用車路協同技術提高交叉路口通行效率的探究

摘 要：文章論述了交叉路口對道路通行效率的影響，提出基于車路協同技術提高交叉路口通行效率，介紹了系統組成和控制方法。文章提出了兩點新的構思，用基于藍牙技術的路面裝置定位車輛，排隊車輛同步起車來提高通過速度。

關鍵詞：交叉路口；交通信號；車路協同；藍牙定位；同步起車

1 問題的提出

現行交叉路口的信號控制和通過模式：交叉路口通過紅、黃、綠色的交通信號燈控制車輛停止和通過，以兩相位控制來分析，對于南北向和東西向十字交叉路，第一個相位只有東西方向車輛通過，第二個相位只有南北方向車輛通過，如果沒有轉彎車輛，那么道路的利用率只有50%。其中黃燈時間道路利用率是0，在這種情況下十字交叉路口道路利用率低于50%。考慮右轉車輛不用等待紅燈，可提高道路利用率。但是左轉車輛會影響對方車輛和垂直方向車輛通過，在自己通過的時候減少了兩倍以上的車輛通過。顯然交叉路口必然導致道路通行效率下降。

當路口很多車輛排隊時，由于后面駕駛人員不能看到信號燈變化，起車延時，導致車輛通過路口較慢。這些因素進一步降低了交叉路口通行效率，降低道路利用率。

利用車路協同技術可以提高交叉路口車輛通過效率，文章的思路是利用車路協同來均衡等待時間、提高通過速度，以減少在路口的損失時間和延誤。

2 系統組成

本系統由車載設備、路側設備、路面裝置、信號控制設備、通信網絡組成，以實現車車通信、車路協同。

車載設備內包括感知系統、通訊系統、控制系統、人機交互、決策系統，可檢測自身的位置、速度、加速度及與前車的距離，接收路側設備指令，進入排隊狀態、列車前進狀態、手動駕駛狀態，在列車前進狀態自動控制車速、方向、自動剎車。車載設備同步顯示下一個路口的信號燈、信號燈倒計數，以便駕駛員以合適的車速行駛。

路側設備包括攝像機、微波測距儀等采集設備以及通信控制設備，用于檢測路面狀況和車流。路側設備與信號控制設備通信，接收交通信號燈狀態。與車輛通信，接收車輛位置信息，向車輛發出指令。利用圖像識別技術可以檢測排隊車輛個數、排隊長度。但是圖像識別效果易受到天氣和光線的影響，文章不詳細描述。

路面裝置包括環形線圈、藍牙定位裝置。環形線圈埋設于車道的路面下，通過饋線與檢測單元相連。檢測處理單元用高頻信號驅動環形線圈，當車輛通過環形線圈時，引起線圈的電感量的變化，并進而引起線圈的阻抗的變化，從而導致信號幅度、相位、頻率的變化。用檢測電路檢測其中某一個量的變化，就可以達到檢測車輛的目的。

藍牙定位裝置是一種基于低功耗藍牙的信號廣播設備。每一個裝置有一個唯一的ID（UUID+Major+Minor），在一個區域內廣播自己的信號，通過這種方式做到對一個特定區域的標記。藍牙定位裝置發送的數據主要包含四部分，分別是UUID（通用唯一標識符）、Major、Minor、Measured Power。在Major中可以寫入車道編號，在Minor中可以寫入位置，Measured Power是藍牙定位裝置與接收器之間相距1米時的參考接收信號強度，接收器根據該參考接收信號強度與實際接收信號的強度來推算發送裝置與接收器的距離。當車輛進入藍牙定位裝置的信號覆蓋范圍時，車載設備接收到信號，就可以感知到車輛的位置。藍牙定位裝置可埋設于車道中間的路面淺層，沿道路方向以固定間隔埋設，從停車線開始，從0開始按順序編號。為保證每輛車都可以收到至少一個定位裝置的信號，定位裝置間隔小于小汽車長度的一半，可每隔1米埋設一個。如果車載設備接收到3號、4號定位裝置發的信號，且根據信號強度推算出與定位裝置距離都小于1米，則可確定該車處于停車線后3.5米左右的位置。

信號控制設備控制交通信號燈變換，按照信號控制方式的不同，可將城市道路交叉口交通信號控制分為固定周期信號燈控制、感應式信號燈控制、自適應式信號燈控制。

3 控制方法

利用車路協同技術提高交叉路口通過效率的關鍵在于：準確感知車路狀況、實時調度、提高車輛通過速度。控制方法如下：

3.1 進入排隊狀態和計算排隊長度

車輛到達交叉路口遇到紅燈，車載設備接收路到路側設備指令進入排隊狀態，并與交通信號燈同步顯示紅燈倒計數，避免司機等待不耐煩，車載設備接收到路面定位裝置發出的定位信號，車載設備向路測設備報告自身位置。路側設備向信號控制設備發送排隊車輛列表，信號控制設備計算出排隊車輛數，根據這隊車輛中的最大位置編號可判定排隊長度。在紅燈信號期間，當車輛向前挪動后停下時，車載設備自動向路測設備報告最新的位置。路側設備可每隔一秒向信號控制設備發送排隊車輛列表，信號控制設備在紅燈結束前一定時間鎖定排隊列表。

3.2 調節綠燈時間

信號控制設備根據排隊車輛數和排隊長度，均衡其它方向的車流量，按一定的規則來調節綠燈時間，排隊長度超過預定范圍，則增加綠燈時間，排隊長度小于預定范圍，則減少綠燈時間。如果排隊長度在預定范圍內，則不需要調節綠燈時間。調節綠燈時間目的是減少等待，達到整體效率最佳。

3.3 計算放行車輛數

信號控制設備根據綠燈時間計算本次放行的車輛數，如n輛，在紅燈結束前一定時間將結果下發給路側設備。計算放行車輛數時要考慮光照條件、天氣條件、路面條件。如果有大車排隊，還要考慮大車長度，如一輛公共汽車按3輛小汽車計算。

在綠燈亮起的同時，路側設備向排在前面的n輛車下發放行指令和同步起車指令，向排在后面的車輛發送下次通過的指示。車載設備同步顯示綠燈信號和倒計數。

這個方法可讓司機明確知道本次綠燈是否放行，避免綠燈閃爍時有的車不敢通過而損失了時間，以及有的車在綠燈已經結束還搶行，干擾其它方向車輛行駛。

3.4 同步起車

車載設備接收到放行指令和同步起車指令，由車載設備自動控制行駛，n輛車同時起車，按相同的加速度行駛，以列車方式沿當前車道前進，通過路口，已經通過路口的車輛從列車方式釋放出來，車載設備提示駕駛員手動駕駛。在以列車方式前進時，車載設備檢測與前車距離，自動調整車速，避免碰撞。

同步起車可以減少等待起車損失的時間，列車方式前進使得n輛車像一輛車一樣通過路口，從而提高通過速度。本次不被放行的車輛由駕駛員手動駕駛繼續排隊。

4 結束語

文章提出采用藍牙技術對排隊車輛定位，可精確感知車輛位置，在此基礎上可準確控制車輛行為。藍牙技術成熟，相關裝置體積小、價格便宜、功耗低，易于大量布設。

同步起車和列車方式前進通過路口，只要加速度大于等于一般司機通過路口的加速度，由于同步起車減少了延遲起車而損失的時間，列車方式前進又減少了為擴大車距而損失的時間，可縮短通過時間，增加一個綠燈時間內通過的車輛數，提高交叉路口的通行效率。由于同步起車和列車方式前進是在固定車道、交叉路口寬闊路面進行，相對于其它場景的自動駕駛較容易實現。

要準確得知采取以上措施通行效率提升了多少，需要進行仿真計算，希望智慧交通專業人士不吝指導。

參考文獻

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[2]梁華為.“智能車路協同關鍵技術研究”[D].中國科學院合肥物質科學研究院，2011.