車路協同下的基于S函數的交叉口平滑車速引導方法*

郭 蓬，王夢丹，楊建森，陳美奇，蔡 聰，許揚眉

（1.中國汽車技術研究中心有限公司；2.中汽研（天津）汽車工程研究院有限公司，天津 300300）

1 引言

近年來汽車行業發展迅速，交通擁堵及環境污染問題同時接踵而來。為了解決這些問題，各國開始大力發展智能交通系統，其中車路協同系統逐漸成為研究熱點。道路交通中，信號交叉口是交通延誤最大的地方之一，“一路綠燈”的實現不僅能提高信號交叉口的通行效率，還能減少車輛燃油消耗。車路協同系統的發展，使車輛和路側設施——智能紅綠燈之間可進行通信，車速引導能有效彌補傳統信號控制下車輛被動響應的局限，是未來提高信號交叉口通行效率的一種有效方法和研究方向。

目前，國內外學者提出了多種基于車路協同系統或智能交通下的車速引導模型。王文輝等設計了一種閉環反饋速度更新算法，以動態補償人車響應特性造成的跟蹤偏差；賈豐源等搭載了車載交通燈提醒系統，提出車路協同環境下的車速引導策略；徐麗萍等以車輛列隊為引導單元，將車輛可能面臨的交通狀況細分為8種引導場景，以引導車輛不停車或少停車通過交叉口為目標，直接優化車輛加/減速度，建立車輛列隊后車根據改進的跟馳模型計算目標跟馳加/減速度，并與頭車組成列隊以同一目標車速通過交叉口停車線的4種車速引導模型；張雪等通過創建綠燈期間車速引導模型和紅燈期間車速引導模型，構建以最優車速通過信號交叉口的車速引導模型，以減小信號交叉口的平均延誤和排隊長度。

大部分車速引導算法策略沒有考慮到駕駛員需要頻繁制動或車輛速度突變帶來的影響。因此本文提出一種交叉口平滑車速引導方法，通過對進入交叉口引導區間的車輛進行車速引導，盡可能做到不停車通過交叉口，減少等待時間，提高通行效率，同時利用S形加減速算法，使得速度曲線平滑，提高駕駛平穩性。

2 車路協同環境搭建

2.1 車路協同系統

圖1為本研究的交叉路口車路協同環境。在交叉路口布設智能紅綠燈，同時信號燈控制器與RSU進行連接，實時向周圍的車輛廣播車輛所處位置的地圖消息及紅綠燈消息；車輛裝載車載單元OBU，一方面實時接收路口的紅綠燈消息及地圖消息，另一方面實時收集自身車輛狀態信息，包含位置點、速度、加速度等。

圖1 交叉路口車路協同環境

2.2 基本假設

為簡化研究的問題，本文提出的研究方法基于以下基本假設。

1）單車與信號交叉口之間的信息交互，前方無車輛影響。

2）不受橫向車輛和交叉口轉彎車輛影響。

3）不考慮天氣、路面條件的影響，只考慮汽車本身的車速限制。

3 基于S函數的交叉口平滑車速引導算法

本文設計的基于S函數的交叉口平滑車速引導算法流程如圖2所示，包含以下步驟。

圖2 基于S函數的交叉口平滑車速引導算法流程圖

1）步驟1：車輛進入引導區間，通過V2X通信技術，車輛與信號燈進行信息交互，判斷當前信號燈的顏色，若為綠色則執行步驟2，若為黃色或紅色則執行步驟4。

2）步驟2：根據公式（1）計算得到車輛行駛至停止線的時間t為：

式中：L——目標車輛距停止線的距離；v——目標車輛進入到引導區間時的速度。

若t≤t，則車輛勻速通過停止線，輸出建議車速v。

3）步驟3：若t>t，根據公式（2）計算變加速a。車輛以變加速a，加速到最高限速v。

式中：T=t-t，T——每個階段持續的時間；τ=t-t，τ——當前時刻在第k個階段持續的時間，加加速J恒定且

T=T。

綠燈加速過程中，為了使速度曲線平滑過渡，速度v先經過加加速達到v，再經過勻加速達到v，最后再經過減加速達到v。根據公式（3）可得到各個時刻的速度。

式中：v=v。

根據公式（4）計算得到每個時刻行駛的距離為S。

根據公式（5）計算車輛到達停止線的時間t，若t≤t，則車輛加速通過，否則停車等待。

式中：T——加加速行駛的時間；T——勻加速行駛的時間；T——減加速行駛的時間；S——變加速過程行駛的位移距離。

4）步驟4：根據紅燈的剩余時間t、車輛駛至停止線的時間t，判斷車輛行駛至停止線的時間是否大于紅燈剩余的時間，若t>t，則車輛勻速通過停止線，輸出建議車速v。

5）步驟5：若t≤t，車輛減速行駛，根據公式以變減速a減速到最低限速v，并根據減速行駛的距離計算車輛達到停止線的時間t，若t

若t≤t，車輛減速行駛，根據公式（6）計算變減速a，即車輛減速到最低限速v。

紅燈減速過程，為了使速度曲線平滑過渡，根據公式（7），速度v先經過加減速達到v，再經過勻減速達到v，最后再經過減減速達到v。

式中：v=v。

根據公式（8），每個時刻行駛的距離為S。

綜上所述，根據公式（9），車輛到達停止線的時間t為：

式中：T——加減速行駛的時間；T——勻減速行駛的時間；T——減減速行駛的時間；S——減速過程行駛的位移。

4 模型分析

圖3為使用VTD軟件對車路協同環境下基于S函數的交叉口平滑車速引導方法模型進行測試，通過模型結果驗證模型的整體功能和效果。

圖3 仿真模型

4.1 模型參數設置

在本文設計的車路協同環境下基于S函數的交叉口平滑車速引導方法模型中，道路模型設置為雙向兩車道，長度為500m，引導區長度L為300m，信號燈周期C為120s，其中綠燈時長T為60s，黃燈時 長T為3s，紅燈時 長T為57s，車輛車速v為30km/h，加速度a為2.0m/s，減速度a為-2.0m/s，加加速J為2.0m/s，進入引導區時剩余綠燈時間t為35s，道路限速為：v為20km/h，v為40km/h。

車輛通過OBU實時采集車輛位置、速度、加速度等信息，進入到引導區后，自動接收信號燈相位和配時信息。根據車輛前方道路的紅綠燈色、剩余時間以及距離路口停車線的距離，對進入引導區車輛的引導速度進行預判，最終可以獲得車輛可以加速通過，且具體速度變化如公式（10）所示。

4.2 仿真結果分析

圖4為有無車速引導的情況下，車輛在交叉路口引導區域的速度變化圖，時刻點t為加加速結束時刻點，t為勻加速結束時刻點，t為減加速結束時刻點。從圖4中可以看出，當無車速引導時，車輛一直勻速行駛，當接近交叉路口時判定無法通過后減速停止在路口停止線前；當基于本文設計的車速引導模型時，車輛進入加加速階段，之后進入勻加速階段，最后進入減加速階段，最終可不停車通過交叉路口。綜上所述，本文設計的車路協同環境下基于S函數的交叉口平滑車速引導方法可以做到不停車通過交叉路口，提高交通通行效率，同時使建議速度變化平滑，提高駕駛平穩性。

圖4 引導區域車輛速度變化圖

5 總結

本文提出的車路協同環境下基于S函數的交叉口平滑車速引導方法，通過對進入交叉口引導區間的車輛進行車速引導，盡可能做到不停車通過交叉口，減少等待時間，提高通行效率，同時利用S形加減速算法，使得速度曲線平滑，提高駕駛平穩性。