車(chē)路協(xié)同下基于間隙理論的交叉口智能控制策略 *

潘福全，張 游，張麗霞，楊金順，楊曉霞

(青島理工大學(xué) 機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院，山東 青島 266520)

0 引 言

自交通指揮信號(hào)燈設(shè)計(jì)出現(xiàn)以來(lái)，世界上道路交叉口普遍用該種信號(hào)燈來(lái)對(duì)交通流進(jìn)行管控，“紅燈停，綠燈行”的交叉口通行觀(guān)念也早已深入人心。隨著車(chē)路協(xié)同與智能駕駛技術(shù)的出現(xiàn)，傳統(tǒng)的交通控制方式已不再適應(yīng)智能交通時(shí)代的發(fā)展。信號(hào)燈控制系統(tǒng)在常年應(yīng)用過(guò)程中也逐漸暴露出一些問(wèn)題與弊端，主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面。

1)信號(hào)配時(shí)固定化。目前我國(guó)大多數(shù)信號(hào)燈控制系統(tǒng)運(yùn)行方案都是按照一定規(guī)律進(jìn)行運(yùn)作的，當(dāng)?shù)缆奋?chē)流量突增時(shí)，現(xiàn)有信號(hào)燈控制模式不能及時(shí)有效地調(diào)配車(chē)流，無(wú)法適應(yīng)實(shí)際通行需求，且存在部分車(chē)道在綠燈時(shí)間無(wú)車(chē)通行，出現(xiàn)“多等少”或空道占時(shí)現(xiàn)象，造成不必要的出行延誤[1]。

2)易受外界因素影響。當(dāng)遇大霧、暴雨等惡劣天氣或后方小型車(chē)輛遇到前方大型車(chē)輛遮擋視野等時(shí)，信號(hào)燈系統(tǒng)無(wú)法向待行車(chē)輛及時(shí)準(zhǔn)確地傳達(dá)信息指令。

隨著大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、5G、人工智能等前沿技術(shù)向各個(gè)行業(yè)不斷滲透，交通領(lǐng)域也迎來(lái)了全面深化變革，這些技術(shù)將有力推動(dòng)智慧交通實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、網(wǎng)聯(lián)化、智能化的升級(jí)[2]。在智能交通基礎(chǔ)設(shè)施布局建設(shè)完備條件下，車(chē)路協(xié)同技術(shù)將使道路上的車(chē)輛與周?chē)h(huán)境緊密融合，通過(guò)運(yùn)用一系列車(chē)載傳感器等先進(jìn)的電子設(shè)備實(shí)時(shí)感知道路狀態(tài)，并將有效信息傳遞給ITS(intelligent transportation system)控制中心和車(chē)載控制單元，從而實(shí)現(xiàn)車(chē)與車(chē)、車(chē)與路、車(chē)與人、車(chē)與云的實(shí)時(shí)信息交互，為駕駛出行提供更加便捷、高效、安全的服務(wù)[3]。在這樣一種高度智能化的交通生態(tài)體系中[4]，對(duì)出行者困擾已久的交通擁堵問(wèn)題勢(shì)必會(huì)得到一定緩解。而道路交叉口作為最容易產(chǎn)生延誤與擁堵的地點(diǎn)，其控制系統(tǒng)的變革也勢(shì)在必行。

間隙理論基本思想是通過(guò)預(yù)先調(diào)整跟馳車(chē)輛之間的行車(chē)間距，使得沖突方向車(chē)輛能從該間隙中安全穿過(guò)，從而實(shí)現(xiàn)不停車(chē)通過(guò)交叉口的目的[5]。目前，國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者基于該理論對(duì)車(chē)路協(xié)同環(huán)境下的交叉口控制方法進(jìn)行了大量研究。ZHANG Yi等[6]設(shè)計(jì)了一種車(chē)聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下基于交通信號(hào)和路況狀態(tài)的行車(chē)速度引導(dǎo)方法，并開(kāi)發(fā)了單車(chē)速度引導(dǎo)模型和多車(chē)協(xié)同速度引導(dǎo)模型，以減少交叉口處的行車(chē)延誤與停車(chē)次數(shù)，提高交通控制效率；鹿應(yīng)榮等[7]提出了一種車(chē)聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下不改變交叉口原有信號(hào)配時(shí)的車(chē)速控制策略，實(shí)現(xiàn)車(chē)輛高效平滑地通過(guò)道路交叉口，并在雙向兩車(chē)道的十字交叉口進(jìn)行了模擬仿真，結(jié)果表明該速度控制策略能有效降低車(chē)輛通過(guò)路口的平均行程時(shí)間；劉歡等[8]對(duì)車(chē)路協(xié)同環(huán)境下網(wǎng)聯(lián)車(chē)輛通過(guò)交叉口時(shí)勻速、加速、減速、跟馳這4種情況分別進(jìn)行了分析，提出了不停車(chē)輛通過(guò)交叉口的速度引導(dǎo)數(shù)學(xué)模型，并基于VISSIM進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，結(jié)果表明該速度引導(dǎo)策略可大幅降低車(chē)輛延誤時(shí)間，能夠提高交叉口通行效率；R.TACHET等[9]提出的基于間隙控制的交叉口管理系統(tǒng)SIs(slot-based intersections)作為未來(lái)城市的智能交通基礎(chǔ)設(shè)施，并在構(gòu)建的框架內(nèi)將其與交通燈系統(tǒng)控制性能進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明SIs系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)交叉口通行能力翻倍，可顯著降低延誤；M.AMIRGHOLY等[10]提出一種自主通信車(chē)輛協(xié)同控制策略，使交叉口處各向車(chē)隊(duì)間的車(chē)頭時(shí)距能滿(mǎn)足交叉方向上的車(chē)隊(duì)安全穿行，并構(gòu)建了智能交叉口交通優(yōu)化控制隨機(jī)分析模型，驗(yàn)證表明該策略能夠使交叉口通行能力提高138%；柴琳果等[11]在SIs間隙控制方法的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)優(yōu)化，利用LOOSE(location optimization on sequence evaluation)和COMPACT(cooperative optimization method for previous allocation comparatively transforming)算法對(duì)即將進(jìn)入交叉口的車(chē)輛狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算分析，并做出對(duì)應(yīng)的車(chē)輛控制決策，從而使交通流在無(wú)需減速停車(chē)的情況下能安全通過(guò)交叉口，該方法不僅能提高通行效率，而且適用性更加廣泛；常玉林等[12]在車(chē)聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下，提出了基于間隙優(yōu)化的無(wú)信號(hào)交叉口控制方法，以次路車(chē)能順利穿越車(chē)流量較大的主路為目標(biāo)構(gòu)建了相應(yīng)的控制模型，并驗(yàn)證該方法可提高交叉口通行效率，減少主路車(chē)流延誤時(shí)間。

上述基于間隙理論的交叉口控制研究多是解決車(chē)輛的通行時(shí)間沖突，對(duì)交叉口內(nèi)部的沖突點(diǎn)分析較為缺乏。筆者以典型十字型交叉口作為研究對(duì)象，基于間隙理論對(duì)交叉口沖突消解問(wèn)題進(jìn)行深入分析，提出一種車(chē)路協(xié)同環(huán)境下的交叉口智能控制策略，旨在使交叉口各方向車(chē)輛可依次交替穿插通過(guò)各沖突點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)不停車(chē)通過(guò)交叉口，減少由交通控制裝置所引起的固定延誤，提高通行效率。

1 問(wèn)題描述

傳統(tǒng)信號(hào)燈交叉口控制系統(tǒng)是通過(guò)“斷面式”的時(shí)間分離，使相互沖突的交通流在不同時(shí)間區(qū)段分批次通過(guò)交叉口，這種控制方法在一定程度上造成了通行時(shí)間浪費(fèi)，增加車(chē)輛行車(chē)延誤。實(shí)際上，交叉口車(chē)流沖突僅僅存在于局部的沖突點(diǎn)區(qū)域內(nèi)，若采用一種“流體式”的時(shí)間分離方法，即沖突車(chē)流按照秩序依次交替穿插通過(guò)沖突點(diǎn)，不僅可保證行車(chē)安全，而且能大幅提升交叉口通行效率。

在車(chē)路協(xié)同環(huán)境下，交叉口遠(yuǎn)程控制中心可通過(guò)信息感知和智能決策對(duì)沖突車(chē)流進(jìn)行協(xié)調(diào)管控?；陂g隙理論的交叉口智能控制理念如圖1。當(dāng)主次路車(chē)輛進(jìn)入交叉口控制區(qū)域時(shí)，各向車(chē)輛均提前調(diào)整當(dāng)前行車(chē)狀態(tài)，增大或縮小與前車(chē)之間距離以達(dá)到最優(yōu)行車(chē)間隙Ui和U′j，從而滿(mǎn)足主次路車(chē)輛在無(wú)碰撞條件下不停車(chē)通過(guò)交叉口的通行需求。

圖1 問(wèn)題描述宏觀(guān)示意Fig. 1 Macro diagram of the problem description

基于該控制理念，主次路車(chē)輛在沖突點(diǎn)區(qū)域的通行演繹如圖2。圖2中：當(dāng)主路Ⅰ號(hào)車(chē)完全駛離沖突點(diǎn)區(qū)域時(shí)，次路Ⅱ號(hào)車(chē)開(kāi)始進(jìn)入沖突點(diǎn)區(qū)域；當(dāng)次路Ⅱ號(hào)車(chē)完全駛離沖突點(diǎn)區(qū)域時(shí)，主路Ⅲ號(hào)車(chē)開(kāi)始進(jìn)入沖突點(diǎn)區(qū)域，即主次路車(chē)輛交替穿插通過(guò)沖突點(diǎn)區(qū)域，實(shí)現(xiàn)交叉口沖突消解。

圖2 問(wèn)題描述微觀(guān)示意Fig. 2 Microscopic diagram of the problem description

2 交叉口智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 前提假設(shè)

1)道路交通實(shí)現(xiàn)“聰明的車(chē)”和“智慧的路”，車(chē)載單元與路側(cè)單元等基礎(chǔ)硬件設(shè)施布局完備，數(shù)據(jù)信息傳輸速度與精準(zhǔn)度、信號(hào)覆蓋范圍、抗干擾能力等滿(mǎn)足要求。

2)交叉口控制中心具有強(qiáng)大的信息分析處理能力，能及時(shí)準(zhǔn)確做出決策判斷。

3)道路為機(jī)動(dòng)車(chē)專(zhuān)用通道，不存在非機(jī)動(dòng)車(chē)輛與行人等干擾問(wèn)題。

4)交叉口通行的車(chē)輛類(lèi)型為普通小型汽車(chē)，暫不考慮大中型客貨運(yùn)車(chē)、公交車(chē)等。

5)交叉口路段各功能區(qū)長(zhǎng)度范圍合適，車(chē)輛能在各功能區(qū)內(nèi)完成相應(yīng)的駕駛操作。

6)車(chē)輛在進(jìn)入交叉口前后不允許進(jìn)行合流與分流，即各向車(chē)輛均按照預(yù)設(shè)行車(chē)軌跡在相應(yīng)的獨(dú)立車(chē)道行駛。

7)車(chē)輛在交叉口通行過(guò)程中，均是沿各車(chē)道中心線(xiàn)行駛，且左轉(zhuǎn)車(chē)輛交叉口內(nèi)行車(chē)軌跡為1/4圓弧[13]。

2.2 路段功能區(qū)劃分

按照該控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，道路交叉口附近不同距離路段被劃分為不同功能區(qū)。車(chē)路協(xié)同環(huán)境下道路交叉口各路段的信號(hào)控制功能區(qū)與傳統(tǒng)意義上的交叉口功能區(qū)不同，其存在意義是為了對(duì)進(jìn)入或即將進(jìn)入交叉口的車(chē)輛進(jìn)行實(shí)時(shí)管控[14]。根據(jù)功能與用途不同，將交叉口附近各路段劃分為變道區(qū)、調(diào)控區(qū)、緩沖區(qū)和穿行區(qū)這4個(gè)部分，如圖3。在不同路段區(qū)域范圍內(nèi)，車(chē)載單元、路側(cè)單元與交叉口控制中心各自執(zhí)行相應(yīng)的信息交互，實(shí)現(xiàn)智能化、精細(xì)化交通管控。

圖3 車(chē)路協(xié)同環(huán)境下交叉口路段功能區(qū)Fig. 3 Functional area of intersection under vehicle-infrastructurecooperative environment

2.2.1 變道區(qū)

在此路段內(nèi)各車(chē)輛按照行進(jìn)方向提前變道至對(duì)應(yīng)的導(dǎo)向車(chē)道；路側(cè)傳感器對(duì)本區(qū)各車(chē)道待通行車(chē)輛的行進(jìn)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并將檢測(cè)到的各車(chē)道交通相關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)送至交叉口控制中心。

2.2.2 調(diào)控區(qū)

待通行車(chē)輛在此區(qū)段內(nèi)接收來(lái)自交叉口控制中心發(fā)布的指令信號(hào)；車(chē)輛控制單元在接收到指令后調(diào)整當(dāng)前行車(chē)速度，控制與前方車(chē)輛之間的行車(chē)間距至最優(yōu)間隙，以滿(mǎn)足相互沖突的車(chē)輛交替穿插通過(guò)交叉口沖突點(diǎn)的條件。

2.2.3 緩沖區(qū)

車(chē)輛進(jìn)入緩沖區(qū)后均已達(dá)到控制中心指令要求的行車(chē)狀態(tài)，并以當(dāng)前狀態(tài)勻速行進(jìn)。

2.2.4 穿行區(qū)

車(chē)輛以允許的最優(yōu)速度進(jìn)入交叉口，按照控制中心指令實(shí)時(shí)調(diào)整行車(chē)狀態(tài)，依次通過(guò)行駛路徑上的各個(gè)沖突點(diǎn)，完成交替穿插通行。

2.3 控制策略

在車(chē)路協(xié)同環(huán)境下，道路上的行駛車(chē)輛通過(guò)車(chē)載傳感器感知周邊局部環(huán)境狀況，獲得道路上其他車(chē)輛的位置、駛向等信息，并通過(guò)自身車(chē)載單元向外界發(fā)送本車(chē)的各項(xiàng)運(yùn)動(dòng)信息[15]。路側(cè)傳感器可監(jiān)測(cè)道路安全狀況、路面濕滑狀態(tài)等，同時(shí)接收局部區(qū)域內(nèi)各個(gè)車(chē)載單元發(fā)送的動(dòng)態(tài)信息，檢測(cè)道路各車(chē)道的車(chē)流量、車(chē)道占有率、及車(chē)輛行車(chē)軌跡等道路信息[16]?；谏鲜鰞蓚€(gè)模塊采集到的交通數(shù)據(jù)信息，控制中心進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析并做出決策判斷。

當(dāng)車(chē)輛駛?cè)虢徊婵诳刂茀^(qū)域時(shí)，控制中心根據(jù)車(chē)輛預(yù)設(shè)行車(chē)軌跡，判斷其在交叉口穿行區(qū)內(nèi)是否存在交通沖突。若無(wú)沖突，位于調(diào)控區(qū)的車(chē)輛按照控制中心指令快速行進(jìn)，在無(wú)沖突干擾條件下安全通過(guò)交叉口。若存在沖突，控制中心識(shí)別確認(rèn)出沖突點(diǎn)位置，并計(jì)算各沖突點(diǎn)對(duì)應(yīng)的最優(yōu)行車(chē)間隙，車(chē)輛根據(jù)第一個(gè)沖突點(diǎn)最優(yōu)行車(chē)間隙在調(diào)控區(qū)內(nèi)調(diào)整當(dāng)前行車(chē)狀態(tài)，完成與前車(chē)之間的距離控制，并保持該狀態(tài)駛?cè)氪┬袇^(qū)。車(chē)輛每通過(guò)一個(gè)沖突點(diǎn)，對(duì)行車(chē)間隙進(jìn)行一次調(diào)整，直至通過(guò)穿行區(qū)內(nèi)所有沖突點(diǎn)。圖4為系統(tǒng)控制流程；圖5為車(chē)輛調(diào)控過(guò)程。

圖4 系統(tǒng)控制流程Fig. 4 System control flow chart

圖5 車(chē)輛調(diào)控過(guò)程Fig. 5 Vehicle control process

3 控制模型

3.1 行車(chē)間隙控制模型

選取較為典型的雙向六車(chē)道十字型交叉口進(jìn)行分析。以交叉口中心點(diǎn)O為坐標(biāo)軸原點(diǎn)建立直角坐標(biāo)系，如圖6。

圖6 雙向六車(chē)道十字型交叉口沖突示意Fig. 6 Illustration of the conflict at two-way six-lane intersection

根據(jù)車(chē)輛行駛軌跡不同，可以把圖6中的16個(gè)沖突點(diǎn)分為3類(lèi)：

筆者分別以①、②、③為例，對(duì)直行和左轉(zhuǎn)車(chē)輛經(jīng)過(guò)3種類(lèi)型沖突點(diǎn)處最優(yōu)行車(chē)間隙進(jìn)行分析。假設(shè)沖突點(diǎn)上的車(chē)輛通過(guò)順序?yàn)榈趈輛車(chē)、第i輛車(chē)、第j+1輛車(chē)、第i+1輛車(chē)，如圖7。

圖7 沖突車(chē)輛交替穿插通行示意Fig. 7 Schematic diagram of alternately intenspersing traffic of conflicting vehicles

車(chē)輛交替穿插通過(guò)沖突點(diǎn)的次序?yàn)椋寒?dāng)前一輛車(chē)完全駛離沖突點(diǎn)區(qū)域時(shí)，后車(chē)恰好開(kāi)始進(jìn)入沖突點(diǎn)區(qū)域。在車(chē)輛行駛過(guò)程中為保持行車(chē)間隙不變，同一駛向的車(chē)輛在通過(guò)沖突點(diǎn)前速度相同，即vj=vj+1，vi=vi+1。

行車(chē)間隙控制模型目標(biāo)函數(shù)為車(chē)輛交替穿插通過(guò)沖突點(diǎn)時(shí)的安全行車(chē)間隙最小，其表達(dá)如式(1)、式(2)：

(1)

(2)

式中：Ui-(j+1)為第i輛車(chē)通過(guò)沖突點(diǎn)時(shí)，第j+1輛車(chē)和前車(chē)(即第j輛車(chē))之間的行車(chē)間隙，m；U(j+1)-(i+1)為第j+1輛車(chē)穿插通過(guò)沖突點(diǎn)時(shí)，第i+1輛車(chē)和前車(chē)(即第i輛車(chē))之間的行車(chē)間隙，m；vi為第i輛車(chē)通過(guò)沖突點(diǎn)時(shí)的行駛速度，m/s；l1為沖突點(diǎn)區(qū)域?qū)方向車(chē)輛的作用距離，m；l2為沖突點(diǎn)區(qū)域?qū)方向車(chē)輛的作用距離，m；s為車(chē)輛長(zhǎng)度，s=5 m。

行車(chē)間隙控制模型的約束條件如式(3)～式(5)：

0≤v直

(3)

0≤v左

(4)

(5)

式中：v直、v左分別為直行和左轉(zhuǎn)車(chē)輛在交叉口控制區(qū)域內(nèi)的行駛速度，m/s；v限為交叉口路段車(chē)輛最高限速，m/s；k為道路狀況、車(chē)輛技術(shù)狀況及環(huán)境因素等影響車(chē)輛安全行駛的綜合系數(shù)；g為重力加速度，m/s2；μmax為道路路面的最大靜摩擦系數(shù)；r為左轉(zhuǎn)車(chē)輛的轉(zhuǎn)彎半徑，m。

3.1.1 直行與直行沖突點(diǎn)

沖突點(diǎn)處的車(chē)輛通行示意如圖7(a)，則有式(6)：

l1=l2=w+2d

(6)

式中：w為車(chē)輛寬度，m；d為車(chē)輛側(cè)向凈空寬度，m。

3.1.2 直行與左轉(zhuǎn)沖突點(diǎn)

沖突點(diǎn)處的車(chē)輛通行示意見(jiàn)圖7(b)。結(jié)合圖6所建坐標(biāo)系可得碰撞點(diǎn)S1、S2坐標(biāo)：

沖突區(qū)域作用距離微觀(guān)示意如圖8。通過(guò)幾何計(jì)算可得式(7)～式(10)：

(7)

(8)

(9)

(10)

式中：l為道路車(chē)道的寬度，m；α和β分別為轉(zhuǎn)彎車(chē)輛沖突區(qū)邊界點(diǎn)與轉(zhuǎn)彎圓心的夾角，(°)。

圖8 沖突區(qū)域作用距離微觀(guān)示意Fig. 8 Microscopic diagram of conflict zone action distance

3.1.3 左轉(zhuǎn)與左轉(zhuǎn)沖突點(diǎn)

沖突點(diǎn)處的車(chē)輛通行示意見(jiàn)圖7(c)。結(jié)合圖6所建坐標(biāo)系可求得碰撞點(diǎn)S1、S2坐標(biāo)：

沖突區(qū)域作用距離微觀(guān)示意如圖9。通過(guò)幾何計(jì)算可得式(11)～式(13)：

(11)

(12)

(13)

通過(guò)沖突區(qū)域作用距離分析，可得式(14)～(19)：

(14)

(15)

(16)

(17)

(18)

(19)

式中：UW直-N直、UN直-W直分別為X、Y方向直行車(chē)輛交替穿插通過(guò)沖突點(diǎn)時(shí)的最優(yōu)行車(chē)間隙，m；UW直-E左、UE左-W直分別為X、Y方向直行和左轉(zhuǎn)車(chē)輛交替穿插通過(guò)沖突點(diǎn)時(shí)的最優(yōu)行車(chē)間隙，m；US左-E左、UE左-S左分別為X、Y方向左轉(zhuǎn)車(chē)輛交替穿插通過(guò)沖突點(diǎn)時(shí)的最優(yōu)行車(chē)間隙，m；vN直、vW直、vE左、vS左分別為Z方向上直行或左轉(zhuǎn)車(chē)輛通過(guò)沖突點(diǎn)時(shí)的行駛速度，m/s。

圖9 沖突區(qū)域作用距離微觀(guān)示意Fig. 9 Microscopic diagram of conflict zone action distance

3.2 車(chē)輛狀態(tài)調(diào)整

交叉口控制中心根據(jù)預(yù)先感知的車(chē)輛行駛狀態(tài)信息分析預(yù)測(cè)交叉口車(chē)流沖突，運(yùn)用行車(chē)間隙控制模型實(shí)時(shí)進(jìn)行車(chē)輛通行間隙運(yùn)算，并通過(guò)車(chē)輛狀態(tài)動(dòng)態(tài)調(diào)整的方式使車(chē)輛之間達(dá)到最優(yōu)行車(chē)間隙，從而實(shí)現(xiàn)交叉口的智能控制。

3.2.1 調(diào)控區(qū)內(nèi)的車(chē)輛狀態(tài)調(diào)整

車(chē)流在經(jīng)過(guò)交叉口時(shí)一般具有明顯的車(chē)隊(duì)特征[17]，即相沖突的兩路車(chē)流均是以車(chē)隊(duì)形式交替穿插通過(guò)沖突點(diǎn)的。當(dāng)某進(jìn)口道有一股車(chē)流W進(jìn)入到交叉口控制區(qū)域時(shí)，控制中心將其分為若干個(gè)連續(xù)的子車(chē)隊(duì)W1，W2，…，Wm，并以子車(chē)隊(duì)為單位進(jìn)行車(chē)輛狀態(tài)調(diào)整。其中：每個(gè)子車(chē)隊(duì)中所有車(chē)輛在交叉口穿行區(qū)內(nèi)遇到的沖突狀況相同。

如Wk子車(chē)隊(duì)中包含n輛車(chē)，當(dāng)車(chē)隊(duì)中車(chē)輛進(jìn)入到交叉口調(diào)控區(qū)路段后，需將車(chē)輛從當(dāng)前的行駛狀態(tài)A調(diào)整至目標(biāo)狀態(tài)B，使車(chē)輛與前車(chē)之間形成最優(yōu)行車(chē)間隙。目標(biāo)狀態(tài)包括車(chē)輛位置、速度、加速度、調(diào)整時(shí)間和與前車(chē)的行車(chē)間隙，調(diào)整過(guò)程如下：

其中：xai、vai、aai、tai、uai分別為子車(chē)隊(duì)第i(i=1,2,…,m)輛車(chē)在交叉口調(diào)控區(qū)的初始位置、行駛速度、設(shè)定加速度、進(jìn)入調(diào)控區(qū)時(shí)間、與前車(chē)的行車(chē)間隙；xbi、vb、ub分別為車(chē)輛目標(biāo)狀態(tài)下在交叉口調(diào)控區(qū)的位置、目標(biāo)速度、目標(biāo)最優(yōu)行車(chē)間隙；tbi為完成狀態(tài)調(diào)整后的時(shí)間。

在目標(biāo)狀態(tài)下屬于同一子車(chē)隊(duì)中的車(chē)輛均保持相同最優(yōu)行車(chē)間隙勻速行進(jìn)，故加速度為0。視車(chē)輛在本階段狀態(tài)調(diào)整中做勻加/減速行駛，則車(chē)輛狀態(tài)調(diào)整時(shí)間Δti如式(20)：

(20)

因車(chē)輛需要在交叉口調(diào)控區(qū)長(zhǎng)度范圍內(nèi)完成狀態(tài)調(diào)整，故狀態(tài)調(diào)整時(shí)間的約束條件如式(21)：

(21)

式中：l調(diào)控為交叉口調(diào)控區(qū)長(zhǎng)度，m。

3.2.2 穿行區(qū)內(nèi)的車(chē)輛狀態(tài)調(diào)整

當(dāng)Wk子車(chē)隊(duì)中車(chē)輛在調(diào)控區(qū)內(nèi)完成狀態(tài)調(diào)整，并保持一定狀態(tài)通過(guò)穿行區(qū)內(nèi)的第一個(gè)沖突點(diǎn)后，由于后續(xù)沖突點(diǎn)上車(chē)輛行駛狀況有所改變，故需對(duì)子車(chē)隊(duì)中車(chē)輛的行駛狀態(tài)繼續(xù)進(jìn)行微調(diào)，調(diào)整過(guò)程如下：

其中：B為上一階段的目標(biāo)狀態(tài)，亦為本階段車(chē)輛行駛的初始狀態(tài)；C為車(chē)輛調(diào)整的過(guò)程狀態(tài)；D為車(chē)輛調(diào)整的目標(biāo)狀態(tài)。vd、ub分別為本階段狀態(tài)調(diào)整時(shí)的初始速度和初始行車(chē)間隙；vci、aci、uci分別為第i輛車(chē)狀態(tài)調(diào)整過(guò)程中的速度、加速度和行車(chē)間隙；vd為狀態(tài)調(diào)整的目標(biāo)速度；ud為狀態(tài)調(diào)整的目標(biāo)行車(chē)間隙，即車(chē)輛通過(guò)下一個(gè)沖突點(diǎn)時(shí)與前車(chē)之間最優(yōu)行車(chē)間隙。

視車(chē)輛在本階段狀態(tài)調(diào)整中同樣做勻加/減速行駛，則車(chē)輛狀態(tài)調(diào)整時(shí)間Δt′i如式(22)：

(22)

式中：v0為車(chē)輛的初始速度。

此階段車(chē)輛需在到達(dá)下一個(gè)沖突點(diǎn)前完成狀態(tài)調(diào)整，故狀態(tài)調(diào)整時(shí)間約束條件如式(23)：

(23)

式中：l沖-沖為車(chē)輛行駛路徑上兩沖突點(diǎn)之間距離。

4 仿真分析

在Vissim仿真環(huán)境中構(gòu)建雙向六車(chē)道十字交叉口，通過(guò)MATLAB調(diào)用COM接口[18-19]，將筆者提出的控制方法與傳統(tǒng)信號(hào)燈控制進(jìn)行對(duì)比分析。信號(hào)燈控制方法采用二相位定時(shí)信號(hào)控制，周期時(shí)間T=100 s，其中各相位綠燈時(shí)長(zhǎng)45 s，綠燈間隔5 s，車(chē)輛跟馳最小安全距離設(shè)為5 m。車(chē)路協(xié)環(huán)境下的交叉口路段控制區(qū)域范圍設(shè)定為700 m，其中變道區(qū)長(zhǎng)度為100 m，調(diào)控區(qū)為400 m，緩沖區(qū)為200 m。交叉口各方向進(jìn)口道均為1左轉(zhuǎn)、1直行和1右轉(zhuǎn)，每條車(chē)道寬為3.5 m，左轉(zhuǎn)車(chē)輛轉(zhuǎn)彎半徑為15.75 m。道路最高限速60 km/h，最低限速10 km/h。仿真預(yù)熱時(shí)間600 s，仿真時(shí)長(zhǎng)3 600 s。

4.1 車(chē)輛通行效率對(duì)比分析

仿真中設(shè)定東西進(jìn)口道左轉(zhuǎn)、直行、右轉(zhuǎn)交通流量分配比例為3∶5∶2，南北進(jìn)口道左轉(zhuǎn)、直行、右轉(zhuǎn)交通流量分配比例為4∶3∶3，分別對(duì)不同交通流量下兩種方法的控制效果進(jìn)行仿真評(píng)價(jià)。

4.1.1 車(chē)輛行程時(shí)間

圖10為不同交通流量下東西進(jìn)口道和南北進(jìn)口道車(chē)輛行程時(shí)間對(duì)比結(jié)果。當(dāng)交通流量分別為300、600、900 veh/h時(shí)，東西進(jìn)口道車(chē)輛行程時(shí)間分別縮短44.47%、38.19%、35.07%，南北進(jìn)口道車(chē)輛行程時(shí)間分別縮短44.15%、40.53%、35.57%。由于智能控制下交叉口車(chē)輛無(wú)需怠速停車(chē)，故通過(guò)交叉口行程時(shí)間得到顯著縮短；車(chē)輛一直處于行駛狀態(tài)，故智能控制下車(chē)輛行程時(shí)間波動(dòng)也較小。

4.1.2 車(chē)輛延誤時(shí)間

東西進(jìn)口道和南北進(jìn)口道車(chē)輛平均延誤時(shí)間對(duì)比結(jié)果見(jiàn)圖11。當(dāng)交通流量為300 veh/h時(shí)，傳統(tǒng)控制下的車(chē)輛在一個(gè)信號(hào)燈周期內(nèi)即可通過(guò)交叉口，此時(shí)車(chē)輛平均延誤時(shí)間較短。隨著交通流量增加，傳統(tǒng)控制下交叉口排隊(duì)車(chē)輛增多，造成更多停車(chē)延誤同時(shí)，使得車(chē)輛排隊(duì)等候時(shí)間也越來(lái)越長(zhǎng)。在智能控制下，車(chē)輛是在行進(jìn)中通過(guò)車(chē)速動(dòng)態(tài)調(diào)整來(lái)避免交通沖突，當(dāng)交通流量較大時(shí)，車(chē)輛通行速度減慢，故延誤時(shí)間有所增長(zhǎng)。由于智能控制下車(chē)輛無(wú)需進(jìn)行頻繁的啟停行為，因此車(chē)輛延誤較傳統(tǒng)控制能大幅降低。當(dāng)交通流量分別為300、600、900 veh/h時(shí)，東西進(jìn)口道車(chē)輛平均延誤時(shí)間分別降低71.82%、59.37%、47.57%，南北進(jìn)口道車(chē)輛平均延誤時(shí)間分別降低82.95%、68.23%、53.85%。

圖10 不同交通流量下車(chē)輛行程時(shí)間對(duì)比Fig. 10 Comparison of vehicle travel time under different traffic flows

圖11 不同交通流量下車(chē)輛平均延誤時(shí)間對(duì)比Fig. 11 Comparison of average vehicle delay under different traffic flows

4.2 經(jīng)濟(jì)與環(huán)境效益對(duì)比分析

運(yùn)用VT-Micro模型(virginal tech microscopic emission model)[20]對(duì)兩種控制方法下的車(chē)輛主要污染物排放與油耗情況進(jìn)行對(duì)比，仿真評(píng)價(jià)得出的相關(guān)數(shù)據(jù)如表1。

表1 不同控制方法下車(chē)輛污染物排放與油耗對(duì)比Table 1 Comparison of vehicle pollutant emission and fuelconsumption with different control methods

由表1結(jié)果可看出：交叉口智能控制下車(chē)輛污染物排放與油耗均得到有效減少。例如在低車(chē)流密度(300 veh/h)環(huán)境下，智能控制交叉口車(chē)輛通過(guò)調(diào)整最優(yōu)行車(chē)間隙，能以穩(wěn)定的車(chē)速快速通過(guò)交叉口，因此經(jīng)濟(jì)與環(huán)境效益提升較大，CO、HC和NOx排放分別減少了38.4%，47.6%，54.2%，車(chē)輛油耗降低了31.6%。隨著車(chē)流密度增大，為保持最優(yōu)行車(chē)間隙，智能控制下交叉口車(chē)輛需以較低車(chē)速行駛，故效益提升幅度稍有降低。

5 結(jié) 語(yǔ)

筆者提出了一種車(chē)路協(xié)同環(huán)境下的交叉口智能控制策略，對(duì)交叉口路段功能區(qū)進(jìn)行了定義劃分，在綜合考慮效率與安全前提下，設(shè)計(jì)了基于間隙理論的交叉口智能協(xié)調(diào)控制工作流程，建立了交叉口沖突區(qū)域范圍計(jì)算模型，并由此提出車(chē)輛行車(chē)間隙控制與車(chē)輛狀態(tài)調(diào)整模型。仿真結(jié)果表明：該智能控制方法能使車(chē)路協(xié)同環(huán)境下的車(chē)輛不停車(chē)安全通過(guò)交叉口，所建模型合理有效，不僅可提高車(chē)輛在交叉口區(qū)域的通行效率，且能有效降低油耗與污染物排放。

需要注意的是，所提出的控制策略是基于較為理想的交通環(huán)境下展開(kāi)，交叉口智能控制的實(shí)現(xiàn)還將依賴(lài)于車(chē)聯(lián)網(wǎng)與智能駕駛技術(shù)發(fā)展，以及未來(lái)智能交通基礎(chǔ)設(shè)施的布局建設(shè)。由于交叉口區(qū)域的環(huán)境復(fù)雜性與多變性，在后續(xù)工作中還需進(jìn)一步開(kāi)展深入研究。