CN105321362B - 一种交叉口车辆智能协同通行方法 - Google Patents
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Abstract
本申请发明针对现有技术在交叉路口通行管理中采取固定红绿灯时间控制、车辆之间缺乏信息交互导致的绿灯空放、通行效率不高的缺点，公开了一种基于CPS的无信号交叉路口车辆智能协同通行方法。本方法基于CPS中3C技术的深度融合，辅以GPS技术、车对车通信、速度智能控制技术，提出一种包含车辆通行数据采集、信息处理及通信、决策控制三大步骤的方法，通过接近交叉路口的车辆不断获取己车通行信息并和其他方向车辆进行通信交互以达到实时感知周围环境的目的，在此基础上进行动态决策及控制，即根据周围车辆的通行信息分析己车和其他车辆有无潜在碰撞风险并进行化解，协商车辆通行优先级及对速度进行控制，确保车辆安全高效通行。
Description
技术领域
本发明涉及智能交通技术领域，特别是基于信息物理系统的交叉路口车辆智能协同通行技术，具体为一种交叉口车辆智能协同通行方法。
背景技术
近年来，由汽车保有量急剧膨胀导致的城市交通拥堵问题不断发生，大大影响了国民生活质量和国家经济的发展。研究表明，多数交通拥堵的形成并非道路通行能力的不足，而是由于交叉口不合理的信号控制。作为指挥交通的最常用手段，信号控制器被广泛应用于交叉路口，但它们大都不具备智能性，车辆只能遵循预设的固定红绿灯信号时间来通行，在此情形下，可能出现绿灯空放的情况，而这会降低交叉路口通行效率，导致交通系统得不到充分的协调和优化。
信息物理融合系统CPS（Cyber-Physical System）是一个综合计算、网络和物理环境的多维复杂系统，通过3C技术（Computing、Communication、Control）的有机融合与深度协作，以实现实时感知、信息服务和动态控制。
智能汽车是CPS最重要的应用领域之一，安装了多种传感器、信息交互装置、控制器及执行器的智能汽车，能够实时感知车辆周边环境、可自动分析车辆潜在危险并可按照预定路线准时、安全到达目标地点。智能汽车是未来汽车行业的重要发展方向，由于技术和政策的原因，目前智能汽车还无法大规模地普及，但一些汽车生产商已经开始逐步地在汽车上安装传感器和信息交互设备，以辅助驾驶员的驾驶行为。
本发明基于CPS的技术特点，提出一种交叉路口车辆智能协同通行方法，一方面这能为当前交叉路口车辆通行问题提出一种新的解决思路，另一方面此方法还能顺利地应用到将来的智能汽车上。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，针对现有交叉路口红绿灯系统采用固定通行时间和等候放行时间导致的绿灯空放、通行效率不高问题的不足，结合CPS可实现实时感知、信息服务和动态控制的特点，提出一种基于信息物理系统的交叉路口车辆智能协同通行方法。
本发明通过以下技术方案实现，包括基于信息物理融合系统CPS的数据采集、信息服务和动态控制；所述数据采集为接近交叉路口时，车辆实时获取己车行驶状态数据，并结合车辆存储的最新路网信息经单片机和/或嵌入式芯片进行相应计算处理得到己车交叉路口通行信息；所述路网信息包括当前常规电子地图数据库，还包括按车道信息对交叉路口进行单元格划分并以阿拉伯数字编号的数据库；所述信息服务包括，车辆信息处理单元对己车通行前方交叉路口的信息进行封装，经车对车，和/或移动运营网通信方式与其他车辆建立连接并交换通行信息，再进行数据解封；所述动态控制为，车辆决策控制单元根据己车和他车交叉路口通行信息，进行冲突分析、优先级比较、计算期望速度并及就车辆控制做出决策，将车辆应该采取的行动告知驾驶人或发送命令给执行机构对车辆速度进行控制。
本发明方法包括如下步骤：
S1.采集数据，接近交叉路口，车辆实时获取由包括但不限于GPS设备、移动运营网的LBS定位设备和包括但不限于速度传感器在内的多种传感器、包括但不限于摄像头、雷达在内的车辆辅助驾驶设备采集的己车行驶状态数据，并结合车辆存储的最新路网信息经单片机和/或嵌入式芯片进行相应计算处理，得到己车交叉路口包括但不限于下述通行信息：
ID，车辆号牌，唯一性，由车辆管理机构颁发，
V0，车辆当前速度，由速度传感器、定位模块测得，
PCord，车辆当前坐标，由定位模块测得，
Heading，车辆行驶方向，根据目的地规划路线所得，
Acc，车辆加速度，由车辆物理属性所得，
PLane，车辆当前所在车道，由定位模块和规划路线所得，
CeList，cell list，车辆通行前方交叉路口必经单元格的数集，根据定位设备中存储的最新路网消息和车辆当前行驶状态信息所得，
ATList，arriving time list，车辆到达CeList每个单元格时刻的集合，根据定位设备中存储的最新路网信息和车辆当前行驶状态信息所得，
ETList，exit time list，车辆离开CeList每个单元格时刻的集合，根据定位设备中存储的最新路网信息和车辆当前行驶状态信息所得，
WT，wait time，车辆采取制动措施到当前时刻经历的时间，初始为0。
S2.数据封装，车辆信息单元对己车通行前方交叉路口的信息进行封装打包。
S3.通信连接，车辆信息单元经车-车（V2V）和/或移动运营网通信方式与其他车辆建立连接并交换通行信息。
S4.数据解封，车辆信息单元对接收到的其他车辆的通行信息包进行解析并传递给决策控制单元。
S5.冲突分析，车辆决策控制单元对己车和其他已建立连接车辆通行信息中CeList、ATList的元素逐个进行比较，若两车CeList中有相同编号单元格且ATList对应该单元格的到达时刻数值相同，则证明两车通行存在冲突，继续步骤6；若到达时刻数值不相同，则表明车辆之间不存在冲突，车辆继续保持当前速度行驶，转步骤1。
S6.优先级比较，车辆决策单元根据车辆号牌来进行通行优先级的比较，特殊车辆类型的优先级最高，其他普通车辆根据车辆号牌辨识其归属地，本省车辆优先级大于外省车辆，本市车辆优先级大于外市车辆，在上述条件相同的情况下，则依据车辆号牌字母和/或数字的先后顺序来确定通行优先级。另，任意方向车辆WT达到90s，则优先级仅次于特殊车辆，其他车辆的优先级按上述规则进行比较。优先级高的车辆继续保持当前速度行驶，转步骤1，优先级低的车辆继续步骤7。此法能最大限度的降低交通拥堵，实现智能控制。
S7.计算期望速度，假定车辆减速过程为一匀减速直线运动，据此有动力学方程：
可得：
所得a为负值，车辆应采取减速措施；即车辆应告知驾驶员或发送命令给执行机构对刹车或油门进行控制保证加速度数值满足上述要求，以保证车辆通行安全。
S8.车辆控制，车辆决策控制单元将计算结果告知给驾驶员或发送速度控制命令给执行机构对速度进行控制，有包括但不限于侦测到冲突车辆优先级低但仍保持速度不减行驶的情况，则车辆在本方向停车等待线处紧急停车等待。
S9.循环步骤S1—S8直至车辆通过交叉路口。
所述交叉路口的行人通过情况为，行人必须通过交叉路口设置的人行天桥或人行地道，且行人遵守交通规则。
所述交叉路口的车辆通过情况为，交叉路口区域车道为实线车道，车辆按选定的车道行驶，且车辆遵守交通规则。
本发明的优点在于，通过车辆之间广泛的互联互通，交换彼此通行信息，分析空间和时间的冲突，通过优先级比较规则确定车辆通行先后顺序，并调用速度控制算法对车辆速度进行控制，能够避免一方绿灯空放另一方却要停车等待的现象出现，在一定程度上能够提高交叉路口的车辆通行效率，降低车辆由于抢行发生交通事故的概率。
附图说明
为更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面对本发明实施例结合附图简单介绍。应该明确的是，下面提供的附图仅是本发明实施例所需的附图，而不应理解成对本发明的限制。
图1是本发明方法原理图。
图2是本发明方法流程图。
图3a是对应本发明实施例一的传统方法示意图。
图3b是本发明实施例一。
图4a是对应本发明实施例二的传统方法示意图。
图4b是本发明实施例二。
具体实施方式
为更清晰地论述本发明，下面结合附图1至4对本发明的具体技术方案进行完整、详细地说明。
本发明基于信息物理系统（CPS，Cyber Physical System）3C技术（Computing计算、Communication通信和Control控制）的深度融合，提出一种交叉路口车辆智能协同通行方法，该方法通过实时感知己车行驶状态信息，与周边车辆进行通信交互，以达到动态决策的目的，并辅助驾驶员驾驶或直接发送命令给车辆执行机构，安全高效通行交叉路口。具体包括如下步骤：
采集车辆行驶状态信息，车辆接近交叉路口，实时获取由包括但不限于GPS设备、移动运营网的LBS定位设备和包括但不限于速度传感器在内的多种传感器、包括但不限于摄像头和/或雷达在内的车辆辅助驾驶设备采集的己车行驶状态数据并结合车辆存储的最新路网信息经单片机和/或嵌入式芯片进行相应计算处理得到己车交叉路口下述通行信息。
数据封装，车辆信息处理单元对己车通行前方交叉路口的信息进行封装打包。
通信连接，车辆通信单元经车对车（V2V），和/或移动运营网通信方式与其他车辆建立连接并交换通行信息。
数据解封，车辆信息处理单元对接收到的其他车辆的通行信息包进行解析并传递给决策控制单元。
决策控制，根据己车和他车交叉路口通行信息，车辆决策控制单元进行冲突分析、优先级比较及计算出期望速度，并将车辆应该采取的行动告知驾驶人或发送命令给执行机构对速度进行控制。
循环上述步骤直至车辆离开交叉路口。
下面结合实施例来详细说明上述方法和步骤。
实施例一见图3，本例中，交叉路口为双向三车道组成，一车A由南往北行驶，另一车B由东往西行驶。
该情况下，采取传统方法控制交叉路口车辆通行示意图如图3a所示，东、西、南、北四个方向靠右车道上均安装有红绿灯，四红绿灯按设置好的信号相位进行循环，且A、B车通行方向的信号灯必不在同一相位内。
传统方法两车的通行步骤为，A或B车到达该交叉路口，先观察信号灯是否为绿，为绿的情况下通行交叉路口，而另一车B或A则必须等待冲突方向的信号灯转红本通行方向信号灯转绿才可开始通行。
上述传统方法中车辆通行时间的消耗主要在信号灯的等待上，下述本发明的通行步骤。参见图3b。
第一步、驶近交叉路口，A、B两车接收由车载导航设备GPS和基于移动运营网的LBS设备采集的定位信息、接收由包括但不限于速度传感器在内的各式传感器采集的车辆状态信息，并经单片机和/或嵌入式芯片计算，其作用在于实时获取己车交叉路口的通行信息，包括但不限于车辆号牌ID、当前速度V0、当前位置坐标PCord、行驶方向Heading、当前车道PLane、通过交叉路口必须经过的区域编号CeList、到达上述区域的时刻集ATList、离开上述区域的时刻ETList。本例中，A车的CeList为单元格{35、29、23、17、11、5}，B车的CeList为单元格{12、11、10、9、8、7}，且假定AB两车到达相同编号单元格{11}的时刻相同。
第二步、AB两车通过移动运营网和V2V网络建立连接，并广播己车通行信息包及接收对方的通行信息包。
第三步、AB两车均调用冲突检测算法检测互相有无潜在碰撞风险。根据示例假定数据经冲突算法分析，可知A车和B车都经过编号为11的单元格，且AB两车到达冲突单元格11的时刻相同（条件假定），因此在该区域单元存在碰撞风险，须进行通行优先级的比较；
第四步、对AB两车进行优先级的比较，故需根据车辆号牌来比较优先级，假定AB均属普通私家小汽车，因此不属于特殊车辆类型，须根据事先约定的车辆优先级比较规则，比较号牌中数字和/或字母的先后排序。此处假定A车的优先级高于B车。
第五步，速度控制。A车优先级高于B，A按当前速度继续行驶，B车须对速度进行控制：
其中，V0为B车的当前速度，a为B车刹车加速度，LB为B车当前离冲突区域单元11的距离，t为己车到达冲突区域单元所需的时间，ETA为冲突车辆A离开冲突区域的时刻，CurrentTime为当前时刻。
由以上两式可得，B车加速度数值须满足：
此时A车按原有速度行驶，B车决策控制单元告知驾驶人所应采取的行动或发送命令给执行机构对速度进行控制，使其满足上述速度要求。
第六步，A车保持原速通行交叉路口，B车保持调节后的速度行驶，且两车之间保持通信连接，并进行信息交互。
第七步，两车均通过交叉路口，不再获取及广播该路口通行信息。
实施例二见图4，本例中，交叉路口为双向三车道组成，A车由南往北行驶，B车由东往西行驶，C车由北往东方向行驶。
该情况下，采取传统方法控制交叉路口车辆通行示意图如图4a所示，东、西、南、北四个方向靠右车道上均安装有红绿灯，四红绿灯按设置好的信号相位进行循环，且A、B、C三车由于互有冲突，故通行方向的信号灯必不在同一相位内。
传统方法三车的通行步骤为，第一辆车到达该交叉路口，先观察信号灯是否为绿，为绿的情况下通行交叉路口，而第二辆车则必须第一辆车通行方向信号灯转红本通行方向信号灯转绿才可开始通行，最后一辆车必须等待第二辆车通行方向信号灯转红本通行方向信号灯转绿才可开始通行。
上述传统方法中车辆通行时间的消耗主要在信号灯的等待上，下述本发明的通行步骤，参见附图4b。
第一步、ABC三车在驶近本方向交叉路口区域，接收由车载导航设备GPS和基于移动运营网LBS设备采集的定位信息、接收由包括但不限于速度传感器在内的各式传感器采集的车辆状态信息，实时获取己车交叉路口的通行信息，包括但不限于当前位置坐标PCord、速度V0、行驶方向Heading、当前车道PLane、通过交叉路口必须经过的区域编号CeList、到达上述区域的时刻集ATList、离开上述区域的时刻ETList。本例中，A车的CeList为{35、29、23、17、11、5}，B车的CeList为{12、11、10、9、8、7、6}，C车的CeList为{3、9、15、21、22、23、24}。
第二步、车辆通过移动运营网和V2V网络建立连接，并广播己车通行信息包及接收其他车辆的通行信息包。
第三步、三车均调用冲突检测算法检测互相有无潜在碰撞风险。根据示例假定数据经冲突算法分析，可知A车和B车均经过编号为11的单元格，A车和C车均经过编号为23的单元格，B车和C车均经过编号为9的单元格，因此三车两两之间存在碰撞风险，须进行优先级的比较。
第四步、ABC三车均调用优先级比较算法根据到达时刻和车辆号牌进行优先级的比较，此时可得出ABC三车的通行先后顺序，从高到低可分为优先级高、优先级低、优先级次低，为叙述方便，此处假定优先级A>B>C。
第五步，速度控制。优先级低和次低的车辆调用速度控制算法，调整速度；
对B车（优先级低），其加速度满足：
其中，VB0为B车当前速度，aB为B车应该采取的刹车加速度，LB为B车当前离冲突区域单元的距离，t为己车到达冲突区域单元所需的时间，ETA为优先级最高的车辆离开冲突区域的时刻，CurrentTime为当前时刻；
由以上两式可得，
对C车（优先级次低），其加速度满足：
其中，VC0为C车当前速度，aC为C车应采取的刹车加速度，LC为C车当前离冲突区域单元的距离，t为己车到达冲突区域单元所需的时间，ETB为优先级低的车辆经过调整后离开冲突区域的时刻，CurrentTime为当前时刻；
由以上两式可得，。
第六步、各车再次获取己车通行信息并进行广播，并调用冲突检测算法，此时优先级低的车辆和优先级次低的车辆已将速度降至安全范围，故三车两两之间均不存在潜在碰撞风险。
第七步、A、B、C三车均按照现有速度通行交叉路口。
第八步、三方向车辆均通过交叉路口，不再获取及广播该路口通行信息。
以上所述实施例仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种交叉路口车辆智能协同通行方法，其特征在于，包括基于信息物理融合系统CPS的数据采集、信息服务和动态控制；
所述数据采集为接近交叉路口时，车辆实时获取己车行驶状态数据，并结合车辆存储的最新路网信息经单片机和/或嵌入式芯片进行相应计算处理得到己车交叉路口通行信息；
所述路网信息包括当前常规电子地图数据库，还包括按车道信息对交叉路口进行单元格划分并以阿拉伯数字编号的数据库；
所述信息服务包括，车辆信息处理单元对己车通行前方交叉路口的信息进行封装，经车对车，和/或移动运营网通信方式与其他车辆建立连接并交换通行信息，再进行数据解封；
所述动态控制为，车辆决策控制单元根据己车和他车交叉路口通行信息，进行冲突分析、优先级比较、计算期望速度并及就车辆控制做出决策，将车辆应该采取的行动告知驾驶人或发送命令给执行机构对车辆速度进行控制；
具体包括以下步骤：
S1.采集数据，接近交叉路口时，车辆实时获取己车行驶状态数据由包括但不限于GPS设备、移动运营网的LBS定位设备，以及包括但不限于速度传感器在内的多种传感器，包括但不限于摄像头、雷达在内的车辆辅助驾驶设备采集的己车行驶状态数据，并结合车辆存储的路网信息经单片机和/或嵌入式芯片进行相应计算处理，得到己车交叉路口的通行信息；
S2.数据封装，车辆信息单元对己车通行前方交叉路口的信息进行封装打包；
S3.通信连接，车辆信息单元经车对车，和/或移动运营网通信方式与其他车辆建立连接并交换通行信息；
S4.数据解封，车辆信息单元对接收到的其他车辆的通行信息包进行解析并传递给决策控制单元；
S5.冲突分析，车辆决策控制单元对己车和其他已建立连接车辆通行信息中的车辆通行前方交叉路口必经单元格的数集，以及车辆到达必经单元格数集中的每个单元格时刻的集合的元素，逐个进行比较；若两车的车辆通行前方交叉路口必经单元格的数集中有相同编号单元格，且车辆到达必经单元格数集中的每个单元格时刻的集合，对应该单元格的到达时刻数值相同，则证明两车通行存在冲突，继续步骤6；若对应单元格的到达时刻数值不相同，则表明车辆之间不存在冲突，车辆继续保持当前速度行驶，转步骤1；
S6.优先级比较，车辆决策单元根据车辆号牌来进行通行优先级的比较，优先级高的车辆继续保持当前速度行驶，转步骤1，优先级低的车辆继续步骤7；
S7.计算期望速度，假定车辆减速过程为一匀减速直线运动，据此有动力学方程：
；
其中：
t为己车到达冲突区域单元所需的时间，
ET为冲突车辆离开交叉路口的时刻，
CurrentTime为当前时刻，
v0为己车当前速度，
a为己车的加速度，
L为己车当前位置到冲突单元格的距离
可得：；
所得a为负值，车辆应采取减速措施；
S8.车辆控制，车辆决策控制单元将计算结果告知给驾驶员或发送速度控制命令给执行机构对速度进行控制，有包括但不限于侦测到冲突车辆优先级低但仍保持速度不减行驶的情况，则车辆在本方向停车等待线处紧急停车等待；
S9.循环步骤S1—S8直至车辆通过交叉路口。
2.根据权利要求1所述的一种交叉路口车辆智能协同通行方法，其特征在于，所述己车交叉路口通行信息包括但不限于下述通行信息：
ID，车辆号牌，唯一性，由车辆管理机构颁发；
V0，车辆当前速度，由速度传感器、定位模块测得；
PCord，车辆当前坐标，由定位模块测得；
Heading，车辆行驶方向，根据目的地规划路线所得；
Acc，车辆加速度，由车辆物理属性所得；
PLane，车辆当前所在车道，由定位模块和规划路线所得；
CeList，cell list，车辆通行前方交叉路口必经单元格的数集，根据定位设备中存储的最新路网消息和车辆当前行驶状态信息所得；
ATList，arriving time list，车辆到达CeList每个单元格时刻的集合，根据定位设备中存储的最新路网信息和车辆当前行驶状态信息所得；
ETList，exit time list，车辆离开CeList每个单元格时刻的集合，根据定位设备中存储的最新路网信息和车辆当前行驶状态信息所得；
WT，wait time，车辆采取制动措施到当前时刻经历的时间，初始为0。
3.根据权利要求1所述的一种交叉路口车辆智能协同通行方法，其特征在于，所述优先级比较方法包括，特殊车辆类型的优先级最高，其他普通车辆根据车辆号牌辨识其归属地，本省车辆优先级大于外省车辆，本市车辆优先级大于外市车辆，在上述条件相同的情况下，则依据车辆号牌字母和/或数字的先后顺序来确定通行优先级。
4.根据权利要求3所述的一种交叉路口车辆智能协同通行方法，其特征在于，任意方向车辆WT达到90s，则优先级仅次于特殊车辆，其他车辆的优先级按上述规则进行比较。
5.根据权利要求1所述的一种交叉路口车辆智能协同通行方法，其特征在于，所述交叉路口的行人通过情况为，行人必须通过交叉路口设置的人行天桥或人行地道，且行人遵守交通规则。
6.根据权利要求1所述的一种交叉路口车辆智能协同通行方法，其特征在于，所述交叉路口的车辆通过情况为，交叉路口区域车道为实线车道，车辆按选定的车道行驶，且车辆遵守交通规则。
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