基于车路协同的发动机起停控制系统及其方法
【专利摘要】本发明针对交通拥堵问题提供了一种基于车路协同的发动机起停控制系统及其方法。本控制系统包括车载单元和路侧单元，通过车路通信获取自车、前车运行状态以及路侧单元信息，以对自车进行发动机起停控制。本方法综合考虑车辆起步安全、驾驶员反应延时、发动机起动用时等因素预测停车等待时间，权衡等待时发动机怠速对蓄电池的充电量与发动机起动的能量消耗、停车等待时间与车辆起步延时，结合当前法规进行发动机熄火决策；当发动机熄火后，根据车间距、前车状态确定发动机起动时机。本发明可有效降低车辆在拥堵情况下停车等待的能耗和排放，在一定程度上提高拥堵消解的效率，若大规模使用，可使交通系统能耗与排放显著下降，并明显提升通行效率。
【专利说明】基于车路协同的发动机起停控制系统及其方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于交通控制与车辆控制交叉领域，具体涉及一种在具有交通信号的交叉 路口（以下简称"信号交叉口"）或拥堵路段车辆停止状态下基于车路协同的车辆停止时间 预测与面向节能减排与高效通行的发动机起停控制系统及方法。
【背景技术】
[0002] 随着城市机动车保有量的爆发式增加，城市路网交通情况日益恶劣，信号交叉口 与主要路段大范围交通拥堵现象频发。《北京市大气污染防治条例》首次将"停车三分钟以 上应熄火"纳入立法，并在2014年3月1日正式实施。然而，很大部分驾驶员在信号交叉口 及拥堵路段长时间停车时令发动机怠速运行，加重了环境污染和能源浪费，其中驾驶员无 法预知停车时长是导致无法正确决策熄灭发动机的一个重要原因。对于发动机已熄火的车 辆，由于驾驶员只能根据最邻近前发动机怠速运行车运动状态来决定启动发动机时机，进 而使车辆开始行进，导致了较大的起动延时，降低了拥堵消解的效率。因此准确预测驾驶员 停车等待时间，从节能角度控制车辆发动机熄火，从通行效率角度控制车辆重新起动发动 机，对城市交通系统节能减排和通行效率提升具有重大意义。
[0003] 在停车时间预测上，当前研究大都基于传统理论模型推算方法，方法中所需的排 队长度、车辆位置、数量等信息仍采用传统的道路检测器采集，检测范围固定，存在信息采 集不全面、不准确、实时性低等问题。
[0004] 在发动机起停控制上，当前技术大都采用停车固定时间后熄灭发动机的策略，而 没有与交通实际状况相结合。我国由于城市车流密度大，车辆行驶过程呈频繁走停状态，这 就导致采用当前发动机起停控制技术时车辆在行驶过程中出现发动机不必要频繁起停的 情况，增加了起动发动机的能量消耗和车辆起步延时，同时也降低了驾驶员驾驶舒适性。
[0005] 车路协同概念的提出与车路协同技术的发展，对交通智能化控制和车辆智能化控 制产生了巨大促进作用，它主要通过车车、车路的无线通信与数据交互，实现车车、车路之 间的协同，但是当前车路协同的目标主要在于提高交通安全，在交通节能和效率提升方面 还少有研究和应用。
[0006] 综上所述，现有技术在信号交叉口及路段停车时间预测及发动机起停控制上存在 的主要问题是：
[0007] (1)采用传统道路检测器，检测范围固定，数据采集实时性、准确性、全面性差；
[0008] (2)当前发动机起停控制系统未考虑交通拥堵情况，起停控制决策逻辑简单，造成 发动机频繁熄火起动；
[0009] (3)车路协同技术在车辆节能减排和通行效率提升上的应用还比较少。
【发明内容】
[0010] 本发明针对在拥堵信号交叉口和路段的停止等待车辆是否需要熄灭发动机、何时 重起发动机、停车等待时长三个问题，特别是针对驾驶员停车等待时发动机怠速加重交通 排放污染和能源浪费以及发动机重起时刻过晚导致交通效率下降问题，提出一种基于车路 协同的发动机起停控制系统及其方法。
[0011] 本发明提供的基于车路协同的发动机起停控制系统，包括路侧单元和车载单元， 路侧单元与车载单元实时进行无线通信。
[0012] 位于信号交叉口的路侧单元包括交叉口信号灯、交通信号灯控制机、多模式无线 通信模块以及差分GPS基站。路侧单元将当前信号灯剩余时间以及信号灯对应方向的车辆 停止线位置通过路侧多模式无线通信模块向外发送。
[0013] 车载单元包括差分GPS、车速传感器、前装毫米波雷达、车辆总线、多模式无线通信 模块、主控制器、发动机起停执行器以及人机交互界面。车载差分GPS用于定位自车，将自 车位置发送给主控制器；车速传感器用于获取自车的实时车速，并发送给主控制器；前装 毫米波雷达用于获取自车与前车的距离，并发送给主控制器；车辆总线用于获取自车发动 机运行状态，并发送给主控制器；车载多模式无线通信模块用于获取前方车辆运动状态信 息以及路侧单元信息，并发送给主控制器；主控制器用于实现：（1)判断自车所处环境；（2) 对车队进行编号；(3)实行发动机熄火或者起动决策，发送控制发动机起动或者熄火的命 令给发动机起停执行器；发动机起停执行器对发动机进行起动或熄火；人机交互界面显示 预测的停车等待时间给驾驶员。
[0014] 本发明提供的一种基于车路协同的发动机起停控制方法，面向拥堵信号交叉口及 路段已停止车辆，在自车上装备有本发明所述的车载设备，前方车辆装备必要的感知设备 和通信设备，能获取车辆运行状态信息以及进行车辆之间、路侧单元之间的无线通信。本发 明的发动机起停控制方法的具体实现步骤如下：
[0015] 步骤1 :自车实时获取自车的运动状态信息、前方车辆的运动状态信息以及路侧 单元信息；当检测到自车车速为零，且与前车车间距小于5米时，判断自车位于信号交叉口 还是拥堵路段；
[0016] 步骤2 :为因拥堵而形成的排队车辆进行排序；设排队头车编号为1，自车编号为 N+1，确定自车至排队头车的距离Lvs ;
[0017] 步骤3 :判断自车发动机是否在运行，若是进行发动机熄火决策，转步骤4执行，否 则进行发动机启动决策，转步骤8执行；
[0018] 步骤4 :确定拥堵状态下排队车辆的平均车间距D_ ;
[0019] 步骤5 :确定自车起步延时Tstart，定义自车起步延时为队列头车开始起步至自车 开始起步时刻所需的时间，根据下式得到； ( N 「n_ T _ Noffrengine + Nrdriver + V 〇saf；~ 〇mean Dmean <Dsafe
[0020] isiari-j ,- , hViJdle V ^off engine ^^driver ^mean ^ ^safe
[0021] 其中，Dsafe为车辆安全起动车距，Vi i&为第i辆车发动机怠速时的车速，Nf为自 车前方排队的N辆车中熄火的车辆数，车辆发动机起动平均用时，驾驶员 反应平均延时；
[0022] 步骤6 :预测停车等待时间Twait，具体是：
[0023] (1)当自车位于拥堵信号交叉口时，若交叉口当前为红灯，停车等待时间Twait = TMd+Tstart，TMd为交叉口红灯剩余配时；若当前为绿灯，停车等待时间T wait为自车起步延时 Tstart;
[0024] (2)当自车位于拥堵路段时，停车等待时间Twait为自车起步延时Tstart ;
[0025] 步骤7 :自车进行发动机熄火决策，具体是：
[0026] 首先，确定若停车等待时发动机不熄火为蓄电池充入的能量Ebattey= nEidle，η为 自车发动机怠速时的蓄电池充电效率，Eidle为若停车等待时发动机不熄火消耗的能量，根 据下式获得： Γηηη_? F 16.67pF7：,.",
[0027] Eidle - - beidle
[0028] 其中，F。为自车发动机怠速时的油耗，beidle为自车发动机怠速时的有效燃油消耗 率，P为燃油密度；
[0029]然后，进行发动机熄火决策：当Estart < Ebattey且Twait > τ _e+ τ dHver时，控制自 车发动机熄火；若预测得到的停车等待时间Twait超过360s，控制发动机熄火；其中，Estart为 发动机起动消耗的蓄电池能量；
[0030] 进行发动机熄火决策后，继续转步骤1执行。
[0031] 步骤8 :自车进行发动机起动决策，具体是：实时获取自车与第N辆车的间距AD ; D"lc -AD 当自车编号为2,并同时满足Λ D < Dsafe和时，自车起动发动机；当自车编 ^ Nidle 号为3时，起动发动机；进行发动机起动决策后，继续转步骤1执行。
[0032] 本发明提出的发动机起停控制系统及其方法，相对现有技术，其优点和积极效果 在于：
[0033] (1)区别于传统交通信息感知手段，通过车路、车车无线通信与信息交互，实现了 对交叉口信号相位信息、前方排队车辆位置和运行状态信息的全面、精确、实时获取；
[0034] (2)基于车路信息，考虑信号相位信息、排队车辆位置、排队车辆运行状态、起步延 时等因素，预测自车停车等待时间，更符合实际情况；
[0035] (3)面向节能减排和通行效率双目标，结合停车等待时间建立发动机熄火决策方 法，控制发动机熄火，达到降低能耗、减少排放、提高拥堵消解效率的目的；
[0036] (4)根据前车运行状态及相对位置，确定合理起步时刻，考虑发动机起动延时，控 制发动机提前起动，在一定程度上降低了车辆的起步延时，减少了对交通效率的不利影响， 提1? 了受通效率；
[0037] (5)若在路网内运行车辆都装备本发明的发动机起停控制系统，将大大降低城市 交通系统中车辆怠速排放和能耗，并且在拥堵消解效率上也将有所提高。
【专利附图】
【附图说明】
[0038] 图1是本发明的位于信号交叉口的路侧单元的物理结构示意图；
[0039] 图2是本发明的车载单元的物理结构示意图；
[0040] 图3是本发明要求其他车辆搭载的物理结构示意图；
[0041] 图4是本发明的发动机系统场景以及信息感知与交互示意图；
[0042] 图5是本发明的发动机起停控制方法的整体流程示意图。
【具体实施方式】
[0043] 下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
[0044] 本发明针对车辆在拥堵信号交叉口和拥堵路段停止等待时，发动机是否需要熄火 以及熄火后何时起动问题，基于车车、车路通信获取车路信息，面向节能减排及通行效率两 个目标，提出了一种基于车路协同的发动机起停控制系统及其方法。本发明针对拥堵信号 交叉口和路段，结合当前交通状态，合理预测停车等待时长并控制停止车辆发动机起停，从 而避免停车等待时发动机怠速而导致的排放污染及能源浪费，并通过获取前车运行状态， 确定合理起步时刻，提前起动发动机，降低车辆起步延时，提高交通效率。
[0045] 如图1与图2所示，本发明所提出的发动机起停控制系统包括路侧单元与车载单 元，路侧单元与车载单元实时进行无线通信。
[0046] 如图1所示，路侧单元主要位于信号交叉口，位于信号交叉口的路侧单元包括交 叉口信号灯11、交通信号灯控制机12、路侧多模式无线通信模块13以及差分GPS基站14。 进一步，为了保证车载单元的精确差分定位，在路段也设置路侧单元，位于路段的路侧单元 缩减为差分GPS基站14及路侧多模式无线通信模块13。交叉口信号灯11用于控制交通流 量。交通信号灯控制机12将当前信号灯剩余时间以及已精确测量的该信号灯对应方向的 车辆停止线位置信息通过路侧多模式无线通信模块13向外发送。差分GPS基站14定位路 侧单元，以用于计算信号灯对应方向的车辆停止线的位置。
[0047] 如图2所示，车载单元包括车载差分GPS21、车速传感器22、前装毫米波雷达23、车 辆总线24、车载多模式无线通信模块25、第一主控制器26、发动机起停执行器27以及人机 交互界面28。车载差分GPS21用于实现自车的精确定位，获取车辆的位置信息。车速传感 器22用于获取自车的实时车速。前装毫米波雷达23用于获取自车与前车的精确距离。车 辆总线24用于获取发动机运行状态，得到发动机起停标志。车载多模式无线通信模块25用 于获取前方车辆运动状态信息以及路侧单元信息。第一主控制器26接收车载差分GPS21、 车速传感器22、前装毫米波雷达23、车辆总线24以及车载多模式无线通信模块25获取的 数据，主要功能有：（1)判断自车所处环境；（2)对排队车辆进行编号；(3)预测停车等待时 间，实行发动机熄火或者起动决策。第一主控制器26发送控制发动机起动或者熄火的命令 给发动机起停执行器27。发动机起停执行器27根据所接收的命令对发动机进行起动或熄 火。人机交互界面28用于人机交互，显示预测的停车等待时间给驾驶员。
[0048] 第一主控制器26对排队车辆进行编号的方法是：当自车位于信号交叉口时，根据 自车位置和接收的交叉口停止线位置，确定自车距交叉口停止线的距离，排队头车位于停 止线，根据接收的前方车辆的位置对排队车辆进行编号；当自车位于路段时，获取通信范围 内前方车辆ID、车速、车辆位置和发动机怠速时的车速；当第i辆前车和第i+Ι辆前车符合 条件：Vi彡Vi idle且Vi+1 < Vi+1 idle时，将第i+Ι辆前车定为排队头车，Vp Vi+1分别为第i辆 和第i+Ι辆前车的车速，\ idle和Vi+1 ^&分别为第i辆和第i+Ι辆前车发动机怠速时的车 速；若通信范围内各车辆本身的车速均低于本身发动机怠速时的车速，则将通信范围内距 自车最远的车辆作为排队头车；从排队头车至自车车辆进行编号。
[0049] 第一主控制器26基于编号的排队车辆，在自车发动机熄火时，进行发动机启动决 策，否则进行发动机熄火决策。设排队头车的编号为1，自车的编号为N+l。
[0050] 发动机启动决策具体是：实时获取自车与编号为N的车辆的间距AD ;当自车编号 为2,并同时满足AD < Dsaf^
【权利要求】
1. 一种基于车路协同的发动机起停控制系统，包括路侧单元和车载单元，路侧单元与 车载单元实时进行无线通信；位于信号交叉口的路侧单元包括交叉口信号灯、交通信号灯 控制机、路侧多模式无线通信模块以及差分GPS基站；其特征在于，所述的路侧单元将当前 信号灯剩余时间以及信号灯对应方向的车辆停止线位置通过路侧多模式无线通信模块向 外发送； 所述的路侧单元包括车载差分GPS、车速传感器、前装毫米波雷达、车辆总线、车载多模 式无线通信模块、主控制器、发动机起停执行器以及人机交互界面；车载差分GPS用于定位 自车，将自车位置发送给主控制器；车速传感器用于获取自车的实时车速，并发送给主控制 器；前装毫米波雷达用于获取自车与前车的距离，并发送给主控制器；车辆总线用于获取 自车发动机运行状态，并发送给主控制器；车载多模式无线通信模块用于获取前方车辆运 动状态信息以及路侧单元信息，并发送给主控制器；主控制器用于实现：（1)判断自车所处 环境；（2)对排队车辆进行编号；（3)预测停车等待时间，实行发动机熄火或者起动决策；发 送控制发动机起动或者熄火的命令给发动机起停执行器；发动机起停执行器对发动机进行 起动或熄火；人机交互界面显示预测的停车等待时间给驾驶员。
2. 根据权利要求1所述的基于车路协同的发动机起停控制系统，其特征在于，所述的 主控制器对排队车辆进行编号的方法是：当自车位于信号交叉口时，根据自车位置和接收 的交叉口停止线位置，确定自车距交叉口停止线的距离，排队头车位于停止线，根据接收的 前方车辆的位置对排队车辆进行编号；当自车位于路段时，获取通信范围内前方车辆ID、 车速、车辆位置和发动机怠速时的车速；当第i辆前车和第i+1辆前车符合条件：\ > Vi idle 且Vi+1 < Vi+1 idle时，将第i+1辆前车定为排队头车，Vp Vi+1分别为第i辆和第i+1辆前车 的车速，\ idle和Vi+1 ^&分别为第i辆和第i+Ι辆前车发动机怠速时的车速；若通信范围内 各车辆本身的车速均低于本身发动机怠速时的车速，则将通信范围内距自车最远的车辆作 为排队头车；从排队头车至自车车辆进行编号。
3. 根据权利要求1或2所述的基于车路协同的发动机起停控制系统，其特征在于，所述 的主控制器，基于编号的排队车辆，在自车发动机熄火时，进行发动机启动决策，否则进行 发动机熄火决策；设排队头车的编号为1，自车的编号为N+1 ; 发动机启动决策具体是：实时获取自车与编号为N的车辆的间距AD ;当自车编号为 D / - AD 2,并同时满足AD<Dsafe和^->Γ叫寶时，自车起动发动机；当自车编号为3时，起动 V NJdle 发动机；Dsafe为车辆安全起动车距，VN idle为第N辆车发动机怠速时的车速，τ _ne为车辆 发动机起动平均用时； 发动机熄火决策具体是：预测停车等待时间Twait，若Twait超过360秒，控制发动机熄 火； 若满足Estart < Ebattey且Twait > τ _e+ τ d_，控制发动机熄火；Estart为发动机起动 消耗的蓄电池能量，EbattOTy为若停车等待时发动机不熄火为蓄电池充入的能量，EbattOTy = ^ Ejdie ； η为自车发动机怠速时的蓄电池充电效率，Eidle为若停车等待时发动机不熄火消耗的 厂 16.67/)厂 7:,,., 能量，足= -7--，F。为自车发动机怠速时的油耗，beidle为自车发动机怠速时的有 〇eid!e 效燃油消耗率，p为燃油密度； 预测停车等待时间Twait的获取方法是：当自车位于拥堵信号交叉口时，若交叉口当前 为红灯，停车等待时间Twait = T^+T^rt，TMd为交叉口红灯剩余配时；若当前为绿灯，停车等 待时间Twait为自车起步延时T start ;当自车位于拥堵路段时，停车等待时间Twait为自车起步 延时Tstart ;自车起步延时Tstart根据下式确定： r N (Λ, , Λ,_ , Dsa^e - Dmean ^ η Τ' _ j ^off^enaine ' driver / 7} ^mean - ^safe 1 start - Λ 4-； vi_i.dle I ti_1 \N〇ff ^engine "I" ^τ?τ?νβτ Dmean > Dsaje Nf为自车前方排队的N辆车中熄火的车辆数，τ 为车辆驾驶员反应平均延时，\ i&为排队的第i辆车发动机怠速时的车速。
4. 一种基于车路协同的发动机起停控制方法，其特征在于，包括如下步骤： 步骤1 :自车实时获取自车和前方车辆的运动状态信息、路侧单元信息，当检测到自车 车速为零且与前车车间距小于5米时，判断自车位于信号交叉口还是拥堵路段； 步骤2 :为排队车辆排序，设排队头车的编号为1，自车的编号为N+1，确定自车至排队 头车的距离LyS ; 步骤3 :判断自车发动机是否在运行，若是，进入步骤4执行，否则，转步骤8执行； 步骤4 :确定拥堵状态下排队车辆的平均车间距Dm_ ; 步骤5 :确定自车起步延时Tstart，定义自车起步延时为队列头车开始起步至自车开始 起步时刻所需的时间，根据下式确定： ( N (jV ",Τ · + NTrt , ^safe-Dmean ψ - ) Lengine 丁 Ldriver 丁 / T, umean - usafe lstart ~ j h Vijdie ofengine driver Dmean > Dsa^e 其中，Dsafe为车辆安全起动车距，N#为自车前方排队的N辆车中熄火的车辆数，τ mgim 为车辆发动机起动平均用时，τ 为车辆驾驶员反应平均延时，\ idle为排队的第i辆车 发动机怠速时的车速； 步骤6 :预测停车等待时间Twait，具体是： (1) 当自车位于拥堵信号交叉口时，若交叉口当前为红灯，停车等待时间Twait = TMd+Tstart，TMd为交叉口红灯剩余配时；若当前为绿灯，停车等待时间T wait为自车起步延时 Tstart ; (2) 当自车位于拥堵路段时，停车等待时间Twait为自车起步延时Tstart ; 步骤7 :自车进行发动机熄火决策，然后转步骤1继续执行； 自车进行发动机熄火决策的方法是：首先，确定若停车等待时发动机不熄火为蓄电池 充入的能量EbattOTy= nEidle，η为自车发动机怠速时的蓄电池充电效率，Eidle为若停车等 待时发动机不熄火消耗的能量，根据下式获得： _\6.61pFTwl L idle 一 ； beidle 其中，F。为自车发动机怠速时的油耗，beidle为自车发动机怠速时的有效燃油消耗率，P 为燃油密度； 然后，进行发动机熄火决策：当Estart < Ebattey且Twait > τ _e+ τ d_时，控制自车发 动机熄火；若预测得到的停车等待时间Twait超过360s，控制发动机熄火；其中，Estart为发动 机起动消耗的蓄电池能量； 步骤8 :自车进行发动机起动决策，然后转步骤1执行； 所述的自车进行发动机起动决策，具体是：实时获取自车与第N辆车的间距AD ;当自 D^lh - AD 车编号为2,并同时满足AD<Dsafe和一^-时，自车起动发动机，VN idle为第N辆 ^ N」die 车发动机怠速时的车速；当自车编号为3时，起动发动机。
5. 根据权利要求4所述的发动机起停控制方法，其特征在于，步骤2中所述的为排队车 辆排序，具体实现方法是： 当自车位于信号交叉口时，根据自车位置和接收的交叉口停止线位置，确定自车距交 叉口停止线的距离，排队头车位于停止线，根据接收的前方车辆的位置对排队车辆进行编 号； 当自车位于路段时，获取通信范围内前方车辆ID、车速、车辆位置和发动机怠速时的车 速；当第i辆前车和第i+Ι辆前车符合条件：\彡Vi idle且Vi+1 < Vi+l idle时，将第i+Ι辆前 车定为排队头车，Vi+1分别为第i辆和第i+Ι辆前车的车速，Vi idle和Vi+1 idle分别为第i 辆和第i+1辆前车发动机怠速时的车速；若通信范围内各车辆本身的车速均低于本身发动 机怠速时的车速，则将通信范围内距自车最远的车辆作为排队头车；从排队头车至自车车 辆进行编号，并确定自车至排队头车的距离。
6. 根据权利要求4或5所述的发动机起停控制方法，其特征在于，步骤4中所述的平均 车间距D_n根据下式获得 ： N -^VS ~ Σ D =- mean 其中，Q表示第i辆前车的车辆纵向长度。
【文档编号】B60W30/18GK104064044SQ201410306450
【公开日】2014年9月24日 申请日期:2014年6月30日 优先权日:2014年6月30日
【发明者】王云鹏, 王建强, 王迪, 鹿应荣 申请人:北京航空航天大学, 清华大学