本发明属于智能交通技术领域，尤其是涉及一种基于dsrc的紧急车辆智能交通控制系统和方法。
背景技术
在城市交通控制中，救护车、消防车、警车等紧急车辆在执行指定任务时，需要尽量减少其行程时间，提高紧急救援响应速度。若紧急车辆行驶前方为红灯，可能造成紧急车辆无法快速通过穿过交叉口，从而影响任务的执行。交通法规中规定，当其执行任务时，在确保行车安全的前提下可以闯红灯,但是闯红灯会有一定的风险，紧急车辆闯红灯可能造成其正交方向的车辆制动不及时，发生意外事故。因此，对紧急车辆在保障其他方向地车辆和行人安全通行的情况下安全高效地通过交叉路口的研究，有重要意义。
技术实现要素：
有鉴于此，本发明旨在提出一种基于dsrc的紧急车辆智能交通控制系统，以解决上述背景中提到的问题。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种基于dsrc的紧急车辆智能交通控制系统，包括依次相连接的信号灯、信号控制器、路侧设备rsu以及与路侧设备rsu进行dsrc通信的车载设备obu；
所述车载设备obu用于实时采集紧急车辆和非紧急车辆的状态信息，包括车速信息和gps位置信息，并将其传送给路侧设备rsu；
所述信号控制器连接信号灯和路侧设备rsu，用于将采集的信号灯的实时状态发送给路侧设备rsu，同时接收信号灯相位控制指令并控制信号灯做出相应动作；
所述路侧设备rsu用于接收所述信号控制器发送的信号灯实时相位信息和所述obu发送的车辆的实时状态信息，并执行相应的信号灯运行模式。
相对于现有技术，本发明的一种基于dsrc的紧急车辆智能交通控制系统具有以下优势：本发明能够根据车辆数据控制信号灯运行不同的模式，以使紧急车辆快速的通过交叉路口和保障非紧急车辆的安全。
本发明的另一目的在于提出一种基于dsrc的紧急车辆智能交通控制方法，以提高紧急车辆和非紧急车辆的效率和安全性，同时降低交叉口的事故率。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种基于dsrc的紧急车辆智能交通控制方法，具体包括如下步骤：
步骤s1:信号灯运行在常规模式；
步骤s2:判断rsu是否接收到紧急车辆的发来的信息，若未检测到紧急车辆的信息，则跳回步骤s1，使信号灯继续运行常规模式；否则执行步骤s3及其以后的步骤；
步骤s3：进行车辆的驶入驶离判断，即判断该紧急车辆是否将要通过该交叉路口，若该判断结果是驶入，则执行步骤s4及其以后的步骤；否则，将执行步骤s9及其以后的步骤；
步骤s4：在确定该紧急车辆将要驶入交叉路口时。对所述信号灯的优先模式进行判断，若信号灯运行在优先模式，则跳回步骤3进行紧急车辆的驶入驶离判断；否则执行步骤s5及其以后的步骤；
步骤s5：判断紧急车辆行驶方向上是否为绿灯，若为绿灯，则跳至步骤s8；否则，执行步骤s6及其以后的步骤；
步骤s6：对紧急车辆行驶方向的正交方向上的非紧急车辆进行安全预测，若预测结果为安全，则执行步骤7；否则跳回步骤5；
步骤s7：信号灯进入预警模式；
步骤s8：信号灯运行模式为优先模式；
步骤s9：对紧急车辆行驶方向上的非紧急车辆进行安全预测，若预测结果为安全，则执行步骤s10；若预测结果为不安全，则继续执行步骤9进行循环判断；
步骤s10：信号灯进入预警模式；
步骤s11：退出优先模式，即信号灯继续运行在普通模式。
进一步的，所述常规模式表现为信号灯按照设定好的相位显示；
所述预警模式表现为当前绿灯方向上的信号灯绿闪烁三秒，随后黄灯闪烁三秒，之后保持红灯状态，倒计时变为“h”，同时与当前红灯方向上变为绿灯并保持绿灯状态，倒计时变为“h”；
所述优先模式表现为，紧急车辆行驶方向上一直保持绿灯状态，倒计时为“h”，同时与紧急车辆行驶方向正交的方向上保持红灯状态，倒计时为“h”。
进一步的，所述步骤s3中，驶入驶离判断方法如下：
(1)将交叉路口分为四个方向，即是东、南、西、北，在每一个方向上，各有一条进道口，并将各进道口道编号为1～4，在交叉路口旁边安装信号控制器，在信号控制器的旁边安装rsu，rsu与信号控制器用网线相连接；
(2)根据紧急车辆当前位置到交叉口中心c(lngc,latc)的距离disi判断车辆驶入和驶离，其中
其中，disi表示在ti时刻紧急车辆与道路中心点的距离(m)；lngc表示交叉口中心的ntu经度(ntu)；latc表示交叉口中心的ntu纬度(ntu)；lngai表示紧急车辆在ti时刻的ntu经度(ntu)；latai表示紧急车辆在ti时刻的ntu纬度(ntu)；
根据不同时刻的dis值的大小关系判断驶入和驶离。
进一步的，所述安全预测的具体方法如下：
对紧急车辆行驶方向的正交方向进行安全预测：
(1)将交叉路口分为四个方向，即是东、南、西、北，在每一个方向上，各有一条进道口，并将各进道口道编号为1～4，在交叉路口旁边安装信号控制器，在信号控制器的旁边安装rsu，rsu与信号控制器用网线相连接；
(2)设置安全检测线来声明进行安全检测的区域，计算公式如公式3所示
此外，定义刹车时间为tb，则计算公式如公式4所示：
其中，det_distance表示非紧急车辆以道路允许的最大速度行驶时的刹车距(m)，即安全检测线距所在车道的距离；tb表示非紧急车辆以道路允许的最大速度行驶时的刹车时间(s)；v0表示道路允许的最大速度(m/s)；a表示非紧急车辆的制动减速度(m/s2)；t0表示司机的反应时间；
(3)根据交通规则，城市道路的最高车速为70km/h，作为v0，制动减速度a为4m/s2，反应时间平均为1s，则得到det_distance为70m,tb为5s，因此，在安全检测线以外的车辆在6秒内都能刹车成功，无危险，在安全检测线以内的车辆需要进行安全预测。
进一步的，所述安全预测的具体方法还包括：
定义进道口1上停车线与安全检测线的区域为区域ⅰ，进道口2上停车线与安全检测线的区域为区域ⅱ，进道口3上停车线与安全检测线的区域为区域ⅲ，进道口4上停车线与安全检测线的区域为区域ⅳ，在区域ⅰ和区域ⅲ内共有m辆车，记为v＝{v1,v2,v3,…,vm}，每辆车的位置距各自车道停车线的距离记为dsl＝{dsl1,dsl2,dsl3,…,dslm},此外，定义行驶时间td＝{t1,t2,t3,…,tm}和安全通过交叉路口标志fosp，可由公式5和公式6得到：
其中，td表示车辆以当前速度从当前位置到停车线的时间(s)；dsl表示车辆当前位置与停车线之间的距离集合(m)；v表示车辆当前速度集和(m/s)；tdmax表示td集合中的最大值；当fosp＝0时，有一些非紧急车辆在tb时间内不能通过交叉口，当fosp＝1时，所有非紧急车辆都可以在tb时间内通过交叉口；
定义安全叉车距离为bra_distance＝{d1,d2,d3,…,dm},可由公式7得到：
定义刹车距离差bra_difference＝{s1,s2,s3,…,sm},可由公式8得到：
bra_difference＝bra_distance-dsl公式8
结合bra_difference，可以在公式9中得到刹车安全标志(fosd):
其中，bra_differencemin表示bra_difference集合中的最小值；当fosp＝0时，有一些非紧急车辆在停车线处不能完全停下，当fosp＝1时，全部的非紧急车辆在停车线处都能完全停下。
结合公式6和公式9，可以得到安全预测结果标志(safe_flag)
fos＝fosp∪fosd公式10
其中，fos表示安全预测结合表示；fosmin表示fos集合中的最小值；当safe_flag＝0时，安全预测结果为不安全，当safe_flag＝1时，安全预测结果为安全。
相对于现有技术，本发明所述的一种基于dsrc的紧急车辆智能交通控制系统具有以下优势：
本发明的控制方法以使紧急车辆快速的通过交叉路口和保障非紧急车辆的安全为目标，提出了三种交通灯运行模式，正常模式、预警模式和优先模式。此外，对非普通车辆进行了安全预测，从而实现对非紧急车辆的保护，以保证非紧急车辆的安全；同时交通灯的预警模式为即将经过交叉口的非紧急车辆提供了警告和缓冲时间；交通灯的优先模式可以使紧急车辆快速地通过交叉路口。因此本发明不仅可以大大提高紧急车辆和非紧急车辆的效率和安全性，还可以降低交叉口的事故率。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例所述的一种基于dsrc的紧急车辆智能交通控制系统结构示意图；
图2为本发明实施例所述的一种基于dsrc的紧急车辆智能交通控制系统的控制流程图；
图3为本发明实施例所述的一种基于dsrc的紧急车辆智能交通控制系统的场景图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
如图1所示，本实施例中的一种基于dsrc的紧急车辆智能交通控制系统包括依次相连接的信号灯，信号控制器和路侧设备(rsu)，以及与rsu进行dsrc通信的车载设备(obu)。所述obu用于实时采集紧急车辆和非紧急车辆的状态，包括车辆的速度及gps位置，并将其传送给rsu；所述信号控制器与所述rsu双向通信，信号控制器将所述信号灯的实时状态传递给所述rsu，同时接收所述信号灯相位控制指令并控制所述信号灯做出相应动作；所述rsu用于接收所述信号控制器发送的信号灯实时相位信息和所述obu发送的车辆的实时状态信息，根据上述信息和控制算法执行相应的信号灯运行模式。
下面结合图2来说明本实施例的道路交叉口交通灯控制系统的控制过程，具体步骤如下：
步骤s1:信号灯运行在常规模式；
步骤s2:判断rsu是否接收到紧急车辆的发来的信息，若未检测到紧急车辆的信息，则跳回步骤s1，使信号灯继续运行常规模式；否则执行步骤s3及其以后的步骤；
步骤s3：执行驶入驶离算法，即判断该紧急车辆是否将要通过该交叉路口，若该判断结果是驶入，则执行步骤s4及其以后的步骤；否则，将执行步骤s9及其以后的步骤；
步骤s4：在确定该紧急车辆将要驶入交叉路口时。对所述信号灯的优先模式进行判断，若信号灯运行在优先模式，则跳回步骤3进行紧急车辆的驶入驶离判断；否则执行步骤s5及其以后的步骤；
步骤s5：判断紧急车辆行驶方向上是否为绿灯，若为绿灯，则跳至步骤s8；否则，执行步骤s6及其以后的步骤；
步骤s6：对紧急车辆行驶方向的正交方向上的非紧急车辆进行安全预测，若预测结果为安全，则执行步骤7；否则跳回步骤5；
步骤s7：信号灯进入预警模式；
步骤s8：信号灯运行模式为优先模式；
步骤s9：对紧急车辆行驶方向上的非紧急车辆进行安全预测，若预测结果为安全，则执行步骤s10；若预测结果为不安全，则继续执行步骤9进行循环判断；
步骤s10：信号灯进入预警模式；
步骤s11：退出优先模式，即信号灯继续运行在普通模式。
以图3为例，将交叉路口分为四个方向，即是东、南、西、北。在每一个方向上，各有一条进道口，并将各进道口道编号为1～4。在交叉路口旁边安装信号灯控制器，在信号灯控制器的旁边安装rsu，rsu与信号灯控制器用网线相连接。
(1)驶入驶离算法
紧急车辆的驶入驶离由紧急车辆当前位置到交叉口中心c(lngc,latc)的距离disi判断，由公式1计算得到。
其中，disi表示在ti时刻紧急车辆与道路中心点的距离(m)；lngc表示交叉口中心的ntu经度(ntu)；latc表示交叉口中心的ntu纬度(ntu)；lngai表示紧急车辆在ti时刻的ntu经度(ntu)；latai表示紧急车辆在ti时刻的ntu纬度(ntu)。
根据公式2可以得到在t1时刻的dis1和t2时刻的dis2，
其中，ac表示紧急车辆行驶方向。如果ac＝0，紧急车辆驶离交叉路口，；如果ac＝1，紧急车辆驶入交叉路口。
(2)安全预测算法
以图3为例，对紧急车辆行驶方向的正交方向进行安全预测。首先，设置安全检测线来声明进行安全检测的区域，用公式3计算，此外，刹车时间定义为tb可以由公式4得到：
其中，det_distance表示非紧急车辆以道路允许的最大速度行驶时的刹车距(m)，即安全检测线距所在车道的距离；tb表示非紧急车辆以道路允许的最大速度行驶时的刹车时间(s)；v0表示道路允许的最大速度(m/s)；a表示非紧急车辆的制动减速度(m/s2)；t0表示司机的反应时间。
根据交通规则，城市道路的最高车速为70km/h，作为v0。制动减速度a为4m/s2，反应时间平均为1s。基于以上参数，可以计算det_distance为70m,tb为5s。
定义进道口1上停车线与安全检测线的区域为区域ⅰ，进道口2上停车线与安全检测线的区域为区域ⅱ，进道口3上停车线与安全检测线的区域为区域ⅲ，进道口4上停车线与安全检测线的区域为区域ⅳ。在区域ⅰ和区域ⅲ内共有m辆车，记为v＝{v1,v2,v3,…,vm}，每辆车的位置距各自车道停车线的距离记为dsl＝{dsl1,dsl2,dsl3,…,dslm},此外，定义行驶时间td＝{t1,t2,t3,…,tm}和安全通过交叉路口标志fosp，可由公式5和公式6得到：
其中，td表示车辆以当前速度从当前位置到停车线的时间(s)；dsl表示车辆当前位置与停车线之间的距离集合(m)；v表示车辆当前速度集和(m/s)；tdmax表示td集合中的最大值；当fosp＝0时，有一些非紧急车辆在tb时间内不能通过交叉口。当fosp＝1时，所有非紧急车辆都可以在tb时间内通过交叉口。
定义安全叉车距离为bra_diatance＝{d1,d2,d3,…,dm},可由公式7得到：
定义刹车距离差bra_difference＝{s1,s2,s3,…,sm},可由公式8得到：
bra_difference＝bra_distance-dsl公式8
结合bra_difference，可以在公式9中得到刹车安全标志(fosd):
其中，bra_differencemin表示bra_difference集合中的最小值；当fosp＝0时，有一些非紧急车辆在停车线处不能完全停下，当fosp＝1时，全部的非紧急车辆在停车线处都能完全停下。
结合公式6和公式9，可以得到安全预测结果标志(safe_flag)
fos＝fosp∪fosd公式10
其中，fos表示安全预测结合表示；fosmin表示fos集合中的最小值；当safe_flag＝0时，安全预测结果为不安全，当safe_flag＝1时，安全预测结果为安全。
需要说明的是，本发明的实施例是以区域ⅰ和区域ⅲ为例计算，同理，区域ⅱ和区域ⅳ的计算方法与区域ⅰ和区域ⅲ的一样，在此不再赘述。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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。