基于車(chē)-車(chē)通信和車(chē)-路通信的車(chē)輛式交叉口調(diào)度模型

基于車(chē)-車(chē)通信和車(chē)-路通信的車(chē)輛式交叉口調(diào)度模型

目前，智能交通燈主要用于監(jiān)控每個(gè)交叉口的交通狀況，如攝像頭、傳感器等硬件設(shè)備。根據(jù)車(chē)隊(duì)長(zhǎng)度、流量或等待時(shí)間等影響因素調(diào)整長(zhǎng)度和相序，以提高交通效率，減少交通時(shí)間和油耗。這類(lèi)方法部署成本高、獲取信息種類(lèi)有限、受環(huán)境影響大,且車(chē)輛與交通燈之間缺乏交流,無(wú)法完全適應(yīng)復(fù)雜多變的交通環(huán)境。車(chē)載自組網(wǎng)(Vehicularad-hocnetworks,VANETs)結(jié)合GPS和GIS等技術(shù),實(shí)現(xiàn)車(chē)-車(chē)/車(chē)-路之間的可靠V2V(Vehicletovehicle)和V2I(Vehicletoinfrastructure)通信。文獻(xiàn)提出車(chē)輛可以根據(jù)交通燈的相位和時(shí)間調(diào)整自身速度,在最合理的時(shí)間點(diǎn)抵達(dá)交叉路口,避免停車(chē)和突然變速,達(dá)到節(jié)省能源的目的。這種方法雖然考慮了車(chē)輛的節(jié)能需求,但車(chē)輛和交通燈之間的通訊是單向的,車(chē)輛只能被動(dòng)地根據(jù)交通燈的狀態(tài)進(jìn)行速度調(diào)整。自動(dòng)駕駛是智能汽車(chē)的發(fā)展趨勢(shì),主動(dòng)式模型將自動(dòng)駕駛與VANET相結(jié)合,建立了一種新的車(chē)-燈關(guān)系,使交通燈與車(chē)輛相互協(xié)調(diào)。交通燈根據(jù)車(chē)輛的行駛狀態(tài)動(dòng)態(tài)地調(diào)整綠時(shí)長(zhǎng)度和相位順序,車(chē)輛根據(jù)交通燈調(diào)整自己的速度,最大限度地保持車(chē)速平穩(wěn)、減少車(chē)輛等待時(shí)間、降低油耗。1系統(tǒng)模型1.1無(wú)效和復(fù)合屬性表1為綜合各個(gè)車(chē)隊(duì)成員總結(jié)的車(chē)隊(duì)屬性表。其中,accel,maxSpeed屬性由車(chē)隊(duì)成員中的最小值決定。為了保證高權(quán)限車(chē)輛的有限調(diào)度,車(chē)隊(duì)的priority屬性由車(chē)隊(duì)成員的最大值決定。1.1.1后期方案一:將vi打造成家車(chē)時(shí)效,增加了vj同車(chē)道內(nèi)同行駛方向的鄰近車(chē)輛在行駛過(guò)程中自動(dòng)組成車(chē)隊(duì),如圖1所示。圖1中不同顏色代表車(chē)輛通過(guò)交叉路口后不同的行駛方向。相鄰的同色車(chē)組成一個(gè)車(chē)隊(duì)。車(chē)隊(duì)的建立依靠車(chē)間通信完成。定義如下車(chē)間通信報(bào)文:Find_A_Head_Vehicle:查詢車(chē)輛當(dāng)前所在車(chē)道前方是否存在與自己轉(zhuǎn)向相同的車(chē)隊(duì),報(bào)文內(nèi)包含自身所在車(chē)道(lane)、轉(zhuǎn)向(direction)以及坐標(biāo)(coords)。Reply_Find_A_Head_Vehicle:當(dāng)一個(gè)車(chē)隊(duì)的首車(chē)接收到Find_A_Head_Vehicle報(bào)文后,如果發(fā)出報(bào)文的車(chē)輛與本車(chē)隊(duì)所在車(chē)道和轉(zhuǎn)向都相同,且該車(chē)處于本車(chē)隊(duì)的后方,則向其發(fā)送Reply_Find_A_Head_Vehicle報(bào)文,將該車(chē)輛加入本車(chē)隊(duì)中。車(chē)隊(duì)建立過(guò)程如下:Step1車(chē)輛vi進(jìn)入一個(gè)新的車(chē)道后,向周?chē)?chē)輛周期性(如5s)廣播發(fā)送Find_A_Head_Vehicle報(bào)文,同時(shí)vi以自己為首車(chē)建立一個(gè)臨時(shí)車(chē)隊(duì)temp_vi。臨時(shí)車(chē)隊(duì)具有除了與交通燈通信外的其他車(chē)隊(duì)功能,包括響應(yīng)其他車(chē)輛發(fā)送的Find_A_Head_Vehicle報(bào)文、維護(hù)車(chē)隊(duì)屬性等。Step2在等待響應(yīng)過(guò)程中,如果vi接收到車(chē)輛vj發(fā)出的Find_A_Head_Vehilcle報(bào)文,vj與vi具有相同的lane和direction,且vj處于vi的后方(通過(guò)coords判斷),則vi向vj發(fā)送Reply_Find_A_Head_Vehicle報(bào)文。vj接收到響應(yīng)后向vi發(fā)送自己的長(zhǎng)度,加速度,最小安全車(chē)距和最大速度等屬性,vi根據(jù)vj發(fā)送的信息更新車(chē)隊(duì)temp_vi的相關(guān)屬性。Step3在等待響應(yīng)過(guò)程中,如果vi接收到后方車(chē)輛vk發(fā)出的Find_A_Head_Vehilcle報(bào)文,vk與vi具有相同的lane,但direction不同,說(shuō)明vi所在車(chē)道后方進(jìn)入了其他轉(zhuǎn)向的車(chē)。為了保持車(chē)隊(duì)連續(xù)性,vi停止響應(yīng)Find_A_Head_Vehicle報(bào)文。同時(shí),vi會(huì)向當(dāng)前已有成員(members)發(fā)送廣播報(bào)文詢問(wèn)其坐標(biāo),如果發(fā)現(xiàn)有成員出現(xiàn)在vk的后面,則說(shuō)明當(dāng)前車(chē)隊(duì)中混入了其他方向的車(chē)輛vk。則vi向處于vk后面的成員發(fā)出通知,讓其重新組成車(chē)隊(duì),并將其從本車(chē)隊(duì)中刪除。Step4vi在廣播發(fā)送Find_A_Head_Vehicle報(bào)文一定次數(shù)后(如5次),如果仍然沒(méi)有接收到其他車(chē)輛的響應(yīng),則將臨時(shí)車(chē)隊(duì)temp_vi變?yōu)檎杰?chē)隊(duì)。如果vi接收到了車(chē)輛vm發(fā)出的Reply_Find_A_Head_Vehicle報(bào)文,則向vm發(fā)送臨時(shí)車(chē)隊(duì)temp_vi的信息,將temp_vi加入車(chē)輛vm所在車(chē)隊(duì)中。1.1.2交通燈調(diào)度模型車(chē)隊(duì)與交通燈建立連接階段需要如下報(bào)文:Connect_to_TrafficLight:車(chē)隊(duì)向交通燈發(fā)送請(qǐng)求,用于與交通燈建立連接,包含車(chē)隊(duì)的coords、lane等屬性值。Reply_Connect_to_TrafficLight:交通燈向車(chē)隊(duì)發(fā)送的響應(yīng)報(bào)文,說(shuō)明連接已建立,車(chē)隊(duì)可以向交通燈發(fā)送調(diào)度所需信息。車(chē)隊(duì)在行駛過(guò)程中通過(guò)電子地圖可以知道前方交通燈的ID和坐標(biāo)。當(dāng)車(chē)隊(duì)準(zhǔn)備好接收調(diào)度后開(kāi)始嘗試向交通燈發(fā)送Connect_to_TrafficLight報(bào)文(周期發(fā)送)以建立連接。收到交通燈的響應(yīng)報(bào)文后車(chē)隊(duì)首車(chē)停止響應(yīng)Find_A_Head_Vehicle報(bào)文,然后向交通燈發(fā)送調(diào)度所需的ID、length、coords、lane、direction和priority等屬性值。根據(jù)Connect_to_TrafficLight報(bào)文攜帶的車(chē)隊(duì)坐標(biāo)和車(chē)道信息,交通燈選擇是否對(duì)該報(bào)文進(jìn)行響應(yīng)。對(duì)于車(chē)流量較大的車(chē)道,交通燈在車(chē)隊(duì)距交通燈較近時(shí)才進(jìn)行響應(yīng),單次調(diào)度車(chē)輛較多,有利于批量調(diào)度;反之,對(duì)于車(chē)流量較小的車(chē)道較早進(jìn)行響應(yīng),單次調(diào)度車(chē)輛較少,調(diào)度比較靈活。交通燈調(diào)度模型根據(jù)車(chē)隊(duì)信息進(jìn)行調(diào)度并向其返回一個(gè)時(shí)間量Δt,指明車(chē)隊(duì)抵達(dá)路口的時(shí)間點(diǎn)(當(dāng)前時(shí)間加Δt)。車(chē)隊(duì)根據(jù)交通燈返回的時(shí)間量調(diào)整車(chē)速,在規(guī)定時(shí)間內(nèi)通過(guò)交叉路口,詳細(xì)過(guò)程如圖2所示。圖2(a)表示初始時(shí)刻交叉路口為空閑狀態(tài);圖2(b)表示t0時(shí)刻紅色車(chē)隊(duì)接近交叉路口,交通燈在做出調(diào)度決策后通知紅色車(chē)隊(duì)?wèi)?yīng)在Δt時(shí)間后(t1時(shí)刻)抵達(dá)交叉路口;圖2(c)表示在t1時(shí)刻,紅色車(chē)隊(duì)抵達(dá)交叉路口,南北方向切換為綠燈。此時(shí),綠色車(chē)隊(duì)接近交叉路口。交通燈對(duì)其進(jìn)行調(diào)度,通知其在t2時(shí)刻抵達(dá)交叉路口;圖2(d)表示黃色車(chē)隊(duì)接近交叉路口,交通燈對(duì)該車(chē)隊(duì)進(jìn)行調(diào)度,通知其應(yīng)在t3時(shí)刻抵達(dá)交叉路口;圖2(e)表示在t3時(shí)刻,紅色和綠色車(chē)隊(duì)離開(kāi)交叉路口,黃色車(chē)隊(duì)抵達(dá)交叉路口,黃色車(chē)隊(duì)行進(jìn)方向切換為綠燈。假設(shè)t0時(shí)刻車(chē)隊(duì)x與交叉路口斑馬線之間的距離為Sx(t0),速度為vx(t0),在t0時(shí)刻,車(chē)隊(duì)向交通燈發(fā)出通行申請(qǐng)。在t1時(shí)刻,車(chē)隊(duì)x接到交通燈返回的時(shí)間量Δt,則t1時(shí)刻之后車(chē)隊(duì)的行駛速度滿足如下約束條件:式中:Sx(t1)為t1時(shí)刻車(chē)隊(duì)x與交叉路口斑馬線之間的距離;Δt1、Δt2分別為車(chē)隊(duì)x做加速運(yùn)動(dòng)和勻速運(yùn)動(dòng)的時(shí)間;maxSpeedx為車(chē)隊(duì)x的最大速度。考慮到省時(shí)及節(jié)油,調(diào)整后的車(chē)速vx(t0)+aΔt1≤maxSpeedx應(yīng)盡量接近maxSpeedx。由于某些情況(如車(chē)流量過(guò)大)無(wú)法合理調(diào)度時(shí),交通燈向車(chē)隊(duì)返回的時(shí)間量Δt=0,表示調(diào)度失敗,車(chē)隊(duì)不受調(diào)度影響,將以傳統(tǒng)方式行駛至交叉路口處停車(chē)等待通行。1.2車(chē)道通過(guò)產(chǎn)品交叉的條件分析交通燈的具體工作步驟如下如示:Step1對(duì)當(dāng)前所有待處理的車(chē)隊(duì)按車(chē)隊(duì)權(quán)限排序,車(chē)隊(duì)權(quán)限相同條件下按所在車(chē)道優(yōu)先級(jí)排序。Step2選出第一個(gè)車(chē)隊(duì)x,根據(jù)車(chē)隊(duì)提交的坐標(biāo)CDx(t0)、速度vx(t0)、車(chē)隊(duì)長(zhǎng)度Lx、通行方向Dx和當(dāng)前的時(shí)間分配情況計(jì)算出可供該車(chē)輛通行的最近時(shí)間點(diǎn)t1。Step3向車(chē)輛返回Δt2=t1-t0,將該車(chē)從隊(duì)列中刪除。Step4記錄時(shí)間片分配狀況,返回Step2。假設(shè)當(dāng)前正在處理的車(chē)隊(duì)x的通行申請(qǐng)?zhí)峤粫r(shí)間為t0,根據(jù)車(chē)隊(duì)以及交叉路口的坐標(biāo)計(jì)算出車(chē)隊(duì)與交叉路口之間的距離為sx(t0)、當(dāng)前車(chē)速為vx(t0)、最大允許車(chē)速為maxSpeedx、交叉路口的寬度為l、轉(zhuǎn)彎速度為vrx。車(chē)隊(duì)x最早抵達(dá)交叉路口的時(shí)間為直行情況下車(chē)隊(duì)通過(guò)交叉路口的時(shí)間為轉(zhuǎn)彎情況下車(chē)隊(duì)通過(guò)交叉路口的時(shí)間近似表示為查看當(dāng)前時(shí)間片的分配情況,找出從t1開(kāi)始最早允許車(chē)隊(duì)x通過(guò)的時(shí)間點(diǎn)t2。計(jì)算車(chē)隊(duì)x按原速度行駛抵達(dá)交叉路口的時(shí)間為如果t2=t3,說(shuō)明車(chē)速無(wú)需調(diào)整,調(diào)度結(jié)束;否則向車(chē)隊(duì)x返回時(shí)間量:式中:Vmin為一個(gè)閾值(由車(chē)況和路況決定),車(chē)輛行駛速度過(guò)慢會(huì)加大能耗。當(dāng)t2-t0很大時(shí),說(shuō)明車(chē)輛需要較長(zhǎng)時(shí)間的等待才能通過(guò)交叉路口。此時(shí)車(chē)輛會(huì)按照比較省油的方式行駛到路口前停車(chē)等待(如慣例)。當(dāng)車(chē)隊(duì)在交叉路口前停止時(shí),需要重新計(jì)算車(chē)隊(duì)通過(guò)交叉路口所需時(shí)間。假設(shè)車(chē)輛平均長(zhǎng)度為vlength,車(chē)隊(duì)在行進(jìn)過(guò)程中的平均車(chē)間間距為vGap,在靜止時(shí)平均車(chē)間間距為sGap,最大速度為maxSpeed,加速度為accel,車(chē)隊(duì)成員數(shù)量為count,則當(dāng)首車(chē)停在交叉路口前時(shí),尾車(chē)距交叉路口的距離為車(chē)隊(duì)在起步階段,由首車(chē)至尾車(chē)是先后開(kāi)始加速的,每?jī)奢v車(chē)起動(dòng)之間的時(shí)差為式中:K為司機(jī)的反應(yīng)系數(shù)。尾車(chē)通過(guò)交叉路口需要行駛的距離為式中:l為交叉口寬度。車(chē)輛加速到最大速度maxSpeed通過(guò)的距離為當(dāng)S2≤S3時(shí),尾車(chē)做勻加速運(yùn)動(dòng)通過(guò)交叉路口,所需時(shí)間為當(dāng)S2>S3時(shí),尾車(chē)先做加速運(yùn)動(dòng)后做勻速運(yùn)動(dòng),所需時(shí)間為綜合式(11)(14)(15)可知,在交叉路口前停車(chē)等待的車(chē)隊(duì)通過(guò)交叉路口所需的時(shí)間為下面分析相互沖突的車(chē)道中車(chē)輛可以互不影響通過(guò)交叉路口的條件。以大寫(xiě)字母代表車(chē)道,小寫(xiě)字母代表車(chē)輛,定義基于空間的車(chē)輛密度p如下:式中:A.length表示車(chē)道A的長(zhǎng)度;ai為當(dāng)前時(shí)刻處于車(chē)道A中的車(chē)輛;ai.length表示車(chē)輛的行駛長(zhǎng)度(車(chē)輛長(zhǎng)度以及與前車(chē)的最小安全距離之和);p的取值范圍為[0,1]。若相互沖突的兩車(chē)道A與B中的車(chē)輛可以互不影響地通過(guò)交叉路口,則一定可以進(jìn)行串行化處理,即可以將車(chē)道A中的車(chē)輛放入車(chē)道B中而不會(huì)引發(fā)位置重疊。此時(shí),滿足如下關(guān)系:綜合式(17)(18)可知,當(dāng)可以串行化處理時(shí),車(chē)輛密度滿足如下條件:特別地,當(dāng)車(chē)道A與車(chē)道B長(zhǎng)度相等時(shí),車(chē)輛可以不停車(chē)通過(guò)交叉路口的條件為p≤0.5。2模型結(jié)果分析使用Veins進(jìn)行仿真試驗(yàn),考察定時(shí)控制模型、感應(yīng)控制模型和主動(dòng)式模型在不同車(chē)流量密度下的平均等待時(shí)間和平均油耗情況。以流量-密度控制模型作為感應(yīng)模型的代表。圖3為3種模型平均等待時(shí)間的對(duì)比結(jié)果。在車(chē)輛密度為5~35(veh·min-1)時(shí),主動(dòng)式模型的平均等待時(shí)間為0.09~1.6s,遠(yuǎn)小于感應(yīng)控制模型4.79~9.50s和定時(shí)控制模型的10.90~12.83s。車(chē)流量較小時(shí),主動(dòng)式模型對(duì)綠時(shí)長(zhǎng)度和相位順序進(jìn)行完全動(dòng)態(tài)的調(diào)整,配合對(duì)行車(chē)速度的干預(yù),基本實(shí)現(xiàn)零停車(chē),使車(chē)輛平穩(wěn)通過(guò)交叉路口。車(chē)流量較大時(shí),停車(chē)已無(wú)法避免,主動(dòng)式模型會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N具有相序優(yōu)化功能的全感應(yīng)控制模型。根據(jù)不同車(chē)道的優(yōu)先級(jí)安排相位順序,根據(jù)等待車(chē)隊(duì)的長(zhǎng)度計(jì)算放行時(shí)間。此時(shí),主動(dòng)式模型在平均等待時(shí)間上略微優(yōu)于流量-密度控制模型。圖4為根據(jù)HBEFA數(shù)據(jù)庫(kù)統(tǒng)計(jì)的3種模型的平均油耗對(duì)比。由圖3和圖4可知,在車(chē)輛密度為5~35(veh·min-1)時(shí),由于有效地減少了停車(chē)次數(shù),主動(dòng)式模型的平均油耗較定時(shí)控制模型和感應(yīng)控制模型有明顯優(yōu)勢(shì),節(jié)省約10%~20%。在車(chē)輛密度較大時(shí),主動(dòng)式模型轉(zhuǎn)化為一種基于等待車(chē)隊(duì)長(zhǎng)度的感應(yīng)控制模型,盡量保證每輛車(chē)等待一次就可以通過(guò)交叉路口,故仍有較低的油耗。改變流量分配,使南北方向車(chē)流量大于東西方向,考察模型在不同流量車(chē)道上的表現(xiàn)情況。車(chē)輛密度隨時(shí)間變化如表2所示,結(jié)果如圖5和圖6所示。由圖5和圖6可知:在車(chē)輛密度較小時(shí),本文模型在不同方向車(chē)道上的通行時(shí)間和油耗均低于其他兩種模型。當(dāng)車(chē)輛密度較大時(shí),本文模型和感應(yīng)控制模型在南北方向車(chē)道上的表現(xiàn)要明顯優(yōu)于定時(shí)控制模型,但在東西方向車(chē)道上的表現(xiàn)較差。這是由于本文模型和感應(yīng)控制模型針對(duì)車(chē)流量的不同進(jìn)行了動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié),讓車(chē)流量大的車(chē)道(南北方向)優(yōu)先放行,以防止該車(chē)道上出現(xiàn)嚴(yán)重?fù)矶?因而影響了車(chē)流量較小車(chē)