基于車(chē)聯(lián)網(wǎng)的道路交叉口車(chē)輛通行效率研究

吳 雷

（深圳市萬(wàn)集科技有限公司,廣東 深圳 518000）

0 引言

隨著國(guó)內(nèi)汽車(chē)保有量的持續(xù)增加，在城市規(guī)劃過(guò)程中的城市道路隨著車(chē)輛通行需求的增加，排隊(duì)以及擁堵的情況越發(fā)明顯。而城市道路往往受制于通行需求、道路規(guī)劃等客觀原因，不能及時(shí)進(jìn)行道路改擴(kuò)建。在解決城市道路交通擁堵，提高出行效率等方面，往往以道路交叉口的管理優(yōu)化為主，比如道路交叉口的信號(hào)燈優(yōu)化[1]，打造城市智能交通綠波帶[2]，基于時(shí)間循環(huán)技術(shù)識(shí)別車(chē)隊(duì)頭車(chē)[3]。

李鵬凱等[4]通過(guò)基于實(shí)時(shí)信號(hào)狀態(tài)、排隊(duì)長(zhǎng)度、車(chē)輛位置、加速度等參數(shù)，以交叉口車(chē)輛停車(chē)時(shí)間最小化為目標(biāo)，提出面向個(gè)體車(chē)輛的車(chē)速引導(dǎo)機(jī)制與模型。

He X等[5]考慮了干線上的車(chē)輛排隊(duì)和交通信號(hào)狀態(tài)，提出1 個(gè)多階段的控制模型以獲得最優(yōu)的車(chē)輛軌跡。

隨著智能網(wǎng)聯(lián)及自動(dòng)駕駛技術(shù)的不斷發(fā)展，車(chē)聯(lián)網(wǎng)技術(shù)越來(lái)越多地引入到智能交通系統(tǒng)中來(lái)[6]，在道路改造受限的條件下，通過(guò)車(chē)聯(lián)網(wǎng)車(chē)輛的行車(chē)路線同步、道路交通狀況感知同步、車(chē)輛行駛軌跡的預(yù)測(cè)等，成為改善道路交通安全、緩解交通擁堵的重要手段。

研究基于車(chē)聯(lián)網(wǎng)的合流區(qū)車(chē)輛通行效率是通過(guò)車(chē)聯(lián)網(wǎng)技術(shù)解決交通通行問(wèn)題的關(guān)鍵，車(chē)聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在交通領(lǐng)域的應(yīng)用研究也得到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。如引導(dǎo)距離的長(zhǎng)度、智能車(chē)的比例、交叉口的數(shù)目以及信號(hào)燈控制方式對(duì)車(chē)輛引導(dǎo)方案實(shí)施應(yīng)用效果的影響[7-10]。

通過(guò)上述車(chē)聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的研究可以看出，在交通參與者中具備車(chē)聯(lián)網(wǎng)功能的車(chē)輛、普通車(chē)輛、各類(lèi)交通參與者、道路狀況等都會(huì)對(duì)交通運(yùn)行狀態(tài)產(chǎn)生影響。

該文基于車(chē)聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)條件，針對(duì)道路具備車(chē)聯(lián)網(wǎng)功能的車(chē)輛和普通車(chē)輛混合通行的復(fù)雜情形，研究基于車(chē)聯(lián)網(wǎng)的車(chē)輛通行效率提升的方法。

考慮道路交叉口合流區(qū)的車(chē)輛行駛路線、行駛道路規(guī)則、道路交叉口布局、車(chē)頭時(shí)距等因素。提出在車(chē)聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下，結(jié)合車(chē)聯(lián)網(wǎng)車(chē)輛V2V 協(xié)作通行引導(dǎo)，為道路交叉口合流區(qū)的車(chē)輛高效通行提供服務(wù)，得到了具備車(chē)聯(lián)網(wǎng)功能的車(chē)輛占比與車(chē)輛通行效率之間的相關(guān)性。

1 問(wèn)題描述

1.1 道路路口環(huán)境描述

在車(chē)聯(lián)網(wǎng)車(chē)輛與普通車(chē)輛混合通行的環(huán)境下，具備車(chē)聯(lián)網(wǎng)功能的車(chē)輛之間能夠通過(guò)V2V 的方式實(shí)現(xiàn)車(chē)輛的行使?fàn)顟B(tài)、周邊環(huán)境狀態(tài)、車(chē)輛行駛意圖等信息的交互，并通過(guò)各自當(dāng)前的狀態(tài)進(jìn)行信息的協(xié)同，從而實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的通行方案調(diào)度。

基于分析的是各方向來(lái)車(chē)，均有左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、直行通行需求的復(fù)雜道路交叉口。在復(fù)雜道路交叉口針對(duì)道路智能網(wǎng)聯(lián)車(chē)輛和普通車(chē)輛混合通行的復(fù)雜情形展開(kāi)研究，如圖1 所示。

1.2 車(chē)輛駕駛的行為分析

在道路交叉口合流區(qū)的路段，車(chē)輛的車(chē)行矛盾主要來(lái)源于不同方向的來(lái)車(chē)，行駛方向不一致，特別是在交通合流與道路交叉口近距離銜接的左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)車(chē)輛與直行車(chē)輛的行駛方向沖突上，是造成交通通行效率降低的主要因素。由于交通通行效率降低而造成的搶行、橫插、車(chē)流溢出等交通事件以及交通事故隱患進(jìn)一步增加。

在車(chē)流量較大的道路交叉口，典型的行駛方向沖突場(chǎng)景中的車(chē)輛通行分為如下3 類(lèi)：

（1）右側(cè)車(chē)道匯入車(chē)輛的左轉(zhuǎn)。

（2）左側(cè)車(chē)道匯入車(chē)輛的右轉(zhuǎn)。

（3）直行車(chē)道的左轉(zhuǎn)或右轉(zhuǎn)。

1.3 研究方法

在道路交叉口行車(chē)暢通的情況下，各交通參與者能夠通過(guò)實(shí)際路況以及行車(chē)間距，實(shí)現(xiàn)自由通行優(yōu)先級(jí)調(diào)配，從而呈現(xiàn)出自發(fā)地有序通行。

在機(jī)動(dòng)車(chē)流量較大的復(fù)雜道路交叉口，車(chē)輛搶行現(xiàn)象突出，通過(guò)自由通行調(diào)配已很難滿(mǎn)足行駛方向沖突場(chǎng)景中交通參與者的通行需求。

通過(guò)具備車(chē)聯(lián)網(wǎng)功能的車(chē)輛感知到的道路信息的共享，使道路交叉口車(chē)流擁有一定的道路環(huán)境感知能力，以具備車(chē)聯(lián)網(wǎng)功能的車(chē)輛信息協(xié)同為引導(dǎo)，有效地彌補(bǔ)車(chē)輛的感知盲區(qū)，實(shí)現(xiàn)道路交叉口合流區(qū)范圍內(nèi)的車(chē)輛協(xié)同調(diào)度，減少因車(chē)輛行駛方向沖突場(chǎng)景下的車(chē)輛降速通行的情況，可以有效地提高在復(fù)雜道路交叉口車(chē)輛通行效率。

2 道路交通模型

2.1 車(chē)道與車(chē)輛直行率

由于4 個(gè)駛?cè)胲?chē)道上的車(chē)輛行駛需求分布與車(chē)輛直行率有直接相關(guān)性，以駛?cè)肼房诘能?chē)輛行駛目的隨機(jī)，以100 輛車(chē)最終行駛方向?yàn)閰?shù)，以駛出路口的車(chē)輛在各車(chē)道均勻分布為條件，可以建立如表1 所示的車(chē)道及車(chē)輛行駛方向模型。

表1 車(chē)道及車(chē)輛行駛方向模型

2.2 車(chē)道與車(chē)道影響率

4 個(gè)駛?cè)胲?chē)道上的車(chē)輛行駛需求與車(chē)輛行駛跨車(chē)道車(chē)輛數(shù)有直接相關(guān)性，以駛?cè)肼房诘能?chē)輛行駛方向模型為依據(jù)，以車(chē)輛跨車(chē)道車(chē)輛數(shù)為參數(shù)，以駛出路口的車(chē)輛在各車(chē)道均勻分布為條件，可以建立如表2 所示的車(chē)道及車(chē)輛跨車(chē)道車(chē)輛數(shù)模型。

表2 車(chē)道及車(chē)輛跨車(chē)道車(chē)輛數(shù)模型

2.3 車(chē)輛與變道協(xié)同率

在復(fù)雜道路交叉口，由于各車(chē)道上車(chē)輛之間的行駛意圖無(wú)法實(shí)現(xiàn)信息同步，導(dǎo)致各車(chē)道上的車(chē)輛變道處于無(wú)序狀態(tài)。當(dāng)車(chē)道中有部分車(chē)輛具備車(chē)聯(lián)網(wǎng)功能的時(shí)候，通過(guò)V2V 通信，可以在具備車(chē)聯(lián)網(wǎng)功能的車(chē)輛之間同步行駛意圖信息，以及相關(guān)車(chē)道的行車(chē)環(huán)境信息。當(dāng)多車(chē)道的車(chē)聯(lián)網(wǎng)車(chē)輛都有變道需求的時(shí)候，車(chē)聯(lián)網(wǎng)車(chē)輛之間通過(guò)V2V 通信協(xié)同，可實(shí)現(xiàn)同步變道，以此降低車(chē)輛跨車(chē)道時(shí)的車(chē)道影響率。

在此條件下，車(chē)輛變道協(xié)同率與車(chē)道中具備車(chē)聯(lián)網(wǎng)功能的車(chē)輛數(shù)呈現(xiàn)出直接相關(guān)性。可構(gòu)建如圖2 所示的車(chē)道影響率和變道協(xié)同率關(guān)系曲線。

圖2 車(chē)道影響率與變道協(xié)同率

2.4 系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置

各車(chē)道車(chē)輛行駛方向按表1 所示模型展開(kāi)，道路交叉口合流區(qū)的車(chē)輛通行效率通過(guò)各車(chē)道的車(chē)輛通行速度來(lái)進(jìn)行表征。根據(jù)道路交通模型各參數(shù)，可構(gòu)建單車(chē)道的車(chē)輛通行速度公式，V(n)可表示為：

式中，V0—— 車(chē)道車(chē)輛通行速度；n—— 車(chē)道號(hào)；m——車(chē)聯(lián)網(wǎng)車(chē)輛占比；Z(n)——各車(chē)道車(chē)輛直行率；Y(n)——各車(chē)道影響率；X(m)——變道協(xié)同率；G(μ)——車(chē)頭時(shí)距影響因子。當(dāng)μ＜3 s 時(shí)，G(μ)取值為1；當(dāng)μ＞10 s 時(shí)，G(μ)取值為2；其他情況下，G(μ)取值為。

3 驗(yàn)證與分析

3.1 車(chē)聯(lián)網(wǎng)條件下的通行效率

根據(jù)道路交通模型，取車(chē)聯(lián)網(wǎng)條件下的道路交叉口各車(chē)道駛?cè)胲?chē)輛的行駛方向均勻分布，且各車(chē)道車(chē)輛之間按車(chē)聯(lián)網(wǎng)占比與變道協(xié)同率進(jìn)行調(diào)配。

以車(chē)輛通行速度80 km/h 為條件，根據(jù)公式（1），在車(chē)頭時(shí)距分別為2.5 s、6.5 s、10 s 的情況下，各車(chē)道的車(chē)輛通行速度分別如圖3 所示。

圖3 車(chē)聯(lián)網(wǎng)條件下各車(chē)道通行速度

3.2 車(chē)聯(lián)網(wǎng)條件下車(chē)輛通行速度分析

從各車(chē)道通行速度曲線上可以看出，在不同車(chē)道上，由于受到車(chē)輛直行率、車(chē)道影響率、變道協(xié)同率以及車(chē)頭時(shí)距等因素的影響，各車(chē)道在車(chē)聯(lián)網(wǎng)占比不同時(shí)通行速度也各不相同。以各車(chē)道車(chē)輛通行速度的平均值作為斷面通行速度。可以得到在不同車(chē)頭時(shí)距條件下，車(chē)聯(lián)網(wǎng)車(chē)輛數(shù)占比與斷面整體通行速度增長(zhǎng)率之間的關(guān)系，如圖4 所示。

圖4 車(chē)聯(lián)網(wǎng)占比與斷面通行速度增長(zhǎng)率

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)分析在車(chē)聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下，考慮道路交叉口合流區(qū)的車(chē)輛行駛路線、行駛道路規(guī)則、道路交叉口布局、車(chē)頭時(shí)距等因素，結(jié)合車(chē)聯(lián)網(wǎng)車(chē)輛V2V 協(xié)作通行引導(dǎo)，通過(guò)分析對(duì)合流區(qū)車(chē)輛通行效率產(chǎn)生影響的主要因素，得到了具備車(chē)聯(lián)網(wǎng)功能的車(chē)輛占比與車(chē)輛通行效率之間的相關(guān)性結(jié)論如下：

（1）在道路交叉口的各車(chē)道中，在車(chē)聯(lián)網(wǎng)車(chē)輛占比相同的情況下，各車(chē)道車(chē)輛的直行率是影響車(chē)輛通行效率的主要因素。

（2）道路中的車(chē)聯(lián)網(wǎng)車(chē)輛占比低于40%時(shí)，車(chē)聯(lián)網(wǎng)車(chē)輛對(duì)斷面整體通行效率的影響區(qū)分度較小，且呈一定的線性相關(guān)性。

（3）道路中的車(chē)流量密度較小時(shí)，車(chē)聯(lián)網(wǎng)車(chē)輛占比對(duì)斷面整體通行效率的提升呈一定的線性關(guān)系。

（4）道路中的車(chē)聯(lián)網(wǎng)車(chē)輛占比高于50%時(shí)，斷面的整體通行效率的提升效果在40%以上。