CN113554886A - 一种车路协同交叉口车流冲突消解方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种车路协同交叉口车流冲突消解方法，通过车载单元和路侧单元对交叉口全时空动态交通信息进行实时采集，交叉口控制中心对接收到的交通数据信息进行融合处理，为车辆提供驾驶行为建议，使车辆在调控区内提前调整行车状态，控制与前方车辆之间的距离至最优间隙，并保持该状态匀速驶入缓冲区和交叉口，使冲突方向的车流能够利用该间隙交替穿插通过交叉口冲突区，从而实现冲突消解。本发明能够使车辆不再受限于传统信号灯的控制，减少交通信号控制对车辆产生的固定延误，在保证行车安全的前提下，大幅提高交叉口通行能力与车辆通行效率，实现交叉口时空资源的充分利用。

Description

一种车路协同交叉口车流冲突消解方法

技术领域

本发明涉及道路交叉口车辆控制技术领域，尤其涉及一种车路协同交叉口车流冲突消解方法。

背景技术

交叉口作为车流汇集、转向和疏散的枢纽节点，是道路交通冲突的集中之处，也是城市道路交通设计与组织管理的重点。因此，高效合理的交叉口车流冲突消解策略是解决城市交通拥堵问题的关键所在，同时也是制约城市交通运行效率和道路交叉口通行能力的瓶颈。

现有技术下，为保证车辆安全和行车通畅，交叉口普遍采用“红灯停，绿灯行”的信号灯控制方式来引导各向车辆有序通行。在此控制方式下，交叉口冲突车流中的一方通过停车避让为另一方提供安全通行空间，从而达到冲突消解的目的。但显然，这种冲突消解方法无法在信号配时上做到分秒必争，亦无法在交通渠化上做到寸土必争，因此使得交叉口中存在一定的空闲时间和空闲面积，从而造成交叉口时空资源的浪费。

车路协同环境下，聪明的车与智能的路之间能够进行实时的信息交互，并对道路全时空动态交通信息进行广泛采集与融合处理。在此技术支持的基础上，交叉口区域的车辆之间能够通过信息感知与交互共享，开展车辆主动控制和道路协同管理，从而实现更加智能化、自主化的车流冲突消解，使得交叉口的所有车辆能够始终处于有序、高效的运行状态，达到保障行车安全、提高通行效率的管控效果。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明公开了一种车路协同交叉口车流冲突消解方法，使交叉口车辆通过提前调整行车状态，控制与前方车辆之间的距离至最优间隙，从而使冲突方向的车流能够交替穿插通过交叉口冲突区，实现冲突消解。

为实现上述目的，本发明采取下述技术方案：

一种车路协同交叉口车流冲突消解方法，将道路交叉口衔接路段按不同距离划分为变道区、调控区、和缓冲区三个功能区，在不同功能区范围内，车载单元、路侧单元与交叉口控制中心各自执行相应的信息交互；

所述变道区内的各车道中设有左转、直行、右转道路标线，各车辆驶入所述变道区后按行驶需求提前变换至对应的导向车道；

所述调控区内的所有车辆禁止变道与超车，各车辆在驶入所述调控区时接收到所述交叉口控制中心发出的指令信号，调整当前行车速度，控制与前方车辆之间的距离至最优间隙；

所述缓冲区内的所有车辆均保持匀速状态行进，各车辆在驶入所述缓冲区后均已达到所述交叉口控制中心指令要求的行车状态，与前方车辆之间保持着特定的最优间隙；

所述车载单元将车辆信息与行驶状态信息实时传送至交叉口控制中心，包括车辆尺寸、车辆位置、行驶时间、行驶速度、加速度、行驶方向，同时接收交叉口控制中心发送的指令信息，对车辆运行状态进行调控；

所述路侧单元对各功能区内的道路环境状况进行实时感知监测，并将相关数据信息实时传送至交叉口控制中心，包括各车道的车流量、车道占有率、车辆行车轨迹、车道宽度、路面湿滑状态；

所述交叉口控制中心接收所述车载单元和所述路侧单元采集到的所有交通数据信息，进行信息融合处理，针对不同车辆的行进方向确定所述车辆在交叉口的冲突区位置，计算所述车辆在交叉口的各冲突区域范围，结合车辆与冲突方向车辆的行驶状态信息计算所述车辆与前车之间需要保持的最优间隙，并将最优间隙指令信息实时发送至各车辆的车载单元。

作为本发明进一步的优选，交叉口左转、直行、右转车道均为独立车道，车辆在进入交叉口前后不允许进行合流与分流，车辆在交叉口通行过程中，均是沿各车道中心线行驶；交叉口衔接路段所述变道区长度设为300m，所述调控区长度设为500m，所述缓冲区长度设为 200m，当然，各功能区的长度范围可根据不同交叉口的实际交通情况进行规划调整，但应保证车辆能够在各功能区内完成相应的驾驶操作；所述路侧单元以10m的均匀间隔布设于各功能区道路两侧和交叉口四周区域，实现对交叉口所有通行车辆进行全时空、低延时、高可靠的实时信息感知。

作为本发明进一步的优选，车路协同交叉口车流冲突消解方法具体为：

车辆驶入交叉口变道区后，按照所述车辆的行驶需求提前变换至对应的导向车道，控制中心根据所述车辆与其他车辆的行车轨迹方向，判断所述车辆在交叉口内是否存在交通冲突。若无冲突存在，位于调控区的车辆按照控制中心指令快速行进，在无冲突干扰条件下安全通过交叉口；若有冲突存在，控制中心对所述车辆在交叉口内的冲突区位置进行识别感知，分别计算出所述车辆在各个冲突区上对应的行车间隙，取其中最大的行车间隙值作为所述车辆与前车之间应当保持的最优间隙，并将该最优间隙值反馈予所述车辆的车载单元。所述车辆在接收到控制中心指令信息后，在调控区内调整当前行车速度，控制与前车之间的距离至最优间隙，并保持该状态匀速驶入缓冲区和交叉口。所述车辆以最优间隙驶入交叉口时，所述车辆的冲突方向车辆能够利用该间隙从冲突区中安全穿过，从而实现冲突消解。

作为本发明进一步的优选，车辆在交叉口内的冲突区位置确定方法具体为：

以WL方向为例，在交叉口内与WL方向车辆存在冲突关系的导向车道分别为SL、NS、ES、NL四个方向；以WS方向为例，在交叉口内与WS方向车辆存在冲突关系的导向车道分别为NS、SL、EL、SS四个方向。当车辆在变道区内驶入到对应的导向车道后，控制中心根据接收到的交通数据信息，判断所述车辆冲突方向的导向车道在变道区至交叉口区域内是否存有车辆，若存有车辆，该冲突方向与所述车辆行车轨迹的重叠区域即为冲突区，从而运用GPS定位识别和电子地图即可确定冲突区的地理位置信息。

作为本发明进一步的优选，车辆与前车之间需要保持的最优间隙的计算方法如下：

假设车辆V_i和车辆V_i+1为方向D1上的通行车辆，车辆V_j和车辆V_j+1为与方向D1相冲突的方向D2上的通行车辆，车辆通过冲突区的顺序为：车辆V_i→车辆V_j→车辆V_i+1→车辆V_j+1，且当车辆V_i完全驶离冲突区时，冲突方向的车辆V_j恰好开始进入冲突区；当车辆V_j完全驶离冲突区时，冲突方向的车辆V_i+1恰好开始进入冲突区，即冲突方向两条车流中的车辆能够交替穿插通过冲突区，从而实现交叉口冲突消解。

设定：U_i-i+1表示方向D1上车辆V_i和车辆V_i+1之间需要保持的行车间隙；U_j-j+1表示冲突方向D2上车辆V_j和车辆V_j+1之间需要保持的行车间隙；l₁表示冲突区对方向D1上车辆的作用距离；l₂表示冲突区对冲突方向D2上车辆的作用距离；s表示车辆长度；v表示车辆行驶速度。

交叉口控制中心根据车辆行驶状态信息和路况信息分析预测交叉口车流冲突，确定行进车辆在交叉口内各个冲突区的位置信息后，分别计算出车辆通过各个冲突区时需要保持的行车间隙，取其中最大值作为车辆通过交叉口时与前车之间需要保持的最优间隙。

作为本发明进一步的优选，车辆在调控区内行车状态调整过程如下：

交叉口控制中心在计算出车辆与前车之间需要保持的最优间隙后，将最优间隙指令信息反馈予各车辆的车载单元。车辆在接收到指令信息后，于调控区内对车辆行驶状态进行调整，控制与前车之间的距离至最优间隙，具体如下：

当交叉口某方向进口道的一股车流W进入到交叉口控制区域时，控制中心将其分为若干个连续的子车队W₁、W₂、…、W_m，并以子车队为单位进行车辆状态调整。其中，每个子车队中的所有车辆在交叉口穿行区内遇到的冲突状况均是相同的，所以属于同一子车队中的车辆均是以相同的行驶速度保持相同最优间隙匀速行进。

假设W_k子车队中包含n辆车，当车队中的车辆进入到交叉口调控区路段后，车辆需要从当前的行驶状态A调整至目标状态B，从而使各车辆与前车之间保持最优间隙。设定：x_ai、 v_ai、a_ai、t_ai、u_ai分别表示子车队车辆V_i在交叉口调控区的初始位置、行驶速度、加速度、驶入调控区的时间、与前车之间的间隙距离；x_bi、v_b、u_b分别表示车辆目标状态下在交叉口调控区的位置、行驶速度、与前车之间保持的最优间隙；t_bi表示完成状态调整后的时间；l_adjust表示交叉口调控区的长度。

调整过程如下：

视车辆在本阶段状态调整中做匀加/减速行驶，则车辆状态调整时间Δt_i为：

由于车辆需要在交叉口调控区长度范围内完成状态调整，所以状态调整时间的约束条件如下：

本发明的有益效果是：

(1)该车路协同交叉口车流冲突消解方法能够使车辆不再受限于传统信号灯的控制，减少交通信号控制对车辆产生的固定延误，在保证行车安全的前提下，大幅提高交叉口通行能力与车辆通行效率，缓解交通拥堵。

(2)通过采取一种“流体式”的时空分离方法，为交叉口车辆提供碎片化、离散化的安全通行时空间隙，使冲突车流利用行车间隙交替穿插通过交叉口冲突区，达到冲突消解的目的，实现交叉口时空资源的充分利用。

附图说明

图1为本发明实施例中车路协同环境下的道路交叉口示意图；

图2为本发明实施例中车流冲突消解流程图；

图3为本发明实施例中车辆状态调整示意图；

图4为本发明实施例中交叉口冲突区位置示意图；

图5为本发明实施例中交叉口冲突区车流冲突消解示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在车路协同环境下，聪明的车与智能的路之间能够进行实时的信息交互，通过车载单元和路侧单元对交叉口全时空动态交通信息进行实时采集，交叉口控制中心能够对接收到的有效信息进行融合处理，从而为车辆提供驾驶行为建议，使交叉口车辆通过提前调整行车状态，控制与前方车辆之间的距离至最优间隙，使冲突方向的车流能够交替穿插通过交叉口冲突区，实现冲突消解。

一种车路协同交叉口车流冲突消解方法，将道路交叉口衔接路段按不同距离划分为变道区、调控区、和缓冲区三个功能区，在不同功能区范围内，车载单元、路侧单元与交叉口控制中心各自执行相应的信息交互。

车辆驶入交叉口变道区后，按照所述车辆的行驶需求提前变换至对应的导向车道，控制中心根据所述车辆与其他车辆的行车轨迹方向，判断所述车辆在交叉口内是否存在交通冲突。若无冲突存在，位于调控区的车辆按照控制中心指令快速行进，在无冲突干扰条件下安全通过交叉口；若有冲突存在，控制中心对所述车辆在交叉口内的冲突区位置进行识别感知，分别计算出所述车辆在各个冲突区上对应的行车间隙，取其中最大的行车间隙值作为所述车辆与前车之间应当保持的最优间隙，并将该最优间隙值反馈予所述车辆的车载单元。

以WL方向为例，在交叉口内与WL方向车辆存在冲突关系的导向车道分别为SL、NS、ES、NL四个方向；以WS方向为例，在交叉口内与WS方向车辆存在冲突关系的导向车道分别为NS、SL、EL、SS四个方向。当车辆在变道区内驶入到对应的导向车道后，控制中心根据接收到的交通数据信息，判断所述车辆冲突方向的导向车道在变道区至交叉口区域内是否存有车辆，若存有车辆，该冲突方向与所述车辆行车轨迹的重叠区域即为冲突区，从而运用GPS定位识别和电子地图即可确定冲突区的地理位置信息。

假设车辆V_i和车辆V_i+1为方向D1上的通行车辆，车辆V_j和车辆V_j+1为与方向D1相冲突的方向D2上的通行车辆，车辆通过冲突区的顺序为：车辆V_i→车辆V_j→车辆V_i+1→车辆V_j+1，且当车辆V_i完全驶离冲突区时，冲突方向的车辆V_j恰好开始进入冲突区；当车辆V_j完全驶离冲突区时，冲突方向的车辆V_i+1恰好开始进入冲突区，即冲突方向两条车流中的车辆能够交替穿插通过冲突区，从而实现交叉口冲突消解。

设定：U_i-i+1表示方向D1上车辆V_i和车辆V_i+1之间需要保持的行车间隙；U_j-j+1表示冲突方向D2上车辆V_j和车辆V_j+1之间需要保持的行车间隙；l₁表示冲突区对方向D1上车辆的作用距离；l₂表示冲突区对冲突方向D2上车辆的作用距离；s表示车辆长度；v表示车辆行驶速度。

交叉口控制中心根据车辆行驶状态信息和路况信息分析预测交叉口车流冲突，确定行进车辆在交叉口内各个冲突区的位置信息后，分别计算出车辆通过各个冲突区时需要保持的行车间隙，取其中最大值作为车辆通过交叉口时与前车之间需要保持的最优间隙。

交叉口控制中心在计算出车辆与前车之间需要保持的最优间隙后，将最优间隙指令信息反馈予各车辆的车载单元。车辆在接收到指令信息后，于调控区内对车辆行驶状态进行调整，控制与前车之间的距离至最优间隙，具体如下：

当交叉口某方向进口道的一股车流W进入到交叉口控制区域时，控制中心将其分为若干个连续的子车队W₁、W₂、…、W_m，并以子车队为单位进行车辆状态调整。其中，每个子车队中的所有车辆在交叉口穿行区内遇到的冲突状况均是相同的，所以属于同一子车队中的车辆均是以相同的行驶速度保持相同最优间隙匀速行进。

假设W_k子车队中包含n辆车，当车队中的车辆进入到交叉口调控区路段后，车辆需要从当前的行驶状态A调整至目标状态B，从而使各车辆与前车之间保持最优间隙。设定：x_ai、 v_ai、a_ai、t_ai、u_ai分别表示子车队车辆V_i在交叉口调控区的初始位置、行驶速度、加速度、驶入调控区的时间、与前车之间的间隙距离；x_bi、v_b、u_b分别表示车辆目标状态下在交叉口调控区的位置、行驶速度、与前车之间保持的最优间隙；t_bi表示完成状态调整后的时间；l_adjust表示交叉口调控区的长度。

调整过程如下：

视车辆在本阶段状态调整中做匀加/减速行驶，则车辆状态调整时间Δt_i为：

由于车辆需要在交叉口调控区长度范围内完成状态调整，所以状态调整时间的约束条件如下：

所述车辆在接收到控制中心指令信息后，在调控区内调整当前行车速度，控制与前车之间的距离至最优间隙，并保持该状态匀速驶入缓冲区和交叉口。所述车辆以最优间隙驶入交叉口时，所述车辆的冲突方向车辆能够利用该间隙从冲突区中安全穿过，从而实现冲突消解。当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种车路协同交叉口车流冲突消解方法，其特征在于，将道路交叉口衔接路段按不同距离划分为变道区、调控区、和缓冲区三个功能区，在不同功能区范围内，车载单元、路侧单元与交叉口控制中心各自执行相应的信息交互；

所述变道区内的各车道中设有左转、直行、右转道路标线，各车辆驶入所述变道区后按行驶需求提前变换至对应的导向车道；

所述调控区内的所有车辆禁止变道与超车，各车辆在驶入所述调控区时接收到所述交叉口控制中心发出的指令信号，调整当前行车速度，控制与前方车辆之间的距离至最优间隙；

所述缓冲区内的所有车辆均保持匀速状态行进，各车辆在驶入所述缓冲区后均已达到所述交叉口控制中心指令要求的行车状态，与前方车辆之间保持着特定的最优间隙；

所述车载单元将车辆信息与行驶状态信息实时传送至交叉口控制中心，包括车辆尺寸、车辆位置、行驶时间、行驶速度、加速度、行驶方向，同时接收交叉口控制中心发送的指令信息，对车辆运行状态进行调控；

所述路侧单元对各功能区内的道路环境状况进行实时感知监测，并将相关数据信息实时传送至交叉口控制中心，包括各车道的车流量、车道占有率、车辆行车轨迹、车道宽度、路面湿滑状态；

所述交叉口控制中心接收所述车载单元和所述路侧单元采集到的所有交通数据信息，进行信息融合处理，针对不同车辆的行进方向确定所述车辆在交叉口的冲突区位置，计算所述车辆在交叉口的各冲突区域范围，结合车辆与冲突方向车辆的行驶状态信息计算所述车辆与前车之间需要保持的最优间隙，并将最优间隙指令信息实时发送至各车辆的车载单元。

2.如权利要求1所述的一种车路协同交叉口车流冲突消解方法，其特征在于，交叉口左转、直行、右转车道均为独立车道，车辆在进入交叉口前后不允许进行合流与分流，车辆在交叉口通行过程中，均是沿各车道中心线行驶；交叉口衔接路段所述变道区长度设为300m，所述调控区长度设为500m，所述缓冲区长度设为200m，当然，各功能区的长度范围可根据不同交叉口的实际交通情况进行规划调整，但应保证车辆能够在各功能区内完成相应的驾驶操作；所述路侧单元以10m的均匀间隔布设于各功能区道路两侧和交叉口四周区域，实现对交叉口所有通行车辆进行全时空、低延时、高可靠的实时信息感知。

3.如权利要求1所述的一种车路协同交叉口车流冲突消解方法，其特征在于，车辆驶入交叉口变道区后，按照所述车辆的行驶需求提前变换至对应的导向车道，控制中心根据所述车辆与其他车辆的行车轨迹方向，判断所述车辆在交叉口内是否存在交通冲突。若无冲突存在，位于调控区的车辆按照控制中心指令快速行进，在无冲突干扰条件下安全通过交叉口；若有冲突存在，控制中心对所述车辆在交叉口内的冲突区位置进行识别感知，分别计算出所述车辆在各个冲突区上对应的行车间隙，取其中最大的行车间隙值作为所述车辆与前车之间应当保持的最优间隙，并将该最优间隙值反馈予所述车辆的车载单元。所述车辆在接收到控制中心指令信息后，在调控区内调整当前行车速度，控制与前车之间的距离至最优间隙，并保持该状态匀速驶入缓冲区和交叉口。所述车辆以最优间隙驶入交叉口时，所述车辆的冲突方向车辆能够利用该间隙从冲突区中安全穿过，从而实现冲突消解。

4.如权利要求3所述的一种车路协同交叉口车流冲突消解方法，其特征在于，车辆在交叉口内的冲突区位置确定方法具体为：

以WL方向为例，在交叉口内与WL方向车辆存在冲突关系的导向车道分别为SL、NS、ES、NL四个方向；以WS方向为例，在交叉口内与WS方向车辆存在冲突关系的导向车道分别为NS、SL、EL、SS四个方向。当车辆在变道区内驶入到对应的导向车道后，控制中心根据接收到的交通数据信息，判断所述车辆冲突方向的导向车道在变道区至交叉口区域内是否存有车辆，若存有车辆，该冲突方向与所述车辆行车轨迹的重叠区域即为冲突区，从而运用GPS定位识别和电子地图即可确定冲突区的地理位置信息。

5.如权利要求3所述的一种车路协同交叉口车流冲突消解方法，其特征在于，车辆与前车之间需要保持的最优间隙的计算方法如下：

假设车辆V_i和车辆V_i+1为方向D1上的通行车辆，车辆V_j和车辆V_j+1为与方向D1相冲突的方向D2上的通行车辆，车辆通过冲突区的顺序为：车辆V_i→车辆V_j→车辆V_i+1→车辆V_j+1，且当车辆V_i完全驶离冲突区时，冲突方向的车辆V_j恰好开始进入冲突区；当车辆V_j完全驶离冲突区时，冲突方向的车辆V_i+1恰好开始进入冲突区，即冲突方向两条车流中的车辆能够交替穿插通过冲突区，从而实现交叉口冲突消解。

设定：U_i-i+1表示方向D1上车辆V_i和车辆V_i+1之间需要保持的行车间隙；U_j-j+1表示冲突方向D2上车辆V_j和车辆V_j+1之间需要保持的行车间隙；l₁表示冲突区对方向D1上车辆的作用距离；l₂表示冲突区对冲突方向D2上车辆的作用距离；s表示车辆长度；v表示车辆行驶速度。

交叉口控制中心根据车辆行驶状态信息和路况信息分析预测交叉口车流冲突，确定行进车辆在交叉口内各个冲突区的位置信息后，分别计算出车辆通过各个冲突区时需要保持的行车间隙，取其中最大值作为车辆通过交叉口时与前车之间需要保持的最优间隙。

6.如权利要求3所述的一种车路协同交叉口车流冲突消解方法，其特征在于，车辆在调控区内行车状态调整过程如下：

交叉口控制中心在计算出车辆与前车之间需要保持的最优间隙后，将最优间隙指令信息反馈予各车辆的车载单元。车辆在接收到指令信息后，于调控区内对车辆行驶状态进行调整，控制与前车之间的距离至最优间隙，具体如下：

当交叉口某方向进口道的一股车流W进入到交叉口控制区域时，控制中心将其分为若干个连续的子车队W₁、W₂、…、W_m，并以子车队为单位进行车辆状态调整。其中，每个子车队中的所有车辆在交叉口穿行区内遇到的冲突状况均是相同的，所以属于同一子车队中的车辆均是以相同的行驶速度保持相同最优间隙匀速行进。

假设W_k子车队中包含n辆车，当车队中的车辆进入到交叉口调控区路段后，车辆需要从当前的行驶状态A调整至目标状态B，从而使各车辆与前车之间保持最优间隙。设定：x_ai、v_ai、a_ai、t_ai、u_ai分别表示子车队车辆V_i在交叉口调控区的初始位置、行驶速度、加速度、驶入调控区的时间、与前车之间的间隙距离；x_bi、v_b、u_b分别表示车辆目标状态下在交叉口调控区的位置、行驶速度、与前车之间保持的最优间隙；t_bi表示完成状态调整后的时间；l_adjust表示交叉口调控区的长度。

调整过程如下：

视车辆在本阶段状态调整中做匀加/减速行驶，车辆状态调整时间Δt_i为：

由于车辆需要在交叉口调控区长度范围内完成状态调整，所以状态调整时间的约束条件如下：

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