CN105788312A - 一种基于车路协同的快速道路可变限速控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于车路协同的快速道路可变限速控制方法，该方法通过车辆与路侧情报板以及控制中心的协同控制，以实现实时调整快速道路的限制值，减少道路交通事故率，提高道路交通安全。本发明包括以下几个步骤：检测车辆速度、位置信息，开启可变限速控制，发布可变限速信息，控制车辆速度等步骤。本发明方法设计简单，易于计算；通过车路协同控制，能够克服已有可变限速控制的缺陷，减少道路交通事故，有效提高快速道路的交通安全。基于车路协同的可变限速方法在快速道路交通管理与控制方面具有非常实际的工程运用价值。

Description

一种基于车路协同的快速道路可变限速控制方法

技术领域

本发明属于智能交通管理与控制技术领域，特别涉及一种基于车路协同的快速道路可变限速控制方法。

背景技术

随着人民生活水平的提高，我国汽车数量日益增加，根据公安部相关数据显示，截止2012年底，我国机动车保有量达到2.4亿余量，机动车驾驶人数达到2.6亿，而且在不断增长。剧增的机动车带来了巨大的交通压力，同时也对交通安全造成了很大的影响。数据表明，仅2010年，全国就发生交通事故210821起，事故造成死亡人数达6.5万之多。而在众多事故中，快速道路车辆超速、追尾碰撞占据了很大的比例，为人民生命财产安全带来了巨大损失。如何有效解决快速道路车辆限速以防止追尾碰撞这一问题，至关重要。

已有研究通过可变限速控制的方法，以期实现对快速道路上车辆速度的动态调整，从而降低事故风险，提高交通安全。然而，已有控制方法存在两个明显的缺陷，首先，已有限速控制基于路段检测器检测交通流数据，需要在快速道路上铺设大量检测器，不仅费用昂贵，维修不便，而且易对路面产生损害；其次，已有可变限速控制方法通过限速牌发布视觉限速信息，经常存在驾驶员未及时察觉动态限速信息或是不遵守限速要求的现象，在这种情况下可变限速控制效果就很难保障。

随着智能交通技术的迅猛发展，车路协同技术也得到了广泛关注。车路协同技术通过车辆、路侧设施、控制中心等模块的无线连接，能够实现信息的无线传递与交通的实时控制，因此为快速道路的可变限速控制奠定了非常良好的基础。经过发明人的深入研究发现，将车路协同技术应用于快速道路，通过车-路-控制中心这三者之间的紧密衔接，能够很好的实现可变限速控制，解决已有研究中存在的巨大缺陷。因此，基于车路协同技术的可变限速控制方法对改善我国快速道路的交通安全现状具有非常重要的工程运用价值。

发明内容

为克服已有可变限速控制的两大缺陷，有效降低道路交通事故率，改善交通安全，本发明的目的是提供一种基于车路协同的快速道路可变限速控制方法，通过车辆实时提供并传递交通信息，来避免铺设大量道路检测器；同时，通过控制中心-路侧情报板-车辆之间的信息传输与控制，来实现车辆的及时减速，克服已有控制方法存在的问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于车路协同的可变限速控制方法，由车辆实时发送车辆信息至控制中心，控制中心根据车辆信息判断是否进行限速控制，不同快速道路路段采用不同限速值，采用路侧情报板发布限速信息并对车辆进行速度控制，具体步骤为：

1)将快速道路等间距分段，各路段编号为i＝1,2,…,I，在各路段设置路侧情报板，相邻两个路侧情报板之间的距离为L，设置快速道路初始限速值为V₀；

2)在各路段上运行的车辆实时发送车辆信息至控制中心，车辆信息包括车辆速度、位置、数量；

3)控制中心统计各路段i上所有车辆的车速平均值v_i与所有车辆的碰撞风险指标平均值Θ_i，i＝1,2,…,I，每周期统计一次，周期为Δt；

4)根据步骤3)中统计的数据判断是否启动可变限速控制，判断标准为：

$\frac{1}{I}\underset{i}{\Σ}\left(v_i\right(t-\mathrm{\Δ}t)-v_i(t\left)\right)>V_A$

其中：v_i(t-Δt)与v_i(t)为相邻两个周期路段i上运行车辆的速度平均值，I为总路段数，V_A为速度临界值；

若则启动可变限速控制，转入步骤5)；否则，不启动可变限速控制，保持初始限速值V₀，转入步骤11)；

5)根据步骤3)中统计的数据判断采用可变限速方案1或可变限速方案2，判断标准为：

$\frac{1}{I}\underset{i}{\Σ}{\mathrm{\Θ}}_i\left(t\right)>{\mathrm{\Θ}}_A$

其中：Θ_A为碰撞风险指标临界值；

若成立，则启动可变限速方案1，转入步骤6)；否则，启动可变限速方案2，转入步骤8)；

6)根据步骤3)中统计的数据判断是否发布限速信息，判断标准为：

(v_i+1(t)-v_i(t))/L>Θ_B

其中：v_i+1(t)与v_i(t)分别为第t周期相邻两路段运行车辆的速度平均值，Θ_B为碰撞风险指标临界值；

(v_i+1(t)-v_i(t))/L>Θ_B若成立，则不发布限速信息，转入步骤7)；否则，转入步骤10)；

7)调整路段i+1的限速值Vl_i+1,，Vl_i+1＝Θ_B/L+v_i(t)，将Vl_i+1近似至最近的5的倍数；i＝i+1，转入步骤6)；

8)根据步骤3)中统计的数据判断是否发布限速信息，判断标准为：

v_i+1(t)-v_i(t)>V_B

其中：v_i+1(t)与v_i(t)分别为第t周期相邻两路段运行车辆的速度平均值，V_B为车速临界值；

v_i+1(t)-v_i(t)>V_B若成立，则不发布限速信息，转入步骤9)；否则，转入步骤10)；

9)调整路段i+1的限速值Vl_i+1,，Vl_i+1＝v_i(t)+V_B，将Vl_i+1近似至最近的5的倍数；i＝i+1，转入步骤8)；

10)路侧情报板发布可变限速信息，通过无线传输给车辆；

11)车辆接收路侧情报板发布的可变限速信息，并按照限速信息运行；进入下一周期，重复步骤2)至10)，进行路段可变限速动态调整。

步骤3)中，车速平均值v_i的计算方法为：

$v_i=\frac{1}{J}\underset{j}{\Σ}{v}_{i,j}$

其中：v_i,j为在路段i内运行的车辆j的速度，j＝1,2,…,J，J为路段i内运行车辆的总数；

步骤3)中，碰撞风险指标平均值Θ_i的计算方法为：

${\mathrm{\Θ}}_i=\frac{1}{J}\underset{j}{\Σ}{\mathrm{\Θ}}_{i,j}$

${\mathrm{\Θ}}_{i,j}=\left\{\begin{array}{cc}\frac{v_{i,j}-v_{i,j-1}}{x_{i,j-1}-x_{i,j}},& v_{i,j}>v_{i,j-1}\\ 0,& v_{i,j}\≤v_{i,j-1}\end{array}\right.$

其中：v_i,j为在路段i内运行的车辆j的速度，v_i,j-1为在路段i内运行的车辆j的前车j-1的速度，x_i,j为在路段i内运行的车辆j的位置，x_i,j-1为在路段i内运行的车辆j的前车j-1的位置，j＝1,2,…,J，J为路段i内运行车辆的总数。

有益效果：本发明提出了一种基于车路协同的快速道路可变限速控制方法，该方法充分利用了车辆-路侧情报板-控制中心三者协同的优势，通过车辆实时传输交通信息，通过控制中心判断是否启动可变限速，如果启动可变限速，则通过路侧情报板发布限速信息并控制车辆及时减速；如果不进行可变限速，则进入下一周期。

与现有可变限速控制方法相比(例如刘攀等提出的《一种基于交通流运行状态的快速道路可变限速控制方法》)，本发明解决了已有方法中的两大缺陷。首先，通过车辆来提供并传输交通信息，不仅精度更高，而且可以解决已有控制方法在路段铺设大量检测器的问题，减少检测器铺设对路面产生的损害，同时不需要经常维修，能够节省大量人力物力；其次，通过路侧情报板发布限速信息并直接控制运行车辆使其有序减速，可以有效提高已有可变限速控制方法中驾驶员不遵守限速规则或者未能及时察觉限速要求等问题。

综上所述，本发明可以在有效降低车辆运行速度，改善交通安全的同时，减少大量的人力物力，因此具有很强的应用前景。

附图说明

图1为本发明的总体控制流程图；

图2为快速道路车路协同可变限速控制示意图。

图2中，1-控制中心，2-路侧情报板，3-车辆。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1和图2所示，本发明提出的基于车路协同的可变限速控制方法，由车辆发送实时信息至控制中心，控制中心根据车辆信息判断是否进行限速控制，不同快速道路路段采用不同限速值，采用路侧情报板发布限速信息并对车辆进行速度控制，具体步骤为：

1)将快速道路等间距分段，各路段编号为i＝1,2,…,I，在各路段设置路侧情报板，相邻两个情报板之间的距离为L，设置快速道路初始限速值为V₀；L一般为1km、2km、或者5km，限速值V₀可根据实际情况参考文献(《公路工程技术标准(JTGB01-2014)》)；

2)在各路段上运行的车辆实时发送信息至控制中心，实时信息包括车辆速度、位置、数量；

3)控制中心统计各路段i上所有车辆的车速平均值v_i与所有车辆的碰撞风险指标平均值Θ_i，i＝1,2,…,I，每周期统计一次，周期为Δt；

车速平均值v_i的计算方法为：

$v_i=\frac{1}{J}\underset{j}{\Σ}{v}_{i,j}$

其中：v_i,j为在路段i内运行的车辆j的速度，j＝1,2,…,J，J为路段i内运行车辆的总数；

碰撞风险指标平均值Θ_i的计算方法为：

${\mathrm{\Θ}}_i=\frac{1}{J}\underset{j}{\Σ}{\mathrm{\Θ}}_{i,j}$

${\mathrm{\Θ}}_{i,j}=\left\{\begin{array}{cc}\frac{v_{i,j}-v_{i,j-1}}{x_{i,j-1}-x_{i,j}},& v_{i,j}>v_{i,j-1}\\ 0,& v_{i,j}\≤v_{i,j-1}\end{array}\right.$

其中：v_i,j为在路段i内运行的车辆j的速度，v_i,j-1为在路段i内运行的车辆j的前车j-1的速度，x_i,j为在路段i内运行的车辆j的位置，x_i,j-1为在路段i内运行的车辆j的前车j-1的位置，j＝1,2,…,J，J为路段i内运行车辆的总数；

4)根据步骤3)中统计的数据判断是否启动可变限速控制，判断标准为：

$\frac{1}{I}\underset{i}{\Σ}\left(v_i\right(t-\mathrm{\Δ}t)-v_i(t\left)\right)>V_A$

其中：v_i(t-Δt)与v_i(t)为相邻两个周期路段i上运行车辆的速度平均值，I为总路段数，V_A为速度临界值，V_A一般取20km/h、30km/h或40km/h；

若则表明该路段的车速出现突降，对上游车辆将会产生影响，此时启动可变限速控制，转入步骤5)；否则，不启动可变限速控制，保持初始限速值V₀，转入步骤11)；

5)根据步骤3)中统计的数据判断采用可变限速方案1或可变限速方案2，判断标准为：

$\frac{1}{I}\underset{i}{\Σ}{\mathrm{\Θ}}_i\left(t\right)>{\mathrm{\Θ}}_A$

其中：Θ_A为碰撞风险指标临界值，Θ_A一般取0.5、1.0或1.5；

若成立，则启动可变限速方案1，转入步骤6)；否则，启动可变限速方案2，转入步骤8)；

6)根据步骤3)中统计的数据判断是否发布限速信息，判断标准为：

(v_i+1(t)-v_i(t))/L>Θ_B

其中：v_i+1(t)与v_i(t)分别为第t周期相邻两路段运行车辆的速度平均值，Θ_B为碰撞风险指标临界值，Θ_B一般取1.5、2.0、2.5或3.0；

(v_i+1(t)-v_i(t))/L>Θ_B若成立，则不发布限速信息，转入步骤7)；否则，转入步骤10)；

7)调整路段i+1的限速值Vl_i+1,，Vl_i+1＝Θ_B/L+v_i(t)，将Vl_i+1近似至最近的5的倍数；i＝i+1，转入步骤6)；

8)根据步骤3)中统计的数据判断是否发布限速信息，判断标准为：

v_i+1(t)-v_i(t)>V_B

其中：v_i+1(t)与v_i(t)分别为第t周期相邻两路段运行车辆的速度平均值，V_B为车速临界值，V_B一般取10km/h、20km/h或30km/h；

v_i+1(t)-v_i(t)>V_B若成立，则不发布限速信息，转入步骤9)；否则，转入步骤10)；

9)调整路段i+1的限速值Vl_i+1,，Vl_i+1＝v_i(t)+V_B，将Vl_i+1近似至最近的5的倍数；i＝i+1，转入步骤8)；

10)路侧情报板发布可变限速信息，通过无线传输给车辆。路侧情报板发布限速信息给驾驶员的同时，通过无线信号传输来控制该路段内所有车辆的运行，使其有序减速，以符合限速要求；

11)车辆接收路侧情报板发布的可变限速信息，并按照限速信息运行；进入下一周期，重复步骤2)至10)，进行路段可变限速动态调整。

实施例

下面给出一个具体实施例。图2所示为一条单向三车道(双向六车道)的快速道路，图中标号含义为：1-控制中心，2-路侧情报板，3-车辆。采用本发明对该快速道路进行控制。

步骤1，将快速道路等间距分段，共10个路段，各路段编号为i＝1,2,…,10，在各路段设置路侧情报板，相邻两个情报板之间的距离为L＝1km，设置初始限速值为V₀＝120km/h；

步骤2，在各路段上运行的车辆实时发送信息至控制中心，实时信息包括车辆速度、位置、数量；

步骤3，控制中心统计各路段i上所有车辆的车速平均值v_i与所有车辆的碰撞风险指标平均值Θ_i，i＝1,2,…,10，每周期统计一次，周期为Δt＝30s；

车速平均值v_i的计算方法为：

$v_i=\frac{1}{J}\underset{j}{\Σ}{v}_{i,j}$

其中：v_i,j为在路段i内运行的车辆j的速度，j＝1,2,…,J，J为路段i内运行车辆的总数；

碰撞风险指标平均值Θ_i的计算方法为：

${\mathrm{\Θ}}_i=\frac{1}{J}\underset{j}{\Σ}{\mathrm{\Θ}}_{i,j}$

${\mathrm{\Θ}}_{i,j}=\left\{\begin{array}{cc}\frac{v_{i,j}-v_{i,j-1}}{x_{i,j-1}-x_{i,j}},& v_{i,j}>v_{i,j-1}\\ 0,& v_{i,j}\≤v_{i,j-1}\end{array}\right.$

其中：v_i,j为在路段i内运行的车辆j的速度，v_i,j-1为在路段i内运行的车辆j的前车j-1的速度，x_i,j为在路段i内运行的车辆j的位置，x_i,j-1为在路段i内运行的车辆j的前车j-1的位置，j＝1,2,…,J，J为路段i内运行车辆的总数；

步骤4，根据步骤3中统计的数据判断是否启动可变限速控制，判断标准为：

$\frac{1}{I}\underset{i}{\Σ}\left(v_i\right(t-\mathrm{\Δ}t)-v_i(t\left)\right)>V_A$

10个路段相邻两个周期运行车辆的速度平均值如下表所示：

路段	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
											vi(t-Δt)(km/h)	115	120	108	118	100	117	105	107	108	110
vi(t)(km/h)	58	90	76	80	85	77	89	91	95	73

则：

$\begin{array}{c}\frac{1}{I}\underset{i}{\Σ}\left(v_i\right(t-\mathrm{\Δ}t)-v_i(t\left)\right)\\ =\left(\right(115-58)+(120-90)+(108-76)+(118-80)+(100-85)+(117-77)+(105-89)+(1\end{array}$

$\begin{array}{c}07-91)+(108-95)+(110-73))/10\\ =29.4(km/h);\end{array}$

速度临界值V_A取20km/h，则29.4>20，表明该路段的车速出现突降，对上游车辆将会产生影响，此时启动可变限速控制，转入步骤5)；

步骤5，根据步骤3中统计的数据判断采用可变限速方案1或可变限速方案2，判断标准为：

$\frac{1}{I}\underset{i}{\Σ}{\mathrm{\Θ}}_i\left(t\right)>{\mathrm{\Θ}}_A$

10个路段第t周期的碰撞风险指标如下表所示：

路段	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
											Θi	3.5	2	2.1	1.8	1.9	0.9	0.8	1.6	2.3	3.0

则：

$\begin{array}{c}\frac{1}{I}\underset{i}{\Σ}{\mathrm{\Θ}}_i\left(t\right)\\ =(3.5+2+2.1+1.8+1.9+0.9+0.8+1.6+2.3+3.0)1/10\\ =1.99\end{array}$

碰撞风险指标临界值Θ_A取0.5；

此时1.99>0.5，启动可变限速方案1，转入步骤6；

步骤6，根据步骤3中统计的数据判断是否发布限速信息，判断标准为：

(v_i+1(t)-v_i(t))/L>Θ_B

取i＝1，则v_i(t)＝90km/h，v_i+1(t)＝58km/h，

(v_i+1(t)-v_i(t))/L

＝(90-58)/1＝32

碰撞风险指标临界值Θ_B取2，则32>2，转入步骤7；

步骤7，调整路段i+1的限速值Vl_i+1,，Vl_i+1＝Θ_B/L+v_i(t)＝2/1+58＝60km/h，将Vl_i+1近似至最近的5的倍数仍为60km/h；i＝i+1，转入步骤6；

步骤8，确定限速值之后，路侧情报板发布可变限速信息，通过无线传输给车辆。路侧情报板发布限速信息给驾驶员的同时，通过无线信号传输来控制该路段内所有车辆的运行，使其有序减速，以符合限速要求；

步骤9，车辆接收路侧情报板发布的可变限速信息，并按照限速信息运行；进入下一周期，重复步骤2)至7)，进行路段可变限速动态调整。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于车路协同的快速道路可变限速控制方法，其特征在于：由车辆实时发送车辆信息至控制中心，控制中心根据车辆信息判断是否进行限速控制，不同快速道路路段采用不同限速值，采用路侧情报板发布限速信息并对车辆进行速度控制，具体步骤为：

1)将快速道路等间距分段，各路段编号为i＝1,2,…,I，在各路段设置路侧情报板，相邻两个路侧情报板之间的距离为L，设置快速道路初始限速值为V₀；

2)在各路段上运行的车辆实时发送车辆信息至控制中心，车辆信息包括车辆速度、位置、数量；

3)控制中心统计各路段i上所有车辆的车速平均值v_i与所有车辆的碰撞风险指标平均值Θ_i，i＝1,2,…,I，每周期统计一次，周期为Δt；

4)根据步骤3)中统计的数据判断是否启动可变限速控制，判断标准为：

$\frac{1}{I}\underset{i}{\Σ}\left(v_i\right(t-\mathrm{\Δ}t)-v_i(t\left)\right)>V_A$

其中：v_i(t-Δt)与v_i(t)为相邻两个周期路段i上运行车辆的速度平均值，I为总路段数，V_A为速度临界值；

若则启动可变限速控制，转入步骤5)；否则，不启动可变限速控制，保持初始限速值V₀，转入步骤11)；

5)根据步骤3)中统计的数据判断采用可变限速方案1或可变限速方案2，判断标准为：

$\frac{1}{I}\underset{i}{\Σ}{\mathrm{\Θ}}_i\left(t\right)>{\mathrm{\Θ}}_A$

其中：Θ_A为碰撞风险指标临界值；

若成立，则启动可变限速方案1，转入步骤6)；否则，启动可变限速方案2，转入步骤8)；

6)根据步骤3)中统计的数据判断是否发布限速信息，判断标准为：

(v_i+1(t)-v_i(t))/L>Θ_B

其中：v_i+1(t)与v_i(t)分别为第t周期相邻两路段运行车辆的速度平均值，Θ_B为碰撞风险指标临界值；

(v_i+1(t)-v_i(t))/L>Θ_B若成立，则不发布限速信息，转入步骤7)；否则，转入步骤10)；

7)调整路段i+1的限速值Vl_i+1,，Vl_i+1＝Θ_B/L+v_i(t)，将Vl_i+1近似至最近的5的倍数；i＝i+1，转入步骤6)；

8)根据步骤3)中统计的数据判断是否发布限速信息，判断标准为：

v_i+1(t)-v_i(t)>V_B

其中：v_i+1(t)与v_i(t)分别为第t周期相邻两路段运行车辆的速度平均值，V_B为车速临界值；

v_i+1(t)-v_i(t)>V_B若成立，则不发布限速信息，转入步骤9)；否则，转入步骤10)；

9)调整路段i+1的限速值Vl_i+1,，Vl_i+1＝v_i(t)+V_B，将Vl_i+1近似至最近的5的倍数；i＝i+1，转入步骤8)；

10)路侧情报板发布可变限速信息，通过无线传输给车辆；

11)车辆接收路侧情报板发布的可变限速信息，并按照限速信息运行；进入下一周期，重复步骤2)至10)，进行路段可变限速动态调整。

2.根据权利要求1所述的基于车路协同的快速道路可变限速控制方法，其特征在于：步骤一中，相邻两个路侧情报板之间的距离为L为1km、2km、或者5km。

3.根据权利要求1所述的基于车路协同的快速道路可变限速控制方法，其特征在于：步骤3)中，车速平均值v_i的计算方法为：

$v_i=\frac{1}{J}\underset{j}{\Σ}{v}_{i,j}$

其中：v_i,j为在路段i内运行的车辆j的速度，j＝1,2,…,J，J为路段i内运行车辆的总数。

4.根据权利要求1所述的基于车路协同的快速道路可变限速控制方法，其特征在于：步骤3)中，碰撞风险指标平均值Θ_i的计算方法为：

${\mathrm{\Θ}}_i=\frac{1}{J}\underset{j}{\Σ}{\mathrm{\Θ}}_{i,j}$

${\mathrm{\Θ}}_{i,j}=\left\{\begin{array}{cc}\frac{v_{i,j}-v_{i,j-1}}{x_{i,j-1}-x_{i,j}},& v_{i,j}>v_{i,j-1}\\ 0,& v_{i,j}\≤v_{i,j-1}\end{array}\right.$

其中：v_i,j为在路段i内运行的车辆j的速度，v_i,j-1为在路段i内运行的车辆j的前车j-1的速度，x_i,j为在路段i内运行的车辆j的位置，x_i,j-1为在路段i内运行的车辆j的前车j-1的位置，j＝1,2,…,J，J为路段i内运行车辆的总数。