CN115116245B - 车辆混合通行环境下交叉口动态感应信号控制方法及*** - Google Patents

车辆混合通行环境下交叉口动态感应信号控制方法及*** Download PDF

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Abstract

本发明涉及本发明涉及一种车辆混合通行环境下交叉口动态感应信号控制方法，包括如下步骤：步骤一、确立信号控制机处理网联车信息的半径；步骤二、评估初始排队长度，确立初始绿灯时间；步骤三、修正排队长度，评估初始绿灯时间的下限；步骤四、基于规则决策是否延长绿灯时间，得出信号控制方案。本发明的网联车与非网联车混合通行时的交叉口动态感应信号控制方法，适用于车联网环境下的信号交叉口，部分车辆具备联网功能且能与信号控制机交换信息即可实施。

Description

车辆混合通行环境下交叉口动态感应信号控制方法及***
技术领域
本发明属于交通运输工程技术领域，具体涉及一种网联与非网联车混合通行环境下交叉口动态感应信号控制方法及***。
背景技术
现有交叉口感应信号控制中，定点车辆检测器的设置难以检测到各信号周期内动态的初始排队长度及检测器后车辆的动态运行状况，制约了初始绿灯时间和相位绿灯时间的精准优化，限制了感应信号控制控制效率的提升和适用范围的扩大。随着车辆联网技术的兴起和车路协同的发展，联网车辆在道路上的实时运行状态交叉口信号控制机可精确探测，这为交通流的动态检测与交叉口信号控制参数协同优化提供了可能。
基于此，目前急需一种网联车与非网联车混合通行时的交叉口动态感应信号控制方法，以提升现有交叉口感应信号控制的效率，并扩大感应信号控制的适用范围，即无交通流检测器的交叉口，也可开展感应信号控制。
发明内容
本发明为解决上述问题，提出一种网联与非网联车混合通行环境下交叉口动态感应信号控制方法及***。
本发明涉及一种车辆混合通行环境下交叉口动态感应信号控制方法，包括如下步骤：
步骤一、确立信号控制机处理网联车信息的半径；
步骤二、评估初始排队长度，确立初始绿灯时间；
步骤三、修正排队长度，评估初始绿灯时间的下限；
步骤四、基于规则决策是否延长绿灯时间，得出信号控制方案。
步骤一中，根据历史车辆排队长度，初步确立每相位接收和处理网联车信息的半径ri，从而实时获取并处理半径范围内的网联车信息，基于交叉口各相位交通流的历史数据预测每条车道的排队长度期望值Lijk，由此确立半径ri，计算方法如下：
式中，ri——第i相位接收网联车信息的范围，m；Lijk——第i相位第j车道组第k车道历史排队长度期望值，i,j,k取1,2…；v0——路段车辆正常行驶的目标车速，m/s；τ——驾驶员的反应时间，s；adec——正常的减速度，m/s2(取负值)，若计算得到的半径大于路段长度Si，则取ri＝Si。
步骤二中，在交叉口信号控制机内，预制基于历史同时段或之前连续若干信号周期各流向交通需求，按Webster法，基于各个交通流向流率比所占比重分配各个交通流向的绿灯时间，计算得到的信号配时方案，在下一信号相位开启前未检测到网联车时按此信号方案运行；
在下一相位绿灯开启前，信号控制机获取该相位全部车道上半径ri范围内的网联车信息，包括所在位置、速度、加速度；用如下规则确立初始排队长度：
规则1：当检测到有速度为0的网联车时，将其所在位置记为初始排队长度的最小值；取所有速度为0网联车位置的最大值，初步得到该相位的初始排队长度；
规则2：当检测到有运行速度持续低于阈值v1的网联车时，用该车辆的位置修正初始排队长度；
规则3：当检测到有减速度持续小于阈值a1的网联车时，当该车速度不超过阈值v1时，用该车辆的位置修正初始排队长度；
当后续进入信息接收半径范围内的网联车满足上述规则时，用后续车辆的位置信息修正初始排队长度，直至下一相位开启前。
用下一相位开启前的初始排队长度计算该相位的初始绿灯时间g0，方法如下：
当红灯期间检测到的最后一辆网联车满足规则1时：
式中，σ——车辆启动损失时间，s；vd——车辆正常行驶通过交叉口的目标车速，m/s；d——车身的长度，m；L1——网联车车头与停车线间的距离，m；aacc——网联车的加速度，m/s2；当红灯期间检测到的最后一辆网联车满足所述规则2和规则3时：
式中：v0——网联车的速度，m/s。
步骤三中，在该相位绿灯开启后至g0时间范围，检测半径ri范围内网联车的位置、速度、加速度信息；当未观测到运动中的网联车信息时，初始绿灯时间仍采用g0；当检测到运动中网联车的轨迹信息发生改变时，则需要判断是否修正初始绿灯时间；若出现满足步骤二中规则3的网联车时，此时用该车的位置L1来修正初始排队长度，进而修正初始绿灯时间的下限g0：
步骤四中，在初始绿灯时间结束前1秒，若初始排队长度的最后一辆网联车按其当前的位置和速度仍不能通过停车线，即L1/v0>1时，则以其当前的位置和速度计算驶离停车线的时间来重新确立初始绿灯时间，即：
在初始绿灯时间结束前1秒，若半径ri范围内无网联车信息，则不用延长绿灯时间；当接收到其他网联车的信息时，则依据以下规则决策绿灯延长时间：
规则1：以检测到的网联车距停车线的距离从小到大排序，若连续i辆相邻网联车的车头时距均小于阈值hv时，第1辆网联车的车头时距用其达到停车线所需时间代替，则以第i辆网联车预期达到停车线时间作为计算绿灯延长时间的依据；
规则2：若第1辆网联车的车头时距大于阈值hv但小于2hv，且其后续连续i辆，i≥2，相邻网联车的车头时距均小于阈值hv时，则以第i+1辆网联车预期达到停车线时间作为计算绿灯延长时间的依据；
规则3：若检测到至少2辆网联车的速度低于绿灯期间正常车速的20％，或1辆网联车先减速再匀速、匀速时的速度低于绿灯期间正常车速的20％，则高概率受前方、侧方车辆运行的影响车速受阻，说明存在车队；且受阻头辆网联车到达停车线的时间小于2hv，则以最后一辆受阻网联车预期达到停车线时间作为计算绿灯延长时间的依据；
若绿灯延长后的时间超出了最大绿灯时间约束，则以最大绿灯时间作为计算绿灯延长时间的依据；每相位绿灯时间延长的决策只实施1次，一旦确立即按该时间实施直至结束。
本发明还涉及一种用于实施车辆混合通行环境下交叉口动态感应信号控制方法的***，所述***包括网联车信息采集子***、数据传输子***和数据管理与分析子***。
有益效果
本发明的网联车与非网联车混合通行时的交叉口动态感应信号控制方法，适用于车联网环境下的信号交叉口，部分车辆具备联网功能且能与信号控制机交换信息即可实施。信号控制机实时获取交叉口一定范围内联网车辆的位置、速度、加速度等信息，通过不断优化信号控制参数，达到降低车辆延误、提升交叉口通行效率的目的。
附图说明
图1为本发明绿灯延长时间的判别流程图。
图2为本发明交叉口情况示意图。
具体实施方式
以下结合图1至2对本实施方式进行具体说明。
本发明的网联车与非网联车混合通行时的交叉口动态感应信号控制方法，主要包括以下步骤：
首先，在下一相位绿灯开启前，信号控制机实时获取该相位全部车道上的网联车信息(位置、速度、加速度)，初步评估排队长度并建立起排队长度对初始绿灯时间的约束。其次，绿灯开启后，基于运动中网联车的轨迹信息修正排队长度并评估初始绿灯时间的下限。最后，动态评估后续运行中的网联车达到停车线的时间与修正后的初始绿灯时间之间的关系，基于阈值判断决策是否延长绿灯时间。所述的一种网联车与非网联车混合通行时的交叉口动态感应信号控制方法，具体分为如下步骤：
步骤一：确立信号控制机处理网联车信息的半径
信号控制机能通过路测单元或直接与网联车建立通信链路，交换网联车的位置、速度、加速度等信息。如此以来，有可能路段上的全部网联车均能与信号控制建立网络链接，会加剧信号控制机的工作负荷、难以保障信息处理的实时性。而交通信号每周期能处理的车辆数量是有限的，只需考虑路段上一定范围的交通流即可实现全局优化的目的。此处根据历史车辆排队长度，来初步确立每相位接收和处理网联车信息的半径ri，从而实时获取并处理半径范围内的网联车信息即可，范围以外的网联车信息不予考虑。基于该交叉口各相位交通流的历史数据预测每条车道的排队长度期望值Lijk，由此确立半径ri的计算方法如下：
式中，ri——第i相位接收网联车信息的范围，m；Lijk——第i相位第j车道组第k车道历史排队长度期望值，i,j,k取1,2…；v0——路段车辆正常行驶的目标车速，m/s；τ——驾驶员的反应时间，s；adec——正常的减速度，m/s2(取负值)。
若计算得到的半径大于路段长度Si，则取ri＝Si。
以交叉口某进口道直行相位为例，假设该进口道有两条直行车道，基于交叉口该相位交通流的历史数据预测这两个车道排队长度的期望值Lij1＝95m、Lij2＝98m，驾驶员的操作的反应时间为0.5s，正常的加速度adec为-3m/s2，路段车辆正常行驶的目标车速为15m/s，那么该相位接收网联车信息的范围为143m。此时路段长度为800m，计算得到的半径小于路段长度，因此ri就取143m。
步骤二：评估初始排队长度，确立初始绿灯时间
首先，在交叉口信号控制机内预制基于历史同时段或之前连续若干信号周期各流向交通需求按Webster法计算得到的信号配时方案，在下一信号相位开启前未检测到网联车时按此信号方案运行。
在下一相位绿灯开启前3秒，信号控制机每0.5秒获取1次该相位全部车道上半径ri范围内的网联车信息，包括所在位置、速度、加速度等。用如下规则确立初始排队长度：
规则1：当检测到有速度为0的网联车时，说明该网联车处于排队状态，将其所在位置记为初始排队长度的最小值；取所有速度为0网联车位置的最大值，初步得到该相位的初始排队长度。
规则2：当检测到有运行速度持续(如连续3秒)低于阈值v1(如2m/s)的网联车时，一则有可能该车接近其前的排队车辆，二则该车辆按此速度运行在相位绿灯开启后能不停车驶离交叉口，此时，用该车辆的位置修正初始排队长度。
规则3：当检测到有减速度持续(如连续3秒)小于阈值a1(如-3m/s2)的网联车时，有可能该车接近其前的排队车辆减速停车，当该车速度不超过阈值v1(如2m/s)时，用该车辆的位置修正初始排队长度。
同样的，当后续进入信息接收半径范围内的网联车满足上述规则时，用后续车辆的位置信息修正初始排队长度，直至下一相位开启前0.5秒。
用下一相位开启前0.5秒的初始排队长度计算该相位的初始绿灯时间g0，方法如下：
当红灯期间检测到的最后一辆网联车满足规则1时：
式中，σ——车辆启动损失时间，s；vd——车辆正常行驶通过交叉口的目标车速，m/s；d——车身的长度，m；L1——网联车车头与停车线间的距离，m；aacc——网联车的加速度，m/s2。当红灯期间检测到的最后一辆网联车满足规则2、3时：
式中：v0——网联车的速度，m/s。
其他参数含义同上，假设当红灯期间检测到的最后一辆网联车满足规则1时，车辆正常行驶通过交叉口的目标车速为10m/s，启动损失时间为0.5s，车身的长度为4.8m，红灯期间最后一辆排队网联车与停车线间的距离为72m，车辆启动的加速度为2m/s2，因此计算得到的初始绿灯时间g0为11s。
步骤三：修正排队长度，评估初始绿灯时间的下限
在该相位绿灯开启后至g0时间范围，仍每0.5秒检测1次半径ri范围内网联车的位置、速度、加速度信息。当未观测到运动中的网联车信息时，初始绿灯时间仍采用g0；当检测到运动中网联车的轨迹信息发生改变时，则需要判断是否修正初始绿灯时间。若出现满足步骤二中规则3的网联车时，此时用该车的位置L1来修正初始排队长度，进而修正初始绿灯时间的下限g0：
其他参数含义同上，假设红灯期间检测到的最后一辆网联车的位置L1＝95m，在与交叉口停车线相距95m位置时的速度为1m/s，得到修正初始绿灯时间的下限g0为12s。
步骤四：基于规则决策是否延长绿灯时间
在初始绿灯时间结束前1秒，若初始排队长度的最后一辆网联车按其当前的位置和速度仍不能通过停车线，即L1/v0>1时，则以其当前的位置和速度计算驶离停车线的时间来重新确立初始绿灯时间，即：
其他参数含义同上，假设初始排队长度的最后一辆网联车在初始绿灯时间即将结束前1秒距停车线20m，其速度为10m/s，因此L1/v0＝20/10>1，故仍不能通过停车线，重新确立初始绿灯时间为13s。
在初始绿灯时间结束前1秒，若半径ri范围内无网联车信息，则不用延长绿灯时间；当接收到其他网联车的信息时，则依据以下规则决策绿灯延长时间：
规则1：以检测到的网联车距停车线的距离从小到大排序，若连续i辆相邻网联车的车头时距均小于阈值hv时(第1辆网联车的车头时距用其达到停车线所需时间代替)，则以第i辆网联车预期达到停车线时间作为计算绿灯延长时间的依据；
规则2：若第1辆网联车的车头时距大于阈值hv但小于2hv，且其后续连续i辆(i≥2)相邻网联车的车头时距均小于阈值hv时，则以第i+1辆网联车预期达到停车线时间作为计算绿灯延长时间的依据；
规则3：若检测到至少2辆网联车的速度低于绿灯期间正常车速的20％，或1辆网联车先减速再匀速、匀速时的速度低于绿灯期间正常车速的20％，则高概率受前方、侧方车辆运行的影响车速受阻，说明存在车队；且受阻头辆网联车到达停车线的时间小于2hv，则以最后一辆受阻网联车预期达到停车线时间作为计算绿灯延长时间的依据。
若绿灯延长后的时间超出了最大绿灯时间约束，则以最大绿灯时间作为计算绿灯延长时间的依据。每相位绿灯时间延长的决策只实施1次，一旦确立即按该时间实施直至结束。
本发明的上述内容仅为本发明的较佳实施例，并非用于限制本发明的实施方案，本领域普通技术人员根据本发明的主要构思和精神，可以十分方便地进行相应的变通或修改，故本发明的保护范围应以权利要求书所要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种车辆混合通行环境下交叉口动态感应信号控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、获取历史车辆排队长度数据，确定信号控制机处理网联车信息的半径；步骤一中，确立每相位接收和处理网联车信息的半径ri，实时获取并处理半径范围内的网联车信息，基于交叉口各相位交通流的历史数据预测每条车道的排队长度期望值Lijk，由此确立半径ri，计算方法如下：
式中，ri——第i相位接收网联车信息的范围，m；Lijk——第i相位第j车道组第k车道历史排队长度期望值，i,j,k取1,2…；v0——路段车辆正常行驶的目标车速，m/s；——驾驶员的反应时间，s；adec——正常的减速度，m/s2(取负值)，若计算得到的半径大于路段长度Si，则取ri＝Si；
步骤二、评估初始排队长度，确立初始绿灯时间；在交叉口信号控制机内，预制基于历史同时段或之前连续若干信号周期各流向交通需求，按Webster法，基于各个交通流向流率比所占比重分配各个交通流向的绿灯时间，计算得到的信号配时方案，在下一信号相位开启前未检测到网联车时按此信号方案运行；
在下一相位绿灯开启前，信号控制机获取该相位全部车道上半径ri范围内的网联车信息，包括所在位置、速度和加速度；用如下规则确立初始排队长度：
规则1：当检测到有速度为0的网联车时，将其所在位置记为初始排队长度的最小值；取所有速度为0网联车位置的最大值，初步得到该相位的初始排队长度；
规则2：当检测到有运行速度持续低于阈值v1的网联车时，用该车辆的位置修正初始排队长度；
规则3：当检测到有减速度持续小于阈值a1的网联车时，当该车速度不超过阈值v1时，用该车辆的位置修正初始排队长度；
当后续进入信息接收半径范围内的网联车满足上述规则时，用后续车辆的位置信息修正初始排队长度，直至下一相位开启前；
步骤三、修正排队长度，得到初始绿灯时间下限；在该相位绿灯开启后至g0时间范围，检测半径ri范围内网联车的位置、速度、加速度信息；当未观测到运动中的网联车信息时，初始绿灯时间仍采用g0；当检测到运动中网联车的轨迹信息发生改变时，则需要判断是否修正初始绿灯时间；若出现满足步骤二中规则3的网联车时，此时用该车的位置L1来修正初始排队长度，进而修正初始绿灯时间的下限g0：
式中，σ——车辆启动损失时间，s；vd——车辆正常行驶通过交叉口的目标车速，m/s；d——车身的长度，m；L1——网联车车头与停车线间的距离，m；aacc——网联车的加速度，m/s2，v0——网联车的速度，m/s；
步骤四、确定是否延长绿灯时间，得出信号控制方案。
2.根据权利要求1所述的车辆混合通行环境下交叉口动态感应信号控制方法，其特征在于，用下一相位开启前的初始排队长度计算该相位的初始绿灯时间g0，方法如下：
当红灯期间检测到的最后一辆网联车满足规则1时：
当红灯期间检测到的最后一辆网联车满足所述规则2和规则3时：
3.根据权利要求1所述的车辆混合通行环境下交叉口动态感应信号控制方法，其特征在于，步骤四中，在初始绿灯时间结束前1秒，若初始排队长度的最后一辆网联车按其当前的位置和速度仍不能通过停车线，即L1/v0>1时，则以其当前的位置和速度计算驶离停车线的时间来重新确立初始绿灯时间，即：
在初始绿灯时间结束前1秒，若半径ri范围内无网联车信息，则不用延长绿灯时间；当接收到其他网联车的信息时，则依据以下规则决策绿灯延长时间：
规则1：以检测到的网联车距停车线的距离从小到大排序，若连续i辆相邻网联车的车头时距均小于阈值hv时，第1辆网联车的车头时距用其达到停车线所需时间代替，则以第i辆网联车预期达到停车线时间作为计算绿灯延长时间的依据；
规则2：若第1辆网联车的车头时距大于阈值hv但小于2hv，且其后续连续i辆，i≥2，相邻网联车的车头时距均小于阈值hv时，则以第i+1辆网联车预期达到停车线时间作为计算绿灯延长时间的依据；
规则3：若检测到至少2辆网联车的速度低于绿灯期间正常车速的20％，或1辆网联车先减速再匀速、匀速时的速度低于绿灯期间正常车速的20％，则高概率受前方、侧方车辆运行的影响车速受阻，说明存在车队；且受阻头辆网联车到达停车线的时间小于2hv，则以最后一辆受阻网联车预期达到停车线时间作为计算绿灯延长时间的依据；
若绿灯延长后的时间超出了最大绿灯时间约束，则以最大绿灯时间作为计算绿灯延长时间的依据；每相位绿灯时间延长的决策只实施1次，一旦确立即按该时间实施直至结束。
4.一种用于实施权利要求1至3任一项所述的车辆混合通行环境下交叉口动态感应信号控制方法的***，其特征在于，所述***包括网联车信息采集子***、数据传输子***和数据管理与分析子***。
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