CN114708741A - 一种基于v2x技术的多相位公交优先控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了智能交通技术领域的一种基于V2X技术的多相位公交优先控制系统，主要包括RSU端和OBU端，所述RSU端硬件包括RSU端V2X核心控制模块、底板模块、驱动模块、黄闪模块、控制面板模块和车检通讯模块，所述OBU端硬件包括OBU端V2X核心控制模块和人机交互显示屏；本发明适用单一交叉路口的多公交优先场景，可以在同一时间内满足多个冲突的公交优先申请信号，面对多车辆冲突，使用决策树算法对各种可能性决策方案进行计算，以交叉口的总人均延误时间最小为判断依据，确定最终的决策方案，在保证公交优先的同时尽可能减少交叉路口的人均延误情况，保证了大多数人的利益，大大提高了交叉路口的通行能力。

Description

一种基于V2X技术的多相位公交优先控制方法
技术领域
本发明涉及智能交通技术领域，具体指一种基于V2X技术的多相位公交优先控制方法。
背景技术
随着国家经济快速、稳定的发展，全国各地的城市化进程在快速推进，经济水平的提升推动了各地区机动车保有量的迅速增长，但是我国城市的建设特别是城市道路建设又很难紧跟其发展步伐，由此引起了一系列交通问题，例如交通拥堵、交通事故、交通延误等事件频发，同时还加剧了废气污染、噪声等环境问题，这些都影响着城市居民的正常生活以及社会经济的可持续健康发展。
近些年来，我国的人口规模和结构发生了很大的变化，人口开始出现大规模向大城市迁移，大城市的这种车路矛盾显得尤为突出，如何改善这一矛盾是大城市可持续发展不可避免的难题。从人口数量以及人口密度的国情角度出发，我国对应公共交通的需求量为世界第一，优先发展公共交通能够有效地缓解交通拥堵、促进城市可持续健康发展同时提升居民的出行体验。大力发展公共交通出行是缓解城市道路拥堵和降低车辆延误的有效手段。
现存的公交优先技术以RFID和车路协同技术为主，受制于二者技术的局限存在一些不足。一方面，传统公交优先的通信技术单一，交互性差，在整个控制过程中无法可靠的掌握公交车行程，无法准确的实现优先控制，额外增加路口的延误时间。另一方面，现有的公交优先以单一公交优先信号控制为主，未对多公交优先场景进行分析和优先通行策略进行研究，而这恰恰是日常生活中最频繁出现的场景之一。受限于车辆检测技术，无法很好的预测车辆的通过时间，额外增加非优先相位的延误时间，也是现存公交优先控制方法的显著缺点。
因此，亟需设计一种基于V2X技术的多相位公交优先控制方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于V2X技术的多相位公交优先控制方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于V2X技术的多相位公交优先控制系统，包括RSU端和OBU端，其硬件特征在于：所述RSU端包括RSU端V2X核心控制模块、底板模块、驱动模块、黄闪模块、控制面板模块和车检通讯模块，所述OBU端包括OBU端V2X核心控制模块和人机交互显示屏。
进一步的，上述基于V2X技术的多相位公交优先控制系统中，所述RSU端V2X核心控制模块软件功能包括交通接口服务模块、时钟位置服务模块、无线消息接口服务模块和车联网业务处理模块。
进一步的，上述基于V2X技术的多相位公交优先控制系统中，所述OBU端V2X核心控制模块软件功能包括定位功能，距离计算功能，无线传输功能以及界面交互功能。
进一步的，上述基于V2X技术的多相位公交优先控制系统中，所述RSU端V2X核心控制模块的线程设计包括车流信息获取线程、后台服务器通讯线程和主线程三个线程。
一种基于V2X技术的多相位公交优先控制方法，包括以下步骤：
S1:开始控制算法时，信号机侧会不断接收通信范围内公交车的车辆信息，并在V2X核心控制模块中根据决策阈值对车辆信息进行辨识，判断该车辆是否参与公交优先的决策；
S2:当参与决策的公交车数量大于2，信号机会预测所有公交车到达路口的时间，并分别计算公交车辆对当前路口的信号机状态响应，主要有绿灯延长和相位绿灯缩短两种；
S3:当只有两辆车对同一个相位的信号机状态响应出现冲突时，需要根据公式1结合每辆车的到达时间以及信号机当前的运行状态，计算各自状态响应对交叉路口所造成的人均综合延误时间，公式中pi表示公交车编号为i的载客人数，di表示公交车编号为i的延误时间，以人均延误时间小的信号机状态响应为最终的信号机状态决策；
Figure BDA0003602735360000031
S4:当出现公交车数量大于二时，会出现多车辆对一个周期内多相位的状态响应冲突，根据车辆对信号机状态响应的冲突情况，使用决策树算法分别计算各自延误，以人均延误时间最小为判断依据，确定最佳的优先通行策略。
进一步的，上述基于V2X技术的多相位公交优先控制方法中，在执行申请信号为绿灯延长时，对相位的延长时间需要根据车辆的通过情况进行确定，以车辆通过时刻确定为延长结束，遇到拥堵情况，最大延长到配时方案中各自相位所设定的最大绿灯时间，而绿灯缩短直接缩短到对应相位的最小绿灯时间。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明以V2X技术作为整个控制系统的技术支撑，采用DSRC无线通信方式，具有信息传输范围广、距离远、信息传输准确性高的特点，借助高速稳定的无线通信实现车与车、车与基础设施、车与人、车与外部网络的信息交互，在本发明的场景中特指V2I，既车辆与信号机。本发明主要分为OBU(车载单元)和RSU(路侧单元)两部分，RSU在本发明中特指具有V2X通信功能的智能信号机控制系统，在实现控制方式前需要先根据信号配时确定公交优先控制的决策阈值，接着OBU需要计算车辆与交叉口的距离，确定各车辆所在车道对应的相位，并通过V2X模块发送给附近的RSU，RSU会接收通信范围内所有车辆的位置信息，以决策阈值为判断依据，统计需要实现公交优先的公交数量，根据不同的公交优先申请信号进行决策，出现多辆公交优先申请信号冲突时，使用决策树算法分别计算不同的信号状态响应所引起的人均延误时间，以人均延误最小为判断依据，确定最终的信号机运行决策方案。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例所需使用的附图作简单介绍，显而易见地，后文描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明总体系统示意图；
图2为本发明决策树结构图；
图3为本发明RSU端系统原理图；
图4为本发明RSU端软件流程图；
图5为本发明OBU端软件流程图；
图6为本发明基于V2X的多相位优先控制流程图；
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供一种技术方案：
一种基于V2X技术的多相位公交优先控制系统，包括RSU端和OBU端，RSU端硬件包括RSU端V2X核心控制模块、底板模块、驱动模块、黄闪模块、控制面板模块和车检通讯模块，OBU端硬件包括OBU端V2X核心控制模块和人机交互显示屏；RSU端V2X核心控制模块软件功能包括交通接口服务模块、时钟位置服务模块、无线消息接口服务模块和车联网业务处理模块；OBU端V2X核心控制模块软件功能包括定位功能，距离计算功能，无线传输功能以及界面交互功能；RSU端V2X核心控制模块的线程设计包括车流信息获取线程、后台服务器通讯线程和主线程三个线程。
本方案中RSU端V2X核心控制模块负责实现交通控制算法以及无线消息的传递。交通控制算法中包括本发明提到的公交优先控制算法以及一些其他的交通算法，还负责向底板模块下发驱动命令，驱动信号灯。同时，也会获取信号灯的状态、相位、红绿灯倒计时以及车速引导等信息，将这些信息封装成一定的格式通过V2X核心控制模块的无线消息接口服务模块发送给路口周围的OBU，并且把这些信息通过TCP/IP上传到服务器管理平台。OBU端V2X核心控制模块内部具有定位功能，距离计算功能，无线传输功能以及界面交互功能。开始控制时公交车会不断的获取本车定位信息，并计算车辆与交叉口之间的距离，同时通过无线传输模块将车辆信息发送给RSU，供RSU预测车辆的到达时间。人机交互显示屏主要向驾驶员展示RSU发送的信号机状态以及车速引导信息。
本发明在计算延误时间时，考虑到公交车的载客量要远远大于普通车辆，不能以车辆数来计算延误时间，采用人均延误时间作为判断依据计算交叉路口的综合人均延误情况。本发明在进行多公交优先控制时，为了合理统计接近交叉路口的车辆数量，提出了决策阈值这一概念，以信号配时周期和公交平均车速为条件，计算出对应交叉路口的决策阈值，用于判断公交车辆与交叉路口的距离是否属于决策范围，排除远距离车辆对公交优先控制的干扰，提高了整个控制系统的准确性。本发明中RSU端通过其V2X核心控制模块内的无线消息接口服务模块获取道路上公交车OBU发送的车辆位置信息、速度信息以及转向信息，再将这些信息转接到V2X核心控制板，通过解析这些数据，可以获取道路上一定范围内公交车的位置信息，以及车辆到达交叉口的时间，使用决策树算法分别计算各决策方案的延误时间，以最小延误时间作为判断依据，作出合适的控制策略，并通过串口发送相关控制指令。本发明RSU端的V2X核心控制模块实时获取服务器管理平台通过TCP/IP发送的绿波通行速度、交通拥堵情况、天气等信息，并通过无线消息接口模块广播给路口周围的车辆，提高车辆通行的安全性和高效性。本发明中还具有服务器管理平台用于接收V2X核心控制板的道路车辆实时状态数据、路口红绿灯状态以及交通信息，交通管理者通过这些数据提供符合当前道路通行状况的最佳决策，在交通管理平台上对信号机进行配时方案设置，极大的方便了交管部门的协同调度，进一步提高出行效率。
一种基于V2X技术的多相位公交优先控制方法，包括以下步骤：
S1:开始控制算法时，信号机侧会不断接收通信范围内公交车的车辆信息，并在V2X核心控制模块中根据决策阈值对车辆信息进行辨识，判断该车辆是否参与公交优先的决策；
S2:当参与决策的公交车数量大于2，信号机会预测所有公交车到达路口的时间，并分别计算公交车辆对当前路口的信号机状态响应，主要有绿灯延长和相位绿灯缩短两种；
S3:当只有两辆车对同一个相位的信号机状态响应出现冲突时，需要根据公式1结合每辆车的到达时间以及信号机当前的运行状态，计算各自状态响应对交叉路口所造成的人均综合延误时间，公式中pi表示公交车编号为i的载客人数，di表示公交车编号为i的延误时间，以人均延误时间小的信号机状态响应为最终的信号机状态决策；
Figure BDA0003602735360000061
S4:当出现公交车数量大于二时，会出现多车辆对一个周期内多相位的状态响应冲突，根据车辆对信号机状态响应的冲突情况，使用决策树算法分别计算各自延误，以人均延误时间最小为判断依据，确定最佳的优先通行策略；以一个周期有四个阶段为例，短时间内共有六辆公交车到达路口，其中b1和b2，b3和b4，b5和b6此时的信号机状态响应都有冲突，每做一次决策都会根据公交车的实际通行情况计算对应的人均延误时间D，共有8种决策方案，最后分别计算各自方案的总延误时间，选择总延误时间最少的方案决策。以图2为例，经过计算后得出方案决策3在8种决策中所产生的延误时间最小，那么信号机在整个周期的决策顺序为执行b1的信号机状态响应，优先通行b1，接着执行b4的信号机状态响应，优先通行b4，最后执行b5的信号机状态响应，优先通行b5。通过这一决策树算法可以以人均延误最小决策出适合整个路口最优的公交优先同行方案。
图1为该发明的总体示意图，其中标注1为该发明的RSU端，既基于V2X的智能信号机控制系统，除了基本的信号相位控制功能外，还负责实现多相位公交优先控制算法，2为该发明的OBU端，主要负责获取定位信息和相关控制参数的计算。
图2决策树结构图。
图3为本发明提供的信号机侧系统硬件原理图：该发明的信号机侧主要包括RSU端V2X核心控制模块、底板模块、驱动模块、黄闪模块、控制面板模块和车检通讯模块。其中RSU端V2X核心控制模块功能主要包括交通接口服务模块、时钟位置服务模块、无线消息接口服务模块和车联网业务处理模块。交通接口服务模块用于向底板模块发送信号灯驱动指令以及获取车流量实时信息。时钟位置服务模块集成GNSS(全球导航定位卫星系统)模块，为系统提供定位以及校时功能。无消息接口服务模块在本发明中特指DSRC通信技术，负责进行短距离数据无线传输，可以通过该技术实现数据共享，为后续的数据处理和决策奠定基础；同时服务器管理平台下发的协调控制策略会经过该模块下发给所有的车辆，对车辆实现车速引导，改善道路拥堵情况，让路口车辆可以更加安全、高效地通行；最后无线消息接口服务模块实时获取路口车辆、路侧设备发送的实时路况信息，上传到数据处理模块，为路口信号控制提供更加丰富的数据信息。车联网业务处理模块的主要负责进行车联网相关业务的功能，通过无线消息接口服务模块获取路口车辆发送的车辆信息，解析信息得到车辆类型、位置信息、速度信息等，并结合具体的控制方式以及交通信号控制系统的状态，进行合理的控制策略调整，同时会将调整后的控制策略通过串口发送到主控模块；车联网业务处理模块获取服务器管理平台下发的信息，比如路口的状态信息、车速引导信息、绿波通行信息、道路拥堵信息等，通过无线消息接口服务模块发送给公交车的人机交互显示屏，供驾驶员参考，改善通行效率。
底板模块：主要负责信息的传递，一方面通过串口接受V2X核心模块发送的灯组驱动命令、手动控制命令等，再将驱动命令打包后发到CAN1总线上，驱动驱动模块的灯组；另一方面，通过CAN1总线将驱动板的灯组状态、报警信息等发送给底板，再通过底板发送给V2X核心控制板。另外通过CAN2总线，接收车检通讯模块采集到各个检测器的检测数据，并对数据进行处理和记录，接着发送到V2X核心控制模块，作为运行相关交通控制算法的数据基础。同时，手动控制面板主要通过IO口与底板模块进行连接，再通过底板将IO口的信息打包并发送给V2X核心控制板，实现手动控制信号机的功能。
驱动模块：驱动模块的功能是执行V2X核心控制模块经过底板模块转发的控制灯组的驱动命令，同时将信号灯的状态以及故障信息反馈给底板模块，再上传至V2X核心控制模块。驱动模块接收CAN1总线上的信息，通过驱动电路控制可控硅的通断来驱动信号灯工作，每一个驱动模块可同时驱动控制4个灯组，每个灯组三个灯色，共12个信号灯。驱动模块通过电压检测电路和电流检测电路监控信号灯的运行状态，并将状态信息返回给驱动板MCU，驱动板MCU根据这些信息进行红绿同亮、红灯不亮、绿灯不亮等故障的检测，并将故障信息上传至CAN1总线。
监控黄闪模块：监控黄闪模块主要实现对系统运行状态的监控，同时检测信号机避雷器的工作状态，且当信号机出现板卡状态异常，绿冲突，通讯异常等严重故障时监控模块可以接管信号灯的控制权，驱动黄灯进行独立黄闪控制。
车检通讯模块：数据处理模块需要通过接收车检器数据来统计路口流量信息，或者用车检器的触发信号来运行一些特殊的配置方案，车辆检测器信号的采集对信号机来说是不可或缺的。市场上车检器种类繁多，包括线圈车检器、视频车检器、地磁车检器，为了使众多车检器均能够在信号机上使用，使用多个车检通讯模块把各种车检器的协议转换成一个统一的协议发送给主控模块。
手动控制面板模块：该发明的手动控制面板上具有显示屏，系统运行时，用于显示路口信号灯状态、方案配置、阶段号及阶段时间等，在信号灯故障降级黄闪时还可以用图形及数据显示故障信息。手动控制面板上共有4个人工管制按键，分别用于控制关灯、全红、黄闪和手动切换相位，同时提供接口并联在侧门按键上。
服务器管理平台：服务器管理平台接收V2X核心控制模块上传的道路车辆实时状态数据和信号机控制信息，交通管理者通过这些数据提供解决当前的道路通行状况的最佳决策方案，极大地方便了交管部门的协同调度，提高了出行效率。
图4为该发明的RSU侧软件流程图。RSU端V2X核心控制模块的软件控制主要由三个线程构成，分别为车流信息获取线程、后台服务器通讯线程和主线程。主线程不但会执行各种交通控制算法，还会不断接受车辆的无线信息。在执行公交优先控制算法中会持续获取公交车的OBU信息并根据自身相位的运行状态进行决策，下发决策状态指令，控制对应信号灯，同时还通过无线消息接口服务模块向对应OBU发送信号机状态和车速引导信息。车流信息获取线程会定时获取车检通讯模块发送的各车道车流信息，供信号机实现各种交通控制算法。服务器通讯循环线程实现信号机控制系统与服务器的通讯，保证管控平台对信号机的实时监控。
图5为该发明公交车侧的OBU软件流程图。OBU端V2X核心控制模块主要由车载应用模块和人机交互模块两部分构成。得力于公交车行驶路线的固定，车载应用模块需要先对RUS的定位信息进行更新和确认，以保证计算距离的正确性，根据事先存储在OBU中对应编号的RUS定位信息实时计算本车与下一个即将通过的交叉路口的直线距离，并根据OBU与RSU的角度确定相对位置和所在车道，再将相关信息通过无线消息接口服务模块发送给RSU。人机交互模块主要显示RSU在进行公交优先控制时所发送的车速引导信息和信号灯实时信息，供驾驶员参考并合理行驶车辆，改善道路拥挤。
图6为本发明的基于V2X的多相位优先控制流程图，在开始控制时，首先信号机侧会不断接收附近公交车辆的定位信息，并根据车辆与信号机的距离以及信号机当前运行的相位判断各自的公交优先请求；接着需要对多个公交优先申请信号进行分析，检查各自的信号机请求是否冲突，若多个优先申请信号都不冲突，同为申请绿灯延长或者绿灯缩短，则执行对应的申请信号，当申请信号为绿灯延长时，对相位的延长时间需要根据车辆的通过情况进行确定，以车辆通过时刻确定为延长结束，道路特别拥堵时，最大延长到配时方案中各自相位所设定的最大绿灯时间，绿灯缩短直接缩短到对应相位的最小绿灯时间；最后，根据类似图2决策树算法中的各个树枝路径和公式1分别计算各申请信号下的人均延误情况，确定各阶段的公交优先控制方案。
本发明提出的一种基于V2X的多相位公交优先控制方法，适用单一交叉路口的多公交优先场景。可以在同一时间内满足多个冲突的公交优先申请信号，使用决策树算法对各种可能性决策方案进行罗列并计算，以交叉口的总人均延误时间最小为判断依据，确定最终的决策方案，在保证公交优先的同时尽可能减少交叉路口的人均延误情况。保证了大多数人的利益，大大提高了交叉路口的通行能力。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (6)

1.一种基于V2X技术的多相位公交优先控制系统，包括RSU端和OBU端，其硬件特征在于：所述RSU端包括RSU端V2X核心控制模块、底板模块、驱动模块、黄闪模块、控制面板模块和车检通讯模块，所述OBU端包括OBU端V2X核心控制模块和人机交互显示屏。
2.根据权利要求1所述的一种基于V2X技术的多相位公交优先控制方法，其特征在于：所述RSU端V2X核心控制模块软件功能包括交通接口服务模块、时钟位置服务模块、无线消息接口服务模块和车联网业务处理模块。
3.根据权利要求1所述的一种基于V2X技术的多相位公交优先控制系统，其特征在于：所述OBU端V2X核心控制模块软件功能包括定位功能，距离计算功能，无线传输功能以及界面交互功能。
4.根据权利要求1所述的一种基于V2X技术的多相位公交优先控制系统，其特征在于：所述RSU端V2X核心控制模块的线程设计包括车流信息获取线程、后台服务器通讯线程和主线程三个线程。
5.根据权利要求1所述的一种基于V2X技术的多相位公交优先控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1:开始控制算法时，信号机侧会不断接收通信范围内公交车的车辆信息，并在V2X核心控制模块中根据决策阈值对车辆信息进行辨识，判断该车辆是否参与公交优先的决策；
S2:当参与决策的公交车数量大于2，信号机会预测所有公交车到达路口的时间，并分别计算公交车辆对当前路口的信号机状态响应，主要有绿灯延长和相位绿灯缩短两种；
S3:当只有两辆车对同一个相位的信号机状态响应出现冲突时，需要根据公式1结合每辆车的到达时间以及信号机当前的运行状态，计算各自状态响应对交叉路口所造成的人均综合延误时间，公式中pi表示公交车编号为i的载客人数，di表示公交车编号为i的延误时间，以人均延误时间小的信号机状态响应为最终的信号机状态决策；
Figure FDA0003602735350000021
S4:当出现公交车数量大于二时，会出现多车辆对一个周期内多相位的状态响应冲突，根据车辆对信号机状态响应的冲突情况，使用决策树算法分别计算各自延误，以人均延误时间最小为判断依据，确定最佳的优先通行策略。
6.根据权利要求5所述的一种基于V2X技术的多相位公交优先控制方法，其特征在于：在执行申请信号为绿灯延长时，对相位的延长时间需要根据车辆的通过情况进行确定，以车辆通过时刻确定为延长结束，遇到拥堵情况，最大延长到配时方案中各自相位所设定的最大绿灯时间，而绿灯缩短直接缩短到对应相位的最小绿灯时间。
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