本发明涉及智能交通技术中运输系统优化技术领域，具体涉及一种基于道钉灯的动态可变车道控制方法。
背景技术：
城市中工作区和居住区的分离通常导致道路双向车流量分配极不均匀，这就为可变车道的产生提供了契机。我国的机动车保有量在2016年就超过两亿辆，大城市交通拥堵较为严重，特别是上下班高峰段、交通事故发生后或举行大型集会活动时，通常导致部分路段的单向拥堵或者潮汐车流现象的发生。在不增加道路资源的前提下，可变车道可以较好缓解交通拥堵状况，优化道路资源。现有的可变车道控制方法主要有两种，一种是利用移动的隔离护栏，另一种是通过龙门架信号控制。利用移动的隔离护栏控制可变车道需要专门的工作车，成本大、繁琐、清空时间较长，有很强的交通管制。利用龙门架信号控制可变车道需要定时、定线路，车道长度较短，车主获得车道信息严重滞后。因此，目前需要一种实时动态可变的车道控制方法。
技术实现要素：
本发明提供了一种基于道钉灯的动态可变车道控制方法，本发明有效解决了现有的可变车道控制方法通常有两种，包括利用移动的隔离护栏、通过龙门架信号控制，其中利用移动的隔离护栏控制可变车道需要专门的工作车，成本大、繁琐、清空时间较长，有很强的交通管制；利用龙门架信号控制可变车道需要定时、定线路，车道长度较短，车主获得车道信息严重滞后。
本发明通过以下技术方案实现：
一种基于道钉灯的动态可变车道控制方法，其特征在于：所述控制方法主要包括如下步骤：
步骤1：交通数据采集、视频采集系统得到的交通流数据，并将数据发送到数据处理中心系统；
步骤2：数据处理中心系统对得到的数据进行判断，判断可变车道是否开通及其开通的车道数，并将其发送到智能化远程控制中心；
步骤3：智能化远程控制中心根据数据处理中心得到的可变车道是否开通及开通的车道数情况来确定道钉灯的颜色转换、开通的车道长度、模块化的缓冲带长度设置；
步骤4：根据道钉灯的颜色变化进行车道的清场、入场、退场三个阶段。
本发明进一步技术改进方案是：
所述步骤1中的交通流数据主要包括交通量、车辆速度、车型、车头间距一系列交通参数，参数可由微波车辆检测器、便携式道路检测激光车辆分型统计系统、全球化的视频拍摄机获得。
本发明进一步技术改进方案是：
所述步骤2中是否开通条件，其可行性分析主要由道路设置、车道数、服务水平要求、kd系数几个因素考虑；判断其开通车道数及其调整，主要采用路阻函数基础模型。
本发明进一步技术改进方案是：
所述步骤3中道钉灯是由红、绿两种颜色控制，所述车道的长度根据实时数据得到，所述模块化的缓冲带长度设置由轻重交通流方向上两个变道区段，两个刹车区段和一个禁行区段五个区段组成。
本发明进一步技术改进方案是：
所述开通条件的判断过程为：
1)道路设置：道路上不存在中央分隔带、绿化带、隔离栏；
2)车道数：潮汐车道要进行变道，车道数必须是三车道以上；
3)服务水平要求:选取的是近似等于0.8的情况，即道路出现拥堵，可根据实际情况进行调整；
4)kd系数：要求kd≥2/3，可根据具体情况调整；
判断其车道数及其调整，主要用的是路阻函数基础模型：t＝t0{1+α(v/c)β}，
其中t是汽车驾驶过程的时间、t0为自由流行驶时间、v是交通量、c是实际通行能力。
本发明进一步技术改进方案是：
所述基于阻抗最小的情况下路阻函数模型如下：
1)当
2)当
其中式中：cm＝c·γ·η·κ·n'；cm'＝c·γ·η·κ·n'；
γ为自行车影响修正系数，由于机非分离，取1；η为车道宽影响修正系数，多为3.5米，取1；κ为交叉口影响修正系数，所使用道路基本无交叉口，取1；
n'为车道数修正系数；vs为自由流速度；c为单车道的理想通行能力；ko为延误系数，取1～1.2；α、β可由实时得到的多组数据进行整体回归拟合。
所述道钉灯采用凸起式的两面道钉灯。
本发明与现有技术相比，具有以下明显优点：
1、本发明搭建了模块化的缓冲带设置模型，提出了防止对向车流相撞的解决方案，提高可变车道运行的安全性能；
2、本发明运用凸起式的两面道钉灯，既不采用移动的隔离护栏进行控制，也不采用龙门架信号控制，解决了传统可变车道变换繁琐、只能定时定线的问题；
3、本发明驾驶员可以通过观察道钉灯的颜色进行换道行驶，快捷方面、简单易懂，最终实现实时动态的车道变换方案，体现智能交通的理念。
附图说明
图1为本发明基于道钉灯的可变车道动态变换方法的流程图；
图2为本发明道钉灯基本的指示标志图；
图3为本发明可变车道开启前路面的道路总图；
图4为本发明以开通一条可变车道为例的变换图正常行驶(a)；
图5为本发明以开通一条可变车道为例的变换图开启(b)；
图6为本发明以开通一条可变车道为例的变换图运行(c)；
图7为本发明以开通一条可变车道为例的变换图关闭(d)；
图8为本发明缓冲段的设计图；
图9为本发明具体变道计算过程的逻辑图；
图10为本发明以开通一条车道为例的道钉灯变换图。
具体实施方式
为使对本发明的结构特征及所达成的功效有更进一步的了解与认识，下面结合附图与具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围，说明如下：
步骤1：将交通数据采集、视频采集系统得到的交通流数据发送到数据处理中心系统；
步骤2：数据处理中心系统对得到的数据进行判断，判断可变车道是否开通及其开通的车道数，并将指令发送到智能化远程控制中心；
步骤3：智能化远程控制中心根据数据处理中心得到的可变车道是否开通及开通的车道数情况来确定道钉灯的颜色转换、开通车道长度、模块化的缓冲带长度设置等；
步骤4：根据道钉灯的颜色变化进行车道的清场、入场、退场三个阶段。
其中，步骤1所述的交通流数据主要包括交通量、车辆速度、车型、车头间距等一系列交通参数，可由微波车辆检测器、便携式道路检测激光车辆分型统计系统、视频拍摄机等获得。
其中，步骤2所述判断可变车道是否开通及其开通的车道数，其判断过程如下：
开通条件的判断过程：
1)道路设置：道路上不存在中央分隔带、绿化带、隔离栏；
2)车道数：潮汐车道要进行变道，车道数必须是三车道以上；
3)服务水平要求:选取的是近似等于0.8的情况，即道路出现拥堵，可根据实际情况进行调整；
4)kd系数：要求kd≥2/3，可根据具体情况调整。
判断其车道数及其调整，主要用的是路阻函数基础模型：
t＝t0{1+α(v/c)β}
其中
t——是汽车驾驶过程的时间；
t0——为自由流行驶时间；
v——是交通量；
c——是实际通行能力；
本发明可以在车联网环境下运用各种道路数据采集器来实时动态得到交通流数据。基于阻抗最小的情况下路阻函数模型如下，并对其当交通量大于实际通行能力时进行优化，只需满足条件，即可对潮汐可变车道的数量进行控制。
①当
②当
其中式中：
cm＝c·γ·η·κ·n'
cm'＝c·γ·η·κ·n'
m——为道路中拥堵一方；
x——是畅通一方交通量与拥堵一方的之比；
vm——是交通拥堵一方的交通量；
m、n——分别为拥堵一侧、畅通一侧原有车道数；
i——是即将要开启的车道数目，i的数值大小是小于n；
cm、cm'——分别是拥堵一侧、畅通一侧的每车道通行能力；
γ——自行车影响修正系数，由于机非分离，取1；
η——车道宽影响修正系数，多为3.5米，取1；
κ——交叉口影响修正系数，所使用道路基本无交叉口，取1；
n'——车道数修正系数；
vs——自由流速度；
c——单车道的理想通行能力；
ko——为延误系数，一般取1～1.2。
α、β——可由实时得到的多组数据进行整体回归拟合。
同时，拥堵一方的饱和度得满足三级服务水平及以下，所以给出的模型如下，当t(x,i-1)≥t(x,i)时，且vm＝0.8(m+n)cm，则变道数目为i。当i＝1，变换车道数为1；当i＝2，变换车道数为2。
其中，步骤3所述道钉灯的颜色转换、开通的车道长度、模块化的缓冲带长度设置等如下所示：
其中道钉灯颜色转换是由导线连接而成的路面凸起式两面道钉灯主要由红色灯和绿色灯指示。在凸起式的道钉灯中间部分放有喇叭，当灯色变化时自动播放语音提醒驾驶员行驶。本说明书附图用黑色代表红色灯，表示不能通行；黑色空白代表红闪，表示驾驶员驶离车道；灰色代表绿色灯，表示可以通行；灰色空白表示绿闪，表示即将通行。图2表示的含义如下：
图2(a)己方绿灯，对方红灯，表示己方正常行驶灯色：
图2(b)己方绿闪，对方红灯，表示己方即将通行灯色；
图2(c)己方红闪，对方红灯，表示己方驶离车道灯色；
图2(d)己方红灯，对方红灯，表示双向禁止通行灯色；
图2(e)己方绿闪，对方红闪，表示己方即将行驶，对方驶离车道灯色。
以城市中的双向六车道为例，如图3所示，可变车道开启前，道路上车辆正常行驶的道路总图。
其中开通的车道长度是由步骤一中实时数据进行长度确定，若在某段路上满足开通条件，则其路段长度为开通车道长度。
其中，模块化的缓冲带长度设置如图8所示可以由五个的区段表示，分别为轻重交通流方向上两个变道区段，两个刹车区段和一个禁行区段。
变道区段：重交通流的变道区段ck，并且在这个路段上是低频率的红闪；同理，轻交通流上的变道区段bh，在这个区段上也是低频率的红闪，统一设置这段低频率红闪的时间为10秒。并且在道钉灯上安装的高频喇叭自动提示：“此方为变道区段”，用低频红闪和喇叭提示驾驶员要变道。
刹车区段：是指驾驶员若在这个10秒钟内没有意识到此方为变道区段，或者是由于接电话等意外事件来不及变道的车辆刹车行驶距离。在刹车区段上是高频率的红闪，并且在道钉灯上安装的喇叭提示：“请驾驶员紧急刹车”。重交通流刹车区段、轻交通刹车区段为kj、hi。
禁行区段：是指驾驶员不仅在变道区段没有离开车道，并且在刹车区段上也没有紧急刹车，本文留给驾驶员最后的安全区域。若两方的驾驶员都没有注意到变道区段和刹车区段，驾驶员为避免撞车的最小距离即为禁行区段的长度。在禁行区段，两方驾驶员看到的都是纯红灯，并且道钉灯上喇叭提示：“禁行区段禁止入内”。这个区域不允许任何车辆通过，禁行区段为ij。
城市主干道的限速：vkm/h,
反应时间：2.5s，
汽车的减速度：-0.37g
则感知反应距离：2.5×v÷3.6＝0.7v(m)
紧急制动距离：38m
禁行区段距离：2(0.7v+38)(m)
变道区段的距离，假设驾驶员10秒钟完成变道行为，按照vkm/h,此时车辆行驶的距离为：3vm。在实际的驾驶过程中，司机看到前方低频道钉灯红闪的时候，应该立刻减速进行。
刹车区段距离：(0.7v+38)(m)
总的缓冲段距离：(8.8v+152)(m)
对于限速是vkm/h的道路，(8.8v+152)(m)即为缓冲路段长度。
其中，步骤4所述根据道钉灯的颜色变化进行车道的清场、入场、退场三个阶段，即分别对应车道的开启、运行、关闭三个阶段。简述如下，现再以城市六车道中开通一条车道为例：
图4正常行驶(a)：以开通一条潮汐车道为例来具体详解潮汐车道的运行状况。1、2、3车道为轻交通流方向，4、5、6为重交通流方向，发生交通拥堵时，借用三车道的一部分路段给重交通流方向。bd段为开启潮汐车道的长度，bc段为缓冲段，目的在于防止开启潮汐车道后3车道的两个方向的车相撞。
图5开启(b)：3车道bd段绿灯变红闪，bc缓冲段有一段绿灯变长红；与此同时，3车道cd段红灯变绿闪，bc缓冲段有一段红灯变红闪。时间设置为一分钟，配有道钉灯上喇叭提醒：“请驾驶员驶离车道”。一分钟后，cd段红闪变长红，绿闪依旧持续。再过半分钟，绿闪变长绿。其中bc缓冲段部分在潮汐车道的开启与运行阶段灯色保持不变。
图6运行(c)：3车道cd段灯色变成和重交通流方向灯色一致，4车道的车可由d处进入3车道，经缓冲段c处回到4车道。
图7关闭(d)：3车道cd段绿灯变红闪，时间为一分钟，同时配有喇叭提醒：“潮汐车道关闭，驾驶员驶离车道”。一分钟后，3车道cd段红闪变长红。最后再设置半分钟，将bd段轻交通流方向上的红灯、小段红闪变成长绿，潮汐退去。其中具体变道过程图简化成图7，总共三个过程，开启、运行、结束三个阶段，每个过程的变换道钉灯顺序如图所示。
将上述步骤简化为总的具体的变道过程逻辑图如图9所示：
步骤一：从四个方面对可变车道变换的可行性进行分析；
步骤二：设置初始变换的车道数i＝1，若满足开通的条件，对关于时间的路阻函数模型进行比较。mint(x,i-1)为开通(i-1)条车道的路阻，mint(x.i)为开通i条车道的路阻，若mint(x,i-1)大于mint(x.i)，则进入步骤四；否则，i＝i+1，回到步骤二一开始阶段；
步骤三：若不满足条件，令i＝i-1。对mint(x,i+1)与mint(x.i)进行比较。若前者大于后者，则进入步骤四：否则，得i＝i-1，回到步骤二一开始阶段；
步骤四：开启变换i条车道。
为了更好的具体实施应用本发明，下面结合附图对本发明进一步进行详解。
如图1所示：一种基于道钉灯的动态可变车道控制方法，主要通过交通数据采集系统、数据处理中心系统、智能化远程控制系统三者完成。其中交通数据采集系统用于得到实时动态的交通流数据，主要由微波车辆检测器、便携式道路检测系统和视频拍摄机组成；数据处理中心系统根据得到的数据用于判断可变车道的切换时机及其开通车道数；智能化远程控制系统用于控制道路上道钉灯的颜色转换、开通的车道长度、模块化的缓冲带长度设置等。驾驶员的行驶主要依靠由导线连接而成的路面凸起式两面道钉灯，通过灯的颜色变化来引导驾驶员的行驶。其过程如下：
步骤1：交通数据采集、视频采集系统得到的交通流数据，并将数据发送到数据处理中心系统；
步骤2：数据处理中心系统对得到的数据进行判断，判断可变车道是否开通及其开通的车道数，并将其发送到智能化远程控制中心；
步骤3：智能化远程控制中心根据数据处理中心得到的可变车道是否开通及开通的车道数情况来确定道钉灯的颜色转换、开通的车道长度、模块化的缓冲带长度设置等；
步骤4：根据道钉灯的颜色变化进行车道的清场、入场、退场三个阶段。
本实施案例选取的是淮安市的翔宇大道，是连接市区和楚州区的重要城市快速主干道，早晚高峰的双向交通流差异较大，很符合潮汐交通流的特性。翔宇大道部分路段六车道，部分八车道，其中六车道上在高峰期间拥堵情况更加明显。
选取淮安市翔宇大道与楚州大道交叉口处为起点，翔宇大道与海天路交叉口为终点，这段道路有3.2km，限速60km/h，车辆以直行为主，双向六车道，并选取其中高峰期间具有代表性的数据，其车流量及分布系数如表一所示：
表一：车流量及方向分布系数
根据步骤1将数据发送到数据处理中心系统；然后根据步骤2从道路设置、车道数、服务水平要求、kd系数等几个方面判断，翔宇大道双向六车道满足条件，v/c即服务水平为1.08，kd为0.72，可以开通潮汐车道，并由路阻函数模型得知可以开通一条潮汐车道；由步骤3确定开通车道长度3.2km，路面道钉灯的指示变换可由说明书内容变换，设置缓冲段距离680m，轻重交通流的变道区段距离都为180m，禁行区段距离160m，轻重交通流刹车区段均为80m；最后由步骤4进行具体分三个阶段变换。
最后通过vissim仿真软件进行结果验证，主要是行程时间的变化如表二：
表二：轻重交通流行程时间
得到在短短3.2km的路段上，由仿真验证可得，重交通流方向上的平均行程时间由之前的200.5s下降到193.7s，总的行程时间减少了约为550.8min；而轻交通上的平均行程时间基本不变。