基于交通信號感知的經濟車速控制方法

周琪 賈碩 彭娜

摘 ? 要：隨著車聯網以及智能交通系統的發展，人們越來越關注車輛燃油消耗的經濟性問題。本文通過搭建車輛動力學油耗模型，分析油耗模型，得到車輛在理想狀態下油耗率最低行駛速度。利用短途無線通信技術獲取路段上交通信號燈的狀態及時間，提出了對車輛速度進行經濟性控制的方法，降低了車輛行駛在設有交通信號燈的路段的燃油消耗量。運用Carsim仿真軟件對得到的經濟車速進行仿真，證實該方法確實可以達到節油的目的。

關鍵詞：經濟車速 ?車聯網 ?油耗模型 ?油耗率 ?Carsim

中圖分類號：U495 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2019）02（a）-0155-02

1 ?車輛動力學油耗模型

車輛發動機燃燒燃油所釋放的熱量一部分要用來克服發動機內部摩擦力[1]，其余部分輸出給傳動系統作為發動機的輸出功率，所以基于發動機的功率的油耗模型可以用式（1）表示。發動機的輸出功率一部分承擔車輛一些配件的能量消耗，綜合對各部分的擴充說明，可以得到車輛燃油消耗率的具體表達式[2]，用公式（2）來表示。

2 ?基于交通信號感知的經濟車速控制方法

為了研究經濟車速的控制方法，首先要定義一個場景，場景由三部分組成：車輛、道路、交通信號。對于每一個時間t，該場景的狀態可以由以下輸入來決定。

（1）經濟車速的控制距離D，距離是由短途無線通信（DSRC）的通信距離來決定的。

（2）車輛進入控制區域的時刻T0，以及在T0時刻的速度v0。

（3）信號燈的狀態以及時間信息（SPAT）。

（4）當前道路的最高限速vlim。

我們給定無線短途通信的控制距離為S，車輛在T0時刻以v0的初始速度駛入控制范圍。因此對車輛的通過信號燈的方式可以用圖1表示。

因此基于交通信號感知的經濟車速控制方法可以總結為：車輛行駛在有交叉路口的路段，當車輛沒有進入到無線短途通信的控制范圍時，建議車輛保持veco行駛，避免較大的加速或者減速，以保證在巡航狀態下的油耗量最低;當車輛駛入到無線短途通信的控制范圍，也就是說車輛即將到達交叉路口時，建議車輛以公式（3）提供的建議速度v行駛。

3 ?仿真驗證和總結

利用carsim仿真軟件對道路以及車輛建立模型，通過經濟車速算法得到車輛在該道路上行駛的經濟車速。仿真模型是在道路方面建立了一條4000m的平直道路，在距離起點2000m處有一設有交通信號燈的交叉路口，空氣密度為1.206kg/m3，空氣阻力系數為0.3其中，信號燈的參數設置為紅燈周期為60s，綠燈周期為30s。

車輛在未駛入無線短途通信的控制范圍時，以veco的經濟車速巡航行駛，當車輛駛入控制范圍時，接收到信號燈時間及狀態信息，根據算法求得經濟車速，并且控制車輛的剎車和油門使車輛按照經濟車速行駛。當車輛駛離交叉路口后，再加速至veco巡航走完整段路程。行駛過程中的車速由圖2左側表示。整段路程一共用時275.425s，消耗燃油0.163855kg。車輛行駛過程中的油耗曲線如圖2右側所示。

由此可見，使用carsim仿真軟件對控制方法得到的結果進行仿真驗證，證實經濟車速控制方法可以節省6%左右的燃油消耗。

參考文獻

[1] Mathews J T， Vatansever A， Poneman D， et al. World Energy Outlook 2011[J]. International Energy Agency， 2014， volume，2010（1）：3.

[2] Rakha H A， Ahn K， Moran K， et al. Virginia Tech Comprehensive Power-Based Fuel Consumption Model： Model development and testing[J]. Transportation Research Part D Transport & Environment， 2011， 16（7）：492-503.

[3] Kamalanathsharma R K， Rakha H A. Multi-stage dynamic programming algorithm for eco-speed control at traffic signalized intersections[M]. ?2013.