交叉口环境下的机动车行进引导速度优化方法和系统

本发明涉及智能交通，特别是涉及一种交叉口环境下的机动车行进引导速度优化方法和系统。

背景技术：

1、当前，中国机动化与城市化水平快速提高，交通堵塞等问题也更加显著，对人们的出行质量带来了极大的负面影响。城市交通系统中的信号交叉口，车辆的频繁启动和加减速会导致高油耗和重尾气污染，因此进行车辆速度优化对于减少车辆启停次数、提高燃油效率有着重要意义。

2、从目前的研究情况来看，对于信号灯道路尤其是交通路口区域的高油耗问题的解决方法有多种。例如基于多级可变速度限制的绿色驾驶系统，针对城市路网中的信号交叉口区域，可实时发布速度限制值，并能二次调整车速，从而减少延误并降低油耗与污染排放。而一种通过近似计算发动机燃油切断周期和相应减速率，计算速度与临界距离之间的期望停车策略的方法，被证实能够降低油耗。基于动态规划和最优控制理论的方法则兼顾不同交叉口设置不同限速的场景，提出了一种多信号交叉口工况的节油驾驶策略。基于粒子群优化算法的协同自适应巡航控制算法则将巡航、加速和减速车辆分为三类车队，可兼顾车辆的安全性和低油耗等方面。以上方法多数都是基于单个路口的情况，仅使用当前车辆到路口的距离以及该路口信号灯的信息，而目前缺少利用多个信号交叉口的信息对车辆速度进行联合优化的方法。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种交叉口环境下的机动车行进引导速度优化方法和系统，能够引导车辆不停车通过前方信号交叉口，同时降低燃油消耗。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

3、一种交叉口环境下的机动车行进引导速度优化方法，包括：

4、获取道路状态信息并实时采集目标车辆的车辆状态信息；所述道路状态信息包括目标车辆前方第r个信号交叉口相对目标车辆的距离、信号灯相位信息和道路最高限速；所述车辆状态信息包括当前车速；

5、以最小化燃油消耗为优化目标，采用优化算法对车辆燃油消耗模型进行优化，获得目标车辆从当前位置到达第r个信号交叉口的加速度时间序列；所述车辆燃油消耗模型的约束条件根据所述道路状态信息生成；

6、根据所述加速度时间序列和当前车速，确定目标车辆从当前位置到达第r个信号交叉口的速度序列。

7、可选地，所述优化算法为布谷鸟算法。

8、可选地，所述以最小化燃油消耗为优化目标，采用优化算法对车辆燃油消耗模型进行优化，获得目标车辆从当前位置到达第r个信号交叉口的加速度时间序列，具体包括：

9、种群初始化：生成k个符合所述约束条件的解作为初始种群，初始化种群迭代次数g＝1；各解均为时间序列下的加速度；

10、利用莱维飞行公式对每个解进行更新；

11、对于当前代种群，保留更新后与更新前的解中适应度高的解，作为当前第一组解；

12、根据发现概率放弃所述第一组解中一部分解，剩余解构成当前第二组解的第一部分，通过偏好随机漫步方法生成新解，构成当前第二组解的第二部分；

13、计算当前第一组解和当前第二组解中每个解的适应度，保留对应位置适应度高的解，得到当前第三组解；

14、获取当前第三组解中适应度最高的解，以及当前适应度最高的解对应的燃油消耗；

15、计算当前代之前的代所有燃油消耗的平均值；

16、若所述平均值与当前代的燃油消耗之差小于收敛阈值或者迭代次数大于预设最高次数，则结束迭代，将当前代的解作为加速度时间序列输出；否则迭代次数加1，将第三组解作为下次迭代的初始解，返回利用莱维飞行公式对每个解进行更新的步骤进行下一次迭代。

17、可选地，所述信号灯相位信息包括前方第r个信号交叉口的信号灯周期时长、首个绿灯的起始时间和首个绿灯的结束时间；

18、所述目标车辆的运动学方程表示为：

19、

20、

21、其中，δt＝tn-tn-1为单个时隙长度，x(tn)为目标车辆在时刻tn相对起点的距离，x(tn-1)为目标车辆在时刻tn-1相对起点的距离，v(tn)为目标车辆在时刻tn时的速度，v(tn-1)为目标车辆在时刻tn-1时的速度，a(tn-1)为目标车辆在时刻tn-1时的加速度，为时隙集合；

22、所述约束条件包括速度约束、加速度约束和绿灯通过约束；

23、所述速度约束表示为：vmin≤v(tn)≤vmax；

24、所述加速度约束表示为：amin≤a(tn)≤amax；

25、所述绿灯通过约束表示为：sr+(i-1)tr≤qr≤er+(i-1)tr；

26、其中，v(tn)表示目标车辆在tn时刻的速度，vmin为最低速度限制，vmax为道路最高限速，a(tn)表示目标车辆在tn时刻的加速度，amin＜0为最大制动加速度，amax为最大加速度，qr表示目标车辆通过第r个信号交叉口停止线的时刻，i表示qr所在的信号周期序号，sr表示第r个信号交叉口的首个绿灯的起始时间，er表示第r个信号交叉口的首个绿灯的结束时间，tr表示第r个信号交叉口的信号灯周期时长。

27、可选地，所述最低速度限制为20km/h，所述最大制动加速度为-1.5m/s2，所述最大加速度为1.5m/s2。

28、可选地，所述车辆燃油消耗模型为vt-micro模型。

29、可选地，所述实时采集目标车辆的车辆状态信息，具体包括：

30、通过车载gps模块实时获取目标车辆的位置；

31、根据实时获取的目标车辆位置计算出当前车速。

32、本发明公开了一种交叉口环境下的机动车行进引导速度优化系统，包括：

33、道路状态和车辆状态获取模块，用于获取道路状态信息并实时采集目标车辆的车辆状态信息；所述道路状态信息包括目标车辆前方第r个信号交叉口相对目标车辆的距离、信号灯相位信息和道路最高限速；所述车辆状态信息包括当前车速；

34、加速度时间序列确定模块，用于以最小化燃油消耗为优化目标，采用优化算法对车辆燃油消耗模型进行优化，获得目标车辆从当前位置到达第r个信号交叉口的加速度时间序列；所述车辆燃油消耗模型的约束条件根据所述道路状态信息生成；

35、速度序列确定模块，用于根据所述加速度时间序列和当前车速，确定目标车辆从当前位置到达第r个信号交叉口的速度序列。

36、根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

37、本发明以最小化燃油消耗为优化目标，在满足约束条件的情况下，采用优化算法对车辆燃油消耗模型进行优化，获得目标车辆从当前位置到达第r个信号交叉口的加速度时间序列，从而在保证燃油消耗最低的情况下，引导车辆不停车通过路口。

技术特征：

1.一种交叉口环境下的机动车行进引导速度优化方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的交叉口环境下的机动车行进引导速度优化方法，其特征在于，所述优化算法为布谷鸟算法。

3.根据权利要求1所述的交叉口环境下的机动车行进引导速度优化方法，其特征在于，所述以最小化燃油消耗为优化目标，采用优化算法对车辆燃油消耗模型进行优化，获得目标车辆从当前位置到达第r个信号交叉口的加速度时间序列，具体包括：

4.根据权利要求1所述的交叉口环境下的机动车行进引导速度优化方法，其特征在于，所述信号灯相位信息包括前方第r个信号交叉口的信号灯周期时长、首个绿灯的起始时间和首个绿灯的结束时间；

5.根据权利要求4所述的交叉口环境下的机动车行进引导速度优化方法，其特征在于，所述最低速度限制为20km/h，所述最大制动加速度为-1.5m/s2，所述最大加速度为1.5m/s2。

6.根据权利要求1所述的交叉口环境下的机动车行进引导速度优化方法，其特征在于，所述车辆燃油消耗模型为vt-micro模型。

7.根据权利要求1所述的交叉口环境下的机动车行进引导速度优化方法，其特征在于，所述实时采集目标车辆的车辆状态信息，具体包括：

8.一种交叉口环境下的机动车行进引导速度优化系统，其特征在于，包括：

技术总结
本发明公开一种交叉口环境下的机动车行进引导速度优化方法及系统，涉及智能交通技术领域，该方法包括：获取道路状态信息并实时采集目标车辆的车辆状态信息；道路状态信息包括目标车辆前方第r个信号交叉口相对目标车辆的距离、信号灯相位信息和道路最高限速；车辆状态信息包括当前车速；以最小化燃油消耗为优化目标，采用优化算法对车辆燃油消耗模型进行优化，获得目标车辆从当前位置到达第r个信号交叉口的加速度时间序列；车辆燃油消耗模型的约束条件根据道路状态信息生成；根据加速度时间序列和当前车速，确定目标车辆从当前位置到达第r个信号交叉口的速度序列。本发明能够引导车辆不停车通过前方信号交叉口，同时降低燃油消耗。

技术研发人员：陈海华,武悦,何明
受保护的技术使用者：南开大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14