CN106935056A - 基于间隙理论的智能车交叉路口协同控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于间隙理论的智能车交叉路口协同控制方法。该方法包括：当需要通过交叉路口的车辆进入速度调整区域时，车辆通过车车通信系统将车辆状态信息上报到服务器，服务器通过基于时间序列的车辆速度决策方法计算出车辆在进入速度保持区时应该保持的建议速度和时刻，车辆接收到服务器发送过来的建议速度后，根据建议速度和时刻通过基于轨迹预测的车辆状态调整方法对自身的车速进行调整，按照调整的车速通过速度调整区域、速度保持区域和交叉路口。本发明通过基于时间序列的车辆速度决策方法和基于轨迹预测的车辆状态调整方法的控制方法，能够显著的降低车辆延误，并且能够极大的缩小车辆延误的波动范围，使得路网车流稳定高效运行。

Description

基于间隙理论的智能车交叉路口协同控制方法

技术领域

本发明涉及交通控制技术领域，尤其涉及一种基于间隙理论的智能车交叉路口协同控制方法。

背景技术

交叉路口拥堵是造成城市道路拥堵的主要原因之一，造成交叉路口拥堵的原因一方面是城市道路中趋于饱和的车流，另一方面是因为交叉路口的控制策略并非最优。

现有技术中的交叉路口的信号控制算法本质上是以保障车辆安全为目的，目前关于SIs的研究，基本上都是建立在FCFS(first come first serve，先来先服务)基础之上，并且为了最大限度上保障车辆的运行安全，在进行算法设计时，约束条件之一是交叉路口内不允许出现冲突车流。实际当中投入使用的交叉路口面积大小不一，这种算法在面积较大的交叉路口中会造成通行量的浪费。尤其是在智能车100％渗透率情况下，车辆的运行轨迹能够被精确控制和预测，因此现有的SIs控制方法控制效果仍然存在优化空间。

发明内容

本发明的实施例提供了一种基于间隙理论的智能车交叉路口协同控制方法，。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。

一种基于间隙理论的智能车交叉路口协同控制方法，将连接交叉路口的道路分为两个部分，速度调整区域和速度保持区域，在交叉路口设置服务器，所述方法还包括：

当需要通过交叉路口的车辆进入速度调整区域时，车辆通过车车通信系统将车辆状态信息上报到所述服务器，所述车辆状态信息包括车辆的速度、位置和行驶方向；

所述服务器通过基于时间序列的车辆速度决策方法计算出车辆在进入速度保持区时应该保持的建议速度和时刻，通过车车通信系统将所述建议速度和时刻发送到所述车辆；

所述车辆接收到所述服务器发送过来的建议速度后，根据所述建议速度和时刻通过基于轨迹预测的车辆状态调整方法对自身的车速进行调整，按照调整的车速通过所述速度调整区域、速度保持区域和交叉路口。

进一步地，所述的服务器通过基于时间序列的车辆速度决策方法计算出车辆在进入速度保持区时应该保持的建议速度及时刻，包括：

所述服务器将接收到的需要通过交叉路口的车辆状态信息进行存储，根据预先存储的交叉路口的道路规划信息、需要通过交叉路口的车辆状态信息计算出所述交叉路口的所有冲突点，以及所有行驶方向的车辆到达冲突点的时间点；

所述服务器将已经调整过速度的同一行驶方向的所有车辆到达某个冲突点的时间点进行排序，形成时间序列，各个时间点之间的时间间隔作为间隙，当另外一个方向的某一辆车进入速度调整区时，所述服务器结合所述时间序列和间隙信息计算所述另一个方向的车辆的进入速度保持区的速度和建议时刻。

进一步地，所述的服务器结合所述时间序列和间隙信息计算所述另一个方向的车辆的进入速度保持区的速度和建议时刻，包括：

在保证已经调整过速度的车辆状态不会改变的前提下，所述服务器根据所述另外一个方向车辆能够达到最大速度为优化目标，并且结合道路速度限制，按时间由近及远的顺序对所述时间序列和间隙是否支持所述另外一个方向车辆的通行进行分别判定，若存在可用间隙，则所述服务器根据可用间隙的开始时间和结束时间计算出所述另一方向车辆进入速度保持区的建议速度和时刻；若不存在可用间隙，则所述服务器按照所述另一方向车辆排在时间序列尾部的情况计算出所述另一方向车辆进入速度保持区的建议速度和时刻。

进一步地，所述的车辆接收到所述服务器发送过来的建议速度和时刻后，根据所述建议速度通过基于轨迹预测的车辆状态调整方法对自身的车速进行调整，按照调整的车速通过所述速度调整区域和速度保持区域，包括：

所述的车辆接收到所述服务器发送过来的建议速度和时刻后，结合车辆的运行学模型，若建议速度小/大于所述车辆进入速度调整区时的瞬时速度，则车辆通过先减速/加速、再匀速、再加速/减速的过程达到所述服务器给的车辆进入速度保持区的速度和时刻要求；

车辆在离开速度调整区、进入速度保持区后匀速行驶。

由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施例。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种SIs中的间隙类型示意图。

图2为本发明实施例提供的一种车辆通过交叉路口的时间序列示意图。

图3为本发明实施例提供的一种道路渠化及冲突分析示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终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。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

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)具有与本发明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。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。

智能车能够通过车载传感器对车辆行为进行精确控制，并且能够进行车车和车地通信，因此智能车能够提前预知前方情况并且提前计算较优的控制策略。在这种条件下，SIs(Slot-based Intersections，基于间隙理论的交叉路口)得以实现。SIs的实现主要通过对车辆的速度进行控制，车辆速度的计算取决于交叉路口的渠化信息和交叉路口范围内其他的车辆运行状态，V2X(vehicle to vehicle，车对车)通信系统的发展使得渠化信息和其他车辆的运行状态的精确获取成为可能。

本发明实施例提出了一种基于间隙理论的智能车交叉路口协同控制方法，本发明实施例的方法将连接交叉路口的道路分为两个区域：速度调整区和速度保持区，在交叉路口设置服务器。速度调整区和速度保持区的长度可根据道路情况进行调节，长度均应大于80m。车辆进入不同区段的顺序为速度调整区、速度保持区、交叉路口。服务器的位置设置在交叉口旁以保证可靠通信的覆盖范围。

当车辆进入速度调整区域时，车辆通过车车通信系统将车辆状态信息上报到服务器，车辆状态信息包括车辆的速度、位置和行驶方向。

服务器通过基于时间序列的车辆速度决策方法计算车辆的建议速度和运行建议。基于时间序列的车辆速度决策方法能够保证车辆的安全性和车流的高效性，服务器将车辆的建议速度和运行建议发送给各个车辆。车辆根据所述建议速度通过基于轨迹预测的车辆状态调整方法对自身的车速进行调整，按照调整的车速通过所述速度调整区域和速度保持区域，在速度保持区，车辆基本上以匀速行驶，最终实现所有车辆在无碰撞、无减速、无停车条件下通过交叉路口的目标。

在具体实现上，服务器将接收到的需要通过交叉路口的车辆状态信息进行存储，根据预先存储的交叉路口的道路规划信息、需要通过交叉路口的车辆状态信息计算出所述交叉路口的所有冲突点，以及所有行驶方向的车辆到达冲突点的时间点；

所述服务器将已经调整过速度的同一行驶方向的所有车辆到达某个冲突点的时间点进行排序，形成时间序列，各个时间点之间的时间间隔作为间隙，当另外一个方向的某一辆车进入速度调整区时，所述服务器结合所述时间序列和间隙信息计算所述另一个方向的车辆的进入速度保持区的速度和建议时刻。

在保证已经调整过速度的车辆状态不会改变的前提下，所述服务器根据所述另外一个方向车辆能够达到最大速度为优化目标，并且结合道路速度限制，按时间由近及远的顺序对所述时间序列和间隙是否支持所述另外一个方向车辆的通行进行分别判定，若存在可用间隙，则所述服务器根据可用间隙的开始时间和结束时间计算出所述另一方向车辆进入速度保持区的建议速度和时刻；若不存在可用间隙，则所述服务器按照所述另一方向车辆排在时间序列尾部的情况计算出所述另一方向车辆进入速度保持区的建议速度和时刻。

图1为本发明实施例提供的一种SIs中的间隙类型示意图，下面结合图1对模型建模做叙述。

车辆的行驶可以分为自由行驶和跟驰行驶，当道路中两车发生跟驰行为时，必须保持最小的安全跟车距离以防止追尾事故发生，可将两车之间的距离视作间隙，如果适当的增大间隙能够让冲突相位的车辆从间隙中安全通过，交通效率能够得以提升，这是SIs的基本思想。因此，SIs控制是在效率和安全两个交通参数中寻求更优的平衡。

本发明实施例将不同的间隙分为四类，分别是：小价值间隙，车辆大幅减速才能够通过间隙；有效间隙，车辆如果按照速度引导建议，能够正常通过间隙；不可接受间隙，间隙太小不能通过；失效间隙，车辆如果通过，速度会超出道路限速。通过上述能够看出，只有有效间隙才能在保证车辆安全、不影响道路其他车辆、不超过道路限速的条件下让车辆安全通过，但是仅仅采用有效间隙会产生间隙的浪费，因此如何对车辆的运行情况进行合理控制从而改变间隙大小成为SIs控制的核心。两车之间的车间距主要取决于车辆速度，因为不同类型间隙之间的转换可以通过对车速的调整实现。本发明通过基于时间序列的车辆速度决策方法提供建议速度建议，通过基于轨迹预测的车辆状态调整方法提供达到建议速度过程的运行建议，通过速度的调整，合理转化间隙，充分利用间隙。

本发明实施例将连接交叉路口的道路分为两个部分，速度调整区域和速度保持区域。车辆在速度调整区域中根据服务器的建议进行速度的调整，在速度保持区域中以匀速前进，速度保持区域的作用主要是平稳车辆状态，并且应对可能存在的突发事件。两个区段的长度理论上并没有长度限制，但是考虑到车辆加速度和减速度对乘客舒适程度及行驶距离的影响，本发明将两个区段的长度均设定为100m，实际长度可根据具体情况做调整。

当车辆进入速度调整区域时，车辆通过V2X通信系统将车辆状态信息上报到服务器，服务器通过基于时间序列的车辆速度决策方法计算出车辆在进入速度保持区时应该保持的建议速度，然后将建议速度发送到车辆，车辆随即开始执行基于轨迹预测的车辆状态调整方法对自身的车速进行调整。基于时间序列的车辆速度决策方法会根据新增车辆的位置、速度等状态信息，并且结合已经优化过的、冲突方向的、并且还未离开交叉路口区域的其他车辆状态信息对新增车辆的最优速度进行计算；基于轨迹预测的车辆状态调整方法主要通过车辆加速/减速动力学模型对车辆在速度调整区域的运行过程进行计算，以便车辆能够达到最优速度。

图2为本发明实施例提供的一种车辆通过交叉路口的时间序列示意图，下面结合图2对多车避碰做具体解释。

车辆在运行过程中，车辆速度、车辆位置、车辆距离交叉路口的距离等参数均可看作是与时间相关的函数，因此车辆排队进入交叉路口的过程可视为基于时间序列的执行过程。如图2所示，本发明将车流分为8种，1(EL),2(ES),3(SL),4(SS),5(WL),6(WS),7(NL),8(NS)。

在具有右转专用道的路段，右转车辆与其他车辆均不存在冲突，因此本发明在对车辆优化的过程中主要考虑直行和左转的车辆。当车辆进入速度调整区域时，服务器根据基于时间序列的车辆速度决策方法确定车辆的最优速度，最终速度的给出可能存在如图2所示的四种情况，下面根据车辆驶入速度调整区的时间先后顺序分别进行介绍。对于第一辆从6(WS)行驶来的直行车辆，由于其车道前方具有其他车辆，为保证车辆安全，车辆无法越过前车，因此只能选择次优的间隙通过。对于第二辆从7(NL)行驶来的车辆，其与目前在时间轴中的某些车辆存在冲突，并没有有效间隙供其行驶，因此只能排在当前队列的末尾。对于第三辆从3(SL)行驶来的车辆，存在间隙供其穿行，因此此车能够较前两辆车先通过交叉路口。对于最后行驶来的车辆2(ES)，存在间隙供其穿行，但是这样会超过道路限速，因此车辆排在队列末尾。通过上述可以看出，道路限速、车辆跟驰、交叉路口冲突和车辆空间距离均需要纳入基于时间序列的车辆速度决策方法的约束范围。

图3为本发明实施例提供的一种道路渠化及冲突分析示意图。下面结合双向六车道的典型交叉路口说明交叉路口中不同车流的冲突。在双向六车道的交叉路口中，一共有16个冲突点，本发明采用弧度转向模型对车辆的转弯过程进行建模，通过NL和ES作为实例给出了左转和直行方向的冲突顺序，矩阵TURN和ST表示车辆从停车线到每一个冲突点需要行进的距离，其中ST表示直行车辆，TURN表示左转车辆。

若车辆从EL(1)驶来，则冲突点的顺序依次是SS、NL、SL和WS；若车辆从ES(2)驶来，冲突点顺序依次是SS、WL、NL和NS，每个方向均和四个其他方向有冲突。将所有冲突方向的车辆到达冲突点的时间计算出来并且进行排序，两个时间点之间的时间段可视作为间隙，若此间隙值要大于车辆在交叉路口中所需要停留的时间值，则可选择此间隙供车辆穿行。

通过基于时间序列的车辆速度决策方法，服务器能够为驶来的车辆提供速度建议使得车辆能够不停车、无危险并且快速的通过交叉路口。但是考虑到通信延误、计算延误等系统误差，车辆在接收到速度建议时已经产生了位移，并且车辆需要通过加减速调整速度才能达到建议速度，因此本发明设计了基于轨迹预测的车辆状态调整方法来给出车辆的具体运行建议，以达到基于时间序列的车辆速度决策方法的速度要求。在基于时间序列的车辆速度决策方法中，车辆V₀在速度调整区域中行驶的时间如下：

所述的车辆接收到所述服务器发送过来的建议速度和时刻后，结合车辆的运行学模型，若建议速度小/大于所述车辆进入速度调整区时的瞬时速度，则车辆通过先减速/加速、再匀速、再加速/减速的过程达到所述服务器给的车辆进入速度保持区的速度和时刻要求；

车辆在离开速度调整区、进入速度保持区后匀速行驶，其目的为稳定车辆状态，并且应对可能的突发情况。

假设车辆V₀进入速度调整区时刻为t_in，车辆V₀接收到建议速度的时刻为t_recv，建议车辆在进入速度保持区时的速度为v₀，建议车辆在速度调整区的运行时长为t_adjust，在t_recv时刻车辆的速度为v_recv，在t_recv时刻车辆V₀到交叉路口停车线的距离为l_recv，该停车线是指通常红灯停车时队列第一辆车前面的停车线。因此车辆V₀必须在t_recv到t_in+t_adjust时间端内行驶l_recv-100，这个l_recv-100距离数值是车辆当前位置距离速度保持区起始位置的距离。车辆从进入速度调整区到接收到建议速度历时非常短，在毫秒级，因此车辆在接收到建议速度时车辆仍然在速度调整区。l_recv是指车辆此时距离交叉口停车线的距离，100米为速度保持区的长度，因此l_recv-100表示车辆当前位置距离速度保持区起始位置的距离。并且在时刻t_in+t_adjust时刻速度值要达到v₀才能够满足间隙穿行的要求。

为了满足上述条件，基于轨迹预测的车辆状态调整方法结合车辆的动力学模型，将车辆的状态调整分为三个阶段，匀加/减速阶段、匀速阶段和匀减/加速阶。为了车中乘客的舒适性，本发明取车辆匀加/减速时加速度值的绝对值为a_suit＝2m/s²。通过数学计算能够得到车辆在t_recv到t_in+t_adjust时间段的运行过程。

综上所述，本发明提出的交叉路口车辆运行控制方法通过基于时间序列的车辆速度决策方法和基于轨迹预测的车辆状态调整方法的控制方法，一方面能够显著的降低车辆延误，另一方面能够极大的缩小车辆延误的波动范围，使得路网车流稳定高效运行。

本发明实施例在低于临界车流条件下，提出的控制方法能够降低车辆的平均延误至零；当车流高于临界车流时，车辆平均延误会持续增加，但是车辆平均延误依然小于传统的信号控制交叉路口，汽车在交叉路口的通行效果极大地优于传统信号控制和停车标志控制方法。

本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。

通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种基于间隙理论的智能车交叉路口协同控制方法，其特征在于，将连接交叉路口的道路分为两个部分，速度调整区域和速度保持区域，在交叉路口设置服务器，所述方法还包括：

当需要通过交叉路口的车辆进入速度调整区域时，车辆通过车车通信系统将车辆状态信息上报到所述服务器，所述车辆状态信息包括车辆的速度、位置和行驶方向；

所述服务器通过基于时间序列的车辆速度决策方法计算出车辆在进入速度保持区时应该保持的建议速度和时刻，通过车车通信系统将所述建议速度和时刻发送到所述车辆；

所述车辆接收到所述服务器发送过来的建议速度后，根据所述建议速度和时刻通过基于轨迹预测的车辆状态调整方法对自身的车速进行调整，按照调整的车速通过所述速度调整区域、速度保持区域和交叉路口。

2.根据权利要求1所述的方法，所述的服务器通过基于时间序列的车辆速度决策方法计算出车辆在进入速度保持区时应该保持的建议速度及时刻，包括：

所述服务器将接收到的需要通过交叉路口的车辆状态信息进行存储，根据预先存储的交叉路口的道路规划信息、需要通过交叉路口的车辆状态信息计算出所述交叉路口的所有冲突点，以及所有行驶方向的车辆到达冲突点的时间点；

所述服务器将已经调整过速度的同一行驶方向的所有车辆到达某个冲突点的时间点进行排序，形成时间序列，各个时间点之间的时间间隔作为间隙，当另外一个方向的某一辆车进入速度调整区时，所述服务器结合所述时间序列和间隙信息计算所述另一个方向的车辆的进入速度保持区的速度和建议时刻。

3.根据权利要求2所述的方法，所述的服务器结合所述时间序列和间隙信息计算所述另一个方向的车辆的进入速度保持区的速度和建议时刻，包括：

在保证已经调整过速度的车辆状态不会改变的前提下，所述服务器根据所述另外一个方向车辆能够达到最大速度为优化目标，并且结合道路速度限制，按时间由近及远的顺序对所述时间序列和间隙是否支持所述另外一个方向车辆的通行进行分别判定，若存在可用间隙，则所述服务器根据可用间隙的开始时间和结束时间计算出所述另一方向车辆进入速度保持区的建议速度和时刻；若不存在可用间隙，则所述服务器按照所述另一方向车辆排在时间序列尾部的情况计算出所述另一方向车辆进入速度保持区的建议速度和时刻。

4.根据权利要求2或者3所述的方法，所述的车辆接收到所述服务器发送过来的建议速度和时刻后，根据所述建议速度通过基于轨迹预测的车辆状态调整方法对自身的车速进行调整，按照调整的车速通过所述速度调整区域和速度保持区域，包括：

所述的车辆接收到所述服务器发送过来的建议速度和时刻后，结合车辆的运行学模型，若建议速度小/大于所述车辆进入速度调整区时的瞬时速度，则车辆通过先减速/加速、再匀速、再加速/减速的过程达到所述服务器给的车辆进入速度保持区的速度和时刻要求；

车辆在离开速度调整区、进入速度保持区后匀速行驶。