CN115662156A - 网联环境下考虑行车安全的交叉口左转空间动态调控方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种网联环境下考虑行车安全的交叉口左转空间动态调控方法，其步骤包括：1、在交叉口处建立平面直角坐标系；2、确定网联车的左转行驶轨迹；3、确定非机动车流的左转行驶轨迹；4、确定非机动车流的最大膨胀宽度；5、调控网联车的左转行驶轨迹；6、调控交叉口红灯时长。本发明能通过在网联环境下获取交叉口及车辆的相关参数，动态控制网联车的左转行驶轨迹及信号灯的红灯时长，保障交叉口的车辆之间的左转空间安全，从而减少了交叉口的延误，为网联环境下交叉口的交通运行安全提供了方法支撑。

Description

网联环境下考虑行车安全的交叉口左转空间动态调控方法

技术领域

本发明属于智能网联环境交通管控领域，具体的说是一种网联环境下考虑行车安全的交叉口左转空间动态调控方法。

背景技术

随着信息通信技术的发展以及车载系统的不断完善，网联车势必成为道路交通的主力军，而不可忽视的是交通组成中还有非机动车车辆。在混合交通环境中，网联车和非机动车之间存在一定的交叉影响，尤其是交叉口处的待左转车辆。由于非机动车在停止线后相对集中，彼此之间的横向间距宽度较小；但当非机动车获得通行权后，左转非机动车会加速进入交叉口，而在骑行过程中，非机动车所需的横向间距宽度增大，非机动车流会向两侧扩张，整体呈纺锤形。当非机动车流左转膨胀效应与同向机动车的通行产生空间重叠时，即形成了机非冲突。

目前对网联车与非机动车左转一体化过街的研究较少，一方面交叉口实施非机动车二次过街的效果并不理想，增加了非机动车的延误时间，干扰右侧网联车的通行；另一方面网联环境下并未考虑到交叉口非机动车的膨胀效应对网联车左转造成的干扰，影响交叉口网联车的通行效率，同时也降低了交叉口交通流的安全性。

发明内容

本发明为克服现有技术存在的不足之处，提出了一种网联环境下考虑行车安全的交叉口左转空间动态调控方法，以期能在保证网联车和非机动车运行安全的前提下，动态控制网联车行驶轨迹和信号灯时长，充分利用现有道路资源，实现待左转车辆安全快速地通过交叉口，从而能减少延误，提高道路通行能力。

本发明为达到上述发明目的，采用如下技术方案：

本发明一种网联环境下考虑行车安全的交叉口左转空间动态调控方法的特点是应用于网联环境下，所述网联环境下的机动车为网联自动驾驶车辆，非机动车为非网联车辆；所述网联环境下的交叉口为十字形信号交叉口，拥有四个方向的进出口，并将交叉口的四个方向按顺时针分别命名为方向1、方向2、方向3、方向4；在所述交叉口处设置有专用左转相位的四相位信号灯，以控制交叉口四个方向的网联车和非机动车；所述交叉口处的每个方向上的车道通过中央分隔设施划分为进口道和出口道，并将每个进口道和出口道通过机非分隔带各划分为n条机动车道和一条非机动车道，且每个方向的进口道上有一条机动车左转专用车道；所述动态调控方法包括以下步骤：

步骤1、在信号交叉口处建立平面直角坐标系：

步骤1.1、令j＝1；

步骤1.2、按顺时针将交叉口方向j的下一个方向命名为交叉口的方向j_next，以交叉口方向j上进口道的停车线延长线与交叉口方向j_next上进口道的停车线延长线的交点为原点O_j，以原点O_j向交叉口方向j上进口道的停车线的射线作为X_j轴的正方向，以原点O_j向交叉口方向j_next上进口道的停车线的射线作为Y_j轴的正方向，从而建立平面直角坐标系X_jO_jY_j；

步骤2、确定交叉口方向j上进口道的网联车在平面直角坐标系X_jO_jY_j下的左转行驶轨迹方程并将其转化为极坐标方程：

步骤2.1、获取交叉口处的道路数据，包括：一条机动车道的宽度L₁、一条非机动车道的宽度L₂、机非分隔带的宽度L_g、交叉口路缘石处的转弯半径R_r；

步骤2.2、将交叉口方向j_next上出口道的n个机动车道按顺时针方向由内侧向外侧依次编号，当交叉口方向j上的信号灯由红灯转为绿灯时，任一网联车cav从交叉口方向j上进口道的左转专用车道左转进入交叉口方向j_next上出口道的第i个机动车道，i＝1,2,...,n，其在平面直角坐标系X_jO_jY_j下的坐标为(x_i,y_i)；以交叉口方向j上进口道的专用左转车道停车线的中点作为网联车左转行驶轨迹的起点，逆时针作半径为R_i的四分之一圆弧，从而利用式(1)确定在平面直角坐标系X_jO_jY_j下，网联车cav从交叉口方向j上进口道的左转专用车道左转进入交叉口方向j_next上出口道的第i个机动车道的左转行驶轨迹方程；

式(1)中，x_i表示网联车cav的左转行驶轨迹在平面直角坐标系X_jO_jY_j下的横坐标，y_i表示网联车cav左转行驶轨迹在平面直角坐标系X_jO_jY_j下的纵坐标，R_i表示网联车cav左转行驶轨迹的转弯半径；

步骤2.3、将平面直角坐标系X_jO_jY_j的原点O_j作为极坐标系的极点，将平面直角坐标系X_jO_jY_j的X_j轴的正半轴作为极坐标系的极轴，网联车cav在极坐标系下的坐标为(ρ_1,i,θ₁)，利用式(2)将网联车cav在平面直角坐标系X_jO_jY_j下的左转行驶轨迹方程转化为极坐标方程；

式(2)中，ρ_1,i表示从交叉口方向j上进口道的左转专用车道左转进入交叉口方向j_next上出口道的第i个机动车道的过程中，网联车cav到极点的距离，θ₁表示从交叉口方向j上进口道的左转专用车道左转进入交叉口方向j_next上出口道的第i个机动车道的过程中，网联车cav按逆时针方向坐标距离极轴的角度；

步骤3、确定交叉口方向j上进口道的非机动车流在平面直角坐标系X_jO_jY_j下的左转行驶轨迹方程并将其转化为极坐标方程：

步骤3.1、以交叉口方向j上进口道的非机动车道停车线的中点作为非机动车流左转轨迹的起始点，其在平面直角坐标系X_jO_jY_j下位置坐标为(2nL₁+2L_g+R_r+3L₂/2,0)；以交叉口方向j_next上出口道的非机动车道的两条车道线的起点之间连线的中点作为非机动车流左转轨迹的结束点，其在平面直角坐标系X_jO_jY_j下位置坐标为(0,2nL₁+2L_g+R_r+3L₂/2)；

步骤3.2、非机动车在骑行过程中的横向安全宽度为D_nmv，将信号交叉口的中心点沿交叉口对角线垂直方向平移一段距离

后得到的平移点作为交叉口方向j上进口道的左转非机动车流轨迹相对于信号交叉口中心点处的切点，从而利用式(3)得到交叉口方向j上进口道的左转非机动车流轨迹相对于信号交叉口中心点处的切点的坐标为(M_x′,M_y′)；

步骤3.3、将非机动车流左转轨迹的起始点坐标、结束点坐标以及相对于信号交叉口中心点处的切点的坐标代入交叉口方向j上进口道的非机动车流在平面直角坐标系X_jO_jY_j下的左转行驶轨迹方程中，从而利用式(4)求出非机动车流左转轨迹方程中二次项的系数a、一次项的系数b、常数项的系数c；

步骤3.4、将平面直角坐标系X_jO_jY_j的原点O_j作为极坐标系的极点，将平面直角坐标系X_jO_jY_j的X_j轴的正半轴作为极坐标系的极轴，利用式(5)将交叉口方向j上的非机动车流在平面直角坐标系X_jO_jY_j下的左转行驶轨迹方程转化为极坐标方程；

式(5)中，ρ₂表示从交叉口方向j上进口道的非机动车道进入交叉口方向j_next上出口道的非机动车道的过程中，非机动车流到极点的距离，θ₂表示从交叉口方向j上进口道的非机动车道进入交叉口方向j_next上出口道的非机动车道的过程中，非机动车流按逆时针方向坐标距离极轴的角度；

步骤4、确定第t个周期交叉口方向j上进口道的左转非机动车流的最大膨胀宽度：

步骤4.1、获取交叉口方向j上非机动车进口道中点到交叉口方向j_next上非机动车出口道中点的直线距离长度L^j、第t个周期交叉口方向j上的左转相位绿灯信号时长T_g ^j,t；

步骤4.2、获取车辆相关数据，包括：第t个周期交叉口方向j上的红灯时间内进口道的左转非机动车辆数N₁ ^j,t、第t个周期交叉口方向j进口道上的红灯时间内进口道的左转非机动车并行排队数N₂ ^j,t、第t个周期交叉口方向j进口道上的红灯时间内进口道的左转网联车车辆数N₃ ^j,t；

步骤4.3、利用式(6)求出第t个周期交叉口方向j上的左转非机动车流的最大膨胀宽度W^j,t；

W^j,t＝β₀+β₁N₁ ^j,t+β₂N₂ ^j,t+β₃L₂+β₄N₃ ^j,t+β₅T_g ^j,t+β₆L^j (6)

式(6)中，β₀是常数项，β₁,β₂,β₃,β₄,β₅,β₆为各影响因素的回归系数；

步骤5、调控第t个周期交叉口方向j上的网联车左转行驶轨迹以保障第t个周期交叉口方向j上的左转机非空间安全；

步骤5.1、若式(7)成立，则允许网联车cav左转进入下一个方向出口道的最内侧车道编号z＝1；若式(7)不成立，则允许网联车cav左转可进入下一个方向出口道的最内侧车道编号z＞1，从而利用式(8)确定z；

式(7)、式(8)中，R_min表示在确保车流正常通行的条件下，允许网联车cav左转的最小转弯半径；

步骤5.2、令i＝n；

步骤5.3、利用式(2)、式(5)、式(9)计算出网联车cav与非机动车流左转轨迹曲线之间的最危险时刻距离；

式(9)中，θ_d表示网联车cav从交叉口方向j上进口道左转进入交叉口方向j_next上出口道的第i个车道过程中的最危险角度也即最危险时刻，d₁ ^i,j表示在最危险时刻θ_d时，网联车cav到原点O_j的距离，d₂ ^j表示在最危险时刻θ_d时，非机动车流到原点O_j的距离，d_d ^i,j表示在中间危险区域

上，网联车cav从交叉口方向j上进口道左转进入交叉口方向j_next上出口道的第i个车道的左转行驶轨迹与交叉口方向j上进口道的非机动车流的左转行驶轨迹之间的最短距离；

步骤5.4、判断i和z的大小关系：

若i＞z，判断式(10)是否成立，若成立，则执行步骤5.6；否则，则将i-1赋值给i，并返回步骤5.3顺序执行；

若i＝z，判断式(10)是否成立，若成立，则执行步骤5.6；否则，则执行步骤5.5；

式(10)中，D_cav表示网联车cav在行驶过程中的横向安全宽度；

步骤5.5、控制网联车cav从交叉口方向j上进口道左转进入交叉口方向j_next上出口道的编号为k的车道，k为整数且z≤k≤i，并执行步骤6；

步骤5.6、控制网联车cav从交叉口方向j上进口道左转进入交叉口方向j_next上出口道的编号为k的车道，k为整数且z≤k≤i，并执行步骤7；

步骤6、调控第t个周期交叉口方向j上的左转相位红灯信号时长以保障第t个周期交叉口方向j上的左转机非空间安全；

步骤6.1、获取第t个周期交叉口方向j上的左转相位红灯信号时长T_r ^j,t；

步骤6.2、判断式(11)是否成立，若成立，则调控结束；否则，执行步骤6.3；

步骤6.3、令t_r表示一个红灯时间步长，将T_r ^j,t-t_r赋值给第t个周期交叉口方向j上的左转相位红灯信号时长T_r ^j,t，以缩短转相位红灯信号时长，从而缩小第t个周期交叉口方向j进口道上非机动车流的最大膨胀宽度；

利用式(12)更新第t个周期交叉口方向j上的红灯时间内进口道的左转非机动车辆数N₁ ^j,t，从而利用式(6)更新第t个周期交叉口方向j进口道上非机动车流的最大膨胀宽度W^j,t后，返回步骤6.1顺序执行；

N₁ ^j,t＝λ^j,tT_r ^j,t (12)

式(12)中，λ^j,t表示第t个周期交叉口方向j上进口道非机动车的车辆到达率；

步骤7、判断j＜4是否成立，若成立，将j+1赋值给j，返回步骤1.2顺序执行；否则，则执行步骤8；

步骤8、将t+1赋值给t，初始化j＝1后，返回步骤4顺序执行。

本发明一种交通检测器的特点在于，获取所述的交叉口及车辆相关数据，并通过无线通信方式将信息传递给中心计算机。

本发明一种中心计算机的特点在于，通过无线通信方式与交通检测器进行信息交互，同时进行信息的储存及处理，建立起交叉口的平面坐标系，计算所述的网联车轨迹方程和非机动车流轨迹方程；建立一个非机动车流左转最大膨胀宽度和其影响因素之间的数理关系，即多元回归预测模型，并得出最大膨胀宽度；根据机非轨迹间距要求，判断左转网联车可以进入的车道编号，并向车辆控制器发出相应的指令；根据最大膨胀宽度及机非轨迹间距要求，判断交叉口各信号灯应调节的红灯时长，并向智能信号机发出相应的指令。

本发明一种车辆控制器的特点在于，通过无线通信方式与中心计算机交互，接收中心计算机给出的指令，并根据所述的网联车调控步骤控制左转网联车的行驶轨迹。

本发明一种智能信号机的特点在于，通过无线通信方式与中心计算机交互，在所述的机非轨迹间距不满足要求的情况下，接收中心计算机给出的指令，智能调节信号灯的左转相位红灯时间以缩小左转非机动车流的最大膨胀宽度，保障机非左转空间安全。

与已有技术相比，本发明的有益技术效果体现在：

1、本发明能实时根据交叉口几何特征和交通数据，动态调整网联车左转轨迹和信号灯红灯时间，在保证网联车和非机动车运行安全的前提下，充分利用现有道路资源，实现待左转网联车安全快速地通过交叉口，从而能减少延误，提高道路通行能力。

2、本发明考虑的是十字交叉口任一周期内红灯期间聚集的所有待左转车辆，利用无线通信方式，然后根据不同的情形采用不同的判定条件来判断车辆的换道以及信号灯时间的调整，提高了判别的准确性。

3、本发明能通过网联环境将交通检测器、中心计算机、车辆控制器、智能信号机连接起来，利用无线通信方式实现实时信息的交互，提高了信息传递的速度，减少了因传递信息延迟带来的误差。

附图说明

图1为本发明的总体流程图；

图2为本发明的建模及调控步骤流程图；

图3为本发明的交叉口示意图。

具体实施方式

在本实施例中的实施场景为十字形信号交叉口，且交叉口进口道仅有一条左转专用车道，但本发明的技术思路不仅限于十字形交叉口以及单个左转专用车道，本领域的普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的其他实施例，都属于本发明保护的范围。在本实施例中，一种网联环境下考虑行车安全的交叉口左转空间动态调控方法，是应用于由中心计算机、交通检测器、车辆控制器和智能信号机所构成的网联环境中，其中，交通检测器用于获取交叉口及车辆相关数据，并通过无线通信方式将信息传递给中心计算机；中心计算机是通过无线通信方式与交通检测器进行信息交互，同时进行信息的储存及处理，建立起交叉口的平面坐标系，计算网联车和非机动车轨迹方程；建立一个非机动车流左转最大膨胀宽度和其影响因素之间的数理关系，即多元回归预测模型，并得出最大膨胀宽度；根据机非轨迹间距要求，判断左转网联车进入的车道编号，并向车辆控制器发出相应的指令；根据最大膨胀宽度及机非轨迹间距要求，判断交叉口各信号灯应调节的红灯时长，并向智能信号机发出相应的指令；车辆控制器通过无线通信方式与中心计算机交互，接收中心计算机给出的指令，并根据网联车调控步骤控制左转网联车的行驶轨迹；智能信号机是通过无线通信方式与中心计算机交互，在机非轨迹间距不满足要求的情况下，接收中心计算机给出的指令，智能调节信号灯的左转相位红灯时间以缩小非机动车流的最大膨胀宽度，保障机非左转空间安全；

如图3所示，在该网联环境下的机动车为网联自动驾驶车辆，非机动车为非网联车辆；网联环境下的交叉口为十字形信号交叉口，且拥有四个方向的进出口，并将交叉口的四个方向按顺时针分别命名为方向1、方向2、方向3、方向4；在交叉口处设置有专用左转相位的四相位信号灯，以控制交叉口四个方向的网联车和非机动车；交叉口处的每个方向上的车道通过中央分隔设施划分为进口道和出口道，并将每个进口道和出口道通过机非分隔带各划分为n条机动车道和一条非机动车道，且每个方向的进口道上有一条机动车左转专用车道，如图1所示，为解决交叉口机非左转形成的冲突，并充分发挥网联车优势，提高交叉口车辆左转空间安全以及道路交叉口整体通行能力，提出一种网联环境下考虑行车安全的交叉口左转空间动态调控方法，是按照以下步骤进行的：

步骤1、中心计算机按如下步骤在信号交叉口处建立平面直角坐标系X_jO_jY_j：

步骤1.1、令j＝1；

步骤1.2、如图3所示，按顺时针将交叉口方向j的下一个方向命名为交叉口的方向j_next，以交叉口方向j上进口道的停车线延长线与交叉口方向j_next上进口道的停车线延长线的交点为原点O_j，以原点O_j向交叉口方向j上进口道的停车线的射线作为X_j轴的正方向，以原点O_j向交叉口方向j_next上进口道的停车线的射线作为Y_j轴的正方向，从而建立平面直角坐标系X_jO_jY_j；

步骤2、中心计算机对交通检测器传递的信息进行处理后，按如下步骤确定交叉口方向j上进口道的网联车在平面直角坐标系X_jO_jY_j下的左转行驶轨迹方程并将其转化为极坐标方程：

步骤2.1、通过交通检测器获取交叉口处的道路数据，如图3所示，包括：一条机动车道的宽度L₁、一条非机动车道的宽度L₂、机非分隔带的宽度L_g、交叉口路缘石处的转弯半径R_r，并通过无线通信方式将信息传递给中心计算机；

步骤2.2、网联环境下网联车的左转轨迹为圆弧，将交叉口方向j_next上出口道的n个机动车道按顺时针方向由内侧向外侧依次编号，当交叉口方向j上的信号灯由红灯转为绿灯时，任一网联车cav从交叉口方向j上进口道的左转专用车道左转进入交叉口方向j_next上出口道的第i个机动车道，i＝1,2,...,n，其在平面直角坐标系X_jO_jY_j下的坐标为(x_i,y_i)；如图3所示，以交叉口方向j上进口道的专用左转车道停车线的中点作为网联车左转行驶轨迹的起点，逆时针作半径为R_i的四分之一圆弧，从而利用式(1)确定在平面直角坐标系X_jO_jY_j下，网联车cav从交叉口方向j上进口道的左转专用车道左转进入交叉口方向j_next上出口道的第i个机动车道的左转行驶轨迹方程；

式(1)中，x_i表示网联车cav的左转行驶轨迹在平面直角坐标系X_jO_jY_j下的横坐标，y_i表示网联车cav左转行驶轨迹在平面直角坐标系X_jO_jY_j下的纵坐标，R_i表示网联车cav左转行驶轨迹的转弯半径；

步骤2.3、把平面直角坐标系X_jO_jY_j的原点O_j作为极坐标系的极点，把平面直角坐标系X_jO_jY_j的X_j轴的正半轴作为极坐标系的极轴，网联车cav在极坐标系下的坐标为(ρ_1,i,θ₁)，利用式(2)将网联车cav在平面直角坐标系X_jO_jY_j下的左转行驶轨迹方程转化为极坐标方程；

式(2)中，ρ_1,i表示从交叉口方向j上进口道的左转专用车道左转进入交叉口方向j_next上出口道的第i个机动车道的过程中，网联车cav到极点的距离，θ₁表示从交叉口方向j上进口道的左转专用车道左转进入交叉口方向j_next上出口道的第i个机动车道的过程中，网联车cav按逆时针方向坐标距离极轴的角度；

步骤3、中心计算机对交通检测器传递的信息进行处理后，按如下步骤确定交叉口方向j上进口道的非机动车流在平面直角坐标系X_jO_jY_j下的左转行驶轨迹方程并将其转化为极坐标方程：

步骤3.1、如图3所示，以交叉口方向j上进口道的非机动车道停车线的中点作为非机动车流左转轨迹的起始点，其在平面直角坐标系X_jO_jY_j下位置坐标A，为(2nL₁+2L_g+R_r+3L₂/2,0)；以交叉口方向j_next上出口道的非机动车道的两条车道线的起点之间连线的中点作为非机动车流左转轨迹的结束点，其在平面直角坐标系X_jO_jY_j下位置坐标B，为(0,2nL₁+2L_g+R_r+3L₂/2)；

步骤3.2、非机动车在骑行过程中的横向安全宽度为D_nmv，如图3所示，将信号交叉口的中心点M沿交叉口对角线垂直方向平移一段距离

后得到的平移点M'作为交叉口方向j上进口道的左转非机动车流轨迹相对于信号交叉口中心点处的切点，从而利用式(3)得到交叉口方向j上进口道的左转非机动车流轨迹相对于信号交叉口中心点处的切点的坐标为(M_x′,M_y′)；

步骤3.3、将非机动车流左转轨迹的起始点坐标、结束点坐标以及相对于信号交叉口中心点处的切点的坐标代入交叉口方向j上进口道的非机动车流在平面直角坐标系X_jO_jY_j下的左转行驶轨迹方程中，从而利用式(4)求出非机动车流左转轨迹方程中二次项的系数a、一次项的系数b、常数项的系数c；

步骤3.4、把平面直角坐标系X_jO_jY_j的原点O_j作为极坐标系的极点，把平面直角坐标系X_jO_jY_j的X_j轴的正半轴作为极坐标系的极轴，利用式(5)将交叉口方向j上的非机动车流在平面直角坐标系X_jO_jY_j下的左转行驶轨迹方程转化为极坐标方程；

式(5)中，ρ₂表示从交叉口方向j上进口道的非机动车道进入交叉口方向j_next上出口道的非机动车道的过程中，非机动车流到极点的距离，θ₂表示从交叉口方向j上进口道的非机动车道进入交叉口方向j_next上出口道的非机动车道的过程中，非机动车流按逆时针方向坐标距离极轴的角度；

步骤4、交叉口方向j上的信号灯由红灯转为绿灯时，非机动车从交叉口方向j上的进口道左转进入交叉口方向j_next上出口道的非机动车道，并出现车流扩散膨胀现象；中心计算机对交通检测器传递的信息进行处理后，按如下步骤确定第t个周期交叉口方向j上进口道的左转非机动车流的最大膨胀宽度：

步骤4.1、通过交通检测器获取交叉口方向j上非机动车进口道中点到交叉口方向j_next上非机动车出口道中点的直线距离长度L^j、第t个周期交叉口方向j上的左转相位绿灯信号时长T_g ^j,t；

步骤4.2、通过交通检测器获取车辆相关数据，包括：第t个周期交叉口方向j上的红灯时间内进口道的左转非机动车辆数N₁ ^j,t、第t个周期交叉口方向j进口道上的红灯时间内进口道的左转非机动车并行排队数N₂ ^j,t、第t个周期交叉口方向j进口道上的红灯时间内进口道的左转网联车车辆数N₃ ^j,t；

步骤4.3、左转非机动车流膨胀宽度的最大位置位于非机动车流左转轨迹的中间危险区域，车流轨迹整体呈纺锤形分布，中心计算机通过对交通检测器传递的信息进行处理，建立一个非机动车流左转最大膨胀宽度和其显著影响因素即左转非机动车辆数、非机动车并行排队数、非机动车道宽度、左转网联车辆数、左转绿灯信号时长和非机动车进口道中点到非机动车出口道中点的直线距离长度之间的多元回归预测模型，并得出最大膨胀宽度，其模型如下：利用式(6)求出第t个周期交叉口方向j上的左转非机动车流的最大膨胀宽度W^j,t；

W^j,t＝β₀+β₁N₁ ^j,t+β₂N₂ ^j,t+β₃L₂+β₄N₃ ^j,t+β₅T_g ^j,t+β₆L^j (6)

式(6)中，β₀是常数项，β₁,β₂,β₃,β₄,β₅,β₆为各影响因素的回归系数；

步骤5、中心计算机根据机非轨迹间距要求，判断左转网联车可以进入的车道编号，并向车辆控制器发出相应的指令调控第t个周期交叉口方向j上的网联车左转行驶轨迹以保障第t个周期交叉口方向j上的左转机非空间安全，如图2所示，其步骤如下：

步骤5.1、若式(7)成立，则允许网联车cav左转进入下一个方向出口道的最内侧车道编号z＝1；若式(7)不成立，则允许网联车cav左转可进入下一个方向出口道的最内侧车道编号z＞1，从而利用式(8)确定z；

式(7)、式(8)中，R_min表示在确保车流正常通行的条件下，允许网联车cav左转的最小转弯半径；

步骤5.2、令i＝n；

步骤5.3、中心计算机将目标函数的定义域即中间危险区域

以

为一个步长进行枚举，利用式(2)、式(5)、式(9)计算出网联车与非机动车左转轨迹曲线的所有间距即所有目标函数值，并寻找出符合约束条件的最小值即网联车与非机动车左转轨迹曲线之间的最危险时刻距离；

式(9)中，θ_d表示网联车cav从交叉口方向j上进口道左转进入交叉口方向j_next上出口道的第i个车道过程中的最危险角度也即最危险时刻，d₁ ^i,j表示在最危险时刻θ_d时，网联车cav到原点O_j的距离，d₂ ^j表示在最危险时刻θ_d时，非机动车流到原点O_j的距离，d_d ^i,j表示在中间危险区域

上，网联车cav从交叉口方向j上进口道左转进入交叉口方向j_next上出口道的第i个车道的左转行驶轨迹与交叉口方向j上进口道的非机动车流的左转行驶轨迹之间的最短距离；

步骤5.4、判断i和z的大小关系：

若i＞z，判断式(10)是否成立，若成立，则执行步骤5.6；否则，则将i-1赋值给i，并返回步骤5.3顺序执行；

若i＝z，判断式(10)是否成立，若成立，则执行步骤5.6；否则，则执行步骤5.5；

式(10)中，D_cav表示网联车cav在行驶过程中的横向安全宽度；

步骤5.5、车辆控制器通过无线通信方式接收中心计算机传达的指令，依据指令控制网联车cav从交叉口方向j上进口道左转进入交叉口方向j_next上出口道的编号为k的车道，k为整数且z≤k≤i，并执行步骤6；

步骤5.6、车辆控制器通过无线通信方式接收中心计算机传达的指令，依据指令控制网联车cav从交叉口方向j上进口道左转进入交叉口方向j_next上出口道的编号为k的车道，k为整数且z≤k≤i，并执行步骤7；

步骤6、中心计算机根据最大膨胀宽度及机非轨迹间距要求，判断交叉口本方向信号灯应调节的红灯时长，并向智能信号机发出相应的指令调控第t个周期交叉口方向j上的左转相位红灯信号时长以保障第t个周期交叉口方向j上的左转机非空间安全，如图2所示，其步骤如下：

步骤6.1、获取第t个周期交叉口方向j上的左转相位红灯信号时长T_r ^j,t；

步骤6.2、判断式(11)是否成立，若成立，则向智能信号机下发指令，调节信号灯红灯时长；否则，执行步骤6.3；

步骤6.3、令t_r表示一个红灯时间步长，为0.1s，将T_r ^j,t-t_r赋值给第t个周期交叉口方向j上的左转相位红灯信号时长T_r ^j,t，以缩短转相位红灯信号时长，从而缩小第t个周期交叉口方向j进口道上非机动车流的最大膨胀宽度；

利用式(12)更新第t个周期交叉口方向j上的红灯时间内进口道的左转非机动车辆数N₁ ^j,t，从而利用式(6)更新第t个周期交叉口方向j进口道上非机动车流的最大膨胀宽度W^j,t后，返回步骤6.1顺序执行；

N₁ ^j,t＝λ^j,tT_r ^j,t (12)

式(12)中，λ^j,t表示第t个周期交叉口方向j上进口道非机动车的车辆到达率；

步骤6.4、智能信号机接收中心计算机下达的指令，并依据指令调节信号灯的红灯时长；

步骤7、中心计算机判断j＜4是否成立，若成立，将j+1赋值给j，返回步骤1.2顺序执行；否则，执行步骤8；

步骤8、中心计算机将t+1赋值给t，初始化j＝1后，返回步骤4顺序执行。

Claims (5)

1.一种网联环境下考虑行车安全的交叉口左转空间动态调控方法，其特征是应用于网联环境下，所述网联环境下的机动车为网联自动驾驶车辆，非机动车为非网联车辆；所述网联环境下的交叉口为十字形信号交叉口，拥有四个方向的进出口，并将交叉口的四个方向按顺时针分别命名为方向1、方向2、方向3、方向4；在所述交叉口处设置有专用左转相位的四相位信号灯，以控制交叉口四个方向的网联车和非机动车；所述交叉口处的每个方向上的车道通过中央分隔设施划分为进口道和出口道，并将每个进口道和出口道通过机非分隔带各划分为n条机动车道和一条非机动车道，且每个方向的进口道上有一条机动车左转专用车道；所述动态调控方法包括以下步骤：

步骤1、在信号交叉口处建立平面直角坐标系：

步骤1.1、令j＝1；

步骤1.2、按顺时针将交叉口方向j的下一个方向命名为交叉口的方向j_next，以交叉口方向j上进口道的停车线延长线与交叉口方向j_next上进口道的停车线延长线的交点为原点O_j，以原点O_j向交叉口方向j上进口道的停车线的射线作为X_j轴的正方向，以原点O_j向交叉口方向j_next上进口道的停车线的射线作为Y_j轴的正方向，从而建立平面直角坐标系X_jO_jY_j；

步骤2、确定交叉口方向j上进口道的网联车在平面直角坐标系X_jO_jY_j下的左转行驶轨迹方程并将其转化为极坐标方程：

步骤2.1、获取交叉口处的道路数据，包括：一条机动车道的宽度L₁、一条非机动车道的宽度L₂、机非分隔带的宽度L_g、交叉口路缘石处的转弯半径R_r；

步骤2.2、将交叉口方向j_next上出口道的n个机动车道按顺时针方向由内侧向外侧依次编号，当交叉口方向j上的信号灯由红灯转为绿灯时，任一网联车cav从交叉口方向j上进口道的左转专用车道左转进入交叉口方向j_next上出口道的第i个机动车道，i＝1,2,...,n，其在平面直角坐标系X_jO_jY_j下的坐标为(x_i,y_i)；以交叉口方向j上进口道的专用左转车道停车线的中点作为网联车左转行驶轨迹的起点，逆时针作半径为R_i的四分之一圆弧，从而利用式(1)确定在平面直角坐标系X_jO_jY_j下，网联车cav从交叉口方向j上进口道的左转专用车道左转进入交叉口方向j_next上出口道的第i个机动车道的左转行驶轨迹方程；

式(1)中，x_i表示网联车cav的左转行驶轨迹在平面直角坐标系X_jO_jY_j下的横坐标，y_i表示网联车cav左转行驶轨迹在平面直角坐标系X_jO_jY_j下的纵坐标，R_i表示网联车cav左转行驶轨迹的转弯半径；

步骤2.3、将平面直角坐标系X_jO_jY_j的原点O_j作为极坐标系的极点，将平面直角坐标系X_jO_jY_j的X_j轴的正半轴作为极坐标系的极轴，网联车cav在极坐标系下的坐标为(ρ_1,i,θ₁)，利用式(2)将网联车cav在平面直角坐标系X_jO_jY_j下的左转行驶轨迹方程转化为极坐标方程；

式(2)中，ρ_1,i表示从交叉口方向j上进口道的左转专用车道左转进入交叉口方向j_next上出口道的第i个机动车道的过程中，网联车cav到极点的距离，θ₁表示从交叉口方向j上进口道的左转专用车道左转进入交叉口方向j_next上出口道的第i个机动车道的过程中，网联车cav按逆时针方向坐标距离极轴的角度；

步骤3、确定交叉口方向j上进口道的非机动车流在平面直角坐标系X_jO_jY_j下的左转行驶轨迹方程并将其转化为极坐标方程：

步骤3.1、以交叉口方向j上进口道的非机动车道停车线的中点作为非机动车流左转轨迹的起始点，其在平面直角坐标系X_jO_jY_j下位置坐标为(2nL₁+2L_g+R_r+3L₂/2,0)；以交叉口方向j_next上出口道的非机动车道的两条车道线的起点之间连线的中点作为非机动车流左转轨迹的结束点，其在平面直角坐标系X_jO_jY_j下位置坐标为(0,2nL₁+2L_g+R_r+3L₂/2)；

步骤3.2、非机动车在骑行过程中的横向安全宽度为D_nmv，将信号交叉口的中心点沿交叉口对角线垂直方向平移一段距离

后得到的平移点作为交叉口方向j上进口道的左转非机动车流轨迹相对于信号交叉口中心点处的切点，从而利用式(3)得到交叉口方向j上进口道的左转非机动车流轨迹相对于信号交叉口中心点处的切点的坐标为(M_x′,M_y′)；

步骤3.3、将非机动车流左转轨迹的起始点坐标、结束点坐标以及相对于信号交叉口中心点处的切点的坐标代入交叉口方向j上进口道的非机动车流在平面直角坐标系X_jO_jY_j下的左转行驶轨迹方程中，从而利用式(4)求出非机动车流左转轨迹方程中二次项的系数a、一次项的系数b、常数项的系数c；

步骤3.4、将平面直角坐标系X_jO_jY_j的原点O_j作为极坐标系的极点，将平面直角坐标系X_jO_jY_j的X_j轴的正半轴作为极坐标系的极轴，利用式(5)将交叉口方向j上的非机动车流在平面直角坐标系X_jO_jY_j下的左转行驶轨迹方程转化为极坐标方程；

式(5)中，ρ₂表示从交叉口方向j上进口道的非机动车道进入交叉口方向j_next上出口道的非机动车道的过程中，非机动车流到极点的距离，θ₂表示从交叉口方向j上进口道的非机动车道进入交叉口方向j_next上出口道的非机动车道的过程中，非机动车流按逆时针方向坐标距离极轴的角度；

步骤4、确定第t个周期交叉口方向j上进口道的左转非机动车流的最大膨胀宽度：

步骤4.1、获取交叉口方向j上非机动车进口道中点到交叉口方向j_next上非机动车出口道中点的直线距离长度L^j、第t个周期交叉口方向j上的左转相位绿灯信号时长T_g ^j,t；

步骤4.2、获取车辆相关数据，包括：第t个周期交叉口方向j上的红灯时间内进口道的左转非机动车辆数N₁ ^j,t、第t个周期交叉口方向j进口道上的红灯时间内进口道的左转非机动车并行排队数N₂ ^j,t、第t个周期交叉口方向j进口道上的红灯时间内进口道的左转网联车车辆数N₃ ^j,t；

步骤4.3、利用式(6)求出第t个周期交叉口方向j上的左转非机动车流的最大膨胀宽度W^j,t；

式(6)中，β₀是常数项，β₁,β₂,β₃,β₄,β₅,β₆为各影响因素的回归系数；

步骤5、调控第t个周期交叉口方向j上的网联车左转行驶轨迹以保障第t个周期交叉口方向j上的左转机非空间安全；

步骤5.1、若式(7)成立，则允许网联车cav左转进入下一个方向出口道的最内侧车道编号z＝1；若式(7)不成立，则允许网联车cav左转可进入下一个方向出口道的最内侧车道编号z＞1，从而利用式(8)确定z；

式(7)、式(8)中，R_min表示在确保车流正常通行的条件下，允许网联车cav左转的最小转弯半径；

步骤5.2、令i＝n；

步骤5.3、利用式(2)、式(5)、式(9)计算出网联车cav与非机动车流左转轨迹曲线之间的最危险时刻距离；

式(9)中，θ_d表示网联车cav从交叉口方向j上进口道左转进入交叉口方向j_next上出口道的第i个车道过程中的最危险角度也即最危险时刻，d₁ ^i,j表示在最危险时刻θ_d时，网联车cav到原点O_j的距离，d₂ ^j表示在最危险时刻θ_d时，非机动车流到原点O_j的距离，d_d ^i,j表示在中间危险区域

上，网联车cav从交叉口方向j上进口道左转进入交叉口方向j_next上出口道的第i个车道的左转行驶轨迹与交叉口方向j上进口道的非机动车流的左转行驶轨迹之间的最短距离；

步骤5.4、判断i和z的大小关系：

若i＞z，判断式(10)是否成立，若成立，则执行步骤5.6；否则，则将i-1赋值给i，并返回步骤5.3顺序执行；

若i＝z，判断式(10)是否成立，若成立，则执行步骤5.6；否则，则执行步骤5.5；

式(10)中，D_cav表示网联车cav在行驶过程中的横向安全宽度；

步骤5.5、控制网联车cav从交叉口方向j上进口道左转进入交叉口方向j_next上出口道的编号为k的车道，k为整数且z≤k≤i，并执行步骤6；

步骤5.6、控制网联车cav从交叉口方向j上进口道左转进入交叉口方向j_next上出口道的编号为k的车道，k为整数且z≤k≤i，并执行步骤7；

步骤6、调控第t个周期交叉口方向j上的左转相位红灯信号时长以保障第t个周期交叉口方向j上的左转机非空间安全；

步骤6.1、获取第t个周期交叉口方向j上的左转相位红灯信号时长T_r ^j,t；

步骤6.2、判断式(11)是否成立，若成立，则调控结束；否则，执行步骤6.3；

步骤6.3、令t_r表示一个红灯时间步长，将T_r ^j,t-t_r赋值给第t个周期交叉口方向j上的左转相位红灯信号时长T_r ^j,t，以缩短转相位红灯信号时长，从而缩小第t个周期交叉口方向j进口道上非机动车流的最大膨胀宽度；

利用式(12)更新第t个周期交叉口方向j上的红灯时间内进口道的左转非机动车辆数N₁ ^j,t，从而利用式(6)更新第t个周期交叉口方向j进口道上非机动车流的最大膨胀宽度W^j,t后，返回步骤6.1顺序执行；

N₁ ^j,t＝λ^j,tT_r ^j,t (12)

式(12)中，λ^j,t表示第t个周期交叉口方向j上进口道非机动车的车辆到达率；

步骤7、判断j＜4是否成立，若成立，将j+1赋值给j，返回步骤1.2顺序执行；否则，则执行步骤8；

步骤8、将t+1赋值给t，初始化j＝1后，返回步骤4顺序执行。

2.一种交通检测器，其特征在于，获取权利要求1所述的交叉口及车辆相关数据，并通过无线通信方式将信息传递给中心计算机。

3.一种中心计算机，其特征在于，通过无线通信方式与交通检测器进行信息交互，同时进行信息的储存及处理，建立起交叉口的平面坐标系，计算权利要求1所述的网联车轨迹方程和非机动车流轨迹方程；建立一个非机动车流左转最大膨胀宽度和其影响因素之间的数理关系，即多元回归预测模型，并得出最大膨胀宽度；根据机非轨迹间距要求，判断左转网联车可以进入的车道编号，并向车辆控制器发出相应的指令；根据最大膨胀宽度及机非轨迹间距要求，判断交叉口各信号灯应调节的红灯时长，并向智能信号机发出相应的指令。

4.一种车辆控制器，其特征在于，通过无线通信方式与中心计算机交互，接收中心计算机给出的指令，并根据权利要求1所述的网联车调控步骤控制左转网联车的行驶轨迹。

5.一种智能信号机，其特征在于，通过无线通信方式与中心计算机交互，在权利要求1所述的机非轨迹间距不满足要求的情况下，接收中心计算机给出的指令，智能调节信号灯的左转相位红灯时间以缩小左转非机动车流的最大膨胀宽度，保障机非左转空间安全。

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