CN105225502A - 一种基于多智能体的交叉口信号控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于多智能体的交叉口信号控制方法，属于智能交通交叉口控制技术领域。该方法通过对车辆、路段、交叉口、信号灯等交通实体分别建立智能体模型，利用多智能体间的交互性、协调合作性实现交通信息实时动态共享；具体包括信号周期优化调控、冲突相位绿灯信号控制以及车速引导辅助控制三个环节。本方法能够实时获取各车辆智能体的个体运行状态，并通过速度引导实现车辆智能体与交通控制***之间的动态交互；同时，针对多智能体交通环境，在对整个相位周期进行优化的同时考虑了当前相位若无车辆通过对绿灯时间造成的浪费，切换到冲突相位既避免了碰撞发生又使整个交叉口通过的车辆总数增加，降低冲突相位车辆的排队等待时间，可以有效降低交叉口的平均延误和停车次数。

Description

一种基于多智能体的交叉口信号控制方法

技术领域

本发明属于智能交通交叉口控制技术领域，涉及一种基于多智能体的交叉口信号控制方法。

背景技术

随着我国城市化进程的不断加快，机动车保有量迅猛增长，道路交通需求急剧增加。尽管近年来政府对城市交通基础设施建设投资不断加大，交通拥堵问题依然尖锐。交通拥堵不仅造成巨额的经济损失和环境质量恶化，甚至导致城市功能的瘫痪。然而经济的不断发展势必促使机动车拥有量在一个长时间内仍会持续高速增加，仅仅依靠加强交通基础设施的建设，无法从根源上解决问题。

信号配时方法是解决交通拥堵问题的有效手段。交叉口作为城市交通网络中的重要组成部分，是实现各路段交通流转换的节点，是城市交通拥挤的主要发生地。通过选取合适的交叉***通信号控制方法能在车道相交叉处更好更合理的分配车辆通行权，使各类、各向交通流有秩序、高效率地通行。

信号控制根据控制方法可分为离线控制和在线控制，离线控制通常为定时控制，固定绿灯时间、相位和相序；在线控制包括感应控制和自适应控制。感应控制通过车辆检测器测定到达进口道的交通需求，在一个预置的时间间隔内，若无后续车辆到达，则即可更换相位；如检测到有后续车辆到达，每测得一辆车，绿灯延长一个预置的“单位绿灯延长时间”，只要在这个预置的时间间隔内，车辆中断就换相，连续有车，则绿灯连续延长，一直延长至一个预置的“极限延长时间”，此后，即使检测到后面仍有来车，也中断这个相位的通车权，转换至另一个相位；自适应控制把交通***看作一个不确定的***，通过测量状态量，如车流量、停车次数、延误时间和排队长度等，进行反馈，实现信号配时的动态优化调整，以解决交通网络的随机特性问题。

其中：离线控制即定时控制方法，虽然定时控制简单易于操作，但它不是需求响应式的，只要信号定时参数一旦确定，就不会随着交通流的变化而调整，因此它不能满足实际交通需求；感应控制克服了定时控制的不足，在一定程度上能够适应交通需求的随机变化，但是在传统的感应控制方法中，绿灯时间特别是绿灯延迟时间仍可能不被充分利用；自适应控制虽然可以通过调整信号控制参数改变周期时长、相序等以适应交通***的需求，但算法复杂度高，实现难度大，不适于普遍推广应用。因此，需要一种能灵活适应交通流波动实时控制路段通行权且易于实现的交叉***通信号控制方法。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于多智能体的交叉口信号控制方法，该方法可以有效解决交叉口车辆碰撞、缓解交通拥堵问题，在增强交叉口区域交通安全运行的同时，保证车辆最佳行驶速度，最大限度地增强交叉口区域通行能力、缓解交通压力。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于多智能体的交叉口信号控制方法，该方法通过对车辆、路段、交叉口、信号灯等交通实体分别建立智能体模型，利用多智能体间的交互性、协调合作性实现交通信息实时动态共享；具体包括信号周期优化调控、冲突相位绿灯信号控制以及车速引导辅助控制三个环节。

进一步，所述信号周期优化调控环节，通过引入时间窗预测技术，利用车辆智能体和路段智能体动态交互信息，以整个交叉口延误和停车次数最小为优化目标，对信号灯智能体的绿灯时间进行优化调控。

进一步，所述冲突相位绿灯信号控制环节，利用交叉口智能体与车辆智能体交互获得的车辆预计到达时间以及车辆转向意图等信息，对车辆转向信号时间进行优化控制，避免发生交通流冲突现象。

进一步，在所述车速引导辅助控制环节中，车辆智能体通过与交叉口智能体交互，获取能够有效通过该交叉口的有效速度区间范围，诱导车辆在不和其他方向的交通流发生冲突碰撞的前提下保持最大行驶速度。

进一步，所述车辆智能体是交通***控制策略的基本承担者和执行者，主要包括车辆特性、车辆行为特性、通信接口与方式；车辆特性主要包括车辆行驶方向、车辆加速能力、车辆驾驶员所能接受的速度上限值、车辆在路网中的位置等基本属性参数；车辆智能体的行为特性主要由车辆加速、减速、方向选择、询问当前交通状态的方式、速度调节方式、跟车策略等体现车辆动态行为特点的实现方法所组成；当车辆智能体到达某个交叉口智能体所管理的路段智能体上时，车辆智能体通过通信单元向所在交叉口智能体及路段智能体发送包含当前车辆状态信息的报告并询问当前交叉口区域的交通状态信息。

进一步，所述路段智能体是路段和路面情况的抽象，主要包括路段的静态属性(路段在整个交通路网中的地理信息属性以及路段的长度、车道的数目、路段负载承受能力以及与其他路段的链接标识)、路段交通信息采集、路段交通数据预处理以及路段智能体的通信等功能，与车辆智能体进行信息交互获得当前车流状态信息后将信息提供给交叉口智能体。

进一步，所述交叉口智能体包含了本交叉口在整个路网中的位置、交叉口的通行能力、交叉口各通行方向、交通信号灯的配置情况等，交叉口智能体信号控制功能主要在于与路段智能体及车辆智能体进行信息交互后，设置交叉口上信号灯智能体的信号周期、红绿灯信号比，即传递相应的控制信息到信号灯智能体。

进一步，所述信号灯智能体用于接收所述交叉口智能体传递的信号灯控制信息，并执行相应的动作，与车辆智能体进行信息的交互，对其行车速度及方向进行诱导控制。

进一步，所述车速引导过程适用于以下两种情况：(1)车辆进入引导区域时，信号状态为红灯，或者信号状态为绿灯但路口排队尚未消散，通过计算车辆等待时间和车辆与交叉口的距离得出排队行驶时的安全行驶速度区间，给予车辆合适的车速引导；该情形下，车速引导的目的是尽量使车辆的停车等待时间最短；停车等待时间即车辆到达交叉口时刻与路口排队消散时刻的差值，当其不大于0时，车辆不需停车即可通过交叉口；(2)车辆进入引导区域时，信号状态为绿灯，且路口排队已经消散，通过计算剩余绿灯时间与车辆距交叉口的距离得出合适的行驶速度区间；该情形下，车速引导的目的尽量使车辆在绿灯结束前通过交叉口；即针对不同的交通状态对各车辆智能体给出最佳的行驶速度建议，引导其安全高效通过交叉口。

本发明的有益效果在于：本发明所述方法能实时获取各车辆智能体的个体运行状态，并能通过速度引导实现车辆智能体与交通控制***之间的动态交互，为交通信号控制提供了新的数据源和技术手段；同时，针对多智能体交通环境，提出道路交叉口信号控制优化流程，在对整个相位周期进行优化的同时考虑了当前相位若无车辆通过对绿灯时间造成的浪费，切换到冲突相位既避免了碰撞发生又使整个交叉口通过的车辆总数增加，降低冲突相位车辆的排队等待时间，可以有效降低交叉口的平均延误和停车次数。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为信息交互架构图；

图2为信号控制优化流程图；

图3为多智能体环境下车辆运行状态图(预测时间窗)；

图4为转向信号控制示意图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

如图1为多智能体交叉口信号控制***的信息交互架构图，***的基本承担者和执行者是车辆智能体，车辆智能体与路段智能体之间进行车辆速度、位置、方向等信息的交互。交叉口智能体通过通信交互接收车辆智能体传递的当前运行状态信息，同时也需接收路段智能体传递的路段当前车流量信息，根据这些交互得到的交通信息，交叉口智能体自身会计算产生一个优化的交通灯控制信号；通过与交叉口智能体的通信交互，路口中的信号灯智能体获取优化后的交通灯控制信息；信号灯智能体与车辆智能体之间的信息交互则起到对车辆进行车速引导和转向控制的作用，从而实现对交叉***通状态的控制。

如图2所示为交叉口信号控制优化的具体流程图。交叉口信号优化的核心问题是对各相位初始绿灯时间进行优化，由于当前相位绿灯时长会对该相位及后续相位的交通流状况造成影响，为此引入时间预测窗(如图3所示)的概念，对预测时间窗内各车辆智能体状态数据进行分析及短时预测，在此基础上，以整个交叉口的车辆延误和停车次数最小为优化目标，确定当前相位的优化时长。

为了保证预测精度，预测时间T不宜过长，取为20s。同时将预测时间窗，以4s为单位(记为Δt)，划分为5个时间间隔，绿灯延长时间g_e应为kΔt(k＝0,1,2,3,4,5)。对于绿灯延长时间优化问题，将饱和度作为衡量交叉口通行效率的指标，在进口道车辆运行状态分析基础上，预测每种绿灯延长时间方案下当前相位的饱和度，从而确定最佳方案。为降低交通流预测误差的影响，当绿灯延时达到2Δt时，对预测时间窗进行更新(将预测时间窗平移2Δt，以当前时刻作为预测时间窗T的起始点)，并根据最新的交通流数据重新计算绿灯延长时间。运用车速引导措施提高交叉口通行率，并在绿灯延长时间优化时考虑速度引导对当前相位饱和度的影响。

整个交通控制信号优化步骤如下：

步骤一：对当前绿灯相位上所有车辆智能体，根据其与路段智能体信息交互，获得其距离停止线的距离和车辆当前行驶速度等信息，可以预计到车辆即将到达停止线的行驶时间t。

步骤二：当t＜g_e时，该车辆将在该相位绿灯时间内匀速通过交叉口；当t>T时，表明车辆离交叉口较远，在当前时间预测窗T内不会到达停止线，暂不做考虑。若该相位在绿灯时间内没有车辆可以到达停车线，且其冲突相位车辆到达停车线的时间小于其剩余绿灯时间(如图4所示)，则将其剩余绿灯时间切换到冲突相位并通过对冲突相位的车辆进行车速引导辅助其在该时间段内安全通过交叉口，绿灯时间结束后切换回信号灯原运转周期；当T＞t＞g_e时，车辆将在绿灯延长时间内到达交叉口，此时通过车速引导使其安全通过交叉口。

步骤三：统计当前相位绿灯时间内通过交叉口车辆的总数，根据相位饱和度的计算公式：

$S=\frac{N_g}{Q_s\×g\×m}$

(其中N_g为绿灯期间通过交叉口的车辆数量，Q_s为单条进道口饱和流率，g为本相位绿灯时间，m为本相位各方向的进口道数量之和)，分别计算绿灯延长时间的5种取值方案下相位的饱和度。

步骤四：比较5种方案下的相位饱和度S_i(i＝1,2,3,4,5)选取其值最大的方案

步骤五：判断最大相位饱和度S是否小于设定的下限值S_s(相位饱和度在0.8～0.9之间为宜)。若S≧S_s，则与S对应的绿灯延长时间即为最佳方案；若S<S_s，立即切换至下一相位(即g_e＝0)。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (9)

1.一种基于多智能体的交叉口信号控制方法，其特征在于：该方法通过对车辆、路段、交叉口、信号灯等交通实体分别建立智能体模型，利用多智能体间的交互性、协调合作性实现交通信息实时动态共享；具体包括信号周期优化调控、冲突相位绿灯信号控制以及车速引导辅助控制三个环节。

2.根据权利要求1所述的一种基于多智能体的交叉口信号控制方法，其特征在于：所述信号周期优化调控环节，通过引入时间窗预测技术，利用车辆智能体和路段智能体动态交互信息，以整个交叉口延误和停车次数最小为优化目标，对信号灯智能体的绿灯时间进行优化调控。

3.根据权利要求1所述的一种基于多智能体的交叉口信号控制方法，其特征在于：所述冲突相位绿灯信号控制环节，利用交叉口智能体与车辆智能体交互获得的车辆预计到达时间以及车辆转向意图等信息，对车辆转向信号时间进行优化控制，避免发生交通流冲突现象。

4.根据权利要求1所述的一种基于多智能体的交叉口信号控制方法，其特征在于：在所述车速引导辅助控制环节中，车辆智能体通过与交叉口智能体交互，获取能够有效通过该交叉口的有效速度区间范围，诱导车辆在不和其他方向的交通流发生冲突碰撞的前提下保持最大行驶速度。

5.根据权利要求1所述的一种基于多智能体的交叉口信号控制方法，其特征在于：所述车辆智能体是交通***控制策略的基本承担者和执行者，主要包括车辆特性、车辆行为特性、通信接口与方式；车辆特性主要包括车辆行驶方向、车辆加速能力、车辆驾驶员所能接受的速度上限值、车辆在路网中的位置等基本属性参数；车辆智能体的行为特性主要由车辆加速、减速、方向选择、询问当前交通状态的方式、速度调节方式、跟车策略等体现车辆动态行为特点的实现方法所组成；当车辆智能体到达某个交叉口智能体所管理的路段智能体上时，车辆智能体通过通信单元向所在交叉口智能体及路段智能体发送包含当前车辆状态信息的报告并询问当前交叉口区域的交通状态信息。

6.根据权利要求1所述的一种基于多智能体的交叉口信号控制方法，其特征在于：所述路段智能体是路段和路面情况的抽象，主要包括路段的静态属性、路段交通信息采集、路段交通数据预处理以及路段智能体的通信等功能，与车辆智能体进行信息交互获得当前车流状态信息后将信息提供给交叉口智能体。

7.根据权利要求1所述的一种基于多智能体的交叉口信号控制方法，其特征在于：所述交叉口智能体包含了本交叉口在整个路网中的位置、交叉口的通行能力、交叉口各通行方向、交通信号灯的配置情况等，交叉口智能体信号控制功能主要在于与路段智能体及车辆智能体进行信息交互后，设置交叉口上信号灯智能体的信号周期、红绿灯信号比，即传递相应的控制信息到信号灯智能体。

8.根据权利要求1所述的一种基于多智能体的交叉口信号控制方法，其特征在于：所述信号灯智能体用于接收所述交叉口智能体传递的信号灯控制信息，并执行相应的动作，与车辆智能体进行信息的交互，对其行车速度及方向进行诱导控制。

9.根据权利要求4所述的一种基于多智能体的交叉口信号控制方法，其特征在于：所述车速引导过程适用于以下两种情况：(1)车辆进入引导区域时，信号状态为红灯，或者信号状态为绿灯但路口排队尚未消散，通过计算车辆等待时间和车辆与交叉口的距离得出排队行驶时的安全行驶速度区间，给予车辆合适的车速引导；该情形下，车速引导的目的是尽量使车辆的停车等待时间最短；停车等待时间即车辆到达交叉口时刻与路口排队消散时刻的差值，当其不大于0时，车辆不需停车即可通过交叉口；(2)车辆进入引导区域时，信号状态为绿灯，且路口排队已经消散，通过计算剩余绿灯时间与车辆距交叉口的距离得出合适的行驶速度区间；该情形下，车速引导的目的尽量使车辆在绿灯结束前通过交叉口；即针对不同的交通状态对各车辆智能体给出最佳的行驶速度建议，引导其安全高效通过交叉口。