CN104299433A - 基于rfid车载电子标签的公交信号优先控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于RFID车载电子标签的公交信号优先控制方法,以RFID电子标签为信息中介,构建公交车辆和路口控制层之间的双向通信,通过引导公交车辆可适时的到达并通过交叉口,从而使公交的路段行程车速从优先模型输入转变为模型输出,使信号控制系统从被动适应交通流的到达转变为主动引导交通流到达并通过交叉口,充分发挥控制模型的效率,实现系统效益的最大化;从控制系统的交叉口控制层考虑,计算信号配时方案、建议车速、驻站停留时间以及其他控制参数等核心工作,并由其通过与RFID电子标签通信来执行优先控制方案,能够提高交叉口控制层处理优先算法的效率,最大限度地减少公交车辆在交叉口的车均延误与平均停车次数,提高绿灯时间利用率。
Description
技术领域
本发明涉及一种交通信号控制技术,特别涉及一种基于RFID车载电子标签的公交信号优先控制方法。
背景技术
公交信号优先是解决城市交通拥堵等问题的主要手段,其实现是以公交车辆检测技术提供的信息为基础。而线圈检测技术和GPS检测技术在已有的公交优先方案应用较为广泛,但在实际应用过程中,仍存在一些不足,主要体现在:1)线圈检测技术只在道路的固定断面对公交车辆进行检测而无法在路段上对车辆进行检测与监控;2)GPS技术在实际应用中,获取车辆信息后不能与路口单元实时交互信息,缺乏灵活性的同时加大中心优先算法的复杂度。此外,在道路资源匮乏的情况下,如何分配优先权也亟需解决,现有的公交信号优先系统中公交系统与交通信号系统分离,交通信号系统因无法及时从公交系统获取有效车辆数据而不能给予公交车辆一个准确有效的优先权值,使得公交优先的流程更加复杂,难以达到优先目的。
随着车路协同技术的发展,如RFID电子车牌技术,其具有快速、准确、非接触式识别、通信稳定可靠等特点,能弥补线圈检测和GPS检测的不足,使得面向个体车辆的检测更加精细化。通过其构建车路通信环境,在公交与调度中心、公交与路旁RFID读写设备之间进行信息交互,可为RFID车载电子标签写入优先策略,引导公交车辆适时到达并通过交叉口,实现对公交车辆的优先控制与安全行驶服务。
鉴于此,本发明以RFID电子标签为信息中介,建立公交信号优先的信息交互原理,提出基于引导的公交信号优先策略,设计与实现一个实用、高效的优先控制模型。
发明内容
本发明是针对传统车辆检测技术使得现有公交信号优先控制系统只能被动适应交通流的问题,提出了一种基于RFID车载电子标签的公交信号优先控制方法,以RFID电子标签为信息中介,建立公交信号优先的信息交互原理,以使现有公交信号优先控制系统实现从被动适应交通流到主动引导交通流的转变,能最大限度地减少公交车辆在交叉口的车均延误与平均停车次数,提高绿灯时间利用率,设计与实现一个有用的、实用的基于引导的优先控制模型。
本发明的技术方案为:一种基于RFID车载电子标签的公交信号优先控制方法,具体包括如下步骤:
1)在公交站台及交叉口进口道停车线前50-100米安装RFID读写器,公交车辆上安装电子标签为车载单元,路口读写单元与站点读写单元可双向通信;
2)公交信号优先控制包括公交相位绿灯请求、优先控制方案的求解和优先控制方案的执行,由单点控制层中的路口信号控制器和路口RFID读写器组成路口RSU,与站台RFID读写器组成站点OBU共同实现,具体控制如下:
公交相位绿灯请求:当安装有电子标签的公交车辆进入站台通信区域,OBU自动识别所有车辆信息及优先请求,通过GPRS无线网络将车辆信息实时传送到网络控制层的公交调度管理中心,中心根据优先权判断规则给予相应公交车辆一个优先级 ,并记录至公交的电子标签;
优先策略的求解:路口RSU中路口RFID读写器通过与OBU的信息交互可提前获取与记录获取高优先级公交车辆信息,结合当前交通流和信号状态,为站点公交制定速度引导、驻站控制和信号配时策略;
优先方案的执行:OBU通过与RSU的通信获取当前优先策略并写入公交的电子标签,公交依据优先策略通过交叉口,以减少延误与停车次数;
3)优先策略:
a)假设以最基础的两进道交叉口为模型,由两条单行道组成交叉口,公交车站台所在单行道为进口道1,交叉口另一单行道为进口道2,以公交相位的红灯时间、绿灯时间和请求绿灯延长总和时间为一个控制时段,且以公交相位红灯亮起时刻作为初始参照点,则当公交行驶相位红灯亮起时,交叉口进口道1的车辆将会排队累积,待绿灯亮起排队车辆将逐渐消散,将红灯时间和绿灯时间从红灯开始分成A、B、C、D四个时间段,对应的时间点分别为:
= [L]/
= [L]/
= CL/
= CL/
其中、分别为在引导策略行驶的最大速度和最小速度;分别为公交从初速度零行驶至最大速度和最小速度时相应的加速度;为公交所在车道排队单个车辆的长度;排队状态下两车的安全间距;S为进口道的饱和流量;为进口道对着的红灯时长;进口道1的车辆到达率,即单位时间内到达进口道停车线的车辆数;C为交叉口周期时长;请求绿灯延长时间;L为公交站台与所在进口道停车线的距离;
b)公交车辆上下乘客后准备驶离站点的时刻为,公交可在站台驻站停留的最大时间为,当时,公交即使通过驻站停留也会遇到红灯信号而停车,此时公交需在上下乘客后立即驶离公交站点,可以在前方排队中占据靠前的位置,降低交叉口的排队延误;
c)当>>,只存在公交车辆延误,通过车速引导或者驻站都可以使公交行驶至最大排队长度处时,最后一辆排队的车辆正好开始前进,公交将跟着前面车队一起通过交叉口,不会经历停车,这时不存在信号延误,公交车辆延误即为驻站延误和控制延误之和,驻站延误为公交在站台停靠导致的延误,控制延误为公交车辆低于均速行驶导致的延误,这时公交车辆延误为:
=()+()[][],
其中为驻站延误的加权系数,为控制延误的加权系数,为公交行驶的平均车速;
d)当>>,不需要对公交车辆实施优先控制,公交都可以顺利通过交叉口,且只存在公交车辆延误,只需要满足以下约束条件:
+C,为公交车辆离开站点的时刻,此时只存在控制延误,公交车辆延误为:
==;
e)当>>,此时公交即使以最大速度行驶也会在交叉口遇红灯进而停车排队,考虑请求绿灯延长,最大绿灯延长时间等于其冲突相位服务正常到达的社会车辆交通流之后,所能剩余的绿灯时间,此时社会车辆延误为:
=
其中:
=,
=,
为进口道2的车辆到达率; 为进口道2的红灯时间。
所述公交延误:由三部分组成,第一部分为驻站延误,是由公交在站台停靠导致的延误;第二部分为信号延误,是由交叉口信号导致的延误;第三部分为控制延误,是由公交车辆低于均速行驶导致的延误;其可由下式表达:
= + +
式中,、分别为驻站延误和驻站延误的加权系数;、分别为信号延误和信号延误的加权系数;、分别为控制延误和控制延误的加权系数。
所述公交延误优先考虑速度引导,加权系数、设为正整数,且大于,即,速度引导为公交在时刻准备驶离站台,通过速度引导加速至较低的速度,最后不停车适时到达并通过交叉口。
本发明的有益效果在于:本发明基于RFID车载电子标签的公交信号优先控制方法,以RFID电子标签为信息中介,构建公交车辆和路口控制层之间的双向通信,通过引导公交车辆可适时的到达并通过交叉口,从而使公交的路段行程车速从优先模型输入转变为模型输出,使信号控制系统从被动适应交通流的到达转变为主动引导交通流到达并通过交叉口,充分发挥控制模型的效率,实现系统效益的最大化;从控制系统的交叉口控制层考虑,利用交叉口控制层计算信号配时方案、建议车速、驻站停留时间以及其他控制参数等核心工作,并由其通过与RFID电子标签通信来执行优先控制方案,能够提高交叉口控制层处理优先算法的效率,最大限度地减少公交车辆在交叉口的车均延误与平均停车次数,提高绿灯时间利用率。
附图说明
图1为本发明基于RFID技术的公交优先信息交互原理图;
图2为本发明公交优先策略通信链路图;
图3为本发明公交信号优先流程图;
图4为本发明基于引导的公交优先示意图;
图5为本发明基于引导的公交优先情景图。
具体实施方式
如图1基于RFID技术的公交优先信息交互原理图、图2公交优先策略通信链路图与图3公交信号优先流程图,考虑信号交叉口位于公交站台的下游,在公交站台及交叉口进口道停车线前50-100米安装RFID读写器,公交车辆上安装电子标签为车载单元,路口读写单元与站点读写单元可双向通信。公交信号优先系统的工作流程可以分为A、B和C三个阶段,包括公交相位绿灯请求、优先控制方案的求解和优先控制方案的执行,由单点控制层中的交叉口路侧单元(路口信号控制器和路口RFID读写器组成,简称路口RSU)和站点读写单元(站台RFID读写器,简称站点OBU)完成上述工作。具体控制如下:
A段公交相位绿灯请求:当安装有电子标签的公交车辆进入站台通信区域,OBU自动识别所有车辆信息及优先请求,通过GPRS无线网络将车辆信息实时传送到网络控制层的公交调度管理中心,中心根据优先权判断规则给予相应公交车辆一个优先级,并记录至公交的电子标签;
B段优先策略的求解:路口RSU中路口RFID读写器通过与OBU的信息交互可提前获取与记录获取高优先级公交车辆信息,结合当前交通流和信号状态,为站点公交制定速度引导、驻站控制和信号配时等策略;
C段优先方案的执行:OBU通过与RSU的通信获取当前优先策略并写入公交的电子标签,公交依据优先策略通过交叉口,以减少延误与停车次数。
本发明涉及的控制方法在实现了公交优先信号控制的同时,可以尽量减少对其他交通参与者产生的负面影响,并能使整个交叉口的信号控制更高效、更合理。
定义以最基础的两进道交叉口模型为例,假设由两条单行道(进口道1和进口道2)组成交叉口,交通流处于非饱和状态,每个进口道交通流基于历史流量的平均,以固定流率均匀到达,假设公交站台位于交叉口进口道1的上游350m,公交站点距交叉口停车线的距离为引导区,引导区内公交车辆能够完全服从车速引导策略,引导车速需服从最高最低速度限制,如图1所示。
此外,如图4所示基于引导的公交优先示意图,假设具有最高优先级P的公交车辆上下乘客后准备驶离站点的时刻为,时刻为随机时间,这里假设分为、 、 不同时刻点,且以公交相位红灯亮起时刻作为初始参照点,则当公交行驶相位红灯亮起时,交叉口进口道1的车辆将会排队累积,待绿灯亮起排队车辆将逐渐消散。如果公交进行无信号优先的常规运行方式,如图4实线在时刻驶出站台,加速至平均行驶速度后,再减速停车,进入前方的排队。
在RFID技术下,通过考虑基于车路间的信息交互,可以通过速度引导或驻站停留控制避免上述停车。具体有以下几种情况:
1)速度引导:公交在时刻准备驶离站台,通过速度引导加速至较低的速度,最后不停车适时到达并通过交叉口,如图4中曲线2。
2)驻站控制:应该公交在时刻准备驶离站台,可根据运营需求,公交车推迟出站,在站台内停留时长,时刻驶出站台,最后不停车适时到达并通过交叉口,如图4中曲线3。
3)绿灯延长:公交在时刻准备驶离站台,在本相位绿灯信号结束之前无法正常通过交叉口,但基于车路通信,使绿灯信号延长秒,推迟绿灯信号的结束时间,使得公交车辆适时到达并顺利通过交叉口,如图4中曲线4。
建立优先控制模型,基于RFID车载电子标签的公交信号优先控制模型的目标函数为交叉口总延误最小,以总延误为信号控制方案的评价指标,其计算公式为:
Min D = σ + τ
式中,D为交叉口总延误;σ、τ分别为公交延误的加权系数和社会车辆延误的加权系数;、分别为公交的车均延误和社会车辆的车均延误。
公交延误模型:公交车辆的延误由三部分组成,第一部分为驻站延误,是由公交在站台停靠导致的延误;第二部分为信号延误,是由交叉口信号导致的延误;第三部分为控制延误,是由公交车辆低于均速行驶导致的延误。其可由下式表达:
= + +
式中,、分别为驻站延误和驻站延误的加权系数;、分别为信号延误和信号延误的加权系数;、分别为控制延误和控制延误的加权系数。
对于驻站延误可表示为: = ,式中,为公交车辆离开站点的时刻(由于相当于图4中的,相当于图4中)。如果采取驻站停留策略,由于存在停留延误时间,不为零,则不等于;若无驻站停留策略,停留延误时间为零,则等于。
对于信号延误可表示为: = ,式中,为公交车辆在遇红灯交叉口停车排队的时刻;为公交车辆遇本相位绿灯重新启动的时刻。
对于控制延误可表示为: = //,式中,为公交在引导区行驶的距离;为公交行驶的平均车速;为公交在速度引导策略下的最大车速(相当于图4中的)。
所述的优先策略,速度引导和公交驻站都可使公交车辆不停车通过交叉口,但是本发明优先考虑速度引导策略,避免给乘客带来情绪焦虑,为此,加权系数、设为正整数,且大于,即。
考虑信号延误的加权系数,本文假设公交驻站后可以随消散车队队尾不停车通过交叉口的延误,与公交常规行驶而遇排队停车进而通过交叉口的延误相等,此处延误是指公交遇红灯时进行驻站,红灯即将结束前经低速引导驶离站点,可以随消散车队队尾不停车通过交叉口,延误是指知道公交一定要停车排队,公交上下完乘客后即刻以引导策略下的最大车速驶离站点,进入前方排队,注意此处说的延误是指乘以加权系数后的延误。
对于,它包括驻站延误和低速行驶的控制延误,即
= +
对于D2,它只包括信号延误
=
故 = ,得的值为 = (+)/.
社会车辆延误模型:假设进口道1和进口道2的车辆到达率为和(达到率:指单位时间内到达进口道停车线的车辆数),则进口道1和进口道2的社会车辆总延误时间等于:
=
=
式中,S为交叉口的饱和流量;为进口道1的红灯时长(时长与图4中红灯时长R相等);为进口道2的红灯时间。
从而可以推得交叉口社会车辆的平均延误时间等于:
= ,C为交叉口周期时长。
本发明所述的基于RFID车载电子标签的公交信号优先控制模型的决策变量包括:公交驻站时长和绿灯延长时间,这些变量的取值对本发明所述的信号控制方法有很大的影响,这些参数的说明如下:
1)公交驻站时长
所述的驻站策略适用于遇到红灯信号的情景,但由于公交相位所在进口道排队持续增加,驻站过长导致公交在交叉口的延误也增加,如果公交车辆上下乘客后立刻驶离站点,这样公交可在交叉口的排队中占据靠前的位置。然而驻站策略的使用,如果可以避免公交在交叉口遇到红灯而停车,则可以降低其他成本,如环境污染、噪声等等,此外从停靠站中的公交乘客占有率、乘客舒适度等方面考虑,驻站策略实施时,驻站时间应满足下面约束:
0,式中为公交可在站台驻站停留的最大时间。
2)绿灯延长时间
利用车载电子标签RFID技术的双向通信,信号控制系统可使公交行驶相位的绿灯时间延长,以保证在当前周期公交车辆能顺利通过交叉口,降低公交在交叉口的延误。此处设置公交相位最大绿灯延长时间,可由下式计算:
=,式中,为冲突相位的绿灯时间(冲突相位:本相位绿灯与同路口其他公交相位绿灯不能同时亮的相位);=为冲突相位消散社会车辆交通流所需要的时间。可理解为冲突相位消散社会车辆交通流理论所需的绿灯时间,为冲突相位消散社会车辆交通流实际所需的绿灯时间,这里;另外,冲突相位中相位的概念是<在信号控制交叉口,其每一种控制状态,即对各个进口道不同方向所显示的不同信号灯色的组合,称为一个信号灯相位,所以冲突相位不是距离单位>。
公交在当前相位所需的绿灯延长时间等于:
=+C,式中L为公交站台与所在进口道停车线的距离;C为交叉口周期时长,相位某个红灯开始时刻到下个红灯开始时刻的时间间隔,这里。
现结合图5具体说明基于RFID车载电子标签的公交信号优先控制策略,为了分析本发明的优先控制模型效益,结合图5,依据设立的引导区,可知模型的优化过程是从公交车辆上下完乘客后准备驶离站点的时刻开始,根据值的不同可把公交驶离时刻分为A(包含和时间段)、B、C和D四种情景范围之内,其中,A为不能使用优先策略情景,B为速度引导或驻站控制策略情景,C为无需优先策略情景,D为绿灯延长策略情景,且以公交相位红灯亮起时刻作为初始参照点。
根据图中几何关系,可知各情景的时间分隔点、、、,其中,为情景A与B的时间分隔点,为情景B与C的时间分隔点,为情景C与D的时间分隔点,为情景D与A的时间分隔点,它们的值分别等于:
= [L]/
= [L]/
= CL/
= CL/
式中,、分别为公交在引导策略下行驶的最大速度和最小速度;分别为公交从初速度零行驶至最大速度和最小速度时相应的加速度;为公交所在车道排队单个车辆的长度;排队状态下两车的安全间距。
1)情景A
当时,公交即使通过驻站停留也会遇到红灯信号而停车,此时公交需在上下乘客后立即驶离公交站点,可以在前方排队中占据靠前的位置,降低交叉口的排队延误,且此情景不存在社会车辆时间延误,只有公交车辆延误。故在此情况下,
对于驻站延误,此时,,即=0。
对于信号延误,如果,则公交到达进口道排队末尾的行驶时间等于:
=[L]/
如果,则等于:
=(L/
在停车排队后,遇绿灯排队消散过程中公交启动时间等于:
=,即=
对于控制延误可得:
=
2)情景B
此情景下只存在公交车辆延误。通过车速引导或者驻站都可以使公交行驶至最大排队长度处时,最后一辆排队的车辆正好开始前进,公交将跟着前面车队一起通过交叉口,不会经历停车,如图5所示。故可知:
=+
其中,公交到达排队队尾的时刻等于:
=
当前时刻公交所在车道排队长度等于:
=
对于驻站延误,可知
=
对于控制延误,可知
=
此情景下不存在信号延误,即信号配时方案不变。故公交总延误等于:
= +
可得:
=()+()[][]
3)情景C
此情境下不需要对公交车辆实施优先控制,公交都可以顺利通过交叉口,且只存在公交车辆延误。因此只需要满足以下约束条件:
+C
此情境下只存在控制延误,故公交总延误等于:
==
4)情景D
此情景下,公交相位公交即使以最大速度行驶也会在交叉口遇红灯进而停车排队,而如果利用RFID通信技术延长公交相位的绿灯时间,从而保证公交车辆能在当前周期顺利通过交叉口,减少停车次数与车辆延误。但是延长的绿灯时间不能无限延长,这也正是上文假设交通流处于非饱和状态的原因。
此外对于延误,情景D与情景C相似,只存在控制延误,故公交总延误与情景C相同。
由于信号配时方案的改变,交叉口社会车辆的平均延误也相应变化。故考虑信号配时方案改变后下一周期进口道1和进口道2的社会车辆的平均延误公式为:
=
其中:
=,
=。
本发明中遇红灯停车的情况只会在情景A中发生,驻站策略的使用只会出现在情景B, 而对于速度引导策略会在B情景和C情景中都出现,绿灯延长策略能够在情景D使用。结合速度引导策略和信号延长策略,可使公交车辆在交叉口迅速而顺利的通行。
另外,在信号配时方案没变化的情况下,社会车辆的延误也没有变化,即便是信号配时方案变化,社会车辆的延误增加也不明显。表明本发明的模型使公交的路段行程车速从优先模型输入转变为模型输出,在对社会车辆交通流不产生较大影响的情况下,能最大限度地减少公交车辆在交叉口的车均延误与平均停车次数,提高绿灯时间利用率。
Claims (3)
1.一种基于RFID车载电子标签的公交信号优先控制方法,其特征在于,具体包括如下步骤:
1)在公交站台及交叉口进口道停车线前50-100米安装RFID读写器,公交车辆上安装电子标签为车载单元,路口读写单元与站点读写单元可双向通信;
2)公交信号优先控制包括公交相位绿灯请求、优先控制方案的求解和优先控制方案的执行,由单点控制层中的路口信号控制器和路口RFID读写器组成路口RSU,与站台RFID读写器组成站点OBU共同实现,具体控制如下:
公交相位绿灯请求:当安装有电子标签的公交车辆进入站台通信区域,OBU自动识别所有车辆信息及优先请求,通过GPRS无线网络将车辆信息实时传送到网络控制层的公交调度管理中心,中心根据优先权判断规则给予相应公交车辆一个优先级 ,并记录至公交的电子标签;
优先策略的求解:路口RSU中路口RFID读写器通过与OBU的信息交互可提前获取与记录获取高优先级公交车辆信息,结合当前交通流和信号状态,为站点公交制定速度引导、驻站控制和信号配时策略;
优先方案的执行:OBU通过与RSU的通信获取当前优先策略并写入公交的电子标签,公交依据优先策略通过交叉口,以减少延误与停车次数;
3)优先策略:
a)假设以最基础的两进道交叉口为模型,由两条单行道组成交叉口,公交车站台所在单行道为进口道1,交叉口另一单行道为进口道2,以公交相位的红灯时间、绿灯时间和请求绿灯延长总和时间为一个控制时段,且以公交相位红灯亮起时刻作为初始参照点,则当公交行驶相位红灯亮起时,交叉口进口道1的车辆将会排队累积,待绿灯亮起排队车辆将逐渐消散,将红灯时间和绿灯时间从红灯开始分成A、B、C、D四个时间段,对应的时间点分别为:
= [L]/
= [L]/
= CL/
= CL/
其中、分别为在引导策略行驶的最大速度和最小速度;分别为公交从初速度零行驶至最大速度和最小速度时相应的加速度;为公交所在车道排队单个车辆的长度;排队状态下两车的安全间距;S为进口道的饱和流量;为进口道对着的红灯时长;进口道1的车辆到达率,即单位时间内到达进口道停车线的车辆数;C为交叉口周期时长;请求绿灯延长时间;L为公交站台与所在进口道停车线的距离;
b)公交车辆上下乘客后准备驶离站点的时刻为,公交可在站台驻站停留的最大时间为,当时,公交即使通过驻站停留也会遇到红灯信号而停车,此时公交需在上下乘客后立即驶离公交站点,可以在前方排队中占据靠前的位置,降低交叉口的排队延误;
c)当>>,只存在公交车辆延误,通过车速引导或者驻站都可以使公交行驶至最大排队长度处时,最后一辆排队的车辆正好开始前进,公交将跟着前面车队一起通过交叉口,不会经历停车,这时不存在信号延误,公交车辆延误即为驻站延误和控制延误之和,驻站延误为公交在站台停靠导致的延误,控制延误为公交车辆低于均速行驶导致的延误,这时公交车辆延误为:
=()+()[][],
其中为驻站延误的加权系数,为控制延误的加权系数,为公交行驶的平均车速;
d)当>>,不需要对公交车辆实施优先控制,公交都可以顺利通过交叉口,且只存在公交车辆延误,只需要满足以下约束条件:
+C,为公交车辆离开站点的时刻,此时只存在控制延误,公交车辆延误为:
==;
e)当>>,此时公交即使以最大速度行驶也会在交叉口遇红灯进而停车排队,考虑请求绿灯延长,最大绿灯延长时间等于其冲突相位服务正常到达的社会车辆交通流之后,所能剩余的绿灯时间,此时社会车辆延误为:
=
其中:
=,
=,
为进口道2的车辆到达率; 为进口道2的红灯时间。
2.根据权利要求1所述基于RFID车载电子标签的公交信号优先控制方法,其特征在于,所述公交延误:由三部分组成,第一部分为驻站延误,是由公交在站台停靠导致的延误;第二部分为信号延误,是由交叉口信号导致的延误;第三部分为控制延误,是由公交车辆低于均速行驶导致的延误;其可由下式表达:
= + +
式中,、分别为驻站延误和驻站延误的加权系数;、分别为信号延误和信号延误的加权系数;、分别为控制延误和控制延误的加权系数。
3.根据权利要求2所述基于RFID车载电子标签的公交信号优先控制方法,其特征在于,所述公交延误优先考虑速度引导,加权系数、设为正整数,且大于,即,速度引导为公交在时刻准备驶离站台,通过速度引导加速至较低的速度,最后不停车适时到达并通过交叉口。
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