一种车联网环境下信号交叉口绿色驾驶车速诱导方法及仿真系统技术方案

本发明专利技术提供了一种车联网环境下信号交叉口绿色驾驶车速诱导方法及仿真系统。当车辆行驶至预先设定的车速诱导区域时，中心控制系统会获取该车辆的运动状态信息(位置、速度、加速度等)，以不停车通过交叉口为目标对车辆进行实时动态的绿色驾驶车速诱导。该车速诱导方法减轻了城市道路上交叉口对交通流的阻断，降低了信号交叉口的车辆延误、燃油消耗和污染物排放。在此基础上，运用开源多智能体仿真工具Netlogo建立了车联网环境下车速诱导仿真系统，模拟对比分析了传统驾驶和车联网两种环境下车辆通过交叉口的行程时间、燃料消耗与污染物排放，以此来验证该速度诱导方法的可行性和有效性。

【技术实现步骤摘要】
一种车联网环境下信号交叉口绿色驾驶车速诱导方法及仿真系统
本专利技术涉及车联网环境下交通诱导
，特别涉及车联网环境下信号交叉口车速诱导的建模与仿真。
技术介绍
近年来，随着我国机动车保有量的逐年上升，交通拥堵与车辆污染物排放问题日益凸显，而城市信号交叉口作为城市路网的“咽喉”，成为了这一问题的“重灾区”。在信号交叉口处，车辆由于受其控制信号的周期性干扰，经常在路口停车等候造成怠速行驶，导致交叉口通行效率下降及燃油消耗与污染物排放上升，并严重影响车辆运行过程中的安全性与舒适性。目前，越来越多的学者开始关注绿色驾驶，绿色驾驶对于降低燃油消耗、落实国家节能减排策略、提高环境质量、倡导公民低碳生活等方面具有长远的经济效益和社会效益，美国交通运输部的研究表明合理的路径规划与车速诱导可带来20％～40％的节油效果，因此，采用一定的方法对车速进行诱导，使其平滑地通过交叉口，避免突然加减速和怠速等驾驶行为，可以提高信号交叉口处的通行效率和起到节能减排效果。在电子信息和无线通信技术的推动下，物联网技术得到快速发展。车联网是物联网最活跃的分支，旨在使车-车(V2V)、车-路(V2I)实时信息交互，实现交通系统的整体统筹与优化。车联网是由车辆位置、速度和路线等信息构成的巨大交互网络，通过GPS、RFID、传感器、摄像头图像处理等装置，车辆可以完成自身环境和状态信息的采集；通过互联网技术，所有的车辆可以将自身的各种信息传输汇聚到中央处理器；通过信息计算技术，这些大量车辆的信息可以被实时分析和处理，从而计算出每辆车的最佳行驶速度和最佳路线。
技术实现思路
本专利技术的专利技术是车联网环境下信号交叉口绿色驾驶车速诱导方法及仿真系统。当车辆行驶至预先设定的车速诱导区域时，会将自身的位置、速度及加速度信息发送给中心控制单元，中心控制单元根据各交叉口进口道上发送请求的车辆数及排队长度，根据当前交叉口的信号灯信息计算出对每一辆车的绿色驾驶诱导速度，进行实时动态地诱导，从而使尽可能多的车辆以平滑速度不停车通过交叉口，提高信号交叉口处的通行效率并起到节能减排的效果。本专利技术的技术方案是：构建车联网环境下信号交叉口绿色驾驶车速诱导数学模型，并借助于开源多智能体仿真工具NetLogo建立仿真系统。1.构建车联网环境下信号交叉口绿色驾驶车速诱导数学模型的步骤如下：(1)模型的建立基于以下假设条件：1)每个信号交叉口配备一个中心控制单元(trafficcontrolunit,TCU)，用于接收与处理路侧位置单元发送来的车辆运动状态与信号灯信息；各进口道变速控制区域配备一个路侧位置单元(locationunit,LU)，用于汇总变速控制区域内全部车辆运动状态信息并发送至中心控制单元；每辆即将进入交叉口的车辆全部配备一个车载单元(vehicleunit,VU)，用于采集车辆运动状态信息，并接收中心控制单元发送的车速诱导信息。2)个体车辆驶入控制区域之后进入自动驾驶模式，车载单元和路侧位置单元、中心控制单元可实时通信，通信延迟在可接受范围之内。3)在控制区域内假设车辆不会主动超车或变换车道。4)交叉口各进口道的车辆到达服从泊松分布5)车辆行驶路面平坦，重力对车辆加速度的影响可忽略不计。(2)交叉口进口道车速诱导控制区域的界定本专利技术将交叉口进口道车速诱导控制区域分成两大部分，即变速控制区和匀速控制区，车辆从进入控制范围开始到交叉口进口道停车线前的区域为变速控制区，车辆通过交叉口进口道停车线直到驶离交叉口，这一区域称为匀速控制区。。各交叉口进口道变速控制区的控制区域界定方法如下：设路段上车辆的最大速度和最小速度分别是vmax和vmin，车辆的加速度为a，a1，a2分别为最大加速度和最大减速度的绝对值。对于最短控制区域的确定，应该使车辆在任何速度下都有足够的时间进行速度调整；最长控制区域的确定是为了确保以任何速度驶入变速控制区的车辆能够在一个周期C内通过交叉口。变速控制区控制区域L的表达式如下：(3)数学建模假设车辆经诱导后不停车通过交叉口，其行驶过程分为两个阶段：①在变速控制区内将速度调整为绿色驾驶优化车速；②在匀速控制区内车辆以优化车速行驶并通过交叉口。系统优化的目标函数是使整个车队通过交叉口的时间最短，即：式中：ti为车辆在变速控制区的行驶时间，s；LG为车辆通过交叉口内部需行驶的路段长度，m；vi为诱导车速，即绿色驾驶优化车速，m/s。将车辆在变速控制区速度调整的过程看成是一个匀变速运动，根据牛顿运动学定律，车辆在变速控制区行驶的时间为：式中：vi为i车的诱导车速，即绿色驾驶优化车速，m/s；vi0为i车进入变速控制区的初始车速，m/s；a为车辆的加速度，m/s2；Li为i车距停车线的距离，m。上式可转化为一个关于vi的一元二次方程，求解该方程即可得出诱导车速vi。若车辆经诱导后减速或者匀速行驶，则诱导车速为：若车辆经诱导后加速行驶，则诱导车速为：这里，需要注意的是车辆在变速控制区内并不一定全程做变速运动，当车速调整到绿色驾驶优化车速时，即可提前进入匀速运动的状态。(4)模型迭代约束条件在车辆持续随机到达情况下，模型迭代过程中的一些约束条件如下：1)判断“头车”是否停车。若不停车，则不考虑启动损失时间，停车线后的“头车”通过时刻应大于或等于绿灯开始时刻：T1≥Tg若“头车”停车，则考虑启动损失时间，停车线后的“头车”通过时刻应大于或等于绿灯开始时刻与启动损失时间之和：T1≥Tg+tl式中：T1为“头车”通过停车线的时刻，s；Tg为绿灯启亮时刻，s；tl为启动损失时间，s。2)前后车通过时刻约束条件。后车通过停车线的时刻应大于等于前车通过停车线的时刻与最小车头时距之和：Ti≥Ti-1+ts式中，ts为最小车头时距，s。3)绿灯结束时刻约束。车辆的通过时刻必须小于等于绿灯结束时刻：Ti≤Tg+tg式中，tg为交叉口该行为的绿灯时间，s。4)诱导车速约束。模型的诱导车速必须介于路段最小车速和最大车速之间：vmin≤vi≤vmax2.运用开源多智能体仿真工具Netlogo建立车联网仿真系统的步骤如下：(1)车联网仿真系统的初始化给仿真系统设定一个坐标原点，在此坐标原点的基础上绘制道路、交叉口及路侧建筑等，并给路段赋予一定标识和一定的自由流速度也就是最大速度以划分路段等级。(2)车辆智能体的生成及初始化在交叉口各进口道设定来车率p生成车辆智能体(Turtles)。通过产生一个服从[0,100]的均匀分布的随机数k，如果k＜100·p，则生成一个车辆智能体，否则不生成。每个车辆智能体生成后根据进口道、速度、转向等属性对其进行初始化设置。例如，将交叉口四个进口道按顺时针的顺序从北进口道开始依次标号1、2、3、4，同时定义一定的转向规则，直行为1，左转为2，右转为3，那么，数组[1，1]就可以表示车辆从北进口道进入交叉口，并且将直行通过交叉口；同样，数组[2，3]表示车辆从东进口道进入交叉口且将要在交叉口右转。在该仿真系统中每个进口道左转车、直行车、右转车的比例均设置为2：5：3。对车辆智能体在交叉口的转弯过程描述如下：if车辆到达右转弯判定位置if车辆属性为右转赋值heading＝heading+90°else保持直行，赋值heading＝headingif车辆到本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种车联网环境下信号交叉口绿色驾驶车速诱导方法，其特征在于，主要通过三类控制单元——车载单元、路侧单元和中心控制单元，通过个体车辆与路侧设施及中心控制系统的实时信息交互，从而实现了对车速动态的诱导，使尽可能多的车辆以平滑的速度通过交叉口，提高信号交叉口处的通行效率并起到节能减排的效果。该车速诱导模型的工作流程为：(1)车辆进入车速诱导控制区域本专利技术将车速诱导控制区域分成两大部分，即变速控制区和匀速控制区，车辆从进入控制范围开始到交叉口进口道停车线前的区域为变速控制区，车辆通过交叉口进口道停车线直到驶离交叉口，这一区域称为匀速控制区。需要说明的是，这里假设个体车辆驶入控制区域之后进入自动驾驶模式，即个体车辆完全服从中心控制系统的速度诱导控制。(2)信息交互与车速调整当车辆进入预先设定好的车速诱导区域之后，车载单元(vehicle unit，VU)自动向路侧位置单元(location unit,LU)实时发送自身的位置、速度、加速度、转向等信息，路侧位置单元接收车载单元发来的信息并将该进口道上所有车辆的信息打包发送给中心控制系统(traffic control unit,TCU)。中心控制系统接收每个进口道上路侧位置单元发送的信息，根据当前交叉口的信号相位信息(各方向上的剩余绿灯时长或红灯时长)以及进口道的排队长度从而计算出不停车通过交叉口的绿色驾驶速度，并将该诱导车速实时发布给个体车辆。需要说明的是，车速调整的过程只在变速控制区内进行，当车辆达到绿色驾驶速度之后即按照该速度匀速行驶通过交叉口。...

【技术特征摘要】
1.一种车联网环境下信号交叉口绿色驾驶车速诱导方法，其特征在于，主要通过三类控制单元——车载单元、路侧单元和中心控制单元，通过个体车辆与路侧设施及中心控制系统的实时信息交互，从而实现了对车速动态的诱导，使尽可能多的车辆以平滑的速度通过交叉口，提高信号交叉口处的通行效率并起到节能减排的效果。该车速诱导模型的工作流程为：(1)车辆进入车速诱导控制区域本发明将车速诱导控制区域分成两大部分，即变速控制区和匀速控制区，车辆从进入控制范围开始到交叉口进口道停车线前的区域为变速控制区，车辆通过交叉口进口道停车线直到驶离交叉口，这一区域称为匀速控制区。需要说明的是，这里假设个体车辆驶入控制区域之后进入自动驾驶模式，即个体车辆完全服从中心控制系统的速度诱导控制。(2)信息交互与车速调整当车辆进入预先设定好的车速诱导区域之后，车载单元(vehicleunit，VU)自动向路侧位置单元(locationunit,LU)实时发送自身的位置、速度、加速度、转向等信息，路侧位置单元接收车载单元发来的信息并将该进口道上所有车辆的信息打包发送给中心控制系统(trafficcontrolunit,TCU)。中心控制系统接收每个进口道上路侧位置单元发送的信息，根据当前交叉口的信号相位信息(各方向上的剩余绿灯时长或红灯时长)以及进口道的排队长度从而计算出不停车通过交叉口的绿色驾驶速度，并将该诱导车速实时发布给个体车辆。需要说明的是，车速调整的过程只在变速控制区内进行，当车辆达到绿色驾驶速度之后即按照该速度匀速行驶通过交叉口。2.根据权利要求1所述车辆诱导速度的计算方法，其特征在于，运用牛顿运动定律，将车辆在变速控制区内的运动过程看成是一个匀变速运动，利用采集到的车辆速度、加速度信息，根据当前车辆距离停车线的距离和剩余绿灯或红灯时间，反解出该车辆不停车通过交叉口的绿色驾驶速度vi。3.根据上述权利要求1所述车速诱导模型的工作流程，对该车速诱导模型的求解过程如下：(1)判断“头车”是否停车。若停车，则考虑启动损失时间；否则，则不考虑启动损失时间；(2)根据前后车之间最小车头时距约束条件、路段最大和最小限速条件等约束条件，确定第i辆车绿灯通过时刻Ti；(3)计算第i辆车的绿色驾驶车速vi；(4)i＝i+1，重复2)、3)步，直到绿灯时间结束。4.在上述权利要求3所述车速诱导模型求解的基础上，关于“头车”的判断方法如下：当第i辆车到达控制区域时，发现在当前信号周期内没有足够的时间通过交叉口，此时在第i辆车前面的车辆将作为一个车队通过交叉口，同时把第i辆车作为下一车队的“头车”进行下一个信号周期内的速度诱导。5.在上述权利要求1所述的车联网环境下信号交叉口车速诱导模型的基础上，运用开源多智能体仿真工具Netlogo建立了仿...

【专利技术属性】
技术研发人员：鹿应荣，许晓彤，丁川，戴荣健，鲁光泉，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京,11