一种交叉路口交通信号灯与智能网联汽车的协同控制方法技术

本发明专利技术公开了一种交叉路口交通信号灯与智能网联汽车的协同控制方法，包括：获取交叉路口通信范围内智能网联汽车信息；建立车辆到达交叉路口的到达时间优化模型，利用车辆信息求解车辆到达交叉路口的最优到达时间；对到达交叉路口的所有车辆进行排序，得到车辆依次通过交叉路口的序列；建立信号灯优化模型，利用车辆信息、最优到达时间和车辆通过交叉路口的序列求解得到最优信号灯状态；建立车辆的速度轨迹优化模型，利用车辆信息和最优信号灯状态求解得到最优车速轨迹；利用最优信号灯状态和最优车速轨迹实现信号灯与车辆的协同控制。本发明专利技术通过对交叉路口交通信号灯与智能网联汽车的协同控制，能全面提升交叉路口的通行能力和车辆燃油经济性。

【技术实现步骤摘要】
一种交叉路口交通信号灯与智能网联汽车的协同控制方法
本专利技术涉及智能交通系统领域，尤其是涉及一种交叉路口交通信号灯与智能网联汽车的协同控制方法。
技术介绍
随着全球车辆数量的增加，城市交通特别是交叉路口面临交通拥堵、环境污染和交通事故频发等问题，造成了巨大的社会经济损失。同时交通拥堵导致车辆频繁加减速和怠速，加剧燃油消耗和排放污染。近几年来，智能网联技术的发展为解决上述问题提供新的机遇，通过车-车通信(V2V)和车-基础设施通信(V2I)，接近交叉路口车辆可以获取信号灯状态、邻近车辆信息和前方道路信息，从而优化自身速度轨迹。另外，交通信号控制器也可以获取接近交叉路口车辆的信息，从而优化信号灯状态。当前的交叉路口控制多集中于单独的信号灯或车辆速度轨迹优化控制研究，然而交叉路口作为一个系统，信号灯与车辆作为其中两个关键要素相互影响，单一优化其中一个要素并不能达到整体最优，例如在高交通流量场景下，仅优化车辆速度轨迹可能会导致交叉路口通行效率恶化。另外，当前交叉路口控制的优化目标多集中于提高交叉路口的通行能力，但随着道路上车辆数量的增多，车辆燃油消耗导致的石油资源短缺和环境污染问题日趋严重，如何在保证交叉路口通行效率同时降低车辆的燃油消耗是当前交叉路口控制面临一个重大问题。
技术实现思路
本专利技术是为了解决上述现有技术存在的不足之处，提出一种交叉路口交通信号灯与智能网联汽车的协同控制方法，以期能够在保证交叉路口的通行效率同时降低车辆的燃油消耗，从而缓解当前城市交通面临的交通拥堵、环境污染和资源短缺等问题，实现绿色可持续发展。本专利技术为解决技术问题采用如下技术方案：本专利技术一种交叉路口交通信号灯与智能网联汽车的协同控制方法的特点在于包括以下步骤：步骤1：获取交叉路口通信范围内的智能网联汽车信息；所述智能网联汽车信息包括：当前速度、所在车道以及当前位置与停车线之间的距离；步骤2：建立以最小化单个车辆的行程时间和燃油消耗为目标的车辆到达交叉路口的到达时间优化模型，从而利用所述智能网联汽车信息求解车辆到达交叉路口的最优到达时间；步骤3：根据所述智能网联汽车信息对到达交叉路口的所有车辆进行排序，得到车辆依次通过交叉路口的序列；步骤4：建立以最小化交叉路口全部车辆的行程时间和燃油消耗为目标的信号灯优化模型，从而利用所述智能网联汽车信息、最优到达时间和车辆依次通过交叉路口的序列求解得到最优信号灯状态；步骤5：建立车辆的速度轨迹优化模型，并利用所述智能网联汽车信息和最优信号灯状态求解得到最优车速轨迹；步骤6：利用最优信号灯状态和最优车速轨迹实现信号灯与车辆的协同控制。本专利技术所述的一种交叉路口交通信号灯与智能网联汽车的协同控制方法的特点是，所述步骤2中车辆到达交叉路口的到达时间优化模型如式(1)所示：式(1)中，ω为权重系数，表示行程时间和燃油消耗的比重，为车道L上的车辆i到达交叉路口的行程时间，为车道L上的车辆i到达交叉路口的燃油消耗，i为车辆序号，L为车道号。车道L上的车辆i到达交叉路口的行驶工况分为加速通过交叉路口、匀速通过交叉路口和减速通过交叉路口；当加速通过交叉路口时，利用式(2)计算车辆行程时间式(2)中，为车道L上的车辆i离交叉路口停车线的距离，为车道L上车辆i的速度，为车道L上车辆i的加速度，vtar为车辆目标车速；当匀速通过交叉路口时，利用式(3)计算车辆行程时间当减速通过交叉路口时，利用式(4)计算车辆行程时间所述步骤4中信号灯优化模型如式(5)所示：式(5)中，N为交叉路口的车辆总数，j为车辆在通过交叉路口的序列R中的位置，τj为通过交叉路口的序列R中位置为j的车辆的怠速时间，ej为通过交叉路口的序列R中位置为j的车辆因为停车和怠速导致的能量消耗。所述通过交叉路口的序列R中位置为j的车辆的怠速时间τj由式(6)计算：τj＝tj,new-tj,opt(6)式(6)中，tj,opt为通过交叉路口的序列R中位置为j的车辆的最优到达时间，tj,new为通过交叉路口的序列R中位置为j的车辆根据前车j-1的行驶情况所计算的车辆到达时间，并有：式(7)中，tj-1,new为通过交叉路口的序列R中位置为j-1的车辆根据前车j-2的行驶情况所计算的车辆到达时间，pj-1为通过交叉路口的序列R中位置为j-1的车辆穿过交叉路口的时间，C为信号灯相位切换所需时间，当前车j-1在同一车道时，信号灯相位切换所需时间为零。所述通过交叉路口的序列R中位置为j的车辆因为停车和怠速导致的能量消耗ej由式(8)计算：式(8)中，Kj为通过交叉路口的序列R中位置为j的车辆怠速时的能量消耗率，Bj为通过交叉路口的序列R中位置为j的车辆由于停车造成的能量损失。所述步骤5中车辆的速度轨迹优化模型如式(9)-式(11)所示：式(9)-式(11)中，ω1，ω2，ω3和ω4为四个权重系数，T为预测时长，t为表示时间的变量，为车道L上的车辆i在k+T-1时刻所行驶的距离，为车道L上的车辆i在k时刻所行驶的距离，为车道L上的车辆i在t时刻所消耗的燃油，为车道L上的车辆i在t时刻的速度，vtar(t)为车道L上的车辆i在t时刻的目标车速，为车道L上的车辆i在t时刻的加速度，vmin和vmax为道路最小和最大限制车速，amin和amax为车辆加速度的最小值和最大值，为车道L上的车辆i与前车i-1的距离，并有：式(12)中，S0为前后车辆安全距离，th为车头时距，为车道L上的车辆i-1在t时刻的速度，为车道L上的车辆i在t时刻所行驶的距离，为车道L上的车辆i-1在t时刻所行驶的距离。与现有技术相比，本专利技术的有益效果体现在：1、在智能网联环境下，通过建立信号灯优化模型和车辆速度轨迹优化模型，实现了交叉路口交通信号灯与车辆的协同控制，相比于单一的信号灯或者车辆轨迹优化控制，协同控制的整体优化效果更好，从而有效提升了交叉路口的通行效率和车辆的燃油经济性。2、本专利技术在交通信号灯与车辆协同控制的优化目标中，不仅考虑交叉路口的通行能力，同时将车辆的燃油消耗考虑在内，从而全面提升了交叉路口的性能。附图说明图1为本专利技术的交叉路口交通信号灯与智能网联汽车协同控制的原理图；图2为本专利技术的交叉路口交通信号灯与智能网联汽车协同控制的流程图；图3a为本专利技术的车辆加速通过交叉路口两种情况；图3b为本专利技术的车辆减速通过交叉路口两种情况；图4a为本专利技术在单车道交叉路口的车辆行程时间仿真测试结果图；图4b为本专利技术在单车道交叉路口的车辆燃油消耗仿真测试结果图。具体实施方式本实施例中，一种交叉路口交通信号灯与智能网联汽车的协同控制方法，如图2所示，该方法包括以下步骤：步骤1：获取交叉路口通信范围内的智能网联汽车信息本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种交叉路口交通信号灯与智能网联汽车的协同控制方法，其特征在于包括以下步骤：/n步骤1：获取交叉路口通信范围内的智能网联汽车信息；所述智能网联汽车信息包括：当前速度、所在车道以及当前位置与停车线之间的距离；/n步骤2：建立以最小化单个车辆的行程时间和燃油消耗为目标的车辆到达交叉路口的到达时间优化模型，从而利用所述智能网联汽车信息求解车辆到达交叉路口的最优到达时间；/n步骤3：根据所述智能网联汽车信息对到达交叉路口的所有车辆进行排序，得到车辆依次通过交叉路口的序列；/n步骤4：建立以最小化交叉路口全部车辆的行程时间和燃油消耗为目标的信号灯优化模型，从而利用所述智能网联汽车信息、最优到达时间和车辆依次通过交叉路口的序列求解得到最优信号灯状态；/n步骤5：建立车辆的速度轨迹优化模型，并利用所述智能网联汽车信息和最优信号灯状态求解得到最优车速轨迹；/n步骤6：利用最优信号灯状态和最优车速轨迹实现信号灯与车辆的协同控制。/n

【技术特征摘要】
1.一种交叉路口交通信号灯与智能网联汽车的协同控制方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1：获取交叉路口通信范围内的智能网联汽车信息；所述智能网联汽车信息包括：当前速度、所在车道以及当前位置与停车线之间的距离；
步骤2：建立以最小化单个车辆的行程时间和燃油消耗为目标的车辆到达交叉路口的到达时间优化模型，从而利用所述智能网联汽车信息求解车辆到达交叉路口的最优到达时间；
步骤3：根据所述智能网联汽车信息对到达交叉路口的所有车辆进行排序，得到车辆依次通过交叉路口的序列；
步骤4：建立以最小化交叉路口全部车辆的行程时间和燃油消耗为目标的信号灯优化模型，从而利用所述智能网联汽车信息、最优到达时间和车辆依次通过交叉路口的序列求解得到最优信号灯状态；
步骤5：建立车辆的速度轨迹优化模型，并利用所述智能网联汽车信息和最优信号灯状态求解得到最优车速轨迹；
步骤6：利用最优信号灯状态和最优车速轨迹实现信号灯与车辆的协同控制。


2.根据权利要求1所述的一种交叉路口交通信号灯与智能网联汽车的协同控制方法，其特征是，所述步骤2中车辆到达交叉路口的到达时间优化模型如式(1)所示：



式(1)中，ω为权重系数，表示行程时间和燃油消耗的比重，为车道L上的车辆i到达交叉路口的行程时间，为车道L上的车辆i到达交叉路口的燃油消耗，i为车辆序号，L为车道号。


3.根据权利要求2所述的一种交叉路口交通信号灯与智能网联汽车的协同控制方法，其特征是，车道L上的车辆i到达交叉路口的行驶工况分为加速通过交叉路口、匀速通过交叉路口和减速通过交叉路口；
当加速通过交叉路口时，利用式(2)计算车辆行程时间



式(2)中，为车道L上的车辆i离交叉路口停车线的距离，为车道L上车辆i的速度，为车道L上车辆i的加速度，vtar为车辆目标车速；
当匀速通过交叉路口时，利用式(3)计算车辆行程时间



当减速通过交叉路口时，利用式(4)计算车辆行程时间





4.根据权利要求1所述的一种交叉路口交通信号灯与智能网联汽车的协同控制方法，其特征是，所述步骤4中信号灯优化模型如式(5)所示：



式(5)中，N为交叉路口的车辆总数，j为车辆在通过交叉路口的序列R中的位置，τj为通过交叉路口的序列R中位置为j的车辆...

【专利技术属性】
技术研发人员：钱立军，陈健，吴冰，宣亮，陈晨，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：安徽;34