車路協(xié)同下的基于S函數(shù)的交叉口平滑車速引導(dǎo)方法*

郭 蓬，王夢丹，楊建森，陳美奇，蔡 聰，許揚(yáng)眉

（1.中國汽車技術(shù)研究中心有限公司；2.中汽研（天津）汽車工程研究院有限公司，天津 300300）

1 引言

近年來汽車行業(yè)發(fā)展迅速，交通擁堵及環(huán)境污染問題同時接踵而來。為了解決這些問題，各國開始大力發(fā)展智能交通系統(tǒng)，其中車路協(xié)同系統(tǒng)逐漸成為研究熱點(diǎn)。道路交通中，信號交叉口是交通延誤最大的地方之一，“一路綠燈”的實(shí)現(xiàn)不僅能提高信號交叉口的通行效率，還能減少車輛燃油消耗。車路協(xié)同系統(tǒng)的發(fā)展，使車輛和路側(cè)設(shè)施——智能紅綠燈之間可進(jìn)行通信，車速引導(dǎo)能有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)信號控制下車輛被動響應(yīng)的局限，是未來提高信號交叉口通行效率的一種有效方法和研究方向。

目前，國內(nèi)外學(xué)者提出了多種基于車路協(xié)同系統(tǒng)或智能交通下的車速引導(dǎo)模型。王文輝等設(shè)計了一種閉環(huán)反饋速度更新算法，以動態(tài)補(bǔ)償人車響應(yīng)特性造成的跟蹤偏差；賈豐源等搭載了車載交通燈提醒系統(tǒng)，提出車路協(xié)同環(huán)境下的車速引導(dǎo)策略；徐麗萍等以車輛列隊(duì)為引導(dǎo)單元，將車輛可能面臨的交通狀況細(xì)分為8種引導(dǎo)場景，以引導(dǎo)車輛不停車或少停車通過交叉口為目標(biāo)，直接優(yōu)化車輛加/減速度，建立車輛列隊(duì)后車根據(jù)改進(jìn)的跟馳模型計算目標(biāo)跟馳加/減速度，并與頭車組成列隊(duì)以同一目標(biāo)車速通過交叉口停車線的4種車速引導(dǎo)模型；張雪等通過創(chuàng)建綠燈期間車速引導(dǎo)模型和紅燈期間車速引導(dǎo)模型，構(gòu)建以最優(yōu)車速通過信號交叉口的車速引導(dǎo)模型，以減小信號交叉口的平均延誤和排隊(duì)長度。

大部分車速引導(dǎo)算法策略沒有考慮到駕駛員需要頻繁制動或車輛速度突變帶來的影響。因此本文提出一種交叉口平滑車速引導(dǎo)方法，通過對進(jìn)入交叉口引導(dǎo)區(qū)間的車輛進(jìn)行車速引導(dǎo)，盡可能做到不停車通過交叉口，減少等待時間，提高通行效率，同時利用S形加減速算法，使得速度曲線平滑，提高駕駛平穩(wěn)性。

2 車路協(xié)同環(huán)境搭建

2.1 車路協(xié)同系統(tǒng)

圖1為本研究的交叉路口車路協(xié)同環(huán)境。在交叉路口布設(shè)智能紅綠燈，同時信號燈控制器與RSU進(jìn)行連接，實(shí)時向周圍的車輛廣播車輛所處位置的地圖消息及紅綠燈消息；車輛裝載車載單元OBU，一方面實(shí)時接收路口的紅綠燈消息及地圖消息，另一方面實(shí)時收集自身車輛狀態(tài)信息，包含位置點(diǎn)、速度、加速度等。

圖1 交叉路口車路協(xié)同環(huán)境

2.2 基本假設(shè)

為簡化研究的問題，本文提出的研究方法基于以下基本假設(shè)。

1）單車與信號交叉口之間的信息交互，前方無車輛影響。

2）不受橫向車輛和交叉口轉(zhuǎn)彎車輛影響。

3）不考慮天氣、路面條件的影響，只考慮汽車本身的車速限制。

3 基于S函數(shù)的交叉口平滑車速引導(dǎo)算法

本文設(shè)計的基于S函數(shù)的交叉口平滑車速引導(dǎo)算法流程如圖2所示，包含以下步驟。

圖2 基于S函數(shù)的交叉口平滑車速引導(dǎo)算法流程圖

1）步驟1：車輛進(jìn)入引導(dǎo)區(qū)間，通過V2X通信技術(shù)，車輛與信號燈進(jìn)行信息交互，判斷當(dāng)前信號燈的顏色，若為綠色則執(zhí)行步驟2，若為黃色或紅色則執(zhí)行步驟4。

2）步驟2：根據(jù)公式（1）計算得到車輛行駛至停止線的時間t為：

式中：L——目標(biāo)車輛距停止線的距離；v——目標(biāo)車輛進(jìn)入到引導(dǎo)區(qū)間時的速度。

若t≤t，則車輛勻速通過停止線，輸出建議車速v。

3）步驟3：若t>t，根據(jù)公式（2）計算變加速a。車輛以變加速a，加速到最高限速v。

式中：T=t-t，T——每個階段持續(xù)的時間；τ=t-t，τ——當(dāng)前時刻在第k個階段持續(xù)的時間，加加速J恒定且

T=T。

綠燈加速過程中，為了使速度曲線平滑過渡，速度v先經(jīng)過加加速達(dá)到v，再經(jīng)過勻加速達(dá)到v，最后再經(jīng)過減加速達(dá)到v。根據(jù)公式（3）可得到各個時刻的速度。

式中：v=v。

根據(jù)公式（4）計算得到每個時刻行駛的距離為S。

根據(jù)公式（5）計算車輛到達(dá)停止線的時間t，若t≤t，則車輛加速通過，否則停車等待。

式中：T——加加速行駛的時間；T——勻加速行駛的時間；T——減加速行駛的時間；S——變加速過程行駛的位移距離。

4）步驟4：根據(jù)紅燈的剩余時間t、車輛駛至停止線的時間t，判斷車輛行駛至停止線的時間是否大于紅燈剩余的時間，若t>t，則車輛勻速通過停止線，輸出建議車速v。

5）步驟5：若t≤t，車輛減速行駛，根據(jù)公式以變減速a減速到最低限速v，并根據(jù)減速行駛的距離計算車輛達(dá)到停止線的時間t，若t

若t≤t，車輛減速行駛，根據(jù)公式（6）計算變減速a，即車輛減速到最低限速v。

紅燈減速過程，為了使速度曲線平滑過渡，根據(jù)公式（7），速度v先經(jīng)過加減速達(dá)到v，再經(jīng)過勻減速達(dá)到v，最后再經(jīng)過減減速達(dá)到v。

式中：v=v。

根據(jù)公式（8），每個時刻行駛的距離為S。

綜上所述，根據(jù)公式（9），車輛到達(dá)停止線的時間t為：

式中：T——加減速行駛的時間；T——勻減速行駛的時間；T——減減速行駛的時間；S——減速過程行駛的位移。

4 模型分析

圖3為使用VTD軟件對車路協(xié)同環(huán)境下基于S函數(shù)的交叉口平滑車速引導(dǎo)方法模型進(jìn)行測試，通過模型結(jié)果驗(yàn)證模型的整體功能和效果。

圖3 仿真模型

4.1 模型參數(shù)設(shè)置

在本文設(shè)計的車路協(xié)同環(huán)境下基于S函數(shù)的交叉口平滑車速引導(dǎo)方法模型中，道路模型設(shè)置為雙向兩車道，長度為500m，引導(dǎo)區(qū)長度L為300m，信號燈周期C為120s，其中綠燈時長T為60s，黃燈時 長T為3s，紅燈時 長T為57s，車輛車速v為30km/h，加速度a為2.0m/s，減速度a為-2.0m/s，加加速J為2.0m/s，進(jìn)入引導(dǎo)區(qū)時剩余綠燈時間t為35s，道路限速為：v為20km/h，v為40km/h。

車輛通過OBU實(shí)時采集車輛位置、速度、加速度等信息，進(jìn)入到引導(dǎo)區(qū)后，自動接收信號燈相位和配時信息。根據(jù)車輛前方道路的紅綠燈色、剩余時間以及距離路口停車線的距離，對進(jìn)入引導(dǎo)區(qū)車輛的引導(dǎo)速度進(jìn)行預(yù)判，最終可以獲得車輛可以加速通過，且具體速度變化如公式（10）所示。

4.2 仿真結(jié)果分析

圖4為有無車速引導(dǎo)的情況下，車輛在交叉路口引導(dǎo)區(qū)域的速度變化圖，時刻點(diǎn)t為加加速結(jié)束時刻點(diǎn)，t為勻加速結(jié)束時刻點(diǎn)，t為減加速結(jié)束時刻點(diǎn)。從圖4中可以看出，當(dāng)無車速引導(dǎo)時，車輛一直勻速行駛，當(dāng)接近交叉路口時判定無法通過后減速停止在路口停止線前；當(dāng)基于本文設(shè)計的車速引導(dǎo)模型時，車輛進(jìn)入加加速階段，之后進(jìn)入勻加速階段，最后進(jìn)入減加速階段，最終可不停車通過交叉路口。綜上所述，本文設(shè)計的車路協(xié)同環(huán)境下基于S函數(shù)的交叉口平滑車速引導(dǎo)方法可以做到不停車通過交叉路口，提高交通通行效率，同時使建議速度變化平滑，提高駕駛平穩(wěn)性。

圖4 引導(dǎo)區(qū)域車輛速度變化圖

5 總結(jié)

本文提出的車路協(xié)同環(huán)境下基于S函數(shù)的交叉口平滑車速引導(dǎo)方法，通過對進(jìn)入交叉口引導(dǎo)區(qū)間的車輛進(jìn)行車速引導(dǎo)，盡可能做到不停車通過交叉口，減少等待時間，提高通行效率，同時利用S形加減速算法，使得速度曲線平滑，提高駕駛平穩(wěn)性。