CN111815952A - 一种基于车路协同的交叉口车流调节方法 - Google Patents

一种基于车路协同的交叉口车流调节方法 Download PDF

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Abstract

发明公开了一种基于车路协同的交叉口车流调节方法，涉及公路交通领域。包括以下步骤：根据交叉口衔接道路的数量、每个道路包含的具体车道数量及其车道宽度，确定交叉口内冲突点的位置和数量，并计算每一个冲突点的危险时段。在交叉口四周的入口车道设置车辆状况调节区。在道路四周或路面以下安装足够数量的传感器，监测道路上方每个车辆的实时位置、实时车速、实时加速度等参数，并将车辆状况参数实时传输给信息处理模块。信息处理模块根据周围道路上方车辆的实时信息，结合交叉口内冲突点的危险时段，对车辆状况调节区的车辆进行调控。使得车辆避开冲突点的危险时段，按照一定的时间间隔依次进入并穿过交叉口区域。

Description

一种基于车路协同的交叉口车流调节方法
技术领域
本发明涉及公路交通领域，具体涉及一种基于车路协同的交叉口车流调节方法。
背景技术
随着社会的发展，汽车保有量逐年增加，交通秩序混乱、交通拥挤、交通事故频发等一系列问题，日益突出。交叉口位于道路的交叉地带，存在着许多交通冲突点(冲突点是指在交叉口内，两股车流轨迹线呈交叉形的交汇点)，是交通事故、交通拥堵发生的重灾区，当前交叉口的通行能力受到驾驶人反应时间、车辆之间协调时间等原因的制约，已经无法从根本上解决上述问题。
车路协同是采用先进的无线通信和新一代互联网等技术，全方位实施车车、车路动态实时信息交互，并在全时空动态交通信息采集与融合的基础上开展车辆主动安全控制和道路协同管理，充分实现人车路的有效协同，提高通行效率，从而形成的安全、高效和环保的道路交通***。车路协同技术对于解决交通秩序混乱、通行效率低、交通拥挤、交通事故频发等问题有着重要意义，车路协同的大规模应用和推广已经成为现代道路交通发展的必然选择。车路协同技术蓬勃发展、方兴未艾，同时还面临一系列基础研究的问题。例如，当前的交叉口的车流调节方法无法满足车路协同与自动驾驶等新技术的要求。
发明内容
本发明的目的是针对上述不足，提出了一种能够调节车辆避开冲突点的危险时段，按照一定的时间间隔依次进入并穿过交叉口区域的基于车路协同的交叉口车流调节方法。
本发明具体采用如下技术方案：
一种基于车路协同的交叉口车流调节方法，包括以下步骤：
步骤S1：根据交叉口四周道路的数量、每个道路包含的具体车道数量及其车道宽度，确定交叉口内冲突点的位置和数量，并计算每一个冲突点的危险时段；
步骤S2：在交叉口四周的入口车道设置车辆状况调节区，在道路四周或路面以下安装传感器，监测道路上方每个车辆的车辆状况参数，并将车辆状况参数实时传输给信息处理模块，信息处理模块对车辆状况参数进行实时分析处理；
步骤S3：信息处理模块根据周围道路上方车辆的实时信息，结合交叉口内冲突点的危险时段，对车辆状况调节区的车辆进行调控；控制不同车道上的车辆加减速行驶，使得不同车道的不同车辆按照一定的时间间隔进入交叉口区域，避开冲突点的危险时段，所有的直行、左转车辆均按照允许的最优速度匀速穿过交叉口区域。
优选地，直行车辆穿插直行车流时，被穿插的直行车辆之间的最小距离和直行车辆通过直行与直行冲突点作用区域所需要的时间分别为(4)和(5)所示：
Lmin直-直＝S1+S2+v直Δt直-直直 (4)
Figure BDA0002597844590000021
Lmin直-直为直行车辆穿插直行车流时，被穿插的直行车辆之间的最小距离(m)；S1为车辆长度(m)；S2为车辆宽度(m)；Δt直-直直为直行车辆通过直行与直行冲突点作用区域所需要的时间(s)。
优选地，左转车辆穿插直行车流时，被穿插的直行车辆之间的最小距离和直行车辆通过直行与左转冲突点作用区域所需要的时间分别为式(9)和(10)所示：
Lmin左-直＝L1+L2+S1+v直Δt直-直左 (9)
Figure BDA0002597844590000022
直行车辆穿插左转车流时，被穿插的左转车辆之间的最小距离和左转车辆通过直行与左转冲突点作用区域所需要的时间分别为式(11)和(12)所示：
Lmin直-左＝L1+L2+S1+v左Δt左-直左 (11)
Figure BDA0002597844590000023
Lmin左-直为左转车辆穿插直行车流时，被穿插的直行车辆之间的最小距离(m)；Lmin直-左为直行车辆穿插左转车流时，被穿插的左转车辆之间的最小距离(m)；Δt直-直左为直行车辆通过直行与左转冲突点作用区域所需要的时间(s)；Δt左-直左为左转车辆通过直行与左转冲突点作用区域所需要的时间(s)；
在直行与左转冲突点处，冲突点的最小作用距离即为L1+L2，直行车辆与左转车流之间的最短危险时段即为Δt直-直左，左转车辆与直行车流之间的最短危险时段即为Δt左-直左。
优选地，左转车辆穿插左转车流时，被穿插的左转车辆之间的最小距离及左转车辆通过左转与左转冲突点作用区域所需要的时间分别为式(13)和(14)所示：
Lmin左-左＝S1tanq+S2+v左Δt左-左左 (13)
Figure BDA0002597844590000024
Lmin左-左为左转车辆穿插左转车流时，被穿插的左转车辆之间的最小距离(m)；Δt左-左左为左转车辆通过左转与左转冲突点作用区域所需要的时间(s)。
本发明具有如下有益效果：
该方法能够计算交通冲突点的危险时段，控制即将进入交叉口的目标车辆进行变道、加减速，使得交叉口四周不同车道的车辆避开交通冲突点的危险时段，按照一定的时间顺序依次进入交叉口区域，并按照额定的速度匀速通过交叉口区域。
能够引导自动驾驶车辆行驶，实现车辆与道路之间的信息交流，实现有效车路协同、车车协同，大幅提高交叉口的通行能力，满足未来智能交通***的需求，对维护交叉口秩序、提高交叉口通行效率有着良好的效果。
附图说明
图1是基于车路协同的交叉口车流调节方法的总体流程图；
图2是基于车路协同的交叉口车流调节方法的结构图示例图；
图3是直行与直行冲突点处的车辆交汇示例图；
图4是直行与左转冲突点处的车辆交汇示例图；
图5是左转与左转冲突点处的车辆交汇示例图；
图6是交叉口四周车道首车车速调节流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的具体实施方式做进一步说明：
结合图1，基于车路协同的交叉口车流调节方法，包括以下步骤：
步骤S1：根据交叉口四周道路的数量、每个道路包含的具体车道数量及其车道宽度，确定交叉口内冲突点的位置和数量，并计算每一个冲突点的危险时段。
以双向四车道的十字交叉口为例，确定交叉口内冲突点的位置、数量和种类。如图2所示，以交叉口左下角O点为坐标轴原点建立坐标系，则冲突点①—
Figure BDA0002597844590000031
的坐标分别为①(0.5l，3.5l)、②(4l-√6l，3.5l)、③(√6l，3.5l)、④(3.5l，3.5l)、⑤(0.5l，√6l)、⑥(2l，2.5l)、⑦(3.5l，√6l)、⑧(1.5l，2l)、⑨(2.5l，2l)、⑩(0.5l，4l-√6l)、
Figure BDA0002597844590000032
(2l，1.5l)、
Figure BDA0002597844590000033
(3.5l，4l-√6l)、
Figure BDA0002597844590000034
(0.5l，0.5l)、
Figure BDA0002597844590000035
(4l-√6l，0.5l)、
Figure BDA0002597844590000036
(√6l，0.5l)、
Figure BDA0002597844590000037
(3.5l，3.5l)。
冲突点①—
Figure BDA0002597844590000038
分为3类：
(1)、直行与直行冲突点：①、④、
Figure BDA0002597844590000039
(2)、直行与左转冲突点：②、③、⑤、⑦、
Figure BDA00025978445900000310
(3)、左转与左转冲突点：⑥、⑧、⑨、
Figure BDA0002597844590000041
以①、⑤、
Figure BDA0002597844590000042
为例，分别计算直行与直行冲突点、直行与左转冲突点、左转与左转冲突点的最小作用距离及最短危险时段。
在交叉口区域内，同一车辆的速度不变，直行车辆的速度为v直、左转车辆的速度为v左，每条车道宽lm。
0≤v直＜v限 (1)
Figure BDA0002597844590000043
R＝2.5l (3)
v限为道路最高限速(km/h)；μ为路面的最大摩擦系数；R为左转车辆的转弯半径。
结合图3，直行车辆穿插直行车流时，被穿插的直行车辆之间的最小距离和直行车辆通过直行与直行冲突点作用区域所需要的时间分别为(4)和(5)所示：
Lmin直-直＝S1+S2+v直Δt直-直直 (4)
Figure BDA0002597844590000044
Lmin直-直为直行车辆穿插直行车流时，被穿插的直行车辆之间的最小距离(m)；S1为车辆长度(m)；S2为车辆宽度(m)；Δt直-直直为直行车辆通过直行与直行冲突点作用区域所需要的时间(s)。
在直行与直行冲突点处，冲突点的最小作用距离即为S1，最短危险时段即为Δt直-直直。
结合图4，
Figure BDA0002597844590000045
L2＝S2 sinn (7)
L1＝tanm(S2+S2cosn) (8)
k为该冲突点在坐标中切线的斜率；θ为倾斜角；x0为该冲突点在坐标系中的横坐标；(a,b)为圆弧对应的圆心位置；n为圆弧A-C对应的圆心角(°)，∠n和∠θ互补，∠m和∠n互余。
左转车辆穿插直行车流时，被穿插的直行车辆之间的最小距离和直行车辆通过直行与左转冲突点作用区域所需要的时间分别为式(9)和(10)所示：
Lmin左-直＝L1+L2+S1+v直Δt直-直左 (9)
Figure BDA0002597844590000051
直行车辆穿插左转车流时，被穿插的左转车辆之间的最小距离和左转车辆通过直行与左转冲突点作用区域所需要的时间分别为式(11)和(12)所示：
Lmin直-左＝L1+L2+S1+v左Δt左-直左 (11)
Figure BDA0002597844590000052
Lmin左-直为左转车辆穿插直行车流时，被穿插的直行车辆之间的最小距离(m)；Lmin直-左为直行车辆穿插左转车流时，被穿插的左转车辆之间的最小距离(m)；Δt直-直左为直行车辆通过直行与左转冲突点作用区域所需要的时间(s)；Δt左-直左为左转车辆通过直行与左转冲突点作用区域所需要的时间(s)；
在直行与左转冲突点处，冲突点的最小作用距离即为L1+L2，直行车辆与左转车流之间的最短危险时段即为Δt直-直左，左转车辆与直行车流之间的最短危险时段即为Δt左-直左。
结合图5，左转车辆穿插左转车流时，被穿插的左转车辆之间的最小距离及左转车辆通过左转与左转冲突点作用区域所需要的时间分别为式(13)和(14)所示：
Lmin左-左＝S1tanq+S2+v左Δt左-左左 (13)
Figure BDA0002597844590000053
∠2q的大小可由公式6得出；Lmin左-左为左转车辆穿插左转车流时，被穿插的左转车辆之间的最小距离(m)；Δt左-左左为左转车辆通过左转与左转冲突点作用区域所需要的时间(s)。
步骤S2：在交叉口四周的入口车道设置车辆状况调节区，车辆状况调节区长度不宜过短，宜超过500米，理论上，车辆状况调节区越长越好。在道路四周或路面以下安装足够数量的传感器，监测道路上方每个车辆的车辆状况参数，并将车辆状况参数实时传输给信息处理模块，信息处理模块对车辆状况参数进行实时分析处理。
步骤S3：信息处理模块根据周围道路上方车辆的实时信息，结合交叉口内冲突点的危险时段，对车辆状况调节区的车辆进行调控；控制不同车道上的车辆加减速行驶，使得不同车道的不同车辆按照一定的时间间隔进入交叉口区域，避开冲突点的危险时段，所有的直行、左转车辆均按照允许的最优速度匀速穿过交叉口区域。
交叉口四周上共有东西南北(NSWE)4条道路汇入交叉口，每一条道路上分别有一条直行车道和一条左转车道，汇入交叉口的车道数量共计8条。
由图2可知，每一条车道在交叉口区域内有4处交通冲突点，以交叉口以南的左转车道为例，该车道对应的冲突点分别为⑤、⑧、
Figure BDA0002597844590000061
Figure BDA0002597844590000062
Figure BDA0002597844590000063
Figure BDA0002597844590000064
LB-C为线段B-C的长度(m)；LA-C为圆弧A-C的长度(m)；tA-C为左转车辆由A点到C点所需要的时间(s)；tB-C为直行车辆由B点到C点所需要的(s)。
假设在t0时刻，有左转车辆由A点进入交叉口区域，对于冲突点⑤，在危险时段内不能有直行车辆进入该冲突点的作用区域，在对应的交叉口以北的直行车车道入口处(B点)，在tN禁直时段不能有直行车辆进入交叉口。
t0+tA-C-tB-C<tN禁直＜t0+tA-C-tB-C+Δt直-直左(18)
同理可得的冲突点⑧、
Figure BDA0002597844590000065
对应车道入口处的禁行时段tW禁左、tE禁左、tW禁直。
任一车辆状态调节区域的车速调节过程如下：
Figure BDA0002597844590000066
A为车辆的初始状态；B为车辆的调整中状态；C为车辆调整完成状态；xaj、taj、vaj、aaj分别为初始位置第j辆汽车与交叉口入口点的距离、第j辆汽车行驶至交叉口入口点所需要的时间、第j辆汽车的实时车速、第j辆汽车的设定加速度；xbi、tbi、vbi、abi分别为车辆状况调节过程中，任一时刻的第i辆汽车的车辆状态；xcl、tcl分别为车辆状态完成后，第l辆汽车与交叉口入口点的距离、第l辆汽车行驶至交叉口入口点所需要的时间。
xbi-xb(i+1)≥S (20)
依据多位学者现有的研究表明，人体感受舒适的加速度(m/s2)范围为：
2.5≥a0≥-8 (21)
Figure BDA0002597844590000071
vbi＝vai+aiΔt0 (23)
Figure BDA0002597844590000072
xci-cc(i+1)≥S (25)
xci＝∫∫abid(tci-tai)2 (26)
Figure BDA0002597844590000073
S为前后车之间的最小安全距离；Δt0为状态a到状态b耗费的时间。
如图6所示，对交叉口四周车道的车辆速度进行调节。
选取交叉口四周8条车道中首辆车最接近的交叉口的车道，即
Min(X1N直、X1N左、X1S直、X1S左、X1W直、X1W左、X1E直、X1E左) (28)
X1N直表示在交叉口以北的直行车道上的第一辆车，与交叉口入口点的距离；X1N左表示在交叉口以北的左转车道上的第一辆车，与交叉口入口点的距离；X1S直、X1S左、X1W直、X1W左、X1E直、X1E左同理。
假设Min(X1N直、X1N左、X1S直、X1S左、X1W直、X1W左、X1E直、X1E左)＝X1S左，那么南方左转车道的首车会在加速度允许且不超速的条件下，以尽可能快的时间t1S左进入交叉口。
Figure BDA0002597844590000074
Figure BDA0002597844590000075
v0为南方左转车道首车的初速度；X1、X2、X3为南方左转车道的首车行驶至交叉口入口点处的三个阶段，X1为匀加速行驶过程，X2为匀速行驶过程，X3为匀减速行驶过程；t1、t2、t3分别X1、X2、X3所对应的时间。如果X1S左的长度过小，则有可能会缺少匀速行驶过程X2。
南方左转车道与北方直行车道、西方左转车道、东方左转车道、西方直行车道有冲突点，将北方直行车道、西方左转车道、东方左转车道、西方直行车道上方车辆进行调节，使得各个车道的首车，在t1S左+tN禁直、t1S左+tW禁左、t1S左+tE禁左、t1S左+tW禁直之前不进入交叉口区域。
在上述过程之后，把南方左转车道的首车剔除，按照式(28)再进行下一轮的目标车道的选择。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于车路协同的交叉口车流调节方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：根据交叉口四周道路的数量、每个道路包含的具体车道数量及其车道宽度，确定交叉口内冲突点的位置和数量，并计算每一个冲突点的危险时段；
步骤S2：在交叉口四周的入口车道设置车辆状况调节区，在道路四周或路面以下安装传感器，监测道路上方每个车辆的车辆状况参数，并将车辆状况参数实时传输给信息处理模块，信息处理模块对车辆状况参数进行实时分析处理；
步骤S3：信息处理模块根据周围道路上方车辆的实时信息，结合交叉口内冲突点的危险时段，对车辆状况调节区的车辆进行调控；控制不同车道上的车辆加减速行驶，使得不同车道的不同车辆按照一定的时间间隔进入交叉口区域，避开冲突点的危险时段，所有的直行、左转车辆均按照允许的最优速度匀速穿过交叉口区域。
2.如权利要求1所述的一种基于车路协同的交叉口车流调节方法，其特征在于，直行车辆穿插直行车流时，被穿插的直行车辆之间的最小距离和直行车辆通过直行与直行冲突点作用区域所需要的时间分别为(4)和(5)所示：
Lmin直-直＝S1+S2+v直Δt直-直直 (4)
Figure FDA0002597844580000011
Lmin直-直为直行车辆穿插直行车流时，被穿插的直行车辆之间的最小距离(m)；S1为车辆长度(m)；S2为车辆宽度(m)；Δt直-直直为直行车辆通过直行与直行冲突点作用区域所需要的时间(s)。
3.如权利要求1所述的一种基于车路协同的交叉口车流调节方法，其特征在于，左转车辆穿插直行车流时，被穿插的直行车辆之间的最小距离和直行车辆通过直行与左转冲突点作用区域所需要的时间分别为式(9)和(10)所示：
Lmin左-直＝L1+L2+S1+v直Δt直-直左 (9)
Figure FDA0002597844580000012
Lmin左-直为左转车辆穿插直行车流时，被穿插的直行车辆之间的最小距离(m)；L1+L2为直行与左转冲突点作用距离(m)；v直为直行车辆的速度(m/s)；Δt直-直左为直行车辆通过直行与左转冲突点作用区域所需要的时间(s)。
直行车辆穿插左转车流时，被穿插的左转车辆之间的最小距离和左转车辆通过直行与左转冲突点作用区域所需要的时间分别为式(11)和(12)所示：
Lmin直-左＝L1+L2+S1+v左Δt左-直左 (11)
Figure FDA0002597844580000021
Lmin直-左为直行车辆穿插左转车流时，被穿插的左转车辆之间的最小距离(m)；v左为左转车辆的速度(m/s)；Δt左-直左为左转车辆通过直行与左转冲突点作用区域所需要的时间(s)。
4.如权利要求1所述的一种基于车路协同的交叉口车流调节方法，其特征在于，左转车辆穿插左转车流时，被穿插的左转车辆之间的最小距离及左转车辆通过左转与左转冲突点作用区域所需要的时间分别为式(13)和(14)所示：
Lmin左-左＝S1tanq+S2+v左Δt左-左左 (13)
Figure FDA0002597844580000022
Lmin左-左为左转车辆穿插左转车流时，被穿插的左转车辆之间的最小距离(m)；Δt左-左左为左转车辆通过左转与左转冲突点作用区域所需要的时间(s)。
5.如权利要求1所述的一种基于车路协同的交叉口车流调节方法，其特征在于，车辆状况调节区长度为500米。
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