车路协同下基于速度引导的双周期干道绿波协调控制方法-荆彬彬.pdf

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1、华南理工大学学报(自然科学版)第44卷第8期 Jo矗mal of soum c11ina uIliversit)r of Technology V0144 No-82016年8月 (Natural Science Edition) AugIlst 2016=： =：= =文章编号：1000565x(2016)08014708车路协同下基于速度引导的双周期干道绿波协调控制方法荆彬彬1 卢凯1搿 鄢小文1 吴焕1 徐建闽12(1华南理工大学土木与交通学院，广东广州510640；2东南大学现代城市交通技术江苏高校协同创新中心，江苏南京210096)摘要：针对传统双周期干道绿波协调控制方法的不足，建立

2、了一种新的双周期干道绿波协调控制模型，利用车路协同环境下车一车、车一路实时双向通信的特，最，提出了一种基于加减速引导的双周期干道绿波协调控制方法，并结合算例对比分析了加减速引导前后车辆的通行效果。仿真结果表明：加速引导策略能够有效降低车辆的平均行程时间、平均延误时间与平均停车次数；减速引导策略则能够在保证平均行程时间与平均延误时间不增加的前提下，有效降低车辆的平均停车次数关键词：交通控制；车路协同；车速引导；双周期；绿波协调中图分类号：u4915+4 文献标识码：A doi：103969jissn1000-565x20160802l干道绿波协调控制作为现代交通管理控制的重要手段，对于提高干道通

3、行效率具有重要意义在线控系统中，干道上各交叉口的信号周期通常相等，如果干道上某个交叉口的流量比较小，其所需周期时长接近公共周期的一半，则可以将公共周期的一半作为该交叉口的实际信号周期，从而形成双周期绿波协调控制目前对于双周期绿波协调控制通常借鉴传统的干道绿波协调控制方法，如图解法I之J、数解法【34 J、模型法”7 J然而利用上述传统方法得到的双周期绿波方案通常存在以下问题：车辆由双周期交叉口按绿波带速行驶至公共周期交叉口时，会周期性出现“不阻滞一阻滞一不阻滞一阻滞”的情况；车辆由公共周期交叉口按绿波带速行驶至双周期交叉口时，车队常被截断成两部分，破坏了绿波效果近年来，随着无线通信技术、互联网

4、技术等相关技术的快速发展，车路协同系统受到广泛关注。成为智能交通系统的重要发展方向利用车路协同环境下车辆与信号机之问可实时双向通信的特点，根据车辆当前的运动状态信息(如速度、位置等)以及信号机当前运行状况，实时引导车辆加速或减速，从而主动调整车辆行驶时间，为解决采用传统方法获取双周期绿波协调控制方案所存在的不足提供了新的技术理念与手段Abu-kbdeh等。1将行驶车速作为决策变量植入信号优化问题中，以车速、绿信比、相位差作为决策变量，建立了动态车速控制模型，并收稿日期：20151112s基金项目：国家自然科学基金资助项目(61203164，61174184)；广东省科技计划项目(2015A03

5、0401024)；广州市南沙区科技计划项目(2014Msll)；华南理工大学中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(2015zZ073)Foundation iten略：Supponed by the National Natural Science Fbundation of China(6120316461174184)and the Science andTechnology P1ann咄Project of Guangdong Province(2015A030401024)作者简介：荆彬彬(1989一)，男，博士生，主要从事交通信号控制技术研究Email：jingbinl9126co

6、m十通信作者：卢凯(1979一)，男，副教授，主要从事交通控制技术研究Email：kailuscuteducn万方数据148 华南理工大学学报(自然科学版) 第44卷一将该模型应用于路网协调控制中Yang等1构建了车路协同系统的仿真应用体系架构，并利用vIsSIM验证了速度引导策略的有效性Niu等11利用车联网技术实时获取车辆状态、交通信号等信息，提出了“绿波速度引导”和“节能驾驶速度引导”两种动态速度引导策略Yang等121提出了一种基于速度引导的干道交叉口信号控制方法，通过引导车辆加减速避免停车，从而降低了车辆的行程时间cai等引提出了一种基于速度引导与车路信息交互的无信号交叉口控制方法，

7、以延误与停车最小作为优化目标，对引导车速进行优化控制张存保等14 3利用车路协同技术可全面获取车辆运动状态信息的特点，以交叉口延误时间和停车次数最小为目标，建立了车路协同下的单交叉口信号控制优化方法马万经等纠利用车路协同环境下公交车一信号机可双向通信的特点，以公交优先通行及节能减排为优化目标，提出了公交车速与控制方案的协调优化方法吴伟等钊利用车辆一信号机可双向通信的特性，以流量与车速乘积最大为目标，建立了基于动态车速的干道相位差模型以上研究多是将速度引导策略用于单交叉口信号控制或干道绿波协调控制中，很少考虑双周期绿波协调控制的需求基于此，文中将速度引导策略引入双周期绿波协调控制中，提出一种基于

8、加减速引导的控制策略，以克服传统双周期绿波协调控制模型方法的不足1 传统双周期绿波协调控制问题传统双周期干道绿波协调控制的时距图如图1所示从图l可以看出，交叉口I，周期矗绿灯期间放行的车辆，按照设定绿波带速行驶至下游交叉口I时将遇到红灯，而对于周期七一1或周期l|+1绿灯期间放行的车辆，按照设定绿波带速行驶至下游交叉口I时则会遇到绿灯即交叉口I，绿灯期间放行的车辆，按照设定绿波带速行驶至下游交叉口I时，会周期性地出现“不停车一停车一不停车一停车”的现象另一方面，交叉口I周期z绿灯前段区间历盱+。或后段区间面叭，放行的车辆，按照设定绿波带速行驶至下游交叉口I时将遇到红灯，而对于周期Z绿灯中段区间

9、6放行的车辆，按照设定绿波带速行驶至下游交叉口I时则会遇到绿灯【”叫图1 传统双周期绿波协调控制问题分析Fig_l Problem analysis for traditional double-cycle green wavecoordinated contr012传统双周期绿波协调控制模型假定某干道上有n个信号控制交叉口，其编号分别为I。，I：，I。定义由交叉口I。至交叉口I。为干道上行方向，由交叉口I。至交叉口I。为干道下行方向假若交叉口I采用双周期，交叉口IJ+。采用公共周期，绘制其干道绿波协调控制时距图，如图2所示i瓠离 曩 I，Ilj 、飞一? ji7i7心么， 、五 ，1=：矽7

10、7。-一1_j签笙兰一图2双J剐期绿波协捌控制时距f訇Fig2 Spacetime diagram for doublecycle green wave c00rdinated control在图2中，6(云)表示干道上行(下行)绿波带宽，+。(玑+。)表示干道上行(下行)方向车队由交叉口I，(I)行驶至交叉口I(I，)的平均行驶时间，硼疗(加疗+。)表示干道上行方向交叉口If(I)绿波带左侧边缘与其相近红灯右侧边缘之间的时间间隔，面研(历毋+。)表示干道下行方向交叉口If(I)绿波带右侧边缘与其相近红灯左侧边缘之间的时间间隔，咖+。(咖甜+)表示干道上行(下行)方向交叉口Ii(I)绿波带相近

11、左侧(右侧)红灯中点与交叉口I(Ii)绿波带相近左侧(右侧)红灯中点之间的时间间隔根据图2，可以建立如下双周期干道绿波协调控制模型：万方数据第8期 荆彬彬等：车路协同下基于速度引导的双周期干道绿波协调控制方法 149_一一ma)(B：6+5 (1) 311 干道上行加速引导(伽巧+历巧)一(彬巧+l+面毋+1)+(07：+1)+(勺川+_J川)=(2+1)G加目+6cJ一0训坷+l+6G+10+I+6q一0面可+l+6q+10+lG+。=2e6，6，伽_吁，加巧+I面巧，面彤+10吁j+lZ式中：0(0+。)表示交叉口IJ(1+。)的红灯时间；j+-表示交叉口与交叉口IJ+。的相位差方程式系数

12、，取整数值；q(q+。)表示交叉口(+t)的信号周期3基于速度引导的双周期绿波协调控制方法为便于问题分析，做以下假设：车路协同系统能够获取车辆状态(位置、速度、编号等)与交通信号状态信息(红绿灯时间等)；车辆能够遵守速度引导策略；不考虑行人与非机动车的干扰31 干道上行方向速度引导方法对于干道上行方向，车辆由交叉口Ii行驶至交叉口I时，将周期性地出现“不停车一停车一不停车一停车”的现象，在此提出以下解决思路：将交叉口Ii周期J|绿灯期间放行的车辆分成两部分，一部分进行加速引导，利用交叉口I周期Z的“带宽后富余时间”(加叭。)，使加速车辆不停车地通过下游交叉口I；另一部分进行减速引导，利用交叉口

13、k。周期Z+1的“带宽前富余时间”(埘胁。)，使减速车辆不停车地通过下游交叉口I定义周期|的上行加速引导速度为。，上行减速引导速度为。上行方向速度引导方法如图3所示距离时问图3 干道上行方向速度引导示意Fig3 Speed guid粕ce tbr vehicles in up direction(1)加速引导速度的理论取值范围干道上行方向加速引导速度理论取值范围分析如图4所示距离Iq期时M图4上行加速引导速度理论取疽范围Fig4 neoretical mge of accelerating speed guid锄ce in updirection由图4可知，加速引导速度秽。的取值应介于速度口，

14、与速度t，：之间速度移，、秽：可分别由式(2)、(3)计算得到，2蕊j鬻i瓦 (2)q一；譬一。一t；譬一。一o+。 、。7，秽2=FzM一(3)“2一+I秽一0+彬 、。7式(2)、(3)中，+。表示交叉口If与交叉口I之间的距离，；譬一。表示交叉口I，周期|一1绿灯期间尾车行驶至下游交叉口I的行驶时间，e：一。表示交叉口Ii周期J|一1绿灯期间尾车驶离时刻与该周期绿灯结束时刻之间的时间间隔，ri表示交叉口Ii的红灯时间，Il。表示安全车头时距，移表示干道上行绿波带设计速度综上所述，上行加速引导速度以。的理论取值范围为t2tJ“tJl (4)(2)加速引导速度的实际取值为获得更大通行效益，加

15、速引导速度。的取值原则为：对交叉口Ii周期|绿灯期间头车进行加速引导，使其行驶至下游交叉口I的时刻点与交叉口Ij周期后一1绿灯期间尾车行驶至下游交叉口I的时刻点尽量接近，争取在交叉口I周期f中有更多的绿灯时间可以分配给加速引导车辆通过秽。具体取值为t也瑟魏 (5)万方数据150 华南理工大学学报(自然科学版) 第44卷式中：秽。与”曲分别表示干道上行方向引导速度允许取值的上限与下限；移。表示引导前的上行车速，秽。=v。表示不实施速度引导312干道上行减速引导(1)减速引导速度的理论取值范围干道上行方向减速引导速度理论取值范围分析如图5所示图5上行减速引导速度理论取值范围Fig5 Theoret

16、ical range of decelerating speed guidance in updirection由图5可知，减速引导速度口的取值应介于速度口，与速度口。之间速度秽，、口。可分别由式(6)、(7)计算得到：，叱=_广孚旦_一(6)一畦+o+J+l秽一加Fj+1 、”7，叱2巧百碴靠丽五 。)一曩。+rJ+搬t+。+蟊：。一危。 V 7式中：i。表示对于交叉口I，周期lj绿灯期间实施减速引导的头车，其驶离时刻与该周期绿灯结束时刻之间的时间间隔；出徽。表示交叉口I，周期后+1绿灯期间头车驶离时刻与该周期绿灯启亮时刻之间的时间间隔；嚣：，表示交叉口If周期后+1绿灯期间头车行驶至下游交

17、叉口I的行驶时间综上所述，上行减速引导速度口姒的理论取值范围为移4秽d口3 (8)(2)减速引导速度的实际取值为获得更大通行效益，减速引导速度。的取值原则为：对于交叉口Ii周期矗绿灯期间进行减速引导的头车，使其行驶至下游交叉口I的时刻点与交叉口t周期尼+1绿灯期间头车行驶至下游交叉口I的时刻点尽量拉开，争取在交叉口I周期2+1中有更多的绿灯时间可以分配给减速引导车辆通过铂。具体取值为，口3 秽min秽3刨max口雌=秽。，秽3秽。且秽4秽。； (9)【钉。， 秽。秒。32 干道下行速度引导方法对于干道下行方向，车辆由交叉口I行驶至交叉口I，时，将分区段出现“停车一不停车一停车”的现象，在此提出

18、以下解决思路：对交叉口I周期f绿灯前段区间历。放行的车辆采取加速引导策略，使其利用交叉口Ii周期后的绿灯时间加速通过；对交叉口I周期f绿灯后段区间历叭。放行的车辆采取减速引导策略，使其利用交叉口I，周期后+2的绿灯时间减速通过定义周期Z的下行加速引导速度为云。，下行减速引导速度为移州下行方向速度引导方法，如图6所示时叫图6二：道下|fj方向速度引导示意Fig6 Speed guidance for Vehicles in down direction32I干道下行加速引导(1)加速引导速度的理论取值范围干道下行方向加速引导速度理论取值范围分析如图7所示由图7可知，加速引导速度秀。，的取值应介于

19、速一周卿 一I1甄-五+kIf。目期 周期+l 周期A+2时川图7 下行方向引导速度理论取值范围Fig7 Theoretical瑚ge of speed guidance f研Vehicles in downdirection万方数据第8期 荆彬彬等：车路协同下基于速度引导的双周期干道绿波协调控制方法 151度秀，与速度移：之间。速度移。、秀：分别为 期南+2的绿灯启亮时刻点尽量接近，争取在交叉口丽，娶箍主有更绷绿灯咖删分配给减速2 屯J+l+o5lo50+I一哆+1z+岛 、 云：二止L一一(11)式中：出；“；表示对于交叉口I周期f绿灯期间实施加速引导的头车，其驶离时刻与该周期绿灯启亮时刻

20、之间的时间间隔；gi表示交叉口I，的绿灯时间综上所述，下行加速引导速度移“的理论取值范围为否2云。f西l (12)(2)加速引导速度的实际取值为获得更大通行效益，加速引导速度云。的取值原则为：对交叉口I周期Z绿灯前段区间面F，+。放行车辆进行加速引导，使其行驶至下游交叉口I，的时刻点与周期|绿灯启亮时刻点尽量接近，争取在交叉口Ij周期是中有更多的绿灯时间可以分配给加速引导车辆通过哥“具体取值为r西l， 云mm舌1舌。面。z=云一，面1矛一且面2移一 (13)【云。， 矛l面一式中，移。与否。j。分别表示干道下行方向引导速度允许取值的上限与下限，表示引导前的下行车速，西“=雷。表示不实施速度引导

21、322干道下行减速引导(1)减速引导速度的理论取值范围由图7可知，减速引导速度面“的取值应介于速度面，与速度面。之间速度西，、砒可分别由式(14)、(15)计算得到：，吨2硒了瓦等专五瓦 q4)q一醇1f+再川+o50+o50+l 叫，面。=玉生I-一(15)一“f+毛川+o50+o50+I+毋 叫式中，越；“；表示对于交叉口I周期绿灯期间实施减速引导的头车，其驶离时刻与该周期绿灯结束时刻之间的时间间隔综上所述，下行减速引导速度的理论取值范围为面4面df云3 (16)(2)减速引导速度的实际取值为获得更大通行效益，减速引导速度的取值原则为：对于交叉口I周期Z绿灯期间进行减速引导的头车，使其行驶

22、至下游交叉口I，的时刻点与周r雷3， 面mi。云3秽。云“=秀。，面3面。且磁面。 (17)L， 面3移。4算例分析与仿真验证41 算倒设计假设某东西向干道上的相邻交叉口I。采用双周期，交叉口I：采用公共周期干道绿波带设计速度为10ms，上行与下行方向引导速度允许取值的下限与上限分别为7lns与125Ins交叉口I。与交叉口I：的信号配时参数如表1所示表1信号配时参数Table l Par锄eters for sigIlal tiIIling设计不同算例情形E，(交叉口间距为900m)、E：(交叉口间距为984m)，分别用于加速引导与减速引导方法的验证利用双周期绿波协调控制模型式(1)，得到协

23、调控制参数如表2所示表2协调控制参数7rab】e 2 Pammeters for coordinated contml42仿真环境设置421仿真平台搭建文中选取VISSIM50仿真软件、VISSIMCOM组件以及Visual Studi02012搭建仿真平台在VisualStudi02012平台中，采用C。语言利用VISSIMCOM提供的GetVehilceByNumber(ID)函数、VehiclegetAttValue(“link”)函数以及Vehicleg叭一AttValue(“linkcoord”)函数获得车辆编号、路段编号、路段坐标，并利用VehicleseIAttValue(“sp

24、eed”)函数实现对个体车辆的加减速控制万方数据152 华南理工大学学报(自然科学版) 第44卷422评价参数采集为对比速度引导前后的通行效果，仿真设置的“行程时间检测区段”将采集10个公共信号周期的仿真数据(行程时间、延误时间、停车次数)进行评价分析。423引导速度设置(1)算例E，：上下行方向加速引导速度的设置交叉口I，在周期2、4、6、20绿灯期间放行的部分车辆可实施加速引导，各周期秽可分别计算为1690、1412、1471、1370、1925、1575、1504、1470、1369、1456 Ins，各周期口：则固定取值为1125Ins由式(5)可知，交叉口I、在周期2、4、20的上行

25、加速引导速度均应取为125 ms交叉口，在周期1、2、3、10绿灯期间放行的部分车辆可实施加速引导，各周期面可分别计算为1521、1531、1527、1525、1531、1528、1524、1528、1528、1526 Ins，各周期呜可分别计算为1137、1142、1140、1139、1142、1141、1139、1141、1141、1140s由式(13)可知，交叉口12在周期l、2、3、10的下行加速引导速度均应取为125s(2)算例E：上下行方向减速引导速度的设置交叉口，在周期2、4、6、20绿灯期间放行的部分车辆可实施减速引导，各周期秽，可分别计算为715、715、715、715、71

26、5、715、715、715、715、714ms，各周期可分别计算为665、670、660、664、664、666、668、660、666、667 ns由式(9)可知，交叉口I。在周期2、4、20的上行减速引导速度秽“=秽，交叉口厶在周期1、2、3、10绿灯期间放行的部分车辆可实施减速引导，各周期面。可分别计算为767、775、767、783、770、767、768、769、780、790Hs，各周期面。可分别计算为664、669、663、676、666、663、664、665、673、681 ms由式(17)可知，交叉口I：在周期1、2、3、lO的下行减速引导速度。=面，43 仿真结果分析43

27、1 算例E，通过仿真实验，得到上下行方向加速引导前后的仿真对比数据，如表3、4所示由表3、4可知，加速引导后，平均行程时间、平均延误时间、平均停车次数均显著减少432 算例E2通过仿真实验，得到上下行方向减速引导前后的仿真对比数据，如表5、6所示表3上行加速引导前后的仿真结果对比Table 3 Beforeand一曲er sjmulation results of accelerationguidance in up direction表4下行加速引导前后的仿真结果对比Tab】e 4 Before-andafter simulatjon resulfs of acce】erationguida

28、nce in down diIction表5上行减速引导前后的仿真结果对比Table 5 Beforeandafter simulation results of decelemtionguidance in up diIction表6下行减速引导前后的仿真结果对比Table 6 Beforeand世er simulation results of decelerationguidance in down direction由表5、6可知，减速引导后，平均行程时间与平均延误时间基本上保持不变，但平均停车次数显著减少5 结语文中分析了传统双周期干道绿波协调控制方法的不足，提出了一种基于加减速引导

29、的双周期绿波协调控制方法，并给出了引导速度的计算方法文中万方数据第8期 荆彬彬等：车路协同下基于速度引导的双周期干道绿波协调控制方法 153方法所采用的加速引导策略能够有效降低行程时间、延误时间与停车次数，减速引导策略则能够在不增加行程时间与延误时间的前提下有效降低停车次数如何将速度引导融入双周期绿波协调模型中，建立一个集成速度引导的协调控制模型，是车路协同环境下交通控制研究的一个新问题参考文献：2345678徐建闽交通管理与控制M，北京：人民交通出版社2007卢顺达，程琳非对称相位相序方式下的双向绿波协调控制图解法的优化J公路交通科技，2015，32(1)：128-132LU Shun-da

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42、of the traditional doublecycle arterial green wave coordination contml method，a new d叫blecycle green wave coordination control model is constmcted for arterial signals In the environment ofVehicleVehicle and Vehicleroad communication，a doublecycle铲een wave coordination contI0l method is pIDposedbase

43、d on the speed guidance Moreover，the passing eaects befbre and after the acceleration and deceleration guidance are compared by cases Simulated results shows that the acceleration guidance can efkctively reduce the average traVel time，delay and stops，and that the deceleration guidance can efkctiveIy

44、 reduce the average stops without increasing the average traVel time and delayKey words：tra佑c control；Vehicle infrastmcture inte铲ation；speed guidance；doublecycle；green wave c00rdinatinn2(上接第146页)DriVing Mode Selection of InteUigent Vehicles Based on础sky Situation Identification瑚乜一石流123 日蚴恰劢en4 形U现。D

45、旃D愕1，2 Q，inggi003朋U Dun弘01，2 础曰讥3(1Intell唔ent Transportation Systems Center，Wuhan UniVersity of Technolog)r，Wuhan 430063，Hubei，China；National En西neering Research Center for Water TraJlspon Safety(WTSC)，Wuhan University of Techn0109y，Wuhan 430063，Hubei，China；3 D印artment of CiVil and Environmental Eng

46、ineering，University of WisconsinMadison，Madison 53706，wisconsin，uSA；4school of Automation，Wuhan univeTsity of Technolo舒，wuhan 430070，Hubei，China)Abst均ct：In the deVelopment process of intelligent Vehicles，it is a necessary and important stage that manual driVing and automatic driVing jointly play their roles，of which one key problem is selecting an appropriate take-overtime f南m manual driVing to automatic driVing when a risky situation occursIn order to improve the driving safety，according to the data collected f而m a Ial Vehicle test，driVing modes are divide