[发明专利]一种信号交叉口交通信号灯和车辆轨迹控制方法

权利要求书

1.一种信号交叉口交通信号灯和车辆轨迹控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤S1：获取目标区域内的车辆信息；

步骤S2：构建以最小化交叉口延迟为目标的混合整数线性规划模型，利用目标区域内的车辆信息求解混合整数线性规划模型，得到信号灯状态和车辆到达交叉口时刻

步骤S3：构建车队头车轨迹最优控制模型，利用车辆到达交叉口时刻求解车队头车轨迹最优控制模型，得到车队头车轨迹，构建车队跟驰车辆最优控制模型，利用车辆到达交叉口时刻求解车队跟驰车辆最优控制模型，得到车队跟驰车辆轨迹；

步骤S4：利用车队头车轨迹和车队跟驰车辆轨迹实现车辆轨迹控制，利用信号灯状态实现交通信号灯控制；

所述的混合整数线性规划模型的目标函数为：

其中，α₁为所有车辆延迟的权重，α₂为周期时长的权重，i为交叉口方向索引，Ω_i为本次优化初始时刻t₀车道i的车辆集合，ω为车辆编号，为轨迹变量T的子集，为车辆的生成时间，为车辆ω到达交叉口时刻，L_i为方向i目标区域长度，v_max为车辆最大速度，N为规划时域中的信号周期数，Cⁿ为第n个信号周期的周期时长，V为控制变量的集合，S为信号灯信号序列的子集；

混合整数线性规划模型的约束条件包括车辆轨迹约束和信号灯约束，所述车辆轨迹约束包括允许占用车道约束、目标换道车道约束、换道行为约束、车间间距约束、车辆到达时间约束和不可变道区域约束，所述信号灯约束包括车道信号灯约束、绿灯开始时间约束、绿灯持续时间约束、绿灯结束时间约束、周期时长约束、清空时间约束、停车线约束和其他信号灯约束；

所述允许占用车道约束为：

其中，I为交叉口方向组成的集合，K每个进口道内车道集合，k为每个进口道内车道索引，车辆ω在车道k上时为1，否则为0；

目标换道车道约束为：

若

若

其中，I_A(x)为指示函数，当x∈A时I_A(x)＝1，否则I_A(x)＝0，K_i为方向i车道的集合，ω′为另一车辆，k′为另一车道，Ω_ω为本次优化初始时刻车辆ω前面的车辆集合，为本次优化初始时刻车辆ω距离停车线距离，d^ω为距离参数，为本次优化初始时刻车辆ω的速度，τ^ω为时间参数，M趋近无穷大，a_L为满足舒适度水平的最大减速度，本次优化初始时刻如果车辆ω在车道k上时为1，否则为0；

换道行为约束为：

其中，K_ω为车辆ω可进入的车道集合，为车辆ω上一次换道的时间，为两次变道的最小时间间隔，如果车辆ω决定换道μ^ω为0，否则为1；

车间间距约束为：

其中，x^ω(t)为车辆ω在t时刻距离停车线距离，如果车辆ω和车辆ω′在同一车道η^ω，ω′为0，否则为1；

车辆到达时间约束为：

其中，如果车辆ω保持上一步优化轨迹λ^ω为1，否则为0，为车辆ω通过交叉口速度，为本次优化初始时刻不可变道区域的车辆集合，a_U为满足舒适度水平的最大加速度，如果车辆不受其前方车辆影响γ^ω为0，否则为1，为上一次优化车辆ω到达交叉口时刻，为车辆ω从当前位置到达交叉口所需时间的上界，为车辆ω从当前位置到达交叉口所需时间的下界，h^ω为车辆ω与前方车辆的车头时距，如果车辆ω不受其前方车辆影响ρ^ω，ω′为1，否则为0；

不可变道区域约束为：

车道信号灯约束为：

其中，如果方向i的车道k被交通流(i，j)使用为1，否则为0，为交通流(i，j)在第n个信号周期的绿灯起始时间，为交通流(i，j)在第n个信号周期的绿灯持续时间，为交叉口方向i的车道k的绿灯起始时间，为交叉口方向i的车道k的绿灯持续时间，Ψ为所有交通流的集合；

绿灯开始时间约束为：

其中，Ψ₀为本次优化初始时刻获得绿灯的交通流集合，为当前周期的激活交通流(i，j)∈Ψ₀的绿灯启动时间，Ψ_p为本次优化初始时刻以前结束绿灯的交通流，t_s为当前周期的信号灯规划开始的时间；

绿灯持续时间约束为：

其中，为交通流(i，j)的最小绿灯持续时间，为当前周期的未激活交通流(i，j)∈Ψ_p的绿灯持续时间；

绿灯结束时间约束为：

周期时长约束为：

Cⁿ≥t₀-t_s，n＝1

其中，Ψ_ic为冲突交通流的集合，在第n个信号周期若交通流(i，j)的绿灯开始时间在交通流(l，m)之后为1，否则为0，在第n个信号周期若交通流(i，j)的绿灯开始时间在交通流(l，m)之前为1，否则为0；

清空时间约束为：

其中，π_{i，j，l，m}为冲突交通流(i，j)和(l，m)的清空时间；

停车线约束为：

其中，如果车辆ω在第n个信号周期经过交叉口为1，否则为0；

其他信号灯约束为：

其中，为第n个信号周期交通流(i，j)和(l，m)绿灯启动时间的时间差，为第n个信号周期交通流(i，j)和(l，m)绿灯结束时间的时间差；

车队头车轨迹最优控制模型分为头车在行驶时间内无法达到最高速度和头车在行驶时间内可以达到最高速度两种情况，所述头车在行驶时间内无法达到最高速度时满足：

其中，v_max为最大速度，为车辆ω通过交叉口速度，为本次优化初始时刻t₀车辆ω与停车线距离，a_L为满足舒适度水平的最大减速度，a_U为满足舒适度水平的最大加速度，为本次优化初始时刻t₀车辆ω的速度；

所述头车在行驶时间内可以达到最高速度时满足：

头车在行驶时间内无法达到最高速度时，所述的车队头车轨迹最优控制模型为：

其中，i^ω(t)为控制模型中车辆ω在t时刻的加速度，为控制模型中车辆ω在t时刻的加速度，v^ω(t₀)为控制模型中车辆ω在本次优化初始时刻t₀的速度，v^ω(t)为车辆ω在t时刻的速度，a^ω(t)为车辆ω在t时刻的加速度，l^ω(t₀)为控制模型中车辆ω在本次优化初始时刻t₀的行进距离，为控制模型中车辆ω在到达交叉口时刻的行进距离，为控制模型中车辆ω在到达交叉口时刻的速度，为采用最小加速度时的最小速度，为采用最大加速度时的最大速度，Δt^ω为车辆ω到达交叉口的时间间隔；

头车在行驶时间内可以达到最高速度时，所述的车队头车轨迹最优控制模型为：

其中，表示当头车可以达到最高速度时车辆ω从当前位置到达交叉口所需时间的下界；

在规定时间内前车不会影响后车的轨迹时，所述的车队跟驰车辆最优控制模型为：

其中，i^ω(t)为控制模型中车辆ω在t时刻的加速度，为控制模型中车辆ω在t时刻的加速度，v^ω(t₀)为控制模型中车辆ω在本次优化初始时刻t₀的速度，v^ω(t)为车辆ω在t时刻的速度，a^ω(t)为车辆ω在t时刻的加速度，l^ω(t₀)为控制模型中车辆ω在本次优化初始时刻t₀的行进距离，为控制模型中车辆ω在到达交叉口时刻的行进距离，为控制模型中车辆ω在到达交叉口时刻的速度，为本次优化初始时刻t₀车辆ω与停车线距离，为车辆ω通过交叉口速度，v_max为最大速度，a_L为满足舒适度水平的最大减速度，a_U为满足舒适度水平的最大加速度为车辆ω从当前位置到达交叉口所需时间的上界，为车辆ω从当前位置到达交叉口所需时间的下界，表示当头车可以达到最高速度时车辆ω从当前位置到达交叉口所需时间的下界，Δt^ω为车辆ω到达交叉口的时间间隔。