[發明專利]一種車路協同環境下單點交叉口信號控制策略選擇方法

有效

• 申請號: 201710644337.X
• 申請日: 2017-08-01
• 公開（公告）號: CN107274684B
• 公開（公告）日: 2020-01-10
• 發明（設計）人: 張健;董書洋;冉斌;冒培培
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: G08G1/07
• 分類號: G08G1/07;G08G1/08;G08G1/00
• 代理公司: 32206 南京眾聯專利代理有限公司
• 代理人: 蔣昱

1.一種車路協同環境下單點交叉口信號控制策略選擇方法，放行策略選擇為根據交叉口各方向進口道一定范圍路段內車隊狀態的相關信息，選擇符合一定條件的、能夠達到一定交叉口運行指標要求的車隊放行數量與放行方向選擇，具體步驟如下，其特征在于：

1)在車路協同環境下，城市道路上行駛的車輛通過無線通訊、傳感檢測的相關技術與通訊與傳感范圍內的周邊車輛及路側設施進行車車通信與車路通信，并進行實時數據交換，其中數據與信息交換內容包含車隊長度l、車隊包含車輛數N_i、車隊中車輛間距h、車隊之間的間距H_i、車輛停車間距Δh、車隊運行速度v_i、車隊行駛加速度a_i、車隊頭車坐標、車隊排隊狀態、車隊是否為VIP車隊、車輛啟動延誤時間，在交叉口所連接的各方向城市道路上行駛車輛須嚴格遵守交通規則，包括城市道路最高限速v_max、最低限速v_min、最大加速度a_max、最大減速度a_min及行駛最小安全間距要求，且車輛以車隊形式行駛時，車隊中的車輛通過車路協同以相同的速度協同行駛，隊列中的車頭間距不小于車輛行駛的安全車頭間距；

2)在城市單點信號交叉口處，通過獲得各進口道路段一定范圍區域內的不可拆分車輛隊列的運行速度、實時坐標的相關信息，以不同進口道方向路段內的直行車隊為博弈參與者、以放行車隊數目為博弈策略、以平均停車延誤時間為收益值構建完全信息靜態博弈模型；

其中以不同進口道方向路段內的直行車隊為博弈參與者、以放行車隊數目為博弈策略、以平均停車延誤時間為收益值構建完全信息靜態博弈模型，通過尋找該博弈的納什均衡確定平均停車延誤最小的放行策略的方法為：

設單點交叉口為十字交叉口包括T型交叉口的情況，東西向道路與南北向道路均為雙向六車道，相位安排為四相位模式：

相位一：放行方向一直行車隊；

相位二：放行方向一左轉車隊；

相位三：放行方向二直行車隊；

相位四：放行方向二左轉車隊；

其中方向一與方向二分別為東西方向與南北方向之一，經過博弈后所選擇的放行策略所決定的相位一放行方向即為方向一，相位一時停車等待方向為方向二，在進行實際選擇中從由南向北直行車隊與由北向南直行車隊中選取一方為關鍵車流代表車隊參與博弈，東西方向與此同理，對于右轉車隊采用隨到隨放的方式放行，以下說明以由南向北直行車隊與由東向西直行車隊為關鍵車流代表車隊進行博弈；

交叉口進口道上游相關路段說明：

反應區A₀：從進口道停車線向上游劃出的一段進口道路段區域，以進口道停車線與觸發線為邊界，長度為L₀，當任一方向有車隊到達觸發線時，開始以此時進入各個檢測區的所有車隊為基礎計算最優信號控制策略；

檢測區A：反應區上游長度為L的一段路段區域，為搜索最優策略時各方向車隊的考慮范圍，即僅考慮進入檢測區的車隊；

觸發線：反應區與檢測區的交界線；

邊界線：檢測區與上游車道非檢測區的交界線；

博弈模型構建：

1)博弈參與者：參與者1：由南向北方向直行車隊；

參與者2：由東向西方向直行車隊；

博弈策略集：相位一所放行的直行車隊數目，s₀：相位一放行0個車隊，即本方向車隊在相位一停車等待；s₁：相位一放行1個車隊；s_n：相位一放行n個車隊，以此類推，參與者1、參與者2分別對應博弈策略集S₁,S₂：

S₁＝{s₀,s₁,s₂,...,s_m-1,s_m}

S₂＝{s₀,s₁,s₂,...,s_n-1,s_n}；

收益：u(s_i,s_j)—參與者1選擇放行策略s_i，參與者2選擇放行策略s_j時，所確定周期內所有通過車輛的平均停車延誤時間t_ij；

為了使本次博弈所影響到的所有車隊中的車輛獲得最小的平均停車延誤時長，需要尋求這一博弈的納什均衡，即尋找最優化問題的解由于在該交叉口信號控制模型設計中，相位設計為四相位模式，即不會出現兩個方向直行車隊接連放行的情況，故進行實際的策略組合選擇時可用組合僅為(s_i,s₀)(i≠0)或(s₀,s_j)(j≠0)，共計m+n-2個可選策略組合，將所有策略組合由1～m+n-2依次進行編號；

(1)周期放行策略選擇：

在進行每周期放行策略選擇時，若有某一進口道觸發線處的檢測器檢測到有車輛到達時即開始進行計算，首先選擇放行策略組合1，計算此時所確定的周期中放行的全部車輛的平均停車延誤，之后轉向下一個策略組合，計算下一策略組合情況中下一個周期中放行的全部車輛的平均停車延誤，并與已經計算的策略的平均延誤值相比較，若后一方案計算所得值比前一方案小，則選擇后一方案，反之則仍選擇前一方案，以此類推，依次計算全部m+n-2個策略的平均停車延誤，最終選出收益值最小的放行策略，選擇后判斷此時被選中的策略能否滿足車隊中VIP車隊的通行要求，若沒有VIP車隊或按照此方案能夠滿足VIP車隊通行要求，則按照當前選擇的放行策略對車隊進行放行，若不能滿足VIP車隊的要求，則以滿足VIP車隊通行要求為前提重新選擇最優放行策略，對交叉口檢測區內的車隊進行放行，本周期放行后，未被放行的車隊與新進入檢測區內的車隊劃入下一次博弈，即進入下一周期的計算范圍；

每周期4個相位時間長度分別為t₁,t₂,t₃,t₄，并設為相位i開始/上一相位結束時刻，以選擇放行策略(s_i,s₀)為例進行說明，記相位一放行車隊數目為s_i，相位二放行車隊數目為s₂，相位三放行車隊數目為s₃，相位四放行車隊數目為s₄；N_ik為相位i放行的第k個車隊的車輛數；為相位j結束時刻，相位i，1≤j≤i≤4放行方向的車輛排隊數目，由策略選擇模塊可知，可選策略共有m+n-2個，將所有可選策略標號為1～m+n-2；在每一周期開始時，將收益值t_ij初始化為無窮大值，即t_ij＝∞，并將所選擇的策略標號a設為1，之后選擇策略a，決定相位一放行車隊的方向與數目并計算相位一時長t₁，相位一開始時刻為上一周期結束時刻t_b，因此可得到相位一結束時刻/相位二開始時刻同時得到相位一結束時刻的所有放行車輛與排隊車輛的平均停車延誤其含義為在相位一結束時刻，將已經放行的相位一車輛與尚未放行的相位二、三、四排隊車隊所產生的總停車延誤時間平均分配到已放行車輛與排隊車輛上，即；

之后選取相位二放行的車隊數目s₂，計算相位二時長t₂與相位二結束時刻的放行車輛與排隊車輛平均延誤其含義為在相位二結束時刻，將已放行的相位一、相位二車輛與尚未放行的相位三、四的排隊車輛總延誤平均分配到此時的已放行車輛與排隊車輛上，即；

由于在進行s₂的選擇時根據s₂數值的不同有多種可能情況，因此最后選擇的方案是放行使最小的s₂個車隊；

按照相同的方法對相位三、相位四的放行車隊數目s₃，s₄進行選擇，最終確定每一相位放行車隊數目的原則也是令的值最小，其中：

計算后與當前的收益值t_ij相比較，若則令并將所選方案更新為當前方案，否則t_ij大小不變，即t_ij＝t_ij，所選方案仍為上一個方案；

接下來對a值進行判斷，若a＜m+n-2則說明尚有方案未被計算，令a＝a+1進行下一方案的計算與比較；若a≥m+n-2，則說明所有方案已經都被計算且當前所選中的方案為t_ij值最小的目標方案，此時輸出該放行方案并結束本周期的計算；

相位放行策略選擇；

設相位一初始車隊數目為m，即為在有車輛到達觸發線時各相位放行方向檢測區內的車隊數目，對應相位二、三、四，其初始車隊數目分別為p，n，q，對于相位i，i＝2,3,4，需要確定在這一相位時長內放行的車隊數目，以使本相位結束時刻對于所有已放行車輛與排隊等待車輛的平均停車延誤時間最短，設即將放行的相位放行方向排隊車隊數為r，選擇放行車隊數目為s，檢測區內車隊數目為b；

具體情況分為以下兩種：

i.在相位i，i＝2,3,4開始時刻若此時的排隊車隊數目r已經超過初始車隊數目b，r≥b，則此時的放行方案為將該r個排隊車隊全部放行，即s＝r，并計算此時的周期長度；

ii.在相位i，i＝2,3,4開始時刻若此時的排隊車隊數目r未超過初始車隊數目b，則考慮放行s個車隊，且s∈(r,b]；

在情況ii中，首先令s＝r+1，將本相位末的平均延誤的記錄值初始化為計算放行s＝r+1個車隊時本周期時長t_i，本周期放行總車輛數目M_i，即此s個車隊車輛總數以及相位i結束時刻已放行方向，即相位1～相位i車隊總停車延誤時間未放行相位，即相位i+1～相位4的停車排隊數目與總停車延誤時間

設為選擇放行s個車隊時的本相位末平均延誤值的計算值，即

將計算值與記錄值相比較，若則說明當前方案所選的s值與此前的其它s值相比可減小平均停車延誤，令記錄值等于計算值，即并將此時的放行車隊數目s更新為當前方案放行車隊數；若則說明選擇此s個車隊放行時平均停車延誤并未減小，這一方案不被采納，記錄值保持不變，選擇方案不變；

接下來判斷s與b的大小，若s＜b則說明仍有方案未被計算，令s＝s+1進行下一方案的計算；反之則說明所有情況均被考慮且目前的選擇方案是本相位末平均停車延誤最小的放行方案，因此輸出該方案對應的放行車隊數目s與此時的相位時長t_i，結束本相位計算與選擇

3)通過尋找該博弈的納什均衡確定平均停車延誤最小的放行策略，實現交叉口處不可拆分車隊的高效放行。