CN109584554B - 一种道路交叉口通行控制方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于车道的交替通行控制方法，该方法包括：预先确定交叉口调整区域和冲突区域，并基于交叉口的冲突点确定冲突区域中不同种类的通路；预先根据自动车的长度、宽度和最小车头间距规定自动车在各个所述通路上行驶的固定时间、速度；采集自动车的路径规划信息，并根据所述路径规划信息在调整区域内调整自动车的车道、速度中的至少一个；控制自动车在冲突区域内各个通路上按照所述固定时间、速度行驶。该方法还可结合路灯原理实现各不同通路不同时长的通行，通过本发明，能够不需要复杂的实时计算即可实现自动车高效、顺利的通过交叉口。

Description

一种道路交叉口通行控制方法和系统

技术领域

本发明涉及自动驾驶技术领域，尤其涉及一种道路交叉口通行控制方法和系统。

背景技术

城市道路交叉口是车辆和行人汇集、转向和疏散的必经之地，在交通管控中起着非常关键的作用。随着我国经济的快速发展，各种类型的汽车数量持续增加，交通状况日益恶化，交叉口的交通拥堵问题尤为严重。此外，由于交叉口连接了道路的各个方向，承担着车辆的汇集与疏散，所以车辆追尾、车辆碰撞等问题尤其突出。

自动驾驶技术由于具有控制方便、精度高、稳定性好等优势，在解决如今各类交通问题中均有巨大的潜力，它的出现和发展，使得人们能够得以摆脱需要精力高度集中的驾驶行为。目前，交叉口的通行控制方法主要是基于信号配时控制，通过“红灯停-绿灯行”的基本规则下，可以保证人工驾驶的车辆在交叉口有序通行，既能保证安全出行，又在一定程度上提高了通行效率。但在混行条件下，信号配时通行控制不能完全满足混行条件下的通行效率最大化的需求。自动驾驶和人工驾驶车辆的行驶特性存在明显的区别，自动驾驶车辆通过信息采集和通信技术获取交叉口环境信息进行决策，可以更有效的组织通行次序，但是自动驾驶车辆没有人工驾驶的主观性，对于复杂的路况和周围环境信息，需要大量的实时信息采集以及庞大的数据计算，这很大程度上制约了自动驾驶技术的应用和推广。

发明内容

鉴于上述问题，提出了本发明以便提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的方法和系统。本发明的一个方面，提供了一种基于车道的交替通行控制方法，该方法包括：

预先确定交叉口调整区域和冲突区域，并基于交叉口的冲突点确定冲突区域中不同种类的通路；

预先根据自动车的长度、宽度和最小车头间距规定自动车在各个所述通路上行驶的固定时间、速度；

采集自动车的路径规划信息，并根据所述路径规划信息在调整区域内调整自动车的车道、速度中的至少一个；

控制自动车在冲突区域内各个通路上按照所述固定时间、速度行驶。

可选的，任意冲突的通路在交汇点处互相垂直。

可选的，调整区域的车道包括直行车道和左转车道。

可选的，所述通路按照冲突点的通行方向和位置分为5种类型，每种不同类型的通路设定有通过的固定时间。

可选的，该方法还包括：

预先设定每个周期，每个周期具有固定时长C₀，每个周期有5个相位，包括4个信号灯相位和一个交替相位，时长分别为c_i,i＝1,2,3,4和c_LACS，其中

预先为每个相位确定时序；

根据车辆所在相位以及所在相位到达车辆集合确定自动车辆通过相位时长；

基于所述时序和时长控制自动车通过交叉口。

本发明还提供一种基于车道的交替通行控制系统，该系统包括：

通路确定单元，用于预先确定交叉口调整区域和冲突区域，并基于交叉口的冲突点确定冲突区域中不同种类的通路；

时间速度规定单元，用于预先根据自动车的长度、宽度和最小车头间距规定自动车在各个所述通路上行驶的固定时间、速度；

调整信息处理单元，用于采集自动车的路径规划信息，并根据所述路径规划信息在调整区域内调整自动车的车道、速度中的至少一个；

冲突信息处理单元，用于控制自动车在冲突区域内各个通路上按照所述固定时间、速度行驶。

可选的，任意冲突的通路在交汇点处互相垂直。

可选的，调整区域的车道包括直行车道和左转车道。

可选的，所述冲突信息处理单元将所述通路按照冲突点的通行方向和位置分为5种类型，并为每种不同类型的通路设定有通过的固定时间。

可选的，该系统还包括：周期设定单元，用于预先设定每个周期，每个周期具有固定时长C₀，每个周期包括5个相位，具体为4个信号灯相位和一个交替相位；

时序确定单元，用于预先为每个相位确定时序；

时长计算单元，用于根据车辆所在相位以及所在相位到达车辆集合确定相位时长；

控制单元，用于基于所述时序和时长控制自动车通过交叉口。

本申请实施例中提供的技术方案，至少具有如下技术效果或优点：该方案充分发挥了交替方案的高效性和信号灯控制在解决不均衡车流量问题的优势，使得交叉口处的车辆能够安全、高效地通过。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1示出了根据本发明提出的道路交叉口划分调整区域和冲突区域的示意图；

图2示出了交叉口的通路布局图；

图3a-图3c示出了交叉口各个通路交替通行的示意图；

图4示出了交叉口处车辆通行时冲突关系；

图5示出了本发明提出的基于车道的交替通行控制方法的流程图；

图6示出了混合方案下的相位设置图；

图7示出了本发明提出的另一种基于车道的交替通行控制方法的流程图；

图8示出了交叉口处车辆在平衡状态下的平均延迟状况仿真图；

图9示出了交叉口处车辆在不平衡状态下的平均延迟状况仿真图；

图10示出了交叉口处车辆在极度不平衡状态下的平均延迟状况仿真图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

本发明提出车路协同控制的理念，基于该理念，首先，对现有道路进行适于自动驾驶的设计，如图1所示，道路交叉口区域被分成两个部分：调整区域和冲突区域，即给道路交叉口的物理描述。当一辆自动车驶入调整区域后，其实时的速度和加速度信息将被传递到中心控制器，后者根据给定的规则调整该自动车的速度，使其可以在规定的时间以规定的速度进入到冲突区域中。为了实现来自不同道路的自动车交替通过交叉口，传统的交叉口物理结构也需要重新设计。如图2所示，主要体现在以下两方面：

相邻车道间的距离增大；

任意两个冲突的车道方向在交汇点处相互垂直。

不失一般性，调整区域的车道包括直行车道和左转车道。

车路协同系统首先获取交叉口一定范围内车辆的实时动态信息，然后按照一定的控制策略和优先通行规则确定了各车的通行次序和通行速度，使得交叉口处的车辆能够安全、高效地通过。

我们假设一个四个方向完全对称的交叉口，每个方向有n_s条直行的车道和n_l条左转的车道。图4给出了n_s＝2及n_l＝2的一个例子，箭头代表通路(两个冲突点之间的部分车道)，圆圈代表冲突点。所述通路按照冲突点的通行方向和位置分为5种类型，每种不同类型的通路设定有通过的固定时间。如图4所示，类型1至4表示为

类型1是左拐弯方向与左拐弯方向的冲突点之间的通路、直行方向与直行方向之间的冲突点之间的通路，附图中用catogory1表示；类型2是相互垂直的直行方向之间的冲突点和直行与左拐弯之间的冲突点之间的通路，用catogory2表示；类型3是直行方向上的该直行方向与左拐弯方向的冲突点之间的通路，用catogory3表示；类型4是直行方向与左拐弯方向的冲突点之间的通路，用catogory4表示；类型5表示为

类型5是图4中左拐弯方向与左拐弯方向之间的冲突点和直行与左拐弯之间的冲突点之间的通路，用catogory5表示；l表示车道编号。规定自动车在各个通路上行驶的时间固定，记为T_i,i＝1,2,3,4和

下面给出各车道上自动车进入交叉口的规定时间：

基准时间设定为,t＝0；

直行车道(l∈{1,2,…,n_s})上的车辆进入交叉口的时间为

k属于整数

左转车道(l∈{n_s+1,…,n_s+n_l})上的车辆进入交叉口的时间为

设计自动车进入交叉口的时间是交替方案的核心，从上述的描述中可以看出，该方案的规则非常简单，不需要实时控制车辆的行驶轨迹。

为了使得交替方案在实施过程中可行，自动车的行驶速度和在各通路部分的行驶时间需要进行限制，具体表现为：

(1),

(2),

(3),

(4),

(5),

其中l，w，δ分别表示自动车的长度、宽度和最小车头间距，l>2w，v_m表示自动车的最大行驶速度，假设各个自动车的参数相同。

当上述条件均满足时，可以证明如果自动车按照规定的到达时间和速度行驶，那么在交叉口处将不会发生冲突，即交替方案是可行的。因而本发明提供了一种基于车道的交替通行控制方法，如图5所示，该方法包括：

S1.预先确定交叉口调整区域和冲突区域，并基于交叉口的冲突点确定冲突区域中不同种类的通路；

S2.预先根据自动车的长度、宽度和最小车头间距规定自动车在各个所述通路上行驶的固定时间、速度；

S3.采集自动车的路径规划信息，并根据所述路径规划信息在调整区域内调整自动车的车道、速度中的至少一个；

S4.控制自动车在冲突区域内各个通路上按照所述固定时间、速度行驶。

本发明还提供一种基于车道的交替通行控制系统，该系统包括：

通路确定单元，用于预先确定交叉口调整区域和冲突区域，并基于交叉口的冲突点确定冲突区域中不同种类的通路；

时间速度规定单元，用于预先根据自动车的长度、宽度和最小车头间距规定自动车在各个所述通路上行驶的固定时间、速度；

调整信息处理单元，用于采集自动车的路径规划信息，并根据所述路径规划信息在调整区域内调整自动车的车道、速度中的至少一个；

冲突信息处理单元，用于控制自动车在冲突区域内各个通路上按照所述固定时间、速度行驶。

该系统在硬件形式上，可通过设置在物联网上的中心控制器实现，也可通过中心服务器、设置在交叉口处的具有一定处理能力的处理器实现。

作为一种具体实施方式，所述冲突信息处理单元将所述通路按照冲突点的通行方向和位置分为5种类型，并为每种不同类型的通路设定有通过的固定时间。

本发明基于自动驾驶与车联网环境下，针对自动车在道路交叉口处的通行提出了一种全新的控制方案——基于车道的交替通行控制方案(下面简写为“交替方案”)，即为每辆待通行的自动车分配通行时间和速度，使得来自不同车道的自动车在交叉口处可以实现同时、相互交替通行，实现无冲突性和高效性。

由于交替方案对于每个行驶方向的车辆放行率是均衡的，当某一个通行方向的车辆到达率明显高于其他方向时，那么按照交替方案行驶，车辆到达率高的车道上自动车会逐渐积累，交通拥堵随之产生。混合方案就是针对上述问题而提出来的，它将交替方案与现有的信号灯控制方案有机结合，在保证交替方案的优良特性的基础上，发挥出信号灯在解决车流量不均衡问题中的优势。

1、通行规则

交替方案的实施与传统的信号灯类似：设定每个周期，有一个固定的周期时长C₀，每个周期有5个相位，包括4个信号灯相位和一个交替方案相位，时长分别为c_i,i＝1,2,3,4和c_LACS，其中

c_i≥0,1≤i≤4；c_LACS≥0。各相位的允许行驶方向如图6所示。

2、相位时长和时序

该步骤给出最优的相位时长和时序。周期时长设为一个定值并且保持不变，则确定各个相位时长可以转化为确定各个相位时长在周期中所占的比例，即λ_i,i∈{2,…,5}。不失一般性，我们假设交替方案相位为一个周期内的第一个相位。当给定一个相位时序和相应的车辆到达率集合

后，相位时长的求解可以构建为一个混合整数规划模型：

s.t.

λ_i≥0 i∈{2,3,4,5}

θ≥0

其中，

表示第i个相位开始时第j个行驶方向上的车辆排队长度，θ是一个缓冲系数，δ_ij＝1代表第i个相位中第j个行驶方向上允许车辆经过，反之δ_ij＝0。最后通过穷举所有可能的相序(共24种)，并分别求解相应的MIP问题，可以得到混合方案的最优相位时长和相序。

因而，本发明还提出了一种基于车道的混合交替通行控制方法，如图7所示，该方法包括：预先确定交叉口调整区域和冲突区域，并基于交叉口的冲突点确定冲突区域中不同种类的通路；根据自动车的长度、宽度和最小车头间距规定自动车在各个所述通路上行驶的固定时间、速度；预先设定每个周期，每个周期具有固定时长C₀，每个周期有5个相位，包括4个信号灯相位和一个交替相位，时长分别为c_i,i＝1,2,3,4和c_LACS，其中

预先为每个相位确定时序；采集自动车的路径规划信息，并根据所述路径规划信息在调整区域内为自动车分配直行车道或者左转车道；根据车辆所在相位以及所在相位到达车辆集合确定自动车辆通相位时长；基于所述时序和时长控制自动车在相应通路上按照固定速度和时间通过交叉口。

与上述方法相对应地，作为一种具体实施方式，本发明还提供一种基于车道的交替通行控制系统，该系统在前述系统的基础上增加了：周期设定单元，用于预先设定每个周期，每个周期具有固定时长C₀，每个周期包括5个相位，具体为4个信号灯相位和一个交替相位；

时序确定单元，用于预先为每个相位确定时序；

时长计算单元，用于根据车辆所在相位以及所在相位到达车辆集合确定相位时长；

控制单元，用于基于所述时序和时长控制自动车通过交叉口。

该系统可通过设置在物联网上的中心控制器实现，也可通过中心服务器、设置在交叉口处的具有一定处理能力的处理器实现。

该系统不仅仅是各个通路之间交替通行，而是将交替方案与信号灯控制方案相结合，提出一个混合控制方案——基于车道的混合控制策略(下面简写为“混合方案”)，该方案不是均衡地交替通行，而是在交替通行时考虑各个通路上的车辆多寡情况，一般来说信号灯就是可以控制各个通路上的不同通行时长的，充分发挥了交替方案的高效性和信号灯控制在解决不均衡车流量问题的优势，以此为自动车在交叉口处的通行管理和控制提供了一个更优的实施方式。

下面，通过仿真实验来说明本发明提出的交替通行和混合交替通行的技术效果。

为了验证交替方案和混合方案的性能，选择传统的信号灯控制作为对比进行仿真实验。假定一个独立的、n_s＝3以及n_l＝2的交叉口，车辆的到达率服从泊松分布，仿真时间为1小时。混合方案与传统信号灯方案的周期时长均设为60秒，混合方案与交替方案的系统延误为1秒，交替方案中的两个连续的到达时间间隔为1.5秒，传统信号灯方案的相位转换时间损失为2秒。

考虑三种不同的需求模式：平衡模式d_b、不平衡模式d_i和极度不平衡模式d_h，车流量的设置如下：

d_b＝α×[1300,1250,1150,1350,1050,950,1020,930]

d_i＝α×[1900,1650,1750,1850,750,650,720,630]

d_h＝α×[2300,1250,1550,1050,350,550,640,430]

其中α是一个表示交通需求量的系数，在上述矩阵中，前四个元素代表4个直行方向的每条车道的车流量，后四个元素代表4个左转方向的每条车道的车流量。在模式d_i中，四个直行方向的车流量明显大于左转方向的车流量；在模式d_h中，只有一个直行方向的车流量明显大于其他方向的车流量。通过改变α值的大小，得到三种控制方案在不同需求模式下的平均车辆延误，如图8、如9、图10所示。

交替方案可以实现车辆延误几乎为0的目标，同时可以维持承受的车流量需求与自动驾驶环境下的传统信号灯控制在同一水平；混合方案实现了最大的承受车流量需求以及最小的平均车辆延误，极端的情况除外。此外，交替方案和混合方案都不需要复杂的实时计算。

此外，为了使得该方案更广泛地适用于多种场景下，特别是当各个通行方案的车流量不均衡的情况，本发明将交替方案与信号灯控制方案相结合，提出一个混合控制方案——基于车道的混合控制策略(下面简写为“混合方案”)，该方案充分发挥了交替方案的高效性和信号灯控制在解决不均衡车流量问题的优势，以此为自动车在交叉口处的通行管理和控制提供了一个新的方式。

本发明利用了车路协同的理念，改变了目前的单纯适应现有道路复杂化自动车控制系统的思路，由于本发明只需要获取交叉口一定范围内车辆的实时动态信息，然后按照一定的控制策略和优先通行规则确定各车的通行次序和通行速度，不需要实时进行大量的场景判断和数据处理，从而对处理器的处理速度和贷款没有过高的要求。

本发明基于自动驾驶与车联网环境下，针对自动车在道路交叉口处的通行提出了一种全新的控制方案——基于车道的交替通行控制方案，即为每辆待通行的自动车分配通行时间和速度，使得来自不同车道的自动车在交叉口处可以实现同时、相互交替通行，实现无冲突性和高效性。为了使得该方案更广泛地适用于多种场景下，特别是当各个通行方案的车流量不均衡的情况，本发明还将交替方案与信号灯控制方案相结合，提出一个混合控制方案——基于车道的混合控制策略，该方案充分发挥了交替方案的高效性和信号灯控制在解决不均衡车流量问题的优势，实现动车在交叉口处的通行管理和控制。

在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。

类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，发明方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。

应该注意的是上述实施例对本发明进行说明而不是对本发明进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。

Claims (8)

1.一种基于车道的交替通行控制方法，其特征在于，该方法包括：

预先确定交叉口调整区域和冲突区域，并基于交叉口的冲突点确定冲突区域中不同种类的通路；预先根据自动车的长度、宽度和最小车头间距规定自动车在各个所述通路上行驶的固定时间、速度；

预先设定每个周期，每个周期具有固定时长C₀，每个周期有5个相位，包括4个信号灯相位和一个交替相位，时长分别为c_i,i＝1,2,3,4和c_LACS,其中

预先为每个相位确定时序；采集自动车的路径规划信息，并根据所述路径规划信息在调整区域内调整自动车的车道、速度中的至少一个；

根据车辆所在相位以及所在相位到达车辆集合确定自动车辆通过相位时长；

根据车辆所在相位以及所在相位到达车辆集合确定自动车辆通过相位时长；基于所述时序和时长控制自动车在相应通路上按照固定速度和时间通过交叉口。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征还在于，任意冲突的通路在交汇点处互相垂直。

3.根据权利要求1或2所述的方法，调整区域的车道包括直行车道和左转车道。

4.根据权利要求1或2所述的方法，所述通路按照冲突点的通行方向和位置分为5种类型，每种不同类型的通路设定有通过的固定时间。

5.一种基于车道的交替通行控制系统，其特征在于，该系统包括：

通路确定单元，用于预先确定交叉口调整区域和冲突区域，并基于交叉口的冲突点确定冲突区域中不同种类的通路；

时间速度规定单元，用于预先根据自动车的长度、宽度和最小车头间距规定自动车在各个所述通路上行驶的固定时间、速度；

周期设定单元，用于预先设定每个周期，每个周期具有固定时长C₀，每个周期包括5个相位，4个信号灯相位和一个交替相位；

时序确定单元，用于预先为每个相位确定时序；调整信息处理单元，用于采集自动车的路径规划信息，并根据所述路径规划信息在调整区域内调整自动车的车道、速度中的至少一个；

时长计算单元，用于根据车辆所在相位以及所在相位到达车辆集合确定自动车辆通过相位时长；

控制单元，用于基于所述时序和时长控制自动车通过交叉口。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征还在于，任意冲突的通路在交汇点处互相垂直。

7.根据权利要求5或6所述的系统，调整区域的车道包括直行车道和左转车道。

8.根据权利要求5或6所述的系统，所述冲突信息处理单元将所述通路按照冲突点的通行方向和位置分为5种类型，并为每种不同类型的通路设定有通过的固定时间。

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