一种车联网环境下信号交叉口绿色驾驶车速诱导方法及仿真系统与流程

本发明涉及车联网环境下交通诱导技术领域，特别涉及车联网环境下信号交叉口车速诱导的建模与仿真。

背景技术：

近年来，随着我国机动车保有量的逐年上升，交通拥堵与车辆污染物排放问题日益凸显，而城市信号交叉口作为城市路网的“咽喉”，成为了这一问题的“重灾区”。在信号交叉口处，车辆由于受其控制信号的周期性干扰，经常在路口停车等候造成怠速行驶，导致交叉口通行效率下降及燃油消耗与污染物排放上升，并严重影响车辆运行过程中的安全性与舒适性。目前，越来越多的学者开始关注绿色驾驶，绿色驾驶对于降低燃油消耗、落实国家节能减排策略、提高环境质量、倡导公民低碳生活等方面具有长远的经济效益和社会效益，美国交通运输部的研究表明合理的路径规划与车速诱导可带来20％～40％的节油效果，因此，采用一定的方法对车速进行诱导，使其平滑地通过交叉口，避免突然加减速和怠速等驾驶行为，可以提高信号交叉口处的通行效率和起到节能减排效果。

在电子信息和无线通信技术的推动下，物联网技术得到快速发展。车联网是物联网最活跃的分支，旨在使车-车(V2V)、车-路(V2I)实时信息交互，实现交通系统的整体统筹与优化。车联网是由车辆位置、速度和路线等信息构成的巨大交互网络，通过GPS、RFID、传感器、摄像头图像处理等装置，车辆可以完成自身环境和状态信息的采集；通过互联网技术，所有的车辆可以将自身的各种信息传输汇聚到中央处理器；通过信息计算技术，这些大量车辆的信息可以被实时分析和处理，从而计算出每辆车的最佳行驶速度和最佳路线。

技术实现要素：

本发明的发明是车联网环境下信号交叉口绿色驾驶车速诱导方法及仿真系统。当车辆行驶至预先设定的车速诱导区域时，会将自身的位置、速度及加速度信息发送给中心控制单元，中心控制单元根据各交叉口进口道上发送请求的车辆数及排队长度，根据当前交叉口的信号灯信息计算出对每一辆车的绿色驾驶诱导速度，进行实时动态地诱导，从而使尽可能多的车辆以平滑速度不停车通过交叉口，提高信号交叉口处的通行效率并起到节能减排的效果。

本发明的技术方案是：构建车联网环境下信号交叉口绿色驾驶车速诱导数学模型，并借助于开源多智能体仿真工具NetLogo建立仿真系统。

1.构建车联网环境下信号交叉口绿色驾驶车速诱导数学模型的步骤如下：

(1)模型的建立基于以下假设条件：

1)每个信号交叉口配备一个中心控制单元(traffic control unit,TCU)，用于接收与处理路侧位置单元发送来的车辆运动状态与信号灯信息；各进口道变速控制区域配备一个路侧位置单元(location unit,LU)，用于汇总变速控制区域内全部车辆运动状态信息并发送至中心控制单元；每辆即将进入交叉口的车辆全部配备一个车载单元(vehicle unit,VU)，用于采集车辆运动状态信息，并接收中心控制单元发送的车速诱导信息。

2)个体车辆驶入控制区域之后进入自动驾驶模式，车载单元和路侧位置单元、中心控制单元可实时通信，通信延迟在可接受范围之内。

3)在控制区域内假设车辆不会主动超车或变换车道。

4)交叉口各进口道的车辆到达服从泊松分布

5)车辆行驶路面平坦，重力对车辆加速度的影响可忽略不计。

(2)交叉口进口道车速诱导控制区域的界定

本发明将交叉口进口道车速诱导控制区域分成两大部分，即变速控制区和匀速控制区，车辆从进入控制范围开始到交叉口进口道停车线前的区域为变速控制区，车辆通过交叉口进口道停车线直到驶离交叉口，这一区域称为匀速控制区。。

各交叉口进口道变速控制区的控制区域界定方法如下：设路段上车辆的最大速度和最小速度分别是v_max和v_min，车辆的加速度为a，a₁，a₂分别为最大加速度和最大减速度的绝对值。对于最短控制区域的确定，应该使车辆在任何速度下都有足够的时间进行速度调整；最长控制区域的确定是为了确保以任何速度驶入变速控制区的车辆能够在一个周期C内通过交叉口。变速控制区控制区域L的表达式如下：

(3)数学建模

假设车辆经诱导后不停车通过交叉口，其行驶过程分为两个阶段：①在变速控制区内将速度调整为绿色驾驶优化车速；②在匀速控制区内车辆以优化车速行驶并通过交叉口。系统优化的目标函数是使整个车队通过交叉口的时间最短，即：

式中：t_i为车辆在变速控制区的行驶时间，s；L_G为车辆通过交叉口内部需行驶的路段长度，m；v_i为诱导车速，即绿色驾驶优化车速，m/s。

将车辆在变速控制区速度调整的过程看成是一个匀变速运动，根据牛顿运动学定律，车辆在变速控制区行驶的时间为：

式中：v_i为i车的诱导车速，即绿色驾驶优化车速，m/s；v_i0为i车进入变速控制区的初始车速，m/s；a为车辆的加速度，m/s²；L_i为i车距停车线的距离，m。

上式可转化为一个关于v_i的一元二次方程，求解该方程即可得出诱导车速v_i。

若车辆经诱导后减速或者匀速行驶，则诱导车速为：

若车辆经诱导后加速行驶，则诱导车速为：

这里，需要注意的是车辆在变速控制区内并不一定全程做变速运动，当车速调整到绿色驾驶优化车速时，即可提前进入匀速运动的状态。

(4)模型迭代约束条件

在车辆持续随机到达情况下，模型迭代过程中的一些约束条件如下：

1)判断“头车”是否停车。若不停车，则不考虑启动损失时间，停车线后的“头车”通过时刻应大于或等于绿灯开始时刻：

T₁≥T_g

若“头车”停车，则考虑启动损失时间，停车线后的“头车”通过时刻应大于或等于绿灯开始时刻与启动损失时间之和：

T₁≥T_g+t_l

式中：T₁为“头车”通过停车线的时刻，s；T_g为绿灯启亮时刻，s；t_l为启动损失时间，s。

2)前后车通过时刻约束条件。后车通过停车线的时刻应大于等于前车通过停车线的时刻与最小车头时距之和：

T_i≥T_i-1+t_s

式中，t_s为最小车头时距，s。

3)绿灯结束时刻约束。车辆的通过时刻必须小于等于绿灯结束时刻：

T_i≤T_g+t_g

式中，t_g为交叉口该行为的绿灯时间，s。

4)诱导车速约束。模型的诱导车速必须介于路段最小车速和最大车速之间：

v_min≤v_i≤v_max

2.运用开源多智能体仿真工具Netlogo建立车联网仿真系统的步骤如下：

(1)车联网仿真系统的初始化

给仿真系统设定一个坐标原点，在此坐标原点的基础上绘制道路、交叉口及路侧建筑等，并给路段赋予一定标识和一定的自由流速度也就是最大速度以划分路段等级。

(2)车辆智能体的生成及初始化

在交叉口各进口道设定来车率p生成车辆智能体(Turtles)。通过产生一个服从[0,100]的均匀分布的随机数k，如果k＜100·p，则生成一个车辆智能体，否则不生成。每个车辆智能体生成后根据进口道、速度、转向等属性对其进行初始化设置。例如，将交叉口四个进口道按顺时针的顺序从北进口道开始依次标号1、2、3、4，同时定义一定的转向规则，直行为1，左转为2，右转为3，那么，数组[1，1]就可以表示车辆从北进口道进入交叉口，并且将直行通过交叉口；同样，数组[2，3]表示车辆从东进口道进入交叉口且将要在交叉口右转。在该仿真系统中每个进口道左转车、直行车、右转车的比例均设置为2：5：3。对车辆智能体在交叉口的转弯过程描述如下：

if车辆到达右转弯判定位置

if车辆属性为右转

赋值heading＝heading+90°

else

保持直行，赋值heading＝heading

if车辆到达左转弯判定位置

if车辆属性为左转

赋值heading＝heading-90°

else

保持直行，赋值heading＝heading

(3)交叉口信号相位的初始化

在该仿真系统中，将交叉口的信号相位设置成经典的两相位信号配时，信号周期总长为110秒，每个相位的绿灯时长为50秒，黄灯时长3秒，全红时长2秒。在仿真系统的人机交互界面上可以通过创建两个数据监视器来直观地观察交叉口当前所处的相位。

(4)仿真运行与信息的采集

按照(1)和(2)中设定好的内容运行仿真程序，信息的采集包括行程时间、油耗及污染物的排放、排队长度、停车次数等，本发明研究的主要是车辆通过交叉口的行程时间、燃油消耗和污染物排放的信息。

1)行程时间

在仿真系统中设置一个用来计时的时钟ticks，车辆在驶入变速控制区时把此时时钟的值赋值tⁱⁿ，作为车辆智能体开始进入控制区域的时间，同样在车辆离开匀速控制区域时，再将时钟值赋值t^out，作为车辆智能体离开控制区域的时间，那么车辆通过交叉口控制范围的行程时间为t＝t^out-tⁱⁿ。

2)油耗和排放

油耗和排放信息通过特定模型计算得到，本发明使用经典的VT-micro模型，该模型的输入是车辆的速度和加速度对，输出是每秒的机动车污染物排放及燃油消耗。模型表达式如下：

式中，M_y,n(k)为车辆n的污染物排放和燃油消耗量；为速度向量；为加速度向量；P_y为系数矩阵，根据橡树岭国家实验室的实验数据获得；y为CO、HC、NO_x排放和燃油消耗等因子；n为车辆序号。

根据可以得到整个交叉口的机动车污染物排放和燃油消耗量，即：

式中，为车辆进入控制区域的时刻；为车辆离开控制区域的时刻；i为车辆序号；N为控制区域内的最大车辆数。

本发明具有以下有益效果：

(1)本发明利用车联网环境下个体车辆可以与路侧设施及交叉口中心控制系统实时信息交互的特征，在车辆驶入交叉口控制区域之后根据当前交叉口信号灯的状态及该进口道的排队长度对车辆速度进行实时动态地诱导，使其提前加速或者减速到一个合理的速度值并在该方向绿灯时间内通过交叉口，从而避免了车辆在交叉口处急刹车或急加速的情况，节省了燃油消耗同时也减少了污染物的排放，对当前提倡的绿色驾驶具有十分重要的意义。

(2)本发明基于多智能体的车联网环境下信号交叉口绿色驾驶速度诱导仿真系统具有很好的拓展性，为研究车联网(信息条件)下交叉口处车辆速度的波动及其所产生的交通系统运行效果提供了一个可靠、高效的统一框架。在该框架下，可以通过调整仿真系统人机交互界面上的参数模拟不同仿真场景下的驾驶速度诱导问题。

附图说明

图1交叉口车速诱导流程图

图2交叉口车速诱导控制范围及控制系统架构示意图

图3交叉口车速诱导模型求解过程流程图

图4仿真系统人机交互界面

具体实施方案

下面结合附图和具体实施方案对本发明进行详细描述。

如图1所示，在车联网环境下，当车辆进入预先设定好的车速诱导区域时，车载单元自动向路侧位置单元实时发送自身的位置、速度、加速度、转向等信息，路侧位置单元接收车载单元发来的信息并将该进口道上所有车辆的信息打包发送给中心控制系统。中心控制系统接收每个进口道上的位置单元发送的这些信息，根据当前交叉口的信号相位信息(各方向上的剩余绿灯时长或红灯时长)结合当前进口道的排队长度计算出诱导速度，并控制个体车辆做出加速或减速的调整。

如图2所示，为交叉口车速诱导控制系统架构示意图，在交叉口车速诱导控制区域内设有中心控制单元，每个进口道附近都设有路侧位置单元，个体车辆上都安装有车载单元。椭圆形虚线框内的区域内即为设定的速度控制区，车辆在驶入速度控制区后切换为自动驾驶模式。

如图3所示，该交叉口车速诱导模型求解步骤如下：

(1)判断“头车”是否停车。若停车，则考虑启动损失时间；否则，则不考虑启动损失时间；

(2)根据相关约束条件，确定第i辆车绿灯通过时刻T_i；

(3)计算第i辆车的诱导车速v_i；

(4)i＝i+1，重复2)、3)步，直到绿灯时间结束。

通过图4所示人机交互界面进行仿真场景参数设置后，通过界面上设置的setup按钮进行仿真系统初始化，然后通过点击go按钮开始进行仿真试验，在仿真试验进行过程中可以通过数据监视窗、二维视图和绘图实时观察仿真运行情况，再次点击此按钮则仿真暂停。标号1所示为仿真场景界面，可以以不同的颜色对道路和路侧建筑作出区分；标号2所示为information开关按钮，它可以控制车联网环境和传统驾驶环境的切换；标号3所示为当前信号相位的报告器，当前信号相位开启时报告器显示为1，关闭时则显示为0；标号4所示为当前进口道停车线前所停车辆的计数；标号5所示即为每个进口道实时采集的油耗曲线。

以上详细描述了本发明的实施过程，但是本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，具体的细节是可以改变替换的，如可以通过调整仿真系统人机交互界面上的参数模拟不同仿真场景下的驾驶速度诱导问题。