CN108765982A - 车路协同环境下信号控制交叉口车速引导系统及引导方法 - Google Patents

Abstract

本发明基于车路协同环境的特点，提出了车路协同环境下信号控制交叉口车速引导系统及引导方法。该系统包括车载设备、路侧设备和车速引导模块。车载设备包括车载信息模块和车载预警模块，车载信息模块将车辆的状态信息发送到路侧设备或其他车载设备，车载预警模块，根据本车和前车的实时状态信息，计算车辆之间的安全阈值，根据该阈值对车辆进行危险预判警示。路侧设备包括路侧信息获取模块、基础信息存储模块和无线通讯模块，具有存储、传输、计算的功能；车速引导模块，当车辆进入交叉口路段，提供车辆的车道引导信息和车速引导信息。与现有技术相比，本发明考虑到车辆的安全距离，并将交叉口的延误最小化，提高了通行效率并减少了环境污染。

Description

车路协同环境下信号控制交叉口车速引导系统及引导方法

技术领域

本发明涉及智能交通信号控制领域，尤其涉及车路协同环境下信号控制交叉口车速引导系统及引导方法。

背景技术

随着信息技术的快速发展，以及智能交通，尤其是车路协同技术研究的广泛深入，为缓解城市道路交通问题提供了一种更加先进的手段。车路协同技术主要依靠先进的物联网感知技术和无线通信技术，以实现车与车之间、车与路侧设备之间的信息交互，动态获取人、车、路、环境的实时数据，以达到交通系统的安全、畅通与环保等目的。

车路协同技术的应用，给交叉口的信号控制提供新的解决思路，国内外研究人员基于车路协同的单车车速引导的引导方法，在提高交叉口的延误方面取得一定效果，但也存在一定的不足。现有研究多是对单车的车速引导方法，没有考虑到多车的实际情形，也忽略了实际驾驶车辆与前后车之间的相互影响，因此在实际应用中效果欠缺。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提出一种车路协同环境下信号控制交叉口车速引导系统及引导方法，以使车辆在交叉口运行时延误最小，从而提高交叉口的运输效率并减少环境污染。

技术方案：车路协同环境下信号控制交叉口车速引导系统，包括：

车载设备、路侧设备和车速引导，所述的车载设备与路侧之间、车载设备与车载设备之间，以及路侧设备之间均通过专用无线通信DSRC进行信息传递；

(1)车载设备包括车载信息获取模块和车载预警模块，车载信息模块的功能是将车辆的运行状态信息发送给路侧设备或者附近的其他车载设备。车载预警模块在车辆行驶过程中，实时监测本车和前车的车辆信息，根据车辆信息，计算两车之间的安全阈值，根据该阈值进行车辆危险状态的判别，当安全阈值大于预设的阈值时，对本车发出警报信息；其中两车之间的安全阈值的计算公式如下：

式中，VSM_n(t)为两车之间的安全阈值；v_n(t)是本车的实时速度；a_n(t)是本车的实时减速度；v_n-1(t)为前车的实时速度；a_n-1(t)是前车的实时减速度；D_n(t)是两车的实时距离；t_d为反应制动时间，根据驾驶员的反应时间来确定。

(2)路侧设备包括路侧信息获取模块，交叉口基本信息存储模块和无线通讯模块，所述路侧信息获取模块获取来自车载设备的车辆运行状态、定位等信息以及各类传感器的道路交通状态信息，交叉口基础信息存储模块预先存储交叉口信息，无线通信模块是用以实现路侧设备和车载设备之间的信息交互。

(3)车速引导模块，当车辆进入引导范围内时，系统可根据车辆的运动状态和前方交通信号灯的信息，提供车辆车道变换和车速引导的建议，系统内的车辆都安装有车载设备，能及时获取并执行车速诱导策略，引导范围是一定的，在停车线前若干米范围内的任意车道，是预设已知值；

同时要考虑遵守道路安全法则，车速要遵守道路限速，最低速度不低于v_min，最高速度不高于v_max。

车路协同环境下信号控制交叉口车速引导系统的车速引导方法，包括以下步骤：

步骤1：对车路协同环境下交叉口区域的划分：将上游交叉口i停止线到下游交叉口i+1停止线的区域划分为车辆检测区和车速引导区；

车辆检测区：车辆在该区域自由行驶，并比较相邻车道前车到达停车线时间的大小，选取时间最短的车道做好提前换道，避免在车速引导区出现换道；

车速引导区：车速引导区在换道引导区之后，属于车辆不变道的道路范围内，在没有前车时车辆建议车速为该路段范围的最大值v_max，有前车时要根据车速引导策略尽快更新车速并通过交叉口。

步骤2：通过路侧单元采集车辆的实时状态信息，将信息简单进行简单处理，并存储到临时数据中心，同时与检测区域内的其他车辆保持数据的实时交互；车辆实时状态信息包括车辆的位置、速度以及车道信息；

步骤3：当车辆进入检测区，根据获取的本车的车辆信息，判断车辆是否在允许变道的范围内，若是，进入步骤4，否则，进入步骤5；

步骤4：在车辆检测区，比较相邻车道以及本车道的前车到达停车线的时间大小，选取时间最短的车道作为目标车道，并使车辆尽快换道。其中步骤4的具体实施方法如下：

步骤4.1：按下面公式计算各车道的排队消散时间：

式中，T_d是排队消散时间，Q为交叉口i的流率；S为排队长度；t_c为启动损失时间，T_r为红灯时间；

步骤4.2：判断前方排队是否消散完毕，若是，则比较此状态下相邻车道到达停车线的时间选取时间最短的车道作为目标车道，将换道策略传输给车辆，并执行换道到目标车道上；若前方排队未消散完则执行步骤4.3；

步骤4.3：按照以下步骤确定车辆的目标车道：

步骤4.3.1：获取车辆所在车辆排队队尾车辆的实时状态信息；

步骤4.3.2：计算队尾车辆到达停车线的时间t，其计算方法如下：

式中：D为队尾车辆距离停车线的距离；a为队尾车辆的加速度；

步骤4.3.3：计算本车到达停车线的时间：

T_本＝t+t_h*N

式中：t_h为安全车头时距，N为本车与队尾车辆之间的车辆数；

步骤4.3.4：按照步骤4.3.1—4.3.3的方法确定该时刻相邻车道前车到达停车线的时间T_邻，比较T_本和T_邻，选择时间最短的车道为目标车道，将换道策略传输给车辆，车辆执行换道。

步骤5：在车速引导区内车辆不允许变道，考虑两车的安全间距以及交叉口延误最小确定车辆的最优速度，将该速度反馈给车载单元并实施。

步骤5的具体实施步骤如下：

步骤5.1：计算车辆i从进入路段到下一路口的停止线所用的时间:

式中：v_i表示第i辆车的引导速度，t_c表示车辆在检测区的时间，v_i0表示车辆在进入车速引导区的初始速度，a_i表示第i辆车的调节车速的加速度，L表示两交叉口之间的距离；

步骤5.2：当前方路口为红灯有排队或绿灯时排队在消散，且车辆i顺利通过交叉口有：

式中：T_g为绿灯启亮时刻，T_i为第i辆车进入该路段的时刻，h为排队长度，v_c为绿灯启亮后排队消散波的波速。

步骤5.3：车辆在车辆时要满足的安全条件：

a.车辆在前车紧急刹车时，车辆会连续进行匀速运动阶段和匀减速运动阶段，车辆运行的距离为：

式中：t_s表示驾驶员的反应时长，t_f表示车辆速度变为0所需要的时间，a_m表示车辆的最大减速度。

b.前车作匀减速运动，则前车运行距离为：

c.两车始终有一定安全车头间距，假设为L_m，则车辆在行驶过程中的安全车距：

H＝S_h-S_q+L_m，

d.设引导车辆与前方车辆的实时距离为L_n，则为了行车安全有：

L_n≥H

式中，L_n为车辆之间的实时距离，t为车头时距；

步骤5.4：计算车辆的延误：

式中：v_f表示自由流速度，L为两交叉口停车线之间的距离。

步骤5.5：目标函数为minD_i

约束条件为：

步骤5.6：确定引导车速，选取最优引导速度作为车辆的控制速度，将车速信息传输给车载设备单元，使得车辆安全且不停车通过交叉口。

步骤3中，当绿灯相位对应车流中的车辆通过信号交叉口停止线时，车辆会再次将自身识别号发送给路侧单元，路侧单元中的基础信息存储模块根据车辆识别号删除对应识别号的车辆轨迹数据，以保护车辆隐私。

有益效果：与现有技术相比，本发明提供的车速引导系统和引导方法使得交叉口干线协调控制的延误最小，提高了通行效率，减少了环境污染。

附图说明

图1是交叉口车速引导示意图；

图2是本发明实施例的方法流程图。

具体实施方式

如图1所示，车路协同环境下信号控制交叉口车速引导系统，包括车载设备、路侧设备和车速引导模块，其中车载设备与路侧设备之间、车载设备与车载设备之间，以及路侧设备之间均通过专用无线通信DSRC进行信息传递；

车载设备，包括车载信息获取模块和车载预警模块，车载信息获取模块的功能是将车辆的运行状态信息发送给路侧设备或者附近的其他车载设备。车载预警模块则是根据本车和前车的车辆信息，计算两车之间的安全阈值，根据该阈值进行车辆危险状态的判别，当安全阈值大于预设的阈值时，对本车发出警报信息；其中两车之间的安全阈值的计算公式如下：

式中，VSM_n(t)为两车之间的安全阈值；v_n(t)是本车的实时速度；a_n(t)是本车的实时减速度；v_n-1(t)为前车的实时速度；a_n-1(t)是前车的实时减速度；D_n(t)是两车的实时距离；t_d为反应制动时间，根据驾驶员的反应时间来确定。

路侧设备：包括路侧信息获取模块，交叉口基本信息存储模块和无线通讯模块，路侧信息获取模块获取来自车载设备的车辆运行状态、定位等信息以及各类传感器的道路交通状态信息，交叉口基础信息存储模块预先存储交叉口信息，无线通信模块是用以实现路侧设备和车载设备之间的信息交互。

车速引导模块：当车辆进入引导范围内时，系统可根据车辆的运动状态和前方交通信号灯的信息，提供车辆车道变换和车速引导的建议，系统内的车辆都安装有车载设备，能及时获取并执行车速诱导策略，引导范围是一定的，在停车线前若干米范围内的任意车道，是预设已知值。

同时要考虑遵守道路安全法则，车速要遵守道路限速，最低速度不低于车辆在道路上行驶的最低限速v_min，最高速度不高于车辆在道路上行驶的最高限速v_max。

如图2所示，车路协同环境下信号控制交叉口车速引导系统的车速引导方法，包括以下步骤：

步骤(1)：划分交叉口间的引导区：将上游交叉口i停止线到下游交叉口i+1停止线的区域划分为车辆检测区和车速引导区；车辆检测区的长度为车辆在该区域自由行驶，并比较相邻车道前车到达停车线时间的大小，选取时间最短的车道做好提前换道，避免在车速引导区出现换道，车辆在该区域以驾驶员舒适且安全的车速行驶；

车速引导区：车速引导区在换道引导区之后，属于车辆不变道的道路范围内，在没有前车时车辆建议车速为该路段范围的最大值v_max，有前车时要根据车速引导策略尽快更新车速并通过交叉口。

步骤(2)：通过路侧单元采集车辆的实时状态信息，将信息进行简单处理，并存储到临时数据中心，同时与检测区域内的其他车辆保持数据的实时交互；车辆实时状态信息包括车辆的位置、速度以及车道信息；

步骤(3)：当车辆进入检测区，根据获取的本车的车辆信息，判断车辆是否在允许变道的范围内，若是，进入步骤(4)，否则，进入步骤(5)；

步骤(4)：在车辆检测区，比较相邻车道以及本车道的前车到达停车线的时间大小，选取时间最短的车道作为目标车道，并使车辆尽快换道。具体实施步骤如下：

步骤(4.1)：预测各车道的排队消散时间，其计算方法如下：

式中，T_d是排队消散时间，Q为交叉口i的流率；S为排队长度；t_c为启动损失时间，T_r为相位的红灯时间；

步骤(4.2)：判断前方排队是否消散完毕，若是，则比较此状态下相邻车道到达停车线的时间选取时间最短的车道作为目标车道，将换道策略传输给车辆，并执行换道到目标车道上；若前方排队未消散完则执行步骤(4.3)；

步骤(4.3)：按照以下步骤确定车辆的目标车道：

步骤(4.3.1)：获取车辆所在车辆排队队尾车辆的实时状态信息；

步骤(4.3.2)：计算队尾车辆到达停车线的时间t，其计算方法如下：

式中：D为队尾车辆距离停车线的距离；a为队尾车辆的加速度；

步骤(4.3.3)：按下面公式计算本车到达停车线的时间：

T_本＝t+t_h*N

式中：t_h为安全车头时距，N为本车与队尾车辆之间的车辆数；

步骤(4.3.4)：按照步骤(4.3.1—4.3.3)的方法确定该时刻相邻车道前车到达停车线的时间T_邻，比较T_本和T_邻，选择时间最短的车道为目标车道，将换道策略传输给车辆，车辆执行换道。

步骤(5)：在车速引导区内车辆不允许变道，考虑两车的安全间距以及交叉口延误最小确定车辆的最优速度，将该速度反馈给车载单元并实施。步骤5具体包括以下步骤：

步骤5.1：计算车辆i从进入路段到下一路口的停止线所用的时间：

式中：v_i表示第i辆车的引导速度，t_c表示车辆在检测区的时间，v_i0表示车辆在进入车速引导区的初始速度，a_i表示第i辆车的调节车速的加速度。

步骤5.2：当前方路口为红灯有排队或绿灯时排队在消散，且车辆i顺利通过交叉口有：

式中：T_g为绿灯启亮时刻，T_i为第i辆车进入该路段的时刻，h为排队长度，v_c为绿灯启亮后排队消散波的波速。

步骤5.3：车辆在变速时要满足的安全条件：

a.车辆在前车紧急刹车时，车辆会连续进行匀速运动阶段和匀减速运动阶段，车辆运行的距离为：

式中：t_s表示驾驶员的反应时长，t_f表示车辆速度变为0所需要的时间，a_m表示车辆的最大减速度。

b.前车作匀减速运动，则前车运行距离为：

式中：S_q表示前车的运行距离，v_i-1表示前车的初始速度，a_m表示车辆的最大减速度；

c.两车始终有一定安全车头间距，假设为L_m，则车辆在行驶过程中的安全车距：

H＝S_h-S_q+L_m，

d.设引导车辆与前方车辆的实时距离为L_n，则为了行车安全有：

L_n≥H

步骤5.4计算车辆的延误：

式中：v_f表示自由流速度。

步骤5.5：目标函数为minD_i

约束条件为：

步骤5.6：确定引导车速：选取最优引导速度作为车辆的控制速度，将车速信息传输给车载设备单元，使得车辆安全且不停车通过交叉口。

其中在步骤3中，当绿灯相位对应车流中的车辆通过信号交叉口停止线时，车辆会再次将自身识别号发送给路侧单元，路侧单元中包含有基础信息存储模块，该模块根据车辆识别号删除对应识别号的车辆轨迹数据，以保护车辆隐私。

Claims (8)

1.一种车路协同环境下信号控制交叉口车速引导系统，其特征在于：包括：车载设备、路侧设备和车速引导模块，所述车载设备与路侧设备、车载设备与车载设备之间，以及路侧设备之间均通过专用无线通信(DSRC)进行信息传递；所述车载设备，包括将车辆信息发送到路侧设备或其他车载设备的车载信息获取模块，以及根据本车和前车的实时状态信息计算出的阙值进行危险预判的车载预警模块；所述路侧设备，包括获取来自车载设备交通信息的路侧信息获取模块、预先存储交叉口信息的交叉口基础信息存储模块，以及实现路侧设备和车载设备信息交互的无线通讯模块；所述车速引导模块在车辆进入交叉口时，提供车辆的车道和车速引导信息。

2.根据权利要求1所述的车路协同环境下信号控制交叉口车速引导系统，其特征在于：所述车载预警模块根据本车和前车之间的安全阙值进行车辆危险状态的判别，当安全阙值大于预设值时，对本车发出警报信息。

3.根据权利要求2所述的车路协同环境下信号控制交叉口车速引导系统，其特征在于：所述本车和前车之间的安全阙值计算公式如下：

式中，VSM_n(t)为两车之间的安全阈值；v_n(t)是本车的实时速度；a_n(t)是本车的实时减速度；v_n-1(t)为前车的实时速度；a_n-1(t)是前车的实时减速度；D_n(t)是两车的实时距离；t_d为反应制动时间，根据驾驶员的反应时间来确定。

4.一种采用如权利要求1至3中任一项所述的车路协同环境下信号控制交叉口车速引导系统的车速引导方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤(1)：将交叉口间的区域划分为车辆检测区和车速引导区；

步骤(2)：将采集车辆实时状态信息的路侧设备与检测区域内的其它车辆保持数据实时交互，实时状态信息包括车辆信息、速度以及车道信息；

步骤(3)：若车辆在车辆检测区，且在允许换道的范围内，则进入步骤(4)，否则，进入步骤(5)；

步骤(4)：在车辆检测区，比较相邻车道以及本车道的前车到达停车线的时间长短，选取时间最短的车道作为目前车道以使车辆换道；

步骤(5)：在车速引导区不允许车辆变道。

5.根据权利要求4所述的车路协同环境下信号控制交叉口车速引导系统的车速引导方法，其特征在于：步骤(4)包括以下步骤：

步骤(4.1)：按下面公式计算各车道的排队消散时间：

式中，T_d是排队消散时间，Q为交叉口i的流率；S为排队长度；t_c为启动损失时间；T_r为红灯时间；

步骤(4.2)：判断前方排队是否消散完毕，若是，则比较此状态下相邻车道到达停车线的时间选取时间最短的车道作为目标车道，将换道策略传输给车辆，并执行换道到目标车道上；若前方排队未消散完则执行步骤(4.3)；

步骤(4.3)：确定车辆的目标车道。

6.根据权利要求5所述的车路协同环境下信号控制交叉口车速引导系统的车速引导方法，其特征在于：步骤(4.3)包括以下步骤：

步骤(4.3.1)：获取车辆所在车队队尾车辆的实时状态信息；

步骤(4.3.2)：按下面公式计算队尾车辆到达停车线的时间t：

式中：D为队尾车辆距离停车线的距离；a为队尾车辆的加速度；

步骤(4.3.3)：计算本车到达停车线的时间：

T_本＝t+t_h*N

式中：t_h为安全车头时距，N为本车与队尾车辆之间的车辆数；

步骤(4.3.4)：按照步骤(4.3.1—4.3.3)的方法确定该时刻相邻车道前车到达停车线的时间T_邻，比较T_本和T_邻，选择时间最短的车道为目标车道，将换道策略传输给车辆，车辆执行换道。

7.根据权利要求4所述的车路协同环境下信号控制交叉口车速引导系统的车速引导方法，其特征在于：步骤(5)中，考虑两车的安全间距以及交叉口延误最小确定车辆的最优速度，将该速度反馈给车载单元并实施，包括以下步骤：

步骤(5.1)：计算车辆i从进入路段到下一路口的停止线所用的时间:

式中：v_i表示第i辆车的引导速度，t_c表示车辆在检测区的时间，v_i0表示车辆在进入车速引导区的初始速度，a_i表示第i辆车的调节车速的加速度；L为两交叉口之间的距离；

步骤(5.2)：当前方路口为红灯有排队或绿灯时排队在消散，且车辆i顺利通过交叉口有：

式中：T_g为绿灯启亮时刻，T_i为第i辆车进入该路段的时刻，h为排队长度，v_c为绿灯启亮后排队消散波的波速；

步骤(5.3)：车辆在变速时要满足的安全条件：

(a)车辆在前车紧急刹车时，车辆会连续进行匀速运动阶段和匀减速运动阶段，车辆运行的距离为：

式中：t_s表示驾驶员的反应时长，t_f表示车辆速度变为0所需要的时间，a_m表示车辆的最大减速度；

(b)前车作匀减速运动，则前车运行距离为：

式中：S_q表示前车的运行距离，v_i-1表示前车的初始速度，a_m表示车辆的最大减速度；

(c)两车始终有一定安全车头间距，假设为L_m，则车辆在行驶过程中的安全车距：

H＝S_h-S_q+L_m

式中：L_m是两车的安全车头间距。

(d)设引导车辆与前方车辆的实时距离为L_n，则为了行车安全有：

L_n≥H

式中：L_n为车辆之间的实时距离，t为车头时距；

步骤(5.4)：计算车辆的延误：

式中：v_f表示自由流速度，L为两交叉口停车线之间的距离。

步骤(5.5)：目标函数为minD_i

约束条件为：

步骤(5.6)：确定引导车速，即选取最优引导车速作为车辆的控制速度，将车速信息传输给车载设备单元，以使车辆安全且不停车通过交叉口。

8.根据权利要求4所述的车路协同环境下信号控制交叉口车速引导系统的车速引导方法，其特征在于：步骤(3)中，当绿灯相位对应车流中的车辆通过信号交叉口停止线时，车辆会再次将自身识别号发送给路侧单元，路侧单元中的基础信息存储模块根据车辆识别号删除对应识别号的车辆轨迹数据，以保护车辆隐私。