信號(hào)交叉口綠色駕駛車速控制方法

安實(shí)，姚焓東，姜慧夫，崔建勛

（哈爾濱工業(yè)大學(xué)，哈爾濱150001）

信號(hào)交叉口綠色駕駛車速控制方法

安實(shí)*，姚焓東，姜慧夫，崔建勛

（哈爾濱工業(yè)大學(xué)，哈爾濱150001）

信號(hào)交叉口是整個(gè)城市交通路網(wǎng)中的瓶頸區(qū)域.車流經(jīng)常在路口停車等候造成怠速行駛，嚴(yán)重降低交叉口的通行效率，同時(shí)造成嚴(yán)重的汽車尾氣排放污染.為了減輕交叉口對(duì)交通流的阻斷，合理降低信號(hào)交叉口的車輛延誤、燃油消耗和污染物排放，本文提出了一種基于多級(jí)可變速度限制的信號(hào)交叉口綠色駕駛控制方法.該方法以可變速度限制值為控制變量，并基于固定式檢測(cè)器獲取的交叉口附近道路交通狀況信息對(duì)車輛進(jìn)行速度限制值的實(shí)時(shí)發(fā)布，以實(shí)現(xiàn)在不增加旅行時(shí)間的基礎(chǔ)上平滑車輛駛近交叉口過(guò)程中的時(shí)空軌跡.通過(guò)MATLAB對(duì)該方法進(jìn)行仿真驗(yàn)證，結(jié)果表明，其能夠有效地降低交叉口的車輛延誤，并減少車輛的燃油消耗與污染物排放量.

交通工程；綠色駕駛；可變速度限制；信號(hào)交叉口；交通仿真

1 引言

城市路網(wǎng)中存在大量的信號(hào)交叉口，車輛由于受其控制信號(hào)的周期性干擾，會(huì)產(chǎn)生車速波動(dòng)，導(dǎo)致交叉口通行效率下降及燃油消耗與污染物排放上升，并嚴(yán)重影響車輛運(yùn)行過(guò)程中的安全性與舒適性[1].而隨著智能交通系統(tǒng)（ITS）的發(fā)展，出現(xiàn)了基于車輛速度控制的綠色駕駛控制方法，根據(jù)統(tǒng)一的交通控制設(shè)備發(fā)布速度限制值來(lái)幫助駕駛員選擇最佳行駛速度,以降低車輛運(yùn)行過(guò)程中的燃油消耗和污染物排放.但目前這種速度控制的方法主要面向高速公路路段上的無(wú)信號(hào)控制交通流[2-4]，本文將綠色駕駛引入城市路網(wǎng)中的信號(hào)交叉口區(qū)域，提出了一種基于多級(jí)可變速度限制的信號(hào)交叉口綠色駕駛控制方法，通過(guò)在交叉口進(jìn)口路段布設(shè)多級(jí)可變信息板對(duì)車隊(duì)中的頭車發(fā)布合理的速度限制值，以避免突然加減速和怠速等駕駛行為，從而提高信號(hào)交叉口處的通行效率和車輛的節(jié)能減排效果.同時(shí)結(jié)合Newell跟馳模型[5]和VT-micro微觀排放模型[6]，利用MATLAB對(duì)綠色駕駛控制下的信號(hào)交叉口的交通流特性進(jìn)行模擬，并對(duì)信號(hào)交叉口的通行能力與節(jié)能減排效果進(jìn)行分析.

2 基于多級(jí)可變速度限制的信號(hào)交叉口綠色駕駛控制系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

基于多級(jí)可變速度限制的信號(hào)交叉口綠色駕駛控制系統(tǒng)主要由路邊信息采集裝置、中央控制器和路邊信息發(fā)布裝置組成.路邊信息采集裝置采集道路上行駛車輛的相關(guān)信息，如速度、加速度、進(jìn)入控制區(qū)域的時(shí)間等；中央控制器將采集到的信息利用控制算法進(jìn)行處理，得出相應(yīng)的速度限制值；路邊信息發(fā)布裝置的作用是將中央處理器計(jì)算得到的速度限制值發(fā)布給路上行駛的車輛.

2.2 控制范圍

本系統(tǒng)將在控制范圍內(nèi)設(shè)置3個(gè)檢測(cè)器和2個(gè)VMS.如圖1所示，D1（空間坐標(biāo)的原點(diǎn)）、D2和D3表示線圈檢測(cè)器，用以檢測(cè)車輛的速度.D3處于交叉口上游的停車線處，D1到D3的距離即為控制區(qū)域范圍L.VMS1與VMS2分別布設(shè)在控制區(qū)域內(nèi)，VMS1和VMS2的作用是對(duì)車輛進(jìn)行速度控制，但相較于VMS1對(duì)于車速的控制效果，VMS2主要是對(duì)VMS1的控制后車輛進(jìn)行微調(diào)，具體控制過(guò)程見3.2節(jié).D1到VMS1的距離表示為L(zhǎng)1，VMS1與VMS2之間的間隔為L(zhǎng)2，VMS2距D3的距離為L(zhǎng)3，D2與VMS2之間的距離為l.

圖1 控制范圍圖Fig.1 Control scope diagram

對(duì)于最短控制范圍的確定[7]，應(yīng)該使得車輛能夠在任何速度下有足夠時(shí)間進(jìn)行速度調(diào)整；最長(zhǎng)控制范圍的確定是為了確保車輛能夠在一個(gè)周期內(nèi)通過(guò)交叉口，因此車輛以任何速度通行時(shí)都應(yīng)該在一個(gè)周期時(shí)長(zhǎng)C內(nèi).即控制范圍為：

式中L是控制范圍；vmax和vmin分別是規(guī)定的最大速度和最小速度；a和d分別是加速度和減速度的絕對(duì)值.

劃定了控制區(qū)域的范圍之后，需要進(jìn)一步確定可變速度限制的布設(shè)位置，其數(shù)學(xué)表示形式為

式中Li為VMS的布設(shè)距離；T反應(yīng)為駕駛員的反應(yīng)時(shí)間，一般采用1～2 s；T加減速為車輛加減速所用的時(shí)間，一般采用3～5 s；T穩(wěn)定為車輛穩(wěn)定運(yùn)行的時(shí)間，一般為5～10 s；V綠波表示路段的設(shè)計(jì)綠波速度.通常情況下，VMS布設(shè)的間隔為200～300 m[8].

3 基于多級(jí)可變速度限制的信號(hào)交叉口綠色駕駛車速控制方法

3.1 頭車的速度控制方法

如圖2（a）所示，表示了未使用VSL進(jìn)行控制時(shí)，頭車通過(guò)交叉口的時(shí)空軌跡圖.圖中ci(i=1,2,…)為第i個(gè)信號(hào)周期結(jié)束時(shí)刻，tg+iC(i=1,2,…)為第i個(gè)綠燈時(shí)間結(jié)束時(shí)刻.車輛勻速行駛向交叉口，此時(shí)為紅燈時(shí)間，減速停車等待下一個(gè)綠燈時(shí)間開始時(shí)通過(guò)交叉口，由此將產(chǎn)生大量的污染物排放和燃油消耗.為此首先對(duì)頭車進(jìn)行速度控制，使其提前進(jìn)行減速并在綠燈時(shí)間開始時(shí)到達(dá)交叉口停車線處，從而規(guī)避駛進(jìn)交叉口過(guò)程中的速度波動(dòng).

如圖2（b）所示，表示了使用VSL進(jìn)行控制時(shí)，頭車通過(guò)交叉口的時(shí)空軌跡圖.頭車到達(dá)控制區(qū)時(shí)，交叉口正處于綠燈時(shí)間，此時(shí)D1檢測(cè)器記錄下車輛的初始速度v0和車輛的進(jìn)入時(shí)刻tin.根據(jù)VSL控制策略，車輛到達(dá)VMS1時(shí)按照相應(yīng)的速度限制進(jìn)行加速度為d的勻減速到vL，然后再勻速通過(guò)停車線后加速行駛.

圖2 頭車時(shí)空軌跡示意圖Fig.2 Spatio-temporal trajectory of first vehicle

因此，根據(jù)牛頓第二定律，頭車的時(shí)空關(guān)系數(shù)學(xué)表達(dá)如下：

式中t1表示車輛以初速度v0勻速行駛到達(dá)VMS1的時(shí)長(zhǎng)，即t1=L1v0；t減表示車輛減速的時(shí)長(zhǎng)；t勻表示車輛減速后勻速到達(dá)停車線的時(shí)長(zhǎng).

聯(lián)解式(2)和式(3)，可以得到

從而，可以得到速度限制值為

此時(shí)可設(shè)置VMS1和VMS2都為速度限制值vL.

然而，在實(shí)際應(yīng)用中，由于駕駛員或車輛性能原因，當(dāng)車輛到達(dá)D2檢測(cè)器時(shí)，檢測(cè)器檢測(cè)到車輛的速度與速度限制值相差過(guò)大，因此需要利用VMS2進(jìn)行二次調(diào)整.如圖3所示，為產(chǎn)生偏差后多級(jí)控制后的車輛時(shí)空軌跡圖.

圖中虛線表示正常情況下車輛的軌跡，軌跡1表示經(jīng)過(guò)VMS1的速度控制后，發(fā)現(xiàn)車輛速度值過(guò)小，需要提升速度使得車輛能夠在下個(gè)信號(hào)周期綠燈開始時(shí)通過(guò)交叉口；而軌跡2表示在經(jīng)過(guò)D2檢測(cè)后發(fā)現(xiàn)速度值過(guò)大，需要降低速度以便在下個(gè)信號(hào)周期綠燈開始時(shí)通過(guò)交叉口.

圖3 多級(jí)控制時(shí)空軌跡示意圖Fig.3 Spatio-temporal trajectory under multi-control

假設(shè)D2測(cè)得的速度值為v1，|| v1-vL≥δ，其中δ是允許的最大速度變化值.vL為VMS1顯示的最初的速度限制值.車輛到達(dá)VMS2的時(shí)刻為tVMS2.同理，可得到頭車的時(shí)空關(guān)系.

同理，得到時(shí)空關(guān)系：

綜上所述可以得到VMS2的第二次速度控制值

3.2 車隊(duì)的速度控制方法

根據(jù)前述頭車控制方法，結(jié)合Newell跟馳模型，可以推倒得出跟馳車輛的軌跡、速度和加速度，最終得出車隊(duì)中所有車輛的運(yùn)行信息，但當(dāng)前車靜止時(shí)無(wú)法滿足跟馳行為的非靜止條件，需要根據(jù)牛頓第二定理對(duì)車輛的時(shí)空軌跡進(jìn)行計(jì)算，車隊(duì)的控制流程圖如圖4所示.

圖4 車隊(duì)控制流程圖Fig.4 Control flow of following vehicles

如圖5所示，為上述步驟3中判斷過(guò)程的示意圖.考慮第n輛車，n=2,3,4,…，如果第n輛車在進(jìn)入控制區(qū)域后根據(jù)可變速度限制進(jìn)行減速，它將面臨兩種情形：

圖5 跟馳車輛的軌跡示意圖Fig.5 Spatio-temporal trajectories of following vehicles

情形1表明，當(dāng)?shù)趎-1輛車減速運(yùn)行時(shí)，第n輛車為了保持安全距離也將減速運(yùn)行；情形2表明，當(dāng)?shù)趎輛車到達(dá)控制區(qū)域時(shí)，發(fā)現(xiàn)在當(dāng)前周期內(nèi)沒(méi)有足夠的時(shí)間以通過(guò)交叉口，此時(shí)總結(jié)車隊(duì)中所有車輛的軌跡，同時(shí)可將該車作為下一車隊(duì)的頭車考慮.

4 仿真分析

4.1 仿真參數(shù)

控制區(qū)域范圍為L(zhǎng)=800 m；VMS布設(shè)位置為L(zhǎng)1=200 m,L2=L3=300 m；行駛車道環(huán)境為單車道；安全距離為sj=20 m；最大的速度為vmax=15 m/s；車輛進(jìn)入控制區(qū)域的初速度相同v0=15 m/s；加速度范圍為a=[-5,5] m/s2；信號(hào)配時(shí)周期時(shí)長(zhǎng)為C=100 s；綠燈時(shí)長(zhǎng)Tg=50 s.

4.2 仿真結(jié)果分析

（1）時(shí)空軌跡分析.

通過(guò)MATLAB仿真模擬得到如圖6所示的車輛時(shí)空軌跡圖.如圖6（a）所示，在無(wú)控制情況下，車輛將在到達(dá)停車線之前進(jìn)行減速至0，紅燈時(shí)間結(jié)束后再重新加速駛離.而當(dāng)交通量較大時(shí)，由于延誤累加，有的車輛需要經(jīng)過(guò)2次停車才能通過(guò)交叉口.

如圖6（b）所示，為信號(hào)交叉口綠色駕駛控制根據(jù)信號(hào)時(shí)長(zhǎng)及車輛運(yùn)行特征，它將連續(xù)的車輛隊(duì)列劃分為若干子隊(duì)列，并使其在相應(yīng)的綠燈時(shí)間內(nèi)有序通過(guò)交叉口.受控情況下信號(hào)交叉口并未由于車輛受到強(qiáng)制速度降低而造成系統(tǒng)通行效率降低，同時(shí)車輛時(shí)空軌跡變得更加平緩，并減少了交叉口前車輛排隊(duì)等待的時(shí)間，有效地降低了交叉口處的延誤.

圖6 車輛時(shí)空軌跡圖Fig.6 Spatio-temporal trajectories of vehicles

（2）環(huán)境影響分析.

對(duì)不同交通量（360 pcu/h、720 pcu/h、900 pcu/h）情況下受控與無(wú)控制情況下的車輛燃油消耗及污染物排放進(jìn)行仿真分析.

如圖7所示，為360 pcu/h交通量下，有無(wú)控制對(duì)車輛燃油消耗及污染物排放的影響.

圖7 360pcu/h下車輛燃油消耗及排放圖Fig.7 The emission and fuel consumption under 360 pcu/h

由圖7（a）可知，受控情況下交叉口車輛由于停車次數(shù)減少，速度波動(dòng)小，CO排放峰值出現(xiàn)次數(shù)和排放量相對(duì)于無(wú)控制情況明顯減少，雖然在某些時(shí)刻由于車速變化劇烈導(dǎo)致陡高的峰值出現(xiàn)，但在總體上，VSL能夠減少29.3%的CO排放；由圖7（b）可知，受控下的燃油消耗較無(wú)控制而言，波動(dòng)較小，更加平滑，燃油消耗降低了17.8%.

如圖8所示，為900 pcu/h交通量下，有無(wú)控制對(duì)車輛燃油消耗及污染物排放的影響.

圖8 900pcu/h下車輛燃油消耗及排放圖Fig.8 The emission and fuel consumption under 900 pcu/h

由圖8可知，隨著交通量達(dá)到900 pcu/h，由于在交通量較高的情況下，控制變量的可控范圍已經(jīng)變得很小，即速度已經(jīng)很小，控制效果受到了很大的限制，因此VSL控制對(duì)交叉口污染物排放及燃油消耗效果不好，CO排放減少7.0%，燃油消耗減少5.7%.

5 研究結(jié)論

本文提出的基于多級(jí)可變速度限制的信號(hào)交叉口綠色駕駛控制方法，是以信號(hào)交叉口為背景，對(duì)車隊(duì)中的頭車進(jìn)行速度限制，通過(guò)對(duì)不同交通量情況下的節(jié)能減排效果進(jìn)行模擬分析，證明該方法能夠有效地減少交叉口處的延誤，同時(shí)節(jié)能減排效果明顯.但受制于速度限制值并非整個(gè)系統(tǒng)的最優(yōu)值，因而節(jié)能減排效果不是最佳的，在后續(xù)研究中，將對(duì)速度限制值進(jìn)行優(yōu)化，以求在提升通行效率的同時(shí)降低系統(tǒng)燃油消耗與污染物排放量.另外，由于Newell跟馳模型存在“速度跳躍”現(xiàn)象，導(dǎo)致仿真得出的軌跡不夠光滑.因此，在今后的研究中，將采用更加合適的跟馳模型，得到更加平滑的車輛運(yùn)行軌跡，使實(shí)驗(yàn)結(jié)果更加準(zhǔn)確.

[1]Barth M,Boriboonsomsin K.Real-world carbon dioxide impacts of traffic congestion[J].Transportation Research Record:Journal of the Transportation Research Board, 2008,2058(1):163-171.

[2]段薈，劉攀，李志斌，等.基于強(qiáng)化學(xué)習(xí)的匯流瓶頸區(qū)可變限速策略研究[J].交通運(yùn)輸系統(tǒng)工程與信息，2014，14(1)：55-61.[DUAN H,LIU P,LI Z B,et al. Variablespeedlimitcontrolatfreewaymerge bottlenecks based on reinforcement learning[J].Journal of transportation systems engineering and information technology,2014,14(1):55-61.]

[3]王薇，楊兆升，趙丁選.有限階段馬爾可夫決策的可變限速控制模型[J].交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào)，2011，11(5)：109-114.[WANG W,YANG Z S,ZHAO D X.Control model of variable speed limit based on finite horizon Markov decision-making[J].Journaloftrafficand transportation engineering,2011,11(5):109-114.]

[4]李楊.高速公路可變速度控制方法研究[D].西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2011.[LI Y.New variable speed control approach for freeway[D].Xi’an:Chang’an University, 2011.]

[5]Ahn S,Cassidy M J,Laval J.Verification of a simplified car-following theory[J].Transportation Research Part B: Methodological,2004,38(5):431-440.

[6]Ahn K,Rakha H,Trani A,et al.Estimating vehicle fuel consumption and emissions based on instantaneous speedandaccelerationlevels[J].Journalof Transportation Engineering,2002,128(2):182-190.

[7]Sun J,Chen S.Dynamic speed guidance for active highway signal coordination:Roadside against in-car strategies[J].IET Intelligent Transport Systems,2013,7 (4):432-444.

[8]Chen W,Bai Y,Yang X.Delay estimation under a dynamicspeedcontrolbasedintersection[C]. Washington,D.C.92th Annual Meeting of TRB,2013 (13-2570).

A Green Driving Speed Control Method at Signal Intersection

AN Shi,YAO Han-dong,JIANG Hui-fu,CUI Jian-xun
（Harbin Institute of Technology,Harbin 150001,China）

Signal intersection is the traffic distribution interchange in the whole urban traffic road network. Vehicles often stop at an intersection that results in idle driving,severely reduces the intersection traffic efficiency,and causes serious vehicle exhaust pollution.In order to reduce the blocking of traffic flow of intersection,and reduce the delay,fuel consumption and emission of vehicle at signal intersection,this paper proposes a green-driving control method for signal intersection based on multi-level variable speed limit. This method uses the value of variable speed limits as control variable,and utilizes the information of traffic condition near the intersections obtained by fixed detectors to optimize and release the value of variable speed limits in real-time,to smooth the spatio-temporal trajectories without extra travel time in the process of driving to the intersection.Then we made a simulation and verification of this method by combining Newell's following model and VT-micro vehicle fuel consumption and emissions model.The result shows that it can reduce vehicle delay,fuel consumption and pollution emissions effectively.

traffic engineering;green driving;variable speed limit;signal intersection;traffic simulation

1009-6744(2015)05-0053-07中圖文分類號(hào)：U491.4

A

2015-03-30

2015-05-26錄用日期：2015-06-04

安實(shí)（1968-），男，河北人，教授，博士生導(dǎo)師. ＊

anshihit@126.com