CN111785043A - 一种面向智能网联车的交叉口控制方法 - Google Patents

Abstract

一种面向智能网联车的交叉口控制方法，在常规的信号灯相位中增加一智能网联车专用相位；应用预约思想和最优化思想，为每辆进入控制范围的智能网联车分配进入交叉口的时间和期望速度；智能网联车在接收到行车指示后执行分布式一致性协议，在规定时间以期望速度进入交叉口，围绕虚拟环岛旋转行驶；在常规相位中，其它类型的车辆遵守与信号灯交叉口相同的交通规则行驶；交叉口控制中心按照信号配时优化间隔，周期性地对各相位的绿灯时长进行优化。本发明结合了智能网联车和环形交叉口的优点，显著降低了智能网联车的平均延误，无需对交叉口进行大规模工程改造，在其余相位中，通行规则与现有的信号灯交叉口相同，从而保证了安全性和驾驶员的接受度。

Description

一种面向智能网联车的交叉口控制方法

技术领域

本发明属于涉及道路交叉口车辆控制技术领域，涉及面向智能网联车的交叉口控制方法方法。

背景技术

在过去相当长的时间里，城市化的进程、道路网的发展和汽车保有量的增长极大地改善了人们的出行条件，但近些年来，相关问题也逐渐暴露：交通拥堵浪费了出行者大量时间，汽车尾气、噪声等污染困扰周边居民，愈来愈宽的道路给步行者的出行增加了难度和危险程度。自动驾驶车辆一经问世就因其取代或辅助驾驶员，更加安全高效地完成驾驶任务的概念而备受瞩目。在各国政府以及企业大力推进下，基于DSRC或LTE通信方式的V2X技术快速发展，作为下一代移动互联网通信标准5G技术，更是为其带来更多可能。

在未来相当长时间内，道路上的车流会以人类驾驶员所驾驶的普通车辆与自动驾驶车辆所组成的混合交通流的形式存在。V2X技术的成熟和设备的普及同样是漫长过程。未来相当长时间内道路上车辆的组成形式将是由人工驾驶车辆(manual vehicle)、自主行驶车辆(automated vehicle)、网联车(connected vehicle)、智能网联车(connectedautomated vehicle)所组成的混合交通流。

对于混合交通流，若采用传统的交通信号灯控制方式，考虑到人类驾驶员行为的不可控和一些心理因素等，智能网联车地行为需要尽可能地与人类驾驶员相近，并不能完全地发挥其优越性。

环岛也称环形交通，是交通节点的一种特殊形式，属于平面道路交叉。任何一个方向而来的交通流量进入环岛后，均需以环岛的中心圈以单一方向旋转行驶，直至转向所需的行驶方向而离开。环岛将冲突点化为分流/合流点从而使各个方向来车有秩序通过，从而保障了通行能力，提高了安全性。

若交通流中包含人类驾驶员所驾驶的车辆，当流量较大时，若驾驶员不能严格遵守规则，容易造成死锁。但是对于100％智能网联车组成的交通流来说，由于其能够严格准确地执行指令，则没有这一问题。同时，任何一项新技术的应用都应考虑其安全性，智能网联车也不例外。考虑到当通信中断或系统故障等意外情况时可以轻松切换为手动控制，单车道环形交叉口有望成为智能网联车未来应用的主流场景之一。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种面向智能网联车的交叉口控制方法，该方法在未进行大规模工程改造的前提下，结合了智能网联车和环形交叉口的优点，显著降低了智能网联车的平均延误，提高了交叉口服务水平。同时保证了安全性和人类驾驶员的接受度。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种面向智能网联车的交叉口控制方法。该方法在常规的信号灯相位中增加一智能网联车专用相位。应用预约思想和最优化思想，为每辆进入控制范围的智能网联车分配进入交叉口的时间和期望速度。智能网联车在接收到行车指示后执行分布式一致性协议，在规定时间以期望速度进入交叉口，围绕虚拟环岛旋转行驶。在常规相位中，其它类型的车辆遵守与信号灯交叉口相同的交通规则行驶。交叉口控制中心按照信号配时优化间隔，周期性地对各相位的绿灯时长进行优化。

进一步而言，该方法可包括以下步骤：

1)在交叉口处设置用于与智能网联车交互并作出行车指示的交叉口控制中心。

2)对交叉口进行简单改造，将智能网联车与其它车辆(包括人工驾驶车辆、自主行驶车辆、网联车)从空间维度分离：将进口道最内侧车道设置为智能网联车专用车道，期望所有智能网联车在此车道内运行；在交叉口中央用标线标记出虚拟环岛。

3)在交叉口原有的信号相位的基础上增加一个智能网联车专用相位，将智能网联车与其它车辆从时间维度分离。

4)交叉口控制中心检测驶向交叉口的智能网联车和其它车辆的流量情况，并以此为根据调整信号配时。

5)当切换到智能网联车专用相位时，来自所有方向的智能网联车均可以通过专用车道进入交叉口，依照规定的控制协议，围绕虚拟环岛运行；

6)切换到各常规相位时，其它类型的车辆遵守与信号灯交叉口相同的交通规则，遵照信号灯的指示进行直行、左转、右转。

7)此信号周期结束，若到达信号配时优化时刻，则返回步骤4)，进行配时调整；否则，返回步骤5)，进入下一个信号周期。

进口道上设置用于检测所有类型车辆的总流量的车辆检测器，所获取的信息通过有线或无线通信的方式传送至交叉口控制中心。

借助V2X技术实现车对车通信、车对交叉口控制中心通信，使智能网联车能交叉口能够向交叉口控制中心发送行车信息，并从交叉口控制中心获取行车指示；所述行车信息包括车辆位置、速度、行车路径(直行、左转、右转)等。

所述虚拟环岛是用标线包络的圆形区域，而非实体，车辆可以跨越而不受任何阻碍。

所述交叉口控制综合考虑来自各数据源的信息，进行动态的信号配时，并通过有线或无线通信的方式，将配时方案交由信号灯执行。

交叉口控制中心综合各进口道上的智能网联车的行车信息和信号灯的配时，为每辆智能网联车分配进入交叉口的时间。

根据权利要求1所述的一种面向智能网联车的交叉口控制方法，智能网联车在接收到来自控制中心的行车指示后，遵照分布式控制协议，调整车速，从而在规定的时间，以规定的速度进入交叉口。

与现有技术相比，本发明面向智能网联车在城市道路交叉口中的应用，同时考虑到混合交通流情况下其它类型车辆的通行。对于提高交叉口服务水平，保障安全性具有重要的意义。具有以下优点：

1.本方法结合了智能网联车和环形交叉口的优点，显著降低了智能网联车的平均延误，提高了交叉口服务水平。经过仿真，在100％智能网联车的情况下，车辆的平均延误可以维持在非常低的水平。其中，在交叉口总流量为3200veh/h时，平均延误为0.6s。在交叉口总流量为6000veh/h时，平均延误为1.59s。在交叉口总流量为8800veh/h时。平均延误为3.36s。与信号交叉口相比，延误大幅降低。

2.本方法充分考虑了人类驾驶员和自主行驶车辆(非网联的自动驾驶车辆)的需要，在其余相位中，通行规则与现有的信号灯交叉口相同，从而保证了安全性和驾驶员的接受度。

3.本方法周期性地根据实时数据灵活调整信号配时，提高了交叉口的时空利用率。

4.本方法未对交叉口进行大规模工程改造，成本易于控制。若与可变车道分到指示牌等可变信息标志结合使用，可以迅速切换为常规的信号灯控制。

附图说明

图1为本发明的方法总体流程图。

图2为本发明实施例应用示意图，包括路口设置与不同相位的展示。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。

本实施例基于以下假设：

1)不考虑行人和非机动车的影响。

2)不考虑信息传输和运算造成的延迟。

3)所有的智能网联车均能获取自身准确的位置、速度、行车路径(直行、左转、右转)。

如图1所示，本实施例提供一种面向智能网联车的交叉口控制方法，包括以下步骤：

1)在交叉口处设置用于与智能网联车交互并作出行车指示的交叉口控制中心。其主要有两个功能：计算来自车检器和网联车等数据源的信息周期性地进行信号配时；综合其行车信息与信号配时，为每辆进入控制范围的智能网联车分配进入交叉口的时间。

2)对交叉口进行简单改造，将智能网联车与其它车辆(包括人工驾驶车辆、自主行驶车辆、网联车)从空间维度分离：将进口道最内侧车道设置为智能网联车专用车道，期望所有智能网联车在此车道内运行；在交叉口中央用标线标记出虚拟环岛(用标线包络的圆形区域)，车辆可以跨越而不受任何阻碍。

3)在交叉口原有的信号相位的基础上增加一个智能网联车专用相位，将智能网联车与其它车辆从时间维度分离。

4)交叉口控制中心检测驶向交叉口的智能网联车和其它车辆的流量情况，并以此为根据调整信号配时。

5)当切换到智能网联车专用相位时，来自所有方向的智能网联车均可以通过专用车道进入交叉口，依照规定的控制协议，围绕虚拟环岛运行。

6)切换到常规的信号灯相位时，其它类型的车辆(人工驾驶车辆、自主行驶车辆、网联车)遵守与当前的信号灯控制的交叉口相同的行为准则，按照信号灯的指示进行直行、左转、右转等；

7)此信号周期结束，若到达信号配时优化时刻，则返回步骤4)，进行配时调整；否则，返回步骤5)，进入下一个信号周期。

如图2所示，本实施例的应用场景设定为一个对称的十字交叉口：四个方向车道设置相同：进口道有三个车道，出口道有两个车道。四个进口道具有相同的流量和流向分布。控制范围设置为200m。其常规相位有两个，分别允许来自东西进口道的车辆和南北进口道的车辆进入交叉口。

车辆在虚拟环岛中安全通过，意味着所有的车辆在时空中不会产生冲突。按照先到先服务的原则，交叉口控制中心收到智能网联车的通过请求后，计算其最早到达时间，并根据期望路径(例如，从西向北左转)，推算出其需要的时空资源。控制中心在可用的时空资源(时间维度在智能网联车专用相位中，且未被之前预约的车辆占用)中为其寻找可安全进入交叉口的最早时间点t_reserved，并将相应的时空资源“锁定”，之后预约的车辆不能再占用相同的时空。

足够大的控制范围可保证车辆可在到达交叉口前调整速度至v_e。故最快到达时间t_fsatest为：

其中：

v_e—期望速度

a_e—最大加速度

d—当前车辆到交叉口(第一个合流冲突点)的距离

t₀—当前时间点

预约成功的智能网联车在接收到来自交叉口控制中心的期望到达时间t_reserved后，车辆执行分布式一致性控制协议，在指定的时间到达交叉口。协议如下：

加速时间点：

车辆加速度：

信号配时方案的设计是开放的，此处提供一种较为简单的方案：

其原则为：分配给智能网联车专用相位的有效绿灯时间g_roundabou与周期有效绿灯时间g的比值等于智能网联车在所有车辆中的占比p_cav。当智能网联车占比为100％时，仅有一个智能网联车专用相位。智能网联车占比为0时，仅有常规相位。

其中：

g_roundabout--智能网联车专用相位的效绿灯时间

g_{regular_i}—常规相位i的效绿灯时间

g——总有效绿灯时间

C——信号周期

L——周期损失时间

n——常规相位的数目

对于混合交通流，假设信号周期为120s，周期损失时间为15s。则：

g＝105s

当p_cav＝0.8时：

g_roundabout＝84s

g_{regular_1}＝g_{regular_2}＝10.5s

当p_cav＝0.5时：

g_roundabout＝53s

g_regular_₁＝g_{regular_2}＝26s

理论通行能力：

其中：

CAP_roundabout——仅有智能网联车专用相位时交叉口的通行能力

CAP_{regular_i}——仅有常规相位i时交叉口的通行能力

U_roundabout——智能网联车专用相位的有效绿信比

U_{regular_i}——常规相位i的有效绿信比

在此实施例中，由于交叉口的对称性，容易得出CAP_{regular_1}CAP_{regular_2}，U_{regular_1}＝U_{regular_2}。

经过仿真得出，CAP_roundabout＝8800pcu/h。CAP_regular受驾驶员行为、道路条件、环境条件的影响，此处不指定。

当p_cav＝1时：

U_roundabout＝1

CAP＝8800pcu/h

当p_cav＝0.8时：

U_roundabout＝0.7

U_{regular_1}＝U_{regular_2}＝0.0875

CAP＝6160+0.175*P_CAV

当p_cav＝0.5时：

U_roundabout＝0.442

U_{regular_1}＝U_{regular_2}＝0.217

CAP＝3887+0.433*P_CAV

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其它实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种面向智能网联车的交叉口控制方法，其特征在于：在常规的信号灯相位中增加一智能网联车专用相位；应用预约思想和最优化思想，为每辆进入控制范围的智能网联车分配进入交叉口的时间和期望速度；智能网联车在接收到行车指示后执行分布式一致性协议，在规定时间以期望速度进入交叉口，围绕虚拟环岛旋转行驶；在常规相位中，其它类型的车辆遵守与信号灯交叉口相同的交通规则行驶；交叉口控制中心按照信号配时优化间隔，周期性地对各相位的绿灯时长进行优化。

2.根据权利要求1所述的面向智能网联车的交叉口控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)在交叉口处设置用于与智能网联车交互并作出行车指示的交叉口控制中心；

2)对交叉口进行改造，将智能网联车与其它车辆从空间维度分离：将进口道最内侧车道设置为智能网联车专用车道，期望所有智能网联车在此车道内运行；在交叉口中央用标线标记出虚拟环岛；

3)在交叉口原有的信号相位的基础上增加一个智能网联车专用相位，将智能网联车与其它车辆从时间维度分离；

4)交叉口控制中心检测驶向交叉口的智能网联车和其它车辆的流量情况，并以此为根据调整信号配时；

5)当切换到智能网联车专用相位时，来自所有方向的智能网联车均可以通过专用车道进入交叉口，依照规定的控制协议，围绕虚拟环岛运行；

6)切换到各常规相位时，其它类型的车辆遵守与信号灯交叉口相同的交通规则，遵照信号灯的指示进行直行、左转、右转；

7)此信号周期结束，若到达信号配时优化时刻，则返回步骤4)，进行配时调整；否则，返回步骤5)，进入下一个信号周期。

3.根据权利要求2所述的一种面向智能网联车的交叉口控制方法，其特征在于：进口道上设置用于检测所有类型车辆的总流量的车辆检测器，所获取的信息通过有线或无线通信的方式传送至所述交叉口控制中心。

4.根据权利要求2所述的面向智能网联车的交叉口控制方法，其特征在于：借助V2X技术实现车对车通信、车对所述交叉口控制中心通信，使智能网联车能交叉口能够向所述交叉口控制中心发送行车信息，并从交叉口控制中心获取行车指示。

5.根据权利要求4所述的面向智能网联车的交叉口控制方法，其特征在于：所述行车信息包括车辆位置、速度以及行车路径；所述行车路径包括直行、左转、右转。

6.根据权利要求1所述的面向智能网联车的交叉口控制方法，其特征在于：所述虚拟环岛是用标线包络的非实体圆形区域，车辆可以跨越。

7.根据权利要求2所述的面向智能网联车的交叉口控制方法，其特征在于：所述交叉口控制中心综合考虑来自各数据源的信息，进行动态的信号配时，并通过有线或无线通信的方式，将配时方案交由信号灯执行。

8.根据权利要求2所述的面向智能网联车的交叉口控制方法，其特征在于：所述交叉口控制中心综合各进口道上的智能网联车的行车信息和信号灯的配时，为每辆智能网联车分配进入交叉口的时间。

9.根据权利要求8所述的面向智能网联车的交叉口控制方法，其特征在于：智能网联车在接收到来自控制中心的行车指示后，遵照分布式控制协议，调整车速，从而在规定的时间，以规定的速度进入所述交叉口。

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