車聯(lián)網(wǎng)下道路交叉口車速引導(dǎo)信息管理系統(tǒng)

(長安大學(xué) 信息工程學(xué)院，陜西 西安 710064)

車聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)以交通大數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，以交通核心參與者(人、車、路)作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，通過多源交通信息感知與融合技術(shù)，借助泛在網(wǎng)絡(luò)的通信交互和普適計(jì)算能力，提供本地和遠(yuǎn)程綜合信息服務(wù)的復(fù)雜系統(tǒng)。交叉口信號燈是保障道路交通安全的一項(xiàng)重要組成部分，它不僅可以減少交通事故，而且能夠提高道路使用效率。然而，非車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的車輛對信號燈信息的獲取主要依賴于駕駛員的視覺感知，由于信號燈的周期性變換，駕駛員在道路交叉口處只能根據(jù)駕駛經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行車輛控制，這種隨機(jī)差異化的行駛策略容易影響交叉口的行車安全和通行效率。這也使得交叉口車速引導(dǎo)成為近年來智能交通的一個(gè)研究熱點(diǎn)。

針對交叉口車輛通行效率低和車輛的停車頻率高的問題，目前有兩種解決策略，一種是通過對交通信號燈實(shí)現(xiàn)優(yōu)化控制，另一種方法是基于現(xiàn)有的信號控制策略，對車輛行駛進(jìn)行分析引導(dǎo)。文獻(xiàn)[1]和文獻(xiàn)[2]提出兩種有軌電車信號優(yōu)先策略，分別是通過使用MAXBAND模型和MAXBAND MILP-Tram模型，結(jié)合動(dòng)態(tài)配時(shí)策略來保證有軌車優(yōu)先通過。文獻(xiàn)[3]根據(jù)現(xiàn)代有軌電車通過交叉口為離散交通流，提出特定的延誤公式，并以此構(gòu)建以人均延誤最小為目標(biāo)函數(shù)的固定信號配時(shí)優(yōu)化模型。文獻(xiàn)[4]提出基于比例分配解碼方法的遺傳算法(GA-PDD)協(xié)調(diào)控制技術(shù)來實(shí)現(xiàn)對交通信號配時(shí)優(yōu)化，從而達(dá)到降低車輛平均停車次數(shù)和延誤時(shí)間的效果。文獻(xiàn)[5]提出了一種基于加減速引導(dǎo)的雙周期干道綠波協(xié)調(diào)控制方法，利用加速策略來降低車輛的行駛時(shí)間、延誤時(shí)間與停車次數(shù)，減速策略在不提高行程時(shí)間和延誤時(shí)間前提下，用來有效降低車輛的停車次數(shù)。文獻(xiàn)[6]提出一種車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下干線信號協(xié)調(diào)控制與車輛速度主動(dòng)引導(dǎo)的協(xié)同優(yōu)化方法，對降低車輛平均停車次數(shù)和延誤時(shí)間也有較好的作用。現(xiàn)有車速引導(dǎo)方法主要基于車輛通過交叉口的可能性以及對信號燈的協(xié)同控制來實(shí)現(xiàn)，但是對信號燈的動(dòng)態(tài)控制在實(shí)際操作中實(shí)現(xiàn)難度較大，且在對車速進(jìn)行引導(dǎo)的過程中沒有考慮駕駛員的舒適感，容易在一定程度上對駕駛員的身體和心理造成較大的負(fù)擔(dān)。

同時(shí)，道路交叉口作為車聯(lián)網(wǎng)中的一個(gè)典型應(yīng)用場景，其中的聯(lián)網(wǎng)車輛和路側(cè)設(shè)備每時(shí)每刻都有巨量數(shù)據(jù)產(chǎn)生，這些數(shù)據(jù)蘊(yùn)含著豐富的信息內(nèi)容，如何對這些信息進(jìn)行高效管理也是一項(xiàng)重要且艱巨的任務(wù)。目前的車聯(lián)網(wǎng)信息管理系統(tǒng)仍舊存在著對動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)不能及時(shí)進(jìn)行分析和反饋的問題。本文提出了一種基于車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境的道路交叉口的車速引導(dǎo)信息管理系統(tǒng)，系統(tǒng)通過對車輛之間的位置關(guān)系、信號燈信息以及人體能承受的舒適加速度綜合分析車輛的最佳車速，降低車輛在交叉口處的停車次數(shù)，提高交叉口處的車輛通行效率。

1 交叉口車速引導(dǎo)模型

在非車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下單個(gè)車輛通過交叉口的速度主要根據(jù)駕駛員的駕駛經(jīng)驗(yàn)判斷得出，由于駕駛員駕駛經(jīng)驗(yàn)的差異性，導(dǎo)致了車輛在交叉口處不同的通過時(shí)間，例如對于駕駛經(jīng)驗(yàn)不足的駕駛員來說，通過交叉口的時(shí)間一般相對較長。為了提高車輛在交叉口處的通行效率，車輛需要根據(jù)當(dāng)前交叉口的行車環(huán)境進(jìn)行車速引導(dǎo)以便能夠安全快速地通過交叉口。針對這一問題，提出了一種基于車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境的交叉口車速引導(dǎo)模型。模型利用靠近交叉口處道路區(qū)域內(nèi)車輛及其周圍車輛的信息，結(jié)合交叉口信息進(jìn)行分析計(jì)算，得到車輛的瞬時(shí)最佳速度，對車輛進(jìn)行實(shí)時(shí)引導(dǎo)。

本文的車速引導(dǎo)模型基于以下假設(shè)條件：

① 車輛之間可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享；

② 車輛可以與路側(cè)設(shè)備實(shí)現(xiàn)通信；

③ 不考慮行人和非機(jī)動(dòng)車的影響；

④ 只考慮車輛直行通過交叉口的情形；

定義正在進(jìn)行車速引導(dǎo)的車輛為目標(biāo)車輛，通過分析目標(biāo)車輛在靠近交叉口路段的行駛環(huán)境，車速引導(dǎo)可分為車輛前方無其他車輛和車輛前方有其他車輛兩種情形。相對前方有其他車輛的情形，在對前方?jīng)]有其他車輛的車輛進(jìn)行引導(dǎo)時(shí)，要對車輛進(jìn)行限速控制。

車輛在加速過程中，駕駛員對加速度的承受能力有限，研究結(jié)果表明，人體感受到的最大舒適加速度為2.5 m/s2[7]，定義稱該最大加速度為舒適加速度ac，當(dāng)車輛的加速度超過舒適加速度時(shí)，駕駛舒適感明顯降低。

在車輛車速進(jìn)行引導(dǎo)的過程中，車速的變化主要來自于車輛的加速度變化，假設(shè)系統(tǒng)信息處理的頻率f(1 Hz)，對車輛引導(dǎo)時(shí)，車輛的推薦速度vnext就可以表示為

vnext=vcurrent+a/f

(1)

若系統(tǒng)計(jì)算得到的加速度a可取的值為一定區(qū)間內(nèi)的值時(shí)，系統(tǒng)在推薦時(shí)會(huì)選取區(qū)間中值作為最優(yōu)的加速度。

根據(jù)《中華人民共和國道路交通安全法》及其施行法令規(guī)定，黃燈亮?xí)r，未跳過終止線的車輛不得通行，故在建模過程中，認(rèn)為黃燈情況下的速度引導(dǎo)模型與紅燈時(shí)的速度引導(dǎo)模型相同，其中設(shè)定綠燈的相位周期為TG，黃燈的相位周期為TY，紅燈的相位周期為TR。黃燈情況下，設(shè)定黃燈相位剩余時(shí)間為tY，信號燈距離下次變?yōu)榫G燈相位的時(shí)間為“tY+TR”。

圖1 應(yīng)用場景圖

1.1 車輛前方無其他車輛

當(dāng)車輛前方無其他車輛時(shí)，車輛通過交叉口所受到的影響全部來自于交通信號燈，根據(jù)交通信號燈的類型分為以下情況。

1.1.1 信號燈為綠燈

設(shè)定車輛當(dāng)前時(shí)刻的速度為v0，距離交叉口的距離為s0，綠燈剩余時(shí)間為tG。

當(dāng)s0

(2)

(3)

(4)

1.1.2 信號燈為紅燈

設(shè)定車輛當(dāng)前時(shí)刻的速度為v0，距離交叉口的距離為s0，綠燈剩余時(shí)間為tR。

(5)

1.2 車輛前方有其他車輛

當(dāng)車輛前方有其他車輛時(shí)，車輛此時(shí)通過交叉口所受到的影響不僅來自于交通信號燈，同時(shí)還與前方的最后一輛車的行駛狀態(tài)有關(guān)。根據(jù)《中華人民共和國道路交通安全法》第四十三條規(guī)定：同車道行駛的機(jī)動(dòng)車，后車應(yīng)當(dāng)與前車保持足以采取緊急制動(dòng)措施的安全距離。交管部門有關(guān)人士對“足以采取措施”的解釋是：“足以”是指同一車道的后車與前車必須保持足夠的行車間距。當(dāng)機(jī)動(dòng)車時(shí)速為60 km/h，行車間距應(yīng)為60 m以上；時(shí)速為80 km/h，行車間距為80 m以上，以此類推。將“公里”轉(zhuǎn)換為“米每秒”，根據(jù)以上定義，則可以列出安全距離ss計(jì)算公式為

ss=3.6v

(6)

根據(jù)交通信號燈的類型分為以下情況。

1.2.1 信號燈為綠燈

設(shè)定當(dāng)前車輛當(dāng)前時(shí)刻的速度為v1，距離交叉口的距離為s1，當(dāng)前車輛前方的最后一輛車的車長為L0，速度為v0，距交叉口的距離為s0，綠燈剩余時(shí)間為tG。

此時(shí)車輛的安全行駛距離為s=s0-s1-ss-L0，由于此時(shí)車輛的所有行駛都要取決于前方車輛的行駛狀態(tài)。當(dāng)滿足式(7)時(shí)，車輛以當(dāng)前速度v1可以繼續(xù)安全前行，并通過交叉口。

(7)

當(dāng)滿足式(8)時(shí)，車輛可以通過采取加速措施提高通過交叉口的可能性，即

(8)

此加速措施中加速度須滿足式(9)：

(9)

(10)

1.2.2 信號燈為紅燈

設(shè)定當(dāng)前車輛當(dāng)前時(shí)刻的速度為v1，距離交叉口的距離為s1，當(dāng)前車輛前方的最后一輛車的車長為L0，速度為v0，距交叉口的距離為s0，綠燈剩余時(shí)間為tR。

通過對信號燈周期的分析，當(dāng)信號燈為紅燈時(shí)，下一個(gè)出現(xiàn)的信號燈顏色為綠色。當(dāng)車輛前方的信號燈為紅燈時(shí)，為保證車輛高效通過交叉口，此時(shí)最好的措施為保證車輛在紅燈時(shí)間內(nèi)不停車，同時(shí)還要保證車輛在剩余紅燈時(shí)間內(nèi)所行駛的距離小于車輛與交叉口之間的距離。

當(dāng)v1≥v0時(shí)，車輛要保證不與前方車輛發(fā)生碰撞且在綠燈速度不為0，就要滿足式(11)。

(11)

(12)

當(dāng)車輛前方的車輛通過交叉口后，車輛就成為整個(gè)車隊(duì)的首車，根據(jù)系統(tǒng)信息處理的頻率，運(yùn)用前方無車輛的模型對車輛進(jìn)行引導(dǎo)，保證車輛安全通過交叉口。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)平臺(tái)設(shè)計(jì)的是軟件系統(tǒng)，是智能化管理交通的集中體現(xiàn)。用戶通過登錄系統(tǒng)，可以遠(yuǎn)程查看某一輛車輛的當(dāng)前行駛數(shù)據(jù)以及歷史行駛數(shù)據(jù)，也可以對車輛進(jìn)行針對性的引導(dǎo)。系統(tǒng)通過自動(dòng)化數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)引導(dǎo)，減少了車輛的停車次數(shù)，提高了道路的車輛通行率，對道路交叉口處的交通智能化管理有極大的促進(jìn)作用。

系統(tǒng)主要包括4個(gè)模塊，分別為系統(tǒng)用戶信息管理模塊、車輛信息管理模塊、交叉口處路側(cè)設(shè)備信息管理模塊以及車速引導(dǎo)模塊。圖2為系統(tǒng)功能模塊圖。

圖2 系統(tǒng)功能模塊圖

(1) 系統(tǒng)用戶管理模塊。

登錄系統(tǒng)需要用戶權(quán)限，用戶輸入賬號、密碼和用戶類型之后，系統(tǒng)將數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫中的用戶信息進(jìn)行匹配，分析用戶是否擁有登錄此系統(tǒng)的權(quán)限。若匹配成功，則用戶進(jìn)入系統(tǒng)；否則，用戶不具有權(quán)限，登錄失敗。依據(jù)用戶權(quán)限的不同，用戶可以分為“普通用戶”和“管理員”。普通用戶擁有較低的瀏覽權(quán)限，僅可以對系統(tǒng)中的信息進(jìn)行瀏覽，沒有對信息進(jìn)行更改的權(quán)利；管理員則擁有更高的權(quán)限，對系統(tǒng)中的信息進(jìn)行瀏覽的同時(shí)，還可以對系統(tǒng)中信息進(jìn)行更改，以及對普通用戶的信息進(jìn)行管理。

(2) 車輛信息管理模塊。

系統(tǒng)中分為用戶信息管理模塊、車輛信息管理模塊、交叉口路側(cè)設(shè)備信息管理模塊以及車速引導(dǎo)模塊。在車輛信息管理模塊中，當(dāng)車輛進(jìn)入道路交叉口車速引導(dǎo)區(qū)域，車輛與系統(tǒng)進(jìn)行信息交互，自動(dòng)上傳車輛的靜態(tài)信息(車輛的車牌號、OBU終端編號、車型等)和動(dòng)態(tài)行駛數(shù)據(jù)(車輛的瞬時(shí)速度、加速度、方向、GPS坐標(biāo)等)，上傳頻率為1 Hz。

圖3 為車輛信息查詢界面，通過輸入車牌號對車輛進(jìn)行唯一性確定，當(dāng)單擊“確定”按鈕之后，系統(tǒng)會(huì)對車輛的行駛數(shù)據(jù)進(jìn)行展示，供用戶瀏覽。

圖3 車輛查詢界面

(3) 交叉口路側(cè)設(shè)備信息管理模塊。

系統(tǒng)中路側(cè)設(shè)備信息模塊會(huì)實(shí)時(shí)對道路交叉口處車速引導(dǎo)區(qū)域中的道路信息以及設(shè)備信息進(jìn)行管理，其中道路信息包括停車線的位置等信息，設(shè)備信息包括信號燈的位置坐標(biāo)、相位周期、當(dāng)前相位以及剩余燈時(shí)等動(dòng)態(tài)信息，上傳頻率也為1 Hz。

(4) 車速引導(dǎo)模塊。

車速引導(dǎo)模塊主要是系統(tǒng)實(shí)時(shí)對車輛的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)以及交叉口處信號燈的信息進(jìn)行分析，運(yùn)用車速引導(dǎo)模型，實(shí)時(shí)計(jì)算車輛與交通信號燈之間的距離，分析得到車輛下一時(shí)刻的最佳速度，系統(tǒng)將分析得到的最佳速度反饋給車輛，從而實(shí)現(xiàn)對車輛引導(dǎo)。在車速引導(dǎo)模塊，首先要選擇目標(biāo)信號燈確定車速引導(dǎo)區(qū)域，當(dāng)選定目標(biāo)信號燈之后，系統(tǒng)會(huì)對目標(biāo)信號燈監(jiān)測范圍內(nèi)的車輛進(jìn)行顯示，用戶從引導(dǎo)區(qū)域中選擇要引導(dǎo)的車輛，然后單擊“開始引導(dǎo)車速”按鈕，系統(tǒng)會(huì)從當(dāng)前時(shí)刻，以1 Hz的頻率對車輛進(jìn)行車速引導(dǎo)。圖4為選擇引導(dǎo)車輛的軟件界面圖。

圖4 選擇引導(dǎo)車輛的界面

圖5為系統(tǒng)對車輛進(jìn)行引導(dǎo)后，實(shí)時(shí)監(jiān)測到的車輛的速度變化情況。

圖5 車速變化曲線

3 實(shí)驗(yàn)仿真

實(shí)驗(yàn)場所選擇長安大學(xué)汽車試驗(yàn)場，如圖6所示，引導(dǎo)區(qū)域?yàn)閳D6中紅線區(qū)域，設(shè)定車速引導(dǎo)區(qū)域長度為100 m，信號燈周期為68 s，紅燈周期為35 s，綠燈周期為30 s，黃燈周期為3 s。

圖6 長安大學(xué)汽車試驗(yàn)場

實(shí)驗(yàn)通過駕駛經(jīng)驗(yàn)豐富的駕駛員和無人車進(jìn)行對比測試，分析單輛車情況下系統(tǒng)在車輛通過交叉口中的影響。車輛駕駛員通過10次隨機(jī)駕駛，檢測車輛跨入車速引導(dǎo)區(qū)時(shí)車輛的速度，記錄駕駛員所進(jìn)行的駕駛操作，并記錄車輛通過停車線的情況。同時(shí)以駕駛員跨入車速引導(dǎo)區(qū)的車速作為無人車進(jìn)入車速引導(dǎo)區(qū)的初始車速，無人車以系統(tǒng)提示的車速進(jìn)行行駛，并記錄車輛通過停車線的情況。

表1 單車環(huán)境實(shí)驗(yàn)測試數(shù)據(jù)

在單車實(shí)驗(yàn)測試中，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示，除第6組實(shí)驗(yàn)之外，駕駛員駕駛的車輛和無人車在進(jìn)入車速引導(dǎo)區(qū)域后所采取的駕駛操作是相同的；在第6組實(shí)驗(yàn)中，駕駛員駕駛的車輛采取了減速停車操作，而無人車采取了減速操作，但并無停車。通過對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)信號燈為紅燈且剩余時(shí)間較長的情況，人為判斷會(huì)使減速停車等待信號燈變化，而車速引導(dǎo)模型會(huì)為避免車輛的停車操作提前做出減速但并不停車的操作，從而降低車輛的發(fā)動(dòng)機(jī)空轉(zhuǎn)情況。

由于實(shí)測條件限制，采用Vissim仿真平臺(tái)對車速引導(dǎo)模型進(jìn)行多車仿真，在Vissim中建立單車道試驗(yàn)環(huán)境，以長安大學(xué)汽車試驗(yàn)場中信號燈配時(shí)作為Vissim中信號燈的配時(shí)標(biāo)準(zhǔn)，車速引導(dǎo)區(qū)域長度仍設(shè)定為100 m，設(shè)定道路最大通行速度為60 km/h，車輛的初始速度值在25～45 km/h之間，對200輛、400輛目標(biāo)車輛分別采用車速引導(dǎo)模型、不采用車速引導(dǎo)模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，記錄不同車輛從進(jìn)入引導(dǎo)區(qū)域到通過道路交叉口所用的時(shí)間。通過多次仿真實(shí)驗(yàn)，分別計(jì)算車輛在采用車速引導(dǎo)模型和不采用車速引導(dǎo)模型下的平均通過時(shí)間。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 多車環(huán)境車輛平均通過時(shí)間 單位：s

通過對表2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析得到，當(dāng)車輛數(shù)目為200輛，實(shí)驗(yàn)次數(shù)為20、30、40次時(shí)，采用車速引導(dǎo)模型時(shí)全部車輛通過交叉口的平均時(shí)間相對于為采用車速引導(dǎo)模型車輛的平均通過交叉口時(shí)間分別減少6.83%、7.01%、7.15%；車輛數(shù)目為400輛，實(shí)驗(yàn)次數(shù)分別為20、30、40次時(shí)，采用車速引導(dǎo)模型時(shí)全部車輛通過交叉口的平均時(shí)間相對于未采用車速引導(dǎo)模型車輛的平均通過時(shí)間分別減少7.17%、7.22%、7.38%。綜上可得出結(jié)論，當(dāng)?shù)缆分熊囕v數(shù)目較多的情況下，車輛在采用車速引導(dǎo)模型后，車輛的平均通過交叉口時(shí)間相對不采用車速引導(dǎo)模型的平均通過交叉口時(shí)間更低，即該車速引導(dǎo)模型可以提高車輛在交叉口的通行效率。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一種基于車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境的道路交叉口車速引導(dǎo)信息管理系統(tǒng)，對交叉口處車輛的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，不僅實(shí)現(xiàn)了道路交叉口處設(shè)備和車輛信息的管理，同時(shí)也對進(jìn)入交叉口車速引導(dǎo)區(qū)域的車輛進(jìn)行車速引導(dǎo)。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，車輛在運(yùn)用該系統(tǒng)后，交叉口的車輛通過率相對于未使用該系統(tǒng)的交叉口通行率有所提高，車輛在交叉口處的停車率大大降低，同時(shí)在引導(dǎo)區(qū)域長度為100 m時(shí)，車輛在交叉口的平均通行時(shí)間降低大約7%。