一种基于T字型交叉口车辆控制系统的通行效率控制方法

本发明涉及交叉口控制系统，具体涉及一种基于t字型交叉口车辆控制系统的通行效率控制方法。

背景技术：

作为城市道路网络的节点，无信号交叉口的通行状态对整个路网的通行效率产生了至关重要的影响，良好的控制策略可以保证交通节点的通行效果，从而提升道路网的运行效率。随着车联网技术的发展，各国学者普遍认为智能网联车辆(connectedandautonomousvehicle,cav)能够从微观层面提升交通通行质量，提升交通通行效率。但是在完全智能网联环境实现之前，在未来很长一段时间内，道路上智能网联车辆和传统车辆混合行驶将成为常态。

目前国内外对于智能网联车辆与传统车辆混合行驶的异质交通流的研究主要分为两类，一类是针对路段上异质交通流环境下的安全性及道路通行能力的研究，通过仿真得到的普遍结论是随着道路上智能网联车辆渗透率的增加，行车安全及道路通行能力得到提升；另一类是针对交通节点的通行效率的研究，无信号控制交叉口通常采取可接受间隙理论进行控制，但是在主路交通量很大时可能会导致交叉口另一个方向的车辆无法通行，从而导致行车延误无限增大。所以，为达到交叉口区域的全局控制，从而提升通行效率，这一类研究大多设定在完全智能网联的环境下对交通节点进行控制。

目前国内外尚无对于异质交通流环境下无信号t字型交叉口控制系统的研究，为此，设计了一种可以提高异质交通流环境下无信号控制t字型交叉口车辆通行效率的控制系统。该系统能显著提升异质交通流环境下无信号t字型交叉口的通行能力，并大幅度减少行车延误，提高车辆在交叉口的通行效率。具有现实意义和良好的应用前景。

技术实现要素：

为提升异质交通流环境下无信号控制t字型交叉口的通行效率，现设计一种可以提高异质交通流环境下无信号控制t字型交叉口车辆通行效率的控制系统，提升交叉口的通行能力，减少行车延误，从而提升道路网络的通行效率，使车辆出行更加通畅。

为实现本发明目的所采用的的技术方案是一种基于t字型交叉口车辆控制系统的通行效率控制方法，其特征在于，

所述t字型交叉口车辆控制系统包括:多个车辆采集模块、后台控制中心；所述后台控制中心与所述的多个车辆采集模块通过无线方式依次连接；

所述车辆采集模块由rfid模块、定位模块、速度传感器、激光测距模块、微处理器、底盘域控制器、中控显示屏、无线通信模块构成；

所述微处理器分别与所述的rfid模块、定位模块、速度传感器、激光测距模块、底盘域控制器、中控显示屏、无线通信模块通过有线方式依次连接；所述无线通信模块与所述后台控制中心通过无线方式连接；

所述底盘域控制器安装在智能网联车辆上，用于控制智能网联车辆的加减速；

所述中控显示屏显示屏安装在传统车辆上，用于向传统车辆的驾驶员传达加减速信息；

所述车辆采集模块放置于车辆上；

所述rfid模块用于识别车辆属性并传输至所述微处理器；

所述定位模块用于采集车辆位置并传输至所述微处理器；

所述速度传感器用于采集车辆速度并传输至所述微处理器；

所述激光测距模块用于采集前车间距并传输至所述微处理器；

所述底盘域控制器安装在智能网联车上，用于控制智能网联车辆的加减速；

所述微处理器将车辆属性、车辆位置、车辆速度、前车距离通过所述无线通信模块无线传输至所述后台控制中心；

所述通行效率控制方法方法，包括以下步骤：

步骤1：后台控制中心通过多个车辆的车辆位置、多个车辆的车辆速度、多个车辆的前车间距构建车辆信息矩阵，进一步构建主支路车辆信息矩阵以及支路车辆信息矩阵；

步骤2：后台控制中心通过步骤1整合的车辆信息矩阵建立线性规划模型；

步骤3：后台控制中心在主路和支路两个方向的预计到达时间不满足步骤2所述的约束条件时,进一步分析车辆的预计到达冲突区的时间并生成调速方案；

步骤4：后台控制中心通过无线通信模块将调速方案传输至处于交叉口控制区的每一辆车，智能网联车辆接收调速方案后由所述底盘域控制器控制车辆加减速，传统车辆在接收调速方案后将方案显示在中控显示屏上，由驾驶人完成车辆加减速。

作为优选，步骤1所述车辆信息矩阵为：

其中：所述车辆信息用矩阵第一行为车辆按当前车速行驶至冲突区域的预计达到时间，t1i表示第i辆车的预计到达冲突区域的时间，s，且

所述车辆信息用矩阵第二行为车辆的属性，a2i的取值为0或1，如果a2i＝0，该车的属性为传统车辆，若a2i＝1，该车的属性为智能网联车辆；所述车辆信息用矩阵第三行为车辆i的位置信息，x3i表示车辆i前述采集的车辆距离冲突点的位置；所述车辆信息用矩阵第四行为车辆i与前车的间距信息，d4i表示车辆i的前车间距；所述车辆信息用矩阵第五行为车辆i的车辆速度，v5i表示车辆i的车辆速度；n表示处于主路该区域的车辆数；

所述支路车辆信息矩阵如下：

其中：所述车辆信息用矩阵第一行为车辆按当前车速行驶至冲突区域的预计达到时间，t'1j表示第j辆车的预计到达冲突区域的时间，s，且

所述车辆信息用矩阵第二行为车辆的属性，a'2j的取值为0或1，如果a'2j＝0，该车的属性为传统车辆，若a'2j＝1，该车的属性为智能网联车辆；所述车辆信息用矩阵第三行为车辆j的位置信息，x'3j表示车辆j前述采集的车辆距离冲突点的位置，m；所述车辆信息用矩阵第四行为车辆j与前车的间距信息，d'4j表示车辆j的前车间距，m。所述车辆信息用矩阵第五行为车辆j的车辆速度，v'5j表示车辆j的车辆速度，m/s。m表示支路方向上交叉口控制区域内的车辆数目；

作为优选，步骤2所述线性规划模型包括：目标函数、约束条件、可加速条件；

所述目标函数具体如下：

使主路和支路两个方向的车辆以最短时间到达冲突区域，所以可以建立目标函数：

所述约束条件具体如下：

对于同一方向的车辆而言，为了保证同向行驶的车辆不会发生追尾，前车到达冲突区域的预计时间应大于跟随车到达冲突区域的预计时间，即：

a1,i≥a1,i+1+δ,1≤i≤n

b1,j≥b1,j+1+δ,1≤j≤m

其中：δ表示时间阈值，取1s。

对于不同方向的车辆而言，为了使得主路和支路两个方向的车辆之间不会产生冲突，主路和支路两个方向的车辆到达冲突区域的预计时间应存在时间差，即：

|a1,i-b1,j|≥ε,1≤i≤n,1≤j≤m

其中：ε表示主路和支路两个方向车辆到达冲突区的时间阈值，取2s。

所述可加速条件由基于制动的安全距离模型、gipps安全距离模型构成；

处于交叉口控制区域的智能网联车辆进行调速时需要确认本车与前车的间距是否大于安全距离，如果本车与前车的间距大于安全距离，则认为本车前方存在可加速条件，此时本车按gipps安全距离模型进行车辆跟驰

所述基于制动的安全距离模型具体如下：

其中：gsafe表示本车与前车运行时所需的安全间距；xn+1表示前车的位置、xn表示本车的位置；l表示车辆的长度，取5.5m；dmin表示车辆完全停止时的车辆间距，取2m；vn+1表示前车的速度、vn表示本车的速度；bn表示车辆能够达到的最大减速度，τ表示驾驶员的反应时间。

所述gipps安全距离模型具体如下：

g＝xn+1-xn-l-dmin

作为优选，步骤3所述主路和支路两个方向的预计到达时间不满足步骤2所述的约束条件，具体为：

|a1,i-b1,j|＜ε,1≤i≤n,1≤j≤m

步骤3所述进一步分析车辆的预计到达冲突区的时间并生成调速方案为：

若主路车辆的预计到达冲突区的时间小于支路车辆的预计到达冲突区的时间，即步骤1所述t1i＜t'1j：

如果主路和支路两个方向上的车辆均为传统车辆，即步骤1所述a2i＝0,a'2j＝0。由于主路车辆先到达冲突区域，支路车辆后到达冲突区域，为了使车辆能安全通过冲突区域，主路方向车辆保持匀速行驶，而支路方向车辆采取制动措施。

如果主路和支路两个方向的车辆中其中一辆为智能网联车辆，即步骤1所述a2i＝1,a'2j＝0或a2i＝0,a'2j＝1。当主路方向的车辆为智能网联车辆，对该车进行速度调整，如果该车前方存在可加速条件，则该车采取加速措施，否则，该车采取减速措施，而支路的传统车辆保持当前速度行驶；当支路方向车辆为智能网联车辆时，支路车辆采取减速措施，主路方向的智能网联车辆保持匀速行驶。

如果主路和支路两个方向的车辆均为智能网联车辆，即步骤1所述a2i＝1,a'2j＝1。判断主路车辆前方是否存在可加速条件，若存在步骤2所述可加速条件，则主路方向的车辆加速行驶，支路方向的车辆保持匀速行驶；若不存在，则主路方向的车辆保持当前状态行驶，支路方向的车辆减速行驶。

若主路车辆的预计到达冲突区域的时间等于支路车辆的预计到达冲突区域的时间，即步骤1所述t1i＝t'1j：

如果主路与支路方向的车辆均为传统车辆，即步骤1所述a2i＝0,a'2j＝0。由于主路车辆在无信号控制交叉口具有优先通行权，所以，主路方向的车辆保持匀速行驶，而支路方向的传统车辆采取制动。

如果主路与支路方向的车辆中存在一辆智能网联车辆，即步骤1所述a2i＝1,a'2j＝0或a2i＝0,a'2j＝1。判断智能网联车辆所在方向是否存在步骤2所述可加速条件，如果存在，则智能网联车辆加速，否则，智能网联车辆减速行驶。

如果主路与支路方向的车辆中均为智能网联车辆，即步骤1所述a2i＝1,a'2j＝1。判断主路和支路两个方向是否存在步骤2所述可加速条件，若主路和支路两个方向都存在步骤2所述可加速条件，那么主路车辆加速行驶，支路车辆匀速行驶，若只有其中一个方向存在步骤2所述可加速条件，则存在步骤2所述可加速条件的一个方向采取加速措施，另一个方向保持匀速行驶。若主路和支路两个方向均不存在步骤2所述可加速条件，则支路方向的车辆减速行驶，主路方向的车辆保持匀速行驶。

若主路车辆的预估到达时间大于支路车辆的预计到达冲突区域的时间，即步骤1所述t1i＞t'1j：

如果主路与支路方向的车辆均为传统车辆，即步骤1所述a2i＝0,a'2j＝0。主路车辆减速行驶，支路车辆保持匀速行驶。

如果主路与支路方向的车辆中存在一辆智能网联车辆，即步骤1所述a2i＝1,a'2j＝0或a2i＝0,a'2j＝1。如果智能网联车辆在主路方向，则智能网联车辆减速行驶，支路方向的传统车辆保持匀速行驶；如果智能网联车辆在支路方向，如果车辆前方存在步骤2所述可加速条件，支路方向的智能网联车辆加速行驶，如果不存在，则减速行驶。

如果主路与支路方向的车辆中均为智能网联车辆，即步骤1所述a2i＝1,a'2j＝1。进一步判断支路方向车辆的前方是否存在步骤2所述可加速条件，如果存在，则支路方向的智能网联车辆加速行驶，主路方向的车辆保持匀速行驶；如果不存在，则主路方向的智能网联车辆减速行驶，支路方向的车辆保持匀速行驶。

本发明的有益效果是：

本发明有效降低了异质交通流环境下无信号控制t字型交叉口的行车延误，提升了交叉口的通行能力。在交叉口限速区对异质交通流实行分级限速，使得智能网联车辆能够在保证安全行驶的前提下充分利用道路资源。与传统的控制策略相比，本发明通过整合交通信息、建立线性规划模型及制定有效的调速方案，利用车联网技术对交叉口区域的异质交通流进行速度调整，可以有效的避免传统控制策略中因主路交通流过大导致支路车辆无法通行的情况，提高了交叉口的通行效率，使得交通出行更加方便快捷。

附图说明

图1：为控制系统构成图。

图2：为限速区域划分示意图。

图3：为无信号控制t字型交叉口主路车辆直行和支路车辆右转示意图。

图4：为控制系统的工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细描述。以下实施例或者附图用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

请参阅图1，本实施例提供一种可以提高异质交通流环境下无信号控制t字型交叉口车辆通行效率的控制系统，其特征在于所述控制系统包括异质交通流、限速控制区域、路侧及车辆通信设备、后台控制中心。所述控制系统以主路与支路车辆以最短时间到达冲突区域为优化目标，交叉口主路和支路两个方向的车辆进入限速控制区域后，路侧及车辆通信设备实时获取车辆及路况信息，并将该信息发送至控制中心，控制中心接受车辆及路况信息后分析两方向的车辆到达交叉口冲突区域的预估时间，并根据预估时间分配通行权，同时对异质交通流中的智能网联车辆进行速度调整。

请参阅图1、图2，异质交通流包括智能网联车辆和传统车辆；限速控制区域对异质交通流实行分级限速，即智能网联车辆的限速值大于传统车辆的限速值，该区域包括减速区、速度稳定区和交叉口控制区域，在减速区域的所有车辆减速至限速值以下，速度稳定区域的车辆保持匀速行驶，处于交叉口控制区域的智能网联车辆根据后台控制中心的控制指令进行速度调整，同时处于该区域的传统车辆可根据交叉口的车辆运行情况作出速度调整。

请参阅图3，选取无信号控制t字型交叉口中主路直行和支路右转两股不同方向的车流作为研究对象。

请参阅图4，所述控制系统工作流程如下一种可以提高异质交通流环境下无信号控制t字型交叉口车辆通行效率的控制系统，其特征在于所述系统包括:多个车辆采集模块、后台控制中心；所述后台控制中心与所述的多个车辆采集模块通过无线方式依次连接；

所述车辆采集模块由rfid模块、定位模块、速度传感器、激光测距模块、微处理器、底盘域控制器、中控显示屏、无线通信模块构成；

所述微处理器分别与所述的rfid模块、定位模块、速度传感器、激光测距模块、底盘域控制器、中控显示屏、无线通信模块通过有线方式依次连接；所述无线通信模块与所述后台控制中心通过无线方式连接；

所述底盘域控制选型为，器安装在智能网联车辆上，用于控制智能网联车辆的加减速；

所述中控显示屏显示屏选型为，安装在传统车辆上，用于向传统车辆的驾驶员传达加减速信息；

所述车辆采集模块放置于车辆上；

所述rfid模块选型为2.4g有源rfid，用于识别车辆属性并传输至所述微处理器；

所述定位模块选型为gt300gps定位器，用于采集车辆位置并传输至所述微处理器；

所述速度传感器选型为车载自适应雷达巡航，用于采集车辆速度并传输至所述微处理器；

所述激光测距模块选型为64线激光雷达，用于采集前车间距并传输至所述微处理器；

所述底盘域控制器选型为mdc300，安装在智能网联车上，用于控制智能网联车辆的加减速；

所述微处理器选型为嵌入式微处理器，将车辆属性、车辆位置、车辆速度、前车距离通过所述无线通信模块无线传输至所述后台控制中心；

步骤1：后台控制中心通过多个车辆的车辆位置、多个车辆的车辆速度、多个车辆的前车间距构建车辆信息矩阵，进一步构建主支路车辆信息矩阵以及支路车辆信息矩阵；

后台控制中心通过车辆采集的信息计算出车辆按当前车速行驶至冲突区的预计到达时间，然后整合所有信息，所述车辆信息矩阵为：

其中：所述车辆信息用矩阵第一行为车辆按当前车速行驶至冲突区域的预计达到时间，t1i＝2.5s表示第i辆车的预计到达冲突区域的时间，且

所述车辆信息用矩阵第二行为车辆的属性，a2i的取值为0或1，如果a2i＝0，该车的属性为传统车辆，若a2i＝1，该车的属性为智能网联车辆；所述车辆信息用矩阵第三行为车辆i的位置信息，x3i＝75m表示前述采集的车辆i距离冲突点的位置；所述车辆信息用矩阵第四行表示车辆i与前车的间距信息，d4i＝15m表示车辆i的前车间距；所述车辆信息用矩阵第五行为车辆i的车辆速度，v5i＝25m/s表示车辆i的车辆速度；n＝100表示处于主路该区域的车辆数；

所述支路车辆信息矩阵如下：

其中：所述车辆信息用矩阵第一行为车辆按当前车速行驶至冲突区域的预计达到时间，t'1j＝1.5s表示第j辆车的预计到达冲突区域的时间，且

所述车辆信息用矩阵第二行为车辆的属性，a'2j的取值为0或1，如果a'2j＝0，该车的属性为传统车辆，若a'2j＝1，该车的属性为智能网联车辆；所述车辆信息用矩阵第三行为车辆j的位置信息，x'3j＝50m表示车辆j前述采集的车辆距离冲突点的位置；所述车辆信息用矩阵第四行为车辆j与前车的间距信息，d'4j＝15m表示车辆j的前车间距；所述车辆信息用矩阵第五行为车辆j的车辆速度，v'5j＝25m/s表示车辆j的车辆速度；m＝100表示支路方向上交叉口控制区域内的车辆数目；

步骤2：后台控制中心通过步骤1整合的车辆信息矩阵建立线性规划模型；

所述线性规划模型包括：目标函数、约束条件、可加速条件；

所述目标函数具体如下：

使主路和支路两个方向的车辆以最短时间到达冲突区域，所以可以建立目标函数：

所述约束条件具体如下：

对于同一方向的车辆而言，为了保证同向行驶的车辆不会发生追尾，前车到达冲突区域的预计时间应大于跟随车到达冲突区域的预计时间，即：

a1,i≥a1,i+1+δ,1≤i≤n

b1,j≥b1,j+1+δ,1≤j≤m

其中：δ表示时间阈值，取1s。

对于不同方向的车辆而言，为了使得主路和支路两个方向的车辆之间不会产生冲突，主路和支路两个方向的车辆到达冲突区域的预计时间应存在时间差，即：

|a1,i-b1,j|≥ε,1≤i≤n,1≤j≤m

其中：ε表示主路和支路两个方向车辆到达冲突区的时间阈值，取2s。

所述可加速条件由基于制动的安全距离模型、gipps安全距离模型构成；

处于交叉口控制区域的智能网联车辆进行调速时需要确认本车与前车的间距是否大于安全距离，如果本车与前车的间距大于安全距离，则认为本车前方存在可加速条件，此时本车按gipps安全距离模型进行车辆跟驰

所述基于制动的安全距离模型具体如下：

其中：gsafe表示本车与前车运行时所需的安全间距；xn+1表示前车的位置、xn表示本车的位置；l表示车辆的长度，取5.5m；dmin表示车辆完全停止时的车辆间距，取2m；vn+1表示前车的速度、vn表示本车的速度；bn表示车辆能够达到的最大减速度，τ表示驾驶员的反应时间。

所述gipps安全距离模型具体如下：

g＝xn+1-xn-l-dmin

步骤3：后台控制中心在主路和支路两个方向的预计到达时间不满足步骤2所述的约束条件时,进一步分析车辆的预计到达冲突区的时间并生成调速方案；

步骤3所述主路和支路两个方向的预计到达时间不满足步骤2所述的约束条件，具体为：

|a1,i-b1,j|＜ε,1≤i≤n,1≤j≤m

步骤3所述进一步分析车辆的预计到达冲突区的时间并生成调速方案为：

若主路车辆的预计到达冲突区的时间小于支路车辆的预计到达冲突区的时间，即步骤1所述t1i＜t'1j：

如果主路和支路两个方向上的车辆均为传统车辆，即步骤1所述a2i＝0,a'2j＝0。由于主路车辆先到达冲突区域，支路车辆后到达冲突区域，为了使车辆能安全通过冲突区域，主路方向车辆保持匀速行驶，而支路方向车辆采取制动措施。

如果主路和支路两个方向的车辆中其中一辆为智能网联车辆，即步骤1所述a2i＝1,a'2j＝0或a2i＝0,a'2j＝1。当主路方向的车辆为智能网联车辆，对该车进行速度调整，如果该车前方存在可加速条件，则该车采取加速措施，否则，该车采取减速措施，而支路的传统车辆保持当前速度行驶；当支路方向车辆为智能网联车辆时，支路车辆采取减速措施，主路方向的智能网联车辆保持匀速行驶。

如果主路和支路两个方向的车辆均为智能网联车辆，即步骤1所述a2i＝1,a'2j＝1。判断主路车辆前方是否存在可加速条件，若存在步骤2所述可加速条件，则主路方向的车辆加速行驶，支路方向的车辆保持匀速行驶；若不存在，则主路方向的车辆保持当前状态行驶，支路方向的车辆减速行驶。

若主路车辆的预计到达冲突区域的时间等于支路车辆的预计到达冲突区域的时间，即步骤1所述t1i＝t'1j：

如果主路与支路方向的车辆均为传统车辆，即步骤1所述a2i＝0,a'2j＝0。由于主路车辆在无信号控制交叉口具有优先通行权，所以，主路方向的车辆保持匀速行驶，而支路方向的传统车辆采取制动。

如果主路与支路方向的车辆中存在一辆智能网联车辆，即步骤1所述a2i＝1,a'2j＝0或a2i＝0,a'2j＝1。判断智能网联车辆所在方向是否存在步骤2所述可加速条件，如果存在，则智能网联车辆加速，否则，智能网联车辆减速行驶。

如果主路与支路方向的车辆中均为智能网联车辆，即步骤1所述a2i＝1,a'2j＝1。判断主路和支路两个方向是否存在步骤2所述可加速条件，若主路和支路两个方向都存在步骤2所述可加速条件，那么主路车辆加速行驶，支路车辆匀速行驶，若只有其中一个方向存在步骤2所述可加速条件，则存在步骤2所述可加速条件的一个方向采取加速措施，另一个方向保持匀速行驶。若主路和支路两个方向均不存在步骤2所述可加速条件，则支路方向的车辆减速行驶，主路方向的车辆保持匀速行驶。

若主路车辆的预估到达时间大于支路车辆的预计到达冲突区域的时间，即步骤1所述t1i＞t'1j：

如果主路与支路方向的车辆均为传统车辆，即步骤1所述a2i＝0,a'2j＝0。主路车辆减速行驶，支路车辆保持匀速行驶。

如果主路与支路方向的车辆中存在一辆智能网联车辆，即步骤1所述a2i＝1,a'2j＝0或a2i＝0,a'2j＝1。如果智能网联车辆在主路方向，则智能网联车辆减速行驶，支路方向的传统车辆保持匀速行驶；如果智能网联车辆在支路方向，如果车辆前方存在步骤2所述可加速条件，支路方向的智能网联车辆加速行驶，如果不存在，则减速行驶。

如果主路与支路方向的车辆中均为智能网联车辆，即步骤1所述a2i＝1,a'2j＝1。进一步判断支路方向车辆的前方是否存在步骤2所述可加速条件，如果存在，则支路方向的智能网联车辆加速行驶，主路方向的车辆保持匀速行驶；如果不存在，则主路方向的智能网联车辆减速行驶，支路方向的车辆保持匀速行驶。

步骤4：后台控制中心通过无线通信模块将调速方案传输至处于交叉口控制区的每一辆车，智能网联车辆接收调速方案后由所述底盘域控制器控制车辆加减速，传统车辆在接收调速方案后将方案显示在中控显示屏上，由驾驶人完成车辆加减速。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。