基于车路协同的交叉口控制系统设计_梁猛.pdf

总第 期交通科技 年第期 收稿日期：基于车路协同的交叉口控制系统设计梁猛（徐州市交通规划设计研究院徐州 ）摘要由于车路协同系统（）还无法完全应用于现实中，文中在个假设的前提下以总延误最小为目标提出了条交叉口信号控制方案设计原则和设计方法。该方法通过同时采集到的交叉口每个进口道的车流量来同时进行渠化设计和信号配时设计。结果表明，所建立的交叉口信号控制方法在一定程度上优于现有的交叉口信号控制方法。关键词车路协同控制系统交叉口优化近年来，电子信息和无线通信技术的迅速发展与应用，推动了车路协同系统（）的发展。而智能车路协同技术的发展，为解决城市道路拥堵问题提供了新的途径。在车路协同的环境下，选取城市道路交叉口为研究切入点，建立可推广的交叉口控制系统，提高交通系统的效率和安全性，并实现可持续性发展和改善交通环境。国内外学者对此做了大量研究，等提出一种动态间隙模型，来定量研究动态信号交叉口相较于传统信号交叉口的优势；法国 等通过建立多智能体模型提出了量化智能交通环境下联网车辆对交通流的影响，同时通过模拟仿真研究得出智能车辆比例的提升对整体交通流有正面效益；马小陆等就在车辆之间的信息传递模型之上建立了碰撞事先报警系统；李殉、杨晓光等在该技术体系下对于汽车的换道智能调控领域进行了深入的探索，这样就能够保证汽车换道时的操作效率的提高，并确保一定的安全性；王一喆等在该技术的基础上构建了一种能够进行十字路口信号判别的控制系统模型。鉴于此，本文将在自动驾驶汽车与车路协同的环境下对交叉口的优化控制进行探讨，定义车路协同系统下的交叉口信号控制功能区，并提出一种信号控制优化方法。前提假设）所有在交叉口信号控制功能区域内的车辆均服从于控制中心。）所有交叉口信号控制功能区内的车辆在进入交叉口信号控制功能区前向控制中心传达目的地、位置、速度、加速度等车辆信息，使控制中心有足够的时间来进行控制方案设计。）交叉口信号控制功能区内有足够的路侧设施检测区域内的车辆信息。）所有无线通信将保障和支持高速无延迟的车路车车间信息交互。）所有进口道均设有条右转专用车道，右转车辆直接放行。交通组织优化的思路交通问题产生的根本原因在于交通系统中出现供应和需求的不平衡，因此，交通组织优化核心思路即分解矛盾、消除矛盾。对于微观交通组织，以信号方案上的分秒必争、交通渠化时的寸土必夺来实现冲突分离、空间和时间的更有效利用。对于宏观交通组织，以时间上削峰填谷，空间上控密补疏来实现分散矛盾、均分流量。对于道路通行时空资源的分配优化，应重点解决通行能力和路权分配的问题，为动态交通流的组织调控奠定基础。至于交通管制和诱导优化，重点需要解决的是路网压力均分的问题，防止因交通量分布不均匀不稳定带来的常发性交通拥堵。简言之，道路通行时空资源的分配是基础，交通流的管制与诱导是手段；宏观上做到均分压力，微观上做到分离冲突。车路协同系统下信号交叉口功能区界定车路协同系统下的交叉口信号控制功能区与传统意义上的交叉口功能区不同，其存在的意义是为了对进入或即将进入交叉口的车辆进行控制。根据功能与用途，将交叉口信号控制功能区划分为缓冲区和控制区两部分，见图。图车路协同系统下交叉口功能区）缓冲区。检测器将检测、接收该区域内所有车辆的信息（如车速、加速度、目的地、车型等）。所有车辆均在该区域内根据中央控制系统依据检测到的数据所指定的基于规则的控制方案进行变道，并在抵达控制区前完成变道。缓冲区的范围计算，考虑在非饱和流中车辆可自由变道的情况，需考虑车辆变道所需最大时间，结合车辆行驶最大速度来计算得出缓冲区长度。假设在自由流中，自动驾驶汽车可自由换道，缓冲区的长度需要满足换道次数最多的情况即可，因此，在自由流情况下的缓冲区长度为（）（）式中：为车道数；为换道时间，。）控制区。该区域内所有车辆不允许变道，且仅考虑不存在共用车道（如直左车道、直右车道的情况）。在该区域的车辆均服从中央控制系统制定的控制方案通过交叉口，且已处于控制区内的车辆只服从当前控制方案，即新生成的控制方案仅控制新抵达执行区的车辆，放行方向的车辆在该区域内加速至最大允许速度。控制区的范围应大于交叉口最大排队长度，根据上述交叉口信号控制规则，最大排队长度不会大于检测周期内主干道平均单车道交通量的最大值珔 ，因此控制区范围应满足珔 式中：为车间距。同时，控制区内车辆在放行方向应有足够的距离使该绿灯时间内通过的车辆加速至饱和流下允许最大速度（），则车辆加速距离为（）因此，控制区范围 （珔 ，）（）信号控制方案设计控制方案的核心是根据各进口道不同方向的车流流量比，确定渠化方式和信号控制方案（相位设计）。传统控制方法传统式控制模型使用的方法主要是定时控制，定时控制模型都是在一些结构单一的交叉路口中进行使用，一般都是根据汽车的行驶延误方程来对交叉口的绿灯大约时间进行计算。但是这个控制模型只能够对交叉路口的信号指示时间进行计算而不能够对具体交通情况进行具体分析。设计原则）重交通流优先放行。重交通流是指较大交通流量的交通流，在本信号控制方案设计中，重交通流被定义为某一进口道左转和直行车流方向流量较大的一方。令进口道（，）的直行方向车流量为，左转方向车流量为，车道数为，则进口道的重交通流系数可定义为。若（，）时，可认为直行车流为重交通流；当（，）时，可认为左转车流为重交通流。若，则认为不存在重交通流。）车流量相近且不存在冲突的方向优先考虑设置于同一相位内。）根据车流流量比分配车道数。在同一相位内放行的两方向所分配的车道数根据其车流流量比确定，但左转和直行至少分配条车道。）信号周期时长约束。当信号控制方案设计完成时，需自动检测是否满足信号周期时间小于信号周期时间允许的最大值，若周期时间超过了其允许的最大值，则需要改变信号相位设计方案，进行重新设计，直至满足信号周期时长约束。一般情况下，周期时长的最大值设为检测周期。设计方法渠化设计与相位方案设计。假设在检测周期内缓冲区中即将进入交叉口控制区个进口道直行和左转方向车流量分别为，如图所示（其中 为直行，为左转）。梁猛：基于车路协同的交叉口控制系统设计 年第期图缓冲区流量图计算判断是否存在重交通流，若仅存在条重交通流，则遵循 中设计原则），将该重交通流设置在第个信号相位（）内，并寻找该重交通流非冲突方向中流量与其流量差值最小的方向设置于同一相位，并遵循 中设计原则）分配车道数；若存在多条重交通流，则为每条重交通流单独设置个相位（若存在重交通流为对称流的情况，则可将对称的重交通流流设置在同一相位内），并遵循原则）分配车道数；剩下的车流方向根据原则）进行相位设计。若不存在重交通流，则直接根据原则）与原则）进行相位设计与渠化设计。后续信号控制方案设计方法遵循传统设计方法与步骤。案例分析针对某一具体交叉口，对该信号控制方案设计方法进行演示。所选交叉口见图。所有进口道坡度均为，设计车速为 ，车道宽度为 ，人行横道宽度为，平均车辆长度为。图交叉口平面图其在个检测周期 检测到的流量见表。表流量表进口道转向车流量辆重交通流系数重交通流直行左转 左转车流直行左转 直行车流直行左转 不存在直行左转 直行车流依据 所述设计方法，相位方案与渠化结果分别见图、图。图相序图图渠化方案优化后车路协同下的交叉口的相位方案见表。表相位方案相位绿灯时间 全红时间 将各项参数输入 软件中，对比车路协同控制下的交叉口与采用传统信号控制的交叉口处交通延误时间和车辆排队长度个指标，具体数据见表。表交叉口对比参数设置方法平均停车时间平均延误时间平均排队长度最大排队长度车路协同 传统方法 由表可见，延误情况有大幅改善，平均停车时间下降了 （相较于传统信号控制下降了），平均延误下降了 （），平均排队长度缩短了了 （），最大排队长度缩短了 （）。仿真结果显示与传统交叉口控制方法相比，车路协同下的交叉口控制系统在降低延误与减小排队长度的方面都有一定的提升，满足总延误最小的车路协同下的交叉口控制系统设计目标。结语本文根据车路协同下交叉口信号控制系统设计的理论依据与设计原则，在传统信号控制设计方法的基础上，优化得出车路协同下交叉口信号控制系统设计的具体方法。同时，提出了车路协 年第期梁猛：基于车路协同的交叉口控制系统设计同下交叉口功能区的新定义，并根据车路协同下车辆行驶特性与换道模型，对车路协同下交叉口功能区进行了设计和理论计算。研究表明，车路协同下的交叉口控制系统相较于传统交叉口信号控制系统，可以使交叉口的平均延误降低，平均排队长度下降。即采用本文所述的信号控制系统，在降低行车延误、排队长度、提高交叉口服务水平方面均优于传统交叉口信号控制系统。参考文献张赫，郭文倩，张健松，等 车路协同环境下多配送中心 研究武汉理工大学学报（交通科学与工程版），（）：，（）：，？，（）：马小陆，王川宿，汤新宁基于车车通信的嵌入式前向碰撞预警系统 中国公共安全（学术版），（）：李殉车路协同下多车道微观交通诱导与控制研究 西安：西北工业大学，杨晓光，黄罗毅，王吟松，等基于车车通信的换道超车辅助系统设计与实现 公路交通科技，（）：王一喆，刘洋东基于车路协同技术的现代路面电车速度引导和信号优先控制系统 第九届中国智能交通年会优秀论文集北京：电子工业出版社，（，）：（），：；论文摘要撰写要求摘要是以提供文献内容梗概为目的，不加评论和补充解释，简明、确切地记述文献重要内容的短文。其基本要素包括研究目的、方法、结果和结论。具体地讲就是研究工作的主要对象和范围，采用的手段和方法，得出的结果和重要的结论。篇幅以 字左右为宜。具体包括以下方面。本文的研究目的或要解决的问题；解决问题的方法及过程；主要结果及结论；本文的创新、独到之处。英文摘要中宜用过去时态叙述作者所做的工作；用现在时态叙述结论；能用名词做定语的就不要用动名词做定语，能用形容词做定语的就不要用名词做定语。尽可能用主动语态代替被动语态。梁猛：基于车路协同的交叉口控制系统设计 年第期