一种基于车路协同的弹性公交专用车道实现方法

摘要

一种基于车路协同的弹性公交专用车道实现方法，通过路侧感知设备获取交叉口交通状态以及基于车路协同获取公交车车辆实时位置的基础上，部署智能交通算法至边缘计算单元内实现公交专用车道使用权的切变、公交车速引导以及信号优先三个功能。公交专用车道使用权的切变，基于网联公交车通过车路协同技术对外播报的BSM消息，通过智能路侧单元接收并将BSM消息转发至边缘计算单元，由边缘计算单元车道切变策略控制路侧的显示屏车道属性，用于提醒公交和社会车辆。

说明书

技术领域

本发明涉及交通领域，具体涉及一种基于车路协同的弹性公交专用车道实现方法。

背景技术

车路协同技术是指采用先进的无线通信和新一代互联网技术，全方位实现车车、车路动态实时信息交互，并在全时空动态交通信息采集与融合的基础上开展车辆主动安全控制和道路协同管理，充分实现人车路的有效协同，保证交通安全，提高通行效率，从而形成的安全、高效和环保的道路交通系统。

目前国家大力倡导公共交通优先发展的政策，许多城市在公共交通出行上发力，建设公交专用车道。根据相关标准提出当公交车流量达到100辆/高峰小时时宜设置公交专用车道。但由于部分道路上公交车流量达不到建设公交专用车道的标准，导致公交专用车道资源浪费，同时其他车道上社会车辆排队过长，无法借用公交专用车道行驶，使得车道利用率低，高峰期路口易发生拥堵。

考虑一般的智能网联公交可实时提供车辆自身的位置、速度等信息，为解决上述拥堵等问题，本发明提出一种基于车路协同的弹性公交专用车道实现方法，在保证公交优先出行的前提下，充分利用公交专用车道，提升社会车辆以及路口的通行效率。

发明内容

本发明为解决部分道路上虽设置了公交专用车道，但由于公交车流量不足导致部分时间内公交专用车道空闲而其他车道上的社会车辆排队较长、通行缓慢的问题，提出了一种基于车路协同的弹性公交专用车道实现方法，通过部署三大核心应用算法到边缘计算单元(MEC)来实现公交专用车道使用权的切变、公交车速引导以及信号优先三个功能。

公交专用车道使用权的切变，首先结合网联公交车的实时位置、速度等信息，再通过智能路侧单元(RSU)将公交数据信息发送给边缘计算单元(MEC)，通过部署在MEC里的车道切变策略算法将切变的信息显示在路侧的显示屏上来提醒公交和社会车辆。

公交车速引导以及信号优先两个算法同样部署在边缘计算单元(MEC)，当车道为公交专用车道时，通过网联公交的实时位置、速度信息结合当前路口的信号配时情况对公交车进行车速引导，同时调节当前相位的信号配时来保证公交可以不停车的通过交叉口。

一种基于车路协同的弹性公交专用车道实现方法，包括以下步骤：

步骤1，公交车在道路行驶过程中，智能车载单元将车辆信息对外进行广播；

步骤2，选取目标优化交叉口上游三个位置布设智能路侧单元，用于辅助对公交车到达交叉口的时间精准预测，三个点位分布距离目标交叉口约10分钟、5分钟、2分钟的车程。

步骤3，当公交车驶入该智能路侧单元通信范围内时，智能路侧单元接收到公交车智能车载单元广播的车辆信息，并将信息发送至边缘计算单元，计算公交车到达交叉口所需时间及车辆平均行驶速度；

步骤4，根据公交车集中到达交叉口所需时间以及路侧感知设备采集的车辆排队长度情况提前测算清空周期，当清空开始时开启路侧信息屏指示标志和提示标志为公交专用车道；当集中到达的公交车最后一辆通过提示标志时，解除路侧信息发布屏专用提示标志为普通车辆可通过车道；当集中到达的公交车最后一辆进入公交专用车道后，解除路侧信息发布屏专用指示标志为普通车辆可通过车道；

步骤5，此外，通过计算得出到达交叉口的实时时间，结合信号配时情况进行车速引导，将路侧感知设备覆盖范围作为车速优化区，根据车辆当前行驶速度以及车辆到达交叉口时的灯色和该灯色剩余时长，计算出车辆的引导车速；

步骤6，边缘计算单元依据信息屏切变、公交车速引导以及信号优先三个算法对公交同行进行引导，并将引导结果显示在路侧信息显示屏上，使公交车辆可不停车通过交叉口。

一种实现弹性公交专用车道的系统，包括有：

智能车载单元，安装在车辆内部，用于将车辆信息广播给路侧单元；

智能路侧单元，布设在道路路侧，用于接收车载单元广播的车辆信息以及对外广播道路及车辆信息，在交叉口上游距离交叉口第一距离的第一个路侧单元作为信息初始采集点，距离第二距离的第二个路侧单元作为状态更新点，距离第三距离的第三个路侧单元作为状态确认点；路侧感知设备，布设在道路路侧，用于获取交叉口约150m范围内的车辆信息，并将采集信息发送给路侧边缘计算单元；

边缘计算单元，布设在道路路侧，接收并处理路侧单元与路侧感知设备发送的信息，依据配置的信息屏切变、公交车速引导以及信号优先三个算法对公交同行进行引导，并将引导结果显示在路侧信息显示屏上；

路侧信息显示屏，布设在道路路侧，共设置有两道，分别为提示屏与指示屏，一道布设在进口道起点处，用于车道信息指示，另一道布设在上游200-300米处，用于车道信息提醒。

有益效果：与现有技术相比，本发明在车路协同状况下，利用路权切变算法、车速引导算法以及信号优先算法来实现基于网联公交实时信息的弹性公交专用道研究，提高车道利用率。

附图说明

图1：本发明基于车路协同的弹性公交专用车道实现方法流程图；

图2：本发明实现弹性公交专用车道的系统设备部署图；

图3：路侧单元(RSU)的布设图；

图4：绿灯延长策略图；

图5：红灯早断策略图；

图6：插入相位策略图。

具体实施方式

接下来结合附图1-5对本发明的一个具体实施例来做详细地阐述。

参考附图2，一种基于车路协同的弹性公交专用车道实现方法，基于一搭建在交叉路口的弹性公交专用车道调控系统实现，系统包括有智能车载单元(OBU)、智能路侧单元(RSU)、路侧边缘计算(MEC)、路侧感知设备和路侧信息显示屏。其中，

所述车载单元(OBU)安装在车辆内部，通过车路协同PC5直连通信方式将车辆信息广播给路侧单元(RSU)，所传递的车辆信息为BSM消息，包括但不限于经纬度位置、速度、航向角度、制动和车辆类型。

所述路侧单元(RSU)布设在道路路侧，间隔一定距离(城市道路一般300-500米左右)，用于接收车载单元(OBU)广播的车辆信息以及通过车路协同PC5通信方式来对外广播道路及车辆信息。

所述路侧感知设备(本实施例采用雷视一体机)布设在道路路侧，可以获取交叉口150m范围内的车辆信息，如社会车辆小时流量、断面车流量、车辆排队长度、特殊车辆的位置、速度等信息，将信息通过有线网络发送给路侧边缘计算(MEC)。

所述边缘计算(MEC)布设在道路路侧，接收并处理路侧单元(RSU)与路侧感知设备通过有线网络发送的信息。

所述路侧信息显示屏布设在道路路侧，共设置有两道，一道布设在进口道起点处，用于车道信息指示；另一道布设在上游200-300米处，用于车道信息提醒。边缘计算单元(MEC)通过有线网络将车道切变信息发送给路侧信息显示屏，通过显示屏上显示的内容来控制车道上的车辆类型，屏上显示内容为“公交专用/社会车辆可通行”。

参考附图1所示，基于车路协同的弹性公交专用车道实现方法，包括以下步骤：

步骤1，网联公交在道路行驶过程中，车载单元(OBU)通过车路协同PC5通信将车辆信息(BSM信息，包括经纬度位置、速度、车辆类型等)对外进行广播；

步骤2，在该交叉口上游选取三个位置布设路侧单元(RSU)来辅助对公交车到达交叉口的时间推测，第一个路侧单元(RSU)布设位置距离交叉口约10分钟车程，为信息初始采集点；第二个路侧单元(RSU)布设在距离交叉口约5分钟的车程，为状态更新点；第三个路侧单元(RSU)布设在距离交叉口约2分钟的车程，为状态确认点；

步骤3，当网联公交车驶入该路侧单元(RSU)通信范围内时，路侧单元(RSU)接收到车载单元(OBU)广播的车辆信息，并将信息发送至边缘计算单元(MEC)，计算出延误时间及车辆平均行驶速度(本实施例中，将车速低于10km/h则认定为车辆延误，将大于等于10km/h则认定为车辆正常行驶)来辅助公交车到交叉口时间的精准推测。

步骤4，雷视一体机可获取150m左右范围内的车辆信息，当网联公交驶入引导路段时，车载单元(OBU)将车辆速度通过路侧单元(RSU)发送至路侧边缘计算(MEC)，实时计算出到达交叉口所需要的时间。

步骤5，根据公交车集中到达交叉口所需时间以及雷视一体机采集的车辆排队长度情况提前测算清空周期，当清空开始时开启指示标志和提示标志；当集中到达的公交车最后一辆通过提示标志时，解除专用提示标志；当集中到达的公交车最后一辆进入公交专用车道后，解除专用指示标志。

步骤6，通过计算得出到达交叉口的实时时间，结合信号配时情况进行车速引导，将雷视一体机覆盖范围(约150m)作为车速优化区，根据车辆当前行驶速度以及车辆到达交叉口时的灯色和该灯色剩余时长，计算出车辆的引导车速。

步骤7，为保证公交车辆不会因为信号放行问题而在交叉口停车等待，将引导车速与信号配时相结合，通过红灯早断、绿灯延长以及插入公交专用相位三个策略来调整信号配时，使得公交车辆可不停车通过交叉口。

在系统搭建时，本实施例在路段上间隔300-500m的距离布设路侧单元(RSU)，在交叉口进口道起点处设置信息指示屏，在上游200-300m设置信息提醒屏。

雷视一体机布设在路侧可以获取交叉口150m范围内的车辆信息，如社会车辆小时流量、断面车流量、车辆排队长度、特殊车辆的位置、速度等信息，将信息通过有线网络发送给路侧边缘计算(MEC)进行算法的运行。

屏与路侧边缘计算(MEC)通过有线网络连接实现显示内容的切变。

路侧边缘计算(MEC)与交叉口信号机通过有线网络连接，实现对网联公交的车速引导和信号配时的实时更新，实现该场景的设备部署情况见。

预测路口上游布设三个智能路侧单元(RSU)，当公交车驶入RSU通信范围内时，通过获取公交车实时位置、速度等信息计算出公交车的延误时间与平均运行速度，车速低于10km/h时认定车辆属于延误运行状态，高于该车速认为车辆正常行驶。通过对延误时间与车辆平均速度的计算来辅助公交车到达交叉口时间的预测，智能路侧单元布设如附图2所示。

延误时间(delay)及车辆平均运行速度

delay＝|N

其中：N

要实现公交弹性专用车道涉及信息屏切变、公交车速引导以及信号优先三个算法，所述的三个算法均由路侧边缘计算(MEC)的算力实现。

对于信息屏切变算法，依据雷视一体机采集的公交车的实时位置、速度等信息以及交叉口社会车辆排队的情况进行综合考量以实现。基于公众利益优先的原则，在社会车流量与公交车流量均存在同行的路口以公交优先为原则的前提下，可简化路权逻辑的判断：当公交车到达交叉口时即可直接享有路权保障，不再考虑对社会车辆的影响。

通过雷视一体机采集的数据，采用时间序列预测中的移动平均(MovingAverage)方法获取未来周期预测值，然后针对需要开启公交专用路权的信号周期，测算其需要的清空时间或者清空周期数。

公交专用车道激活的准备时间及提前开启周期数为：

其中：

t

K：目标车道排队长度(Pcu)；

S：饱和流率(Pcu/h)；

u：绿信比；

c：信号周期。

清空开始时，根据车辆到达路段的运行位置，集中到达的公交车中的最后一辆通过提示标志位置后解除提示标志，集中到达公交车中的最后一辆进入公交专用车道后解除指示标志。当公交车辆驶入控制交叉口路侧设备覆盖范围，信息屏切变算法对以下不同场景进行判定：

(1)如果公交车辆提前到达，可变公交专用道尚未开始清空，车辆直接与社会车辆一起通过，仍按原计划执行可变公交专用道；

(2)如果公交车辆提前到达，可变公交专用道已经开启专用路权，正在清空社会车辆，但尚未清空完毕，可直接排队通过，仍按原计划执行可变公交专用道；

(3)如果公交车辆提前到达，可变公交专用道已经开启专用路权，车道社会车辆已经清空完毕，仍按原计划执行可变公交专用道；

(4)如果公交车辆正常到达，尚未清空完毕，可直接排队通过，仍按原计划执行可变公交专用道；

(5)如果公交车辆晚点，可变公交专用道已经开启专用路权，车道社会车辆已经清空完毕，可继续保持专用车道指示提示标志，直到车辆到达通过后关闭可变公交专用道。

为保障公交车按照计划时间到达路口，车辆在驶入控制交叉口上游布设的智能路侧单元(RSU)覆盖范围内时，通过计算出的延误时间与平均速度来实时调整公交车的运行。

对于公交车速引导算法，将交叉口附近的雷视一体机覆盖范围约150m作为车速引导区域，通过对公交进行车速引导来实现公交车不停车通过交叉口。对于车速引导分为两个阶段：首先是对车速进行优化，其次是以优化后的车速行驶，不停车通过交叉口。

当车辆到达引导区域后，计算按照车辆当前车速V

其中：

a

根据上述公式可求出指定速度V

若t

其中：

a

根据上述公式可求得指定速度V

对于公交信号优先算法，通过雷视一体机提前检测并估计出公交到达交叉口的时间和数量，为信号控制系统争取更多的反应时间。公交信号优先策略主要包括红灯早断、绿灯延长以及插入公交专用相位。由于信号周期长度有限，同一信号周期不会过于频繁的实时公交信号优先，一般只执行一次。

对于绿灯延长策略：绿灯延长即公交到达时处于绿灯相位末尾，此时延长绿灯时间保证公交车通过路口，参考附图4所示的绿灯延长策略图。

绿灯延长具体执行过程如下：

系统检测公交到达被控交叉口且尚未通过停车线的时刻，并将该时刻与原信号配时执行到该时刻的相位进行对照，若公交到达时刻处于公交通行相位，且到达后的绿灯剩余时长不能维持到公交顺利通过交叉口停车线，此时控制系统开启绿时延长策略执行模块；

当公交到达被控交叉口并被检测到后，对上述绿灯剩余时长进行验证。若公交从检测器到停车线的行程时间大于绿灯剩余时间，则延长绿灯时长；

考虑到合理的绿信比应保证交叉口各相位车流饱和度不大于0.9，以避免交叉口流量接近饱和甚至过饱和，上述绿灯时长的调整应在满足各相位饱和度要求的前提下，判断能够延长的绿灯时间。同时，绿灯剩余时间应小于公交从检测器到停车线的行程时间，绿灯延长时间应小于周期内最大可压缩时间，延长后的总绿灯时长应小于最大绿灯时长，且交叉口总体性能指标PI应能够得到改善。

对于红灯早断策略：红灯早断，是指公交在红灯相位末尾到达时，提前结束红灯，保证公交车不停车通过交叉口，参考附图5所示的红灯早断策略流程图，具体执行过程如下：

系统检测到公交到达被控交叉口且尚未通过停车线，将该实时时刻与原信号配时执行到该时刻的相位进行对照，若该时刻处于非公交通行相位(公交进口方向红灯)，且下一相位为公交通行相位(公交进口方向绿灯)，此时控制系统开启红灯早断策略执行模块(如果时刻位于当前信号周期最后一个相位，下一相位可以是下一个信号周期的第一个相位，亦可进行红灯早断，但是在方案记录时，相当于在当前周期末尾插入一个无黄灯的公交相位，这样可以保持两个周期的时长不变)；

若当前相位放行方向的绿灯时长大于最小绿灯时长，系统将根据路段饱和度小于0.9计算当前非公交通行相位的绿灯时长，同时计算交叉口总体性能指标PI，若满足饱和度以及PI约束，则执行红灯早断策略，压缩当前非公交通行相位的长度，使公交提前进入其通行相位。对于插入相位策略，插入相位策略即在连续非公交相位之间插入一个公交专用相位，参考附图6所示的插入相位策略流程图，具体执行过程如下：

1)系统检测公交在被控交叉口且未通过停车线的时刻，并将该时刻与原信号配时执行到该时刻的相位进行对照；

2)若公交在被控交叉口时处于非公交通行相位，且不满足红灯早断策略条件，为了使公交尽快通过交叉口，在周期剩余相位之间插入一段公交专用相位，公交专用相位时长由公交从检测器到停车线的行程时间确定；

3)当公交车顺利驶过交叉口停车线后，信号相位恢复为原来的相位配时，当前周期剩余的非公交通行相位时长按比例减少，如果公交专用相位插入在当前信号周期最后一个相位之后，则下一个信号周期的非公交通行相位时长按比例减少。

需要说明的是，各策略是否执行可以考虑性能指标PI进行判定，性能指标PI定义为采取优先策略后交叉口公交通行相位各进口方向降低的车辆总加权延误与非公交通行相位各进口方向增加的社会车辆总延误之差；如果该值大于0，表明提供公交优先相位可以有效减少交叉口车辆总延误，即可采取公交优先策略；否则表明公交优先相位增加了交叉口总延误，应保持原有的配时方案不变。

本发明在车路协同状况下，利用路权切变算法、车速引导算法以及信号优先算法来实现基于网联公交实时信息的弹性公交专用道研究，提高车道利用率。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。