CN113034955B

CN113034955B - 一种自适应巡航车队通过信号路口的通行方法及装置

Info

Publication number: CN113034955B
Application number: CN202110240613.2A
Authority: CN
Inventors: 刘学; 陈海洋; 邱志军
Original assignee: Wuhan University of Technology WUT
Current assignee: Wuhan University of Technology WUT
Priority date: 2021-03-04
Filing date: 2021-03-04
Publication date: 2022-05-27
Anticipated expiration: 2041-03-04
Also published as: CN113034955A

Abstract

本发明涉及一种自适应巡航车队通过信号路口的通行方法，包括以下步骤：在通往信号路口的路段上依次设置识别点以及起始点，所述识别点与所述起始点之间为准备区；在车队领头车通过所述识别点时，获取自适应巡航车队的车辆行驶状态以及将要通过的信号路口的信号灯实时状态；在车队经过所述准备区时，基于所述车辆行驶状态以及所述信号灯实时状态为车队制定通行策略；在车队领头车通过所述起始点时，采用所述通行策略对车队进行通行控制。本发明能够在信号路口处对车队进行自适应巡航控制，提高信号路口通行效率。

Description

一种自适应巡航车队通过信号路口的通行方法及装置

技术领域

本发明涉及自适应巡航技术领域，尤其涉及一种自适应巡航车队通过信号路口的通行方法、装置及计算机存储介质。

背景技术

目前的自适应巡航(Adaptive cruise control,ACC)算法研究多适用于高速公路这种不需要车辆频繁加减速或紧急制动等较理想的行驶环境，而信号路口作为城市道路交通的重要节点，一直以来都是学者们研究的重点领域，自适应巡航车队经过城市信号路口时，因为红绿灯的周期性阻隔作用，车队领头车会有紧急刹车的情况，后车极易因为车间距较小刹车不及时而导致碰撞事故，并且紧急刹车也会导致驾驶舒适性降低，对车辆产生磨损较大的后果。

传统的ACC算法虽然已经在高速公路场景得到了成功的试验，但是其无法满足车队在城市道路信号路口的安全高效行驶。城市信号路口区域一直以来都是车辆不良驾驶行为较多的一个重灾区，城市信号路口区域会因为车辆频繁的加减速或怠速停车等行为造成大量燃油浪费、尾气排放、通行效率降低。基于城市信号路口的自适应巡航车队通行策略研究对于提高信号路口通行效率，减少车辆红灯等待时间和减少燃油浪费具有重大意义和研究价值。

发明内容

有鉴于此，有必要提供一种自适应巡航车队通过信号路口的通行方法、装置及计算机存储介质，用以解决目前的自适应巡航算法不适用信号路口区域的问题。

本发明提供一种自适应巡航车队通过信号路口的通行方法，包括以下步骤：

在通往信号路口的路段上依次设置识别点以及起始点，所述识别点与所述起始点之间为准备区；

在车队领头车通过所述识别点时，获取自适应巡航车队的车辆行驶状态以及将要通过的信号路口的信号灯实时状态；

在车队经过所述准备区时，基于所述车辆行驶状态以及所述信号灯实时状态为车队制定通行策略；

在车队领头车通过所述起始点时，采用所述通行策略对车队进行通行控制。

进一步的，基于所述车辆行驶状态以及所述信号灯实时状态为车队制定通行策略，具体为：

根据所述车辆行驶状态分别计算车队领头车和尾车以原始速度匀速行驶至信号路口停车线处所需的第一通行时间和第二通行时间；

根据所述信号灯实时状态获取绿灯剩余时间；

将所述绿灯剩余时间分别与所述第一通行时间以及所述第二通行时间进行比较，根据比较结果预测车队的通行工况；

根据所述通行工况为车队制定通行策略。

进一步的，据比较结果预测车队的通行工况，具体为：

判断所述绿灯剩余时间是否小于所述第一通行时间，如果是，则判定通行工况为车队中所有车辆均无法通过信号路口，否则转下一步进行进一步判断；

判断所述绿灯剩余时间是否大于所述第二通行时间，如果是，则判定通行工况为车队中所有车辆均可通过信号路口，如果否，则判定通行工况为车队中仅有部分车辆可以通过信号路口。

进一步的，根据所述通行工况为车队制定通行策略，具体为：

针对车队中所有车辆均无法通过信号路口的通行工况，为车队中所有车辆设置减速停车通行策略；

针对车队中所有车辆均可通过信号路口的通行工况，为车队中所有车辆设置匀速行驶通行策略；

针对车队中仅有部分车辆可以通过信号路口的通行工况，预测车队的分离点，针对所述分离点之前的车辆制定匀速行驶通行策略，针对所述分离点之后的车辆制定减速停车通行策略。

进一步的，预测车队的分离点，具体为：

设置分离点判别式：

其中，G为绿灯剩余时间，V_e为车队的原始速度，D为识别点距停车线的距离，n为车队包含的车辆数量，S为车间时距，L为车辆长度，x为分离点的车辆数目；

取使得所述分离点判别式成立的最小的x值作为可通行车辆数目；

基于所述可通行车辆数据确定所述分离点。

进一步的，针对所述分离点之后的车辆制定减速停车通行策略，具体为：

以油耗最低为优化目标，以分离点处新领头车行驶时的时间约束、减速度约束以及距离约束为约束条件，计算分离点之后车辆的优化轨迹，作为所述减速停车通行策略。

进一步的，所述时间约束具体为：

t_j+t_y+t_p＝G_l+T_yel+T_red；

其中，t_j为新领头车的匀减速时间，t_y为新领头车匀速行驶时间，t_p为新领头车停车时间，T_yel为信号路口黄灯周期时间，T_red为信号路口红灯周期时间，G_l为新领头车到达起始点时绿灯剩余时间，v_e为新领头车匀速行驶速度，即车队的原始速度，a_l为车辆平稳舒适行驶的最大减速度值；

所述减速度约束具体为：

a_j≤a_l；

其中，a_j为新领头车优化轨迹的减速度值；

所述距离约束具体为：

其中，p为优化轨迹的起点与信号路口停车线之间的距离。

本发明还提供一种自适应巡航车队通过信号路口的通行装置，包括处理器以及存储器，所述存储器上存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，实现所述自适应巡航车队通过信号路口的通行方法。

本发明还提供一种计算机存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机该程序被处理器执行时，实现所述自适应巡航车队通过信号路口的通行方法。

有益效果：本发明首先在信号路口的上游路段设置识别点，当车队领头车到达该点时，获取该点的信号灯实时状态和车辆运动状态信息。识别点过后是准备区，准备区用于通信控制策略的生成，提供这样的缓冲区域可以让计算的结果更准确的得以实行；具体的，在信号灯为绿灯时进行通行控制，通过计算判断车队通行工况，进而得到对应的通行策略，给予车队领头车优化轨迹引导。起始点为准备区结束后，领头车获取到***反馈的通信策略，在到达起始点时开始按照***提供的通行策略行驶，其余车辆将按照改进的ACC动态跟随模型跟随前车行驶。本发明利用提前获取到信号灯配时信息以及车队行驶状态信息，判别车队的通行工况，进而确定通行策略，提前对车队的通行策略和速度进行引导，给予车队领头车辆优化轨迹引导，有效的提高自适应巡航车队在信号路口的通行效率，减少车辆不必要的红绿灯等待时间。

附图说明

图1为本发明提供的自适应巡航车队通过信号路口的通行方法第一实施例的方法流程图；

图2为本发明提供的自适应巡航车队通过信号路口的通行方法第一实施例的通信场景图；

图3为本发明提供的自适应巡航车队通过信号路口的通行方法第一实施例的详细流程图；

图4为本发明提供的自适应巡航车队通过信号路口的通行方法第一实施例的分离点预测流程图。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

实施例1

如图1所示，本发明的实施例1提供了自适应巡航车队通过信号路口的通行方法，包括以下步骤：

S1、在通往信号路口的路段上依次设置识别点以及起始点，所述识别点与所述起始点之间为准备区；

S2、在车队领头车通过所述识别点时，获取自适应巡航车队的车辆行驶状态以及将要通过的信号路口的信号灯实时状态；

S3、在车队经过所述准备区时，基于所述车辆行驶状态以及所述信号灯实时状态为车队制定通行策略；

S4、在车队领头车通过所述起始点时，采用所述通行策略对车队进行通行控制。

本发明实施例首先设置识别点、起始点以及准备区，本实施例设置的识别点、起始点以及准备区如图2所示。随后进行通行控制，具体的，如图3所示，S21、在通信环境下，当自适应巡航车队行驶靠近目标信号路口时，车队车辆会接收到由通信设备发出的从信号灯控制机处获取的信号灯状态、相位和配时信息(Signal Phase and Timing,SPaT)；S22、信号路口的上游路段设置识别点，当车队领头车到达该点时，获取该点的信号灯实时状态和车辆运动状态信息；S23、在信号灯为绿灯时进行通行控制；S3、通过计算可判断车队通行工况；S4、进而得到对应的通行策略，并且给予车队领头车优化轨迹引导。识别点过后是准备区，准备区域用于后台信息处理单元对于工况判别和优化轨迹的计算过程，提供这样的缓冲区域可以让计算的结果更准确的得以实行，起始点为准备区结束后，领头车获取到***反馈的优化轨迹指令，在到达起始点时开始按照***提供的优化轨迹行驶，其余车辆将按照改进的ACC动态跟随模型跟随前车行驶。

本实施例根据利用在信号路口设置通信环境，提前获取到的信号灯配时信息以及车队行驶状态信息，判别车队的通行工况，进而确定通行策略，提前对车队的通行策略和速度进行引导，给予车队领头车辆优化轨迹引导，有效的提高自适应巡航车队在信号路口的通行效率，减少车辆不必要的红绿灯等待时间。

优选的，基于所述车辆行驶状态以及所述信号灯实时状态为车队制定通行策略，具体为：

根据所述信号灯实时状态获取绿灯剩余时间；

根据所述通行工况为车队制定通行策略。

本发明技术方案针对自适应巡航车队通过城市绿灯信号路口优化通行策略的实现，需要根据车辆行驶状态和信号灯实时状态信息进行一定计算来确定当前车队应采用哪种通行工况，然后确定其通行策略和优化轨迹。首先车队领头车在到达信号路口识别点时实时的信号灯状态是绿灯；第二步根据车队的行驶速度、车间时距、车辆长度、车辆总数等基本信息和信号灯变换周期，确定每种工况对应的信号灯剩余时间区间，根据车队到达识别点时刻信号灯的剩余时间，找到其所处的工况时间区间，来确定其是本发明技术方案所述的3种工况中的哪一种，然后得到对应的优化通行策略和优化轨迹。

优选的，据比较结果预测车队的通行工况，具体为：

本发明技术方案工况判定即是基于通信技术实时发送的信号灯SPaT信息和车辆运动信息，工况判别所需的具体参数信息如表1所示。信号路口的识别点是预先设置好的，除此之外，根据目标路段运行规则，还可预先确定当前路段最大限速V_m，车队稳定安全行驶的最大减速度a_l，根据我国现有的交通法规，黄灯亮起时车辆就不能通行，因此本文中黄灯效果如红灯一致。需要获取的有车队行驶参数，包括车队的基本构成，车队的车辆长度、车间时距、车辆总数、车队车辆的原始速度，信号灯处于的相位，当前信号灯所在相位剩余时间等(红灯结束剩余时间R或绿灯剩余时间G)。

表1、ACC车队信号路口通行策略工况判别所需参数

自适应巡航车队向信号路口行驶，进入到路口通信范围内，目标车辆获取到信号灯状态、相位和配时信息，当车队到达该信号路口识别点时，通过车队的车速、当前时刻信号灯的状态和当前状态周期剩余时间可以通过简洁快速地公式计算确定车队的通行工况。

具体如图3所示：

S31、工况1判别，车队中所有车辆均可通过信号路口

车队尾车以原始速度v_e匀速行驶从信号路口识别点行驶至停车线处所需时间为(D+(n-1)(S*V_e+L))/V_e。如果车队保持原始速度匀速行驶，车队的最后一辆车即尾车到达信号路口停车线时，信号灯状态仍是绿灯，那么表示车队可以整体的不停车通过路口，该工况下需满足式1：

S32、工况2判别，车队中仅有部分车辆可以通过信号路口

若式1成立，则车队保持原始速度匀速行驶便可通过信号路口，***将给出绿灯匀速通行指令；若式1不成立，则需要进一步判别，判别车队中部分车辆是否可以匀速通过信号路口，此时从两种极限条件的角度考虑，一种是车队领头车匀速到达信号路口停车线时绿灯刚好结束，另一种当车队尾车匀速行驶到达路口停车线时绿灯刚好结束，那么就满足车队中部分车辆可以匀速通过信号路口的条件。这种工况下，车队领头车行驶至路口停车线处所用时间为D/V_e，绿灯剩余时间应该不少于这个时间。因此工况2的判别公式如式2所示：

S33、工况3判别，车队中所有车辆均无法通过信号路口

若式2成立，则车队中部分车辆可以匀速通过信号路口，***将调用绿灯部分通过算法，确定车队分离点，并得到相应的优化轨迹建议；若式2不成立，则说明车队所有车辆将无法通过路口，领头车必须行驶至信号路口停车线处停下等待红灯结束再次起步通行。工况3的判别公式如式3所示：

优选的，如图3所示，根据所述通行工况为车队制定通行策略，具体为：

S313、针对车队中所有车辆均无法通过信号路口的通行工况，为车队中所有车辆设置减速停车通行策略；

S311、针对车队中所有车辆均可通过信号路口的通行工况，为车队中所有车辆设置匀速行驶通行策略；

S312、针对车队中仅有部分车辆可以通过信号路口的通行工况，预测车队的分离点，针对所述分离点之前的车辆制定匀速行驶通行策略，针对所述分离点之后的车辆制定减速停车通行策略。

针对特定工况2的场景，车队领头车到达路口识别点时，可以判断出车队中部分车辆可以匀速通过信号路口，剩下部分车辆形成新的队列，产生新的领头车辆，减速后到达停车线处停车等待红灯结束。为了提高车辆通行效率和车队行驶安全平稳性，将提前给予原领头车辆匀速行驶指令，给予新领头车辆一个优化的减速停车轨迹。因此，在该工况下，首先需要通过简单的计算得到车队的分离点，确定可匀速通行车辆和必须停车等待红灯车辆，对于新领头车的优化轨迹，其优化轨迹通行策略为绿灯减速停车算法，车辆首先保持匀速行驶一段时候后匀减速行驶刚好在停车线处停下。

优选的，预测车队的分离点，具体为：

设置分离点判别式：

基于所述可通行车辆数据确定所述分离点。

***出分离点的算法是根据绿灯剩余时间进行判别车队中有几辆车可以匀速通过路口，判别顺序是首先判别当前处于工况2场景，然后进行以下循环计算过程直到确定可通行车辆数目为止，具体如图4所示：

S3121、首先获取信息计算，获取信息包括信号灯状态和配时信息、车辆状态信息

S3122、取x＝0；

S3123、计算判断分离点判别式是否成立。

S3124、若分离点判别式不成立，则x的取值在上一次的基础上加一，再次判断分离点判别式是否成立，若仍不成立，取x的取值在上一次的基础上加一重复以上的判别过程；

S3125、循环判别过程直到分离点判别式成立时结束；

S3126、此时得到x_s＝x+1的值并输出结果，x_s表示车队中必须停车的车辆数目，即可确定车队的分离点位置、可通行车辆数目和必须减速停车的车辆数目。

优选的，针对所述分离点之后的车辆制定减速停车通行策略，具体为：

确定可通行车辆数目为n-x_s后，对于必须停车的新队列的新领头车将调用减速停车算法，给予新领头车的优化轨迹策略是，从新的领头车到达起始点开始先匀速行驶一段时间t_y后匀减速行驶至信号路口停车线处停下，待红灯结束后再起步恢复到原始运动状态行驶。工况2场景的优化轨迹选取目标是使车队以油耗最低的轨迹通过路口。

本实施例根据车辆能否保持原始状态不变匀速通过路口来对车队分离点进行预测，通过***车队分离点，给予车队领头车辆优化轨迹引导，有效的提高自适应巡航车队在信号路口的通行效率，减少车辆不必要的红绿灯等待时间；同时，以车队行驶安全舒适为前提，通过离散化的方法计算车辆不同通行轨迹的油耗，选取油耗最低的优化轨迹作为最终反馈给目标车辆的优化轨迹，能一定程度上节省燃油，保证了自适应巡航车队通过信号路口的安全性和舒适性。

优选的，所述时间约束具体为：

t_j+t_y+t_p＝G_l+T_yel+T_red；

所述减速度约束具体为：

a_j≤a_l；

其中，a_j为新领头车优化轨迹的减速度值；

所述距离约束具体为：

其中，p为优化轨迹的起点与信号路口停车线之间的距离。

绿灯减速停车过程中，分离点领头车的行驶轨迹需要满足上述约束条件。时间约束表示新领头车的匀速行驶时间、匀减速行驶时间和停车时间的总时长等于其到达起始点时绿灯剩余时间和黄灯、红灯周期时长的总和。减速度约束用于保证驾驶舒适性和安全性，即新领头车减速度不能大于保持车辆平稳舒适行驶的最大减速度。距离约束用于保证新领头车可以刚好停在停车线处。

在以上约束条件的约束下，通过离散化的方法计算车辆不同通行轨迹的油耗，选取油耗最低的优化轨迹作为最终反馈给目标车辆的优化轨迹，可得到分离点新领头车优化轨迹的减速度和等待红灯时间的表达式：

t_p＝G_l+T_yel+T_red-t_j-t_y。

本发明以自适应巡航车队通行于信号路口为目标场景，保证车队行驶安全性和平稳性为前提，提高车辆通行效率，节省燃油为目的，确定了ACC车队通行于绿灯信号路口的3种工况，提出了车队通行绿灯信号路口的特定工况2优化轨迹策略和算法，并提出了车队分离点预测的概念，根据车队运动状态和信号灯状态信息，***出车队合适的分离点，确定哪些车辆可以通过路口，哪些车辆必须等待红灯，提前给出车队中领头车优化通行轨迹指令，为自适应巡航车队绿灯信号路口通行提供了详细的通行策略。本发明技术方案的应用可以提高车辆驾驶舒适性和稳定性、高信号路口通行效率，减少信号路口车辆延误，缓解信号路口拥堵问题，降低交通事故发生率，减少车辆不必要的燃油消耗和尾气排放。

本发明技术方案在信号路口场景，所提出自适应巡航车队信号路口通行优化轨迹策略一方面利用在信号路口设置通信环境，使车队能够提前获取到信号灯的状态、相位和配时信息，提前对车队的通行策略和速度进行引导；另一方面基于传统ACC算法，将加速度变量代替速度变量作为车队动态跟随模型的控制变量，通过给加速度设置约束，可以有效避免车队中车辆行驶减速度过大时，跟随车辆与前车发生碰撞危险，避免了跟随车辆速度轨迹出现不合理波动现象。

实施例2

本发明的实施例2提供了自适应巡航车队通过信号路口的通行装置，包括处理器以及存储器，所述存储器上存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，实现实施例1提供的自适应巡航车队通过信号路口的通行方法。

本发明实施例提供的自适应巡航车队通过信号路口的通行装置，用于实现自适应巡航车队通过信号路口的通行方法，因此，自适应巡航车队通过信号路口的通行方法所具备的技术效果，自适应巡航车队通过信号路口的通行装置同样具备，在此不再赘述。

实施例3

本发明的实施例3提供了计算机存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，实现实施例1提供的自适应巡航车队通过信号路口的通行方法。

本发明实施例提供的计算机存储介质，用于实现自适应巡航车队通过信号路口的通行方法，因此，自适应巡航车队通过信号路口的通行方法所具备的技术效果，计算机存储介质同样具备，在此不再赘述。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种自适应巡航车队通过信号路口的通行方法，其特征在于，包括以下步骤：

在车队领头车通过所述起始点时，采用所述通行策略对车队进行通行控制；

基于所述车辆行驶状态以及所述信号灯实时状态为车队制定通行策略，具体为：

根据所述信号灯实时状态获取绿灯剩余时间；

根据所述通行工况为车队制定通行策略；

据比较结果预测车队的通行工况，具体为：

判断所述绿灯剩余时间是否大于所述第二通行时间，如果是，则判定通行工况为车队中所有车辆均可通过信号路口，如果否，则判定通行工况为车队中仅有部分车辆可以通过信号路口；

根据所述通行工况为车队制定通行策略，具体为：

针对车队中仅有部分车辆可以通过信号路口的通行工况，预测车队的分离点，针对所述分离点之前的车辆制定匀速行驶通行策略，针对所述分离点之后的车辆制定减速停车通行策略；

预测车队的分离点，具体为：

设置分离点判别式：

基于所述可通行车辆数据确定所述分离点。

2.根据权利要求1所述的自适应巡航车队通过信号路口的通行方法，其特征在于，针对所述分离点之后的车辆制定减速停车通行策略，具体为：

3.根据权利要求2所述的自适应巡航车队通过信号路口的通行方法，其特征在于，所述时间约束具体为：

t_j+t_y+t_p＝G_l+T_yel+T_red；

所述减速度约束具体为：

a_j≤a_l；

其中，a_j为新领头车优化轨迹的减速度值；

所述距离约束具体为：

其中，p为优化轨迹的起点与信号路口停车线之间的距离。

4.一种自适应巡航车队通过信号路口的通行装置，其特征在于，包括处理器以及存储器，所述存储器上存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，实现如权利要求1-3任一项所述的自适应巡航车队通过信号路口的通行方法。

5.一种计算机存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机该程序被处理器执行时，实现如权利要求1-3任一项所述的自适应巡航车队通过信号路口的通行方法。