎn)車道后的時間馬、之和；
[013引當(dāng)南向北直行綠燈晚于東向西方向左轉(zhuǎn)，旨晌南方向，綠燈時，+ 了",//_??*，. 即南向北直行綠燈開啟時刻大于東向西左轉(zhuǎn)方向綠燈結(jié)束時刻與東向西左轉(zhuǎn)方向綠燈結(jié) 束后最后一輛車由斑馬線通過南向北直行車道后的時間寫,/y_,W之和；
[0136] 當(dāng)北向南直行綠燈早于西向東左轉(zhuǎn)方向，即向北方向，綠燈時，ff/,. > /,,y' +巧， 即西向東左轉(zhuǎn)方向綠燈開啟時刻大于北向南直行綠燈結(jié)束時刻與北向南直行綠燈結(jié)束后 最后一輛車由斑馬線通過西向東方向左轉(zhuǎn)車道后的時間^^/_€/之和；
[0137] 當(dāng)北向南直行綠燈晚于西向東左轉(zhuǎn)方向，即向北方向，綠燈時，， 即北向南直行綠燈開啟時刻大于西向東方向左轉(zhuǎn)綠燈結(jié)束時刻與西向東左轉(zhuǎn)方向綠燈結(jié) 束后最后一輛車由斑馬線到達(dá)北向南直行車道后的時間之和；
[013引當(dāng)北向南左轉(zhuǎn)綠燈早于東向西右手方向行人綠燈時，trwriHslf，即東向西右手方 向行人綠燈開啟時間大于北向南左轉(zhuǎn)綠燈結(jié)束時刻；
[0139] 當(dāng)北向南左轉(zhuǎn)綠燈晚于東向西右手方向行人綠燈時，fy,，即北 向南左轉(zhuǎn)綠燈開啟時間大于東向西右手方向行人綠燈結(jié)束時刻與東向西右手方向行人綠 燈結(jié)束后東向西右手方向行人由等待線通過北向南左轉(zhuǎn)方向車道的時間之和；
[0140] 當(dāng)西向東左轉(zhuǎn)綠燈早于東向西右手方向行人綠燈時，f,,，即東 向西右手方向行人綠燈開啟時間大于西向東左轉(zhuǎn)綠燈結(jié)束時刻與西向東左轉(zhuǎn)綠燈結(jié)束后 最后一輛車由斑馬線到達(dá)南向北車道后的時間之和；
[0141] 當(dāng)西向東左轉(zhuǎn)綠燈晚于東向西右手方向行人綠燈時，teliHrwrf，即西向東左轉(zhuǎn)綠 燈開啟時間大于東向西右手方向行人綠燈結(jié)束時刻；
[0142] 當(dāng)南向北左轉(zhuǎn)綠燈早于東向西左手方向行人綠燈時，trwliHnlf，即東向西左手方 向行人綠燈開啟時間大于南向北左轉(zhuǎn)綠燈結(jié)束時刻；
[0143] 當(dāng)南向北左轉(zhuǎn)綠燈晚于東向西左手方向行人綠燈時，> /,W// +是w//_?/，即南 向北左轉(zhuǎn)綠燈開啟時間大于東向西左手方向行人綠燈結(jié)束時刻與東向西左手方向行人綠 燈結(jié)束后東向西左手方向行人由等待線通過南向北左轉(zhuǎn)方向車道的時間之和；
[0144] 當(dāng)東向西左轉(zhuǎn)綠燈早于東向西左手方向行人綠燈時，>^w// +馬，//-,~,/，即 東向西左手方向行人綠燈開啟時間大于東向西左轉(zhuǎn)綠燈結(jié)束時刻與東向西左轉(zhuǎn)綠燈結(jié)束 后最后一輛車由斑馬線到達(dá)北向南車道后的時間之和；
[0145] 當(dāng)東向西左轉(zhuǎn)綠燈晚于東向西左手方向行人綠燈時，teliHrwlf，即西向東左轉(zhuǎn)綠 燈開啟時間大于東向西左手方向行人綠燈結(jié)束時刻；
[01 46]當(dāng)南向北左轉(zhuǎn)綠燈早于西向東右手方向行人綠燈時，treriHnlf，即西向東右方向 行人綠燈開啟時間大于南向北左轉(zhuǎn)綠燈結(jié)束時刻；
[0147]當(dāng)南向北左轉(zhuǎn)綠燈晚于西向東右手方向行人綠燈時，> ?Tk,/ +馬即南 向北左轉(zhuǎn)綠燈開啟時間大于西向東右手方向行人綠燈結(jié)束時刻與西向東右手方向行人綠 燈結(jié)束結(jié)束后西向東右手方向行人由等待線通過南向北左轉(zhuǎn)方向車道的時間巧之 和；
[014引當(dāng)東向西左轉(zhuǎn)綠燈早于西向東右手方向行人綠燈時，+ 西向東右手方向行人綠燈開啟時間大于東向西左轉(zhuǎn)綠燈結(jié)束時刻與東向西左轉(zhuǎn)綠燈結(jié)束 后最后一輛車由斑馬線到達(dá)北向南車道后的時間，//_,胃之和；
[01 49]當(dāng)東向西左轉(zhuǎn)綠燈晚于西向東右手方向行人綠燈時，teliHrwrf，即西向東左轉(zhuǎn)綠 燈開啟時間大于西向東右手方向行人綠燈結(jié)束時刻；
[0150] 當(dāng)北向南左轉(zhuǎn)綠燈早于西向東左手方向行人綠燈時，treliHslf，即西向東左手方 向行人綠燈開啟時間大于北向南左轉(zhuǎn)綠燈結(jié)束時刻；
[0151] 當(dāng)北向南左轉(zhuǎn)綠燈晚于西向東左手方向行人綠燈時，f、/, > ，即北 向南左轉(zhuǎn)綠燈開啟時間大于西向東左手方向行人綠燈結(jié)束時刻與西向東左手方向行人綠 燈結(jié)束后西向東左手方向行人由等待線通過北向南左轉(zhuǎn)方向車道的時間之和；
[0152] 當(dāng)西向東左轉(zhuǎn)綠燈早于西向東左手方向行人綠燈時，，即西 向東左手方向行人綠燈開啟時間大于西向東左轉(zhuǎn)綠燈結(jié)束時刻與西向東左轉(zhuǎn)綠燈結(jié)束后 最后一輛車由斑馬線到達(dá)南向北車道后的時間之和；
[0153] 當(dāng)西向東左轉(zhuǎn)綠燈晚于西向東左手方向行人綠燈時，teliHrelf，即西向東左轉(zhuǎn)綠 燈開啟時間大于西向東左手方向行人綠燈結(jié)束時刻；
[0154] 將路口方向逆時針旋轉(zhuǎn)90度，即北代替原來東、西代替原來北、南代替原來西、東 代替原來南，同理可W得到南向北、北向南行人的綠沖突約束條件；
[01W] 步驟4:交通流模型動態(tài)約束表達(dá)如下：
[0156] ①車間距偏差模型：
[0157]
(1)
[015引式中，扯(0是時亥1]*第11輛車所在位置，^^^-是時亥1]*第11輛車的速度，^^：^是時 化 如 亥Ijt第n輛車的加速度。A ^(1:)=^-1(1:)-孔(1:)是第]1輛車與其前車]1-1之間的車頭間距，￥ (?)是優(yōu)化速度函數(shù)，a是敏感系數(shù)，K是車頭間距估計偏差的對應(yīng)參數(shù);模型右端表示本車 速度小于最優(yōu)速度時，則本車加速，否則本車減速；
[0159] ②將、-91^'-片1近似表達(dá)為：
[0160]
巧）
[0161] 其中，T為采樣周期；
[0162] 得到模型（1)的差分形式：
[0163] Xn(t+2T)-Xn(t+T)=aT^V{(l+K)[xn-l(t)-Xn(t)]} + (l-aT)[xn(t+T)-Xn(t)] (3)
[0164] 進(jìn)而得到遞推計算式：
[01 化1
(4)
[0166] 其中，V[ A XnQT)]是第n輛車在t = iT時的優(yōu)化速度函數(shù)，N為正整數(shù)；
[0167] ③給定Xn(O) = 〇，Xn(l) = 0,根據(jù)（4)式可 W得到當(dāng) I Xn[(N+l)T]-Ln I <8時的N，其 中，Ln為第n輛排隊車輛在綠燈開啟后要行駛的距離，S為給定的正數(shù)；
[0168] 經(jīng)驗統(tǒng)計得到第n輛排隊車輛在綠燈開啟后需要延時tdn后才能開動，運樣，第n輛 排隊車輛在綠燈開啟后要行駛距離Ln所需時間W為:tnf = tdn+NT;
[0169] 步驟5:信號優(yōu)化配時方法如下：
[0170] (1)建立優(yōu)化指標(biāo)：
[01 71 ] J -min {入ewsLews+入enrLenr+人es止esl+入wesLwes+入wnlLwnl+入WsrLwsr+
[01 72] 入 snsLsns+入 SerLser+入 swlLswl+、issLnss+、iwrLnwr+、ielLnel+PewrRewr+
[01 73] PewlRewl+P\rerRwer+P\relRwel+PnsrRnsr+PnslRnsl+PsnrRsnr+PsnlRsnl}
[0174]其中：A表示車輛加權(quán)系數(shù)，L表示排隊車輛長度，P表示行人加權(quán)系數(shù)，R表示行人 數(shù)，A和L的下標(biāo)第1和第2位的e，s，w，n分別表示東、南、西、北方向，且第1位朝向第2位方向； 第S位S，r，l分別表示直行、右轉(zhuǎn)和左轉(zhuǎn);例如Lews為東向西直行方向的車輛排隊隊長，入ews 為東向西直行方向的車輛排加權(quán)系數(shù);P和R下標(biāo)第1和第2位的e，s，w，n分別表示東、南、西、 北方向，且第1位朝向第2位方向；第=位l，r分別表示從前進(jìn)方向的左手邊或右手邊穿越人 行道；
[0175] (2)選取交叉路口信號總周期：
[01 76] Tz二 fz 化ews , Lwes , Lsns , Lnss )
[0177] 其中：Tz為所有方向車輛和行人綠燈放行時間并集，即交叉路口信號總周期，fz (；Lews，Lwes，Lsns，Lnss )為根據(jù)經(jīng)驗已經(jīng)確定的函數(shù)；
[0178] 根據(jù)步驟5(1)的優(yōu)化指標(biāo)和步驟3的綠沖突約束，采用線性規(guī)劃方法確定各個綠 燈開啟、持續(xù)時間及需要放行的車輛數(shù)；
[0179] (3)根據(jù)步驟4的改進(jìn)跟馳車輛交通流模型確定放行車輛數(shù)與放行時間的關(guān)系，按 照各個方向需要放行的車輛數(shù)，對步驟5(2)確定的各個綠燈開啟、持續(xù)時間進(jìn)行修正，確定 信號總周期。
【主權(quán)項】
1. 一種基于圖像檢測與車間距偏差約束模型的交通信號控制方法，其特征包含以下步 驟： 步驟1:交叉路口的交通信號控制方案每個信號周期設(shè)計一次，交通信號控制方案設(shè)計 內(nèi)容包括多路圖像信息檢測、"綠沖突"約束設(shè)置、排隊車輛交通流模型、信號優(yōu)化設(shè)計四部 分內(nèi)容;交通信號控制方案設(shè)計時間T sh_小于給定值，在信號執(zhí)行過程中不能反復(fù)調(diào)整;在 執(zhí)行下一個信號周期之前Tsh_時刻就設(shè)計該周期交通信號控制方案，以保證多路圖像信息 檢測得到最新的交通狀況； 步驟2:將多路交通視頻經(jīng)過視頻解碼模塊數(shù)字化后送入FPGA，在FPGA中先通過邊緣檢 測和二值化、完成對圖像進(jìn)行預(yù)處理并將其存入SRAM緩沖，然后根據(jù)車道線像素構(gòu)成的車 道檢測區(qū)域?qū)D像進(jìn)行分割和腐蝕，提取出路口各個方向排隊車輛長度和車間距，并將相 鄰兩幀圖像中指定的同一區(qū)域在FPGA進(jìn)行比較，獲得有無目標(biāo)運動信息以得到車輛運動速 度;類似的方法用于檢測行人多寡和行進(jìn)速度;多路圖像信息檢測獲取以下信息： ⑴東向西直行:每個排隊車輛的車間距、綠燈開啟后排隊車輛的每輛車到達(dá)斑馬線時 間、到達(dá)對面路口時間； ⑵西向東直行:每個排隊車輛的車間距、綠燈開啟后排隊車輛的每輛車到達(dá)斑馬線時 間、到達(dá)對面路口時間； (3)北向南直行:每個排隊車輛的車間距、綠燈開啟后排隊車輛的每輛車到達(dá)斑馬線時 間、到達(dá)對面路口時間； ⑷南向北直行:每個排隊車輛的車間距、綠燈開啟后排隊車輛的每輛車到達(dá)斑馬線時 間、到達(dá)對面路口時間； (5) 東向南左轉(zhuǎn):每個排隊車輛的車間距、綠燈開啟后排隊車輛的每輛車到達(dá)斑馬線時 間、到達(dá)南路口時間； (6) 西向北左轉(zhuǎn):每個排隊車輛的車間距、綠燈開啟后排隊車輛的每輛車到達(dá)斑馬線時 間、到達(dá)北路口時間； (7) 北向東左轉(zhuǎn):每個排隊車輛的車間距、綠燈開啟后排隊車輛的每輛車到達(dá)斑馬線時 間、到達(dá)東路口時間； (8) 南向西左轉(zhuǎn):每個排隊車輛的車間距、綠燈開啟后排隊車輛的每輛車到達(dá)斑馬線時 間、到達(dá)西路口時間； (9) 東向北右轉(zhuǎn):每個排隊車輛的車間距、綠燈開啟后排隊車輛的每輛車到達(dá)斑馬線時 間、到達(dá)北路口時間； (10) 西向南右轉(zhuǎn):每個排隊車輛的車間距、綠燈開啟后排隊車輛的每輛車到達(dá)斑馬線時 間、到達(dá)南路口時間； (11) 北向西右轉(zhuǎn):每個排隊車輛的車間距、綠燈開啟后排隊車輛的每輛車到達(dá)斑馬線時 間、到達(dá)西路口時間； (12) 南向東右轉(zhuǎn):每個排隊車輛的車間距、綠燈開啟后排隊車輛的每輛車到達(dá)斑馬線時 間、到達(dá)東路口時間； (13) 行人東向西:分別從右、左兩邊分析行人在人行綠燈開啟后與車輛沖突，分析人數(shù)多 寡及構(gòu)成情況； (14) 行人西向東:分別從右、左兩邊分析行人在人行綠燈開啟后與車輛沖突，分析人數(shù)多 寡及構(gòu)成情況； (15) 行人南向北:分別從右、左兩邊分析行人在人行綠燈開啟后與車輛沖突，分析人數(shù)多 寡及構(gòu)成情況； (16) 行人北向南:分別從右、左兩邊分析行人在人行綠燈開啟后與車輛沖突，分析人數(shù)多 寡及構(gòu)成情況； 步驟3:綠沖關(guān)約束； ⑴對于車輛，定義下標(biāo)第一個字母s是車輛自北向南方向，η是車輛自南向北方向，e是 車輛自西向東方向，w是車輛自東向西方向；下標(biāo)第二個字母s是車輛直行、r是車輛右轉(zhuǎn)、1 是車輛左轉(zhuǎn)；下標(biāo)第三個字母i表示綠燈開啟時刻，f表示綠燈關(guān)閉時刻；下標(biāo)rwr為行人從 右手邊、即北邊、自東向西方向穿越交叉路口，rwl為行人從左手邊、即南邊、自東向西方向 穿越交叉路口，rer為行人從右手邊、即南邊、自西向東方向穿越交叉路口，rel為行人從左 手邊、即北邊、自西向東方向穿越交叉路口，rnr為行人從右手邊、即東邊、自南向北方向穿 越交叉路口，rnl為行人從左手邊、即西邊、自南向北方向穿越交叉路口，rsr為行人從右手 邊、即西邊、自北向南方向穿越交叉路口，rsl為行人從左手邊、即東邊、自北向南方向穿越 交叉路口；對于行人，下標(biāo)第四個字母i表示綠燈開啟時刻，f表示綠燈關(guān)閉時刻； ⑵假設(shè)每個方向綠燈開啟時間不同，每個周期內(nèi)起始時間設(shè)為to,周期設(shè)為T，車輛自北 向南直行方向綠燈信號標(biāo)識為，車輛自北向南左轉(zhuǎn)方向綠燈 信號標(biāo)識為^，車輛自北向南右轉(zhuǎn)方向綠燈信號標(biāo)識為車輛自南向北直行方向綠燈信號標(biāo)識為車輛自南向北 左轉(zhuǎn)方向綠燈信號標(biāo)識為車輛自南向北右轉(zhuǎn)方向綠燈信號 標(biāo)識^， 車輛自西向東直行方向綠燈信號標(biāo)識為：，車輛自西向東 左轉(zhuǎn)方向綠燈信號標(biāo)識為，車輛自西向東右轉(zhuǎn)方向綠燈信號標(biāo) 識為車輛自東向西直行方向綠燈信號標(biāo)識為車輛自東向西 左轉(zhuǎn)方向綠燈信號標(biāo)識為車輛自東向西右轉(zhuǎn)方向綠燈信號 標(biāo)識為(3)行人從右手邊自東向西方向穿越交叉路口綠m言號標(biāo)i兄行人從左手邊自東向西方向穿越交叉路口綠燈信號標(biāo)識為行人從右手邊自西向東方向穿越交叉路口綠燈信號標(biāo)識為；行人從左手邊自西向東方向穿越交叉路口綠燈信號標(biāo)識為行人從右手邊自南向北方向穿越交叉路口綠燈信號標(biāo)識為行人從左手邊自南向北方向穿越交叉路口綠燈信號標(biāo)識為行人從右手邊自北向南方向穿越交叉路口綠燈信號標(biāo)識為：行人從左手邊自北向南方向穿越交叉路口綠燈信號標(biāo)識為<⑷必選的綠沖突約束為:bss · bes = 0，bss · bws = 0，bss · bni = 0，bns · bsi = 0，bes · bwi = 〇，bws · bel - 〇 j bss * brwr - 〇，bss · brwl - 0，bss · brer - 〇 ? bss * brel - 〇，bns · bes - 〇，bns · bws - 〇 ; bns · brwr - 〇，bns · brwl - 0，bns · brer - 〇 ? bns * brel 一 〇; (5)選擇采用的綠沖突約束為： 當(dāng)東向西直行綠燈早于北向南方向左轉(zhuǎn)，即向東方向，綠燈時，b ，即 北向南左轉(zhuǎn)方向綠燈開啟時刻大于東向西直行綠燈結(jié)束時刻與東向西直行綠燈結(jié)束后最 后一輛車由斑馬線通過北向南方向左轉(zhuǎn)車道后的時間巧之和； 當(dāng)東向西直行綠燈晚于北向南方向左轉(zhuǎn)，即向東方向，綠燈時，+ ，即 東向西直行綠燈開啟時刻大于北向南方向左轉(zhuǎn)綠燈結(jié)束時刻與北向南左轉(zhuǎn)方向綠燈結(jié)束 后最后一輛車由斑馬線通過東向西直行車道后的時間胃之和； 當(dāng)西向東直行綠燈早于南向北方向左轉(zhuǎn)，即向西方向，綠燈時，：> ，即 南向北左轉(zhuǎn)方向綠燈開啟時刻大于西向東直行綠燈結(jié)束后最后一輛車由斑馬線通過南向 北方向左轉(zhuǎn)車道后的時間之和； 當(dāng)西向東直行綠燈晚于南向北方向左轉(zhuǎn)，即向西方向，綠燈時，，即 西向東直行綠燈開啟時刻大于南向北方向左轉(zhuǎn)綠燈結(jié)束時刻與南向北左轉(zhuǎn)方向綠燈結(jié)束 后最后一輛車由斑馬線到達(dá)西向東直行車道后的時間^//"0之和； 當(dāng)南向北直行綠燈早于東向西方向左轉(zhuǎn)，即向南方向，綠燈時，， 即東向西左轉(zhuǎn)方向綠燈開啟時刻大于南向北直行綠燈結(jié)束時刻與南向北直行綠燈結(jié)束后 最后一輛車由斑馬線通過東向西方向左轉(zhuǎn)車道后的時間之和； 當(dāng)南向北直行綠燈晚于東向西方向左轉(zhuǎn)，即向南方向，綠燈時，丨， 即南向北直行綠燈開啟時刻大于東向西左轉(zhuǎn)方向綠燈結(jié)束時刻與東向西左轉(zhuǎn)方向綠燈結(jié) 束后最后一輛車由斑馬線通過南向北直行車道后的時間之和； 當(dāng)北向南直行綠燈早于西向東左轉(zhuǎn)方向，即向北方向，綠燈時，+ ，即 西向東左轉(zhuǎn)方向綠燈開啟時刻大于北向南直行綠燈結(jié)束時刻與北向南直行綠燈結(jié)束后最 后一輛車由斑馬線通過西向東方向左轉(zhuǎn)車道后的時間之和； 當(dāng)北向南直行綠燈晚于西向東左轉(zhuǎn)方向，即向北方向，綠燈時，，即 北向南直行綠燈開啟時刻大于西向東方向左轉(zhuǎn)綠燈結(jié)束時刻與西向東左轉(zhuǎn)方向綠燈結(jié)束 后最后一輛車由斑馬線到達(dá)北向南直行車道后的時間之和； 當(dāng)北向南左轉(zhuǎn)綠燈早于東向西右手方向行人綠燈時，trwri>tsif，即東向西右手方向行 人綠燈開啟時間大于北向南左轉(zhuǎn)綠燈結(jié)束時刻； 當(dāng)北向南左轉(zhuǎn)綠燈晚于東向西右手方向行人綠燈時，匕/f >+^ζ?ιτ/·_0，即北向南 左轉(zhuǎn)綠燈開啟時間大于東向西右手方向行人綠燈結(jié)束時刻與東向西右手方向行人綠燈結(jié) 束后東向西右手方向行人由等待線通過北向南左轉(zhuǎn)方向車道的時間之和； 當(dāng)西向東左轉(zhuǎn)綠燈早于東向西右手方向行人綠燈時，，即東向西 右手方向行人綠燈開啟時間大于西向東左轉(zhuǎn)綠燈結(jié)束時刻與西向東左轉(zhuǎn)綠燈結(jié)束后最后 一輛車由斑馬線到達(dá)南向北車道后的時間之和； 當(dāng)西向東左轉(zhuǎn)綠燈晚于東向西右手方向行人綠燈時，teli > trwrf，即西向東左轉(zhuǎn)綠燈開 啟時間大于東向西右手方向行人綠燈結(jié)束時刻； 當(dāng)南向北左轉(zhuǎn)綠燈早于東向西左手方向行人綠燈時，trwli > tnlf，即東向西左手方向行 人綠燈開啟時間大于南向北左轉(zhuǎn)綠燈結(jié)束時刻； 當(dāng)南向北左轉(zhuǎn)綠燈晚于東向西左手方向行人綠燈時，即南向北 左轉(zhuǎn)綠燈開啟時間大于東向西左手方向行人綠燈結(jié)束時刻與東向西左手方向行人綠燈結(jié) 束后東向西左手方向行人由等待線通過南向北左轉(zhuǎn)方向車道的時間之和； 當(dāng)東向西左轉(zhuǎn)綠燈早于東向西左手方向行人綠燈時，+G,即東向西 左手方向行人綠燈開啟時間大于東向西左轉(zhuǎn)綠燈結(jié)束時刻與東向西左轉(zhuǎn)綠燈結(jié)束后最后 一輛車由斑馬線到達(dá)北向南車道后的時間之和； 當(dāng)東向西左轉(zhuǎn)綠燈晚于東向西左手方向行人綠燈時，teli > trwlf，即西向東左轉(zhuǎn)綠燈開 啟時間大于東向西左手方向行人綠燈結(jié)束時刻； 當(dāng)南向北左轉(zhuǎn)綠燈早于西向東右手方向行人綠燈時，tre3ri > tnlf，即西向東右方向行人 綠燈開啟時間大于南向北左轉(zhuǎn)綠燈結(jié)束時刻； 當(dāng)南向北左轉(zhuǎn)綠燈晚于西向東右手方向行人綠燈時，+ .，即南向北 左轉(zhuǎn)綠燈開啟時間大于西向東右手方向行人綠燈結(jié)束時刻與西向東右手方向行人綠燈結(jié) 束結(jié)束后西向東右手方向行人由等待線通過南向北左轉(zhuǎn)方向車道的時間之和； 當(dāng)東向西左轉(zhuǎn)綠燈早于西向東右手方向行人綠燈時，> 1^:// + 即西向 東右手方向行人綠燈開啟時間大于東向西左轉(zhuǎn)綠燈結(jié)束時刻與東向西左轉(zhuǎn)綠燈結(jié)束后最 后一輛車由斑馬線到達(dá)北向南車道后的時間之和； 當(dāng)東向西左轉(zhuǎn)綠燈晚于西向東右手方向行人綠燈時，teli > trwrf，即西向東左轉(zhuǎn)綠燈開 啟時間大于西向東右手方向行人綠燈結(jié)束時刻； 當(dāng)北向南左轉(zhuǎn)綠燈早于西向東左手方向行人綠燈時，treli > tslf，即西向東左手方向行 人綠燈開啟時間大于北向南左轉(zhuǎn)綠燈結(jié)束時刻； 當(dāng)北向南左轉(zhuǎn)綠燈晚于西向東左手方向彳丁人綠燈時，即北向南左 轉(zhuǎn)綠燈開啟時間大于西向東左手方向行人綠燈結(jié)束時刻與西向東左手方向行人綠燈結(jié)束 后西向東左手方向行人由等待線通過北向南左轉(zhuǎn)方向車道的時間之和； 當(dāng)西向東左轉(zhuǎn)綠燈早于西向東左手方向行人綠燈時，，即西向東 左手方向行人綠燈開啟時間大于西向東左轉(zhuǎn)綠燈結(jié)束時刻與西向東左轉(zhuǎn)綠燈結(jié)束后最后 一輛車由斑馬線到達(dá)南向北車道后的時間之和； 當(dāng)西向東左轉(zhuǎn)綠燈晚于西向東左手方向行人綠燈時，teli > trelf，即西向東左轉(zhuǎn)綠燈開 啟時間大于西向東左手方向行人綠燈結(jié)束時刻； 將路口方向逆時針旋轉(zhuǎn)90度，即北代替原來東、西代替原來北、南代替原來西、東代替 原來南，同理可以得到南向北、北向南行人的綠沖突約束條件； 步驟4:交通流模型動態(tài)約束表達(dá)如下： ①車間距偏差模型：(1) 式中，χη⑴是時亥Ijt第η輛車所在位置，是時亥Ijt第η輛車的速度，^4^是時刻t d/ dr 第η輛車的加速度。Axn(t)=xn-i(t)-xn(t)是第η輛車與其前車n-1之間的車頭間距，V( ·) 是優(yōu)化速度函數(shù)，a是敏感系數(shù)，κ是車頭間距估計偏差的對應(yīng)參數(shù);模型右端表示本車速度 小于最優(yōu)速度時，則本車加速，否則本車減速；(2) 其中，T為采樣周期； 得到模型（1)的差分形式： Xn(t+2T)-Xn(t+T) =aT2V{ (1+k) [xn-l(t)-Xn(t) ] } + (l-aT) [xn(t+T)-Xn(t) ] (3) 進(jìn)而得到遞推計算式：(4) 其中，V[Axn(iT)]是第n輛車在t = iT時的優(yōu)化速度函數(shù)，N為正整數(shù)； ③給定xn(0)=0，xn(l)=0，根據(jù)⑷式可以得到當(dāng)|xn[(N+l)T]-L n|〈δ時的N，其中，Ln為 第η輛排隊車輛在綠燈開啟后要行駛的距離，δ為給定的正數(shù)； 經(jīng)驗統(tǒng)計得到第η輛排隊車輛在綠燈開啟后需要延時tdn后才能開動，這樣，第η輛排隊 車輛在綠燈開啟后要行駛距離匕所需時間tnf為:tnf = tdn+NT; 步驟5:信號優(yōu)化配時方法如下： (1)建立優(yōu)化指標(biāo)： J Hlin {^ewsLews+入enrLenr+入eslLesl+^wesLwes+XwnlLwnl+^wsrLwsr+ 入 snsLsns+入 serLser+入 swlLswl+入nssLnss+入nwrLnwr+入nelLnel+PewrRewr+ PewlRewl~l~PwerRwer~l~PwelRwel~l~PnsrRnsr +PnslR nsl~l~PsnrRsnr~l~PsnlRsnl} 其中：λ表示車輛加權(quán)系數(shù)，L表示排隊車輛長度，P表示行人加權(quán)系數(shù)，R表示行人數(shù)，λ 和L的下標(biāo)第1和第2位的e，s，w，n分別表示東、南、西、北方向，且第1位朝向第2位方向；第三 位s，r，l分別表示直行、右轉(zhuǎn)和左轉(zhuǎn);例如U ws為東向西直行方向的車輛排隊隊長，λ_為東 向西直行方向的車輛排加權(quán)系數(shù);Ρ和R下標(biāo)第1和第2位的e，s，w，n分別表示東、南、西、北方 向，且第1位朝向第2位方向；第三位l，r分別表示從前進(jìn)方向的左手邊或右手邊穿越人行 道； (2) 選取交叉路口信號總周期： Tz f z ( Lews , Lwes , Lsns , Lnss ) 其中：Tz為所有方向車輛和行人綠燈放行時間并集，即交叉路口信號總周期，fz(Lews， Lwes，Lsns，Lnss)為根據(jù)經(jīng)驗已經(jīng)確定的函數(shù)； 根據(jù)步驟5(1)的優(yōu)化指標(biāo)和步驟3的綠沖突約束，采用線性規(guī)劃方法確定各個綠燈開 啟、持續(xù)時間及需要放行的車輛數(shù)； (3) 根據(jù)步驟4的改進(jìn)跟馳車輛交通流模型確定放行車輛數(shù)與放行時間的關(guān)系，按照各 個方向需要放行的車輛數(shù)，對步驟5(2)確定的各個綠燈開啟、持續(xù)時間進(jìn)行修正，確定信號 總周期。
【文檔編號】G08G1/08GK105957366SQ201610388767
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年6月2日
【發(fā)明人】史忠科, 周杰
【申請人】西安費斯達(dá)自動化工程有限公司