CN111932916A - 一种城市道路动态应急车道的控制方法及控制系统 - Google Patents

一种城市道路动态应急车道的控制方法及控制系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种城市道路动态应急车道的控制方法及控制系统，其包括：接收应急车辆通过的应急任务；根据应急任务中应急车辆的通行需求判断城市道路的通行能力是否满足应急任务，如满足就不开启动态应急车道，如不满足则开启动态应急车道；如开启动态应急车道，则在应急车辆途经的城市道路中开设一条专用应急车道；在专用应急车道的上游设置交叉口，利用交叉口使应急车辆转入专用应急车道。该系统用来实施上述方法。本发明具有原理简单、智能化程度高、易实现、适用范围广、能提高应急车道通行能力等优点。

Description

一种城市道路动态应急车道的控制方法及控制系统
技术领域
本发明主要涉及到城市道路智能控制技术领域，特指一种城市道路动态应急车道的控制方法及控制系统。
背景技术
随着车辆保有量的不断提高，目前各个城市均出现了高频次的堵车现象，这种堵车现状给应急、救援等特殊车辆执行应急任务造成了巨大的障碍，成为城市管理者非常头疼的问题。
为此，有从业者提出了可变车道管理技术。可变车道是根据交通系统分布的变化特征将行车道或交叉口渠化段导向车道设置成可随流量变化而改变的可变行驶车道或可变导向车道。城市道路可变车道分为车道行驶方向可变、交叉口导向车道可变、机动车道与非机动车道可变、人行道与非机动车道可变、固定时段可变这五类，其中与动态应急车道相关的为车道行驶方向可变、交叉口导向车道可变这两类。可变车道的管理技术主要有：(1)时间标注式；(2)标线式；(3)文字式；(4)辅助标志牌。
欧美国很多州或市的道路已经实行了可变车道技术，如美国亚利桑那州凤凰城麦克儿路与北大街之间的第七大道设置了可变车道，车道数为5车道，上午6时至9时中间车道为南行车道，下午3时至6时为北行车道，在此期间不允许左转；马里兰银泉乔治亚大道有7车道，在大部分时间中间车道上标有黄色明亮的X作为两个方向的左转车道，在早晚高峰时段则略有不同，中间车道用面向下方的绿色箭头表示在早晚高峰时段此车道用于南行；晚高峰时段则用于北行方向，活用一个红色的X表示早晚高峰禁止北行，晚高峰禁止南行，高峰期间禁止左转；印第安纳波利斯的秋溪大道有5条车道，其中一条为可变车道，早高峰时段3进2出，晚高峰为2进3出，由于秋溪大道邻近印第安纳州展览会场，所以在展览活动期间，车道会根据活动期间的交通流进行实时的改变。悉尼新南威尔士州的悉尼海港大桥，此桥共8车道，其中3条车道为可变车道，根据早晚高峰时段流量的不同，改变通行方向。英国的谢菲尔德A61皇后大道上，有一条比较短的可变车道，其中1条车道为可变车道，可以根据交通量的变化设置为1进3出，或者2进2出。
国内对于可变车道的研究晚于欧美国家，但是随着城市拥堵问题逐渐凸显也有很多专家从多角度对可变车道进行研究。周鹏，丁晨利用视频检测获得的车流量等相关参数信息，提出了基于非参数回归短时间交通流预测的智能可变车道的导向判决算法，实现了对可变车道随着实时车流量而自动变化的智能控制。韩璧璘，宋瑞等以用户最小延误费用为目标，对车道运行方向进行调整。殷秋敏，邓卫将智能交通系统与可变车道技术进行了整合，对基于ITS的可变车道缓堵技术的结构组成以及实施流程等进行了可行性探讨，以期使可变车道技术能够根据实时的交通状况做出动态反应，更好地发挥其缓堵功能。
另有从业者提出了动态公交专用道设置技术：1)动态公交专用道设置的背景和理由是：完全性公交专用道是公交专用道的一种类型，近年来被认为是公交优先的有效手段之一，广泛应用在各个城市中。这种方法提高了公交车的平均速度和行驶的稳定性，保证了公共交通的准时与舒适。然而，完全式公交专用道会降低至少一条车道的其他车辆的通行能力，因此，这种方法仅适用于流量较低的路段，这与设置专用道来克服大流量下的拥堵的初衷是相违背的。为了优化公交专用道，既能保证公交优先，又不影响平峰时段利用率的动态公交专用道系统应运而生。(2)动态公交专用道的工作原理和机制：动态公交专用道的概念是Viegas和Lu提出，该系统不允许社会车辆在公交车之前换道驶入公交专用道，但不强制已处于该车道内在公交车前的小汽车离开，因此，该方法需要调整信号配时清空处于公交车前的社会车辆，避免公交车在交叉口产生排队，由于不强制社会车辆驶离公交专用，所以动态公交专用道适用于任何路段。Zhu使用元胞自动机模型比较了排他式公交车道和动态公交车道，结果显示当公交流量较少时，向社会车辆开放公交车道会获得较大的系统改进。Qiu等同样利用CAM模型，研究了动态公交专用道对交通密度、交通速度和路段通行能力的影响，得出动态应急车道在交通密度为25-74pcu/km时有效。
上述的传统技术中，城市道路可变车道管理技术是根据流量变化改变车道方向为了解决全社会的交通拥堵问题，所以可变车道属于车流流向管理。但是应急车道是专门针对应急车辆设置的道路，其管理技术均是为了提高应急车辆的运行效率与救援质量，所以应急车辆专用道属于车型管理类别。综上二者管理对象和原理不同，虽然部分可变车道的管理技术适用于应急车道管理，但是可变车道的管理技术无法完全满足面向应急车辆的优先管理。同时，城市可变车道管理技术是为了缓解城市道路拥堵，将可变车道在流量高峰期间改变方向疏导交通，因此，城市可变车道技术的优化目标为用户行程时间最短。
上述的传统技术中，对于动态公交专用道设置技术而言，公交车专用道与应急车辆专用道均属于面向车型的管理技术，但是公交车与应急车辆的优先级别存在差异，相比于公交车应急车辆的优先级更高，进而公交优先和应急车辆优先的目标和要求不同，所以设置应急车道优先通行的机制与方法与公交专用道是不同的。动态公交专用道设置技术经过国内外专家研究表明需要在低交通流量、低交通密度时使用效果最好，但是应急车道设置需要在所有情况均适用才能满足设置目标。
发明内容
本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种原理简单、智能化程度高、易实现、适用范围广、能提高应急车道通行能力的城市道路动态应急车道的控制方法及控制系统。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种城市道路动态应急车道的控制方法，其包括：
接收应急车辆通过的应急任务；
根据应急任务中应急车辆的通行需求判断城市道路的通行能力是否满足应急任务，如满足就不开启动态应急车道，如不满足则开启动态应急车道；
如开启动态应急车道，则在应急车辆途经的城市道路中开设一条专用应急车道；在专用应急车道的上游设置交叉口，利用交叉口使应急车辆转入专用应急车道。
作为本发明方法的进一步改进：所述判断城市道路的通行能力是否满足应急任务的流程包括：
步骤S1：应急车辆接受应急任务，通过车载单元发送应急路径和应急需求；记录应急车辆出发时刻为Tleave，应急车辆期望到达交叉口的时间长度为tEV；
步骤S2：获取应急路径中途经应急车道内现有车辆数，交叉口上游流量为Q，计算交叉口预计消散车辆数
Figure BDA0002613098130000031
计算交叉口消散能力Nc＝S·Xi·tEV，比较NN与Nc大小，选择是否开启应急车道；其中，交叉口饱和流率为S，交叉口信号灯绿信比为Xi，应急车辆期望到达交叉口的时间长度为tEV。
作为本发明方法的进一步改进：通过比较NN与Nc大小选择是否打开应急车道：(a)当Nc-NN≥0，说明交叉口的消散能力强，不开启应急车道，应急车辆也可以顺利通过交叉口；(b)当Nc-NN≥0不成立，则说明交叉口的消散能力弱，需要开启应急车道，通过应急车道的辅助才能使应急车辆顺利通过交叉口。
作为本发明方法的进一步改进：还包括计算应急车道开启的时刻，即如果开启应急车道，开启应急车道的时刻为TO＝Tleave+t，其中
Figure BDA0002613098130000032
即
Figure BDA0002613098130000033
作为本发明方法的进一步改进：开启应急车道的时刻为TO＝Tleave+t，(a)当TO时刻晚于Tleave时刻，则应急车道在应急车辆发送请求后t秒后开启；(b)当TO时刻早于Tleave时刻，则应急车道在应急车辆发送请求后立即开启应急车道，同时信号灯要予以优先通行权，以保证应急车辆顺利通过交叉口。
作为本发明方法的进一步改进：所述步骤S2中，选择结合边缘计算方法及通过图像采集方式获取应急车道现有车辆数，即包括：
步骤S101：利用图像采集获取所述交叉口的平均交通量Q；
步骤S102：根据速度密度模型
Figure BDA0002613098130000041
以及Q＝K·v，得到流量密度关系式
Figure BDA0002613098130000042
根据流量密度关系式获得路段的密度K；其中v为区间平均车速,自由流速度vf为车流密度趋于零车辆可以畅行无阻时的平均速度，K为平均密度，阻塞密度Kj为车流密集到所有车辆无法移动(v＝0)时的密度；
步骤S103：通过图像采集获取部分车辆排队长度为l0，路段总长为l，得到应急车辆发送请求后应急车道内存在的车辆数
Figure BDA0002613098130000043
作为本发明方法的进一步改进：选取单向三车道的道路形式，根据应急车辆预定的应急路径选择合适车道作为应急车道，满足应急车辆在左转、直行以及右转三个方向的优先权。
本发明进一步提供一种城市道路中动态应急车道的控制系统，其包括：
路侧单元RSU，用来上行向边缘云计算单元传递应急车辆请求数据、出发时刻，下行与应急车辆进行通讯；
图像采集单元，用于获取应急车道路段社会车辆的排队长度L，以获得应急车辆发送请求后应急车道内的现存车辆数N；
边缘云计算单元，用于处理路侧单元RSU传输的信息，通过计算后利用路侧单元RSU向道路辅助组件发出控制指令。
车载单元OBU，安装于应急车辆上，用来进行实时主动向路侧单元RSU发布应急路径、应急请求消息。
作为本发明系统的进一步改进：所述图像采集单元为安装于交叉口处的广角摄像头。
作为本发明系统的进一步改进：所述道路辅助组件包括路侧广播、可变信息板、车道灯以及交叉口信号灯中的一个或多个；所述路侧广播安装在进口道，当应急车道开启后，路侧广播用来循环播放引导提示内容；所述可变信息板安装在进口道，当应急车道开启后，可变信息板用来显示引导提示内容。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1、本发明的城市道路动态应急车道的控制方法及控制系统，原理简单、智能化程度高、易实现、适用范围广，本发明利用可变向车道来完成智能动态设置应急车道，从而解决了城市土地资源有限不能增设应急专用道的问题，又提高了应急车辆的救援效率与救援质量。
2、本发明的城市道路动态应急车道的控制方法及控制系统，在可变向车道两边设置车道灯设置应急车辆封闭区，在应急车道开启后，社会车辆也可是使用应急车道提高道路利用率。
3、本发明的城市道路动态应急车道的控制方法及控制系统，在交叉口设置可变信息板和路侧广播，应急车道开启后可变信息板和路侧广播向社会车辆传递信息，提醒没有安装车载单元的社会车辆，这是提高应急车辆与社会车辆信息交互的一种重要方式。
4、本发明的城市道路动态应急车道的控制方法及控制系统，在路侧和应急车辆内部分别安装路侧单元与车载单元实现了应急车辆与社会车辆之间的沟通，将信息最大程度的公布，避免出现社会车辆退无可退的现象，最大提高了应急车辆的救援效率与救援质量。
附图说明
图1是本发明方法在具体应用实例中的流程示意图。
图2是本发明在具体应用实例中的应用原理示意图。
图3本发明系统在具体应用实例中的拓扑结构示意图。
图4本发明在具体应用实例中应急车道设置细节的示意图。
具体实施方式
以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
如图1和图2所示，本发明的城市道路动态应急车道的控制方法，用于在城市道路中设置动态应急车道并对该动态应急车道进行智能化实时动态控制，该方法包括：
接收应急车辆通过的应急任务；
根据应急任务中应急车辆的通行需求判断城市道路的通行能力是否满足应急任务，如满足就不开启动态应急车道，如不满足则开启动态应急车道；
如开启动态应急车道，则在应急车辆途经的城市道路中开设一条专用应急车道；在专用应急车道的上游设置交叉口，利用交叉口使应急车辆转入专用应急车道。所述上游为顺着应急车辆的行进方向进入专用应急车道前的位置。
由上而知，本发明上述动态应急车道的开启方法(控制逻辑)：控制中心获得应急车辆优先请求，将应急车辆通行路径发送到沿线交叉口，检测应急车辆位置，在下游路段，开启应急车道灯，待应急车辆通过后，应急车道灯关闭，恢复正常。
在本发明的上述过程中，判断城市道路的通行能力是否满足应急任务的流程包括：
步骤S1：应急车辆接受应急任务，通过车载单元发送应急路径和应急需求；记录应急车辆出发时刻为Tleave，应急车辆期望到达交叉口的时间长度为tEV；
步骤S2：获取应急路径中途经应急车道内现有车辆数N(即应急车辆发送请求后应急车道内存在的车辆数)，交叉口上游流量为Q，计算交叉口预计消散车辆数
Figure BDA0002613098130000061
计算交叉口消散能力Nc＝S·Xi·tEV，比较NN与Nc大小，选择是否开启应急车道；其中，交叉口饱和流率为S，交叉口信号灯绿信比为Xi，应急车辆期望到达交叉口的时间长度为tEV；
本发明通过比较NN与Nc大小选择是否打开应急车道：(a)当Nc-NN≥0，说明交叉口的消散能力强，不开启应急车道，应急车辆也可以顺利通过交叉口；(b)当Nc-NN≥0不成立，则说明交叉口的消散能力弱，需要开启应急车道，通过应急车道的辅助才能使应急车辆顺利通过交叉口。
进一步，本发明的上述步骤还包括计算应急车道开启的时刻，即如果开启应急车道，则计算应急车道开启的时刻。在本发明的技术方案中，开启应急车道的时刻为TO＝Tleave+t，其中
Figure BDA0002613098130000062
即
Figure BDA0002613098130000063
本发明开启应急车道的时刻为TO＝Tleave+t，(a)当TO时刻晚于Tleave时刻，则应急车道在应急车辆发送请求后t秒后开启；(b)当TO时刻早于Tleave时刻，则应急车道在应急车辆发送请求后立即开启应急车道，同时信号灯要予以一定的优先通行权，以保证应急车辆顺利通过交叉口。
本发明在应急车道开启后，已经在应急车道的内的车辆可以选择继续在道路上行驶，或者选择合适机会换道，但其他车道的社会车辆不允许进入。
本发明作为应急车道一侧的车道指示灯箭头显示红色，不作为应急车道一侧的车道灯不开启。
在具体应用实例中，本发明可以选择结合边缘计算方法及通过交叉口广角摄像头获取应急车道现有车辆数，即包括：
步骤S101：利用摄像头获取所述交叉口的平均交通量Q；
步骤S102：根据Greenshields提出的速度密度模型
Figure BDA0002613098130000071
以及Q＝K·v，得到流量密度关系式
Figure BDA0002613098130000072
根据流量密度关系式获得路段的密度K；其中v为区间平均车速,自由流速度vf为车流密度趋于零车辆可以畅行无阻时的平均速度，K为平均密度，阻塞密度Kj为车流密集到所有车辆无法移动(v＝0)时的密度；
步骤S103：摄像头获取部分车辆排队长度为l0，路段总长为l，所以应急车辆发送请求后应急车道内存在的车辆数
Figure BDA0002613098130000073
在具体应用实例中，本发明可以选取单向三车道的道路形式，根据应急车辆预定的应急路径选择合适车道作为应急车道，满足应急车辆在左转、直行以及右转三个方向的优先权以提高应急车辆的救援效率与质量。可以理解，本发明也可以选择其他数量的车道来完成实施，这也应当在本发明的保护范围之内。
进一步，本发明在单向三车道的中间车道的两边边线每200m对向安装箭头车道指示灯，当应急车道开启后车道指示灯亮红灯，示意社会车辆禁止驶入，未作为应急车道车道指示灯不启亮。
在具体应用实例中，本发明可以选择利用车路协同技术，在路侧安装路侧单元(RSU)上行向边缘云计算单元传递应急车辆请求数据、出发时刻，下行与应急车辆进行通讯。
在具体应用实例中，本发明可以选择在交叉口安装广角摄像头用于获取路段社会车辆的排队长度L，以获得应急车辆发送请求后应急车道内的现存车辆数N。
本发明在上述方法的基础上，进一步提供一种城市道路中动态应急车道的控制系统，如图3和图4所示，该控制系统包括：
路侧安装路侧单元(RSU)，用来上行向边缘云计算单元传递应急车辆请求数据、出发时刻，下行与应急车辆进行通讯；
图像采集单元，用于获取应急车道路段社会车辆的排队长度L，以获得应急车辆发送请求后应急车道内的现存车辆数N。
边缘云计算单元，用于处理路侧单元(RSU)传输的信息，通过计算后利用路侧单元(RSU)向道路辅助组件发出控制指令。
车载单元(OBU)，安装于应急车辆上，用来进行实时主动向路侧单元(RSU)发布应急路径、应急请求消息。
具体应用时，上述图像采集单元可以选择为安装于交叉口处的广角摄像头。
具体应用时，所述道路辅助组件包括路侧广播、可变信息板、车道灯以及交叉口信号灯中的一个或多个。
进一步，在较佳实施例中，道路辅助组件中的路侧广播可以安装在进口道，当应急车道开启后，路侧广播用来循环播放引导提示内容，例如为“应急车道已开启，请注意避让”等信息，提醒社会车辆避让，辅助应急车辆行驶。
进一步，在较佳实施例中，道路辅助组件中的可变信息板可以安装在进口道，当应急车道开启后，可变信息板用来显示引导提示内容，例如为“XX车道为应急车道，社会车辆禁止驶入”等字样，提醒社会车辆避让，辅助应急车辆行驶。
进一步，在较佳实施例中，边缘云计算单元可以安装在路侧，所述边缘云计算单元用于处理路侧单元(RSU)传输的信息，通过计算利用路侧单元(RSU)向路侧广播、可变信息板、车道灯、广角摄像头以及交叉口信号灯发布相应指令。
在本发明的上述较佳技术方案中，本发明边缘云计算单元与路侧单元(RSU)、可变信息板、车道灯以及信号灯通过有线网络/LTE/5G方式交互。
在本发明的上述较佳技术方案中，本发明在应急车辆上安装的车载单元(OBU)实时主动向路侧单元(RSU)发布应急路径、应急请求消息。本发明车载单元(OBU)与路侧单元(RSU)通过有线网络/LTE/5G方式交互。也就是说，车载单元(OBU)主要用来传递位置、速度信息，而车辆内部本身就有GPS模块，所以该功能易实现。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种城市道路动态应急车道的控制方法，其特征在于，包括：
接收应急车辆通过的应急任务；
根据应急任务中应急车辆的通行需求判断城市道路的通行能力是否满足应急任务，如满足就不开启动态应急车道，如不满足则开启动态应急车道；
如开启动态应急车道，则在应急车辆途经的城市道路中开设一条专用应急车道；在专用应急车道的上游设置交叉口，利用交叉口使应急车辆转入专用应急车道。
2.根据权利要求1所述的城市道路动态应急车道的控制方法，其特征在于，所述判断城市道路的通行能力是否满足应急任务的流程包括：
步骤S1：应急车辆接受应急任务，通过车载单元发送应急路径和应急需求；记录应急车辆出发时刻为Tleave，应急车辆期望到达交叉口的时间长度为tEV；
步骤S2：获取应急路径中途经应急车道内现有车辆数，交叉口上游流量为Q，计算交叉口预计消散车辆数
Figure FDA0002613098120000011
计算交叉口消散能力Nc＝S·Xi·tEV，比较NN与Nc大小，选择是否开启应急车道；其中，交叉口饱和流率为S，交叉口信号灯绿信比为Xi，应急车辆期望到达交叉口的时间长度为tEV。
3.根据权利要求2所述的城市道路动态应急车道的控制方法，其特征在于，通过比较NN与Nc大小选择是否打开应急车道：(a)当Nc-NN≥0，说明交叉口的消散能力强，不开启应急车道，应急车辆也可以顺利通过交叉口；(b)当Nc-NN≥0不成立，则说明交叉口的消散能力弱，需要开启应急车道，通过应急车道的辅助才能使应急车辆顺利通过交叉口。
4.根据权利要求2或3所述的城市道路动态应急车道的控制方法，其特征在于，还包括计算应急车道开启的时刻，即如果开启应急车道，开启应急车道的时刻为TO＝Tleave+t，其中
Figure FDA0002613098120000012
即
Figure FDA0002613098120000013
5.根据权利要求4所述的城市道路动态应急车道的控制方法，其特征在于，开启应急车道的时刻为TO＝Tleave+t，(a)当TO时刻晚于Tleave时刻，则应急车道在应急车辆发送请求后t秒后开启；(b)当TO时刻早于Tleave时刻，则应急车道在应急车辆发送请求后立即开启应急车道，同时信号灯要予以优先通行权，以保证应急车辆顺利通过交叉口。
6.根据权利要求2或3所述的城市道路动态应急车道的控制方法，其特征在于，所述步骤S2中，选择结合边缘计算方法及通过图像采集方式获取应急车道现有车辆数，即包括：
步骤S101：利用图像采集获取所述交叉口的平均交通量Q；
步骤S102：根据速度密度模型
Figure FDA0002613098120000021
以及Q＝K·v，得到流量密度关系式
Figure FDA0002613098120000022
根据流量密度关系式获得路段的密度K；其中v为区间平均车速,自由流速度vf为车流密度趋于零车辆可以畅行无阻时的平均速度，K为平均密度，阻塞密度Kj为车流密集到所有车辆无法移动(v＝0)时的密度；
步骤S103：通过图像采集获取部分车辆排队长度为l0，路段总长为l，得到应急车辆发送请求后应急车道内存在的车辆数
Figure FDA0002613098120000023
7.根据权利要求2或3所述的城市道路动态应急车道的控制方法，其特征在于，选取单向三车道的道路形式，根据应急车辆预定的应急路径选择合适车道作为应急车道，满足应急车辆在左转、直行以及右转三个方向的优先权。
8.一种城市道路中动态应急车道的控制系统，其特征在于，包括：
路侧单元RSU，用来上行向边缘云计算单元传递应急车辆请求数据、出发时刻，下行与应急车辆进行通讯；
图像采集单元，用于获取应急车道路段社会车辆的排队长度L，以获得应急车辆发送请求后应急车道内的现存车辆数N；
边缘云计算单元，用于处理路侧单元RSU传输的信息，通过计算后利用路侧单元RSU向道路辅助组件发出控制指令；
车载单元OBU，安装于应急车辆上，用来进行实时主动向路侧单元RSU发布应急路径、应急请求消息。
9.根据权利要求8所述的城市道路中动态应急车道的控制系统，其特征在于，所述图像采集单元为安装于交叉口处的广角摄像头。
10.根据权利要求8所述的城市道路中动态应急车道的控制系统，其特征在于，所述道路辅助组件包括路侧广播、可变信息板、车道灯以及交叉口信号灯中的一个或多个；所述路侧广播安装在进口道，当应急车道开启后，路侧广播用来循环播放引导提示内容；所述可变信息板安装在进口道，当应急车道开启后，可变信息板用来显示引导提示内容。
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