一种车联网环境下的交叉口信号优化控制方法与流程

本发明涉及车联网技术领域，尤其是一种车联网环境下的交叉口信号优化控制方法。

背景技术：

随着我国国民经济的迅速发展，人们的生活水平正稳步提高，城市机动车保有量也在逐年增加。相比而言交通基础设施的建设缓慢，难以满足日益增长的交通出行需求，因而在我国的许多地区尤其是一些大城市出现了严重的交通拥堵问题。交通拥堵不仅增加了人们的出行时间，给人们的生活带来不便，而且还衍生出了一系列的交通事故、环境污染、能源过度消耗等问题，严重影响了城市交通系统的高效、有序运作。

信号交叉口作为城市道路网中的重要节点，在交通系统的运行过程中起到了关键作用。信号灯的设置用以向各个方向到达的车辆提供行进或停止的指令，减少交叉口处的相互干扰，从而提高通行能力。然而，我国已经采用的交通信号控制系统大多利用道路上或路侧的固定检测器来采集交通流信息，这些检测器获取到的数据误差较大并且部分检测器的故障会对检测的结果产生非常大的影响，同时固定检测器的安装和维护也需要投入大量的成本。另外，传统的信号控制方法所依赖的检测器数据在时间和空间上的颗粒度较大，难以反映交通流的实时变化，因而无法满足不同时段上实际的交通出行需求。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种车联网环境下的交叉口信号优化控制方法，可以通过信号灯的灵活变换控制交叉口处车辆的运行，减少信号交叉口处的交通延误，提高交通系统的通行效率。

为解决上述技术问题，本发明提供一种车联网环境下的交叉口信号优化控制方法，包括如下步骤：

(1)当安装有无线通信设备的车辆进入信号交叉口路侧单元RSU的通信范围时，车辆的车载单元OBU会通过专用短程通信DSRC向路侧单元实时传输车辆状态信息；

(2)路侧单元接收实时车辆状态信息并将其存储在临时数据库中，当上一阶段的信号灯绿灯信号结束前，临时数据库会对内部存储的车辆状态信息进行简单处理，并将处理后的信息传输给交通信息计算中心；

(3)根据得到的个体车辆的停车等待时间，交通信息计算中心首先需要判断是否有车辆的停车等待时间超过了最大停车等待时间限定值，并为超过该限定值的车辆所在相位优先分配绿灯信号；

(4)在保证所有车辆的停车等待时间均小于限定最大值的基础上，交通信息计算中心为排队长度最大的车道所在相位分配下一时刻的绿灯信号，并根据假定的不同绿灯时长下各相位的总延误确定绿灯时长的最优值，由此确定下一时刻的信号优化控制方案；

(5)交通信息计算中心将下一时刻的信号配时策略传输给信号控制器，由信号控制器控制信号灯中信号相位的变换及相应的绿灯开启时间；当该绿灯开启时间已达到信号控制策略分配的时长，回到步骤(3)制定下一时刻的信号控制策略。

优选的，步骤(1)中，车辆状态信息包括车辆识别号、速度、空间位置、运行状态信息；其中，车辆识别号由车载单元随机生成，在通过单个交叉口时车辆的识别号保持不变，但是仅用于在当前信号交叉口时该车辆的轨迹识别；车辆的速度信息通过安装于差速器附近的车速传感器实时获取；车辆的位置信息通过车载GPS接收器实时获取；车辆运行状态的获取则利用信号滤波器处理车辆速度得到“0”或“1”的脉冲信号，由“1”表示车辆处于运行状态，由“0”表示车辆处于排队状态。

优选的，步骤(2)中，路侧单元的临时数据库初步处理内部存储的车辆状态信息，处理后的结果包括最新时刻个体车辆的停车等待时间、各车道最末排队车辆的位置、各车道的排队长度(以车道上的排队车辆数表示)、各车道上运行车辆的速度和位置信息。

优选的，步骤(3)中优先考虑个体车辆的停车等待时间的步骤如下：

(3-1)设信号交叉口处的最长停车等待时间的限定值为t_{s max}，允许的最小绿灯时长为g_min，允许的最大绿灯时长为g_max，交通流的饱和流率为f_s；

(3-2)比较个体车辆的停车等待时间与t_{s max}值的大小，若车辆的停车等待时间均小于t_{s max}的值则进入步骤(4)，若存在车辆的停车等待时间大于t_{s max}的值，则为该车所在相位分配下一时刻的绿灯信号；若多辆车的停车等待时间均大于t_{s max}，选取停车等待时间最长车辆所在相位为下一时刻绿灯相位；

(3-3)根据下一时刻绿灯相位p对应车道上的最大排队长度l_p，计算下一时刻绿灯相位的时长T_g：

(3-4)根据步骤(3-2)和步骤(3-3)获得的绿灯相位和绿灯时长可形成下一时刻的信号控制策略，转到步骤(5)。

优选的，步骤(4)中，确定下一时刻信号优化配时方案中的绿灯相位和绿灯时长的步骤如下：

(4-1)比较各车道上的排队长度并取得最大值l_max，为排队长度最大车道所在相位p分配下一时刻绿灯信号；如果存在多条车道的排队长度同为最大值l_max且这些车道分别对应于不同的相位，则比较这些相位对应车道的排队长度次大值，选取排队长度次大值所在相位p为下一时刻绿灯相位，以此类推；

(4-2)交通信息计算中心假定的绿灯时长的值在绿灯时长最小允许值和最大允许值的范围内变化，即令初始的绿灯时长假定值t_g取最小允许绿灯时长g_min，之后每次在前一次绿灯时长假定值的基础上增加一个很小的时间间隔τ，令t_g＝t_g+τ直至t_g>g_max，分别预测绿灯时长在不同假定值下各相位上多股车流产生的总延误；

(4-3)比较绿灯时长在不同假定值时各相位车流的总延误值，得到总延误值最小所对应的绿灯时长T_g，此时，由绿灯相位p和绿灯时长T_g确定了下一时刻的信号优化控制策略，转到步骤(5)。

优选的，步骤(4-2)中，预测在假定的绿灯时长下各相位对应车流产生的总延误的步骤如下：

(4-2-1)计算绿灯相位p对应车道m上第z辆排队车辆的延误值

(4-2-2)计算绿灯相位p对应车道m上运行车辆a前的排队车辆的消散时间

上式中：表示相位p对应车道m上的排队长度；

(4-2-3)比较消散时间与绿灯时长假定值的大小并取得较小值

(4-2-4)计算绿灯相位p对应车道m上运行车辆a的到达时间

上式中：x_a表示运行车辆a最新时刻的位置；v_a表示运行车辆a最新时刻的速度；

(4-2-5)比较与值的大小，若小于车辆a在绿灯时长内的延误若大于该车的延误时间

(4-2-6)计算绿灯相位对应车道上车辆的延误总和T_d1：

上式中：n_pm表示绿灯相位p对应车道数；n_mz表示车道m上的排队车辆数；n_ma表示车道m上的运行车辆数；

(4-2-7)计算非绿灯相位p₁对应车道m₁上排队车辆z₁的排队延误

(4-2-8)计算非绿灯相位p₁对应车道m₁上运行车辆a₁的到达时间

上式中：表示车辆a₁最新时刻的位置；表示车辆a₁最新时刻的速度；x_l表示车道m₁上最后一辆排队车辆的位置；s₀表示排队车辆的平均车头间距；

(4-2-9)比较与值的大小，若大于车辆a₁的延误时间若小于车辆a₁的延误时间

(4-2-10)预测各非绿灯相位上各股车流在绿灯时长内的延误总和T_d2：

上式中：表示非绿灯相位数；表示非绿灯相位p₁对应车道数；表示车道m₁上的排队车辆数；表示车道m₁上的运行车辆数；

(4-2-11)计算绿灯相位和假定时长下的总延误T_d(t_g)：

T_d(t_g)＝T_d1+T_d2。

优选的，步骤(5)中，当绿灯相位对应车流的车辆通过信号交叉口停止线时，车辆会再次将自身识别号发送给路侧单元，路侧单元中的临时数据库根据车辆识别号删除对应识别号的车辆轨迹数据，以保护车辆隐私。

本发明的有益效果为：

(1)本发明采用了先进的传感技术、网络技术和智能技术，使车辆在进入信号交叉口路侧单元的通信范围后向其传输实时的车辆状态信息，路侧单元将车辆状态信息发送给交通信息计算中心进行处理和计算，在考虑车辆的最大停车等待时间限定条件的基础上，获得优化的信号配时方案。

(2)在传统的信号控制方法中，交通流的状态信息主要通过安装于道路上或路侧的固定检测器采集，这些固定检测器所采集的数据误差较大、准确性差，而且固定检测器的安装和维护成本较高；在本发明中，车辆的状态信息由安装于车辆本身的车载传感器获取，大大提高了检测数据的精确性，同时减少了检测设备的安装成本。

(3)在传统的信号控制方法中，信号控制器依赖于固定检测器获取的时空颗粒度较大的交通流数据，无法考虑交叉口处交通流的实时变化情况，并且信号控制策略大多以主路优先通行为目标，牺牲了部分支路车辆的运行效率；在本发明中，交通信息计算中心考虑实时状态下各相位对应车道的车辆运行情况，并在考虑车辆的最大停车等待时间限定条件的基础上，以各相位的总延误最小为优化目标，使信号配时方案能够满足时变的交通需求，并且提高了不同车道上车辆通行的公平性。

(4)本发明利用实时获取的车辆运行状态信息来确定以延误最小为目标的信号优化配时方案，能够明显提高信号交叉口的运行效率，从而解决由于现有的信号交叉口处停车时间过长并且无法满足实时变化的道路交通需求而引起的交通拥堵和交通延误问题。

附图说明

图1为本发明的车联网环境下的交叉口信号优化控制方法的结构框图。

图2为本发明的车联网环境下的交叉口信号优化控制方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不局限于此。

实施例：

本实施例基于以下假设：

(1)实施例处于车联网环境下，信号交叉口处安装有路侧单元，路侧单元的通信范围即为DSRC通信技术的最大传输范围

(2)车辆进入路侧单元的通信范围之后，车辆的车载单元与路侧单元能够进行实时通信；

(3)个体车辆能够向路侧单元传输准确的速度信息、空间位置信息和运行状态信息；

(4)信息传输和数据处理的速度足够快，中间过程产生的延误可忽略；

(5)信号交叉口处的可行相位集已经确定，同一相位的各股车流间相互兼容；

(6)不考虑行人和非机动车的影响。

具体的实施方法如下：

如图1所示为本发明的一种车联网环境下的交叉口信号优化控制方法的框图。车辆的实时状态信息主要包括车辆识别号、速度、空间位置和运行状态，当车辆进入路侧单元的通信范围，车载单元会随机生成用于车辆轨迹识别的车辆识别号，但是该识别号仅当车辆通过该交叉口时有效；车辆的速度和位置信息分别由安装于差速器附近的速度传感器及车载GPS接收器获得；车辆的速度经信号滤波器处理后得到“0”或“1”的脉冲信号，由“1”表示车辆处于运行状态，由“0”表示车辆处于停止状态；当车辆进入信号交叉口路侧单元的通信范围之后，车辆状态信息将由车载单元通过DSRC通信技术实时传输给路侧单元，并存储在临时数据库中；

在上一阶段的信号配时操作结束前，临时数据库会对已经存储的车辆状态信息进行简单处理，统计出最新时刻的车辆状态信息：个体车辆的停车等待时长、各车道的排队长度(以车道上的停车数表示)、各车道上最末排队车辆的位置、各车道上运行车辆的速度和位置信息，并将这些信息传输给交通信息计算中心；

交通信息计算中心在获得由临时数据库传输的车辆状态信息后，为确定下一时刻的信号控制策略，需要考虑两个方面的问题：

(1)根据获得的个体车辆的停车等待时间，需要判断车辆的停车等待时间是否已超出最大停车等待时间的限定值；

(2)在保证个体车辆的停车等待时间均满足限定条件的基础上，求解下一时刻信号优化控制策略的绿灯相位和绿灯时长；

下面结合图2对本实施例的信号控制策略详述如下，包括以下步骤：

步骤S1：设信号交叉口处的最长停车等待时间的限定值为t_{s max}，允许的最小绿灯时长为g_min，允许的最大绿灯时长为g_max，交通流的饱和流率为f_s；

步骤S2：优先考虑个体车辆的停车等待时间，具体步骤如步骤S21～步骤S23所示：

步骤S21：比较个体车辆的停车等待时间与t_{s max}值的大小，若车辆的停车等待时间均小于t_{s max}的值则进入步骤S31，若存在车辆的停车等待时间大于t_{s max}的值，则为该车所在相位分配下一时刻的绿灯信号；若多辆车的停车等待时间均大于t_{s max}，选取停车等待时间最长车辆所在相位为下一时刻绿灯相位；

步骤S22：根据下一时刻绿灯相位p对应车道上的最大排队长度l_p，计算下一时刻绿灯相位的时长T_g：

步骤S23：根据步骤S21和步骤S22获取的绿灯相位和绿灯时长可以形成下一时刻的信号控制策略；

步骤S3：确定下一时刻的信号控制优化策略，具体步骤如步骤S31～步骤S33所示：

步骤S31：比较各车道上的排队长度并取得最大值l_max，为排队长度最大车道所在相位p分配下一时刻绿灯信号；如果存在多条车道的排队长度同为最大值l_max，且这些车道对应于不同的相位，则比较这些相位上车道的排队长度次大值，选取排队长度次大值所在相位p为下一时刻绿灯相位，以此类推；

步骤S32：交通信息计算中心假定的绿灯时长值在绿灯时长最小允许值和绿灯时长最大允许值的范围内变化，即令初始的绿灯时长假定值t_g取绿灯时长最小允许值g_min，之后每次在前一次绿灯时长假定值的基础上增加一个很小的时间间隔τ(令t_g＝t_g+τ)直至t_g>g_max，分别预测绿灯时长在不同假定值下各相位上多股车流产生的总延误，具体的延误计算步骤如下：

A:计算绿灯相位p对应车道m上第z辆排队车辆的延误值

B:计算绿灯相位p对应车道m上运行车辆a的前排队车辆的消散时间

上式中：表示相位p对应车道m上的排队长度；

C:比较消散时间与绿灯时长假定值的大小并取得较小值

D:计算绿灯相位p对应车道m上运行车辆a的到达时间

上式中：x_a表示运行车辆a最新时刻的位置；v_a表示运行车辆a最新时刻的速度；

E:比较与值的大小，若小于车辆a在绿灯时长内的延误若大于该车的延误时间

F:计算绿灯相位对应车道上车辆的延误总和T_d1：

上式中：n_pm表示绿灯相位p对应车道数；n_mz表示车道m上的排队车辆数；n_ma表示车道m上的运行车辆数；

G:计算非绿灯相位p₁对应车道m₁上排队车辆z₁的排队延误

H:计算非绿灯相位p₁对应车道m₁上运行车辆a₁的到达时间

上式中：表示车辆a₁最新时刻的位置；表示车辆a₁最新时刻的速度；x_l表示车道m₁上最后一辆排队车辆的位置；s₀表示排队车辆的平均车头间距；

I:比较与值的大小，若大于车辆a₁的延误时间若小于车辆a₁的延误时间

J:预测各非绿灯相位上各股车流在绿灯时长内的延误总和T_d2：

上式中：表示非绿灯相位数；表示非绿灯相位p₁对应车道数；表示车道m₁上的排队车辆数；表示车道m₁上的运行车辆数；

K:计算绿灯相位和时长下的总延误T_d(t_g)：

T_d(t_g)＝T_d1+T_d2；

步骤S33：比较绿灯时长在不同假定值时各相位的总延误值，获取总延误值最小所对应的绿灯时长T_g，此时，由绿灯相位p和绿灯时长T_g确定了下一时刻的信号优化控制策略；

每当交通信息计算中心确定了下一时刻的信号配时策略，交通信息计算中心会将控制策略回馈到信号控制器，由其控制交通信号灯的相位变化和相应的绿灯开启时间。通过交叉口停车线的车辆会将自身的车辆识别号发送给路侧单元，由其删除临时数据库内对应的车辆信息。当绿灯相位的绿灯信号结束前，回到步骤S1计算下一时刻的信号控制策略。

尽管本发明就优选实施方式进行了示意和描述，但本领域的技术人员应当理解，只要不超出本发明的权利要求所限定的范围，可以对本发明进行各种变化和修改。