一种用于十字路口的分布式交通控制机制的制作方法
【专利摘要】本发明是一种分布式十字路口交通控制机制，通过车辆之间的通信，提供一套基于互斥的算法协议来协调十字路口处的车辆通行问题。一方面解决了红绿灯控制这种静态控制机制的不灵活造成的通行效率低下的问题，另一方面避免了中心控制器的集中式架构设计的一些固有缺陷。可应用在现有红绿灯集中控制器故障时，或是在一些没有中心控制器等基础设施的十字路口中。将十字路口及附近一定区域称为协议感应区(临界区)，依照车辆所在车道间的冲突关系，车辆通过竞争的方式获取十字路口的通行权利。为提高通行效率，节省车道间的切换代价，将同一个车道上一定数量的小车作为一个组，享有同样通行优先级，以此来提高十字路口的利用率。
【专利说明】一种用于十字路口的分布式交通控制机制
【技术领域】
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[0001]本发明涉及车辆在通行十字路口的交通控制问题。更具体的说，实现一种不依赖基础设施，通过车辆间通信协调安全高效通行十字路口的方法。
技术背景:
[0002]目前十字路口的交通和车流控制主要是红绿灯控制，这种静态的车流控制方案简单有效，但不能够灵活的根据路况的反馈做出决策，使得在不同车道的车流不均衡情况下，车辆在十字路口的通行效率低下问题尤为凸显，而在现实生活中，城市布局造成的群体行为使得车流不均衡是常有发生的。在现有的研究中，为解决该问题，通过一个中心控制器，来收集当前的车流信息，并通过反馈得到的车流信息做出相应的决策。这种具有中心控制器的集中式算法通过全局信息的收集快照使得在得到一个当前最优的解决方案上有一定的优势，但是却存在一些问题:(1)中心控制节点的部署价格昂贵且在部分地区或路口的部署是不具有可行性的；(2)中心节点的架构设计不灵活，不能够适应所有的路口通行规则；(3)中心节点的架构设计不具有容错性，具有单节点失效的危险。
[0003]综上，现有的解决方案，不管是安全上，效率上或者是经济实施上所存在的问题都是亟待重视的。随着智能车的发展，车辆的通信能力和计算能力也随之被挖掘利用，本发明提出的分布式的十字路口交通控制机制将能够更好的解决这些问题。
【发明内容】
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[0004]本发明要解决的技术问题是:在现有红绿灯或者集中控制器故障时，或是在一些没有中心控制器或者红绿灯等基础设施的十字路口中，车辆之间该如何不依赖基础设施即可在保证安全的前提下高效的通行十字路口的问题。
[0005]本发明通过智能车辆之间的通信，提供一套基于互斥的算法协议来协调十字路口处的车辆通行问题。将十字路口及附近一定区域称为协议感应区(临界区)，依照车辆所在车道间的冲突关系，其通过竞争的方式获取十字路口的通行权利。考虑同车道上的车一次性通行可以节省车道间的切换代价，为了提高通行效率，将同一个车道上一定数量的小车作为一个组，享有同样优先级的通行权，以此来提高十字路口的利用率。
[0006]上述分布式十字路口的机制建立主要包括以下步骤:
[0007]步骤1:为各个车道依照其通行十字路口是否干扰建立车道间的冲突关系，在此基础上，来自不同车道的车辆在执行十字路口的协议时，依照车道冲突关系建立车辆之间的冲突关系。车辆在没有进入十字路口缓冲区之前的初始状态为IDLE;
[0008]步骤2:车辆进入十字路口缓冲区，广播REQUEST消息并修改自身状态为WAITING，若在时限tmt内没有收到REJECT，则进入步骤5，否则将收到的REJECT的消息源加入到自身的高队列变量HL中；
[0009]步骤3:收到REQUEST消息的车辆，通过自身的状态以及收集到的REQUEST携带的信息做出相应决策:⑴没有动作；⑵发送REJECT消息，并将REQUEST消息的发送方放到自身的低队列变量LL中；(3)将REQUEST消息的发送方放到自身的高队列变量HL中；
[0010]步骤4:收到FOLLOW消息的车辆，如果是和FOLLOW消息发送方同属于一个车道则执行步骤4，否则如果该车存在于自身的HL或者LL变量中，则在自身高队列变量HL或者低队列变量LL中删除该车信息，并将FOLLOW携带的队列fit中最后一辆车加入到当前的高队列变量HL中；
[0011]步骤5:修改自身状态为PASSING，开始通行十字路口并发送FOLLOW消息给低队列中的同车道车辆，并在十字路口通行结束离开临界区时，修改自身状态为IDLE，同时广播PERMIT 消息。
[0012]本发明所提供的这种用于十字路口的分布式交通控制机制，一方面解决了红绿灯控制这种静态控制机制的不灵活造成的通行效率低下的问题，另一方面避免了中心控制器的集中式架构设计的一些固有缺陷。依赖小车的现有装置，通过加载安装新的软件执行该通信协议即可。具有实施性高，且保障了安全性和十字路口的通行效率。
【专利附图】
【附图说明】
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[0013]说明书附图1为车辆的状态转换图。
[0014]说明书附图2为十字路口处车辆间的通信协议图。
[0015]说明书附图3为收到REQUEST消息的流程图。
[0016]说明书附图4为收到REJECT消息的流程图。
【具体实施方式】
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[0017]以下结合附图，将对本发明的实施做较为详细的说明。
[0018]本发明所述的分布式交通控制机制，在系统初始化时候，依照该车道上车辆能否通行十字路口建立车道间的冲突关系，譬如南北车道和东西车道冲突，北南车道和南西方向车道冲突。该控制机制中的通信协议对所有进入十字路口感应区的车辆有效，通过该协议，车辆之间自主协调，安全高效的通行十字路口。
[0019]参见图1，所示为车辆在该协议中的状态转换图，其在整个交通控制的系统初始化时候为IDLE状态。在进入十字路口感应区后和感应区的其他车辆竞争十字路口的通行权力，切换自身状态为WAITING状态。等待竞争成功，则转换成PASSING状态并通行十字路口。在通行完十字路口离开十字路口感应区，车辆的状态又恢复到IDLE状态，按照这样的规律，在下一个十字路口重复上述状态转换。
[0020]参见图2，所示为在整个十字路口的交通控制中的通信协议。其中V2和VO代表来着冲突车道的车，VO和V0’为来自同一个车道上的车。能够收发到这些消息的车均为到达十字路口感应区且没有离开的车，当车刚到达的时候，广播REQUEST请求给所有十字路口感应区内的车，不同的车将作出不同的反应，此部分将在图3中详细介绍。但只有冲突车道上的车有可能针对该REQUEST请求发送REJECT消息来阻塞V2。所有在十字路口感应区的车在接收到该REJECT消息也将作出不同的反应，此部分在图4中详细介绍。在某车中高队列变量HL为空的时候，则满足状态WAITING转PASSING条件，此时将发送FOLLOW消息给自己同车道的车，借此来提升同车道的车的优先级，使之免去资源竞争的步骤，跟随该车进入PASSING状态，来提高整个系统的通行效率。而在系统中的并发度和公平性是相互制约的，在提升系统的并发度和通行效率的情况下，为避免其他车道因无限次抢占而造成的饿死现象，在系统的每个车上限定了一个计数器来计数自身被抢占次数，当达到一定次数后，就不再允许被抢占。在车通行完十字路口离开感应区域，切换状态恢复到IDLE的同时广播PERMIT消息，所有接收到PERMIT消息的车辆将从自身的高队列变量HL或低队列变量LL中删除该车。并检查自身是否满足转为PASSING状态的条件。
[0021]参见图3，在十字路口感应区的车辆有两种状态WAITING或PASSING，当收到来自J的REQUEST消息时，在分支I中先进行判断，分支I判断是否与J为同一个车道或冲突车道，若不是则不做动作进入结束状态，否则进入分支2。
[0022]在分支2中，主要用于解决不同车道间在可以多车道通行的情况下，由于优先级的顺序等待导致的车道间的并发度不高的问题。分支2检查自身的高队列是否存在和J属于并发不冲突的车辆，如果存在，且自身被阻塞计数器没有达到阈值，则可以提升J的优先级也在高队列HL中，执行动作“添加J到当前高队列HL，被抢占次数自增I”。否则，执行动作“添加J到当前低队列LL，广播给J的REJECT消息”。这部分动作使得车道间并发度有了很大的提高，且可通过调控抢占次数来防止饿死。
[0023]参见图4，当十字路口感应区的车辆收到J发送给K的REJECT消息时候，只有WAITING状态的车会对REJECT消息有动作，进入分支1，判断是否是被阻塞的车K，条件成立，则执行动作“将J添加到高队列变量H L中”并进入分支2，条件不成立则直接跳转到分支2。
[0024]分支2往后的动作可以避免抢占不一致造成的死锁。分支2判断是否K是由于抢占而被放置在高队列变量中的，在该情况下满足(I)若自身和J冲突且J不在高队列变量HL中，或者⑵自身和J属于并发关系，则执行动作“将K从高队列变量HL中删除，并广播REJECT (J，K)”。
[0025]整个分布式十字路口控制机制在按照上述协议执行，可以达到安全且高效通行的效果。但在具体实施中应能够认识到，上述过程仅是用来说明本发明，而并非用作对本发明的限定，譬如，本发明的上述过程中叙述所有完成十字路口通行后将状态PASSING转IDLE的车都会发送PERMIT消息，通过小小的转换，将同一个车道一次性通行的多辆小车当做一个整体，统一将PERMIT的发送任务交给其中一个，譬如最后一个，来进行执行。因此，只要在本发明的使之精神范围内，对以上过程的变化，变型都将落在本发明的权利要求书范围内。
【权利要求】
1.一种分布式的十字路口的控制机制，其特征在于: A.没有中心控制器等基础设施的情况下，车辆之间通过无线通信按照一定的协议自身协调通行十字路口； B.使用的通信协议算法是一种基于分布式互斥问题的算法，将通行十字路口作为执行临界区状态，按照车道间的不同关系建立不同车道中车辆之间的冲突关系。
2.如权利要求1中的分布式的十字路口的控制机制，这种基于分布式互斥问题的通信协议算法包括以下步骤: B1.为各个车道依照其通行十字路口是否干扰建立车道间的冲突关系，建立了车道间的冲突关系之后，车辆间的冲突关系取决于各自所在的车道； B2.对于刚到达十字路口的车辆状态修改为WAITING，并将携带有车道信息以及优先级的请求广播到该区域，等待回复，若在某时间阈值中没有收到回复则直接通行十字路口，修改自身状态为PASSING，否则执行B4 ； B3.保持车辆状态为WAITING或PASSING，可能收到的消息有REQUEST，REJECT,PERMIT,FOLLOW ； B4.修改自身状态为PASSING，开始通行十字路口并通知感应区同车道的其他车辆跟随通行，并在十字路口通行结束离开临界区时，修改自身状态为IDLE，广播PERMIT消息。
3.如权利要求2中的分布式的十字路口的通信协议，在处于WAITING或者PASSING时候，若收到REQUEST消息，若冲突，判断是否存在其他车道能够提升该车优先级的车，若不存在则发送REJECT，阻塞该车通行。
4.如权利要求2中的分布式的十字路口的通信协议，在处于WAITING时候，若收到J发送给K的REJECT消息，若是对自身的阻塞，则等待该车的PERMIT消息释放阻塞，否则判断是否存在被提升优先级的车辆存在于高队列变量中，若存在且满足条件(I)和车辆i冲突且J不在高队列列表，或条件(2)和J属于不冲突的并发关系，则将K从高队列删除，并广播对K的REJECT消息。
【文档编号】G08G1/09GK104269074SQ201410470017
【公开日】2015年1月7日 申请日期:2014年9月4日 优先权日:2014年9月4日
【发明者】吴维刚, 罗傲雪 申请人:中山大学