用车路协同技术提高交叉路口通行效率的探究

　　摘 要：文章论述了交叉路口对道路通行效率的影响，提出基于车路协同技术提高交叉路口通行效率，介绍了系统组成和控制方法。文章提出了两点新的构思，用基于蓝牙技术的路面装置定位车辆，排队车辆同步起车来提高通过速度。 

　　关键词：交叉路口；交通信号；车路协同；蓝牙定位；同步起车 

　　1 问题的提出 

　　现行交叉路口的信号控制和通过模式：交叉路口通过红、黄、绿色的交通信号灯控制车辆停止和通过，以两相位控制来分析，对于南北向和东西向十字交叉路，第一个相位只有东西方向车辆通过，第二个相位只有南北方向车辆通过，如果没有转弯车辆，那么道路的利用率只有50%。其中黄灯时间道路利用率是0，在这种情况下十字交叉路口道路利用率低于50%。考虑右转车辆不用等待红灯，可提高道路利用率。但是左转车辆会影响对方车辆和垂直方向车辆通过，在自己通过的时候减少了两倍以上的车辆通过。显然交叉路口必然导致道路通行效率下降。 

　　当路口很多车辆排队时，由于后面驾驶人员不能看到信号灯变化，起车延时，导致车辆通过路口较慢。这些因素进一步降低了交叉路口通行效率，降低道路利用率。 

　　利用车路协同技术可以提高交叉路口车辆通过效率，文章的思路是利用车路协同来均衡等待时间、提高通过速度，以减少在路口的损失时间和延误。 

　　2 系统组成 

　　本系统由车载设备、路侧设备、路面装置、信号控制设备、通信网络组成，以实现车车通信、车路协同。 

　　车载设备内包括感知系统、通讯系统、控制系统、人机交互、决策系统，可检测自身的位置、速度、加速度及与前车的距离，接收路侧设备指令，进入排队状态、列车前进状态、手动驾驶状态，在列车前进状态自动控制车速、方向、自动刹车。车载设备同步显示下一个路口的信号灯、信号灯倒计数，以便驾驶员以合适的车速行驶。 

　　路侧设备包括摄像机、微波测距仪等采集设备以及通信控制设备，用于检测路面状况和车流。路侧设备与信号控制设备通信，接收交通信号灯状态。与车辆通信，接收车辆位置信息，向车辆发出指令。利用图像识别技术可以检测排队车辆个数、排队长度。但是图像识别效果易受到天气和光线的影响，文章不详细描述。 

　　路面装置包括环形线圈、蓝牙定位装置。环形线圈埋设于车道的路面下，通过馈线与检测单元相连。检测处理单元用高频信号驱动环形线圈，当车辆通过环形线圈时，引起线圈的电感量的变化，并进而引起线圈的阻抗的变化，从而导致信号幅度、相位、频率的变化。用检测电路检测其中某一个量的变化，就可以达到检测车辆的目的。 

　　蓝牙定位装置是一种基于低功耗蓝牙的信号广播设备。每一个装置有一个唯一的ID（UUID+Major+Minor），在一个区域内广播自己的信号，通过这种方式做到对一个特定区域的标记。蓝牙定位装置发送的数据主要包含四部分，分别是UUID（通用唯一标识符）、Major、Minor、Measured Power。在Major中可以写入车道编号，在Minor中可以写入位置，Measured Power是蓝牙定位装置与接收器之间相距1米时的参考接收信号强度，接收器根据该参考接收信号强度与实际接收信号的强度来推算发送装置与接收器的距离。当车辆进入蓝牙定位装置的信号覆盖范围时，车载设备接收到信号，就可以感知到车辆的位置。蓝牙定位装置可埋设于车道中间的路面浅层，沿道路方向以固定间隔埋设，从停车线开始，从0开始按顺序编号。为保证每辆车都可以收到至少一个定位装置的信号，定位装置间隔小于小汽车长度的一半，可每隔1米埋设一个。如果车载设备接收到3号、4号定位装置发的信号，且根据信号强度推算出与定位装置距离都小于1米，则可确定该车处于停车线后3.5米左右的位置。 

　　信号控制设备控制交通信号灯变换，按照信号控制方式的不同，可将城市道路交叉口交通信号控制分为固定周期信号灯控制、感应式信号灯控制、自适应式信号灯控制。 

　　3 控制方法 

　　利用车路协同技术提高交叉路口通过效率的关键在于：准确感知车路状况、实时调度、提高车辆通过速度。控制方法如下： 

　　3.1 进入排队状态和计算排队长度 

　　车辆到达交叉路口遇到红灯，车载设备接收路到路侧设备指令进入排队状态，并与交通信号灯同步显示红灯倒计数，避免司机等待不耐烦，车载设备接收到路面定位装置发出的定位信号，车载设备向路测设备报告自身位置。路侧设备向信号控制设备发送排队车辆列表，信号控制设备计算出排队车辆数，根据这队车辆中的最大位置编号可判定排队长度。在红灯信号期间，当车辆向前挪动后停下时，车载设备自动向路测设备报告最新的位置。路侧设备可每隔一秒向信号控制设备发送排队车辆列表，信号控制设备在红灯结束前一定时间锁定排队列表。 

　　3.2 调节绿灯时间 

　　信号控制设备根据排队车辆数和排队长度，均衡其它方向的车流量，按一定的规则来调节绿灯时间，排队长度超过预定范围，则增加绿灯时间，排队长度小于预定范围，则减少绿灯时间。如果排队长度在预定范围内，则不需要调节绿灯时间。调节绿灯时间目的是减少等待，达到整体效率最佳。 

　　3.3 计算放行车辆数 

　　信号控制设备根据绿灯时间计算本次放行的车辆数，如n辆，在红灯结束前一定时间将结果下发给路侧设备。计算放行车辆数时要考虑光照条件、天气条件、路面条件。如果有大车排队，还要考虑大车长度，如一辆公共汽车按3辆小汽车计算。 

　　在绿灯亮起的同时，路侧设备向排在前面的n辆车下发放行指令和同步起车指令，向排在后面的车辆发送下次通过的指示。车载设备同步显示绿灯信号和倒计数。 

　　这个方法可让司机明确知道本次绿灯是否放行，避免绿灯闪烁时有的车不敢通过而损失了时间，以及有的车在绿灯已经结束还抢行，干扰其它方向车辆行驶。 

　　3.4 同步起车 

　　车载设备接收到放行指令和同步起车指令，由车载设备自动控制行驶，n辆车同时起车，按相同的加速度行驶，以列车方式沿当前车道前进，通过路口，已经通过路口的车辆从列车方式释放出来，车载设备提示驾驶员手动驾驶。在以列车方式前进时，车载设备检测与前车距离，自动调整车速，避免碰撞。 

　　同步起车可以减少等待起车损失的时间，列车方式前进使得n辆车像一辆车一样通过路口，从而提高通过速度。本次不被放行的车辆由驾驶员手动驾驶继续排队。 

　　4 结束语 

　　文章提出采用蓝牙技术对排队车辆定位，可精确感知车辆位置，在此基础上可准确控制车辆行为。蓝牙技术成熟，相关装置体积小、价格便宜、功耗低，易于大量布设。 

　　同步起车和列车方式前进通过路口，只要加速度大于等于一般司机通过路口的加速度，由于同步起车减少了延迟起车而损失的时间，列车方式前进又减少了为扩大车距而损失的时间，可缩短通过时间，增加一个绿灯时间内通过的车辆数，提高交叉路口的通行效率。由于同步起车和列车方式前进是在固定车道、交叉路口宽阔路面进行，相对于其它场景的自动驾驶较容易实现。 

　　要准确得知采取以上措施通行效率提升了多少，需要进行仿真计算，希望智慧交通专业人士不吝指导。 

　　参考文献 

　　[1]李锐.城市道路交叉口交通信号控制理论与实践[M].冶金工业出版社，2015. 

　　[2]梁华为.“智能车路协同关键技术研究”[D].中国科学院合肥物质科学研究院，2011.