車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下右轉(zhuǎn)車禮讓行人速度引導(dǎo)

楊曉芳，何佳樂

（上海理工大學(xué) 管理學(xué)院，上海 200093）

0 引言

自2017 年新版《中華人民共和國道路交通安全法》頒布以來，全國各地對機(jī)動(dòng)車在斑馬線前禮讓行人的法律法規(guī)愈發(fā)完善、合理。據(jù)上海市機(jī)動(dòng)車禮讓行人研究調(diào)查，約有25%的車輛選擇過度讓行，造成不必要的交叉口交通資源浪費(fèi)［1］。在當(dāng)前禮讓行人的環(huán)境下，右轉(zhuǎn)車輛易在停車線前讓行行人，從而產(chǎn)生較大的車速波動(dòng)，易在交叉口處造成停車排隊(duì)，從而影響該路段處車輛，使右轉(zhuǎn)機(jī)動(dòng)車頻繁出現(xiàn)啟停、怠速的現(xiàn)象，加劇了機(jī)動(dòng)車的燃油消耗以及污染物排放［2］。因此對右轉(zhuǎn)機(jī)動(dòng)車讓行行人的速度引導(dǎo)進(jìn)行研究，以減少二者在交叉口處的沖突、提高右轉(zhuǎn)車在交叉口處的通行效率。

隨著V2X 技術(shù)的發(fā)展，行人、機(jī)動(dòng)車、城市道路之間的信息不再相互閉塞［3］。國內(nèi)外學(xué)者對信號燈交叉口的網(wǎng)聯(lián)車車速引導(dǎo)進(jìn)行了大量研究，Ubiergo［4］等針對城市交通中車輛軌跡波動(dòng)問題，提出了基于車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的ASL（Advisory Speed Limit）控制策略，通過對每輛車進(jìn)行單獨(dú)的限速控制，可有效地減少車輛軌跡的波動(dòng)，并對燃油消耗、排放有一定改善作用；Liu［5］等人提出兩種針對單車、多車的引導(dǎo)策略，構(gòu)建了雙向六車道的交叉口仿真系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了V2V、V2I 的通信，實(shí)時(shí)干預(yù)車輛運(yùn)行，結(jié)果表明車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境可顯著提高交叉口通行效率，且多車速度引導(dǎo)策略更為有效；安實(shí)［6］提出一種針對車隊(duì)頭車的基于多級可變速度限制的交叉口車速引導(dǎo)策略，避免了車輛突然變速、怠速，有效的提高了交叉口處的通行效率；張靖思［7］通過將多目標(biāo)優(yōu)化模型和速度引導(dǎo)模型結(jié)合，對機(jī)動(dòng)車實(shí)施動(dòng)態(tài)引導(dǎo)，以實(shí)現(xiàn)干線、雙周期交叉口共同優(yōu)化的目的；KAMAL［8］針對自動(dòng)駕駛和傳統(tǒng)駕駛的混合交通環(huán)境，提出一種考慮信號燈信息和前方車輛信息的車速引導(dǎo)策略；劉顯貴［9］針對不同的網(wǎng)聯(lián)汽車占比率，建立基于目標(biāo)車速關(guān)聯(lián)的油耗排放模型，利用多目標(biāo)遺傳算法得到能耗、排放和通行時(shí)間最小的目標(biāo)車速，可在車輛不停車通過交叉口的速度范圍內(nèi)求得最優(yōu)的引導(dǎo)速度；鹿應(yīng)榮、徐麗萍等人［10-11］對網(wǎng)聯(lián)汽車速度引導(dǎo)分別進(jìn)行了兼顧駕駛舒適性與環(huán)境友好性、兼顧考慮車輛跟馳行為和引導(dǎo)場景劃分的研究，所提出的速度誘導(dǎo)策略更貼合實(shí)際。

綜上所述，目前交叉口車速引導(dǎo)策略主要以信號燈信息以及車車之間運(yùn)行狀態(tài)信息為基礎(chǔ)，對不受燈控的右轉(zhuǎn)機(jī)動(dòng)車的速度引導(dǎo)研究不足。本文提出一種基于車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下交叉口信息互通的特點(diǎn)，結(jié)合自動(dòng)駕駛、V2P 人車通信技術(shù)的交叉口右轉(zhuǎn)機(jī)動(dòng)車車速引導(dǎo)策略，使右轉(zhuǎn)機(jī)動(dòng)車提前獲取行人的過街需求信息，在保證效率最優(yōu)的前提下對右轉(zhuǎn)機(jī)動(dòng)車車速進(jìn)行引導(dǎo)，充分利用人車沖突區(qū)的空閑時(shí)間，使其能夠不停車通過交叉口，同時(shí)減少了機(jī)動(dòng)車在交叉口處因啟停、怠速等原因造成的燃油消耗及污染物排放。

1 控制策略

1.1 問題描述

一般情況下，右轉(zhuǎn)車行駛軌跡中都與兩條人行橫道存在沖突區(qū)，處于右轉(zhuǎn)車進(jìn)口車道的為第一沖突區(qū)，處于右轉(zhuǎn)車出口車道的為第二沖突區(qū)，如圖1所示。當(dāng)右轉(zhuǎn)機(jī)動(dòng)車到達(dá)沖突區(qū)前時(shí)，一般存在以下4 種情況：

圖1 沖突區(qū)示意圖Fig.1 Schematic diagram of conflict zone

（1）沖突區(qū)空閑，機(jī)動(dòng)車正常通過交叉口；

（2）沖突區(qū)空閑但行人即將進(jìn)入沖突區(qū)，機(jī)動(dòng)車可選擇加速、減速或停車禮讓；

（3）沖突區(qū)存在行人，機(jī)動(dòng)車需減速或停車禮讓行人；

（4）沖突區(qū)存在行人，但行人即將離開沖突區(qū)，機(jī)動(dòng)車可選擇減速通過或停車禮讓。

第二種情況，機(jī)動(dòng)車選擇較多，但大多會(huì)選擇減速或停車禮讓，需在停車線處等待行人通過，造成較大的延誤；第三、四種情況，右轉(zhuǎn)機(jī)動(dòng)車不得不選擇停車禮讓或怠速行駛，從而發(fā)生較大的車速波動(dòng)以及車輛啟停，除了對車輛行駛的平穩(wěn)性、燃油消耗、污染物排放量有較大影響外，對行人也會(huì)造成一定的心理壓力，導(dǎo)致“人車互讓”，加大了機(jī)動(dòng)車與行人的延誤。

1.2 控制流程

本文將自動(dòng)駕駛技術(shù)、V2P 行人檢測技術(shù)結(jié)合，將獲取到的行人信息、車輛信息在中心控制系統(tǒng)統(tǒng)一處理，并將其反饋給機(jī)動(dòng)車，使其調(diào)整控制車速，做到不停車、快速通過交叉口。本文模型的控制流程圖如圖2 所示。

圖2 控制流程圖Fig.2 Control flow chart

控制規(guī)則示意圖如圖3 所示，當(dāng)右轉(zhuǎn)機(jī)動(dòng)車進(jìn)入控制區(qū)域時(shí)，系統(tǒng)將判定機(jī)動(dòng)車以最大、最小速度抵達(dá)交叉口時(shí)的沖突區(qū)空閑狀態(tài)，并選擇合適的速度；機(jī)動(dòng)車以原速度繼續(xù)行駛，在抵達(dá)交叉口后需停車禮讓行人。若選擇加速行駛，Ta2p1與Tl1p1的時(shí)差不足使機(jī)動(dòng)車通過，所以控制中心將控制機(jī)動(dòng)車減速至V1以保證其不停車并以最快速度勻速通過交叉口。

圖3 控制規(guī)則示意圖Fig.3 Schematic diagram of control rules

2 車速控制模型

2.1 基本假設(shè)

本研究建立于以下基本假設(shè)條件之上：

（1）機(jī)動(dòng)車規(guī)格、性能一致，行人步速、占地面積相同，且遵守交通規(guī)則；

（2）車輛從進(jìn)入控制區(qū)域到離開沖突區(qū)域之間切換為自動(dòng)駕駛狀態(tài)；

（3）控制中心與車輛的通信延遲在可接受的范圍之內(nèi)；

（4）車輛、行人的到達(dá)服從泊松分布。

2.2 行人及相關(guān)設(shè)施

行人信號控制燈末尾時(shí)采用綠閃表示，在綠燈閃爍時(shí)，未進(jìn)入交叉口的行人不得進(jìn)入交叉口，需在行人過街安全島或路口前等待。

綠閃信號配時(shí)時(shí)間采用HCM2010 計(jì)算方法，單位為s（秒），公式為

其中，DC為行人過街距離，單位為m（米），VP為行人步速，本文采取1.2 m／s。

2.3 行人信息處理

本文將每個(gè)右轉(zhuǎn)車道都與兩個(gè)人行橫道存在沖突區(qū)。行人分為同側(cè)行人和對向行人，細(xì)分為一、二沖突區(qū)同側(cè)行人和一、二沖突區(qū)對向行人，每個(gè)行人都將經(jīng)歷進(jìn)入視頻檢測區(qū)、進(jìn)入沖突區(qū)、離開沖突區(qū)3 種狀態(tài)?？刂浦行膶⒂涗浶腥诉M(jìn)入檢測區(qū)的時(shí)刻，并根據(jù)其速度計(jì)算行人到達(dá)、離開沖突區(qū)的對應(yīng)時(shí)刻。

2.3.1 沖突區(qū)同側(cè)行人信息處理

當(dāng)?shù)趎個(gè)行人到達(dá)交叉口時(shí)，其通行方向?yàn)榫G燈，Tanp1為第一沖突區(qū)同側(cè)第n個(gè)行人到達(dá)沖突區(qū)的時(shí)刻（s），公式為

其中，tn1為沖突區(qū)同側(cè)第n個(gè)行人進(jìn)入視頻檢測區(qū)的時(shí)刻（s）；Lp為視頻檢測區(qū)長度（m）；Lf為非機(jī)動(dòng)車道寬度（m）；VP為行人步速（m／s）.

當(dāng)?shù)趎個(gè)行人到達(dá)交叉口時(shí)，通行方向?yàn)榧t燈，其到達(dá)沖突區(qū)的時(shí)刻為Tanp2，公式為

其中，C為信號燈周期（s）。

第n個(gè)行人離開沖突區(qū)的計(jì)算公式為

式中Lv為機(jī)動(dòng)車道寬度（m）。

2.3.2 沖突區(qū)對側(cè)行人信息處理

當(dāng)?shù)趎個(gè)行人抵達(dá)交叉口時(shí)，綠燈剩余時(shí)間足夠行人通過交叉口，其到達(dá)沖突區(qū)的時(shí)刻為Tanp3為

其中，tn2為沖突區(qū)對側(cè)第n個(gè)行人進(jìn)入視頻檢測區(qū)的時(shí)刻（s），m為機(jī)動(dòng)車道數(shù)，一般取4 或6。

當(dāng)?shù)趎個(gè)行人抵達(dá)交叉口時(shí)，綠燈剩余時(shí)間僅夠行人抵達(dá)中央安全島。其到達(dá)沖突區(qū)的時(shí)刻Tanp4為

當(dāng)?shù)趎個(gè)行人抵達(dá)交叉口時(shí)，綠燈剩余時(shí)間不足或?yàn)榧t燈。其到達(dá)沖突區(qū)的時(shí)刻為Tanp5，為

沖突區(qū)對側(cè)第n個(gè)行人離開沖突區(qū)的時(shí)刻Tlnp2為

其中，Tanpx為沖突區(qū)對側(cè)第n個(gè)行人進(jìn)入沖突區(qū)的時(shí)刻（s），x為3、4、5；

2.4 機(jī)動(dòng)車控制區(qū)域范圍界定

由于右轉(zhuǎn)車輛不受信號燈控制，所以機(jī)動(dòng)車最小控制區(qū)域只需要有充足的距離調(diào)整車速，最大控制區(qū)域則是右轉(zhuǎn)機(jī)動(dòng)車需在最長行人視頻檢測時(shí)間內(nèi)離開控制區(qū)域。Lc為控制區(qū)域長度，取值范圍為，Cp Vmin］，Vmax、Vmin為機(jī)動(dòng)車最大、最小速度，a為加速度，b為減速度，Cp為最長行人視頻檢測時(shí)間。

2.5 車速控制策略

當(dāng)機(jī)動(dòng)車進(jìn)入控制區(qū)域后，控制中心將會(huì)接收到機(jī)動(dòng)車發(fā)送的車速、車長等信息，并計(jì)算該機(jī)動(dòng)車加速至限制最高速度和減速至限制最小速度到達(dá)交叉口的時(shí)刻。結(jié)合系統(tǒng)中得到的沖突區(qū)的空閑狀態(tài)，選擇最小時(shí)刻的通過時(shí)刻快速通過。

2.5.1 沖突區(qū)空閑時(shí)間

沖突區(qū)空閑時(shí)間為沖突區(qū)中最后一位的行人離開后，此時(shí)沖突區(qū)內(nèi)不存在任何行人或車輛，在下一位行人進(jìn)入之前，這段時(shí)間為沖突區(qū)的空閑時(shí)間，控制中心根據(jù)空閑時(shí)間長短決定機(jī)動(dòng)車的通過。Tp為交叉口的空閑時(shí)間，計(jì)算公式為

其中，Tl（n-1）px為沖突區(qū)同側(cè)或?qū)?cè)第n -1 個(gè)行人的離開時(shí)刻，即機(jī)動(dòng)車允許的進(jìn)入時(shí)刻，Tanpx為沖突區(qū)同側(cè)或?qū)?cè)第n個(gè)行人進(jìn)入的時(shí)刻。

2.5.2 加（減）速控制模型

當(dāng)右轉(zhuǎn)機(jī)動(dòng)車進(jìn)入控制區(qū)域后，控制中心將計(jì)算出其最大、最小速度抵達(dá)停車線前的時(shí)刻，并在此時(shí)段選定合適的進(jìn)入時(shí)刻，從而求得機(jī)動(dòng)車的控制速度。

當(dāng)選定的進(jìn)入時(shí)刻小于機(jī)動(dòng)車的原進(jìn)入時(shí)刻時(shí)，啟動(dòng)加速控制模型，計(jì)算公式為

其中，Tlnpx為x區(qū)域第n個(gè)行人的離開時(shí)刻；Ti，min，Ti，max為機(jī)動(dòng)車最大、最小速度抵達(dá)停車線前的時(shí)刻（s）；Ti為第i輛機(jī)動(dòng)車以原速度到達(dá)停車線的時(shí)刻（s）；Tc為第i輛機(jī)動(dòng)車在控制區(qū)域內(nèi)的運(yùn)行時(shí)間（s）；Vc為機(jī)動(dòng)車的初始速度（m／s）；a為機(jī)動(dòng)車加速度（m／s2）；Tn1，2為右轉(zhuǎn)機(jī)動(dòng)車通過第一、第二沖突區(qū)所需的時(shí)間（s）；lq為第一沖突區(qū)入口至第二沖突區(qū)出口的機(jī)動(dòng)車軌跡距離（m）；lv為機(jī)動(dòng)車長度（m）；V1為機(jī)動(dòng)車進(jìn)入控制區(qū)域后的控制車速（m／s）；WE為人行橫道寬度（m）；Tp為交叉口的空閑時(shí)間（s）。

當(dāng)選定的進(jìn)入時(shí)刻大于機(jī)動(dòng)車的原進(jìn)入時(shí)刻時(shí)，啟動(dòng)減速控制模型。減速控制模型與加速控制模型相同。

2.5.3 停車控制模型

當(dāng)可通過的空閑時(shí)間大于機(jī)動(dòng)車以最小速度抵擋停車線的時(shí)刻，則啟動(dòng)停車控制模型，即當(dāng)機(jī)動(dòng)車進(jìn)入控制區(qū)域后，控制其以經(jīng)濟(jì)、綠色的減速度勻減速至路口停車，計(jì)算公式為：

3 模型仿真與驗(yàn)證

3.1 仿真平臺及參數(shù)

本文采用交通仿真軟件vissim5.2 進(jìn)行仿真模擬，仿真參數(shù)見表1。通過vissim 仿真獲取傳統(tǒng)駕駛模式下的機(jī)動(dòng)車及行人數(shù)據(jù)；將數(shù)據(jù)導(dǎo)入速度控制程序中，得到經(jīng)過控制后的機(jī)動(dòng)車運(yùn)行狀態(tài)以及行程時(shí)間等數(shù)據(jù)。

表1 仿真參數(shù)Tab.1 Simulation parameters

仿真中的行人流量選取400 人／h、800 人／h，單條右轉(zhuǎn)車道的機(jī)動(dòng)車流量選取300～700 pcu／h，仿真結(jié)果見表2、表3。其中，行人流量為與單個(gè)右轉(zhuǎn)道發(fā)生沖突的兩條人行橫道上的行人。

表2 400 人／h 流量下機(jī)動(dòng)車行程時(shí)間Tab.2 Motor vehicle travel time at 400 ped／h

表3 800 人／h 流量下機(jī)動(dòng)車行程時(shí)間Tab.3 Motor vehicle travel time at 800

3.2 仿真結(jié)果分析

3.2.1 行程時(shí)間分析

由表2、3 可知，當(dāng)行人流量不變時(shí)，機(jī)動(dòng)車流量越大，其行程時(shí)間也將增大。因?yàn)楫?dāng)右轉(zhuǎn)機(jī)動(dòng)車流量增大以后，二者在交叉口處發(fā)生沖突的可能性也將增大，從而導(dǎo)致右轉(zhuǎn)機(jī)動(dòng)車的延誤。

當(dāng)行人流量為400 pcu／h 時(shí)，由于行人對沖突區(qū)的占用時(shí)間較少，機(jī)動(dòng)車流量的增大對其自身幾乎沒有太大影響，仍能保持正常通行。當(dāng)行人流量為800 pcu／h，機(jī)動(dòng)車的行程時(shí)間與其流量幾乎成正比，直至右轉(zhuǎn)機(jī)動(dòng)車流量到達(dá)600 pcu／h 時(shí)，機(jī)動(dòng)車的行程時(shí)間達(dá)到峰值。此時(shí)應(yīng)對該交叉口采取右轉(zhuǎn)控制措施，如設(shè)置專用右轉(zhuǎn)相位或右轉(zhuǎn)速度控制策略。采用控制策略后，400、800 人／h 行人流量下300～700 pcu／h 機(jī)動(dòng)車的行程時(shí)間優(yōu)化量如圖4 所示，可見二者的流量越大，人車沖突越劇烈，其優(yōu)化效果越為明顯。

圖4 行程時(shí)間優(yōu)化量Fig.4 Travel time optimization

3.2.2 燃油消耗分析

本文采用VT-Micro 經(jīng)典油耗模型，該模型可通過車輛每秒的加速度、速度計(jì)算得到該秒的油耗，計(jì)算公式為

表4 回歸系數(shù)Tab.4 Regression coefficient

表4 回歸系數(shù)Tab.4 Regression coefficient

仿真時(shí)間內(nèi)所有車輛在控制區(qū)域內(nèi)所消耗的燃油量及車均燃油量如圖5 所示，結(jié)合表3 可得出，當(dāng)機(jī)動(dòng)車流量增大時(shí)，其與行人的沖突劇烈，右轉(zhuǎn)機(jī)動(dòng)車行程時(shí)間增加，出現(xiàn)排隊(duì)現(xiàn)象，啟停頻繁，車輛的燃油消耗也隨之增大。應(yīng)用本文提出的控制策略，車輛的總?cè)加拖姆謩e下降了26.6%、41.7%、41.2%、41.5%、43.1%，對大流量的右轉(zhuǎn)機(jī)動(dòng)車優(yōu)化明顯，平均下降了41.9%。

3.2.3 機(jī)動(dòng)車軌跡分析

800 pcu／h 行人流量、600 pcu／h 機(jī)動(dòng)車流量下優(yōu)化前后的車輛軌跡圖如圖6 和圖7 所示?？芍肄D(zhuǎn)機(jī)動(dòng)車的停車等待、排隊(duì)、緩行的現(xiàn)象尤為突出，甚至在路段中出現(xiàn)了二次停車。

圖6 車輛原始軌跡圖Fig.6 Original vehicle trajectory

圖7 優(yōu)化后車輛軌跡圖Fig.7 Optimized vehicle trajectory

圖7 中虛線線段表示沖突區(qū)的空閑時(shí)刻，實(shí)線線段表示沖突區(qū)內(nèi)存在行人。經(jīng)過優(yōu)化后，右轉(zhuǎn)機(jī)動(dòng)車的到達(dá)時(shí)刻均為沖突區(qū)的空閑時(shí)刻且存在足夠的時(shí)間通過沖突區(qū)，使交通資源得到了更加充分的利用。

4 結(jié)束語

本文通過綜合分析右轉(zhuǎn)機(jī)動(dòng)車與行人的交互，在優(yōu)先保障行人通行的情況下，提出了一種右轉(zhuǎn)機(jī)動(dòng)車速度控制策略，以求得右轉(zhuǎn)機(jī)動(dòng)車的通行效率最優(yōu)的行駛速度。通過vissim5.2 的仿真研究，對其結(jié)果進(jìn)行分析，得到了以下結(jié)論：

（1）本文提出的速度控制策略，右轉(zhuǎn)機(jī)動(dòng)車將更加高效地利用沖突區(qū)的空閑時(shí)間以通過交叉口，有效的減少了右轉(zhuǎn)機(jī)動(dòng)車在交叉口停車以及路段處緩行的現(xiàn)象，可更加合理地對交叉口交通資源進(jìn)行配置；

（2）本文提出的速度控制策略下，右轉(zhuǎn)機(jī)動(dòng)車運(yùn)行狀態(tài)更加平穩(wěn)，傳統(tǒng)駕駛模式下在臨近交叉口時(shí)可能發(fā)生的劇烈車速變化情況不再出現(xiàn)，交叉口及路段處的排隊(duì)情況大幅改善，同時(shí)降低了機(jī)動(dòng)車燃油消耗。

本文未考慮行人步行速度在時(shí)空上的變化。下一步將研究行人在人行橫道位置、綠燈剩余時(shí)間以及當(dāng)前禮讓行人交通環(huán)境對步行速度的影響。同時(shí)，非機(jī)動(dòng)車對右轉(zhuǎn)機(jī)動(dòng)車的影響也是未來研究的重點(diǎn)方向。