CN106448194B - 交叉路口交通信号和车辆协同控制方法及装置、车辆 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种交叉路口交通信号和车辆协同控制方法及装置、车辆，该方法包括：步骤1，根据道路平均车流量计算交通信号灯周期；步骤2，根据车辆定位信息和路口停止线信息计算信号绿信比和各车到达路口停止线时间；步骤3，根据交通信号灯周期和信号绿信比，控制交叉路口的交通信号灯相位切换；步骤4，判断各车辆是否通过交叉路口，若否进入步骤5；反之进入步骤6；步骤5，将各车到达路口停止线时间和交通信号灯周期发送到各相应车辆，各车计算自车的期望加速度；步骤6，检测交通信号灯周期是否结束，若结束，则返回步骤2；反之，则返回步骤4。本发明能够优化交叉路口的配时以及车辆通过交叉路口的速度或加速度轨迹，并对交叉路口交通信号和驶向交叉路口的各车加速度进行控制。

Description

交叉路口交通信号和车辆协同控制方法及装置、车辆

技术领域

本发明涉及智能交通技术领域，特别是涉及一种交叉路口交通信号和车辆协同控制方法及装置、车辆。

背景技术

我国汽车保有量的不断攀升，由此带来的交通拥堵和能源消耗的问题日益严重。究其原因，是因为汽车保有量的增长速度远远超过道路建设的速度。因此，解决交通拥堵和由此产生的能源消耗问题的关键在于提高现有道路的交通效率。而在城市区域内，制约交通效率的一个重要因素是信号交叉路口，交叉路口信号配时以及车辆通过交叉路口的速度等均会影响交叉路口交通流效率，继而通过交通波动影响路段上的其余交通流，造成城市拥堵和能源消耗。如何通过技术手段提高交叉路口交通效率，减少车辆通过交叉路口的旅行时间和燃油消耗，是一个亟待解决的问题。

申请号为CN201110318114.7的专利设计了路口交通信号控制系统及其控制方法，利用交通控制抢占决策模块优先放行车流量高的相位。申请号为CN201410647050.9的申请专利提出了一种基于相序优化的四路口控制子区双向绿波协调控制方法，对四路口控制子区各路口相序进行优化，并给出不同路段相应的引导车速。申请号为CN201510236222.2的申请专利公开了一种连续交叉路口车辆通行控制方法及装置，对于通过连续固定配时的交叉路口的车辆给予速度引导，以期达到节能通行的目标。

上述技术对于提高交叉路口通行效率有积极意义，但其分别从交通信号和车辆两个方面进行独立优化：优化交通信号配时时，未考虑车辆在车速引导条件下的速度波动；优化引导车速时，未考虑自适应交通信号的实时调整。交通信号自适应控制和车速引导控制未能在同一系统中实现，因此不能从车路两端同时提升交通效率并改善车辆燃油经济性。

因此，希望有一种技术方案来克服或至少减轻现有技术的上述缺陷中的至少一个。

发明内容

本发明的目的在于提供一种交叉路口交通信号和车辆协同控制方法及装置来克服或至少减轻现有技术的上述缺陷中的至少一个。

为实现上述目的，本发明提供一种交叉路口交通信号和车辆协同控制方法，其特征在于，其包括：步骤1，采集交叉路口的道路平均车流量，并根据道路平均车流量计算交通信号灯周期；步骤2，采集车辆定位信息，并根据车辆定位信息和路口停止线信息计算信号绿信比和各车到达路口停止线时间；步骤3，根据步骤1中计算得到的交通信号灯周期和步骤2计算得到的所述信号绿信比，控制交叉路口的交通信号灯的相位切换；步骤4，判断各车辆是否通过交叉路口，若否，则进入步骤5；反之，则进入步骤6；步骤5，将步骤2得到的各车到达路口停止线时间和步骤1得到的交通信号灯周期发送到各相应车辆，各车根据步骤2得到的自车的到达路口停止线时间、步骤1得到的自车的车辆定位信息和路口停止线信息，计算自车的期望加速度；以及步骤6，检测交通信号灯周期是否结束，若结束，则返回步骤2；反之，则返回步骤4。

进一步地，车辆定位信息包括位置、航向角和速度信息；路口停止线信息包括路口停止线的位置信息；

步骤2具体包括：

步骤2.1，根据各车的所述位置信息和路口停止线的位置信息，确定车辆编号；

步骤2.2，根据各车的所述位置信息、速度信息和路段最高限速信息，计算各车到达交叉路口的最快时间；

步骤2.3，确定各车到达交叉路口的车头时距约束；

步骤2.4，确定各车绿灯通行约束；以及

步骤2.5，确定目标函数，该目标函数设置为交叉路口所有车辆通过交叉路口的时间之和，表达式为：

f(t_i)＝∑t_i；

步骤2.6，根据步骤2.2至步骤2.5确定的各车到达交叉路口的最快时间、相邻两车辆的最小车头时距、交通信号绿信比、各车到达路口停止线时间之和，对各车辆到达停止线时间以及交通信号绿信比进行优化，以使交叉路口所有车辆的通行时间最短为目标，各车满足如下约束条件：

a、车辆的到达路口的实际时间大于计算得到的车辆到达交叉路口的最快时间；

b、相邻两车辆通过停止线的时间之差应大于相邻两车辆的最小车头时距。

进一步地，步骤2.2具体包括：

情况一，车辆以最大舒适加速度a_max加速至路段最高限速v_max，然后以路段最高限速v_max行驶到路口停止线，则车辆到达交叉路口的最快时间t_min为：

情况二，车辆以最大舒适加速度a加速，到达路口停止线时未达到路段最高限速v_max，仍处于加速阶段，则车辆到达交叉路口的最快时间t_min为：

其中，v为车辆的当前速度，d为车辆与路口停止线的距离。

进一步地，步骤2.3中，交叉路口的车头时距约束为：

其中，t_i+1为第i+1辆车到达路口停止线的时间，t_i为第i辆车到达路口停止线的时间，THW_min为车辆跟车的最小车头时距。

进一步地，步骤2.4中，各车绿灯通行约束为：

情况一，对于优化时其对应信号灯为绿灯的车流而言，各车绿灯通行约束为：

情况二，对于优化时其对应信号灯为红灯的车流而言，各车绿灯通行约束为：

进一步地，步骤2.5中，目标函数为：

f(t_i)＝∑t_i；

该目标函数的约束包括步骤2.2、步骤2.3和步骤2.4确定的约束，并以所有车辆通过交叉路口停止线的总效率最高为目标，得到所述信号绿信比和各车到达路口停止线时间。

进一步地，步骤5中，各车根据步骤2得到的自车的到达路口停止线时间、步骤1得到的自车的车辆定位信息和路口停止线信息计算自车的期望加速度具体包括：

构造最优控制器，根据所述各车到达路口停止线时间和车辆定位信息，计算最优加速度；

所述最优控制器的目标函数为：

其中，v为车辆速度；

为车辆平均车速，其计算公式为：

d为车辆与路口停止线距离，t_a为交通信号控制器优化得到的车辆到达停止线的时间；

a为车辆加速度，t₀为初始时刻，t_f为终端时刻，k₁为衡量速度波动的权重指标，k₂为衡量加速度大小的权重指标；

最优控制器的状态方程为：

其中，s为车辆位移；

最优控制器的终端约束为：

v(t₀)＝v₀

s(t₀)＝s₀

s(t_f)＝d

t_f＝t_a

其中，v₀为车辆初速度，s₀为车辆初始位移。

本发明还提供一种交叉路口交通信号和车辆协同控制装置，所述交叉路口交通信号和车辆协同控制装置包括车载定位单元、交通信号控制器、交通信号机、车载中央控制器和下位控制器，其中：所述车载定位单元设于车辆上，用于采集车辆定位信息；所述交通信号控制器设在道路侧，包括：第一计算单元，其用于根据道路平均车流量计算交通信号灯周期，并输出；第二计算单元，其用于接收所述车载定位单元采集到的车辆定位信息，并根据车辆定位信息和路口停止线信息计算信号绿信比和各车到达路口停止线时间，并输出；第一输出单元，其用于接收所述第一计算单元输出的交通信号灯周期以及所述第二计算单元输出的所述信号绿信比，并输出给交通信号机；第二输出单元，其用于接收所述第二计算单元输出的各车到达路口停止线时间；和判断单元，其用于接收所述车载定位单元采集到的车辆定位信息和接收所述第一计算单元输出的交通信号灯周期，并根据车辆定位信息和路口停止线信息判断各所述车辆是否通过交叉路口；在判定车辆未通过交叉路口的情形下，向未通过交叉路口的车辆的车载中央控制器发送到达路口停止线时间；在判定车辆已经通过交叉路口的情形下，进一步检测所述交通信号灯周期是否结束，在所述交通信号灯周期已经结束的情形下，则向所述车载定位单元发送工作指令；在所述交通信号灯周期未结束的情形下，则向继续判断各所述车辆是否通过交叉路口；所述车载中央控制器设于车辆上，用于接收所述各车到达路口停止线时间、车辆定位信息和路口停止线信息，各车根据所述判断单元发送的自车的到达路口停止线时间、车辆定位信息和路口停止线信息，计算自车的期望加速度，并将计算得到的所述车辆期望加速度输送给自车的所述下位控制器；以及所述下位控制器设于车辆上，用于接收自车的所述车辆期望加速度，并根据所述车辆期望加速度，控制自车的纵向运动。

进一步地，车辆定位信息包括位置、航向角和速度信息；路口停止线信息包括路口停止线的位置信息；所述第二计算单元包括：编号模块，其用于根据各车的所述位置信息和路口停止线的位置信息，确定车辆编号；最快到达时间计算模块，其用于根据各车的所述位置信息、速度信息和路段最高限速信息，计算各车到达交叉路口的最快时间，并输出各车到达交叉路口的最快时间；车头时距约束模块，其用于确定各车到达交叉路口的车头时距约束，并输出相邻两车辆的最小车头时距；红绿灯通行约束模块，其用于确定各车绿灯通行约束，并输出交通信号绿信比；目标函数计算模块，其用于确定目标函数，该目标函数为交叉路口所有车辆通过交叉路口的时间之和，表达式为：

f(t_i)＝∑t_i；

并输出各车到达路口停止线时间之和；以及优化问题求解模块，根据各车到达交叉路口的最快时间、相邻两车辆的最小车头时距、交通信号绿信比、各车到达路口停止线时间之和，对各车辆到达停止线时间以及交通信号绿信比进行优化，以使交叉路口所有车辆的通行时间最短为目标，各车满足如下约束条件：a、车辆的到达路口的实际时间大于计算得到的车辆到达交叉路口的最快时间；b、相邻两车辆通过停止线的时间之差应大于相邻两车辆的最小车头时距。

本发明还提供一种车辆，所述车辆包括如上所述的交叉路口交通信号和车辆协同控制装置。

由于本发明根据采集到路口通信覆盖范围内各车辆速度和位置信息，优化各车通过交叉口的总体效率，计算出交通信号的配时以及各车辆到达交叉口的时间，并在各个车载以减小速度波动和加速度为目标计算车辆各自通过交叉路口的速度轨迹，使车辆平稳通畅地通过交叉路口，因此一方面可以充分利用车辆通过路口的绿灯时间，提高交通效率，另一方面，可有效减少车辆在接近交叉路口时由于信号灯相位变化引起的强制动，也可以显著减少由于车速过高来不及制动造成闯黄灯或闯红灯问题，对交叉路口车辆行驶安全有提升作用，还可以减少驾驶员无法预知信号灯相位时的盲目加减速，减少速度波动，有助于提升车辆运行舒适性。此外，还可以减少车辆在交叉路口停车启动过程造成的时间增加，有利于提高交叉路口的交通效率。

本发明可广泛用于各种交叉路口的智能交通管理装置。

附图说明

图1是本发明的应用场景示意图。

图2是本发明所提供的交叉路口交通信号和车辆协同控制装置一优选实施的结构示意图；

图3是图1和图2中的交通信号控制器的原理性结构示意图。

图4是图1中的信息流向示意图。

图5是本发明所提供的交叉路口交通信号和车辆协同控制方法一优选实施的流程图。

具体实施方式

在附图中，使用相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。

在本发明的描述中，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

如图1所示，图中的A表示为车辆，1表示为车载定位单元，2表示为交通信号控制器，3表示为交通信号机，4表示为车载中央控制器，5表示为下位控制器，6表示为车载通信单元，7表示为路侧通信单元，8表示为交通信号灯。图1示出的是本发明所应用的场景，该场景为一个交叉口中通信范围内有若干车辆驶向而后通过此交叉路口。此处“通信范围内”指交叉路口无线通信覆盖的范围。

本发明欲通过采集驶向交叉口的所有车辆的定位信息以优化交叉路口的配时以及车辆通过交叉路口的速度或加速度轨迹，并对交叉路口交通信号和驶向交叉路口的各车加速度进行控制，以期达到提高交叉路口整体交通效率和车辆整体燃油经济性以及减少车辆怠速停车和加减速的目的。

如图3和图4所示，本发明所提供的交叉路口交通信号和车辆协同控制方法包括：

步骤1，采集交叉路口的道路平均车流量，并根据道路平均车流量计算交通信号灯周期。“道路平均车流量”是指道路上各个车道上平均每小时通过的车辆总数，可通过铺设于地面的交通流检测器或架设于道路上方的摄像头的数据得到。可以采用周期性采集“道路平均车流量”的方式，比如说采集两个小时的车流计算平均流量，并且，每两个小时调整一次周期。

步骤2，采集车辆定位信息，并根据车辆定位信息和路口停止线信息计算信号绿信比和各车到达路口停止线时间。其中：“车辆定位信息”包括位置(含经纬度信息)、航向角和速度信息，文中提及的速度信息实质上指的是速度值，即速率。“路口停止线信息”包括路口停止线的位置信息，其通常在实施该方法之前获得，该信息可以内置在车载地图中，也可以存在路侧的交通信号控制器中，通过车载通信发送给车辆。

步骤3，根据步骤1中计算得到的交通信号灯周期和步骤2计算得到的所述信号绿信比，控制交叉路口的交通信号灯的相位切换，以使该交叉路口的交通信号灯能够按照步骤1中计算得到的交通信号灯周期和步骤2计算得到的所述信号绿信比进行相位切换。

步骤4，判断各所述车辆是否通过交叉路口，若否，则进入步骤5；反之，则进入步骤6。其中，车辆是否通过交叉路口的判断方法具体如下：

若车辆驶向并接近交叉路口停止线，则判定为车辆未通过交叉路口。若车辆若车辆远离交叉路口停止线，则判定为车辆已通过交叉路口。

步骤5，将步骤2得到的各车到达路口停止线时间和步骤1得到的交通信号灯周期发送到各相应车辆，各车根据步骤2得到的自车的到达路口停止线时间、步骤1得到的自车的车辆定位信息和路口停止线信息，计算自车的期望加速度，车辆再根据自车所述车辆期望加速度，控制自车的纵向运动。其中的“纵向运动”是指车辆沿其中轴线方向的运动。

步骤6，检测步骤1计算得到的交通信号灯周期是否结束，若结束，则返回步骤2；反之，则返回步骤4。

本实施例能够根据采集到路口通信覆盖范围内各车辆速度位置信息，优化各车通过交叉口的总体效率，计算出交通信号的配时以及各车辆到达交叉口的时间，并在各个车载以减小速度波动和加速度为目标计算车辆各自通过交叉路口的速度轨迹，使车辆平稳通畅地通过交叉路口，一方面可以整体优化交叉路口信号配时，提高交叉路口整体效率，另一方面，可有效减少车辆在接近交叉路口时由于信号灯相位变化引起的强制动，也可以显著减少由于车速过高来不及制动在成闯黄灯或闯红灯问题，对交叉路口车辆行驶安全有提升作用，还可以减少驾驶员无法预知信号灯相位时的盲目加减速，减少速度波动，有助于提升车辆运行舒适性。此外，还可以减少车辆在交叉路口停车启动过程造成的时间增加，有利于提高交叉路口的交通效率。

在一个实施例中，步骤1具体包括：

步骤1.1，获取所述交叉路口的东向车道和西向车道中流量最大车道的车流量V₁(车/时)。

步骤1.2，获取所述交叉路口的南向车道和北向车道中流量最大车道的车流量V₂(车/时)。

步骤1.3，计算所述交叉路口的总流量V＝V₁+V₂(车/时)。

步骤1.4，取L为每周期绿灯损失时间(s)，平均车头时距为h(s)，则所述交通信号灯周期T的计算公式为：

其中，每周期绿灯损失时间指起动损失时间，一般可取6s。

如图5所示，在一个实施例中，步骤2具体包括：

步骤2.1，根据各车的所述位置信息和路口停止线的位置信息，计算各车与路口停止线之间的距离，并根据该距离大小不同确定车辆编号。确定车辆编号的方法为：在驶向交叉路口的某向车流中，距离交叉路口最近的车辆序号为1，其次为2，依此类推，通信范围内距离交叉路口最远的车辆为N。

步骤2.2，根据各车的所述位置信息、速度信息和路段最高限速信息，计算各车到达交叉路口的最快时间，并将计算得到的车辆到达交叉路口的最快时间作为车辆运动学的约束条件，以使车辆到达路口的实际时间大于计算得到的车辆到达交叉路口的最快时间。

优选地，步骤2.2具体包括：

情况一，车辆以最大舒适加速度a_max加速至路段最高限速v_max，然后以路段最高限速v_max行驶到路口停止线，则车辆到达交叉路口的最快时间t_min为：

情况二，车辆以最大舒适加速度a加速，到达路口停止线时未达到路段最高限速v_max，仍处于加速阶段，则车辆到达交叉路口的最快时间t_min为：

其中，v为车辆的当前速度，d为车辆与路口停止线的距离，a_max根据文献一般可定在2m/s²左右。步骤2.3，为了保证前后两个车依次通过同一个地点的时间必须大于一个值以保证车辆不发生追尾危险，确定各车到达交叉路口的车头时距约束。

步骤2.3，确定各车到达交叉路口的车头时距约束，以使相邻两车辆通过停止线的时间之差应大于相邻两车辆的最小车头时距。

优选地，步骤2.3中，交叉路口的车头时距约束为：

其中，t_i+1为第i+1辆车到达路口停止线的时间，t_i为第i辆车到达路口停止线的时间，THW_min为车辆跟车的最小车头时距，最小车头时距一般通过统计数据得到，可以取2.5s。

步骤2.4，为了保证车辆在绿灯时间内通过交叉路口，确定各车绿灯通行约束，以使各车辆通过停止线的时刻位于该车辆所在交通流对应的绿灯相位。

优选地，步骤2.4中，各车绿灯通行约束为：

情况一，对于优化时其对应信号灯为绿灯的车流而言，各车绿灯通行约束为：

情况二，对于优化时其对应信号灯为红灯的车流而言，各车绿灯通行约束为：

步骤2.5，确定目标函数，该目标函数根据各车到达交叉路口的最快时间、车头时距约束和各车绿灯通行约束，并以所有车辆通过交叉路口停止线的总效率最高为目标，得到所述信号绿信比和各车到达路口停止线时间。目标函数设置为交叉路口所有车辆通过交叉路口的时间之和，表达式为：

f(t_i)＝∑t_i；

步骤2.6，根据步骤2.2至步骤2.5确定的各车到达交叉路口的最快时间、相邻两车辆的最小车头时距、交通信号绿信比、各车到达路口停止线时间之和，对各车辆到达停止线时间以及交通信号绿信比进行优化，以使交叉路口所有车辆的通行时间最短为目标，各车满足如下约束条件：

a、车辆的到达路口的实际时间大于计算得到的车辆到达交叉路口的最快时间；

b、相邻两车辆通过停止线的时间之差应大于相邻两车辆的最小车头时距。

在一个实施例中，步骤5中，根据各车到达路口停止线时间、车辆定位信息和和路口停止线信息，计算各车辆期望加速度具体包括：构造最优控制器，求解最优加速度。

所述最优控制器的目标函数设定为：

其中，v为车辆速度。

为车辆平均车速，其计算公式为：

d为车辆与路口停止线距离，t_a为步骤2得到的所述各车到达路口停止线时间。

a为车辆加速度，t₀为初始时刻，t_f为终端时刻，k₁为衡量速度波动的权重指标，k₂为衡量加速度大小的权重指标。例如：k1可设为1,k2可设为5.k1和k2的比例在约0.1～0.3较好。

最优控制器的状态方程为：

其中，s为车辆位移。

最优控制器的终端约束为：

v(t₀)＝v₀

s(t₀)＝s₀

s(t_f)＝d

t_f＝t_a

其中，v₀为车辆初速度，s₀为车辆初始位移。

如图1、图2和图3所示，本发明还提供一种交叉路口交通信号和车辆协同控制装置，所述交叉路口交通信号和车辆协同控制装置包括车载定位单元1、交通信号控制器2、交通信号机3、车载中央控制器4和下位控制器5，其中：

车载定位单元1设于车辆上，用于实时采集车辆定位信息。“车辆定位信息”包括位置(含经纬度信息)、航向角和速度信息，“车辆定位信息”可以采用全球定位系统或北斗卫星导航系统获得。车载定位单元1的更新频率应不小于5Hz，定位误差应不大于5m，以保证信息更新的实时性和定位的精确性，从而确保计算的与交叉口之间距离的准确性和实时性。

车载定位单元1采集自车的车辆定位信息，并将车辆定位信息通过无线通信方式输送给交通信号控制器2。

车辆上安装有车载通信单元6，车载通信单元6与车载定位单元1相连，获取车载定位单元1采集得到的车辆实时位置信息，而后将此信息进行广播。

优选地，车载通信单元6可采用大唐电信开发的基于4G通信技术、专为车联网开发的点对点通信技术LTE-V技术进行无线通信。车载通信单元6要求实现通信距离大于400m，通信延迟小于100ms。由于应用于车载环境，车载通信单元6要求具备耐振、耐热的要求。

道路侧安装有路侧通信单元7，车载通信单元6和路侧通信单元7信息交互，实现车辆与交通信号控制器2之间的信息交互。路侧通信单元7通过无线通信获取车载通信单元6广播的车辆实时位置信息，并将其通信范围内所有车辆的实时位置信息整合后发送给交通信号控制器2。

优选地，路侧通信单元7可采用大唐电信开发的基于4G通信技术、专为车联网环境开发的点对点通信技术LTE-V技术进行无线通信。路侧通信单元7要求实现通信距离大于400m，通信延迟小于100ms。由于应用于路侧环境，路侧通信单元7要求具备连续工作、防水和耐热的要求。

交通信号控制器2设在道路侧，交通信号控制器2从路侧通信单元7处获取路口通信范围内所有车辆的实时位置信息，根据平均交通流量计算交通信号周期，并实时优化得到两相交通信号绿信比和各车到达交叉路口的时间。交通信号控制器2将优化得到的交通信号周期和绿信比发送给交通信号机3，交通信号机3控制交通信号灯1显示对应的交通信号。交通信号控制器2将优化得到的各车到达交叉路口时间通过路侧通信单元7广播给各车辆。

交通信号控制器2具体包括：

第一计算单元，第一计算单元用于根据道路平均车流量计算交通信号灯周期，并输出。上述的“道路平均车流量”是指道路上各个车道上平均每小时通过的车辆总数，可通过铺设于地面的交通流检测器或假设于道路上方的摄像头的数据得到。周期性采集“道路平均车流量”，比如说采集两个小时的车流计算平均流量，每两个小时调整一次周期。

第二计算单元，第二计算单元用于接收车载定位单元1采集到的车辆定位信息，并根据车辆定位信息和路口停止线信息计算信号绿信比和各车到达路口停止线时间，并输出。路口停止线信息包括路口停止线的位置信息，其通常在实施该方法之前获得，该信息可以内置在车载地图中，也可存在路侧阀交通信号控制器中，通过车载通信发送给车辆。

第一输出单元，第一输出单元用于接收第一计算单元输出的交通信号灯周期以及第二计算单元输出的所述信号绿信比，并输出给交通信号机3，以使该交叉路口的交通信号灯能够按照步骤1中计算得到的交通信号灯周期和步骤2计算得到的所述信号绿信比进行相位切换。

第二输出单元，第二输出单元用于接收第二计算单元输出的各车到达路口停止线时间，并输出给车载中央控制器4。

判断单元，判断单元用于接收车载定位单元1采集到的车辆定位信息和接收第一计算单元输出的交通信号灯周期，并根据车辆定位信息和路口停止线信息判断各所述车辆是否通过交叉路口；在判定车辆未通过交叉路口的情形下，向未通过交叉路口的车辆的车载中央控制器4发送到达路口停止线时间。在判定车辆已经通过交叉路口的情形下，进一步检测所述交通信号灯周期是否结束，在所述交通信号灯周期已经结束的情形下，则向车载定位单元1发送工作指令。在所述交通信号灯周期未结束的情形下，则向继续判断各所述车辆是否通过交叉路口。

车载中央控制器4设于车辆上，用于接收所述各车到达路口停止线时间、车辆定位信息和路口停止线信息，各车根据所述判断单元发送的自车的到达路口停止线时间、车辆定位信息和路口停止线信息，计算自车的期望加速度，并将计算得到的所述车辆期望加速度输送给自车的下位控制器5。车载中央控制器4的工作包括：构造最优控制器，求解最优加速度。具体如下：

所述最优控制器的目标函数为：

其中，v为车辆速度；

为车辆平均车速，其计算公式为：

d为车辆与路口停止线距离，t_a为步骤2得到的所述各车到达路口停止线时间。

a为车辆加速度，t₀为初始时刻，t_f为终端时刻，k₁为衡量速度波动的权重指标，k₂为衡量加速度大小的权重指标。

最优控制器的状态方程为：

其中，s为车辆位移。

最优控制器的终端约束为：

v(t₀)＝v₀

s(t₀)＝s₀

s(t_f)＝d

t_f＝t_a

其中，v₀为车辆初速度，s₀为车辆初始位移。

下位控制器5设于车辆上，用于接收自车的所述车辆期望加速度，并根据所述车辆期望加速度，控制自车的纵向运动。具体地，下位控制器5利用期望加速度和实际加速度计算车辆的油门开度和制动压力，并输出到执行机构(包括节气门驱动机构和制动器)，控制车辆纵向运动。

在一个实施例中，第二计算单元包括编号模块、最快到达时间计算模块、车头时距约束模块、车头时距约束模块和目标函数计算模块，其中：

编号模块用于根据各车的所述位置信息和路口停止线的位置信息，确定车辆编号。编号模块的工作过程如下：

根据各车的所述位置信息和路口停止线的位置信息，计算各车与路口停止线之间的距离，并根据该距离大小不同确定车辆编号。确定车辆编号的方法为：在驶向交叉路口的某向车流中，距离交叉路口最近的车辆序号为1，其次为2，依此类推，通信范围内距离交叉路口最远的车辆为N。

最快到达时间计算模块用于根据各车的所述位置信息、速度信息和路段最高限速信息，计算各车到达交叉路口的最快时间，并输出各车到达交叉路口的最快时间。最快到达时间计算模块的工作过程如下：

情况一，车辆以最大舒适加速度a_max加速至路段最高限速v_max，然后以路段最高限速v_max行驶到路口停止线，则车辆到达交叉路口的最快时间t_min为：

情况二，车辆以最大舒适加速度a加速，到达路口停止线时未达到路段最高限速v_max，仍处于加速阶段，则车辆到达交叉路口的最快时间t_min为：

其中，v为车辆的当前速度，d为车辆与路口停止线的距离。

车头时距约束模块用于确定各车到达交叉路口的车头时距约束，并输出相邻两车辆的最小车头时距，以保证前后两个车依次通过同一个地点的时间必须大于一个值以保证车辆不发生追尾危险。

交叉路口的车头时距约束为：

其中，t_i+1为第i+1辆车到达路口停止线的时间，t_i为第i辆车到达路口停止线的时间，THW_min为车辆跟车的最小车头时距，最小车头时距一般通过统计数据得到，可以取2.5s。

红绿灯通行约束模块用于确定各车绿灯通行约束，并输出交通信号绿信比，以保证车辆在绿灯时间内通过交叉路口。

各车绿灯通行约束为：

情况一，对于优化时其对应信号灯为绿灯的车流而言，各车绿灯通行约束为：

情况二，对于优化时其对应信号灯为红灯的车流而言，各车绿灯通行约束为：

目标函数计算模块用于用于确定目标函数，该目标函数为交叉路口所有车辆通过交叉路口的时间之和，表达式为数为：

f(t_i)＝∑t_i；

并输出各车到达路口停止线时间之和。

优化问题求解模块用于根据各车到达交叉路口的最快时间、相邻两车辆的最小车头时距、交通信号绿信比、各车到达路口停止线时间之和，对各车辆到达停止线时间ti以及交通信号绿信比λ进行优化，以使交叉路口所有车辆的通行时间最短为目标，各车满足如下约束条件：

a、车辆的到达路口的实际时间大于计算得到的车辆到达交叉路口的最快时间；

b、相邻两车辆通过停止线的时间之差应大于相邻两车辆的最小车头时距。

目标函数的优化变量为各车到达停止线时间ti以及交通信号绿信比λ，目标函数的约束包括最快到达时间计算模块、车头时距约束模块和第二约束模块确定的约束。以所有车辆通过交叉路口停止线的总效率最高为目标，得到所述信号绿信比和各车到达路口停止线时间。

最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。本领域的普通技术人员应当理解：可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种交叉路口交通信号和车辆协同控制方法，其特征在于，其包括：

步骤1，采集交叉路口的道路平均车流量，并根据道路平均车流量计算交通信号灯周期；

步骤2，采集车辆定位信息，并根据车辆定位信息和路口停止线信息计算信号绿信比和各车到达路口停止线时间；步骤2具体包括：

步骤2.1，根据各车的位置信息和路口停止线的位置信息，确定车辆编号；

步骤2.2，根据各车的位置信息、速度信息和路段最高限速信息，计算各车到达交叉路口的最快时间；

步骤2.3，确定各车到达交叉路口的车头时距约束；

步骤2.4，确定各车绿灯通行约束；

步骤2.5，确定目标函数，该目标函数设置为交叉路口所有车辆通过交叉路口的时间之和；

步骤2.6，根据步骤2.2至步骤2.5确定的各车到达交叉路口的最快时间、相邻两车辆的最小车头时距、交通信号绿信比、各车到达路口停止线时间之和，对各车辆到达停止线时间以及交通信号绿信比进行优化，以使交叉路口所有车辆的通行时间最短为目标；

步骤3，根据步骤1中计算得到的交通信号灯周期和步骤2计算得到的所述信号绿信比，控制交叉路口的交通信号灯的相位切换；

步骤4，判断各车辆是否通过交叉路口，若否，则进入步骤5；反之，则进入步骤6；

步骤5，将步骤2得到的各车到达路口停止线时间和步骤1得到的交通信号灯周期发送到各相应车辆，各车根据步骤2得到的自车的到达路口停止线时间、步骤1得到的自车的车辆定位信息和路口停止线信息，计算自车的期望加速度；以及

步骤6，检测交通信号灯周期是否结束，若结束，则返回步骤2；反之，则返回步骤4。

2.如权利要求1所述的交叉路口交通信号和车辆协同控制方法，其特征在于，车辆定位信息包括位置、航向角和速度信息；

路口停止线信息包括路口停止线的位置信息；

步骤2.5中确定的目标函数的表达式为：

f(t_i)＝∑t_i；

t_i为第i辆车到达路口停止线的时间；

步骤2.6中各车满足如下约束条件：

a、车辆的到达路口的实际时间大于计算得到的车辆到达交叉路口的最快时间；

b、相邻两车辆通过停止线的时间之差应大于相邻两车辆的最小车头时距。

3.如权利要求2所述的交叉路口交通信号和车辆协同控制方法，其特征在于，步骤2.2具体包括：

情况一，车辆以最大舒适加速度a_max加速至路段最高限速v_max，然后以路段最高限速v_max行驶到路口停止线，则车辆到达交叉路口的最快时间t_min为：

情况二，车辆以最大舒适加速度a_max加速，到达路口停止线时未达到路段最高限速v_max，仍处于加速阶段，则车辆到达交叉路口的最快时间t_min为：

其中，v为车辆的当前速度，d为车辆与路口停止线的距离。

4.如权利要求3所述的交叉路口交通信号和车辆协同控制方法，其特征在于，步骤2.3中，交叉路口的车头时距约束为：

其中，t_i+1为第i+1辆车到达路口停止线的时间，t_i为第i辆车到达路口停止线的时间，THW_min为车辆跟车的最小车头时距，N为车辆数目。

5.如权利要求4所述的交叉路口交通信号和车辆协同控制方法，其特征在于，步骤2.4中，各车绿灯通行约束为：

情况一，对于优化时其对应信号灯为绿灯的车流而言，各车绿灯通行约束为：

情况二，对于优化时其对应信号灯为红灯的车流而言，各车绿灯通行约束为：

λ为交通信号绿信比，T为交通信号灯周期。

6.如权利要求1至5中任一项所述的交叉路口交通信号和车辆协同控制方法，其特征在于，步骤5中，各车根据步骤2得到的自车的到达路口停止线时间、步骤1得到的自车的车辆定位信息和路口停止线信息计算自车的期望加速度具体包括：

构造最优控制器，根据所述各车到达路口停止线时间和车辆定位信息，计算最优加速度；

所述最优控制器的目标函数为：

其中，v为车辆速度；

为车辆平均车速，其计算公式为：

d为车辆与路口停止线距离，t_a为交通信号控制器优化得到的车辆到达停止线的时间；

a为车辆加速度，t₀为初始时刻，t_f为终端时刻，k₁为衡量速度波动的权重指标，k₂为衡量加速度大小的权重指标；

最优控制器的状态方程为：

其中，s为车辆位移；

最优控制器的终端约束为：

v(t₀)＝v₀

s(t₀)＝s₀

s(t_f)＝d

t_f＝t_a

其中，v₀为车辆初速度，s₀为车辆初始位移。

7.一种交叉路口交通信号和车辆协同控制装置，其特征在于，其包括车载定位单元(1)、交通信号控制器(2)、交通信号机(3)、车载中央控制器(4)和下位控制器(5)，其中：

所述车载定位单元(1)设于车辆上，用于采集车辆定位信息；

所述交通信号控制器(2)设在道路侧，包括：

第一计算单元，其用于根据道路平均车流量计算交通信号灯周期，并输出；

第二计算单元，其用于接收所述车载定位单元(1)采集到的车辆定位信息，并根据车辆定位信息和路口停止线信息计算信号绿信比和各车到达路口停止线时间，并输出；

第一输出单元，其用于接收所述第一计算单元输出的交通信号灯周期以及所述第二计算单元输出的所述信号绿信比，并输出给交通信号机(3)；

第二输出单元，其用于接收所述第二计算单元输出的各车到达路口停止线时间；所述第二计算单元包括：

编号模块，其用于根据各车的位置信息和路口停止线的位置信息，确定车辆编号；

最快到达时间计算模块，其用于根据各车的位置信息、速度信息和路段最高限速信息，计算各车到达交叉路口的最快时间，并输出各车到达交叉路口的最快时间；

车头时距约束模块，其用于确定各车到达交叉路口的车头时距约束，并输出相邻两车辆的最小车头时距；

红绿灯通行约束模块，其用于确定各车绿灯通行约束，并输出交通信号绿信比；

目标函数计算模块，其用于确定目标函数，该目标函数为交叉路口所有车辆通过交叉路口的时间之和，并输出各车到达路口停止线时间之和；以及

优化问题求解模块，根据各车到达交叉路口的最快时间、相邻两车辆的最小车头时距、交通信号绿信比、各车到达路口停止线时间之和，对各车辆到达停止线时间以及交通信号绿信比进行优化，以使交叉路口所有车辆的通行时间最短为目标；和

判断单元，其用于接收所述车载定位单元(1)采集到的车辆定位信息和接收所述第一计算单元输出的交通信号灯周期，并根据车辆定位信息和路口停止线信息判断各所述车辆是否通过交叉路口；在判定车辆未通过交叉路口的情形下，向未通过交叉路口的车辆的所述车载中央控制器(4)发送到达路口停止线时间；在判定车辆已经通过交叉路口的情形下，进一步检测所述交通信号灯周期是否结束，在所述交通信号灯周期已经结束的情形下，则向所述车载定位单元(1)发送工作指令；在所述交通信号灯周期未结束的情形下，则向继续判断各所述车辆是否通过交叉路口；

所述车载中央控制器(4)设于车辆上，用于接收所述各车到达路口停止线时间、车辆定位信息和路口停止线信息，各车根据所述判断单元发送的自车的到达路口停止线时间、车辆定位信息和路口停止线信息，计算自车的期望加速度，并将计算得到的所述车辆期望加速度输送给自车的所述下位控制器(5)；以及

所述下位控制器(5)设于车辆上，用于接收自车的所述车辆期望加速度，并根据所述车辆期望加速度，控制自车的纵向运动。

8.如权利要求7所述的交叉路口交通信号和车辆协同控制装置，其特征在于，车辆定位信息包括位置、航向角和速度信息；路口停止线信息包括路口停止线的位置信息；

所述目标函数计算模块确定目标函数的表达式为：

f(t_i)＝∑t_i；

t_i为第i辆车到达路口停止线的时间；

所述优化问题求解模块中各车满足如下约束条件：

a、车辆的到达路口的实际时间大于计算得到的车辆到达交叉路口的最快时间；

b、相邻两车辆通过停止线的时间之差应大于相邻两车辆的最小车头时距。

9.一种车辆，其特征在于，其包括如权利要求7或8所述的交叉路口交通信号和车辆协同控制装置。