用車路協(xié)同技術提高交叉路口通行效率的探究

摘 要：文章論述了交叉路口對道路通行效率的影響，提出基于車路協(xié)同技術提高交叉路口通行效率，介紹了系統(tǒng)組成和控制方法。文章提出了兩點新的構思，用基于藍牙技術的路面裝置定位車輛，排隊車輛同步起車來提高通過速度。

關鍵詞：交叉路口；交通信號；車路協(xié)同；藍牙定位；同步起車

1 問題的提出

現(xiàn)行交叉路口的信號控制和通過模式：交叉路口通過紅、黃、綠色的交通信號燈控制車輛停止和通過，以兩相位控制來分析，對于南北向和東西向十字交叉路，第一個相位只有東西方向車輛通過，第二個相位只有南北方向車輛通過，如果沒有轉彎車輛，那么道路的利用率只有50%。其中黃燈時間道路利用率是0，在這種情況下十字交叉路口道路利用率低于50%?？紤]右轉車輛不用等待紅燈，可提高道路利用率。但是左轉車輛會影響對方車輛和垂直方向車輛通過，在自己通過的時候減少了兩倍以上的車輛通過。顯然交叉路口必然導致道路通行效率下降。

當路口很多車輛排隊時，由于后面駕駛人員不能看到信號燈變化，起車延時，導致車輛通過路口較慢。這些因素進一步降低了交叉路口通行效率，降低道路利用率。

利用車路協(xié)同技術可以提高交叉路口車輛通過效率，文章的思路是利用車路協(xié)同來均衡等待時間、提高通過速度，以減少在路口的損失時間和延誤。

2 系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)由車載設備、路側設備、路面裝置、信號控制設備、通信網(wǎng)絡組成，以實現(xiàn)車車通信、車路協(xié)同。

車載設備內(nèi)包括感知系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、人機交互、決策系統(tǒng)，可檢測自身的位置、速度、加速度及與前車的距離，接收路側設備指令，進入排隊狀態(tài)、列車前進狀態(tài)、手動駕駛狀態(tài)，在列車前進狀態(tài)自動控制車速、方向、自動剎車。車載設備同步顯示下一個路口的信號燈、信號燈倒計數(shù)，以便駕駛員以合適的車速行駛。

路側設備包括攝像機、微波測距儀等采集設備以及通信控制設備，用于檢測路面狀況和車流。路側設備與信號控制設備通信，接收交通信號燈狀態(tài)。與車輛通信，接收車輛位置信息，向車輛發(fā)出指令。利用圖像識別技術可以檢測排隊車輛個數(shù)、排隊長度。但是圖像識別效果易受到天氣和光線的影響，文章不詳細描述。

路面裝置包括環(huán)形線圈、藍牙定位裝置。環(huán)形線圈埋設于車道的路面下，通過饋線與檢測單元相連。檢測處理單元用高頻信號驅動環(huán)形線圈，當車輛通過環(huán)形線圈時，引起線圈的電感量的變化，并進而引起線圈的阻抗的變化，從而導致信號幅度、相位、頻率的變化。用檢測電路檢測其中某一個量的變化，就可以達到檢測車輛的目的。

藍牙定位裝置是一種基于低功耗藍牙的信號廣播設備。每一個裝置有一個唯一的ID（UUID+Major+Minor），在一個區(qū)域內(nèi)廣播自己的信號，通過這種方式做到對一個特定區(qū)域的標記。藍牙定位裝置發(fā)送的數(shù)據(jù)主要包含四部分，分別是UUID（通用唯一標識符）、Major、Minor、Measured Power。在Major中可以寫入車道編號，在Minor中可以寫入位置，Measured Power是藍牙定位裝置與接收器之間相距1米時的參考接收信號強度，接收器根據(jù)該參考接收信號強度與實際接收信號的強度來推算發(fā)送裝置與接收器的距離。當車輛進入藍牙定位裝置的信號覆蓋范圍時，車載設備接收到信號，就可以感知到車輛的位置。藍牙定位裝置可埋設于車道中間的路面淺層，沿道路方向以固定間隔埋設，從停車線開始，從0開始按順序編號。為保證每輛車都可以收到至少一個定位裝置的信號，定位裝置間隔小于小汽車長度的一半，可每隔1米埋設一個。如果車載設備接收到3號、4號定位裝置發(fā)的信號，且根據(jù)信號強度推算出與定位裝置距離都小于1米，則可確定該車處于停車線后3.5米左右的位置。

信號控制設備控制交通信號燈變換，按照信號控制方式的不同，可將城市道路交叉口交通信號控制分為固定周期信號燈控制、感應式信號燈控制、自適應式信號燈控制。

3 控制方法

利用車路協(xié)同技術提高交叉路口通過效率的關鍵在于：準確感知車路狀況、實時調(diào)度、提高車輛通過速度?？刂品椒ㄈ缦拢?/p>

3.1 進入排隊狀態(tài)和計算排隊長度

車輛到達交叉路口遇到紅燈，車載設備接收路到路側設備指令進入排隊狀態(tài)，并與交通信號燈同步顯示紅燈倒計數(shù)，避免司機等待不耐煩，車載設備接收到路面定位裝置發(fā)出的定位信號，車載設備向路測設備報告自身位置。路側設備向信號控制設備發(fā)送排隊車輛列表，信號控制設備計算出排隊車輛數(shù)，根據(jù)這隊車輛中的最大位置編號可判定排隊長度。在紅燈信號期間，當車輛向前挪動后停下時，車載設備自動向路測設備報告最新的位置。路側設備可每隔一秒向信號控制設備發(fā)送排隊車輛列表，信號控制設備在紅燈結束前一定時間鎖定排隊列表。

3.2 調(diào)節(jié)綠燈時間

信號控制設備根據(jù)排隊車輛數(shù)和排隊長度，均衡其它方向的車流量，按一定的規(guī)則來調(diào)節(jié)綠燈時間，排隊長度超過預定范圍，則增加綠燈時間，排隊長度小于預定范圍，則減少綠燈時間。如果排隊長度在預定范圍內(nèi)，則不需要調(diào)節(jié)綠燈時間。調(diào)節(jié)綠燈時間目的是減少等待，達到整體效率最佳。

3.3 計算放行車輛數(shù)

信號控制設備根據(jù)綠燈時間計算本次放行的車輛數(shù)，如n輛，在紅燈結束前一定時間將結果下發(fā)給路側設備。計算放行車輛數(shù)時要考慮光照條件、天氣條件、路面條件。如果有大車排隊，還要考慮大車長度，如一輛公共汽車按3輛小汽車計算。

在綠燈亮起的同時，路側設備向排在前面的n輛車下發(fā)放行指令和同步起車指令，向排在后面的車輛發(fā)送下次通過的指示。車載設備同步顯示綠燈信號和倒計數(shù)。

這個方法可讓司機明確知道本次綠燈是否放行，避免綠燈閃爍時有的車不敢通過而損失了時間，以及有的車在綠燈已經(jīng)結束還搶行，干擾其它方向車輛行駛。

3.4 同步起車

車載設備接收到放行指令和同步起車指令，由車載設備自動控制行駛，n輛車同時起車，按相同的加速度行駛，以列車方式沿當前車道前進，通過路口，已經(jīng)通過路口的車輛從列車方式釋放出來，車載設備提示駕駛員手動駕駛。在以列車方式前進時，車載設備檢測與前車距離，自動調(diào)整車速，避免碰撞。

同步起車可以減少等待起車損失的時間，列車方式前進使得n輛車像一輛車一樣通過路口，從而提高通過速度。本次不被放行的車輛由駕駛員手動駕駛繼續(xù)排隊。

4 結束語

文章提出采用藍牙技術對排隊車輛定位，可精確感知車輛位置，在此基礎上可準確控制車輛行為。藍牙技術成熟，相關裝置體積小、價格便宜、功耗低，易于大量布設。

同步起車和列車方式前進通過路口，只要加速度大于等于一般司機通過路口的加速度，由于同步起車減少了延遲起車而損失的時間，列車方式前進又減少了為擴大車距而損失的時間，可縮短通過時間，增加一個綠燈時間內(nèi)通過的車輛數(shù)，提高交叉路口的通行效率。由于同步起車和列車方式前進是在固定車道、交叉路口寬闊路面進行，相對于其它場景的自動駕駛較容易實現(xiàn)。

要準確得知采取以上措施通行效率提升了多少，需要進行仿真計算，希望智慧交通專業(yè)人士不吝指導。

參考文獻

[1]李銳.城市道路交叉口交通信號控制理論與實踐[M].冶金工業(yè)出版社，2015.

[2]梁華為.“智能車路協(xié)同關鍵技術研究”[D].中國科學院合肥物質(zhì)科學研究院，2011.