【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于交通网联汽车云控制，具体涉及一种基于cps的单交叉口信号配时与车辆速度协同控制方法。
技术介绍
1、交叉口是城市交通系统的关键节点。从交通流理论角度来看，交叉口作为典型的间断流设施，对交通流产生强制性阻断控制，信号灯通过在时间上隔离不同方向的车流，控制交叉口的运行秩序。交叉口作为城市交通系统的关键节点和交通控制的基本单元，承载着交通流的汇聚和分散功能，合理高效的交叉口控制系统对城市交通系统的高效、安全和可持续发展具有重要意义。
2、基于智能网联汽车(connected andautonomous vehicles,cav)的新型交通协同控制系统是当今智能交通领域的学术前沿和必然趋势。近年来，随着5g、车联网(vehicleto everything,v2x)、lte等信息通信技术的发展，新兴的智能网联汽车为这些问题提供了独特的解决方案，在提高交通效率和提升安全性方面显示出巨大潜力。智能网联汽车通过配备必要的通信和自动化技术，可以与周边的车辆及基础设施进行信息的交互，实现车与车、车与路的协同。相比于传统人驾车(human-driven vehicles,hdv)，智能网联汽车具备感知范围广、控制能力强等优势，可以融合广域动态交通信息，依靠车载和云控平台获得更广泛、更合理的决策规划结果，在极大程度上提高道路通行效率和车辆燃油经济性。
3、基于智能交通系统，研究人员已经面向城市交叉口管理和控制提出了绿波通行、感应信号控制、自适应交通信号控制等技术，但受限于计算能力不足、感知范围和精度有限、对车辆控
4、对于信号交叉口优化控制，目前国内外开展了大量研究并取得了一些重要进展，在交叉口通行效率、车辆通行延迟等方面较传统控制方案有所改善。但是，目前对交叉口信号控制的研究大多将交通信号配时和车辆速度控制的优化分别进行，缺少对车联网信息的有效利用，鲜有针对交叉口信号配时与车辆速度协同优化控制的研究。然而，现实中两者存在很强的依赖关系，特别是随着5g、v2x及dsrc等通信技术的快速发展，智能网联车辆与交通信号之间的实时信息传输成为可能，已经有部分研究人员证实车辆与交通信号的耦合控制将进一步提升道路通行能力，为城市信号交叉口管理提供了新的机遇。
技术实现思路
1、有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种基于cps的单交叉口信号配时与车辆速度协同控制方法。
2、为达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
3、一种基于cps的单交叉口信号配时与车辆速度协同控制方法，包括以下步骤：
4、s1.构建网联环境下双向六车道十字交叉口交通控制场景；
5、其中，交叉口信号灯控制机本质上为边缘云节点，具备通信能力且能够执行计算任务；场景内所有车辆均为cav，cav通过dsrc、5g通信技术实时共享车辆自身行驶状态，并且能够获取信号灯的状态以及边缘云的决策结果；车辆在进入控制区域前已经完成换道和超车；
6、s2.针对场景要素进行建模，确定优化控制的约束；
7、针对场景要素，分别对车辆运动学模型、车辆动力学模型、车辆能耗模型、信号灯模型、信号灯与车辆关系模型进行建模，并确定安全约束；
8、s3.设计交叉口信号配时与车辆速度协同控制目标函数，以降低车辆在交叉口处通行时间和燃油消耗；
9、s4.基于步骤s3的交叉口信号配时与车辆速度协同控制目标函数，设计一种基于模型预测控制的分层控制方法，完成交通信号灯和车辆速度的优化。
10、进一步，所述步骤s1中，边缘云与cav的通信范围为200m。
11、进一步，所述步骤s2中，车辆运动学模型用于反映车辆在控制策略下的状态变化，车辆的纵向运动行为应当满足相应的运动学约束，下面以离散的形式给出：
12、vi,j(kf+1)＝vi,j(kf)+ai,j(kf)δtf
13、
14、0≤νi,j(kf)≤vmax-amin≤ai,j(kf)≤amax
15、式中，si,j(kf)、vi,j(kf)、ai,j(kf)分别为车道j上车辆i在节点级尺度下kf时刻的位置、速度以及加速度；vmax为路段的最高限速；amin和amax分别为车辆的最大制动减速度及最大加速度的绝对值。
16、进一步，所述步骤s2中，车辆动力学模型用于反映车辆功率和运动学模型之间的数量关系，车辆动力学模型基于发动机有效牵引力fe、刹车制动力fb以及道路行驶作用力fd来计算车辆的加速度：
17、ma＝fe-fb+fd
18、其中，道路行驶作用力fd综合了空气动力学阻力、滚动阻力和道路坡度阻力，表达式为：
19、
20、此外，对于发动机有效牵引力fe有：
21、
22、综合后可得：
23、
24、式中，p是车辆的输出功率；fb是车辆减速时的制动力；m是车辆的质量；cd是空气阻力系数；a是车辆的迎风面积；ρa是空气密度；f是轮胎的滚动阻力系数；g是重力加速度；β是道路坡度角；v是车速。
25、进一步，所述步骤s2中，车辆能耗模型用于评估车辆的生态驾驶功能，表达式如下：
26、
27、式中，β0、β1和β2为车辆类型确定的油耗模型系数；p(kf)为车辆瞬时功率。
28、进一步，所述步骤s2中，信号灯模型是基于标准双环屏障交通信号结构建立的信号约束，共有四种直线运动和四种左转运动，包含上下两个环，同时每个环分为两个组，每一个组内不同环的信号灯可以同时存在；ks时刻的相位状态用向量式表示为：
29、φ(ks)＝[θ1(ks) θ2(ks) … θp(ks) … θp(ks)]t
30、其中，p为所有的相位；θp(ks)为二进制变量，θp(ks)＝1表示在ks时刻相位p处于激活状态；为防止交通流冲突，在任何时刻都只能有一个相位被激活，因此相位间存在约束：
31、
32、此外，定义矩阵aj×p将信号相位φ(ks)映射到车道的通行权，即：
33、
34、式中，为ks时刻所有车道j的道路通行权状态，rj(ks)＝1表示在ks时刻车道j拥有道路通行权，即车辆可以驶入交叉口区域，否则需要在停止线前停车等候。
35、进一步，所述步骤s2中，信号灯与车辆关系模型引入了二进制变量δi,j(kf)，用以表示车辆是否通过信号交叉口停止线：
36、当车辆未通过停止线即si,j(kf)≤sj时，δi,j(kf)＝1；
37、当车辆通过停止线后即si,j(kf)＞sj时，δi,j(kf)＝0；δi,j(kf)的计算公式如下：
38、-mδi,j(kf)≤si,j(kf)-sj≤m(本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于CPS的单交叉口信号配时与车辆速度协同控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种基于CPS的单交叉口信号配时与车辆速度协同控制方法，其特征在于：所述步骤S1中，边缘云与CAV的通信范围为200m。
3.根据权利要求1所述的一种基于CPS的单交叉口信号配时与车辆速度协同控制方法，其特征在于：所述步骤S2中，车辆运动学模型用于反映车辆在控制策略下的状态变化，车辆的纵向运动行为应当满足相应的运动学约束，下面以离散的形式给出：
4.根据权利要求3所述的一种基于CPS的单交叉口信号配时与车辆速度协同控制方法，其特征在于：所述步骤S2中，车辆动力学模型用于反映车辆功率和运动学模型之间的数量关系，车辆动力学模型基于发动机有效牵引力Fe、刹车制动力Fb以及道路行驶作用力Fd来计算车辆的加速度：
5.根据权利要求4所述的一种基于CPS的单交叉口信号配时与车辆速度协同控制方法，其特征在于：所述步骤S2中，车辆能耗模型用于评估车辆的生态驾驶功能，表达式如下：
6.根据权利要求5所述的一种基于CPS的单交叉口
7.根据权利要求6所述的一种基于CPS的单交叉口信号配时与车辆速度协同控制方法，其特征在于：所述步骤S2中，信号灯与车辆关系模型引入了二进制变量δi,j(kf)，用以表示车辆是否通过信号交叉口停止线；
8.根据权利要求7所述的一种基于CPS的单交叉口信号配时与车辆速度协同控制方法，其特征在于：所述步骤S2中，安全约束是指车辆在进行跟车行驶时，同一车道相邻车辆之间应保持安全距离以避免发生碰撞事故；
9.根据权利要求8所述的一种基于CPS的单交叉口信号配时与车辆速度协同控制方法，其特征在于，所述步骤S3中，交叉口信号配时与车辆速度协同控制目标函数以最小化控制区域内车辆通过交叉口的总时间为主要优化目标，以最小化车辆燃油消耗为次要目标，在子系统级信息物理系统的边缘节点进行计算与决策，从而得到最优相序和时长；
10.根据权利要求9所述的一种基于CPS的单交叉口信号配时与车辆速度协同控制方法，其特征在于，所述步骤S4的具体步骤如下：
...【技术特征摘要】
1.一种基于cps的单交叉口信号配时与车辆速度协同控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种基于cps的单交叉口信号配时与车辆速度协同控制方法，其特征在于：所述步骤s1中，边缘云与cav的通信范围为200m。
3.根据权利要求1所述的一种基于cps的单交叉口信号配时与车辆速度协同控制方法，其特征在于：所述步骤s2中，车辆运动学模型用于反映车辆在控制策略下的状态变化，车辆的纵向运动行为应当满足相应的运动学约束，下面以离散的形式给出：
4.根据权利要求3所述的一种基于cps的单交叉口信号配时与车辆速度协同控制方法，其特征在于：所述步骤s2中，车辆动力学模型用于反映车辆功率和运动学模型之间的数量关系，车辆动力学模型基于发动机有效牵引力fe、刹车制动力fb以及道路行驶作用力fd来计算车辆的加速度：
5.根据权利要求4所述的一种基于cps的单交叉口信号配时与车辆速度协同控制方法，其特征在于：所述步骤s2中，车辆能耗模型用于评估车辆的生态驾驶功能，表达式如下：
6.根据权利要求5所述的一种基于cps的单交叉口信号配时与车辆速度协同控制方法，其特征在于：所述步骤s2中，信号灯模型是基...
【专利技术属性】
技术研发人员：林景栋，贺昌鹏，廖孝勇，张洪杨，游锐，唐博文，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：
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