基于图像检测与速度差记忆约束模型的交通信号控制方法

摘要

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，本发明提出了一种基于图像检测与速度差记忆约束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。

主权项

一种基于图像检测与速度差记忆约束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T_sheji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T_sheji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：b_ss·b_es＝0，b_ss·b_ws＝0，b_ss·b_nl＝0，b_ns·b_sl＝0，b_es·b_wl＝0，b_ws·b_el＝0，b_ss·b_rwr＝0，b_ss·b_rwl＝0，b_ss·b_rer＝0，b_ss·b_rel＝0，b_ns·b_es＝0，b_ns·b_ws＝0；b_ns·b_rwr＝0，b_ns·b_rwl＝0，b_ns·b_rer＝0，b_ns·b_rel＝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，t_rwri>t_slf，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时间大于西向东左转绿灯结束时刻与西向东左转绿灯结束后最后一辆车由斑马线到达南向北车道后的时间之和；当西向东左转绿灯晚于东向西右手方向行人绿灯时，t_eli>t_rwrf，即西向东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；当南向北左转绿灯早于东向西左手方向行人绿灯时，t_rwli>t_nlf，即东向西左手方向行人绿灯开启时间大于南向北左转绿灯结束时刻；当南向北左转绿灯晚于东向西左手方向行人绿灯时，即南向北左转绿灯开启时间大于东向西左手方向行人绿灯结束时刻与东向西左手方向行人绿灯结束后东向西左手方向行人由等待线通过南向北左转方向车道的时间之和；当东向西左转绿灯早于东向西左手方向行人绿灯时，即东向西左手方向行人绿灯开启时间大于东向西左转绿灯结束时刻与东向西左转绿灯结束后最后一辆车由斑马线到达北向南车道后的时间之和；当东向西左转绿灯晚于东向西左手方向行人绿灯时，t_eli>t_rwlf，即西向东左转绿灯开启时间大于东向西左手方向行人绿灯结束时刻；当南向北左转绿灯早于西向东右手方向行人绿灯时，t_reri>t_nlf，即西向东右方向行人绿灯开启时间大于南向北左转绿灯结束时刻；当南向北左转绿灯晚于西向东右手方向行人绿灯时，即南向北左转绿灯开启时间大于西向东右手方向行人绿灯结束时刻与西向东右手方向行人绿灯结束结束后西向东右手方向行人由等待线通过南向北左转方向车道的时间之和；当东向西左转绿灯早于西向东右手方向行人绿灯时，即西向东右手方向行人绿灯开启时间大于东向西左转绿灯结束时刻与东向西左转绿灯结束后最后一辆车由斑马线到达北向南车道后的时间之和；当东向西左转绿灯晚于西向东右手方向行人绿灯时，t_eli>t_rwrf，即西向东左转绿灯开启时间大于西向东右手方向行人绿灯结束时刻；当北向南左转绿灯早于西向东左手方向行人绿灯时，t_reli>t_slf，即西向东左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西向东左手方向行人绿灯时，即北向南左转绿灯开启时间大于西向东左手方向行人绿灯结束时刻与西向东左手方向行人绿灯结束后西向东左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西向东左手方向行人绿灯时，即西向东左手方向行人绿灯开启时间大于西向东左转绿灯结束时刻与西向东左转绿灯结束后最后一辆车由斑马线到达南向北车道后的时间之和；当西向东左转绿灯晚于西向东左手方向行人绿灯时，t_eli>t_relf，即西向东左转绿灯开启时间大于西向东左手方向行人绿灯结束时刻；将路口方向逆时针旋转90度，即北代替原来东、西代替原来北、南代替原来西、东代替原来南，同理可以得到南向北、北向南行人的绿冲突约束条件；步骤4:交通流模型动态约束表达如下：①速度差记忆模型如下：$\frac{d^2{x}_n\left(t\right)}{{\mathrm{dt}}^2}=a\left\{V\right[{\mathrm{\Delta x}}_n\left(t\right)]-\frac{{\mathrm{dx}}_n\left(t\right)}{dt}\}+\lambda \frac{{\mathrm{d\Delta x}}_n\left(t\right)}{dt}+\gamma {[\frac{{\mathrm{dx}}_{n-1}\left(t\right)}{dt}-\frac{{\mathrm{dx}}_n(t-t_d)}{dt}]}^k---\left(1\right)$式中x_n(t)是t时刻第n辆车所在位置，△x_n(t)＝x_n‑1(t)‑x_n(t)是第n辆车与其前车n‑1之间的车头间距，a是敏感系数，λ是驾驶员对速度差的敏感系数，γ是驾驶员对速度差记忆的敏感系数，t_d是驾驶员对前车的速度差的记忆时间，V[△x_n(t)]是优化速度函数，k是正常数；②将近似表达为：$\left\{\begin{array}{c}\frac{{\mathrm{dx}}_n\left(t\right)}{dt}=\frac{x_n\left(t\right)-x_n\left(t-T\right)}{T}\\ \frac{d^2{x}_n\left(t\right)}{{\mathrm{dt}}^2}=\frac{x_n\left(t+T\right)-2x_n\left(t\right)+x_n\left(t-T\right)}{T^2}\end{array}\right.---\left(2\right)$其中T为采样周期。得到速度差记忆模型的差分方程：$\begin{array}{c}{x}_n\left(t+2T\right)-x_n\left(t+T\right)={\mathrm{aT}}^{2}V\left[{\mathrm{\Delta x}}_n\left(t+T\right)\right]+\left(1-aT\right)\left[x_n\left(t+T\right)-x_n\left(t\right)\right]\\ +\lambda T\left[{\mathrm{\Delta x}}_{n-1}\left(t+T\right)-{\mathrm{\Delta x}}_n\left(t\right)\right]+\gamma T{\left[x_{n-1}\left(t+T\right)-x_{n-1}\left(t\right)-x_{n-1}\left(t+T-t_d\right)+x_{n-1}\left(t-t_d\right)\right]}^k\end{array}---\left(3\right)$进而得到递推计算式：$\begin{array}{c}{x}_n\left[(N+2)T\right]=x_n\left(2T\right)+(1-aT)\left\{x_n\right[(N+1)T]-x_n\left(T\right)\}+\lambda T\left\{{\mathrm{\Delta x}}_{n-1}\right[(N+1)T]-{\mathrm{\Delta x}}_n\left(T\right)\}\\ +\underset{i=2}{\overset{N+1}{\Sigma }}\left\{{\mathrm{aT}}^{2}V\right[{\mathrm{\Delta x}}_n\left(iT\right)]+\gamma T{[x_{n-1}\left(iT\right)-x_{n-1}\left(T\right)-x_{n-1}(iT-t_d)+x_{n-1}(T-t_d)]}^k\}\end{array}---\left(4\right)$其中，V[△x_n(iT)]是第n辆车在t＝iT时的优化速度函数，N为正整数；③给定x_n(0)＝0，x_n(1)＝0，根据(4)式可以得到当|x_n[(N+2)T]‑L_n|<δ时的N，其中，L_n为第n辆排队车辆在绿灯开启后要行驶的距离，δ为给定的正数；经验统计得到第n辆排队车辆在绿灯开启后需要延时t_dn后才能开动，这样，第n辆排队车辆在绿灯开启后要行驶距离L_n所需时间t_nf为：t_nf＝t_dn+NT；步骤5：信号优化配时方法如下：(1)建立优化指标：J＝min{λ_ewsL_ews+λ_enrL_enr+λ_eslL_esl+λ_wesL_wes+λ_wnlL_wnl+λ_wsrL_wsr+λ_snsL_sns+λ_serL_ser+λ_swlL_swl+λ_nssL_nss+λ_nwrL_nwr+λ_nelL_nel+ρ_ewrR_ewr+ρ_ewlR_ewl+ρ_werR_wer+ρ_welR_wel+ρ_nsrR_nsr+ρ_nslR_nsl+ρ_snrR_snr+ρ_snlR_snl}其中：λ表示车辆加权系数，L表示排队车辆长度，ρ表示行人加权系数，R表示行人数，λ和L的下标第1和第2位的e,s,w,n分别表示东、南、西、北方向，且第1位朝向第2位方向；第三位s,r,l分别表示直行、右转和左转；例如L_ews为东向西直行方向的车辆排队队长，λ_ews为东向西直行方向的车辆排加权系数；ρ和R下标第1和第2位的e,s,w,n分别表示东、南、西、北方向，且第1位朝向第2位方向；第三位l,r分别表示从前进方向的左手边或右手边穿越人行道；(2)选取交叉路口信号总周期：T_Z＝f_z(L_ews,L_wes,L_sns,L_nss)其中：T_Z为所有方向车辆和行人绿灯放行时间并集，即交叉路口信号总周期，f_z(L_ews,L_wes,L_sns,L_nss)为根据经验已经确定的函数；根据步骤5(1)的优化指标和步骤3的绿冲突约束，采用线性规划方法确定各个绿灯开启、持续时间及需要放行的车辆数；(3)根据步骤4的改进跟驰车辆交通流模型确定放行车辆数与放行时间的关系，按照各个方向需要放行的车辆数，对步骤5(2)确定的各个绿灯开启、持续时间进行修正，确定信号总周期。