專利名稱：一種城市道路交通系統(tǒng)的阻塞抑制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種城市道路交通系統(tǒng)的阻塞抑制方法，更具體地說是涉及一種城市道路交通系統(tǒng)的阻塞信號控制技術(shù)，屬于交通信號控制技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市機(jī)動車數(shù)量迅速增加，從而導(dǎo)致城市交通擁堵或阻塞問題日益加劇，嚴(yán)重阻礙著城市現(xiàn)代化的進(jìn)程。為從根本上解決城市交通的擁堵問題，自20世紀(jì)60年代以來，發(fā)達(dá)國家已開展了城市交通控制研究，其作用在于通過有規(guī)律的控制和運用交通信號，使車輛有秩序地駛離沖突區(qū)域。但城市道路交通控制問題相當(dāng)復(fù)雜，許多成果都很不完善，尤其是人們很少根據(jù)交通阻塞的形成機(jī)理，來探討如何對道路上的擁堵交通流，進(jìn)行合理的疏導(dǎo)，以緩和或預(yù)防交通阻塞。
目前關(guān)于此方面的研究，有Konishi等(Phys.Rev.E 60，4000-4007，1999年)基于反饋延遲技術(shù)提出了一個阻塞抑制方法，主要是利用速度延遲信號和車輛模型觀測器的輸出信號來設(shè)計控制信號，基本上解決了道路交通系統(tǒng)的交通阻塞問題。但該方法存在有以下不足之處
1.控制信號設(shè)計過程復(fù)雜、涉及的參數(shù)多，控制信號的設(shè)計先對車輛模型進(jìn)行觀測器設(shè)計，然后再獲取速度延遲信號；2.參數(shù)只能設(shè)計為固定值，而現(xiàn)實中參數(shù)取值往往存在一定的波動范圍，故這在實際情況下是很難實現(xiàn)的；3.控制信號的設(shè)計還需要較大的內(nèi)存空間，用以記憶歷史數(shù)據(jù)，因而其費用較為昂貴。
因此，探索更易于實現(xiàn)、投資費用較低的新的阻塞抑制方法，將成為城市道路交通系統(tǒng)阻塞控制技術(shù)的發(fā)展趨勢。本發(fā)明的目的就是提供一種設(shè)計簡單、易于實現(xiàn)的阻塞抑制方法，使之能夠直接應(yīng)用于城市道路交通系統(tǒng)，緩解交通擁堵問題，提高城市道路的使用效率。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服Konishi等的阻塞抑制方法中存在信號復(fù)雜、實現(xiàn)困難、成本高昂等方面的不足，本發(fā)明提供形式簡單、易于實現(xiàn)、成本低廉的一種城市道路交通系統(tǒng)的阻塞抑制方法，疏導(dǎo)擁堵交通流，提高車輛行駛的安全性和暢通性。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的在行駛的車輛上安裝有控制裝置，它主要包括車載測速器，單片機(jī)和顯示裝置。將車載測速器測得的相鄰前車車速信號和本車車速信號傳給單片機(jī)，由單片機(jī)根據(jù)設(shè)計的反饋控制信號和無阻塞條件確定反饋系數(shù)，計算出加減速提示信息，顯示于顯示裝置上，當(dāng)駕駛者看到提示信息后，據(jù)此信息恰當(dāng)?shù)卣{(diào)整車輛的行駛速度，從而提高駕駛者的反應(yīng)敏感度。
車輛在未進(jìn)行控制前的車輛交通系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型描述為a.引導(dǎo)車(道路行駛方向上的第一輛車)x1(n+1)＝v0·T+x1(n)其中，x1(n)＞0為引導(dǎo)車輛在nT時刻的位置(單位米)，v0＞0是引導(dǎo)車輛的速度(一般來說，可視為常數(shù)，單位米/秒)，T為采樣時間間隔(單位秒)。
b.跟馳車輛(道路行駛方向上跟隨第一輛車的車輛)xi(n+1)＝vi(n)T+xi(n)，(i＝2～N)vi(n+1)=αi[Viop(di(n))-vi(n)]T+vi(n)---(1)]]>di(n+1)＝xi-1(n+1)-xi(n+1)＝vi-1(n)·T-vi(n)·T+di(n)其中，xi(n)＞0為車輛i在nT時刻的位置(單位米)，vi(n)是車輛i在nT時刻的速度(單位米/秒)，N為道路上車輛總數(shù)，αi為靈敏度系數(shù)(單位秒-1)，Vop(·)為優(yōu)化速度函數(shù)，di(n)為前車i-1與其后車i的車頭間距。優(yōu)化速度函數(shù)的形式為Viopt(di(n))=vimax2[1+H‾sat(2di(n)-ηiζi)]]]>Hsat(·)為H‾sat(ρ)=+1,if+1<ρρ,if-1≤ρ≤+1-1,ifρ<-1]]>vimax>0]]>是車輛i的最大速度，ηi＞0是合適的車頭間距，ζi>0]]>是預(yù)期車速的調(diào)整參數(shù)。
當(dāng)阻塞反饋控制信號引入車輛交通系統(tǒng)，對跟馳車輛實施反饋控制，其反饋控制信號是由如下公式實現(xiàn)ui(n)＝ki(vi-1(n)-vi(n)) (2)其中，ui(n)為車輛i的反饋控制信號，ki為反饋控制系數(shù)(可調(diào)節(jié))，vi(n)為nT時刻車輛i的速度(單位米/秒)。該控制信號的引入，將使車輛駕駛者在行駛過程中對相鄰前車行為及時做出反應(yīng)，以避免頻繁地加減速或不恰當(dāng)?shù)鸟{駛行為，預(yù)防阻塞的形成，提高駕駛的安全性和舒適性。
加入反饋控制信號后的車輛系統(tǒng)模型相應(yīng)地調(diào)整為vi(n+1)=αi[Viopt(di(n))-vi(n))]T+vi(n)+-ui(n)]]>本發(fā)明可以解決一類廣泛的車輛交通系統(tǒng)的阻塞抑制問題，其中本發(fā)明的技術(shù)性關(guān)鍵是車輛的交通反饋阻塞控制信號，技術(shù)基礎(chǔ)是道路交通系統(tǒng)無阻塞的反饋系數(shù)條件。
反饋控制信號的反饋系數(shù)的確定反饋系數(shù)ki是可以調(diào)節(jié)的，以使控制系統(tǒng)滿足無阻塞條件。經(jīng)推導(dǎo)可以得出不同車輛參數(shù)下，反饋系數(shù)ki的取值范圍a)如果αiT-2＜0且αiriT2-αiT＜0，即車輛屬于反應(yīng)靈敏度低且最大速度較低的類型，其中αi為靈敏度系數(shù)(單位秒-1)，ri=vimaxζi,vimax>0]]>是車輛i的最大速度，那么1-αiT+αiriT2<ki≤2-αiT+αiriT22;]]>否則如果0＜αiriT2＜2且(αiT-2)(riT-1)＞0，即車輛屬于反應(yīng)靈敏度低且最大速度非常低的類型，那么
max{αiriT2-αiT,12(2riT+αiriT2-αiT)}<ki≤1-αiT+αiriT2;]]>b)如果2＜αiriT2＜4且4-αiT-2riT＞0，即車輛屬于反應(yīng)靈敏度高且最大速度較低的類型，或反應(yīng)靈敏度低且最大速度較高的類型，那么max{αiriT2-αiT,12(2riT+αiriT2-αiT)}<ki<4-2αiT+αiriT22;]]>c)如果αiriT2＝2且(αiT-2)(riT-1)＞0，即車輛屬于反應(yīng)靈敏度適中且最大速度適中的類型，那么max{αiriT2-αiT,12(2riT+αiriT2-αiT)}<ki<3-αiT;]]>d)如果αiT＝2且0＜αiriT2＜2，即車輛屬于反應(yīng)靈敏度適中且最大速度較低的類型，那么1-αiT+αiriT2<ki<4-2αiT+αiriT22.]]>實現(xiàn)本發(fā)明的方法包括以下步驟(1)根據(jù)車輛設(shè)置初始參數(shù)，包括靈敏度參數(shù)αi，最大速度參數(shù)vmax，預(yù)期的車頭間距ηi，預(yù)期車速的調(diào)整參 數(shù)據(jù)采樣時間間隔T；(2)根據(jù)道路交通系統(tǒng)無阻塞反饋條件確定反饋控制信號的反饋系數(shù)ki，存儲在單片機(jī)中；(3)車載測速器測得的速度信息傳送至單片機(jī)中，由單片機(jī)根據(jù)設(shè)計的反饋控制信號公式[公式(2)]和無阻塞條件確定反饋系數(shù)，計算出加減速提示信息；(4)將加減速信息顯示于顯示裝置上，駕駛者將參考此信息及時地對相鄰前車行駛變化做出反應(yīng)，從而提高駕駛者的反應(yīng)靈敏度和駕駛的安全性。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其優(yōu)點和積極效果是
a)反饋信號設(shè)計所需要車輛的速度信號，可以通過本車輛車載測速器或智能交通系統(tǒng)獲得，較為方便；b)反饋控制信號的設(shè)計只需確定一個參數(shù)一反饋系數(shù)ki值且可在較大的范圍內(nèi)變化，其形式十分簡單，容易實現(xiàn)；c)反饋控制信號的設(shè)計只需要本車和相鄰前車的速度信息，所需的內(nèi)存和計算量較小，控制的設(shè)計原理簡單，硬件少、費用低，可應(yīng)用的范圍廣；d)在控制信號的設(shè)計過程中沒有特殊情況的假設(shè)，因此該控制方法不依賴于車輛模型的具體參數(shù)，能處理多種情況下的阻塞問題，如瓶頸處的、交通事故或擾動引起的；能通用于單道和多道的情況。


圖1為本發(fā)明阻塞抑制控制系統(tǒng)流程圖；圖2為本發(fā)明阻塞抑制控制系統(tǒng)方框圖；圖3為本發(fā)明阻塞抑制技術(shù)原理圖；圖4(a)為無控制作用下2000秒時道路上所有車輛的車頭間距；圖4(b)為本發(fā)明阻塞控制作用下2000秒時道路上所有車輛的車頭間距。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖與具體實施方式
對本發(fā)明作進(jìn)一步描述如圖1所示，本發(fā)明所述的阻塞抑制方法實現(xiàn)步驟為
步驟1.根據(jù)車輛設(shè)置初始參數(shù)，包括靈敏度參數(shù)αi，最大速度參數(shù)vmax，預(yù)期的車頭間距ηi，預(yù)期車速的調(diào)整參數(shù) 和數(shù)據(jù)采樣時間間隔T；步驟2.根據(jù)道路交通系統(tǒng)無阻塞反饋條件確定反饋控制信號的反饋系數(shù)ki，存儲在單片機(jī)中；步驟3.車載測速器測得的速度信息傳送至單片機(jī)中，由單片機(jī)根據(jù)設(shè)計的反饋控制信號公式[公式(2)]和無阻塞條件確定反饋系數(shù)，計算出加減速提示信息；步驟4.將加減速信息顯示于顯示裝置上，駕駛者將參考此信息及時地對相鄰前車行駛變化做出反應(yīng)，從而提高駕駛者的反應(yīng)靈敏度和駕駛的安全性。
如圖2所示，道路上所有車輛構(gòu)成了一個車輛控制系統(tǒng)，每個跟馳車輛的控制只與其相鄰前車有關(guān)，因而該控制系統(tǒng)又可分解為N個車輛控制子系統(tǒng)。
如圖3所示，在行駛車輛上安裝控制裝置，包括車載測速器、單片機(jī)和數(shù)字顯示裝置。在控制過程中，將車載測速器測得的前車(車輛i-1)和本車(車輛i)的車速信號傳送至單片機(jī)中，由單片機(jī)根據(jù)設(shè)計的反饋控制信號和反饋系數(shù)ki，計算出加減速提示信息，并顯示于數(shù)字顯示裝置上，當(dāng)車輛i的駕駛者看到提示信息后，會據(jù)此信息恰當(dāng)?shù)卣{(diào)整車輛的行駛速度，從而避免未及時對前方車輛情況做出反應(yīng)而導(dǎo)致的交通擁堵。
模擬實驗將本發(fā)明阻塞抑制方法的控制技術(shù)應(yīng)用于單車道存在交通瓶頸的道路，模擬其交通狀況的變化，重點研究該阻塞控制技術(shù)對道路上車流的車頭間距和交通流量的影響，如圖4所示。假設(shè)道路長2000米，在1000米處存在交通瓶頸(長400米)，在此處車輛明顯減速以確保安全，這將使其上游車輛形成擁堵。
模擬實驗的結(jié)果顯示未實施反饋控制時，如圖4(a)所示，瓶頸上游車輛車頭間距出現(xiàn)了大范圍的波動(從11米到45米之間)，出現(xiàn)了交通擁堵現(xiàn)象，且最小車頭間距僅約11米，存在較大的安全隱患。而在實施了反饋控制的作用下，如圖4(b)所示，瓶頸上游的車輛車頭間距較為均勻，基本維持在35米左右，未形成大幅度的波動，車輛均勻有序行駛，即未出現(xiàn)阻塞現(xiàn)象。
在模擬實驗過程中，在瓶頸下游某處設(shè)置了一個虛擬檢測器，檢測單位時間內(nèi)通過的車輛數(shù)，即交通流量。數(shù)據(jù)顯示未實施反饋控制時交通流量為2300輛/小時；而加入反饋控制后，交通流量增加至2621輛/小時，增加了百分之十四。顯然，此阻塞控制技術(shù)的實施，使駕駛者能夠全面地了解相鄰前車的駕駛狀態(tài)，根據(jù)此信息駕駛者及時調(diào)整其行駛速度，從而避免了交通阻塞的形成，并提高了駕駛的安全性和暢通性。
權(quán)利要求
1.一種城市道路交通系統(tǒng)的阻塞抑制方法，其特征在于在行駛的車輛上安裝有控制裝置，它包括車載測速器、單片機(jī)和顯示裝置，將車載測速器測得的相鄰前車車速信號和本車車速信號傳送到單片機(jī)，由單片機(jī)根據(jù)設(shè)計的反饋控制信號和無阻塞條件確定反饋系數(shù)，計算出加減速提示信息，顯示于顯示裝置上，當(dāng)駕駛者看到提示信息后，會據(jù)此信息恰當(dāng)?shù)卣{(diào)整車輛的行駛速度。
2.據(jù)權(quán)利要求1所述的阻塞抑制方法，其特征在于所述反饋控制信號的設(shè)置僅與相鄰前車速度有關(guān)，由如下公式實現(xiàn)ui(n)＝ki(vi-1(n)-vi(n))其中，ui(n)為車輛i的反饋控制信號，ki為反饋控制系數(shù)，vi(n)為nT時刻車輛i的速度(單位米/秒)，T為采樣時間間隔(單位秒)。
3.據(jù)權(quán)利要求1、2所述的阻塞抑制方法，其特征在于反饋控制信號的反饋系數(shù)ki取值，通過以下公式來確定(a)如果αiT-2＜0且αiriT2-αiT＜0，即車輛屬于反應(yīng)靈敏度低且最大速度較低的類型，那么1-αiT+αiriT2<ki≤2-αiT+αiriT22;]]>否則如果0＜αiriT2＜2且(αiT-2)(riT-1)＞0，即車輛屬于反應(yīng)靈敏度低且最大速度非常低的類型，那么max{αiriT2-αiT,12(2riT+αiriT2-αiT)}<ki≤1-αiT+αiriT2;]]>(b)如果2＜αiriT2＜4且4-αiT-2riT＞0，即車輛屬于反應(yīng)靈敏度高且最大速度較低，或反應(yīng)靈敏度低且最大速度較高的類型，那么max{αiriT2-αiT,12(2riT+αiriT2-αiT)}<ki≤4-2αiT+αiriT22;]]>c)如果αiriT2＝2且(αiT-2)(riT-1)＞0，即車輛屬于反應(yīng)靈敏度適中且最大速度適中的類型，那么max{αiriT2-αiT,12(2riT+αiriT2-αiT)}<ki≤3-αiT;]]>d)如果αiT＝2且0＜αiriT2＜2，即車輛屬于反應(yīng)靈敏度適中且最大速度較低的類型，那么1-αiT+αiriT2<ki<4-2αiT+αiriT22;]]>其中，αi為車輛的靈敏度系數(shù)(單位秒-1)，vimax>0]]>是車輛i的最大速度，ζi＞0預(yù)期車速的調(diào)整參數(shù)，ri=vimaxζi]]>為最大速度與預(yù)期車速調(diào)整參數(shù)的比值。
4.據(jù)權(quán)利要求1、2所述的阻塞抑制方法，其特征在于該方法包括以下步驟(1)根據(jù)車輛設(shè)置初始參數(shù)包括靈敏度參數(shù)αi，最大速度參數(shù)vmax，預(yù)期的車頭間距ηi，預(yù)期車速調(diào)整參數(shù)ζi和數(shù)據(jù)采樣時間間隔T；(2)根據(jù)道路交通系統(tǒng)無阻塞反饋條件，確定反饋控制信號的反饋系數(shù)ki，存儲在單片機(jī)中；(3)車載測速器測得的速度信息傳送至單片機(jī)，由單片機(jī)根據(jù)設(shè)計的反饋控制信號公式[公式(2)]和無阻塞條件確定反饋系數(shù)，計算出加減速提示信息；(4)將加減速信息顯示于顯示裝置上，駕駛者將參考此信息及時地對前車行駛變化做出反應(yīng)，從而提高駕駛者的反應(yīng)靈敏度和駕駛的安全性。
5.據(jù)權(quán)利要求3所述的阻塞抑制方法，其特征在于該方法包括以下步驟(1)根據(jù)車輛設(shè)置初始參數(shù)包括靈敏度參數(shù)αi，最大速度參數(shù)vmax，預(yù)期的車頭間距ηi，預(yù)期車速調(diào)整參數(shù)ζi和數(shù)據(jù)采樣時間間隔T；(2)根據(jù)道路交通系統(tǒng)無阻塞反饋條件，確定反饋控制信號的反饋系數(shù)ki，存儲在單片機(jī)中；(3)車載測速器測得的速度信息傳送至單片機(jī)，由單片機(jī)根據(jù)設(shè)計的反饋控制信號公式[公式(2)]和無阻塞條件確定反饋系數(shù)，計算出加減速提示信息；(4)將加減速信息顯示于顯示裝置上，駕駛者將參考此信息及時地對前車行駛變化做出反應(yīng)，從而提高駕駛者的反應(yīng)靈敏度和駕駛的安全性。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種城市道路交通系統(tǒng)的阻塞抑制方法，提出一種阻塞信號控制技術(shù)，將車載測速器測得的前車車速信號和本車車速信號傳送到單片機(jī)，由單片機(jī)根據(jù)設(shè)計的反饋控制信號和無阻塞條件確定反饋系數(shù)，計算出加減速提示信息，顯示于顯示裝置上，當(dāng)駕駛者看到提示信息后，會據(jù)此信息恰當(dāng)?shù)卣{(diào)整車輛的行駛速度，提高駕駛者的反應(yīng)靈敏度，從而避免未及時對前方車輛情況做出反應(yīng)而導(dǎo)致的交通擁堵。該控制技術(shù)結(jié)構(gòu)簡單、成本低、易于實現(xiàn)。采用這種控制方法可抑制阻塞交通流的形成，提高駕駛的安全性和舒適性，充分利用道路的通行能力。
文檔編號G08G1/052GK1825380SQ200610066218
公開日2006年8月30日 申請日期2006年3月29日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月29日
發(fā)明者高自友, 趙小梅 申請人:北京交通大學(xué)