本發(fā)明涉及網(wǎng)聯(lián)環(huán)境下交通控制技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及網(wǎng)聯(lián)環(huán)境下連續(xù)多個信號交叉口自動駕駛車速控制的建模與求解方法。

背景技術(shù)：

近年來，隨著國民經(jīng)濟的高速發(fā)展，我國機動車保有量迅速增加，交通擁堵和環(huán)境污染問題越來越突出。城市信號交叉口作為城市道路網(wǎng)的節(jié)點，這一問題尤為嚴重。在信號交叉口處，車輛由于受到控制信號的周期性干擾，往往處于一種“停-走”式的交通運行模式，導(dǎo)致交叉口通行效率下降及燃油消耗與污染物排放上升，并嚴重影響車輛運行過程中的安全性與舒適性。自動駕駛是未來汽車的發(fā)展方向，隨著人工智能、傳感器檢測等技術(shù)的完善，汽車的自動駕駛功能正逐漸被公眾所接受。而隨著電子信息和無線通信技術(shù)的迅速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)逐漸得到了廣泛應(yīng)用，車聯(lián)網(wǎng)是物聯(lián)網(wǎng)在城市道路交通網(wǎng)絡(luò)中的具體體現(xiàn)，在網(wǎng)聯(lián)環(huán)境下，個體車輛可以與路側(cè)設(shè)施及區(qū)域中心控制系統(tǒng)實時通信，利用車載終端控制車輛自動駕駛，從而使車輛得以高效平滑地通過連續(xù)多個信號交叉口。

對于主干道上連續(xù)多個交叉口的控制問題，現(xiàn)在應(yīng)用比較廣泛的是綠波控制策略，即在一系列交叉口上，安裝一套具有一定周期的自動控制的聯(lián)動信號，使主干道上的車流依次到達前方各交叉口時，均會遇上綠燈，這種控制策略的目標是最大化綠波帶的寬度。但是運用綠波控制的要求極為嚴格，它要求相鄰交叉口的間距要大致相等，雙向行駛車輛的車速要相近，或呈一定倍數(shù)的比例關(guān)系，并且要保證所有交叉口的信號周期長度相等，才能保證雙向車輛到達交叉口時都遇到綠燈，這些要求使得綠波控制策略難以大范圍地運用在區(qū)域交通組織中。隨著車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，個體車輛可以獲得路網(wǎng)交通流狀態(tài)以及信號燈狀態(tài)的實時信息，一種更為方便有效的交通控制方法是車輛根據(jù)這些信息及時地做出速度調(diào)整，從而在綠燈期間通過交叉口。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的發(fā)明是面向連續(xù)信號交叉口的網(wǎng)聯(lián)環(huán)境下自動駕駛車速控制方法。當(dāng)車輛行駛至預(yù)先設(shè)定的車速控制區(qū)域時，會將自身的位置、速度及加速度信息發(fā)送給區(qū)域中心控制單元，區(qū)域中心控制單元根據(jù)車輛距離各個下游交叉口的距離以及各交叉口的信號燈信息確定車輛能夠在綠燈期間通過各個交叉口的速度，對車輛進行實時地控制，從而使個體車輛得以不停車通過連續(xù)多個信號交叉口，提高信號交叉口處的通行效率并起到節(jié)能減排的效果。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：利用網(wǎng)聯(lián)環(huán)境下個體車輛可以與路側(cè)設(shè)施及區(qū)域中心控制系統(tǒng)實時通信的特征，構(gòu)建連續(xù)信號交叉口車速控制模型并給出模型參數(shù)求解算法。

1.網(wǎng)聯(lián)環(huán)境下面向連續(xù)信號交叉口的車速控制模型的建立基于以下假設(shè)條件：

(1)多個連續(xù)信號交叉口速度控制區(qū)域內(nèi)配備一個區(qū)域中心控制單元(centralcontrolunit,ccu)，用于接收與處理各交叉口控制單元發(fā)送來的車輛運動狀態(tài)與信號燈信息；每個交叉口配備一個交叉口控制單元(intersectioncontrolunit,icu)，用于匯總即將通過該交叉口的全部車輛運動狀態(tài)信息并發(fā)送至區(qū)域中心控制單元；每輛即將進入交叉口的車輛全部配備一個車載單元(vehicleunit,vu)，用于采集車輛運動狀態(tài)信息，接收區(qū)域中心控制單元發(fā)送的車速調(diào)整信息并控制自動駕駛時車輛的行駛速度。

(2)個體車輛進入控制區(qū)域之后完全自動駕駛，即車輛完全服從區(qū)域中心控制系統(tǒng)的速度控制，vu和icu、ccu可實時通信，通信延遲在可接受范圍之內(nèi)。

(3)假設(shè)車輛不會主動超車或變換車道。

(4)車輛行駛路面平坦，重力對車輛加速度的影響可忽略不計。

(5)車輛通過交叉口時不考慮行人和非機動車的干擾。

2.控制車速的確定

相關(guān)研究表明，減少速度的波動，盡可能以恒定的速度行駛可以最大限度地減少燃油消耗和污染物排放。本發(fā)明提出的車速控制方法旨在通過減小車輛在通過連續(xù)多個信號交叉口時的速度波動，盡可能地避免車輛在信號交叉口處急剎車和急加速地情況，減少車輛的燃油消耗和污染物排放并節(jié)省旅行時間。為了達到這一目的，車輛到達下游交叉口的時間應(yīng)該在該交叉口的綠燈時間內(nèi)。假設(shè)車輛進入速度控制區(qū)域時的時刻為零時刻，此時距離下游第i個交叉口的距離為li，若此時下游第一個交叉口為綠燈，為避免停車，車輛應(yīng)該在當(dāng)前綠燈期間通過或者下一綠燈期間通過，即

t1∈[0,r11]∪[g11,r12]

若此時下游第一個交叉口為紅燈，則車輛應(yīng)當(dāng)在紅燈結(jié)束之后的下一個綠燈時間內(nèi)通過，即

t1∈[g11,r11]

式中，t1為車輛到達下游第一個信號交叉口的時間；g11為下游第一個信號交叉口第一次綠燈啟亮?xí)r刻；r11為下游第一個信號交叉口第一次紅燈啟亮?xí)r刻；r12為下游第一個信號交叉口第二次紅燈啟亮?xí)r刻。

那么車輛能夠在第一個信號交叉口綠燈時間內(nèi)通過的可行速度集合為該集合與路段最大限速和最小限速集合的交集即為車輛的目標速度集合，即：

式中，v1為車輛通過第一個交叉口的目標車速區(qū)間；l1為車輛進入控制區(qū)域時距離下游第一個信號交叉口的距離，vs1、vb1分別為車輛可以在綠燈時間內(nèi)通過的最小速度和最大速度；vmin為路段限制最小速度，vmax為路段最大限速。

如果存在一個可行速度集合使得車輛可以不停車通過第一個信號交叉口，那么用同樣的方法求出不停車通過下游第二個信號交叉口的可行速度集合[vs2,vb2]，如果[vs1,vb1]∩[vs2,vb2]不為空，則繼續(xù)求在綠燈時間內(nèi)通過下游第三個信號交叉口的可行速度集合[vs3,vb3]……直到可行速度的交集為空集。

最終的可行速度的集合為[vs1,vb1]∩[vs2,vb2]∩...∩[vsi,vbi]＝[vs,vb]，考慮到減少旅行時間的需要，我們在最終的可行速度區(qū)間內(nèi)取最大速度vb作為車輛通過連續(xù)i交叉口的最終控制車速。需要說明的是，在綠燈期間通過第一個交叉口和通過第二個交叉口可行速度之間沒有交集并不說明控制失效，我們可以根據(jù)vb＝vb1控制車輛通過第一個信號交叉口之后，重新調(diào)整速度使其在第二個信號交叉口綠燈期間通過第二個交叉口。

3.車輛從當(dāng)前車速調(diào)整到控制車速時加速度、減速度大小的確定

目標控制車速vb確定之后，下一步就是速度調(diào)整的過程。如果車輛當(dāng)前的速度v0小于目標控制車速vb，則車輛需要加速行駛，反之，則需要減速行駛。為了達到使車輛在下游交叉口綠燈時間內(nèi)到達交叉口的目的，我們需要在特定的時間內(nèi)完成車速調(diào)整的過程，本發(fā)明以減少燃油消耗和污染物排放為目的，考慮到加減速過程中乘客的舒適性需求，速度變化應(yīng)盡量平滑，我們采用三角函數(shù)增長曲線來表征速度的變化。詳細的說明見具體實施方案。

4.車速調(diào)整過程中的約束條件

城市道路上的交通流量很大，車輛難免會受到路段上其他車輛的影響，為了保證交通安全，車輛在速度調(diào)整過程中必須受到以下約束：

(1)前后車通過停車線的時刻約束：

ti≥ti-1+ts

(2)車輛行駛過程中前后車安全間距約束：

(3)路段限速約束：

vmin≤vi≤vmax

式中，ti為第i輛車通過停車線的時刻；ti-1為第i-1輛車通過停車線的時刻；ts為最小車頭時距；a為車輛的加速度；s為前后車的安全間距；δt為反應(yīng)、機械延誤等損失時間之和；li-1為第i-1輛車的長度；vi為第i輛車的速度；vi-1第i-1輛車的速度。

本發(fā)明具有以下有益效果：

(1)本發(fā)明利用網(wǎng)聯(lián)環(huán)境下個體車輛可以與下游交叉口以及區(qū)域中心控制系統(tǒng)實時交互的特征，在車輛進入控制區(qū)域之后根據(jù)下游各交叉口信號燈信息及時地做出速度調(diào)整，使個體車輛得以不停車通過連續(xù)多個信號交叉口，避免了車輛在交叉口處急剎車或急加速的情況，節(jié)省了燃油消耗同時也減少了污染物的排放，對當(dāng)前提倡的綠色交通具有十分重要的意義。

(2)據(jù)統(tǒng)計，中國有95％以上的信號交叉口為固定配時，本發(fā)明提出的車速控制方法在不改變現(xiàn)有交叉口信號配時的情況下通過適當(dāng)調(diào)整車輛的行駛速度從而實現(xiàn)了車輛不停車通過連續(xù)多個信號交叉口的目的，比運用綠波控制更加簡便且有效，該方法在中國目前的交通組織狀態(tài)下具有很強的實用性。

附圖說明

圖1連續(xù)信號交叉口車速控制流程圖

圖2連續(xù)信號交叉口車速控制系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

圖3連續(xù)信號交叉口車速控制示意圖

圖4加速度求解示意圖

圖5減速度求解示意圖

具體實施方案

下面結(jié)合附圖和具體實施方案對本發(fā)明進行詳細描述。

圖1所示為連續(xù)信號交叉口車速控制流程圖，在網(wǎng)聯(lián)環(huán)境下，當(dāng)車輛進入車速控制區(qū)域時，車載單元自動向交叉口控制單元發(fā)送自身的位置、速度、加速度等信息，交叉口控制單元接收車載單元發(fā)來的信息并打包發(fā)送給區(qū)域中心控制單元，區(qū)域中心控制單元接收到車輛信息，根據(jù)車輛距下游各個交叉口的距離以及各交叉口的信號相位信息計算出目標控制車速以及最優(yōu)加速度并向個體車輛發(fā)布，車載單元即控制個體車輛做出加速或減速的調(diào)整。

圖2所示為連續(xù)信號交叉口車速控制系統(tǒng)架構(gòu)示意圖，在控制區(qū)域內(nèi)設(shè)有區(qū)域中心控制單元，每個信號交叉口都設(shè)有交叉口控制單元，個體車輛上都安裝有車載單元。這三類控制單元可以實時進行信息交互。

圖3所示為連續(xù)信號交叉口車速控制示意圖，圖中實線表示不加速度控制的情況下車輛通過3個交叉口的運動軌跡，可以看出，車輛在通過第一個信號交叉口之后，在接下來的第二個和第三個信號交叉口處都由于紅燈而停車。虛線表示有速度控制的車輛運動軌跡，經(jīng)過速度控制模型計算出一個目標車速，車輛以該目標車速行駛時可以一路綠燈通過連續(xù)幾個信號交叉口，避免了大的速度波動，節(jié)省了燃油消耗和污染物的排放，一定程度上也會縮短旅行時間。

假設(shè)車輛進入速度控制區(qū)域的時刻為零時刻，位置為坐標原點位置，li(i＝1,2,3...)表示車輛進入速度區(qū)域時距離下游第i個信號交叉口的距離。gij表示第i個信號交叉口第j次綠燈開始時刻；rij表示第i個信號交叉口第j次紅燈開始時刻，那么車輛可以在綠燈時間內(nèi)通過第i個信號交叉口的可行速度集合為：

vmin和vmax分別為路段最小速度限制和路段最大速度限制，如果那么車輛可以以一個恒定的速度vb連續(xù)通過這i個信號交叉口；如果而則算法迭代結(jié)束，車輛以恒定的速度vb連續(xù)通過前i-1個信號交叉口，第i個信號交叉口再作為第一個信號交叉口考慮，重新計算目標控制車速。

用上述方法計算出的目標車速相當(dāng)于一個平均速度，如果車輛進入控制區(qū)域時的速度小于計算出的目標控制車速，則應(yīng)當(dāng)加速行駛，反之，則要求減速，才能在特定時刻到達交叉口并順利通過。

圖4所示為加速度求解示意圖，為了使速度的變化更加平滑，本發(fā)明采用三角函數(shù)增長曲線來表征速度的變化，其速度表達式如下：

式中，l為車輛距離下游交叉口的距離，m和n為速度曲線的形狀參數(shù)，不同的(m,n)集合代表不同的速度剖面，m控制區(qū)域a的加速度/減速度變化率，n控制區(qū)域b和d的加速度/減速度變化率，m和n的取值越大，表明車輛的加速度/減速度越大。要使車輛可以在特定的綠燈時刻到達交叉口，應(yīng)該保證圖4中a部分的面積等于b、c、d三部分的面積之和。即：

上式經(jīng)整理得：

當(dāng)參數(shù)m固定時，上面的式子可以看成是一個關(guān)于n的一元二次方程，當(dāng)且僅當(dāng)m≥3.71/t時n有實根，這里，為車輛到達下游交叉口的時間。

m和n的值理論上是由車輛發(fā)動機的功率決定的，但實際情況中往往受道路條件、行車安全以及駕駛舒適性的限制。相關(guān)學(xué)者的研究表明，考慮駕駛員及乘客乘坐舒適性的最大加速度a的絕對值不應(yīng)超過2.5m/s²，而表征加速度變化率的加加速度jerk的絕對值不能超過10m/s³。車輛的最大加速度和加加速度可以用下式計算：

amax＝(vb-v0)m

jerkmax＝(vb-v0)mn

圖5所示為減速度求解示意圖，其求解方法與上述內(nèi)容相同，也是采用三角函數(shù)曲線來表征速度的變化，得出適當(dāng)?shù)販p速度的集合。

以上詳細描述了本發(fā)明的實施過程，但是本發(fā)明并不限于上述實施方式中的具體細節(jié)，在本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思范圍內(nèi)，具體的細節(jié)是可以改變替換的，如可以通過改變加減速率的大小來滿足不同出行群體的舒適度需求，或者通過選取不同的目標函數(shù)來研究不同出行偏好下路網(wǎng)的整體優(yōu)化問題。