CN111583654A - 一种预防交叉口堵车的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种预防交叉口堵车的方法，包括步骤如下：1）对交叉口群进行界定；2）利用排队论模型判断交叉口是否堵车；3）基于移动闭塞模型建立速度引导模型；4）根据上述速度引导模型得到当前车辆最佳行驶速度，并将其回传至当前车辆的车载终端。本发明的方法解决了在路口处驾驶员对于速度判定失误的问题，有效防止因为行驶速度带来的堵车问题。

Description

一种预防交叉口堵车的方法

技术领域

本发明涉及一种基于车联网排队论和移动闭塞模型的预防交叉口堵车的方法，属于城市交通技术领域。

背景技术

近年来，随着汽车拥有量的是日渐增多，产生了大量由于交通拥堵导致的时间延误、安全隐患和环境污染。交通运输部数据显示，交通拥堵产生的经济损失占全国生产力的5％～8％。80％的城市的交通拥堵集中在十字路口和城市中心，大量城市需要一个快捷准确的预防堵塞的解决方案。

随着网络技术的发展，与认为交通管理手段相比，速度引导在安全性和成本上都有优越之处。以单个交叉口为对象进行车速引导，虽然车辆能不停车通过当前交叉口，但通过交叉口后交通会呈现不均匀分布。当交通流到达下游交叉口时，就可能出现大规模拥堵；从城市网角度来说，以交叉口群为拥堵治理对象更佳。

排队论发源于上世纪初，美国贝尔公司发明了自动电话，用来适应工商电话需要，但是随之而来的是通话线路于电话用户呼叫的数量关系如何妥善解决，为了解决这个问题，排队论应运而生。排队论讨论服务时间、服务效率、服务间隔、服务台个数等等。该方法主要用于机场排队、地铁排队等一维模型，但是堵车情况严格来说是二维的，如环状堵车等，但如果把堵车的疏通点视为服务台，则也可以把堵车问题作为排队问题来解决。

目前，车联网是各个公司都在奋力研究的领域，但是现在并未普及，就算普及也需要大量的演算样本来提升性能。就目前而言，司机仍然是靠眼看耳听来控制车辆速度，观察区域只限于前后方向两辆车，经常容易发生车祸和堵车，倘若车联网能解决堵车问题则会极大有益于人类。

发明内容

为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种预防交叉口堵车的方法，以解决现有技术中车联网技术的应用无法有效缓解拥堵路口堵车的问题。

为实现上述目的，本发明的一种预防交叉口堵车的方法，包括步骤如下：

1)对交叉口群进行界定；

2)利用排队论模型判断交叉口是否堵车；

3)基于移动闭塞模型建立速度引导模型；

4)根据上述速度引导模型得到当前车辆最佳行驶速度，并将其回传至当前车辆的车载终端。

进一步地，所述步骤1)具体包括：采用间距法计算交叉口之间的关联度，筛选出内部交叉口间距小的交叉口，即交叉口群，并将其是为一个整体进行协同控制。

进一步地，所述步骤1)中的交叉口群的判定因素包括：周围道路的复杂程度，其与实际情况下的车流量无关，以此给出第一层筛选，筛选出有可能堵车的交叉口群；包含十字路口、T字路口和车流量较大的窄巷。

进一步地，所述步骤2)具体包括：利用排队论模型进行第二层筛选，对上述步骤1)中界定出的交叉口群进行实际车流量监测，并用排队论模型进行计算，来筛选出堵车情况严重或者存在堵车隐患的路口。

进一步地，所述步骤2)具体还包括：利用排队论模型来计算各个道路的平均等待队长和平均等待时间，所述各道路的平均等待时间用以判断各道路是否有堵车事件的发生；统计堵车等待时间的历史数据，对平均等待时间设置一个阈值，如果小于该阈值，则判定为不堵车，运用速度引导模型来预防堵车；如果大于该阈值，则判定为堵车，对速度引导模型进行优化，用优化后的速度引导模型来解决堵车问题。

进一步地，所述步骤3)具体包括：移动闭塞模型的核心求解参数是车辆之间的最小追踪间隔L_MB，其由驾驶员反映距离L_REACTION、最大刹车距离L_BRAKE和安全距离L_SAFE构成；把L_MB转化为安全闭塞时距T_MB，T_MB由驾驶员反应时间T_REACTION、车辆紧急刹车时间T_BRAKE和安全距离时间T_SAFE组成，公式表示如下：

其中，V_SUGGEST为车辆的引导速度，a_MAX为车辆最大减速度。

进一步地，所述步骤3)具体还包括：针对车辆在十字路口右拐、直行和左拐的状况下进行分类讨论，不同的行驶路线决定着安全距离的计算方法不同。

进一步地，所述步骤3)具体还包括：车辆通过交叉口经历三个过程，分别为：1)驾驶员从接收信息到开始控速的时间T_REACTION，在T_REACTION内保持原速行驶；2)车辆调整至引导速度V_guide-i；3)车辆保持V_guide-i通过交叉口；

车辆在1)阶段内的行驶距离：

S₁＝V_0i·t₁＝V_0i·T_REACTION (2)

车辆在2)阶段所用时间和行驶距离：

车辆在3)阶段节点所用时间和距离：

其中，L_range-i是车辆从进入交叉口引导范围到交叉口停车线的距离，对于不同车道的车辆分为以下计算方式，(x₁,y₁)是车辆进入交叉口范围时的坐标，(x₂,y₂)是交叉口停车线中心点的坐标，L_left是车辆左转的半径；

车辆经过上述三个阶段后通过交叉口时刻等于上述移动闭塞模型计算时刻：

T_{passfront-end}+T_REACTION+T_BRAKE+T_SAFE+T_adjust＝T_arrive+T₁+T₂+T₃ (8)

把1)、2)和3)的计算结果带入式(8)，得到：

化简可得车辆i的引导速度为：

其中，T_guide-i＝T_{passfront-end}+T_safe+T_adjust-i-T_arrive-i。

本发明中，在车联网环境下，由路测单元采集周围环境信息、交通灯信息和周围车辆信息，并将采集到的信息传送至控制中心，由控制中心进行计算，以安全性和效率为条件，得到当前最佳行驶速度，传回车载终端。车联网环境下的速度引导模型和移动闭塞模型均采用无线通信，通过速度引导模型计算出普通车辆引导速度，相比只获取列车信息，其还能获取路测路标信息，红绿灯信息，周围360°方向的车辆信息，对于车辆定位技术、车辆感知技术和无线通信技术的要求较高。当发生堵车时，采用排队论对堵车平均等待时间进行计算，若超过阈值，则改进速度引导模型，对于被堵塞车辆，在确保安全性的基础上，升高引导速度，对于后方车辆，适当减少引导速度，直至堵塞交叉口完全疏通为止。

本发明的有益效果：

本发明的方法解决了在路口处驾驶员对于速度判定失误的问题，有效防止因为行驶速度带来的堵车问题。用计算机算出最佳行驶速度并将其传回车载终端，保证安全的同时确保了效率，减少道路堵塞。

附图说明

图1为本发明方法的原理图。

图2a为网状交叉口群示意图。

图2b为线状交叉口群示意图。

图3为移动闭塞模型原理图。

图4为车联网环境下左转车辆情况示意图。

图5为交叉口群堵塞情况下改进速度引导模型示意图。

具体实施方式

为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例与附图对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。

参照图1所示，本发明的一种预防交叉口堵车的方法，包括步骤如下：

1)对交叉口群进行界定；利用间距法筛选出交叉口群，可以是十字路口、T字路口等交通要道，也可以是车流量较大的窄巷；具体为：

判断是否为交叉口，采用间距法判断上下游交叉口是否为交叉口群

d_i≤D (2)

其中，(x_up,y_up)为上游交叉口坐标，(x_down,y_down)为下游交叉口坐标，D为上下游交叉口的界定距离，若d_i≤D，说明车辆处于交叉口范围内。

按照交叉口群里单点交叉口的协调控制关系和空间位置，可以把交叉口群分为线性交叉口群和网状交叉口群两种基本类型，如图2a和图2b。线性交叉口群呈一条直线，任意两个交叉口之间的连线是一条直线。区域网状交叉口群指交叉口群中任意两交叉口组成的起止点间可能存在一条路径，也可能存在多条路径。

2)利用排队论模型判断交叉口是否堵车；

令P_n为在t时刻车辆开出拥堵口的概率，λ为单位时间到达车辆数，μ为车辆疏通能力；且

根据排队论，可得：

根据几何级数收敛公式，可得：

P_n＝ρⁿ(1-ρ) (5)

令L为堵塞排队长度，即被堵汽车数量：

根据式(3)可以得出：

式中，ρ为评判道路是否堵塞的数据，若ρ＜1，则道路正常，无堵车现象；若ρ＞1，则道路出现拥堵现象，数值越大则越严重；

W＝L/λ (8)

式中，W表示为平均等待时间，W越大，表示等待时间越久。

3)移动闭塞模型的使用；

如图3所示，移动闭塞模型的核心参数是车辆之间的最小追踪间隔L_MB，其由驾驶员反映距离L_REACTION、最大刹车距离L_BRAKE和安全距离L_SAFE构成；研究移动闭塞技术的关键是把L_MB转化为安全闭塞时距T_MB，T_MB由驾驶员反应时间T_REACTION、车辆紧急刹车时间T_BRAKE和安全距离时间T_SAFE组成，公式表示如下：

其中，V_SUGGEST为车辆的引导速度，a_MAX为车辆最大减速度。

一般来说，移动闭塞模型多用于列车、火车和动车场景。车辆行驶于固定铁轨上，由控制中心分析每辆车之间的位置和间距，如果有列车距离小于安全距离的情况，及时通知制定列车进行调整。

4)驶入车道的分类讨论

当车辆行驶至交叉口时，由车辆打转向灯，并将信息实时传入车联网，对车辆所在车道进行分析，对左转、右转、直行的情况做出不同引导；

车辆左转：

如图4所示，车辆左转受三个条件影响：前车通过交叉口的时刻、对向直行车通过交叉口时刻和信号灯闪烁时刻；引导策略如下：

41)车辆距离交叉口的范围d_0i，车辆i收到到达引导范围时刻T_arivve和前车预计通过时间T_passfront-i；

42)对向直行车辆j，该车辆j预计通过时刻T_passfront-j，选T_{passfront i-}和T_passfront-j中较晚的时刻作为前车最终通过时刻T_{passfront-end}；

43)以T_{passfront-end}为起点，获得车辆j安全闭塞时距

预计通过时刻T_pass-i、左转车辆引导距离L_guide-left和引导速度V_guide-i；

44)判断V_guide-i是否在交叉口的限速区间内[V_MIN,V_MAX]，如果不在，则逐秒递增T_pass-i，直至符合限速要求；

45)判断T_pass-i是否处于绿灯时间，如果在绿灯内，则V_guide-i是最终引导速度V_guide-i-end；如果不在，则在下个周期绿灯时候重新开始计算，一直到T_pass-i处于绿灯时间内。

车辆直行和右转都与之类似，此处不再赘述。

5)速度引导模型建立；

车辆通过交叉口经历三个过程分别为51)驾驶员从接收信息到开始控速的时间T_REACTION，在T_REACTION内保持原速行驶；52)车辆调整至引导速度V_guide-i；53)车辆保持V_guide-i通过交叉口；

车辆在51)阶段内的行驶距离：

S₁＝V_0i·t₁＝V_0i·T_REACTION (11)

车辆在52)阶段所用时间和行驶距离：

车辆在53)阶段节点所用时间和距离：

其中，L_range-i是车辆从进入交叉口引导范围到交叉口停车线的距离，对于不同车道的车辆分为以下计算方式，(x₁,y₁)是车辆进入交叉口范围时的坐标，(x₂,y₂)是交叉口停车线中心点的坐标，L_left是车辆左转的半径；

车辆经过上述三个阶段后通过交叉口时刻等于上述移动闭塞技术计算时刻：

T_{passfront-end}+T_REACTION+T_BRAKE+T_SAFE+T_adjust＝T_arrive+T₁+T₂+T₃ (17)

把51)、52)和53)的计算结果带入式(17)，得到：

化简可得车辆i的引导速度为：

其中，T_guide-i＝T_{passfront-end}+T_safe+T_adjust-i-T_arrive-i。

6)根据上述速度引导模型得到当前车辆最佳行驶速度，并回传当前车辆的车载终端。

上述模型，基于车联网的计算，给出了当前车辆过弯时的合适的引导速度，但实际上并非所有驾驶员都会严格遵守引导速度来行驶，必然有一定误差，甚至会很大，在车流量较大的路口，些许误差累积起来则会造成堵车，这里使用排队论模型去给堵车构建一个理论化指标，以此来判断堵车情况，同时适当的更改速度引导模型，以便于更好的疏散车辆。由上述步骤2)算出的平均等待时间w；表1为更改速度引导模型的判定条件；如下：

表1

W＞10min	W＜10min
		堵车，更改速度引导模型	不堵车，引导模型不变

设速度引导模型更改后的速度为V_guide2-i，在可行范围内提升引导速度直至V_guide2-i，速度引导分三个过程，其中第二个过程是车辆调整至引导速度的过程，V_guide-i升高，则S₂、T₂降低；也就是说，当路口堵车的时，我们可以提升路口被堵车辆的引导速度，减慢即将到达路口的车辆的引导速度，如图5所示。

在路口堵车地段，因车辆被堵无法提速，疏通时车辆处于从0开始提速的状态，所以针对被堵车辆，可以把上述速度引导模型的引导速度公式(19)中的

进行修改；该项表示车辆在引导过程内用最大加速度产生的速度；因为其过于考虑了安全性问题，并不适用于已经发生堵车的堵车路口。因为车辆需要从0开始加速的原因，不再考虑用安全时段和加速度算出来的最终速度，把路段的最高限速考虑进去，根据到路口规定，交叉口范围内最高限速为85％路段最高限速V_MAX；

而对于即将到来却未到来的车辆，应该减小其速度，避免加重堵车情况：

尽管以上本发明的实施方案进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本发明保护之列。

Claims (8)

1.一种预防交叉口堵车的方法，其特征在于，包括步骤如下：

1)对交叉口群进行界定；

2)利用排队论模型判断交叉口是否堵车；

3)基于移动闭塞模型建立速度引导模型；

4)根据上述速度引导模型得到当前车辆最佳行驶速度，并将其回传至当前车辆的车载终端。

2.根据权利要求1所述的预防交叉口堵车的方法，其特征在于，所述步骤1)具体包括：采用间距法计算交叉口之间的关联度，筛选出内部交叉口间距小的交叉口，即交叉口群，并将其是为一个整体进行协同控制。

3.根据权利要求1所述的预防交叉口堵车的方法，其特征在于，所述步骤1)中的交叉口群的判定因素包括：周围道路的复杂程度，其与实际情况下的车流量无关，以此给出第一层筛选，筛选出有可能堵车的交叉口群；包含：十字路口、T字路口和车流量较大的窄巷。

4.根据权利要求1所述的预防交叉口堵车的方法，其特征在于，所述步骤2)具体包括：利用排队论模型进行第二层筛选，对上述步骤1)中界定出的交叉口群进行实际车流量监测，并用排队论模型进行计算，来筛选出堵车情况严重或者存在堵车隐患的路口。

5.根据权利要求1所述的预防交叉口堵车的方法，其特征在于，所述步骤2)具体还包括：利用排队论模型来计算各个道路的平均等待队长和平均等待时间，所述各道路的平均等待时间用以判断各道路是否有堵车事件的发生；统计堵车等待时间的历史数据，对平均等待时间设置一个阈值，如果小于该阈值，则判定为不堵车，运用速度引导模型来预防堵车；如果大于该阈值，则判定为堵车，对速度引导模型进行优化，用优化后的速度引导模型来解决堵车问题。

6.根据权利要求1所述的预防交叉口堵车的方法，其特征在于，所述步骤3)具体包括：移动闭塞模型的核心求解参数是车辆之间的最小追踪间隔L_MB，其由驾驶员反映距离L_REACTION、最大刹车距离L_BRAKE和安全距离L_SAFE构成；把L_MB转化为安全闭塞时距T_MB，T_MB由驾驶员反应时间T_REACTION、车辆紧急刹车时间T_BRAKE和安全距离时间T_SAFE组成，公式表示如下：

其中，V_SUGGEST为车辆的引导速度，a_MAX为车辆最大减速度。

7.根据权利要求6所述的预防交叉口堵车的方法，其特征在于，所述步骤3)具体还包括：针对车辆在十字路口右拐、直行和左拐的状况下进行分类讨论，不同的行驶路线决定着安全距离的计算方法不同。

8.根据权利要求6所述的预防交叉口堵车的方法，其特征在于，所述步骤3)具体还包括：车辆通过交叉口经历三个过程，分别为：1)驾驶员从接收信息到开始控速的时间T_REACTION，在T_REACTION内保持原速行驶；2)车辆调整至引导速度V_guide-i；3)车辆保持V_guide-i通过交叉口；

车辆在1)阶段内的行驶距离：

S₁＝V_0i·t₁＝V_0i·T_REACTION (2)

车辆在2)阶段所用时间和行驶距离：

车辆在3)阶段节点所用时间和距离：

其中，L_range-i是车辆从进入交叉口引导范围到交叉口停车线的距离，对于不同车道的车辆分为以下计算方式，(x₁,y₁)是车辆进入交叉口范围时的坐标，(x₂,y₂)是交叉口停车线中心点的坐标，L_left是车辆左转的半径；

车辆经过上述三个阶段后通过交叉口时刻等于上述移动闭塞模型计算时刻：

T_{passfront-end}+T_REACTION+T_BRAKE+T_SAFE+T_adjust＝T_arrive+T₁+T₂+T₃ (8)

把1)、2)和3)的计算结果带入式(8)，得到：

化简可得车辆i的引导速度为：

其中，T_guide-i＝T_{passfront-end}+T_safe+T_adjust-i-T_arrive-i。

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