CN106683448A - 一种基于cps的道路信号灯控制系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于CPS的道路信号灯控制系统及其方法。系统利用传感器来检测道路的车流量，对获取的数据通过CPS结点设备进行收集、处理和转发，从而对交通信号灯红灯和绿灯的时长做出实时调整与控制。系统的目的是解决车流量较大时红灯时间过长，排队等待车辆过多所导致的交通拥堵问题，能够根据实际的情况发挥道路最大的运载能力。除此之外，在这套系统可以根据实际情况，自动进行交通信号灯的控制，减少了人力的消耗，这也适应了未来智能交通的发展趋势。

Description

一种基于CPS的道路信号灯控制系统及其方法

技术领域

本发明属于CPS技术的智能交通控制领域，涉及一种基于CPS的道路信号灯控制系统及其方法。

背景技术

随着城市化进程的不断加快，越来越多的社会问题因此暴露了出来。其中，由于人口数量和私家车保有量的不断增长而导致的城市道路拥堵问题，也是社会所关注的热点问题之一，尤其是在上下班的高峰期所导致的交通路口拥挤问题为人们所诟病。这个问题的解决单单依靠政府或者是某个企业的力量是无法完成的。当今时代，信息技术的发展日新月异，将信息技术用于解决生活中实际问题的例子屡见不鲜。因此，本文针对交通路口道路拥挤问题结合相关的信息技术提出建立一套基于CPS的智能交通信号灯控制系统。众所周知，交通路口信号灯时长往往是固定的，这会导致上下班高峰时间由于信号灯时长安排不合理导致车辆大量排队等待，形成道路拥挤。

发明内容

技术问题：本发明提供一种信号灯控制符合实际需求的基于CPS的道路信号灯控制系统，同时提供了一种基于CPS的道路信号灯控制方法。

技术方案：本发明的基于CPS的道路信号灯控制系统，包括：

压力传感器组，用于检测车辆的通过；

CPS结点设备，与所述的压力传感器组相连，用于信息的收集和发送；

监控中心，与所述的CPS结点设备相连，用于监测道路车辆的通行状况，并对信号灯进行控制。

进一步的，本发明中，所述的压力传感器组铺设在十字路口各车道流出口以及流入口，所述十字路口有由南向北、由北向南、由西向东和由东向西四个行车方向，每个方向上分别用来检测当前行车方向直行，左转弯，右转弯和汇入车流量的压力传感器组成一个传感器组，压力传感器组与CPS结点设备相连，压力传感器将物理形变转换为电信号，经过A/D转换通过串口传输给CPS结点设备。

进一步的，本发明中，所述的CPS结点设备是由具有数据采集、处理和转发功能的单片机及其外围设备组成，每一个压力传感器组对应一个CPS结点设备，CPS结点设备对压力传感器组传输的信号进行判断，确认是否是车辆的通过，并将车流量信息传输给控制中心。

进一步的，本发明中，所述CPS结点设备对压力传感器组传输的信号进行判断，包括以下两个方面：

CPS结点设备每隔10ms从压力传感器读取数据，若读取的数据为0，则表示当前无车辆通过；当读取的数据不为0时，若获得的数据与上次相同则表示当前车辆未完全通过，若不相同，则表示前车已经通过，此时计数器加1；

CPS结点设备对压力传感器传输的数据进行过滤，如果当前读取的数据不为0，但数值与机动车通过时产生的数据不在同一个数量级上时，则CPS结点设备忽略本次数据，从压力传感器重新读取数据，否则，判断为有车辆正在通过。

进一步的，本发明中，监控中心所要执行的任务包括：

(1)根据不同位置的CPS结点设备所采集的车流量信息，直观呈现城市各个十字路口当前道路的通行状况；

(2)根据某一十字路路口CPS结点设备采集到的车流量信息，对这一十字路口相邻的其它十字路口车流量进行预测，根据预测结果对交通信号灯的时长进行控制。

进一步的，本发明中，所述监控中心对这一十字路口相邻的其它十字路口车流量进行预测的流程如下：

(1)一个周期中由南北方向和东西方向，绿灯和红灯的时长分别通过如下公式进行计算：

式中C表示一个红绿灯周期的总时间，T_NS表示南北通行方向在一个周期中绿灯的时长，T_EW表示东西通行方向在一个周期中绿灯的时长。n_N、n_S、n_E、n_W表示每个行车方向上压力传感器检测到的汇入车流量；

(2)对于每一通行方向，由于右转弯方向不设置禁行，左转弯绿灯时长和直行绿灯时长通过以下公式进行计算：

式中T表示当前通行方向绿灯时长，T_L表示左转弯通行时长，T_S表示直行通行时长，n_L、n_S、n_R分别表示上次红绿灯周期中压力传感器检测到的左转弯，直行和右转弯车辆的数量。

本发明的基于CPS的道路信号灯控制方法，包括以下步骤：

1)压力传感器组采集道路车辆通行数据，并将采集到的数据传输给CPS结点设备；

2)CPS结点设备对接收到的压力传感器组的数据进行处理，得到通过车流量信息，将车流量信息传输给监控中心；

3)监控中心综合各个路口采集到的车流量信息，对城市道路车流量进行预测；

4)根据预测的结果设置每个十字路口交通信号灯的时长，并对信号灯进行控制。

进一步的，本发明方法中，所述步骤1)中，压力传感器组铺设在十字路口各车道流出口以及流入口，所述十字路口有由南向北、由北向南、由西向东和由东向西四个行车方向，每个方向上分别用来检测当前行车方向直行，左转弯，右转弯和汇入车流量的压力传感器组成一个传感器组，压力传感器组与CPS结点设备相连，压力传感器将物理形变转换为电信号，经过A/D转换通过串口传输给CPS结点设备。

进一步的，本发明方法中，所述步骤2)中，CPS结点设备对压力传感器组传输的信号进行以下两个方面的处理：

CPS结点设备每隔10ms从压力传感器读取数据，若读取的数据为0，则表示当前无车辆通过；当读取的数据不为0时，若获得的数据与上次相同则表示当前车辆未完全通过，若不相同，则表示前车已经通过，此时计数器加1；

CPS结点设备对压力传感器传输的数据进行过滤，如果当前读取的数据不为0，但数值与机动车通过时产生的数据不在同一个数量级上时，则CPS结点设备忽略本次数据，从压力传感器重新读取数据，否则，判断为有车辆正在通过。

进一步的，本发明方法中，所述步骤3)中，监控中心按照如下方式对城市道路车流量进行预测：

(1)一个周期中由南向北和由北向南与由东向西和由西向东通行于禁行时间通过如下公式进行计算：

式中C表示一个红绿灯周期的总时间，T_NS表示南北通行方向在一个周期中绿灯的时长，T_EW表示东西通行方向在一个周期中绿灯的时长。n_N、n_S、n_E、n_W表示每个行车方向上压力传感器检测到的汇入车流量；

(2)对于每一通行方向，由于右转弯方向不设置禁行，左转弯绿灯时长和直行绿灯时长通过以下公式进行计算：

式中T表示当前通行方向绿灯时长，T_L表示左转弯通行时长，T_S表示直行通行时长，n_L、n_S、n_R表示上次红绿灯周期中压力传感器检测到的左转弯，直行和右转弯车辆的数量。

根据预测的结果设置每个十字路口交通信号灯的时长。

本发明在性能上优于传统的信号灯控制方法。传统的信号灯控制方法，往往信号灯的时长都是固定等额，不能根据实际情况进行改变，在交通高峰期对改变信号灯的时长，往往是通过人工进行控制的。

在这套系统中，通过压力传感器来自动获取道路的车辆通行状况，从而根据一定的算法和规则来实现对于信号灯时长的自动控制。相较于红外测距传感器当出现多辆汽车前后交错通行时，会出现红外信号一直被遮挡导致接收端接收不到发射端的红外信号而误认为只有一辆车的通过，这也就出现了测量较大的误差，并且红外测距传感器价格昂贵，不适合大范围应用。不使用RFID技术是因为我们需要给每一辆车的底盘都贴上RFID射频识别标签，并且标签必须要和识别设备有一定的信息关联性，实现起来难度较大。

附图说明

图1是本发明的一个应用场景实例。

图2是本发明的系统模块框架图。

图3是是CPS结点设备进行数据处理流程图。

具体实施方式

请参考图1，其示出了本发明的一个应用场景实例。压力传感器组铺设在十字路口各车道流出口以及流入口。十字路口有由南向北、由北向南、由西向东和由东向西，四个行车方向。每个方向上分别用来检测当前行车方向直行，左转弯，右转弯和汇入车流量的压力传感器组成一个传感器组。

基于CPS的道路信号灯控制系统及其方法基本的工作包含以下几个步骤：压力传感器组采集道路车辆通行数据，并将采集到的数据传输给CPS结点设备。CPS结点设备接收传感器组的数据，并对传输数据进行处理得到通过车流量信息，将车流量信息传输给监控中心。监控中心综合各个路口采集到的车流量信息，对城市道路车流量进行预测。

请参考图2，其示出了本发明的系统模块框架图。压力传感器组与CPS结点设备相连，压力传感器会将物理形变转换为电信号，经过A/D转换通过串口传输给CPS结点设备。CPS结点设备是由具有数据采集、处理和转发功能的单片机及其外围设备组成，每一个压力传感器组对应一个CPS结点设备。CPS结点设备对压力传感器组传输的信号进行判断处理，并将车流量信息传输给控制中心。

请参考图3，CPS结点设备对压力传感器组传输的信号进行判断处理，其特征在于，所述的数据处理主要包括两个方面：

(1)CPS结点设备每隔10ms从压力传感器读取数据。若读取的数据为0，则表示当前无车辆通过；当读取的数据不为0时，若获得的数据与上次相同则表示当前车辆未完全通过，若不相同，则表示前车已经通过，此时计数器应当加1。

(2)CPS结点设备会对压力传感器传输的数据进行过滤，如果当前读取的数据不为0，但数值较小且与机动车通过时产生的数据不在同一个数量级上时，CPS结点设备会忽略本次数据，从压力传感器重新读取数据。

在这套系统中，通过传感器来自动获取道路的车辆通行状况，从而根据一定的算法和规则来实现对于信号灯时长的自动控制。当车流量较大时，系统会将绿灯的时长适当延长，让车辆能够迅速通过，避免积压；如果此时道路通行压力不是很大时，系统会将红灯的时长适当地增加，缓解其它通行方向的道路通行压力。根据实际道路通行状况，实现信号灯的智能控制，从而发挥道路最大的运载能力。

上述实施例仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和等同替换，这些对本发明权利要求进行改进和等同替换后的技术方案，均落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于CPS的道路信号灯控制系统，其特征在于，该系统包括：

压力传感器组，用于检测车辆的通过；

CPS结点设备，与所述的压力传感器组相连，用于信息的收集和发送；

监控中心，与所述的CPS结点设备相连，用于监测道路车辆的通行状况，并对信号灯进行控制。

2.如权利要求1所述的基于CPS的道路信号灯控制系统及其方法，其特征在于，所述的压力传感器组铺设在十字路口各车道流出口以及流入口，所述十字路口有由南向北、由北向南、由西向东和由东向西四个行车方向，每个方向上分别用来检测当前行车方向直行，左转弯，右转弯和汇入车流量的压力传感器组成一个传感器组，压力传感器组与CPS结点设备相连，压力传感器将物理形变转换为电信号，经过A/D转换通过串口传输给CPS结点设备。

3.如权利要求1或2所述的基于CPS的道路信号灯控制系统，其特征在于，所述的CPS结点设备是由具有数据采集、处理和转发功能的单片机及其外围设备组成，每一个压力传感器组对应一个CPS结点设备，CPS结点设备对压力传感器组传输的信号进行判断，确认是否是车辆的通过，并将车流量信息传输给控制中心。

4.如权利要求3所述的基于CPS的道路信号灯控制系统，其特征在于，所述的CPS结点设备对压力传感器组传输的信号进行判断，包括以下两个方面：

CPS结点设备每隔10ms从压力传感器读取数据，若读取的数据为0，则表示当前无车辆通过；当读取的数据不为0时，若获得的数据与上次相同则表示当前车辆未完全通过，若不相同，则表示前车已经通过，此时计数器加1；

CPS结点设备对压力传感器传输的数据进行过滤，如果当前读取的数据不为0，但数值与机动车通过时产生的数据不在同一个数量级上时，则CPS结点设备忽略本次数据，从压力传感器重新读取数据，否则，判断为有车辆正在通过。

5.如权利要求1或2所述的基于CPS的道路信号灯控制系统，其特征在于，所述的监控中心所要执行的任务包括：

(1)根据不同位置的CPS结点设备所采集的车流量信息，直观呈现城市各个十字路口当前道路的通行状况；

(2)根据某一十字路路口CPS结点设备采集到的车流量信息，对这一十字路口相邻的其它十字路口车流量进行预测，根据预测结果对交通信号灯的时长进行控制。

6.如权利要求5所述的基于CPS的道路信号灯控制系统，其特征在于，所述监控中心对这一十字路口相邻的其它十字路口车流量进行预测的流程如下：

(1)一个周期中由南北方向和东西方向，绿灯和红灯的时长分别通过如下公式进行计算：

$\left\{\begin{array}{cc}{T}_{NS}=\frac{n_N+n_S}{n_N+n_S+n_E+n_W}\×C& \left(1\right)\\ T_{EW}=\frac{n_E+n_W}{n_N+n_S+n_E+n_W}\×C& \left(2\right)\end{array}\right.$

式中C表示一个红绿灯周期的总时间，T_NS表示南北通行方向在一个周期中绿灯的时长，T_EW表示东西通行方向在一个周期中绿灯的时长。n_N、n_S、n_E、n_W表示每个行车方向上压力传感器检测到的汇入车流量；

(2)对于每一通行方向，由于右转弯方向不设置禁行，左转弯绿灯时长和直行绿灯时长通过以下公式进行计算：

$\left\{\begin{array}{cc}{T}_L=\frac{n_L}{n_L+n_S+n_R}\×T& \left(3\right)\\ T_S=\frac{n_S}{n_L+n_S+n_R}\×T& \left(4\right)\end{array}\right.$

式中T表示当前通行方向绿灯时长，T_L表示左转弯通行时长，T_S表示直行通行时长，n_L、n_S、n_R分别表示上次红绿灯周期中压力传感器检测到的左转弯，直行和右转弯车辆的数量。

7.一种基于CPS的道路信号灯控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1)压力传感器组采集道路车辆通行数据，并将采集到的数据传输给CPS结点设备；

2)CPS结点设备对接收到的压力传感器组的数据进行处理，得到通过车流量信息，将车流量信息传输给监控中心；

3)监控中心综合各个路口采集到的车流量信息，对城市道路车流量进行预测；

4)根据预测的结果设置每个十字路口交通信号灯的时长，并对信号灯进行控制。

8.根据权利要求7所述的基于CPS的道路信号灯控制方法，其特征在于，所述步骤1)中，压力传感器组铺设在十字路口各车道流出口以及流入口，所述十字路口有由南向北、由北向南、由西向东和由东向西四个行车方向，每个方向上分别用来检测当前行车方向直行，左转弯，右转弯和汇入车流量的压力传感器组成一个传感器组，压力传感器组与CPS结点设备相连，压力传感器将物理形变转换为电信号，经过A/D转换通过串口传输给CPS结点设备。

9.根据权利要求7所述的基于CPS的道路信号灯控制方法，其特征在于，所述步骤2)中，CPS结点设备对压力传感器组传输的信号进行以下两个方面的处理：

CPS结点设备每隔10ms从压力传感器读取数据，若读取的数据为0，则表示当前无车辆通过；当读取的数据不为0时，若获得的数据与上次相同则表示当前车辆未完全通过，若不相同，则表示前车已经通过，此时计数器加1；

CPS结点设备对压力传感器传输的数据进行过滤，如果当前读取的数据不为0，但数值与机动车通过时产生的数据不在同一个数量级上时，则CPS结点设备忽略本次数据，从压力传感器重新读取数据，否则，判断为有车辆正在通过。

10.根据权利要求7、8或9所述的基于CPS的道路信号灯控制方法，其特征在于，所述步骤3)中，监控中心按照如下方式对城市道路车流量进行预测：

(1)一个周期中由南向北和由北向南与由东向西和由西向东通行于禁行时间通过如下公式进行计算：

$\left\{\begin{array}{cc}{T}_{NS}=\frac{n_N+n_S}{n_N+n_S+n_E+n_W}\×C& \left(1\right)\\ T_{EW}=\frac{n_E+n_W}{n_N+n_S+n_E+n_W}\×C& \left(2\right)\end{array}\right.$

式中C表示一个红绿灯周期的总时间，T_NS表示南北通行方向在一个周期中绿灯的时长，T_EW表示东西通行方向在一个周期中绿灯的时长。n_N、n_S、n_E、n_W表示每个行车方向上压力传感器检测到的汇入车流量；

(2)对于每一通行方向，由于右转弯方向不设置禁行，左转弯绿灯时长和直行绿灯时长通过以下公式进行计算：

$\left\{\begin{array}{cc}{T}_L=\frac{n_L}{n_L+n_S+n_R}\×T& \left(3\right)\\ T_S=\frac{n_S}{n_L+n_S+n_R}\×T& \left(4\right)\end{array}\right.$

式中T表示当前通行方向绿灯时长，T_L表示左转弯通行时长，T_S表示直行通行时长，n_L、n_S、n_R表示上次红绿灯周期中压力传感器检测到的左转弯，直行和右转弯车辆的数量。