ES2608911B2 - Sistema y método de control para semáforos auto-regulados - Google Patents

Abstract

Sistema y método de control para semáforos auto-regulados.#Un método para el control de semáforos auto-regulados, ejecutado en un sistema que comprende un primer subsistema de adquisición de datos (100); un segundo subsistema de optimización de fases y ciclo de los semáforos (200) que regulan una intersección entre dos vías de transporte terrestre; y un tercer subsistema de comunicación inalámbrico (300) entre intersecciones; en donde dicho método se caracteriza porque comprende: un primer proceso de adquisición de datos en el primer subsistema (100); un segundo proceso de optimización de fases y ciclo de los semáforos en el segundo subsistema (200); y un tercer proceso de comunicación inalámbrico entre intersecciones de una zona urbana mediante el tercer subsistema (300).

Description

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DESCRIPCION

SISTEMA Y METODO DE CONTROL PARA SEMAFOROS AUTO-REGULADOS SECTOR DE LA TECNICA

La presente invencion se encuadra dentro de los sistemas inteligentes de transporte. ESTADO DE LA TECNICA

En la actualidad existen distintos sistemas para regular los tiempos que configuran el funcionamiento de los semaforos, principalmente tiempos de ciclo y fases. Especlficamente, para aquellos que actuan en funcion de datos de trafico, estos sistemas han requerido tradicionalmente algoritmos complejos de computation (por ejemplo, redes neuronales o logica difusa) para procesar toda la information de trafico recolectada en la zona de interes y, posteriormente, (re)configurar los semaforos para mejorar su efectividad.

Actualmente, dos de los sistemas mas empleados son SCOOT (Split Cycle and Offset Optimization Technique) y SCATS (Sydney Coordinated Adaptive Traffic). El principal problema que presentan estos sistemas es su alto coste, tanto computacional como de la infraestructura necesaria para su despliegue. Todos los datos recolectados del trafico vehicular deben ser enviados a traves de una extensa red de comunicaciones a los servidores centrales, los cuales procesan la informacion para obtener una regulacion optima del sistema.

Debido a esta complejidad, han surgido los sistemas de control de trafico distribuidos. Este paradigma consiste en la instalacion de distintos agentes o nodos autonomos de control de trafico, los cuales se coordinan entre ellos mismos sin intervention humana o con una intervention minima en caso de emergencia o por mayor seguridad. Esta coordination se puede realizar de forma expllcita, mediante intercambio de mensajes, o de forma impllcita, mediante auto-coordinacion.

DESCRIPCION DE LA INVENCION

El objeto de la presente invencion es mejorar la fluidez del trafico de vehlculos en intersecciones reguladas por semaforos. Para ello, la presente invencion comprende un

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sistema auto-gestionable, capaz de tomar decisiones por si mismo, sin necesidad de utilizar un sistema de computation centralizado. Mediante la presente invention se consigue reducir el tiempo medio de espera en la intersection por parte de los conductores, asl como reducir la emision de gases contaminantes a la atmosfera.

El sistema objeto de la presente invencion es un sistema autonomo, capaz de estimar el estado real del trafico en una interseccion y, sin ayuda externa ni datos adicionales, gestionar los tiempos de los semaforos que regulan dicha interseccion.

Mas concretamente, el sistema de control para semaforos auto-regulados comprende:

a) un primer subsistema de adquisicion de datos de trafico que comprende medios para conocer el numero vehlculos y ocupantes de vehlculos, de modo que no solo se conoce la densidad de trafico sino la densidad de personas en el trafico en tiempo real, lo que puede afectar en gran medida y es un gran diferenciador respecto a otras propuestas;

b) un segundo subsistema de optimizacion que ajusta apropiadamente los tiempos de ciclo y las distintas fases que configuran los semaforos que regulan la interseccion mediante un metodo probabilistic capaz de predecir si existe una congestion incipiente y actuar ante ella de forma autonoma; y

c) un tercer subsistema de comunicacion inalambrica entre intersecciones, dando lugar a un sistema no solo autonomo sino tambien distribuido para la regulation del trafico en una urbe.

Con esta auto-regulacion de los tiempos de las fases de los semaforos se consigue una circulation mas fluida, permitiendo unos menores tiempos de espera por parte de los conductores, asl como la reduction de emisiones de gases contaminantes a la atmosfera. Entre las ventajas frente a otras alternativas destacan una carga de procesado muy inferior a otras propuestas con una eficiencia igual o superior, lo que facilita su implementation y despliegue en sistemas reales, y la capacidad de auto-ajuste sin necesidad de intervention humana, o con una intervencion minima desde un centro de operaciones.

A lo largo de la description y las reivindicaciones la palabra "comprende" y sus variantes no pretenden excluir otras caracterlsticas tecnicas, aditivos, componentes o pasos. Para los expertos en la materia, otros objetos, ventajas y caracterlsticas de la invencion se desprenderan en parte de la descripcion y en parte de la practica de la invencion. Los

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siguientes ejemplos y dibujos se proporcionan a modo de ilustracion, y no se pretende que restrinjan la presente invention. Ademas, la presente invention cubre todas las posibles combinaciones de realizaciones particulares y preferidas aqu indicadas.

BREVE DESCRIPCION DE LAS FIGURAS

A continuation se pasa a describir de manera muy breve una serie de dibujos que ayudan a comprender mejor la invencion y que se relacionan expresamente con una realization de dicha invencion que se presenta como un ejemplo no limitativo de esta.

La FIG.1 muestra un diagrama de flujo del metodo de control ejecutado por el sistema de control para semaforos auto-regulados objeto de la presente invencion.

La FIG.2 muestra una figura esquematizada de un ejemplo de aplicacion del sistema de control para semaforos auto-regulados objeto de la presente invencion.

REALIZACION PREFERENTE DE LA INVENCION

La presente invencion esta referida a un nuevo metodo de control y un nuevo sistema de control capaz de prevenir una congestion de trafico regulada por semaforos y actuar antes de que esta se produzca. Para ello, el sistema que lo compone se divide en tres subsistemas:

1) un primer subsistema de adquisicion de datos (100) que a su vez se divide en:

1.a) un primer modulo de procesado de imagen (101);

1.b) un segundo modulo de procesado de senal (102);

Tal y como se observa en la figura 1, el primer subsistema de adquisicion de datos (100) a su vez ejecuta una primera etapa de procesado de imagen en un primer modulo de procesado de imagen (101). Este modulo o etapa de procesado de imagen (101) esta configurada para obtener estadisticas sobre el trafico real de vehiculos en una via utilizando para ello un algoritmo de procesado de imagen basado en eventos visuales. Como ejemplo de algoritmo de procesado, se podria emplear background substraction (M. Piccardi, "Background subtraction techniques: a review", IEEE Intl Conf Systems, Man & Cybernetics, 2004) o mejorar esta tecnica incluyendo un pre-procesado (por ejemplo con conversion a grises, ajuste de resolution y ecualizacion del histograma) y un procesado global posterior al background substraction empleando una media temporal del contraste y detection de

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eventos por regiones usando redes bayesianas (“Foundations of Artificial Intelligence”, Handbook of Knowledge Representation, Editado por Frank van Harmelen, Vladimir Lifschitz y Bruce Porter, Vol. 3, pp. 1-1006, 2008).

Por otro lado, el segundo modulo de procesado de senal (102) esta configurado para estimar el numero de ocupantes de los vehlculos basandose para ello en un algoritmo de conteo de personas en base a la senal de telefonla celular de dispositivos moviles capturados por un subsistema de comunicacion (300) de forma similar a como se realiza por ejemplo con senales WiFi (Wei Xi et al., “Electronic Frog Eye: Counting crowd using WiFi”, in Proc. IEEE Conference on Computer Communications, pp. 361-369, 2014). Por tanto, de acuerdo con la presente invention el numero de ocupantes se corresponded con el numero de ocupantes que llevan un dispositivo movil encendido pero no necesariamente activo, es decir, que no es necesario que el dispositivo movil de un ocupante del vehlculo este enviando o recibiendo trafico movil (celular) de voz o datos para que sea detectado (contado).

Con esta information sobre los ocupantes de los vehlculos es posible compensar los datos obtenidos en el trafico de vehlculos, pudiendo darse el caso de tener muchos vehlculos en una via, pero con pocos viajeros, mientras que en la otra via podemos encontrarnos con pocos vehlculos y un numero de ocupantes mayor, compensando entonces de forma adecuada la senalizacion del semaforo.

El segundo subsistema de optimization de fases y ciclo (200) tiene por objeto (re)configurar tanto las fases de los semaforos que controlan una intersection (es decir, tiempos en rojo, verde y amarillo, as! como el intervalo de vaciado, es decir, cuando todos los semaforos estan en rojo para vaciar la interseccion) como el ciclo, entendido como la suma global de todas las fases de un semaforo.

Para ello, el segundo subsistema (200) con los datos obtenidos en el primer subsistema(100) comienza con una etapa de un calculo del estado (201), donde se detecta si existe una congestion (202). Si no hay una congestion, se mantienen los intervalos y ciclos (203) en los semaforos y un contador de comunicaciones para saber si se activa o no el tercer subsistema de comunicaciones (300) se establece a cero (204), cerrandose el ciclo con la adquisicion continua de datos en el primer subsistema (100).

Por el contrario, si en el calculo de estado (201) se detecta que si hay congestion (202),

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entonces se evalua si la congestion es incipiente (205) teniendo en cuenta tanto el numero de vehlculos como el numero de ocupantes de los vehlculos. Para determinar si la congestion es incipiente o si directamente hay congestion comparamos el estado de la via que se calcula a partir de los datos recolectados con un rango pre-establecido (valor maximo y mlnimo) de forma que si el estado calculado (201) esta dentro del rango se asume que la congestion es incipiente y se procede a una etapa de reconfiguration probabillstica (206) de los intervalos y el ciclo y si esta fuera de ese rango, por exceso, se asume que hay congestion y se pasa a una etapa de reconfiguracion determinista (207) de los intervalos y ciclos.

En cualquiera de las dos reconfiguraciones (206, 207) se aumenta el valor del contador de comunicaciones (208) para, posteriormente, establecer si dicho contador de comunicaciones es mayor a un valor configurado, para asl poder determinar cuando se debe activar el tercer subsistema (300) de comunicaciones.

Asl, por ejemplo, si se asume que la congestion esta en estado incipiente, entonces la reconfiguracion es probabillstica, es decir, puede que se reconfigure o no en funcion de la probabilidad "p”. Esta funcion de probabilidad debera ser mayor conforme mas cerca este del llmite superior del rango, pudiendo ser una funcion de probabilidad lineal, logarltmica o exponencial, entre otras. Por el contrario, si asumimos que hay congestion entonces la fase en verde se aumenta siempre, es decir, con probabilidad 1.

El subsistema de comunicaciones (300) incluye varias interfaces de comunicacion para (i) permitir la captura de senal movil que despues sera utilizada por el primer subsistema de adquisicion de datos (100) y (ii) permitir el envlo y reception de mensajes entre intersecciones de una zona urbana. Opcionalmente, se puede establecer una comunicacion con un centro de control por motivos de seguridad.

Inicialmente, cada intersection es auto-regulable tal y como se ha indicado en el funcionamiento del segundo subsistema (200), enviando la reconfiguracion a los sistemas de control de las propias intersecciones. Esto hace que, por ejemplo, varias intersecciones que componen una via tambien se auto-regulen desde el punto de vista de la via, es decir, de la correcta sincronla entre intersecciones para facilitar la fluidez del trafico a lo largo de dicha via.

No obstante, el tercer subsistema de comunicacion (300) esta disenado para incluir un

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protocolo de comunicacion entre intersecciones compuesto por varios mensajes cuyo objeto es:

a) informar del estado de cada intersection, por ejemplo, si esta aplicando la optimization de tiempo probabilistica, si se ha modificado el ciclo que regula la interseccion, si se ha entrado en modification de fases deterministas o cualquier otra incidencia.

b) Ordenar acciones que son ejecutadas por otras intersecciones, como por ejemplo solicitar la participation y ejecucion de un algoritmo de selection o de un algoritmo de coordination distribuido u ordenar un cambio de ciclo.

Ademas, el protocolo de comunicacion incluye tambien mensajes de confirmation de reception de mensajes, asi como de reenvio.

Ejemplo de funcionamiento

La presente invention se ilustra adicionalmente mediante el ejemplo de aplicacion mostrado en la FIG. 2, el cual no pretende ser limitativo de su alcance. Supongamos una arteria urbana compuesta por dos intersecciones (interseccion 1 e interseccion 2) donde N indica norte, S indica sur, E indica este y O indica oeste. Cada interseccion parte de unos tiempos de ciclo y de fases iguales, por ejemplo tiempo-ciclo = 60 segundos, que se divide en tiempo-verde = 30 segundos, tiempo-rojo = 20 segundos, tiempo-amarillo = 5 segundos, tiempo vaciado = 5 segundos (el tiempo-ciclo debe ser igual a la suma de los tiempos de los diferentes estados).

Para cada interseccion se establece el rango que define si el sistema esta en modo probabilistic o determinista. El rango debe establecerse en funcion de la polrtica urbana de transporte. Por ejemplo, si solo nos fijaramos en el numero de vehiculos esperando, el limite inferior del rango podria ser el 50% de los vehiculos que el semaforo puede servir cuando estan en verde y el limite superior el 80% de dicho valor.

Si bajamos estos porcentajes, el algoritmo reacciona antes, es decir, comenzara a aumentar los tiempos en verde antes. Al contrario, si son muy altos, seran necesarios muchos vehiculos en cola para que el metodo se ponga en marcha. Al tener en cuenta tambien el numero de viajeros, podriamos establecer esos limites en funcion de la densidad de viajeros en la via o incluso establecer esos limites en terminos de contamination minima y maxima o

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una media ponderada de densidad de viajeros y contamination.

En la FIG.2a se muestran ambas intersecciones con tiempo de fase verde Este-Oeste, mientras que en la FIG.2b se muestran ambas intersecciones en el tiempo de vaciado, es decir, en el momento en el que se calcula el estado de cada intersection correspondiente a la direction que se pondra a continuation en verde (i.e. la direction N-S).

El sistema monitoriza los datos de trafico en tiempo real y en base a estos calcula un valor al que se denomina <<estado>>. La frecuencia con la que se obtiene el estado puede ser por ejemplo cada vez que la intersection este en un tiempo de vaciado, como en la Fig.2b. Se obtiene un valor de estado para la direction del trafico de una intersection cuyos semaforos van emparejados y a los que les corresponde a continuation entrar en la fase tiempo en verde. Por ejemplo, supongamos que en la figura los semaforos este-oeste estan en verde, luego en amarillo y luego entran en el tiempo de vaciado. Tras el tiempo de vaciado los semaforos norte-sur se pondran en verde y los este-oeste en rojo. Durante el tiempo de vaciado se calcula un valor estado para la direction norte-sur de la intersection 1 y otro valor estado para la intersection 2. En el ejemplo mostrado en la FIG.2b el estado de la intersection 1 N-S:

Estado_interseccion1_NS=peso1*(viajeros_detectados_N+viajeros_detectados_S)+peso2*( vehlculos_en_espera_N+vehlculos_en_espera_S). Este estado se encuentra recuadrado en la figura 2b.

Asl, por ejemplo, se podrlan asignar los pesos peso1=0,2 y peso2=0,8, dando por lo tanto prioridad a disminuir la contamination causada por los vehlculos. Si optamos por el escenario contrario, peso1=0,8 y peso2=0,2, estarlamos dando prioridad al tiempo de viaje de los ocupantes de los vehlculos, siendo esto util por ejemplo en vlas definidas como de desplazamiento a lugares de trabajo.

Cada estado se compara con su correspondiente rango predefinido. Si un estado esta dentro del rango entonces aplicara probabillsticamente un incremento del tiempo en verde, y el tiempo en verde de los semaforos norte-sur pasara de 30 segundos a 35 segundos con un probabilidad p. Observese que un incremento de la fase en verde norte-sur significa tambien que la fase en rojo este-oeste tambien se incrementa la misma cantidad de tiempo puesto que el ciclo se mantiene constante en este ejemplo. Si el estado esta fuera del rango, en exceso, entonces el incremento se realiza de forma determinista. Si el estado esta fuera del rango, por debajo del valor de inicio, no se modifica la fase en verde. En el caso de que

una intersection detecte un numero consecutivo de incrementos misma direction, se procedera a incrementar el ciclo, lo interseccion/es adyacentes para que tambien lo modifiquen. De de que una intersection detecte un numero consecutivo de no 5 verde en una misma direccion, se procedera a reducir el ciclo.

de la fase en verde en una que se comunica a la/s la misma forma en el caso incrementos de la fase en

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   REIVINDICACIONES

   1. Un metodo para el control de semaforos auto-regulados, ejecutado en un sistema que comprende

   un primer subsistema de adquisicion de datos (100);

   un segundo subsistema de optimization de fases y ciclo de los semaforos (200) que regulan una intersection entre dos vlas de transporte terrestre; y

   un tercer subsistema de comunicacion inalambrico (300) entre intersecciones; en donde dicho metodo se caracteriza porque comprende:

   a. un primer proceso de adquisicion de datos en el primer subsistema (100) que comprende a su vez:

   i. una etapa de obtencion de estadlsticas sobre el trafico real de una via de transporte terrestre; y

   ii. una etapa de estimation del numero de ocupantes de un vehlculo;

   b. un segundo proceso de optimizacion de fases y ciclo de los semaforos en el segundo subsistema (200) que comprende, a su vez, las etapas de:

   i. detectar una congestion en base a los datos recolectados por el primer subsistema de adquisicion de datos (100);

   ii. modificar los intervalos y/o el ciclo de los semaforos de la interseccion de forma probabillstica o determinista en funcion del grado de congestion; y

   c. un tercer proceso de comunicacion inalambrico entre intersecciones de una zona urbana mediante el tercer subsistema (300) que comprende, a su vez, las etapas de:

   i. permitir la captura de senal movil que despues sera utilizada por el subsistema de adquisicion de datos (100); y

   ii. permitir el envlo y reception de mensajes entre intersecciones o con un centro de control.
2. 2. El metodo de la revindication 1 donde la etapa de obtencion de estadlsticas sobre el trafico real de vehlculos en una via comprende una etapa de procesado de imagen basado en detection de eventos visuales.
3. 3. El metodo de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1-2 donde la etapa de estimacion del numero de ocupantes de vehlculos comprende una etapa de conteo de personas en base a la senal de dispositivos moviles activos capturada por el

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   subsistema de comunicacion (300).
4. 4. El metodo de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1-3 donde en la etapa de modification de los intervalos y/o el ciclo de los semaforos de la intersection se establecen dos valores que determinan cuando la (re)configuracion del semaforo es probabillstica, dentro del rango determinado por dichos valores y cuando es determinista, fuera de ese rango.
5. 5. El metodo de acuerdo con cualquiera de las etapas 1-4 donde el proceso de comunicacion inalambrico comprende un protocolo de comunicacion entre intersecciones compuesto por varios mensajes cuya mision es: a) informar del estado de cada interseccion y b) ordenan acciones a ser ejecutadas por otras intersecciones.
6. 6. Un sistema para el control de semaforos auto-regulados, ejecutado en un sistema que comprende:

   a) un primer subsistema de adquisicion de datos (100) que comprende, a su vez:

   a. un primer modulo (101) configurado para obtener el estadlsticas sobre el trafico real de vehlculos en una via y que comprende medios de procesado de imagen basado en detection de eventos visuales; y

   b. un segundo modulo (102) configurado para estimar el numero de ocupantes de vehlculos y que comprende medios de conteo de personas en base a la senal de dispositivos moviles activos capturada por un subsistema de comunicacion (300);

   b) un segundo subsistema de optimization de fases y ciclo de los semaforos (200) que regulan una interseccion entre dos vlas de transporte terrestre; y

   c) un tercer subsistema de comunicacion inalambrico (300) entre intersecciones;

   donde dicho sistema se caracteriza porque comprende medios para ejecutar el metodo segun cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5.