CN116721558B - 一种基于可见光通信的信号灯调节方法及*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于可见光通信的信号灯调节方法及***，涉及交通控制领域，每辆车配备有第一VLC单元；十字路口安装有第二VLC单元，该单元连接到边缘控制设备，该设备控制各道路的信号灯；车辆将自身位置和前方路口的行进方向实时编码为可由VLC单元发送的数据格式，并通过前方的发射器发送给前方的第二VLC单元；边缘控制设备根据解码信息，动态计算车辆数量，并根据道路的车辆数量和行进方向调整信号灯的变换时间，提高交通效率；本发明仅需处理局部车辆数据就能进行有效控制，而无需考虑其他车道的车辆数据，计算量小；同时，由于可见光通信的局域有效性，可以大大降低网络延迟；由于考虑的车辆在路口行进的方向，可以提高信号灯控制的准确率。

Description

一种基于可见光通信的信号灯调节方法及***

技术领域

本发明涉及交通控制领域，更具体地说，涉及一种基于可见光通信的信号灯调节方法及***。

背景技术

现有的交通信号灯控制***主要基于强化学习技术进行操作。这种技术需要综合考虑众多交叉路口或车道的车流信息，才能准确地判断出合理的红绿灯变换时间，因此计算量相当大。在获取车流信息的方式上，大多数***依赖于图像识别技术。然而，这种技术既需要安装大量的监控设备，又需要对大量的图像数据进行实时处理和分析，因此计算压力大，易产生延迟。

此外，现有的交通信号灯控制***在决定红绿灯变换时间时，并没有考虑到车辆在路口的前进方向。例如，右转车辆和直行车辆对红绿灯的需求是不同的。在大部分情况下，右转车辆可以在红灯时进行，而直行车辆则需要等待绿灯。因此，如果控制***没有获取到车辆的行进方向信息，就无法准确地判断车流状况和制定出合理的红绿灯变换策略。然而，现有的***并没有解决这个问题，导致红绿灯的控制并不完全符合车流状况，从而影响了道路的通行效率。

另外，可见光通信（Visible Light Communication，简称VLC）是一种利用可见光频谱范围内的光波实现数据传输的无线通信技术。VLC 的核心是利用光源进行光通信。VLC的主要优点是其使用的是非授权的电磁频谱资源，这部分资源是丰富的且不受任何法规限制，可以极大地缓解无线频谱资源的紧张。而且，由于它的频谱范围非常宽，数据传输速率也相当高。

在VLC中，通信过程主要涉及两个步骤：调制和解调。调制是在发送端进行的，其过程是将输入的电信号转化为光信号。在VLC中，这主要通过改变LED光源的亮度来实现。解调则在接收端进行，其过程是将收到的光信号转化回电信号。这主要通过光敏接收器来实现，如光电二极管或者光电倍增管等。

VLC是一种有很大发展潜力的新型通信技术，它在局域范围内有着较强的稳定性和传输速率。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于可见光通信的信号灯调节方法及***，以尝试使用可见光通信解决背景技术中提到交通信号灯控制的问题。

为了达到上述目的，本发明采取以下技术方案：

一种基于可见光通信的信号灯调节方法，包括如下步骤：

S1：为每辆车配备第一VLC单元，其中第一VLC单元包括位于车辆后方的接收器和位于车辆前方的发射器；

S2：在第一道路和第二道路交叉的十字路口安装第二VLC单元，所述第二VLC单元连接于一个边缘控制设备，所述边缘控制设备同时连接于分别指示第一道路和第二道路通行的两组信号灯；

S3：在第一道路或第二道路的每辆车将自身车辆位置以及在前方十字路口的行进方向实时编码为可由VLC单元发送的数据格式，并实时通过车辆前方的发射器发送给前方十字路口的第二VLC单元，其中，若由于距离或遮挡原因，车辆无法与前方十字路口的第二VLC单元进行通信，则车辆将光信号通过前方车辆的中介作用持续传递至前方路口的第二VLC单元；

S4：边缘控制设备根据第二VLC单元解码提供的信息，每变换一次信号灯，计算一次此时位于第一道路的直行车辆数量S1、位于第一道路的左转车辆数量L1和位于第一道路的右转车辆数量R1；以及此时位于第二道路的直行车辆数量S2、位于第二道路的左转车辆数量L2和位于第二道路的右转车辆的数量R2；

S5：设定对应于第一道路的初始绿灯持续时间T1，以及对应于第二道路的初始绿灯持续时间T2；其中T1同时为对应于第二道路的初始红灯持续时间，T2同时为对应于第一道路的初始红灯持续时间；T1与T2均为常数；

S6：

a.根据S4，若计算得：

L1+S1＜N1且L2+S2＜N2，其中N1为预设的第一道路车辆阈值，N2为预设的第二道路车辆阈值；

则将初始设定的T1、T2应用于信号灯的时长；

b.若计算得：

L1+S1＞N1或L2+S2＞N2，则按下述方式控制红绿灯：

1)若边缘控制设备计算车辆数量时第一道路的信号灯变为绿灯、第二道路的信号灯变为红灯，则计算比例因子：

k1=(L1+S1)/(C+L2+S2)；其中C为防止分母为0的正数常数因子；

并且把第一道路的绿灯延续时间以及第二道路的红灯延续时间设定为：

t1=k1×T1；

若t1超过预设的阈值TF1，则将t1限制在TF1；

2)若边缘控制设备计算车辆数量时第二道路的信号灯变为绿灯、第一道路的信号灯变为红灯，则计算比例因子：

k2=(L2+S2)/(C+L1+S1)；其中C为防止分母为0的正数常数因子；

并且把第二道路的绿灯延续时间以及第一道路的红灯延续时间设定为：

t2=k2×T2；

若t2超过预设的阈值TF2，则将t2限制在TF2。

优选方案下，第一VLC单元中：

位于车辆前方的发射器集成于车辆的前灯，位于车辆后方的接收器集成于车辆的后摄像头。

在一些实施例中，其中C取为0.1。

本发明还公开一种基于可见光通信的信号灯调节***，包括：

配备于每辆车的第一VLC单元，其中第一VLC单元包括位于车辆后方的接收器，和位于车辆前方的发射器；

安装在十字路口的第二VLC单元，所述第二VLC单元连接至一个边缘控制设备，所述边缘控制设备同时连接于分别指示第一道路和第二道路通行的两组信号灯；其中十字路口由第一道路和第二道路交叉形成；

边缘控制设备，所述边缘控制设备根据第二VLC单元提供的信号，每变换一次信号灯，计算一次此时位于第一道路的直行车辆数量S1、左转车辆数量L1和右转车辆数量R1；以及此时位于第二道路的直行车辆数量S2、左转车辆数量L2和右转车辆的数量R2，并根据计算结果调节信号灯的绿灯延续时间及红灯延续时间。

进一步，所述根据计算结果调节信号灯的绿灯延续时间及红灯延续时间的方法具体包括：

S5：设定对应于第一道路的初始绿灯持续时间T1，以及对应于第二道路的初始绿灯持续时间T2；其中T1同时为对应于第二道路的初始红灯持续时间，T2同时为对应于第一道路的初始红灯持续时间；T1与T2均为常数；

S6：

a.根据S4，若计算得：

L1+S1＜N1且L2+S2＜N2，其中N1为预设的第一道路车辆阈值，N2为预设的第二道路车辆阈值；

则将S5中的初始设定应用于信号灯的时长；

b.若计算得：

L1+S1＞N1或L2+S2＞N2，则按下述方式控制红绿灯：

1)若边缘控制设备计算车辆数量时第一道路的信号灯变为绿灯、第二道路的信号灯变为红灯，则计算比例因子：

k1=(L1+S1)/(C+L2+S2)；其中C为防止分母为0的正数常数因子；

并且把第一道路的绿灯延续时间以及第二道路的红灯延续时间设定为：

t1=k1×T1；

若t1超过预设的阈值TF1，则将t1限制在TF1；

2)若边缘控制设备计算车辆数量时第二道路的信号灯变为绿灯、第一道路的信号灯变为红灯，则计算比例因子：

k2=(L2+S2)/(C+L1+S1)；其中C为防止分母为0的正数常数因子；

并且把第二道路的绿灯延续时间以及第一道路的红灯延续时间设定为：

t2=k2×T2；

若t2超过预设的阈值TF2，则将t2限制在TF2。

优选方案下，第一VLC单元中：

位于车辆前方的发射器集成于车辆的前灯，位于车辆后方的接收器集成于车辆的后摄像头。

本发明相对于现有技术的优点在于：

本发明的方法和***只需关注并处理局部路口的车辆数据，而无需考虑其他路口或车道的车辆数据。这种局部化的处理方式大大降低了数据处理的复杂度和计算量，使得边缘设备即可完成相关操作。同时，由于使用了光通信的技术，这种局域性的通信方式大大减少了网络延迟，确保了信息传输的及时性，从而使得交通信号灯能够根据实时车流状况做出快速反应。若所有的十字路口都采用此种方式进行操作，将大大提高整个城市交通网络的处理效能和通行效率。

本发明通过可见光通信将车辆在前方路口的行进方向传递至边缘控制设备，可以让信号灯充分根据车辆的行进方向来决定对应的红绿灯持续时间，从而提高交通顺畅度，而现有技术一般是直接根据车流量来计算红绿灯，未考虑到车辆行进方向，因为如果车辆都是右转的话，光靠车流量无法判断实际需要的红绿灯时长，因为右转可以在红灯下进行。进一步，本发明通过计算比例因子，边缘控制设备可以依据车辆的数量和行驶方向来动态调整红绿灯的时间，平衡十字路口的车流量，进一步提高交通的顺畅度。

本发明通过设定一个阈值TF，可以有效防止红绿灯持续时间无限长，从而确保交通的正常运行，防止由于某一方向车流过大导致的其他方向长时间等待。

附图说明

图1是本发明方法的流程图；

图2是本发明***的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作描述。

如图1所示为本发明方法的流程图。

本发明一种基于可见光通信的信号灯调节方法，包括如下步骤：

S1：为每辆车配备第一VLC单元，其中第一VLC单元包括位于车辆后方的接收器和位于车辆前方的发射器；

S2：在第一道路和第二道路交叉的十字路口安装第二VLC单元，第二VLC单元连接于一个边缘控制设备，边缘控制设备同时连接于分别指示第一道路和第二道路通行的两组信号灯；

S3：在第一道路或第二道路的每辆车将自身车辆位置以及在前方十字路口的行进方向实时编码为可由VLC单元发送的数据格式，并实时通过车辆前方的发射器发送给前方十字路口的第二VLC单元，其中，若由于距离或遮挡原因，车辆无法与前方十字路口的第二VLC单元进行通信，则车辆将光信号通过前方车辆的中介作用持续传递至前方路口的第二VLC单元；

S4：边缘控制设备根据第二VLC单元解码提供的信息，每变换一次信号灯，计算一次此时位于第一道路的直行车辆数量S1、位于第一道路的左转车辆数量L1和位于第一道路的右转车辆数量R1；以及此时位于第二道路的直行车辆数量S2、位于第二道路的左转车辆数量L2和位于第二道路的右转车辆的数量R2；

S5：设定对应于第一道路的初始绿灯持续时间T1，以及对应于第二道路的初始绿灯持续时间T2；其中T1同时为对应于第二道路的初始红灯持续时间，T2同时为对应于第一道路的初始红灯持续时间；T1与T2均为常数；

S6：

a.根据S4，若计算得：

L1+S1＜N1且L2+S2＜N2，其中N1为预设的第一道路车辆阈值，N2为预设的第二道路车辆阈值；

则将S5中的初始设定应用于信号灯的时长；

之所以要设置第一道路车辆阈值、第二道路车辆阈值，是为了避免在车辆较少的情况下，使用后续计算方法导致的比例因子的膨胀。因为可以想象，如果第一道路有5辆车，第二道路只有一辆车，那么比例因子可能会达到5倍，从而第一道路的绿灯时间可能会膨胀5倍左右。但实际上这是没必要的，因为在这种车辆稀疏的情况下，5辆车在绿灯后可以非常快速地通过，延长绿灯并无太大意义，只有在可能产生拥堵的情况下，采取下面的方案才会有所意义。因此这里设置了车辆阈值，一般可以根据道路情况和初始的红绿灯持续时间T1、T2具体选择车辆阈值，比如，可以选择10辆这样几乎不会造成拥堵的车辆数。

b.若计算得：

L1+S1＞N1或L2+S2＞N2，则按下述方式控制红绿灯：

1)若边缘控制设备计算车辆数量时第一道路的信号灯变为绿灯、第二道路的信号灯变为红灯，则计算比例因子：

k1=(L1+S1)/(C+L2+S2)；其中C为防止分母为0的正数常数因子；C可以取较小的正数，比如0.1。

并且把第一道路的绿灯延续时间以及第二道路的红灯延续时间设定为：

t1=k1×T1；

若t1超过预设的阈值TF1，则将t1限制在TF1；

之所以要设置阈值TF1，是为了避免最后计算出的t1过大，导致等待时间过长。

2)若边缘控制设备计算车辆数量时第二道路的信号灯变为绿灯、第一道路的信号灯变为红灯，则计算比例因子：

k2=(L2+S2)/(C+L1+S1)；其中C为防止分母为0的正数常数因子；

并且把第二道路的绿灯延续时间以及第一道路的红灯延续时间设定为：

t2=k2×T2；

若t2超过预设的阈值TF2，则将t2限制在TF2。

之所以要设置阈值TF2，是为了避免最后计算出的t2过大，导致等待时间过长。

优选方案下，第一VLC单元中：

位于车辆前方的发射器集成于车辆的前灯，位于车辆后方的接收器集成于车辆的后摄像头。

如图2所示，本发明还公开一种基于可见光通信的信号灯调节***，包括：

配备于每辆车的第一VLC单元，其中第一VLC单元包括位于车辆后方的接收器，和位于车辆前方的发射器；

安装在十字路口的第二VLC单元，第二VLC单元连接至一个边缘控制设备，边缘控制设备同时连接于分别指示第一道路和第二道路通行的两组信号灯；其中十字路口由第一道路和第二道路交叉形成；

边缘控制设备，边缘控制设备根据第二VLC单元提供的信号，每变换一次信号灯，计算一次此时位于第一道路的直行车辆数量S1、左转车辆数量L1和右转车辆数量R1；以及此时位于第二道路的直行车辆数量S2、左转车辆数量L2和右转车辆的数量R2，并根据计算结果调节信号灯的绿灯延续时间及红灯延续时间。其控制方法与上面相同。

以下实施例中，考虑一个具体的场景。

N1（第一道路的车辆阈值）= 10

N2（第二道路的车辆阈值）= 10

T1（第一道路的初始绿灯时间）= 30秒

T2（第二道路的初始绿灯时间）= 30秒

C（防止分母为0的正数常数因子）= 0.1

TF1（第一道路的绿灯时间阈值）= 120秒（两分钟）

TF2（第二道路的绿灯时间阈值）= 120秒（两分钟）

假设第一道路的直行和左转车辆数量分别为15和10，第二道路的直行和左转车辆数量分别为5和10。

因为第一道路上的车辆总数是15+10=25，大于阈值10，所以我们需要调整信号灯的持续时间。

若计算时第一道路的信号灯变成绿灯，我们需要计算比例因子 k1，即 k1=(L1+S1)/(C+L2+S2) = (15+10)/(0.1+5+10) = 25/15.1 = 1.65。

继续计算第一道路的绿灯延续时间 t1，即 t1=k1×T1 = 1.65×30 = 49.5秒。因为这个时间没有超过阈值TF1（120秒），所以第一道路的绿灯将持续49.5秒。

在49.5秒后，第一道路的绿灯变成了红灯，第二道路的红灯变成了绿灯，此时，根据约定，我们需要重新计算第一道路和第二道路上的车辆。假设此时它们对应的车辆变为了：第一道路的直行和左转车辆数量分别为5和20，第二道路的直行和左转车辆数量分别为3和12；则我们需要计算比例因子 k2，即 k2=(L2+S2)/(C+L1+S1) = (3+12)/(0.1+5+20) =15/25.1 = 0.6。然后计算第二道路的绿灯延续时间 t2，即 t2=k2×T2 = 0.6×30 = 18秒。因为这个时间没有超过阈值TF2（120秒），所以第二道路的绿灯将持续18秒。

18秒过后，红绿灯再次变化，***继续重新计算车辆数量以及红绿灯持续时间，如此循环往复。

通过这种方法，我们可以有效地根据实时交通状况调整交通信号灯的持续时间，从而提高道路的通行效率。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于可见光通信的信号灯调节方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：为每辆车配备第一VLC单元，其中第一VLC单元包括位于车辆后方的接收器和位于车辆前方的发射器；

S2：在第一道路和第二道路交叉的十字路口安装第二VLC单元，所述第二VLC单元连接于一个边缘控制设备，所述边缘控制设备同时连接于分别指示第一道路和第二道路通行的两组信号灯；

S3：在第一道路或第二道路的每辆车将自身车辆位置以及在前方十字路口的行进方向实时编码为可由VLC单元发送的数据格式，并实时通过车辆前方的发射器发送给前方十字路口的第二VLC单元，其中，若由于距离或遮挡原因，车辆无法与前方十字路口的第二VLC单元进行通信，则车辆将光信号通过前方车辆的中介作用持续传递至前方路口的第二VLC单元；

S4：边缘控制设备根据第二VLC单元解码提供的信息，每变换一次信号灯，计算一次此时位于第一道路的直行车辆数量S1、位于第一道路的左转车辆数量L1和位于第一道路的右转车辆数量R1；以及此时位于第二道路的直行车辆数量S2、位于第二道路的左转车辆数量L2和位于第二道路的右转车辆的数量R2；

S5：设定对应于第一道路的初始绿灯持续时间T1，以及对应于第二道路的初始绿灯持续时间T2；其中T1同时为对应于第二道路的初始红灯持续时间，T2同时为对应于第一道路的初始红灯持续时间；T1与T2均为常数；

S6：

a.根据S4，若计算得：

L1+S1＜N1且L2+S2＜N2，其中N1为预设的第一道路车辆阈值，N2为预设的第二道路车辆阈值；

则将S5中的初始设定应用于信号灯的时长；

b.若计算得：

L1+S1＞N1或L2+S2＞N2，则按下述方式控制红绿灯：

1)若边缘控制设备计算车辆数量时第一道路的信号灯变为绿灯、第二道路的信号灯变为红灯，则计算比例因子：

k1=(L1+S1)/(C+L2+S2)；其中C为防止分母为0的正数常数因子；

并且把第一道路的绿灯延续时间以及第二道路的红灯延续时间设定为：

t1=k1×T1；

若t1超过预设的阈值TF1，则将t1限制在TF1；

2)若边缘控制设备计算车辆数量时第二道路的信号灯变为绿灯、第一道路的信号灯变为红灯，则计算比例因子：

k2=(L2+S2)/(C+L1+S1)；其中C为防止分母为0的正数常数因子；

并且把第二道路的绿灯延续时间以及第一道路的红灯延续时间设定为：

t2=k2×T2；

若t2超过预设的阈值TF2，则将t2限制在TF2。

2.根据权利要求1所述基于可见光通信的信号灯调节方法，其特征在于，第一VLC单元中：

位于车辆前方的发射器集成于车辆的前灯，位于车辆后方的接收器集成于车辆的后摄像头。

3.根据权利要求1所述基于可见光通信的信号灯调节方法，其特征在于，其中C取为0.1。

4.一种基于可见光通信的信号灯调节***，其特征在于，包括：

配备于每辆车的第一VLC单元，其中第一VLC单元包括位于车辆后方的接收器，和位于车辆前方的发射器；

安装在十字路口的第二VLC单元，所述第二VLC单元连接至一个边缘控制设备，所述边缘控制设备同时连接于分别指示第一道路和第二道路通行的两组信号灯；其中十字路口由第一道路和第二道路交叉形成；

边缘控制设备，所述边缘控制设备根据第二VLC单元提供的信号，每变换一次信号灯，计算一次此时位于第一道路的直行车辆数量S1、左转车辆数量L1和右转车辆数量R1；以及此时位于第二道路的直行车辆数量S2、左转车辆数量L2和右转车辆的数量R2，并根据计算结果调节信号灯的绿灯延续时间及红灯延续时间；

所述根据计算结果调节信号灯的绿灯延续时间及红灯延续时间的方法具体包括：

设定对应于第一道路的初始绿灯持续时间T1，以及对应于第二道路的初始绿灯持续时间T2；其中T1同时为对应于第二道路的初始红灯持续时间，T2同时为对应于第一道路的初始红灯持续时间；T1与T2均为常数；

a.若计算得：

L1+S1＜N1且L2+S2＜N2，其中N1为预设的第一道路车辆阈值，N2为预设的第二道路车辆阈值；

则将初始设定的T1、T2应用于信号灯的时长；

b.若计算得：

L1+S1＞N1或L2+S2＞N2，则按下述方式控制红绿灯：

1)若边缘控制设备计算车辆数量时第一道路的信号灯变为绿灯、第二道路的信号灯变为红灯，则计算比例因子：

k1=(L1+S1)/(C+L2+S2)；其中C为防止分母为0的正数常数因子；

并且把第一道路的绿灯延续时间以及第二道路的红灯延续时间设定为：

t1=k1×T1；

若t1超过预设的阈值TF1，则将t1限制在TF1；

2)若边缘控制设备计算车辆数量时第二道路的信号灯变为绿灯、第一道路的信号灯变为红灯，则计算比例因子：

k2=(L2+S2)/(C+L1+S1)；其中C为防止分母为0的正数常数因子；

并且把第二道路的绿灯延续时间以及第一道路的红灯延续时间设定为：

t2=k2×T2；

若t2超过预设的阈值TF2，则将t2限制在TF2。

5.根据权利要求4所述基于可见光通信的信号灯调节***，其特征在于，第一VLC单元中：

位于车辆前方的发射器集成于车辆的前灯，位于车辆后方的接收器集成于车辆的后摄像头。