一种基于重量感知的交叉口感应轮放控制方法与流程

本发明属于道路交通控制领域，特别涉及到一种运用车速引导、重量感知、相位切换等手段来减少重型货车在交叉口停车次数，并且降低行车延误的方法。

背景技术：

我国正处于城市化和机动化快速发展时期，同时运输业也占有重要的比重，尤其是陆路运输中，货车在道路上也是作为一种主流运输方式。重型货车由于其动力性差和体积大，在面对交通信号灯的变化时，重型货车需要更长的时间和距离来加速、减速，这样不仅会给其本身造成行车延误，而且也会给其它车辆带来额外延误。避免重型货车停车，对燃料消耗、污染排放和路面损坏等方面都会带来好处。重型货车在交叉口一次减速停车、加速启动要比其他车辆消耗更多的燃油，同时发动机尾气排放也会增多，加重了温室效应、大气污染。重型货车制动刹车时，在车重以及其他作用力下对道路进口处产生车辙等对道路产生损害的现象，增加了公路维护成本，减少了道路使用年限。

技术实现要素：

针对以上问题，本发明提出一种基于重量感知的交叉口轮放控制方法，通过动态称重系统来获取货车重量、速度等信息，识别其是否达到优先通行的重量要求，对达到重量要求的重型货车进行车速引导和信号配时的协同控制，达到重型货车不停车或少停车的目的。

本发明是通过以下技术方案实现上述技术目的：

一种基于重量感知的交叉口感应轮放控制方法，动态称重系统获取货车的重量和速度，识别是否达到优先通行的要求，若满足优先通行，则发送给引导车速生成及发布系统，所述引导车速生成及发布系统读取信号控制系统的信号配时方案，对货车进行车速引导和信号配时的协同控制。

进一步，所述动态称重系统、引导车速生成及发布系统和车速引导起始线由远及近布置在距离交叉口各进口道停车线一定距离处。

进一步，所述车速引导和信号配时的协同控制具体为：计算货车到达时间窗与通行时间窗，基于到达时间窗与通行时间窗设置货车优先通行策略。

更进一步，所述优先通行策略包括：基于车速引导、基于车速引导和相位绿灯时长变化引导、感应式轮放相位切换引导。

更进一步，所述基于车速引导，是由货车到达时间窗与行驶方向相位绿灯时段交集关系决定的，包括原速行驶、加速行驶和减速行驶引导。

更进一步，所述基于车速引导和相位绿灯时长变化引导，是由货车到达时间窗与行驶方向相位通行时间窗交集关系决定的，包括引导提速和延长绿灯时间、引导减速和缩短红灯时间。

更进一步，所述感应式轮放相位切换引导，基于货车到达时间窗与行驶方向相位通行时间窗没有交集，且满足相位切换原则。

本发明具有以下有益效果：

1.经济性。本发明通过车速引导和信号配时协同作用，使得重型货车在信号交叉口少停车或者不停车，减少货车磨损和路面损坏，降低了油耗，减少了行程延误。

2、环保性。本发明的控制方法，可减少重型货车在交叉口停车次数，使得重型货车和其他车辆的尾气排放量降低，对倡导绿色出行起到积极推动作用。

3、安全性。本发明交叉口采用轮放策略，使得同一进口方向车流在同一信号相位放行，所有机动车的冲突在时间上进行分离，减少机动车潜在冲突危险，使得交通安全性得到了提升。

4、舒适性。本发明的led显示屏实时给出车速，保证车辆以均匀车速行驶，方便驾驶员操作，降低超车的发生，大大提高了驾驶员的驾驶舒适度。

附图说明

图1是本发明中交叉口led显示屏和动态称重系统摆放位置以及起始线设置示意图；

图2是本发明中基于重量感知的交叉口感应轮放的西进口系统布置示意图；

图3是本发明中基于重量感知的交叉口感应轮放的系统结构以及系统之间信息传输关系示意图；

图4是本发明中货车到达时间窗与通行时间窗示意图；

图5是本发明中四相位货车到达时刻示例示意图。

具体实施方案

下面将结合附图对本发明的具体方案作进一步的说明，但是本发明的保护范围并不限于此。

一、基于重量感知的交叉口感应轮放系统布置以及起始线设置

基于重量感知的交叉口感应轮放系统包括交叉口信号控制系统、4个引导车速生成及发布系统(led显示屏所在位置)和4个动态称重系统，动态称重系统和交叉口信号控制系统均与引导车速生成及发布系统相连；其中信号控制系统为一般信号交叉口原有系统，包含了1组信号灯(4个)与1个信号机；一个信号机控制一个交叉口，其布置在任一进口道不妨碍行人及非机动车通行路侧即可，如图1所示，将信号机布置在了西进口道路侧；信号灯的布置与各个进口道相对应；图1中，每个进口道均设有1个引导车速生成及发布系统和1个动态称重系统，且每个进口道处的引导车速生成及发布系统和动态称重系统系统布置相同；本实施例以西进口为例，给出系统布置。

(1)引导车速生成及发布系统的布置

如图2所示，引导车速生成及发布系统安装在一根位于路侧的f型三悬臂杆上，该杆距离交叉口停车线的距离为l；引导车速生成及发布系统包括plc、人机对话模块、变压模块以及led显示屏，人机对话模块、变压模块以及led显示屏均与plc相连；led显示屏安装在三悬臂杆的横杆上，显示面朝向需进行车速引导的方向，底部与地面的垂直距离为5.5m；plc、人机对话模块、变压模块均置于安装在三悬臂杆竖杆上的抱杆机箱中，抱杆机箱位于路侧一侧，底部与地面的垂直距离为2.5m。plc采用西门子公司s7-200系列的cpu226型，工作电源为24vdc，其为引导车速生成及发布系统的核心设备；plc的功能由其内置的程序实现，plc的内置程序由编程软件step7-micro编写，并通过usb-ppi通讯线将编写的程序导入plc进调试，调试完成后，将最终程序保存在plc中；交叉口不同plc之间可以基于以太网设置数据共享；变压模块中的变压单元具体为升压器或降压器。

(2)引导车速起始线的设置

由于驾驶员根据led显示屏显示的引导车速作出反应需要时间，且依据led显示屏的提示改变车速，因此起始线位置相对led显示屏提前；如图1，显示屏距路面的高度为h，驾驶员与显示屏的视觉仰角为θ，利用三角函数知识可得引导车速起始线相对led显示屏提前的距离m＝h/tanθ，则引导车速起始线距离交叉口停车线距离d＝l+m(图2)。

(3)动态称重系统布置

如图1所示，动态称重系统包含2排称重传感器和1个控制柜；本实施例中的称重传感器选择弯板动态称重传感器，综合各类称重设备特点，弯板动态称重传感器具有维护方便、成本低、使用周期长、允许通过的速度范围广、可完整记录车轮通过时重量信号曲线的优点，是高速动态称重的较优选择；2排称重传感器平行安装在进口道上，2排传感器中间间隔距离取65cm；控制柜布置在靠近传感器且不妨碍行人及非机动车通行路侧；如图2所示，考虑到数据传输与处理的时间，动态称重系统与引导车速起始线的距离为s，s取1m。

二、基于重量感知的交叉口轮放系统参数获取

基于重量感知的交叉口各进口道参数获取的方式，各进口道的轮放系统连接方式都是相同的；本实施例以西进口为例，给出基于重量感知的交叉口轮放系统中各个系统(交叉口信号控制系统、引导车速生成及发布系统和动态称重系统)信息传输关系与参数获取；如图3所示，以西进口为例，箭头方向表示信息输入方向，单向连接表示两者之间只有一个箭头，且只能一个作为输出、一个作为输入，双向连接表示两者之间有两个反向箭头，两者之间能互相作为输出、输入；信号灯与信号机单向连接，plc通过变压模块与信号机双向连接，人机对话模块和led显示屏均与plc单向连接，动态称重传感器与控制柜单向连接，控制柜与plc单向连接。当货车经过动态称重系统的二号称重传感器时，产生压电输出信号传送给控制柜，控制柜由经验模分解法(emd算法)计算出该货车重量；当货车经过动态称重系统的一号称重传感器时，产生压电输出信号再次传送给控制柜，控制柜再次计算出该货车重量，当两次测得的货车重量都超过x吨时(x一般大于等于20)，控制柜则发送货车优先信号给plc；两次测量提高系统鲁棒性与准确性，当货车同一轴车轮连续通过两个称重传感器，依据压电输出信号产生的时间差t和2个称重传感器之间的距离q，控制柜根据公式测得货车的行驶速度v0，同时把货车行驶速度v0参数信息发送给plc；接受到货车优先信号的plc立即通过变压模块读取当前信号机的信号配时方案，确定当前信号交叉口的信号配时所处的时刻a，即货车驶离动态称重系统时刻；在人机对话模块中手动输入引导车速生成及发布系统运行已知参数；通过人机对话模块设置引导车速起始线距交叉口停车线的距离d，距离d过短会导致车速引导功能性低，过长会使引导情况复杂化，影响车速引导的准确度，因此d一般设置为500-1000m；通过人机对话模块设置引导车速上限vmax、下限vmin，一般情况下，引导车速上限选择该路段货车历史车速的85％位车速、引导车速下限选择该货车路段历史车速的15％位车速；通过人机对话模块设置加速度a，现有研究成果表明驾驶员可以接受的最大舒适加速度为2.5m/s²，所以加速度a要小于等于2.5m/s²；通过人机对话模块设置交叉口最长绿灯延长时长和红灯缩短时长交叉口最长绿灯延长时长和红灯缩短时长的取值根据实际需要设置；通过信号机设置信号控制周期c、相位数、各相位绿灯开始与结束时刻；人机对话模块和信号机设置的信息都读取至plc中，plc处理收到的数据信息，制定车速引导策略，车速引导策略的制定完成后，plc通过modbus协议，以数据寄存地址为媒介，将车速引导策略信息输出至led显示屏，led显示屏发布该车速引导策略。

三、基于重量感知的交叉口轮放系统引导策略

(1)货车到达时间窗与通行时间窗数据计算

如图4所示，货车到达时间窗与通行时间窗示意图；对于处于引导区的货车，根据其允许引导车速的上下限确定其在交叉口的到达时间窗长度。基于交叉口各相位绿灯持续时间、最大红灯缩短和绿灯延长时间的约束，可以确定一个货车相位优先申请的通行时间窗长度；两个时间窗关系决定着在速度引导与信号优先协同作用下，货车能否通过交叉口；货车驶离动态称重系统时，plc读取信号交叉口的信号配时所处时刻a；货车以速度v0从车速引导起始线到停车线时所需要的时间货车以速度v0从动态称重系统到停车线时所需要的时间所以货车以速度v0到达停车线时刻b为时刻a加上t1；由车速引导起始线距停车线长度d、货车允许运行最大合理车速vmax和最小合理车速vmin以及货车加速度a，得到货车从车速引导起始线加速至vmax到达停车线的所需时间tmax和货车减速至vmin到达停车线的所需时间tmin，公式如下：

货车以vmax到达停车线的所需时间tmax与货车以速度v0到达停车线时所需时间t0的差值，即货车到达时间窗下限与货车以速度v0到达停车线时刻b的差值；货车以vmin到达停车线的所需时间tmin与货车以速度v0到达停车线时所需时间t0的差值，即货车到达时间窗上限与货车以速度v0到达停车线时刻b的差值；plc计算出货车到达时间窗下限和上限公式如下：

相位通行时间窗下限和上限可分别由相位绿灯开始时刻gs、最长红灯缩短时长和相位绿灯结束时刻ge、最长绿灯延长时长计算得到，公式如下：

(2)基于到达时间窗与通行时间窗的货车优先策略

基于“先到先服务”原则制定货车优先策略，以货车驶离动态称重系统发送货车优先请求顺序为“先到”准则；行人、非机动车的干扰因素排除在外；货车行驶能够服从引导策略；引导车速的取值在货车行驶最小速度与最大速度之间；货车能够通过辅助驾驶或人为操作服从加速度a进行加减速。

策略1：基于车速引导货车

依次判断货车以速度v0到达交叉口停车线时刻b是否处于该相位绿灯时段之内，如果处于该相位绿灯时段之内，则转入策略1.1；如果货车到达交叉口停车线时刻b不处于该相位绿灯时段之内，但是该货车到达时间窗下限落在该相位绿灯时段内，则转入策略1.2；如果货车到达交叉口停车线时刻b不处于该相位绿灯时段之内，但是该货车到达时间窗上限落在该相位绿灯时段内，则转入策略1.3；如果货车到达交叉口停车线时刻b不处于该相位绿灯范围之内，且该货车到达时间窗上、下限都不落在该相位绿灯时段内，但是该相位绿灯时段全部在该货车到达时间窗的集合内，则转入策略1.3；如果该货车到达时间窗与该相位绿灯时段内没有交集，但是该货车到达时间窗与该相位通行时间窗有交集，则转入策略2；如果该货车到达时间窗与该相位通行时间窗没有交集，则转入策略3。

策略1.1：原速行驶

货车以速度v0到达交叉口停车线时刻b处于该相位绿灯范围之内，plc向led显示屏输入信息，使得该相位进口路段上的led屏幕显示“请保持v0行驶”；

策略1.2：加速行驶

将该相位绿灯时段与货车到达时间窗交集内绿灯结束时刻作为基准时刻点，货车从车速引导线到达停车线时刻为绿灯结束时刻所需时间t3，由公式t0-t3＝b-ge，反向推导出t3，接着由公式算出货车引导速度vx，其中当vx有小数时，vx＝roundup(vx)，roundup为向上取整符号，则plc向led显示屏输入信息，使得该相位进口路段上的led屏幕显示“请以加速度a加速至vx行驶”；

策略1.3：减速行驶

将该相位绿灯时间与货车到达时间窗交集内绿灯开始时间作为基准时刻点，货车从车速引导线到达停车线时刻为绿灯开始时刻所需时间t4，由公式t4-t0＝gs-b，反向推导出t4，接着由公式算出货车引导速度vx，其中当vx有小数时，vx＝rounddown(vx)，rounddown为向下取整符号，plc向led显示屏输入信息，使得该相位进口路段上的led屏幕显示“请以加速度a减速至vx行驶”。

策略2：基于车速引导和相位绿灯时长变化引导货车

依次判断货车到达时间窗与该相位通行时间窗有交集，且货车到达时间窗下限在两者交集内，则转入策略2.1；该货车到达时间窗与该相位通行时间窗有交集，且货车到达时间窗上限在两者交集内，则转入策略2.2；该货车到达时间窗与该相位通行时间窗有交集，且货车到达时间窗上下限都不在两者交集内，则转入策略2.2。

策略2.1：引导提速和延长绿灯时间

将该相位通行时间窗与货车到达时间窗交集内货车到达时间窗下限作为基准时刻点，以vmax作为引导速度，由货车到达时间窗下限与相位绿灯结束时刻差值推导出需要延长绿灯的时长其中当δ^g有小数时，δ^g＝roundup(δ^g)，周期时长c则相应延长了δ^g，则plc向led显示屏输入信息，使得该相位进口路段上的led屏幕显示“请以加速度a加速至vmax行驶”；同时plc向信号机输入信息，使得信号机控制该进口信号灯相关相位绿灯延长δ^g秒，相应周期时长c则相应延长了δ^g秒。

策略2.2：引导减速和缩短红灯时间

将该相位通行时间窗与货车到达时间窗交集内货车到达时间窗上限作为基准时刻点，以vmin作为引导速度，货车到达时间窗上限与相位绿灯开始时刻差值推导出需要缩短红灯的时长其中当δ^r有小数时，δ^r＝roundup(δ^r)，周期时长c则相应减少了δ^r，则plc向led显示屏输入信息，使得该相位进口路段上的led屏幕显示“请以加速度a加速至vmin行驶”；同时plc向信号机输入信息，使得信号机控制该进口信号灯相关相位红灯缩短δ^r秒，相应周期时长c则相应缩短了δ^r秒。

策略3：感应式轮放相位切换引导货车

感应式轮放切换相位即在一个周期内，把轮放模式下的某一个相位绿灯时段与另一个相位绿灯时段交换次序，使得某一个相位绿灯时段在一个周期内提前或者滞后执行，使得重型货车到达交叉口时，信号灯为绿灯。感应式轮放相位切换要遵循以下3个原则：

原则1：在一个周期内，进行切换的2个相位绿灯均没有开始执行；如东进口绿灯放行相位已执行完毕，则任何其他相位不得与其交换执行次序；

原则2：进行切换相位方案，被切换的相位(原本相位绿灯时段转换为相位红灯时段的相位)通行时间窗内此刻没有具有优先权的货车计划通过；

原则3：如果该货车到达时间窗横跨多个其他方向相位绿灯时段，先判断到达时间窗下限所在时刻具有绿灯的相位作为切换相位进行原则1和原则2判断，如其不符合原则1或者原则2，接着再依次判断从到达时间窗下限到到达时间窗上限之间的具有绿灯的相位作为切换相位进行原则1和原则2判断，最后判断到达时间窗上限所在时刻具有绿灯的相位作为切换相位进行原则1和原则2判断；

如果满足上述3个原则，则可以进行感应式轮放相位切换策略，plc向信号机输入信息，使得信号机把相关相位进行切换，并转入策略1；如果不满足上述3个原则之一，则判定该货车在信号交叉口处停车，则该相位进口路段上的led屏幕显示“请安全行驶”。

四、基于重量感知的交叉口轮放系统货车优先实例计算

假设在一个信号交叉口，各进口轮放绿灯时间g＝30s，最长绿灯延长时长和最长红灯缩短时长均为10s，在d＝1000m处设置车速引导线，根据该路口实际交通情况，给定的最大、最小引导速度vmax＝80km/h，vmin＝40km/h；现有a、b两辆达到优先重量的货车分别行驶在北进口道与南进口道，两辆货车a、b基于一个周期内轮放信号配时图到达停车线b时刻如图5所示,其到达停车线时刻b值分别为15、55；加速度a取值为2.5m/s²；基于“先到先服务”原则，优先策略执行次序依次为a、b；两辆货车a、b原本速度v0依次为72km/h、54km/h；下面进行货车优先实例计算：

(1)a货车优先策略：a货车以v0、vmax、vmin从车速引导线到达停车线所需时间，则：

由t0、tmax、tmin和a货车到达停车线时刻b值，根据货车到达时间窗公式和可得a货车到达时间窗下限和上限为10和54；北进口绿灯时间开始和结束时刻为30和60，相位通行时间窗下限和上限的计算结果为：

判断得出货车到达交叉口停车线时刻b不处于该相位绿灯范围之内，但是该货车到达时间窗上限落在该相位绿灯时段内，则转入策略1.3；将该相位绿灯时间与货车到达时间窗交集内绿灯开始时间作为基准时刻点，绿灯时间开始时刻gs与a货车到达停车线时刻b值的差值为15，货车从车速引导线到达停车线时刻为绿灯开始时刻所需时间t4，由公式t4-t0＝gs-b＝15，反向推导出t4＝65s，则需要a货车速度以速度vx在65s内到达停车线，其公式为：反向推倒得出rounddown(vx)＝55km/h，则该相位进口路段上的led屏幕显示“请以加速度2.5m/s²减速至55km/h行驶”。

(2)b货车优先策略：b货车以v0、vmax、vmin从车速引导线到达停车线所需时间，则：

由t0、tmax、tmin和b货车到达停车线时刻b值，根据货车到达时间窗公式和可得b货车到达时间窗下限和上限为33和78；南进口绿灯时间开始和结束时刻为90和120，相位通行时间窗下限和上限的计算结果为：

判断得出b货车到达时间窗与该相位通行时间窗没有交集，则转入策略3；b货车到达时间窗横跨北进口和西进口方向相位绿灯时段，先判断其到达时间窗下限所在时刻具有绿灯的北进口相位作为切换相位进行原则1和原则2判断，由于北进口相位通行时间窗内此刻有具有优先权的货车计划通过，所以不能作为切换相位，接着判断其到达时间窗上限所在时刻具有绿灯的西进口相位作为切换相位，

西进口相位绿灯时段满足策略3的3个原则，可以进行切换相位并转入策略1；此刻，南进口绿灯时间开始和结束时刻为60和90，西进口绿灯时刻开始和结束时刻则为90和120；判断得出b货车到达交叉口停车线时刻b不处于该相位绿灯范围之内，但是该货车到达时间窗上限落在该相位绿灯时段内，则转入策略1.3；将该相位绿灯时间与货车到达时间窗交集内绿灯开始时间作为基准时刻点，绿灯时间开始时刻gs与b货车到达停车线时刻b值的差值为5，货车从车速引导线到达停车线时刻为绿灯开始时刻所需时间t4，由公式t4-t0＝gs-b＝5，反向推导出t4＝72s，则需要b货车速度以速度vx在72s内到达停车线，其公式为：反向推倒得出rounddown(vx)＝49km/h，则该相位进口路段上的led屏幕显示“请以加速度2.5m/s²减速至49km/h行驶”。

综上所述，仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。