[发明专利]一种车路协同环境下交叉口信号控制及车速引导系统

权利要求书

1.一种车路协同环境下交叉口信号控制及车速引导系统，其特征在于：包括车载设备、路侧设备和信号灯控制模块，所述车载设备设于行驶在道路上的各个车辆中，路侧设备设于道路侧边，信号灯控制模块设于信号灯控制柜中以控制交叉口信号灯，车载设备、路侧设备分别与信号灯控制模块通过无线通讯连接，其中：

所述车载设备包括车载信息传输模块、信息获取模块，其中车载信息传输模块与车辆自带的车载计算机连接，车载信息传输模块从车载计算机获取车辆信息并无线传送至信号灯控制模块，信号灯控制模块反馈的信息无线发送至信息获取模块；

所述路侧设备包括路侧信息获取模块、交叉口基础信息存储模块、无线通讯模块，其中路侧信息获取模块获取车辆行驶道路的路侧信息并存储至交叉口基础信息存储模块，交叉口基础信息存储模块预先存储交叉口信息及历史数据，无线通讯模块从交叉口基础信息存储模块获取路侧信息、交叉口信息及历史数据，并由无线通讯模块将路侧信息、交叉口信息及历史数据无线传送至信号灯控制模块；

所述信号灯控制模块中，基于车载设备发送的车辆信息、路侧设备发送的路侧信息、交叉口信息及历史数据，并利用信号灯控制模块内部的程序模型计算得到的各交叉口对应的交通信号灯的最优配时方案信息，信号灯控制模块基于最优配时方案信息实时控制调整各交叉口对应的交通信号灯亮、灭变化，同时信号灯控制模块基于最优配时方案信息生成各个车辆的行驶建议信息，并将行驶建议信息反馈至车载设备，由车载设备的信息获取模块接收；

所述信号灯控制模块内部的程序模型工作过程包括以下步骤：

步骤(1)：交叉口间路段划分为检测区和引导区，将上游交叉口离开处作为检测区；引导区在上游交叉口和下游交叉口的中下游区间段；

步骤(2)：车辆进入检测区，路侧设备中的检测器检测交通流状态、车辆到达率信息，组成历史数据预测车队进入引导区时的到达率，以确定信号灯的延长时间信息；

步骤(3)：车辆进入引导区后，车载设备与信号灯控制模块通过无线通讯进行信息传输，将车辆的速度、加速度、位置、车型信息传输至信号灯控制模块；

步骤(4)：根据步骤(3)传输至信号灯控制模块的信息，信号灯控制模块进行数据处理，计算最优信号配时方案；

步骤(5)：在信号配时方案实现最优后，进行车速引导；对到达车辆进行车速引导前，应先判断其是否具备超车条件，即根据实时检测所得的路况信息，以及网联车所处位置信息、速度信息，计算超车成功概率；当引导车辆可超车概率满足要求时，对其进行车速引导，否则放弃引导；通过计算得出的概率，划定安全阈值，为车辆是否减速或超车提供建议；

当车道前方车辆速度小于后车速度，且相邻的左车道上有足够超车空间，则后车将选择借用相邻车道来完成超车过程，以追求最大驾驶效益；

根据动态Roberston模型中的车流离散模型、车头时距分布函数、以及计算所得超车所需的安全距离，可预测网联车超越前方非网联车的概率为：

式中：t₁为超车车辆加速换道行驶时间；t₂为超车车辆匀速并道行驶时间；p(x)为车头时距概率密度函数；P为超车成功概率；h为车头时距；s为车辆检测器至停车线处的距离；为车流的平均车速；x为积分变量；

通过上述运算，得出在当前绿灯相位内，网联车的可能超车概率，通过计算得出的概率，划定车速安全阈值；

步骤(6)：信号灯控制模块得出计算结果后，通过信号传输模块将信息传输至车辆；若建议超车，则网联车辆按车速引导模型改变驾驶行为；

所述车速引导模块中，针对无法在下游剩余有效绿灯时间内通过的车辆所进行的速度引导；系统以延误车辆数作为交叉口性能评价指标，通过对网联车进行车速引导以提高前一周期的车辆离开率，减少当前周期的初始排队长度，具体过程如下：

步骤(6.1)：假设在第i个时间段及以后，车辆无法通过下游停车线，则该模型对i时间段内的所有网联车提供相应的引导速度v_i；

步骤(6.2)：当信号控制状态已满足最大绿灯时间g_max，即无法继续延长绿灯时间时，对于仍然无法通过交叉口的车辆，通过缩短t_i时刻离开检测器的车辆到达下游停车线的最短时间来使该区域内的车辆分布前移，以使更多车辆在下游有效绿灯时间内通过停车线；

步骤(6.3)：车辆在城市道路上行驶时速度一般较低，在前车突然制动，后车经反应时间后接着制动场景下的安全车距S为：

式中：d为行车时保持的安全车距，取2m；S₁为前车的制动距离；S₂为后车的制动距离；t_f为反应时间，取2s；t_s为加速度增长时间，取0.2s；a_1x为前车制动加速度；a_2x为后车制动加速度，取5m/s²；v₀₁为前车行驶速度；v₀₂为后车行驶速度；v_t为当前车道所有运行车辆中的最小行驶速度；v_max为车速引导最大速度；v_min为车速引导最小速度；

整理可得：

综上所述，减速制动过程中的建议行驶速度为：

v_min＝0，

步骤(6.4)：速度引导目标如下：

1)

2)

3)

式中：t_gx为剩余绿灯时间；q_d为到达车辆数；a为网联车到停车线的距离；T_min为最小绿灯时间；为引导车速；v_min为最小引导车速；v_max为最大引导车速；为该路段最大限制速度。