CN110619752B - 一种基于lte-v2x通信技术的车辆与信号灯协同控制方法及控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于LTE‑V2X通信技术的车辆与信号灯协同控制方法及控制系统，车辆驶入控制区域后，车载终端利用CAN总线获取车载传感器获取的车速信息，并利用LTE‑V2X网络将上述信息及车辆优先级、类型、紧急情况信息发送到车道信号灯控制器；信号灯控制器计算各车位置信息，计算车道内燃油汽车、混合动力汽车和纯电动汽车数量，计算车辆队列长度及通行时间，加载各类型车辆优化速度；通过车辆与信号灯协同控制方法循环，实现各车道信号灯相位配时控制，利用LTE‑V2X网络广播统一优化车速、安全预警、优先通行等信息，通过车载交互设备呈现给驾驶员；当车辆驶出控制区域后，停止与该车车载终端的信息交互，本发明可以实现车辆在路口高效通行、绿色通行、安全通行。

Description

一种基于LTE-V2X通信技术的车辆与信号灯协同控制方法及 控制系统

技术领域

本发明涉及一种基于LTE-V2X通信技术的车辆与信号灯协同控制方法及控制系统，属于智能交通车路协同控制领域。

背景技术

随着汽车电子、无线通信、智能控制等领域发展，车辆与交通有机的融合为一个整体，可以实现与万物的信息交互与共享(V2X)，例如车车通信(V2V)、车路通信(V2I)、车人通信(V2P)、车网通信(V2N)等。

V2V是指通过车载终端进行车辆间的通信，可以实时获取周围车辆的车速、位置、行车情况等信息，主要应用于避免或减少交通事故、车辆监督管理等；V2I是指车载设备与路侧基础设施(如红绿灯、交通摄像头、路侧单元等)进行通信，路侧基础设施也可以获取附近区域车辆的信息并发布各种实时信息，主要应用于实时信息服务、车辆监控管理、不停车收费等。V2P是指弱势交通群体(包括行人、骑行者等)使用用户设备(如手机、笔记本电脑等)与车载设备进行通信，主要应用于避免或减少交通事故、信息服务等；V2N是指车载设备通过接入网/核心网与云平台连接云平台与车辆之间进行数据交互，并对获取的数据进行存储和处理，提供车辆所需要的各类应用服务，主要应用于车辆导航、车辆远程监控、紧急救援、信息娱乐服务等。因此，V2X将“人、车、路、云”等交通参与要素有机地联系在一起，不仅可以支撑车辆获得比单车感知更多的信息，促进自动驾驶技术创新和应用；还有利于构建智慧的交通体系，促进汽车和交通服务的新模式新业态发展，对提高交通效率、节省资源、减少污染、降低事故发生率、改善交通管理具有重要意义。

发明内容

本发明提供一种基于LTE-V2X通信技术的车辆与信号灯协同控制方法及控制系统，充分考虑了实际情况和现有技术水平，通过对车辆和信号的协同控制，可以便捷的实现车辆在路口高效通行、绿色通行、安全通行。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于LTE-V2X通信技术的车辆与信号灯协同控制方法，

定义燃油汽车标记为C，纯电动汽车标记为E，混合动力汽车标记为H；

执行公务的警车、救护车或救火车标记优先等级为3；

城市生活保障运输车辆、紧急事务的公务车或特殊情况的私家车优先等级标记为2；

其他普通车辆优先等级标记为1；

首先获取信号灯状态信息，其中信号灯相位和信号灯配时由可控信号灯本体内的控制器提供，车辆信息即车辆优先等级和车辆类别通过LTE-V2X车载终端内的LTE-V2X通信模块获取，车速通过轮速传感器采集，通过CAN总线通信模块发送到LTE-V2X车载终端，定位模块提供车辆的位置信息，路口距离和通行时间通过计算得到，依据车辆与信号灯协同控制方法，实现车辆车速和信号灯相位配时控制；

作为本发明的进一步优选，包括以下步骤：

开始：当车辆驶入距离路口200米的控制区域时，车辆与信号灯协同控制系统启动；

第一步：信息采集；采集路口交通信号灯相位和配时信息、车辆类型信息、车辆优先等级信息、车速信息，计算路口距离，预估车辆队列通行时间，将前述所有信息汇总至信号灯控制器；

第二步：优先等级3判别；存在优先等级3车辆应优先通过路口，该车所在车道信号灯相位调节至绿灯状态，配时修改为预估的通行时间；若多个车道均存在优先等级3车辆，则按照离路口距离近远状态依次通行，优先通行离路口近的车辆，绿灯配时修改为预估的通行时间，当安全通过后及时修改信号灯相位，保证其他车道优先等级3车辆通行；

第三步：优先等级2判别；当无优先等级3车辆时，计算各车道优先等级2车辆数量，各信号灯相位按照优先等级2车辆数量多的车道优先通行的原则调节，配时为预估通行时间；

第四步：节能通行判别；完成优先等级判别后，计算各车道燃油汽车、混合动力汽车和纯电动汽车数量，优先通行燃油汽车和混合动力汽车数量多的车道，该车道相位调节为绿灯，配时修改为预估的队列通行时间；

第五步：安全预警判别；当车辆发生紧急状况时，自动向信号灯发出安全预警广播，当该车前方车辆驶出路口后，该车道自动转为红灯状态，直至该车车辆驶出控制区域；

第六步：经济性车速判别；依据各车道车辆类型的数量，选择不同的最优车速，并对该车道控制区域的每辆车广播最优车速，不符合车速要求的车辆，通过车载交互设备，发出提示信息，提示驾驶员及时修正车速；

结束：当车辆驶离路口200m控制区域时，自动结束车辆与信号灯协同控制系统，并在车载人机交互界面提示；

作为本发明的进一步优选，

前述计算预估通行时间通过LWR交通流模型进行计算，

定义ρ(x,t)为道路车辆密度，v(x,t)为车速，q(x,t)为流量，则LWR交通流模型为：

定义ρ₀为初始交通密度，ρ_j为拥堵时交通密度，q₀为初始交通流量，则交通流集结波速v_AC为：

定义ρ_c为最大交通流量时交通密度，q_c为最大交通流量，则交通流疏散波速v_CB为：

则车辆离信号灯路口距离d₀为：

式中t_r为转为红灯所需时间，t_g为转为绿灯所需时间，d为控制区域长度200m，v₀为车辆进入控制区域的初始车速，v₀＝q₀/ρ₀，

则车辆队列通行时间为：

式中Δt_c＝t_g-t，即Δt_c”＝d₀/v_CB；

作为本发明的进一步优选，前述第六步中，利用DP优化分别离线优化燃油汽车、混合动力汽车、电动汽车的经济性车速，每种类型车辆选取10种，并分别计算各类型车辆高频车速的比例，取高频车速均值为归一化最优车速；

经济性车速优化建模时以通行时间t作为通行效率评价指标，以驱动消耗能量/油耗Q_d和制动回收能量Q_b之和为能量优化评价指标，其中，燃油汽车无制动回收能量，以驱动和制动舒适性、车辆操稳性、路面附着及道路限速为约束条件；

定义车速、距离和时间为系统状态x＝{v,d,t}，系统控制量定义为驱动/制动力u＝F，协同优化目标函数制定时，将状态量偏差即实际轨迹和参考轨迹之差Δx、驱动/制动力变化量Δu、通行时间t设置为软约束，绿灯状态通行时间、路面附着系数、车辆稳定性及驱动/制动平顺性决定的最大驱动/制动力及变化率定义为硬约束，道路限速等设置为硬约束，综上所述，定义的优化目标函数为：

约束条件：

v_min(k)≤v(k)≤v_max(k)

F_min(k)≤abs(F(k))≤F_s(k)

F_min(k)≤F_d(k)≤F_mmax(k)

t_min(k)≤t(k)≤t_max(k)，

上述式中，R、E、L、D为各项权重因子；N为优化问题总步长；v_min和v_max分别为交通限制的最低和最高车速；t_min和t_max分别为最低和最长绿灯状态通行时间；F_min为由行驶阻力限制的最小制动力/驱动力；

为由道路附着限制的最大制动力/驱动力；F_d为汽车驱动力；F_mmax为由发动机/电机决定的最大驱动/制动力；F_s为由舒适性所限制的的最大制动力/驱动力。

DP算法采用逆向推理，定义最后阶段优化目标函数为：

f_N[X(N)]＝min{J(N)}

则第k步递推方程为：

f_N-k[X(k)]＝min{J(N)}+f_N-(k+1)[X(k+1)]

上述DP优化问题通过在MATLAB编写求解程序计算，同一车型下分别带入常见10种车辆，然后分别获得燃油汽车最优速度轨迹v_C1(d,t)，v_C2(d,t)，...v_C10(d,t)、混合动力汽车最优轨迹v_H1(d,t)，v_H2(d,t)，...v_H10(d,t)、纯电动汽车最优轨迹v_E1(d,t)，v_E2(d,t)，...v_E10(d,t)；接着计算燃油汽车最优速度轨迹中频率最高车速v_CF1，v_CF2，...v_CF10、混合动力汽车最优速度轨迹中频率最高车速v_HF1，v_HF2，...v_HF10、纯电动汽车最优速度轨迹中频率最高车速v_EF1，v_EF2，...v_EF10；最后计算各类型车辆归一化最优速度；燃油汽车归一化最优速度为：

混合动力汽车归一化最优速度为：

纯电动汽车归一化最优速度为：

第n辆车离前方路口距离为：

d_n＝200-(v_st+0.5at²)，

则该车道车辆队列长度为：

d_q＝d_e，

估计该车道车辆通行时间为：

t_v＝(200-de)/v_s，

上述式中，v_s为车辆初始速度，d_n为第n辆车驶入控制区域后t秒时离前方路口距离；a为车辆加速度/减速度，加速度为正，减速度为负；d_q为车道队列长度，实质为进入控制区域一辆车位置；d_e为控制区域最后一辆车离路口距离；t_v为估计的控制区域内车辆队列长度过信号灯路口所需时间；

一种基于LTE-V2X通信技术的车辆与信号灯协同控制系统，包括由可控信号灯、LTE-V2X车载终端及LTE-V2X通信网络；

前述的可控信号灯包括供电电源、控制器、LTE-V2X通信模块、信号灯本体和定位模块，通过LTE-V2X通信模块获取车辆信息，可控信号灯通过LTE-V2X通信模块获取车辆信息，输出指令，包括信号灯相位和配时、最优车速提示或预警信息提示；

前述LTE-V2X车载终端包括供电电源、控制器、LTE-V2X通信模块、车载人机交互模块、车辆CAN总线通信模块和定位模块，实现与可控信号灯的信息交互，并通过车载交互模块实时显示信号灯状态信息、车辆运行信息；

前述LTE-V2X通信网络实现控制区域内所有车辆与信号灯的通信服务。

通过以上技术方案，相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

1、本发明考虑现有LTE-V2X通信技术已较为成熟，自动驾驶技术尚不成熟，针对在较为典型的双车道交通路口场景，本发明中车辆均为人类驾驶，燃油汽车、纯电动汽车、混合动力汽车等车型均考虑在内；

2、本发明所设计的车辆与信号灯协同控制方法及控制系统，通过对车辆和信号的协同控制，实现高效通行、绿色通行、安全通行。从高效通行的角度考虑，不同车辆的优先等级不同，应保证优先等级高的车辆快速通行，还需要实时估计待行车辆队列长度和时间，实现信号灯相位和配时的准确控制；

3、从绿色通行角度考虑，燃油汽车和混合动力汽车均装备发动机，在路口怠速停车时，消耗能量较多，且污染物排放多，所以尽量避免停车，减少怠速时间，本发明考虑实际情况，采用归一化最优速度，一方面保证通行效率，还可以改善能耗；

4、从安全通行角度考虑，当车辆发生紧急情况时，对该车道其他车辆广播，并传递给信号灯控制器，保证其他车辆行驶安全。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的优选实施例基于V2X技术的车辆与信号灯协同控制场景；

图2是本发明的优选实施例基于V2X技术的车辆与信号灯协同控制系统架构；

图3是本发明的优选实施例基于V2X技术的车辆与信号灯协同控制方法。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

本发明考虑现有LTE-V2X通信技术已较为成熟，自动驾驶技术尚不成熟，针对在较为典型的双车道交通路口场景，本发明中车辆均为人类驾驶，燃油汽车、纯电动汽车、混合动力汽车等车型均考虑在内。

本发明的一种基于LTE-V2X通信技术的车辆与信号灯协同控制方法，

定义燃油汽车标记为C，纯电动汽车标记为E，混合动力汽车标记为H；

执行公务的警车、救护车或救火车标记优先等级为3；

城市生活保障运输车辆、紧急事务的公务车或特殊情况的私家车优先等级标记为2；

其他普通车辆优先等级标记为1；

首先获取信号灯状态信息，其中信号灯相位和信号灯配时由可控信号灯本体内的控制器提供，车辆信息即车辆优先等级和车辆类别通过LTE-V2X车载终端内的LTE-V2X通信模块获取，车速通过轮速传感器采集，通过CAN总线通信模块发送到LTE-V2X车载终端，定位模块提供车辆的位置信息，路口距离和通行时间通过计算得到，依据车辆与信号灯协同控制方法，实现车辆车速和信号灯相位配时控制；利用LTE-V2X网络广播统一优化车速、安全预警、优先通行等信息，通过车载交互设备呈现给驾驶员，便于按照指示操作车辆；当车辆驶出控制区域后，停止与该车车载终端的信息交互，并通过车载人机交互设备通知驾驶员。

图1所示，作为本发明的优选实施例，为保证系统可行性，限定距离路口200m范围为协同控制区域，对该区域驶入和驶出车辆进行控制，本发明设计的系统以双车道道路路口为例，如图1所示，交通信号灯标记为TL，每个方向的车道按照方位了次序分别标记为S1、S2、N1、N2、W1、W2、E1、E2，每个车道车辆按照顺序分别标注为VS1-1、VS1-2等。

图3所示，作为本发明的优选实施例，包括以下步骤：

开始：当车辆驶入距离路口200米的控制区域时，车辆与信号灯协同控制系统启动；

信息采集：采集信号灯状态和配时信息，采集控制范围内车辆类型信息，采集控制范围内车辆优先等级信息，采集控制范围内车辆车速信息，通过上述采集到的信息，估计路口队列长度及通行时间、经济性车速优化及归一化、计算各车道不同类型/优先等级车辆数量，最后将前述所有信息汇总至信号灯控制器；

进行优先等级判断：优先等级3判别；存在优先等级3车辆应优先通过路口，该车所在车道信号灯相位调节至绿灯状态，配时修改为预估的通行时间；若多个车道均存在优先等级3车辆，则按照离路口距离近远状态依次通行，优先通行离路口近的车辆，绿灯配时修改为预估的通行时间，当安全通过后及时修改信号灯相位，保证其他车道优先等级3车辆通行；

优先等级2判别；当无优先等级3车辆时，计算各车道优先等级2车辆数量，各信号灯相位按照优先等级2车辆数量多的车道优先通行的原则调节，配时为预估通行时间；

节能通行判别；完成优先等级判别后，计算各车道燃油汽车、混合动力汽车和纯电动汽车数量，优先通行燃油汽车和混合动力汽车数量多的车道，该车道相位调节为绿灯，配时修改为预估的队列通行时间；

安全预警判别：当车辆发生紧急状况时(安全气囊弹出、爆胎等)，自动向信号灯发出安全预警广播，当该车前方车辆驶出路口后，该车道自动转为红灯状态，直至该车车辆驶出控制区域，持续到紧急情况解除；

经济性车速判别：各车道主要车辆类型计算，分别加载对应的优化车速，具体的为依据各车道车辆类型的数量，选择不同的最优车速，并对该车道控制区域的每辆车广播最优车速，不符合车速要求的车辆，通过车载交互设备，发出提示信息，提示驾驶员及时修正车速；

结束：当车辆驶离路口200m控制区域时，自动结束车辆与信号灯协同控制系统，并在车载人机交互界面提示；

作为本发明的进一步优选，

前述在判断优先等级时，计算预估通行时间通过LWR交通流模型进行计算，

定义ρ(x,t)为道路车辆密度，v(x,t)为车速，q(x,t)为流量，则LWR交通流模型为：

定义ρ₀为初始交通密度，ρ_j为拥堵时交通密度，q₀为初始交通流量，则交通流集结波速v_AC为：

定义ρ_c为最大交通流量时交通密度，q_c为最大交通流量，则交通流疏散波速v_CB为：

则车辆离信号灯路口距离d₀为：

式中t_r为转为红灯所需时间，t_g为转为绿灯所需时间，d为控制区域长度200m，v₀为车辆进入控制区域的初始车速，v₀＝q₀/ρ₀，

则车辆队列通行时间为：

式中Δt_c＝t_g-t，即Δt″_c＝d₀/v_CB；

作为本发明的进一步优选，前述第六步中，利用DP优化分别离线优化燃油汽车、混合动力汽车、电动汽车的经济性车速，每种类型车辆选取10种，并分别计算各类型车辆高频车速的比例，取高频车速均值为归一化最优车速；

经济性车速优化建模时以通行时间t作为通行效率评价指标，以驱动消耗能量/油耗Q_d和制动回收能量Q_b之和为能量优化评价指标，其中，燃油汽车无制动回收能量，以驱动和制动舒适性、车辆操稳性、路面附着及道路限速为约束条件；

定义车速、距离和时间为系统状态x＝{v,d,t}，系统控制量定义为驱动/制动力u＝F，协同优化目标函数制定时，将状态量偏差即实际轨迹和参考轨迹之差Δx、驱动/制动力变化量Δu、通行时间t设置为软约束，绿灯状态通行时间、路面附着系数、车辆稳定性及驱动/制动平顺性决定的最大驱动/制动力及变化率定义为硬约束，道路限速等设置为硬约束，综上所述，定义的优化目标函数为：

约束条件：

v_min(k)≤v(k)≤v_max(k)

F_min(k)≤abs(F(k))≤F_s(k)

F_min(k)≤F_d(k)≤F_mmax(k)

t_min(k)≤t(k)≤t_max(k)，

上述式中，R、E、L、D为各项权重因子；N为优化问题总步长；v_min和v_max分别为交通限制的最低和最高车速；t_min和t_max分别为最低和最长绿灯状态通行时间；F_min为由行驶阻力限制的最小制动力/驱动力；

为由道路附着限制的最大制动力/驱动力；F_d为汽车驱动力；F_mmax为由发动机/电机决定的最大驱动/制动力；

DP算法采用逆向推理，定义最后阶段优化目标函数为：

f_N[X(N)]＝min{J(N)}

则第k步递推方程为：

f_N-k[X(k)]＝min{J(N)}+f_N-(k+1)[X(k+1)]

上述DP优化问题通过在MATLAB编写求解程序计算，同一车型下分别带入常见10种车辆，然后分别获得燃油汽车最优速度轨迹v_C1(d,t)，v_C2(d,t)，...v_C10(d,t)、混合动力汽车最优轨迹v_H1(d,t)，v_H2(d,t)，...v_H10(d,t)、纯电动汽车最优轨迹v_E1(d,t)，v_E2(d,t)，...v_E10(d,t)；接着计算燃油汽车最优速度轨迹中频率最高车速v_CF1，v_CF2，...v_CF10、混合动力汽车最优速度轨迹中频率最高车速v_HF1，v_HF2，...v_HF10、纯电动汽车最优速度轨迹中频率最高车速v_EF1，v_EF2，...v_EF10；最后计算各类型车辆归一化最优速度；燃油汽车归一化最优速度为：

混合动力汽车归一化最优速度为：

纯电动汽车归一化最优速度为：

第n辆车离前方路口距离为:

d_n＝200-(v_st+0.5at²)

则第n辆车车道车辆队列长度为：

d_q＝d_e

估计第n辆车车道车辆通行时间为：

t_v＝(200-d_e)/v_s

上述式中，v_s为车辆初始速度，d_n为第n辆车驶入控制区域后t秒时离前方路口距离；a为车辆加速度/减速度，加速度为正，减速度为负；d_q为车道队列长度，实质为进入控制区域一辆车位置；d_e为控制区域最后一辆车离路口距离；t_v为估计的控制区域内车辆队列长度过信号灯路口所需时间；

图1、图2所示，一种基于LTE-V2X通信技术的车辆与信号灯协同控制方法的控制系统，包括由可控信号灯、LTE-V2X车载终端及LTE-V2X通信网络；

前述的可控信号灯包括供电电源、控制器、LTE-V2X通信模块、信号灯本体和定位模块，通过LTE-V2X通信模块获取车辆信息，可控信号灯通过LTE-V2X通信模块获取车辆信息，输出指令，包括信号灯相位和配时、最优车速提示或预警信息提示；

前述LTE-V2X车载终端包括供电电源、控制器、LTE-V2X通信模块、车载人机交互模块、车辆CAN总线通信模块和定位模块，实现与可控信号灯的信息交互，并通过车载交互模块实时显示信号灯状态信息、车辆运行信息；

前述LTE-V2X通信网络实现控制区域内所有车辆与信号灯的通信服务，一般由服务商提供，只需接入使用即可。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本申请所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

本申请中所述的“和/或”的含义指的是各自单独存在或两者同时存在的情况均包括在内。

本申请中所述的“连接”的含义可以是部件之间的直接连接也可以是部件间通过其它部件的间接连接。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (4)

1.一种基于LTE-V2X通信技术的车辆与信号灯协同控制方法，其特征在于：

定义燃油汽车标记为C，纯电动汽车标记为E，混合动力汽车标记为H；

执行公务的警车、救护车或救火车标记优先等级为3；

城市生活保障运输车辆、紧急事务的公务车或特殊情况的私家车优先等级标记为2；

其他普通车辆优先等级标记为1；

首先获取信号灯状态信息，其中信号灯相位和信号灯配时由可控信号灯本体内的控制器提供，车辆信息即车辆优先等级和车辆类别通过LTE-V2X车载终端内的LTE-V2X通信模块获取，车速通过轮速传感器采集，通过CAN总线通信模块发送到LTE-V2X车载终端，定位模块提供车辆的位置信息，路口距离和通行时间通过计算得到，依据车辆与信号灯协同控制方法，实现车辆车速和信号灯相位配时控制；包括以下步骤：

开始：当车辆驶入距离路口200米的控制区域时，车辆与信号灯协同控制系统启动；

第一步：信息采集；采集路口交通信号灯相位和配时信息、车辆类型信息、车辆优先等级信息、车速信息，计算路口距离，车辆的位置信息，预估车辆队列通行时间，将前述所有信息汇总至信号灯控制器；

第二步：优先等级3判别；存在优先等级3车辆应优先通过路口，优先等级3车辆所在车道信号灯相位调节至绿灯状态，配时修改为预估的通行时间；若多个车道均存在优先等级3车辆，则按照离路口距离近远状态依次通行，优先通行离路口近的车辆，绿灯配时修改为预估的通行时间，当安全通过后及时修改信号灯相位，保证其他车道优先等级3车辆通行；

第三步：优先等级2判别；当无优先等级3车辆时，计算各车道优先等级2车辆数量，各信号灯相位按照优先等级2车辆数量多的车道优先通行的原则调节，配时为预估通行时间；

第四步：节能通行判别；完成优先等级判别后，计算各车道燃油汽车、混合动力汽车和纯电动汽车数量，优先通行燃油汽车和混合动力汽车数量多的车道，通行燃油汽车和混合动力汽车数量多的车道相位调节为绿灯，配时修改为预估的队列通行时间；

第五步：安全预警判别；当车辆发生紧急状况时，自动向信号灯发出安全预警广播，当该车前方车辆驶出路口后，该车道自动转为红灯状态，直至该车车辆驶出控制区域；

第六步：经济性车速判别；依据各车道车辆类型的数量，选择不同的最优车速，并对各车道控制区域的每辆车广播最优车速，不符合车速要求的车辆，通过车载交互设备，发出提示信息，提示驾驶员及时修正车速；

结束：当车辆驶离路口200m控制区域时，自动结束车辆与信号灯协同控制系统，并在车载人机交互界面提示。

2.根据权利要求1所述的基于LTE-V2X通信技术的车辆与信号灯协同控制方法，其特征在于：

前述预估车辆队列通行时间通过LWR交通流模型进行计算，其中LWR交通流模型为Lighthill-Whitham-Richards交通流模型，其假设交通流流量和车辆密度之间始终满足平衡关系，车流存在不可压缩性，根据流体动力学原理，定义ρ(x,t)为道路车辆密度，v(x,t)为车速，q(x,t)为流量，则LWR交通流模型建立的交通流量和车辆密度之间的关系为：

定义ρ₀为初始交通密度，ρ_j为拥堵时交通密度，q₀为初始交通流量，则交通流集结波速v_AC为：

定义ρ_c为最大交通流量时交通密度，q_c为最大交通流量，则交通流疏散波速v_CB为：

则车辆离信号灯路口距离d₀为：

式中t_r为转为红灯所需时间，t_g为转为绿灯所需时间，d为控制区域长度200m，v₀为车辆进入控制区域的初始车速，v₀＝q₀/ρ₀，

则车辆队列通行时间为：

式中Δt_c＝t_g-t，即Δt_c″＝d₀/v_CB。

3.根据权利要求1所述的基于LTE-V2X通信技术的车辆与信号灯协同控制方法，其特征在于：

利用DP优化分别离线优化燃油汽车、混合动力汽车、电动汽车的经济性车速，每种类型车辆选取10种，并分别计算各类型车辆高频车速的比例，取高频车速均值为归一化最优车速；

经济性车速优化建模时以通行时间t作为通行效率评价指标，以驱动消耗能量/油耗Q_d和制动回收能量Q_b之和为能量优化评价指标，其中，燃油汽车无制动回收能量，以驱动和制动舒适性、车辆操稳性、路面附着及道路限速为约束条件；

定义车速、距离和时间为系统状态x＝{v,d,t}，系统控制量定义为驱动/制动力u＝F，协同优化目标函数制定时，将状态量偏差即实际轨迹和参考轨迹之差Δx、驱动/制动力变化量Δu、通行时间t设置为软约束，绿灯状态通行时间、路面附着系数、车辆稳定性及驱动/制动平顺性决定的最大驱动/制动力及变化率定义为硬约束，道路限速等设置为硬约束，综上所述，定义的优化目标函数为：

约束条件：

v_min(k)≤v(k)≤v_max(k)

F_min(k)≤abs(F(k))≤F_s(k)

F_min(k)≤F_d(k)≤F_mmax(k)

t_min(k)≤t(k)≤t_max(k)

上述式中，R、E、L、D为各项权重因子；N为优化问题总步长；v_min和v_max分别为交通限制的最低和最高车速；t_min和t_max分别为最低和最长绿灯状态通行时间；F_min为由行驶阻力限制的最小制动力/驱动力；

为由道路附着限制的最大制动力/驱动力；F_d为汽车驱动力；F_mmax为由发动机/电机决定的最大驱动/制动力；F_s为由舒适性所限制的最大制动力/驱动力；

DP算法采用逆向推理，定义最后阶段优化目标函数为：

f_N[X(N)]＝min{J(N)}

则第k步递推方程为：

f_N-k[X(k)]＝min{J(N)}+f_N-(k+1)[X(k+1)]

上述DP优化问题通过在MATLAB编写求解程序计算，同一车型下分别带入常见10种车辆，然后分别获得燃油汽车最优速度轨迹v_C1(d,t)，v_C2(d,t)，...v_C10(d,t)、混合动力汽车最优轨迹v_H1(d,t)，v_H2(d,t)，...v_H10(d,t)、纯电动汽车最优轨迹v_E1(d,t)，v_E2(d,t)，...v_E10(d,t)；接着计算燃油汽车最优速度轨迹中频率最高车速v_CF1，v_CF2，...v_CF10、混合动力汽车最优速度轨迹中频率最高车速v_HF1，v_HF2，...v_HF10、纯电动汽车最优速度轨迹中频率最高车速v_EF1，v_EF2，...v_EF10；最后计算各类型车辆归一化最优速度；燃油汽车归一化最优速度为：

混合动力汽车归一化最优速度为：

纯电动汽车归一化最优速度为：

第n辆车离前方路口距离为:

d_n＝200-(v_st+0.5at²)，

则第n辆车车道车辆队列长度为：

d_q＝d_e，

估计第n辆车车道车辆通行时间为：

t_v＝(200-d_e)/v_s

上述式中，v_s为车辆初始速度，d_n为第n辆车驶入控制区域后t秒时离前方路口距离；a为车辆加速度/减速度，加速度为正，减速度为负；d_q为车道队列长度，实质为进入控制区域一辆车位置；d_e为控制区域最后一辆车离路口距离；t_v为估计的控制区域内车辆队列长度过信号灯路口所需时间。

4.一种基于权利要求1-权利要求3任一所述LTE-V2X通信技术的车辆与信号灯协同控制方法的控制系统，其特征在于：包括由可控信号灯、LTE-V2X车载终端及LTE-V2X通信网络；

前述的可控信号灯包括供电电源、控制器、LTE-V2X通信模块、信号灯本体和定位模块，通过LTE-V2X通信模块获取车辆信息，可控信号灯通过LTE-V2X通信模块获取车辆信息，输出指令，包括信号灯相位和配时、最优车速提示或预警信息提示；

前述LTE-V2X车载终端包括供电电源、控制器、LTE-V2X通信模块、车载人机交互模块、车辆CAN总线通信模块和定位模块，实现与可控信号灯的信息交互，并通过车载交互模块实时显示信号灯状态信息、车辆运行信息；

前述LTE-V2X通信网络实现控制区域内所有车辆与信号灯的通信服务。

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