CN114023086A - 一种基于v2x的交叉口交通信号控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于V2X的交叉口交通信号控制系统，其通过V2X方式建立车辆与路侧设备之间的互联，在根据实际交通路况优化调整信号灯配时的同时，还基于调整后的配时来引导车辆编队的通过，实现了车辆与交通信号两者间的协同配合，从而能够显著提高交叉口位置安全性以及交通效率，有效减少停车次数，并能降低排放与能源消耗。相对于采用固定配时的现有交通信号控制方式，具有诸多本领域技术人员所预料不到的有益效果。

Description

一种基于V2X的交叉口交通信号控制系统

技术领域

本发明属于智慧交通信号管理与控制技术领域，具体涉及一种基于V2X的交叉口交通信号控制系统。

背景技术

目前对于道路交叉口的交通信号控制主要依赖于信号灯控制机来实现，通过信号灯的灯色变化来控制交叉路口车辆的启停。然而，这种交通控制方式存在着诸多不足，由于信号控制机多采用固定的信号灯切换规则配时不够科学，无法及时地根据交叉路口及其连接道路的实际交通情况优化配时，某些情况下常会导致交叉口通行效率降低；由于绿灯和红灯配时不合理，导致在信号灯处于黄灯期间，部分车辆为了通过交叉路口会突然加速，也存在一定的事故隐患，因此。如何针对道路交叉口在现有信号灯的控制方式基础上，对道路实时路况也加以考虑，以提高交通出行效率并实现车路协同、车车协同，是本领域中亟待解决的技术问题。

发明内容

针对上述本领域中存在的技术问题，本发明提供了一种基于V2X的交叉口交通信号控制系统，由车载系统与路侧设备系统组成；

其中，所述车载系统包括车载单元模块(OBU)，定位模块和人机交互模块；所述车载单元模块用于与所述路侧设备系统以V2X方式进行通讯，将所述定位模块获取的车辆定位与速度信息传输至所述路侧设备系统，以及接收所述路侧设备系统发送的车速引导策略；所述人机交互模块用于根据所述车速引导策略辅助车辆通过交叉口；

所述路侧设备系统包括与车辆通讯的V2X通讯模块、数据处理模块以及信号灯控制模块；所述数据处理模块用于基于车辆的定位与速度信息，对抵近交叉口的车辆车速进行识别，判别出各车能否在当前信号灯配时策略下的绿灯周期内通过交叉口；以及结合交叉口处四个方向的信号灯，构建4相位信号配时模型用于对交叉口各方向上的通行或停止状态进行控制切换，并根据各方向的车流情况提供对应相位的延长绿灯时长或缩短红灯时长的配时优化策略；所述信号灯控制模块基于所述数据处理模块提供的配时优化策略，控制交叉口各向信号灯发出相应交通信号。

进一步地，所述数据处理模块判别各车能否在当前信号灯配时策略下的绿灯周期内通过交叉口，包括判断车辆是否能以减速状态还是加速状态通过，具体判断过程如下：

由于车辆通过交叉口时通常需要经历先减速与车辆编队的自由流速度相对一致，再随车辆编队以减速、匀速巡航或加速的状态通过，从车辆进入交叉口通信范围到完成通过期间的速度变化如下：

其中，v₀与t₀分别是车辆进入交叉口通信范围的速度与时间，v_q,t为车辆通过交叉口的巡航速度，t₁为车辆的减速时间，t_c为车辆减速后保持匀速行驶的时间，t₂为车辆的加速时间，t₃为车辆通过交叉口的时间，a_-、a₊分别为反向和正向加速度，v_f为自由流速度；

1)对于需要保持减速或匀速通过的车辆；定义交叉口的最低行驶速度为v_min，当车辆的速度低于v_min的时候，认为车辆处于停止的状态；则车速满足以下约束条件时无法通过交叉口：

其中，d为车辆所在位置距离停车线的距离，d₀为车辆所在位置距离车辆编队最后一辆车的距离；这三个约束分别对应的情况分别为：①车辆在减速的过程中最低车速低于v_min；②车辆在交叉口有排队的情况下无法做到不停车接近车辆排队；③车辆无法在当前绿灯周期内以减速状态通过交叉口；

2)对于需要加速通过的车辆，其通过期间的速度变化如下：

其中，t₄为加速阶段时间，t₅为车辆通过交叉口的时间；

则车速满足以下约束条件时无法通过交叉口：

这三个约束分别对应的情况分别为：①编队车辆加速的最大速度超过交叉口的自由流速度v_f；②编队车辆的速度规划时间超过了交叉口当前周期内剩余的绿灯时间t_g；③编队车辆在当前绿灯周期内无法以加速通过交叉口。

进一步地，4相位信号配时模型具体遵循以下约束构建：

其中，C表示各方向均完成一次通过的周期时长，g_j表示相位j的有效绿灯时长，t_L为交叉口信号的损失时间，j＝1,2,3,4，g_min、g_max分别为预设的最小和最大绿灯时长，避免某相位的绿灯周期过长或过短并影响其他相位的通行。

进一步地，延长绿灯时长的所述配时优化策略具体针对交叉口某方向对应的相位上车流中编队车辆较多，根据对各车辆能否通过的判别结果显示按照当前配时的绿灯周期已无法满足通过需要时，基于以下条件延长该相位的绿灯时长：

对上式简化得到最小绿灯延长时间g_a：

g₀≤g_a≤g_j+1-g_j+1,min

其中，l_i表示第i辆车的车身长度，而d_i表示车辆的安全间距，t_g为交叉口信号灯剩余绿灯时间，a_max为交叉口允许的最大加速度，L为编队头车在t₀时刻与交叉口的距离，v₀为车辆进入交叉口通信范围的速度，v_f为通过交叉口的车辆自由流速度，g_j+1为第j+1相位的当前配时绿灯时长，g_j+1,min为j+1相位的最短绿灯时长，g₀为信号灯初始相位的有效绿灯时长，N为编队中车辆总数；

缩短红灯时长的所述配时优化策略具体针对交叉口某方向对应的相位上自由流车速较快，根据对各车辆能否通过的判别结果显示按照当前配时的红灯周期易导致停车等候编队过长时，基于以下条件缩短该相位的红灯时长：

对上式简化得到最小红灯缩短时间r_d：

g₀≤r_d≤g_j+1-g_j+1,min

其中，t_r为交叉口信号灯剩余红灯时间，a'_max为交叉口允许的最大加速度。

进一步地，所述路侧设备系统基于所述配时优化策略，向车载系统发送以下车速引导策略：

根据延长绿灯时长的所述配时优化策略，引导编队中的车辆加速通过交叉口，通过时的速度变化规划如下：

其中，t′₁为延长绿灯时长后车辆的减速时间；

则车辆编队须遵循以下约束：

根据缩短红灯时长的所述配时优化策略，引导编队中的车辆减速通过交叉口，通过时的速度变化规划如下：

其中，v_q为缩短红灯时长后车辆通过交叉口的巡航速度，t′₂为缩短红灯时长后车辆的减速时间；

则车辆编队须遵循以下约束：

上述本发明所提供的系统，通过V2X方式建立车辆与路侧设备之间的互联，在根据实际交通路况优化调整信号灯配时的同时，还基于调整后的信号配时来引导车辆编队的通过，实现了车辆与交通信号两者间的协同配合，从而能够显著提高交叉口位置安全性以及交通效率，有效减少停车次数，并能降低排放与能源消耗。相对于采用固定配时的现有交通信号控制方式，具有诸多本领域技术人员所预料不到的有益效果。

附图说明

图1为本发明所适用的常见交叉口示例场景图；

图2为本发明所提供系统的结构组成图；

图3为延长绿灯时长的配时优化策略流程图；

图4为缩短红灯时长的配时优化策略流程图；

图5为本发明所提供系统的整体控制流程图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

针对如图1所示的常见道路交叉口，本发明所提供的一种基于V2X的交叉口交通信号控制系统如图2所示，由车载系统与路侧设备系统组成；

其中，所述车载系统包括车载单元模块(OBU)，定位模块和人机交互模块；所述车载单元模块可布置于车辆上，其通信收发天线置于车辆顶部无遮蔽位置，设备采用车上12V供电，车载单元模块通过C-V2X技术与路侧设备单元模块进行信息交互，同时也通过CAN总线获取定位模块中的车辆定位信息，其用于与所述路侧设备系统以V2X方式进行通讯，将所述定位模块获取的车辆定位与速度信息传输至所述路侧设备系统，以及接收所述路侧设备系统发送的车速引导策略。定位模块可采用包括GPS定位设备、GPS定位天线及其他供电配套线缆的组成结构。GPS定位线置于车辆顶部无遮蔽位置，定位天线与GPS定位设备相连，定位设备上有RS232接口，可将定位信息通过RS232发送给数据采集模块；数据采集模块通过RS232获取GPS实时定位信息，其中包括经纬度、速度、航向角等信息，并通过CAN总线将车辆定位信息实时发送给车载单元模块。所述人机交互模块用于根据所述车速引导策略辅助车辆通过交叉口，其可通过WiFi与车载单元模块进行通信，将得到的消息通过视觉、听觉方式反馈给驾驶员，便于驾驶员获取驾驶过程中全方位、更广范围的交通情况，从而保证驾乘安全，提高通行效率，降低能源消耗与排放。

所述路侧设备系统包括与车辆通讯的V2X通讯模块、数据处理模块以及信号灯控制模块；所述数据处理模块可采用装载了多接入边缘计算处理器模块(MEC)，具备信息收集与信息决策能力，能够综合车辆位置信息和交叉口综合信息制定信号灯策略和车速引导策略，其用于基于车辆的定位与速度信息，对抵近交叉口的车辆车速进行识别，判别出各车能否在当前信号灯配时策略下的绿灯周期内通过交叉口；以及结合交叉口处四个方向的信号灯，构建4相位信号配时模型用于对交叉口各方向上的通行或停止状态进行控制切换，并根据各方向的车流情况提供对应相位的延长绿灯时长或缩短红灯时长的配时优化策略；所述信号灯控制模块基于所述数据处理模块提供的配时优化策略，控制交叉口各向信号灯发出相应交通信号。

在本发明的一个优选实施方式中，所述数据处理模块判别各车能否在当前信号灯配时策略下的绿灯周期内通过交叉口，包括判断车辆是否能以减速状态还是加速状态通过，具体判断过程如下：

由于车辆通过交叉口时通常需要经历先减速与车辆编队的自由流速度相对一致，再随车辆编队以减速、匀速巡航或加速的状态通过，从车辆进入交叉口通信范围到完成通过期间的速度变化如下：

其中，v₀与t₀分别是车辆进入交叉口通信范围的速度与时间，v_q,t为车辆通过交叉口的巡航速度，t₁为车辆的减速时间，t_c为车辆减速后保持匀速行驶的时间，t₂为车辆的加速时间，t₃为车辆通过交叉口的时间，a_-、a₊分别为反向和正向加速度，v_f为自由流速度；

1)对于需要保持减速或匀速通过的车辆；定义交叉口的最低行驶速度为v_min，当车辆的速度低于v_min的时候，认为车辆处于停止的状态；则车速满足以下约束条件时无法通过交叉口：

其中，d为车辆所在位置距离停车线的距离，d₀为车辆所在位置距离车辆编队最后一辆车的距离；这三个约束分别对应的情况分别为：①车辆在减速的过程中最低车速低于v_min；②车辆在交叉口有排队的情况下无法做到不停车接近车辆排队；③车辆无法在当前绿灯周期内以减速状态通过交叉口；

2)对于需要加速通过的车辆，其通过期间的速度变化如下：

其中，t₄为加速阶段时间，t₅为车辆通过交叉口的时间；

则车速满足以下约束条件时无法通过交叉口：

这三个约束分别对应的情况分别为：①编队车辆加速的最大速度超过交叉口的自由流速度v_f；②编队车辆的速度规划时间超过了交叉口当前周期内剩余的绿灯时间t_g；③编队车辆在当前绿灯周期内无法以加速通过交叉口。

在本发明的一个优选实施方式中，4相位信号配时模型具体遵循以下约束构建：

其中，C表示各方向均完成一次通过的周期时长，g_j表示相位j的有效绿灯时长，t_L为交叉口信号的损失时间，j＝1,2,3,4，g_min、g_max分别为预设的最小和最大绿灯时长。

在本发明的一个优选实施方式中，延长绿灯时长的所述配时优化策略如图3所示，其具体针对交叉口某方向对应的相位上车流中编队车辆较多，根据对各车辆能否通过的判别结果显示按照当前配时的绿灯周期已无法满足通过需要时，基于以下条件延长该相位的绿灯时长：

对上式简化得到最小绿灯延长时间g_a：

g₀≤g_a≤g_j+1-g_j+1,min

其中，l_i表示第i辆车的车身长度，而d_i表示车辆的安全间距，t_g为交叉口信号灯剩余绿灯时间，a_max为交叉口允许的最大加速度，L为编队头车在t₀时刻与交叉口的距离，v₀为车辆进入交叉口通信范围的速度，v_f为通过交叉口的车辆自由流速度，g_j+1为第j+1相位的当前配时绿灯时长，g_j+1,min为j+1相位的最短绿灯时长，g₀为信号灯初始相位的有效绿灯时长，N为编队中车辆总数；

缩短红灯时长的所述配时优化策略如图4所示，其具体针对交叉口某方向对应的相位上自由流车速较快，根据对各车辆能否通过的判别结果显示按照当前配时的红灯周期易导致停车等候编队过长时，基于以下条件缩短该相位的红灯时长：

对上式简化得到最小红灯缩短时间r_d：

g₀≤r_d≤g_j+1-g_j+1,min

其中，t_r为交叉口信号灯剩余红灯时间，a'_max为交叉口允许的最大加速度。

在本发明的一个优选实施方式中，本系统可结合信号灯配时优化与编队车辆引导规划两方面协同配合，从而形成如图5所示的综合交通管理与引导优化策略。所述路侧设备系统基于所述配时优化策略，向车载系统发送以下车速引导策略：

根据延长绿灯时长的所述配时优化策略，引导编队中的车辆加速通过交叉口，通过时的速度变化规划如下：

其中，t′₁为延长绿灯时长后车辆的减速时间；

则车辆编队须遵循以下约束：

根据缩短红灯时长的所述配时优化策略，引导编队中的车辆减速通过交叉口，通过时的速度变化规划如下：

其中，v_q为缩短红灯时长后车辆通过交叉口的巡航速度，t′₂为缩短红灯时长后车辆的减速时间；

则车辆编队须遵循以下约束：

应理解，本发明实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.一种基于V2X的交叉口交通信号控制系统，其特征在于：由车载系统与路侧设备系统组成；

其中，所述车载系统包括车载单元模块，定位模块和人机交互模块；所述车载单元模块用于与所述路侧设备系统以V2X方式进行通讯，将所述定位模块获取的车辆定位与速度信息传输至所述路侧设备系统，以及接收所述路侧设备系统发送的车速引导策略；所述人机交互模块用于根据所述车速引导策略辅助车辆通过交叉口；

所述路侧设备系统包括与车辆通讯的V2X通讯模块、数据处理模块以及信号灯控制模块；所述数据处理模块用于基于车辆的定位与速度信息，对抵近交叉口的车辆车速进行识别，判别出各车能否在当前信号灯配时策略下的绿灯周期内通过交叉口；以及结合交叉口处四个方向的信号灯，构建4相位信号配时模型用于对交叉口各方向上的通行或停止状态进行控制切换，并根据各方向的车流情况提供对应相位的延长绿灯时长或缩短红灯时长的配时优化策略；所述信号灯控制模块基于所述数据处理模块提供的配时优化策略，控制交叉口各向信号灯发出相应交通信号。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述数据处理模块判别各车能否在当前信号灯配时策略下的绿灯周期内通过交叉口，包括判断车辆是否能以减速状态还是加速状态通过，具体判断过程如下：

由于车辆通过交叉口时通常需要经历先减速与车辆编队的自由流速度相对一致，再随车辆编队以减速、匀速巡航或加速的状态通过，从车辆进入交叉口通信范围到完成通过期间的速度变化如下：

其中，v₀与t₀分别是车辆进入交叉口通信范围的速度与时间，v_q,t为车辆通过交叉口的巡航速度，t₁为车辆的减速时间，t_c为车辆减速后保持匀速行驶的时间，t₂为车辆的加速时间，t₃为车辆通过交叉口的时间，a_-、a₊分别为反向和正向加速度，v_f为自由流速度；

1)对于需要保持减速或匀速通过的车辆；定义交叉口的最低行驶速度为v_min，当车辆的速度低于v_min的时候，认为车辆处于停止的状态；则车速满足以下约束条件时无法通过交叉口：

其中，d为车辆所在位置距离停车线的距离，d₀为车辆所在位置距离车辆编队最后一辆车的距离；

2)对于需要加速通过的车辆，其通过期间的速度变化如下：

其中，t₄为加速阶段时间，t₅为车辆通过交叉口的时间；

则车速满足以下约束条件时无法通过交叉口：

3.如权利要求2所述的系统，其特征在于：4相位信号配时模型具体遵循以下约束构建：

g_min≤g_j≤g_max

其中，C表示各方向均完成一次通过的周期时长，g_j表示相位j的有效绿灯时长，t_L为交叉口信号的损失时间，j＝1、2、3、4，g_min、g_max分别为预设的最小和最大绿灯时长。

4.如权利要求3所述的系统，其特征在于：延长绿灯时长的所述配时优化策略具体基于以下条件延长该相位的绿灯时长：

对上式简化得到最小绿灯延长时间g_a：

g₀≤g_a≤g_j+1-g_j+1,min

其中，l_i表示第i辆车的车身长度，而d_i表示车辆的安全间距，t_g为交叉口信号灯剩余绿灯时间，a_max为交叉口允许的最大加速度，L为编队头车在t₀时刻与交叉口的距离，v₀为车辆进入交叉口通信范围的速度，v_f为通过交叉口的车辆自由流速度，g_j+1为第j+1相位的当前配时绿灯时长，g_j+1,min为j+1相位的最短绿灯时长，g₀为信号灯初始相位的有效绿灯时长，N为编队中车辆总数；

缩短红灯时长的所述配时优化策略具体基于以下条件缩短该相位的红灯时长：

对上式简化得到最小红灯缩短时间r_d：

g₀≤r_d≤g_j+1-g_j+1,min

其中，t_r为交叉口信号灯剩余红灯时间，a'_max为交叉口允许的最大加速度。

5.如权利要求4所述的系统，其特征在于：所述路侧设备系统基于所述配时优化策略，向车载系统发送以下车速引导策略：

根据延长绿灯时长的所述配时优化策略，引导编队中的车辆加速通过交叉口，通过时的速度变化规划如下：

其中，t′₁为延长绿灯时长后车辆的减速时间；

则车辆编队须遵循以下约束：

根据缩短红灯时长的所述配时优化策略，引导编队中的车辆减速通过交叉口，通过时的速度变化规划如下：

其中，v_q为缩短红灯时长后车辆通过交叉口的巡航速度，t′₂为缩短红灯时长后车辆的减速时间；

则车辆编队须遵循以下约束：

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