一种基于车联网的交叉口信号灯绿信比调节方法

摘要

本发明公开了一种基于车联网的交叉口信号灯绿信比调节方法，该方法的步骤是：车辆GPS道路修正及道路平均速度及道路平均速度计算，建立平均车速估计模型，建立单交叉路口信号灯六相位控制系统模型，并采用粒子群算法求解得到各相位的持续时间，进行交叉路口各相位时间的动态更新。经现场实验应用表明，本发明的一种基于车联网的交叉口信号灯绿信比调节方法效果良好，能有效提高交叉口车辆通行效率，适用于交叉口信号灯绿信比调节等场合。

主权项

1.一种基于车联网的交叉口信号灯绿信比调节方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤一，车辆GPS道路修正及道路平均速度计算步骤S10，监控中心在GIS地图中获取车辆在t时刻GPS点的经纬度坐标；步骤S11，预设查找范围为以GPS点为圆心，半径r为18m的道路区域；步骤S12，在步骤S10设置的查找范围内查找道路：若道路条数大于1，则执行步骤S13；若道路条数为0，则执行步骤S14；若道路条数为1，则执行步骤S15；步骤S13，将查找半径r缩小1m，若半径r小于0则获取车辆t+1时刻的GPS点的经纬度坐标，返回步骤S11，否则返回步骤S12；步骤S14，将查找半径r扩大1m，若半径r大于40m则获取车辆t+1时刻的GPS点的经纬度坐标，返回步骤S11，否则返回步骤S12；步骤S15，得到唯一道路对象，即为该车辆当前的所在的道路；步骤S16，对所有车辆执行步骤S10至S15，得到每个车辆当前所在道路；步骤S17，根据下式计算道路上同一方向的车辆平均行车速度v(t)：$v\left(t\right)=\frac{1}{\mathrm{cnum}}\underset{\mathrm{cid}=1}{\overset{\mathrm{cnum}}{\Sigma }}{v}_{\mathrm{cid}}\left(t\right)$       （式1）在式2中，v_cid(t)是车辆当前道路t时刻第cid辆车的速度；cnum为该条道路上同一方向t时刻时车辆总数；v(t)是当前道路t时刻的平均速度；步骤二，建立平均车速估计模型：步骤S20，记一个道路Y在t时刻驶向道路交叉口方向的平均速度为v^ym，有n条旁道与道路Y相连接，这些旁道分别为：X₁,X₂...X_n，根据步骤一可得到在t时刻这些旁道的平均速度分别为v^x1m,v^x2m...v^xnm，这些平均速度的方向为旁道驶向道路Y的方向，或由道路Y驶向旁道的方向；则有如下线性关系：v^ym＝β₀+β¹v^x1m+β₂v^x2m+...+β_kv^xkm+ε_m    （式2）式中，β₀、β₁、...β_k为常数，ε_m为随机误差；步骤S21，将b₀、b₁、...b_k分别作为β₀、β₁、...β_k的拟合值，可得到式3的回归方程：$\widehat{v^{\mathrm{ym}}}=b_0+b_1{v}^{x1m}+b_2{v}^{x2m}+...b_k{v}^{\mathrm{xkm}}+{ϵ}_m$       （式3）式中，b₀为常数，b₀、b₁、...b_k为偏回归系数；步骤S22，根据最小二乘法可得：$Q=\underset{m=1}{\overset{n}{\Sigma }}{(v^{\mathrm{ym}}-\widehat{v^{\mathrm{ym}}})}^2$      （式4）式中，Q为离差平方和，代表了和v^ym两组数据的逼近程度；步骤S23，将式3代入式4中并根据求解极值的条件进行展开可得式5：$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{nb}}_0+\left(\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{v}^{x1m}\right)b_1+\left(\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{v}^{x2m}\right)b_2+...+\left(\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{v}^{\mathrm{xkm}}\right)b_k=\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{v}^{\mathrm{ym}}\\ \left(\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{v}^{x1m}\right)b_0+\left(\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{\left(v^{x1m}\right)}^2\right)b_1+\left(\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{v}^{x1m}{v}^{x2m}\right)b_2+...+\left(\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{v}^{x1m}{v}^{\mathrm{xkm}}\right)b_k=\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{v}^{x1m}{v}^{\mathrm{ym}}\\ \left(\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{v}^{\mathrm{xkm}}\right)b_0+\left(\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{v}^{x1m}{v}^{\mathrm{xkm}}\right)b_1+\left(\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{v}^{x2m}{v}^{\mathrm{xkm}}\right)b_2+...+\left(\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{\left(v^{\mathrm{xkm}}\right)}^2\right)b_k=\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{v}^{\mathrm{xkm}}{v}^{\mathrm{ym}}\end{array}\right.$    （式5）对式5进一步整理可得：Ab＝Y；令$\mathrm{VX}=\left[\begin{array}{ccccc}1& v^{x11}& v^{x21}& ..& v^{\mathrm{xk}1}\\ 1& v^{x12}& v^{x22}& ...& v^{\mathrm{xk}2}\\ ...& ...& ...& ...& ...\\ 1& v^{x\ln }& v^{x2n}& ...& v^{\mathrm{xkn}}\end{array}\right],\mathrm{VY}=\left[\begin{array}{c}{v}^{y1}\\ v^{y2}\\ ...\\ v^{\mathrm{yn}}\end{array}\right]$A＝VX^TVX,B＝VX^TVY；对上述方程求解，可得到：b＝A^-1B＝(VX^TVX)VX^TVY     （式6）求解式6，可得到b₀、b₁、...b_k的值；将b₀、b₁、...b_k代入式3，可求得道路Y的平均速度进而计算出道路Y的车辆到达率此处L的取值为道路Y距离道路交叉口100～150m的距离；步骤S24，在道路同一方向距离交叉路口50m的每个车道上均设置地感线圈，获取一段时间Tk内各个车道经过地感线圈的车辆个数C_k，k代表车道，取值为1，2，3；则道路Y的单个车道在一段时间内的车辆到达率可表示为步骤三，建立单交叉路口信号灯六相位控制系统模型步骤S30，建立单交叉路口六相位信号灯控制模型，其中第一相位表示东西方向直行车道车辆通行，第二相位表示东西方向左转车道车辆通行，第三相位表示东西方向右转车道车辆通行，第四相位表示南北方向直行车道车辆通行，第五相位表示南北方向左转车道车辆通行，第六相位表示南北方向右转车道车辆通行；步骤S31，记一个周期T为六个相位持续的总时间，分别按照步骤二的方法计算交叉路口在一个周期内第i个相位第j方向第k车道的车辆到达率q_ijk，在计算q_ijk时，C_k为该车道k在一个周期T内非通行状态下的时间中所有通过地感线圈的车辆数；则一个周期内第i个相位第j个方向第k个车道的车辆到达数s_in为：s_in＝q_ijk.t_i     （式7）式中，t_i指一个周期内一个相位的时间长度；i取1～6，分别表示交叉路口一个周期内的第一至第六相位；j取1～4，分别表示交叉路口东、西、南、北方向；k取1～3，分别表示交叉路口每条道路上的左转车道、直行车道和右转车道；步骤S32，计算第j个方向、第k个车道的车辆平均离开率u_jk，其计算方法如下式：u_jk＝L_jk/v'      （式8）其中，L_jk为第j个方向、第k个车道所对应交叉路口的长度，v'为交叉路口车辆的行驶速度，取10～20km/h；计算一个周期内第i个相位、第j个方向、第k个车道可能驶离路口的车辆数为：s_out＝p_ijk.u_jk.t_i     （式9）式中，p_ijk指i个相位、第j个方向、第k个车道车辆放行率，如果第i个相位时，第j个方向，第k个车道的车辆放行，则p_ijk取1，否则取0，t_i指一个周期内一个相位的时间长度；步骤S33，记s^l_ijk表示第l个周期、第i个相位、第j个方向、第k个车道滞留的车辆数，则有：$\left\{\begin{array}{c}{s^l}_{\mathrm{ijk}}={s^l}_{i-1\mathrm{jk}}+q_{\mathrm{ijk}}.t_i-p_{\mathrm{ijk}}.u_{\mathrm{jk}}.t_i\\ {s^l}_{i-1\mathrm{jk}}+q_{\mathrm{ijk}}.t_i\ge p_{\mathrm{ijk}}.u_{\mathrm{jk}}.t_i\end{array}\right.$    （式10）式中，i=1,2,3,4,5,6；j=1,2,3,4；k=1,2,3；则第l个周期末交叉路口总的滞留车辆数可表示为：$s=\underset{j=1}{\overset{4}{\Sigma }}\underset{k=1}{\overset{3}{\Sigma }}{s^l}_{6\mathrm{jk}}$步骤S34，为了使交叉路口流通能力最大，即要求交叉路口滞留车辆数最小，即：$s^{*}=\min s=\min \underset{j=1}{\overset{6}{\Sigma }}\underset{k=1}{\overset{3}{\Sigma }}{s^l}_{6\mathrm{jk}}=\min \underset{j=1}{\overset{4}{\Sigma }}\underset{k=1}{\overset{3}{\Sigma }}({s^{l-1}}_{6\mathrm{jk}}+\underset{i=1}{\overset{6}{\Sigma }}{q}_{\mathrm{ijk}}{t}_i-\underset{i=1}{\overset{6}{\Sigma }}{p}_{\mathrm{ijk}}{\mathrm{ut}}_i)$，且需满足：e≤t_i≤T-(m-1)e和t₁+t₂+t₃+t₄+t₅+t₆=T其中（i=1,2,…,m），6个相位的持续时间分别记为：t₁、t₂、t₃、t₄、t₅、t₆，e为最短绿灯时间；步骤四，利用粒子群算法求解，得到t₁、t₂、t₃、t₄、t₅、t₆，即为各相位绿灯持续时间。