[发明专利]车路协同环境下交叉口可变导向车道、信号灯及车辆轨迹协同优化方法

权利要求书

1.车路协同环境下交叉口可变导向车道、信号灯及车辆轨迹协同优化方法，其特征在于，包含以下步骤：

1)收集车辆数据

将交叉口分为两个区域，分别为区域一和区域二，当车辆进入区域二时，智能交叉口控制系统会接收到车辆的位置、速度、加速度信息，基于这些信息，车辆将形成不同的队列；当车辆进入区域一时，智能交叉口控制系统会对车辆轨迹进行控制，同时会结合当前交叉口各进口道不同转向车辆所占车道数以及车辆数对信号灯进行优化；

2)确定优化目标

假设一个四进口道交叉口，i代表交叉口第i个进口道，i＝1,2,3,4；m代表车流转向，m＝1代表左转车流，m＝2代表直行车流，m＝3代表右转车流；则设P(i，m)代表交叉口进口道某股车流；

优化目标为使每个P(i，m)都可以在绿灯时通过而无需在交叉口停止线等待通行，但是当多个P(i，m)距离停止线的距离都很近或多个P(i，m)到达停止线的时间间隔很短时，此优化目标无法实现，因此将优化目标设为最小化所有车辆的行程时间；

3)确定输入变量及决策变量

设t＝0为当智能交叉口控制系统首次接收到所有车队列的信息时，此时v_i,m—t＝0时P(i，m)的速度；d_i,m—t＝0时P(i，m)距离交叉口停止线的距离；n_i,m—P(i，m)的车辆数；v_f—车辆的自由流速度；N_i,m—第i个进口道第m股车流的车道数；N_i,L—交叉口第i个进口道左转车道个数；N_i,T—交叉口第i个进口道直行车道个数；N_i,R—交叉口第i个进口道右转车道个数；N_i,V—交叉口第i个进口道可变导向车道个数；N_i—第i个进口道总车道数；STA_i,m—P(i，m)的绿灯开始时间；G_i,m—P(i，m)的绿灯持续时间；v′_i,m—P(i，m)在停止线的速度；t'_i,m—P(i，m)到达停止线的时间；α—可变导向车道类型，α＝0代表直行，α＝1代表左转；

4)确定车道约束

每个交叉口进口道不同流向车道数之和应该等于此进口道总车道数，即：

当可变导向车道为直行车道时，直行车流总车道数应该等于专用直行车道数加可变导向车道数：

N_i,2＝N_i,T+N_i,V (2)

当可变导向车道为左转车道时，左转车流总车道数应该等于专用左转车道数加可变导向车道数：

N_i,1＝N_i,L+N_i,V (3)

5)车辆轨迹及信号约束

5.1)车辆行程时间约束

在车路协同环境下，可以保证P(i，m)的加减速度保持恒定不变，当P(i，m)到达交叉口停止线时车辆速度应满足：

v'_i,m≥0 (4)

P(i，m)减速直到到达交叉口停止线时速度为0的时间应满足：

式(5)中，v_i,m为t＝0时P(i，m)的速度，

P(i，m)到达停止线的最短时间应满足：

式(6)中v_f为车辆的自由流速度，

P(i，m)到达停止线的时间应介于最短与最长时间之间，即：

5.2)最小绿灯时间约束

假定P(i，m)以饱和流率穿过交叉口，则每一辆车的通行时间加车头时距为一常数，设为h，则交叉口第i个进口道第m股车流所需绿灯持续时间需满足：

5.3)两种场景约束

P(i，m)车流存在两种不同的情形，第一种情形是P(i，m)到达的太早以至于它必须在停止线等待直到信号灯变为绿灯，第二种情形是P(i，m)到达停止线当信号灯已经变为绿灯，此时P(i，m)将无延误通过交叉口；

针对场景一，P(i，m)的绿灯开始时间需要晚于P(i，m)减速直到到达交叉口停止线时速度为0的时间，即：

此时，从t＝0到P(i，m)完全通过交叉口的时间为车辆行程时间、等待时间及穿过交叉口时间之和，即：

针对场景二，P(i，m)需要在绿灯开始前到达，即：

由于有一部分绿灯时间被浪费，因此剩余绿灯时间需满足以下约束：

此时，从t＝0到P(i，m)完全通过交叉口的时间为：

设所有车队列为Ψ，场景一车队列为Ψ₁，场景二车队列为Ψ₂，则所有车辆通行时间总和为：

由于目标函数为最小化所有车辆行程时间，而式(14)中的第三部分可视为常数，因此公式可等价于：

将式(11)带入式(15)，可得：

在车路协同环境下，智能交叉口控制系统可以控制P(i，m)车队速度使得t'_i,m＝STA_i,m成为可能，因此最小化所有车辆行程时间相当于最小化所有车队的绿灯开始时间总和，即：

6)避免冲突约束

处于安全考虑，有必要设置约束避免车辆冲突，设两个相冲突的车流(i.m)和(i’,m’)，Ω_i,m,i',m'为一个0-1变量，当Ω_i,m,i',m'＝0时代表(i’,m’)车流在(i.m)车流绿灯结束之后才开始运行，当Ω_i,m,i',m'＝1时代表(i,m)车流在(i’,m’)车流绿灯结束之后才开始运行，约束条件如下：

因此，在车路协同环境下对可变导向车道、车辆轨迹及信号灯的协同优化模型为：

约束条件：(1)-(9),(11),(12),(18)。