CN104192148A - 一种基于交通信号信息预知的主干道车速规划方法 - Google Patents

Abstract

一种基于交通信号信息预知的主干道车速规划方法，包括以下步骤：步骤1)获取最近的交通信号灯数据；步骤2)获取与最近交通信号灯的距离；步骤3)确定通过交通路口时间范围；步骤4)计算优化车速；步骤5)判断是否需要通过下一个路口，如果是，则转入步骤1)；否则，到达目的地。

Description

一种基于交通信号信息预知的主干道车速规划方法

技术领域

本发明属于汽车智能辅助控制领域，涉及一种基于交通信号信息预知的主干道车速规划方法，对于混合动力电动汽车、纯电动汽车控制也具有重要意义。

背景技术

石油危机一直是我国经济发展面临的重要问题之一。减少汽车的燃油消耗能够有效降低城市交通运输领域的石油消耗，对我国能源可持续发展具有重要的意义。传统汽车的燃油消耗与驾驶员的加速和制动操作过程，以及怠速时间密切相关。汽车在快速路上运行时，可以自由行驶，发动机尽量保持匀速转动，燃油经济性相对较好。但是，汽车在城市主干道上运行时，会受到交通信号灯的影响，不断进行加速、制动、怠速操作，不仅发动机的燃油消耗增加，而且存在安全隐患。实际上，为了减少汽车在主干道行驶时的燃油消耗，汽车行驶需要尽量做到以下三点：

1)避免通过交通路口时，快速的加速和制动操作；

2)避免红灯时到达交通路口，长时间怠速运行；

3)将汽车通过交通路口时的车速控制在一定范围之内。

由于驾驶员的视觉及驾驶反应距离约为75米，即，汽车在距离具有交通信号灯的交通路口约为75米以内做出加速或者制动操作才会影响汽车通过交通路口的方式。但是由于驾驶员无法准确对交通信号灯的变化情况进行预测，因此在通过交通路口时可能会采取快速加速或者制动，而且很难主动避免红灯前汽车怠速。

随着现代无线通信技术的发展和地面通讯设备的完善，汽车在主干道上行驶时，即使汽车与前方具有交通信号灯的交通路口距离长达数千米，仍然能够实时获取该交通路口准确的信号灯信息。车速规划方法就是根据信号灯信息对车速进行规划，并提供给驾驶员作为驾驶参考，从而尽量控制汽车的车速的方法。该方法不仅可以避免驾驶员的快速加速和制动操作，而且能够最大可能的使得汽车在绿灯时通过交通路口，减少汽车的燃油消耗。但是目前国内，还没有有关汽车车速规划的技术和方法。

本发明针对汽车在一条相对通畅的主干道上运行时，建立了一种基于交通信号信息的主干道车速规划方法。该方法通过无线通讯设备获取的交通信号灯信息，对汽车运行时间和加速度进行了优化，并通过将规划出的车速曲线提供给驾驶员作为驾驶参考，从而使得汽车能够避免由于信号灯带来的快速加速和减速操作，以及怠速运行，降低汽车在相对通畅的主干道上运行时的燃油消耗。

发明内容

由于目前我国没有对汽车主干道车速规划方法和技术，在一定程度上影响到了汽车燃油经济性，为了弥补这一不足，考虑到交通状态的影响，本发明根据前方最近交通路口的信号灯信息，对汽车车速进行规划计算，并对行驶时间和加速度进行了优化，然后通过将规划好的车速提供给驾驶员作为驾驶参考，从而降低汽车的燃油消耗。

本发明通过如下技术方案实现。一种基于交通信号信息预知的主干道车速规划方法，包括以下步骤：

步骤1)：获取最近的交通信号灯数据。汽车进入路段，首先通过无线通信***获取最近交通路口信号灯变化数据t^s，s∈{g,r}。s为信号灯类型，g表示绿灯，r表示红灯。信号灯变换情况存在两种情况，如图1所示。当遇到信号灯初始为红灯时，则定义第1次变换为绿灯的时间为第2次变换为红灯的时间为然后第3次变换为绿灯的时间为以此类推。同理，当初始为绿灯时，则以此类推。

步骤2)：获取与最近交通信号灯的距离。汽车进入第i个路段，通过无线定位***获取汽车与第i个路段的信号灯的距离D_i。

步骤3)：确定通过交通路口时间范围。考虑到道路的流量，需要尽量减少汽车通过路段的时间。汽车最短时间到达道路路口的操作方式为：首先从初始速度v₀，以加速度的最大值a_h加速，达到道路所允许的车速最大值v_lim后，匀速运行到交通路口。

因此，汽车的加速时间t_a为：

$t_a=\frac{v_{\lim }-v_0}{a_h}$

以车速v_lim的匀速运行时间为：

$t_c=\frac{1}{v_{\lim }}[D_i-v_0\left(\frac{v_{\lim }-v_0}{a_h}\right)-\frac{1}{2}a{\left(\frac{v_{\lim }-v_0}{a_h}\right)}^2]$

汽车最短时间通过路口的时间为t_t，

t_t＝t_a+t_c

汽车通过交通路口i的时间区间的上限为t_l，下限为t_h，汽车通过第i个路口的时间区段为 $\left(\begin{array}{cc}{t}_i^l& t_i^h\end{array}\right].$

为了使汽车到达交通路口时为绿灯，当汽车以最短时间通过第i个路口时，收到的交通信号信息的初始信号为绿灯时，汽车通过交通路口的时间区间为：

如果 $t_{k-1}^g<t_t<t_k^r$

则 $\begin{array}{c}{t}_i^l=t_t\\ t_i^h=t_k^r\end{array}$

如果 $t_{k+1}^g<t_t<t_k^r$

则 $\begin{array}{c}{t}_i^l=t_k^g\\ t_i^h=t_{k+1}^r\end{array}$

式中，k为信号改变次数。

步骤4)：计算优化车速。为了提高汽车的燃油消耗性能，车速规划算法需要尽量保持车速恒定，减少不必要的加速或者制动操作。本发明在车流量较少的主干道上进行车速规划时，采用汽车只进行一次加速或者制动操作的方法。汽车首先进行时间为t_e的加速或者制动操作，加速度为a；最后再以速度v₁匀速行驶，v₁＝v₀+at_e。

为了保证道路的通过能力，需要使得汽车在 $\left(\begin{array}{cc}{t}_i^l& t_i^h\end{array}\right]$ 时间内通过交通路口。另外，为了提高汽车的燃油经济性，需要使得汽车的车速变化最小。因此，本发明以通过时间和加速度绝对值之和作为优化目标，优化函数如下式：

Min |a|+t

约束条件为：

1)   $(v_0{t}_e+\frac{1}{2}{{\mathrm{at}}_e}^2)+(v_0+{\mathrm{at}}_e)(t-t_e)=D_L$

2)  0≤t_e≤t

3)  t_l≤t＜t_h

4)  a_l≤a≤a_h

5)  0≤v₀+at_e≤v_lim

式中，a_l为加速度最小值，a_h为加速度最大值。

步骤5)：行车按照规划车速通过交通路口后，根据驾驶员需求，判断是否需要进入下一个路口，如果需要则转到步骤1)；如果不需要，则结束行程。

附图说明

图1车速规划实施方法示意图；

图2试验道路图；

图3交通信号信息示意图；

图4车速规划曲线示意图；

图5主干道车速规划车速曲线图；

图6传统驾驶员控制车速曲线图；

图7advisor中汽车模型图；

其中，图3和图4中D_L是汽车当前位置与最近交通路口信号灯之间的距离。汽车在当前位置，获取最近交通路口信号灯数据存在的两种情况，上图是遇到信号灯初始为红灯，下图为遇到信号灯初始为绿灯。

图5和图6中，上图是汽车在行驶过程中距离随时间变化曲线，下图是汽车在行驶过程中速度随时间变化曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述如下：

由于目前我国没有对汽车主干道车速规划方法和技术，在一定程度上影响到汽车燃油经济性，为了弥补这一不足，本发明对相对通畅的主干道进行了车速规划，通过无线传输设备预知前方最近交通路口的信号灯距离及信息，对汽车车速进行规划计算，对行驶时间和加速度进行优化，然后将规划好的车速提供给驾驶员作为驾驶参考，从而降低汽车的燃油消耗，具体过程如图1所示。

实施例1

以北京市紫竹院南路到西皇城根北街为例进行说明，汽车行驶路线图如图2所示。以紫竹院南路为起点，西皇城根北街为终点。该条道路上共经过十个有交通信号灯的交通路口：首都体育馆南路、三里河路、文兴东街、展览路、车公庄北街、官园桥、育幼胡同、赵登禹路、新街口大街和西皇城根北街。

获取最近的交通信号灯数据。汽车进入路段，首先通过无线通信***获取最近交通路口信号灯变化数据t^s，s∈{g,r}。s为信号灯类型，g表示绿灯，r表示红灯。信号灯变换情况存在两种情况，如图3所示。当遇到信号灯初始为红灯时，则定义第1次变换为绿灯的时间为第2次变换为红灯的时间为然后第3次变换为绿灯的时间为以此类推。同理，当初始为绿灯时，则 $t_1^r<t_2^g<t_3^r,$ 以此类推。

本次测试时间为2014年4月5日上午7:00:00，汽车位于起点(紫竹院南路)，此时各个交通路口的信号灯变换时刻t^s数组(单位s)为：

首都体育馆南路：[45,85,185,235,335,375,475,525,625]，初始信号灯为r；

三里河路：[45,90,160,205,275,320,390,435,505]，初始信号灯为r；

文兴东街：[33,89,153,209,273,329,393,449,513]，初始信号灯为r；

展览路：[80,140,225,285,370,430,515,575,635]，初始信号灯为r；

车公庄北街：[73,146,219,292,365,438,511,584,657]，初始信号灯为g；

官园桥：[40,90,245,295,450,500,655,705,860]，初始信号灯为r；

育幼胡同：[60,140,225,305,390,470,555,635,720]，初始信号灯为r；

赵登禹路：[50,140,215,305,380,470,545,635,710]，初始信号灯为r；

新街口大街：[87,152,252,317,417,482,582,647,747]，初始信号灯为r；

西皇城根北街：[204,284,344,424,484,564,624,704,764]，初始信号灯为r；

从测试起点至终点，即从紫竹院南路到西皇城根北街，汽车距离交通路口的距离组成的数组D_i为[501,1184,1671,2062,2525,3051,3823,4083,4526,4849]，单位m。

假设汽车开始行程时的初始车速为40km/h；道路的最高车速为50km/h；汽车的加速度为1.5m/s²；减速度为-2m/s²。

步骤1)汽车从紫竹院南路出发时，首先通过无线传输***获取首都体育馆南路的交通信号灯变换信息，[45,85,185,235,335,375,475,525,625]。由于初始信号灯为r；因此， $t_1^g=45s,t_2^r=85s,t_3^g=185s,$ 依次类推。

步骤2)同时，汽车通过无线定位***及道路地图，可以获取汽车与首都体育馆南路的距离D₁，D₁＝501m。

步骤3)确定汽车通过首都体育馆南路的时间范围。汽车的初始速度v₀＝40km/h，以最大加速度加速，a_h＝1.5m/s²，达到道路所允许的车速最大值v_lim＝50km/h后，匀速运行到交通路口。

因此，汽车的加速时间t_a为：

$t_a=\frac{v_{\lim }-v_0}{a_h}=1.8519s$

以车速v_lim的匀速运行时间为：

$t_c=\frac{1}{v_{\lim }}[D_i-v_0\left(\frac{v_{\lim }-v_0}{a_h}\right)-\frac{1}{2}a{\left(\frac{v_{\lim }-v_0}{a_h}\right)}^2]=34.4053s$

汽车最短时间到达路口的时间为t_t，

t_t＝t_a+t_c＝36.2572s

因此，定义汽车通过交通路口i的时间区间的上限为t_l，下限为t_h。

根据首都体育馆南路的交通灯变换信息可知，汽车首先加速到最大速度，然后匀速运行到交通路口时信号灯为红灯，因此无法顺利通过。为了使得汽车在绿灯时通过交通路口，本发明采用最近绿灯时间区段作为汽车的时间范围。根据交通信号灯变换信息可以得到，该区间为[45 85)。

步骤4)计算优化车速。为了提高汽车的燃油消耗性能，车速规划算法需要尽量保持车速恒定，减少不必要的加速或者制动操作。本发明在车流量较少的主干道上进行车速规划时，采用汽车只进行一次加速或者制动操作的方法。汽车首先在开始时刻t_s，进行时间为t_e的加速或者制动操作，加速度为a；最后再以速度v₁匀速行驶，v₁＝v₀+at_e。车速规划曲线如图4所示。

为了使汽车的加速度最小，以及保证道路的通过能力，需要使得汽车在 $\left(\begin{array}{cc}{t}_i^l& t_i^h\end{array}\right]$ 时间内通过交通路口。本发明以加速度绝对值和通过时间之和作为优化目标，优化函数如下式：

Min |a|+t

约束条件为：

1)  $(v_0{t}_e+\frac{1}{2}{{\mathrm{at}}_e}^2)+(v_0+{\mathrm{at}}_e)(t-t_e)=D_L$

2) 0≤t_e≤t

3) t_l≤t＜t_h

4) a_l≤a≤a_h

5) 0≤v₀+at_e≤v_lim

式中，a_l为加速度最小值，-2m/s²，a_h为加速度最大值，1.5m/s²。

通过采用matlab编写程序求解上述公式，可以得到汽车从紫竹院南路到首都体育馆南路期间，最优车速曲线为首先以加速度0.0016m/s²运行16.8173s，然后匀速运行到达首都体育馆南路。整个过程的运行时间为45s，从而保证以不停车的方式通过首都体育馆南路。

步骤5)由于汽车匀速运动期间车速大于10km/h，时间大于10s，因此采用规划好的车速运行。

步骤6)然后，汽车从首都体育馆南路出发时，首先获取三里河路的交通灯信号信息，此时为7:00:45，三里河路的交通灯变换信息变为[45,115,160,230,275,345,390,460]，初始信号灯为g。汽车与三里河路的交通灯的距离为D₂＝1184m-501m＝683m。

步骤7)汽车首先计算最短通过时间，并对车速曲线进行优化计算。发现汽车需要以减速度-0.0905m/s²减速运行112.0411s，然后再匀速运行到三里河路，整个过程的运行时间为115s。汽车通过三里河路时，时间为7:02:40，并继续向文兴东街行驶。

步骤8)按照同样的方法，汽车行驶过所有交通路口到达目的地。汽车通过第十个路口即西皇城根北街的总的运行时间是631s。汽车运行的整个过程都不会停车。

与不具有车速规划算法的车速曲线进行对比，即，驾驶员根据视觉获取交通信号信息并进行加速或者减速操作的距离为75m时，车速曲线图如图6所示：汽车通过第十个路口，即西皇城根北街的总的运行时间是630s。

从图5和图6中可以发现，两种车速曲线的用时基本一样，相差1s。但是采用车速规划算法建立的车速曲线，可以最大程度避免汽车在红灯前停车，减少了汽车的怠速时间；而且加速和制动操作更加平缓，从而最大程度降低汽车的燃油消耗。

本发明基于美国可再生能源实验室的车辆仿真软件advisor，应用传统汽车模型进行有无车速规划控制下的行驶状态及整车燃油消耗对比分析，汽车模型如图7所示。

表1 实施例1计算得到燃油消耗对比表

从表1中可以得到，汽车按照采用车速规划算法获取的车速曲线，相比不采用车速规划算法获取的车速曲线行驶，百公里燃油消耗减少14.3％。因此，采用主干道车速规划算法能够有效显著地改善汽车的燃油经济性。

Claims (6)

1.一种基于交通信号信息预知的主干道车速规划方法，包括以下步骤：

步骤1)获取最近的交通信号灯数据；

步骤2)获取与最近交通信号灯的距离；

步骤3)确定通过交通路口时间范围；

步骤4)计算优化车速；

步骤5)判断是否需要通过下一个路口，如果是，则转入步骤1)；否则，到达目的地。

2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述步骤1)通过无线通信***获取最近的交通信号灯数据。

3.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述步骤2)通过无线定位***获取与最近交通信号灯的距离。

4.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述步骤3)中通过以下公式计算最短时间到达路口的时间t_t＝t_a+t_c；

其中t_a为汽车的加速时间，t_c为汽车以允许的车速最大值的匀速运行时间；

$t_a=\frac{V_{\lim }-v_0}{a_h},t_c=\frac{1}{v_{\lim }}[D_i-v_0\left(\frac{v_{\lim }-v_0}{a_h}\right)-\frac{1}{2}a{\left(\frac{v_{\lim }-v_0}{a_h}\right)}^2];$

其中，v_lim为允许的车速最大值，v₀为初始速度，a_h为加速度的最大值，D_i为汽车与第i个路段的信号灯的距离，α为加速度。

5.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述步骤4)中以加速度绝对值和通过时间之和作为优化目标。

6.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述方法基于车辆仿真软件advisor，应用传统汽车模型进行有无车速规划控制下的行驶状态及整车燃油消耗对比分析。