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        基于車聯(lián)網(wǎng)的道路交叉口車輛通行效率研究

        2023-11-17 08:29:18
        交通科技與管理 2023年21期
        關(guān)鍵詞:效率

        吳 雷

        (深圳市萬集科技有限公司,廣東 深圳 518000)

        0 引言

        隨著國內(nèi)汽車保有量的持續(xù)增加,在城市規(guī)劃過程中的城市道路隨著車輛通行需求的增加,排隊以及擁堵的情況越發(fā)明顯。而城市道路往往受制于通行需求、道路規(guī)劃等客觀原因,不能及時進行道路改擴建。在解決城市道路交通擁堵,提高出行效率等方面,往往以道路交叉口的管理優(yōu)化為主,比如道路交叉口的信號燈優(yōu)化[1],打造城市智能交通綠波帶[2],基于時間循環(huán)技術(shù)識別車隊頭車[3]。

        李鵬凱等[4]通過基于實時信號狀態(tài)、排隊長度、車輛位置、加速度等參數(shù),以交叉口車輛停車時間最小化為目標(biāo),提出面向個體車輛的車速引導(dǎo)機制與模型。

        He X等[5]考慮了干線上的車輛排隊和交通信號狀態(tài),提出1 個多階段的控制模型以獲得最優(yōu)的車輛軌跡。

        隨著智能網(wǎng)聯(lián)及自動駕駛技術(shù)的不斷發(fā)展,車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)越來越多地引入到智能交通系統(tǒng)中來[6],在道路改造受限的條件下,通過車聯(lián)網(wǎng)車輛的行車路線同步、道路交通狀況感知同步、車輛行駛軌跡的預(yù)測等,成為改善道路交通安全、緩解交通擁堵的重要手段。

        研究基于車聯(lián)網(wǎng)的合流區(qū)車輛通行效率是通過車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)解決交通通行問題的關(guān)鍵,車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在交通領(lǐng)域的應(yīng)用研究也得到了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。如引導(dǎo)距離的長度、智能車的比例、交叉口的數(shù)目以及信號燈控制方式對車輛引導(dǎo)方案實施應(yīng)用效果的影響[7-10]。

        通過上述車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的研究可以看出,在交通參與者中具備車聯(lián)網(wǎng)功能的車輛、普通車輛、各類交通參與者、道路狀況等都會對交通運行狀態(tài)產(chǎn)生影響。

        該文基于車聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)條件,針對道路具備車聯(lián)網(wǎng)功能的車輛和普通車輛混合通行的復(fù)雜情形,研究基于車聯(lián)網(wǎng)的車輛通行效率提升的方法。

        考慮道路交叉口合流區(qū)的車輛行駛路線、行駛道路規(guī)則、道路交叉口布局、車頭時距等因素。提出在車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下,結(jié)合車聯(lián)網(wǎng)車輛V2V 協(xié)作通行引導(dǎo),為道路交叉口合流區(qū)的車輛高效通行提供服務(wù),得到了具備車聯(lián)網(wǎng)功能的車輛占比與車輛通行效率之間的相關(guān)性。

        1 問題描述

        1.1 道路路口環(huán)境描述

        在車聯(lián)網(wǎng)車輛與普通車輛混合通行的環(huán)境下,具備車聯(lián)網(wǎng)功能的車輛之間能夠通過V2V 的方式實現(xiàn)車輛的行使?fàn)顟B(tài)、周邊環(huán)境狀態(tài)、車輛行駛意圖等信息的交互,并通過各自當(dāng)前的狀態(tài)進行信息的協(xié)同,從而實現(xiàn)最優(yōu)的通行方案調(diào)度。

        基于分析的是各方向來車,均有左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、直行通行需求的復(fù)雜道路交叉口。在復(fù)雜道路交叉口針對道路智能網(wǎng)聯(lián)車輛和普通車輛混合通行的復(fù)雜情形展開研究,如圖1 所示。

        1.2 車輛駕駛的行為分析

        在道路交叉口合流區(qū)的路段,車輛的車行矛盾主要來源于不同方向的來車,行駛方向不一致,特別是在交通合流與道路交叉口近距離銜接的左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)車輛與直行車輛的行駛方向沖突上,是造成交通通行效率降低的主要因素。由于交通通行效率降低而造成的搶行、橫插、車流溢出等交通事件以及交通事故隱患進一步增加。

        在車流量較大的道路交叉口,典型的行駛方向沖突場景中的車輛通行分為如下3 類:

        (1)右側(cè)車道匯入車輛的左轉(zhuǎn)。

        (2)左側(cè)車道匯入車輛的右轉(zhuǎn)。

        (3)直行車道的左轉(zhuǎn)或右轉(zhuǎn)。

        1.3 研究方法

        在道路交叉口行車暢通的情況下,各交通參與者能夠通過實際路況以及行車間距,實現(xiàn)自由通行優(yōu)先級調(diào)配,從而呈現(xiàn)出自發(fā)地有序通行。

        在機動車流量較大的復(fù)雜道路交叉口,車輛搶行現(xiàn)象突出,通過自由通行調(diào)配已很難滿足行駛方向沖突場景中交通參與者的通行需求。

        通過具備車聯(lián)網(wǎng)功能的車輛感知到的道路信息的共享,使道路交叉口車流擁有一定的道路環(huán)境感知能力,以具備車聯(lián)網(wǎng)功能的車輛信息協(xié)同為引導(dǎo),有效地彌補車輛的感知盲區(qū),實現(xiàn)道路交叉口合流區(qū)范圍內(nèi)的車輛協(xié)同調(diào)度,減少因車輛行駛方向沖突場景下的車輛降速通行的情況,可以有效地提高在復(fù)雜道路交叉口車輛通行效率。

        2 道路交通模型

        2.1 車道與車輛直行率

        由于4 個駛?cè)胲嚨郎系能囕v行駛需求分布與車輛直行率有直接相關(guān)性,以駛?cè)肼房诘能囕v行駛目的隨機,以100 輛車最終行駛方向為參數(shù),以駛出路口的車輛在各車道均勻分布為條件,可以建立如表1 所示的車道及車輛行駛方向模型。

        表1 車道及車輛行駛方向模型

        2.2 車道與車道影響率

        4 個駛?cè)胲嚨郎系能囕v行駛需求與車輛行駛跨車道車輛數(shù)有直接相關(guān)性,以駛?cè)肼房诘能囕v行駛方向模型為依據(jù),以車輛跨車道車輛數(shù)為參數(shù),以駛出路口的車輛在各車道均勻分布為條件,可以建立如表2 所示的車道及車輛跨車道車輛數(shù)模型。

        表2 車道及車輛跨車道車輛數(shù)模型

        2.3 車輛與變道協(xié)同率

        在復(fù)雜道路交叉口,由于各車道上車輛之間的行駛意圖無法實現(xiàn)信息同步,導(dǎo)致各車道上的車輛變道處于無序狀態(tài)。當(dāng)車道中有部分車輛具備車聯(lián)網(wǎng)功能的時候,通過V2V 通信,可以在具備車聯(lián)網(wǎng)功能的車輛之間同步行駛意圖信息,以及相關(guān)車道的行車環(huán)境信息。當(dāng)多車道的車聯(lián)網(wǎng)車輛都有變道需求的時候,車聯(lián)網(wǎng)車輛之間通過V2V 通信協(xié)同,可實現(xiàn)同步變道,以此降低車輛跨車道時的車道影響率。

        在此條件下,車輛變道協(xié)同率與車道中具備車聯(lián)網(wǎng)功能的車輛數(shù)呈現(xiàn)出直接相關(guān)性。可構(gòu)建如圖2 所示的車道影響率和變道協(xié)同率關(guān)系曲線。

        圖2 車道影響率與變道協(xié)同率

        2.4 系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置

        各車道車輛行駛方向按表1 所示模型展開,道路交叉口合流區(qū)的車輛通行效率通過各車道的車輛通行速度來進行表征。根據(jù)道路交通模型各參數(shù),可構(gòu)建單車道的車輛通行速度公式,V(n)可表示為:

        式中,V0—— 車道車輛通行速度;n—— 車道號;m——車聯(lián)網(wǎng)車輛占比;Z(n)——各車道車輛直行率;Y(n)——各車道影響率;X(m)——變道協(xié)同率;G(μ)——車頭時距影響因子。當(dāng)μ<3 s 時,G(μ)取值為1;當(dāng)μ>10 s 時,G(μ)取值為2;其他情況下,G(μ)取值為。

        3 驗證與分析

        3.1 車聯(lián)網(wǎng)條件下的通行效率

        根據(jù)道路交通模型,取車聯(lián)網(wǎng)條件下的道路交叉口各車道駛?cè)胲囕v的行駛方向均勻分布,且各車道車輛之間按車聯(lián)網(wǎng)占比與變道協(xié)同率進行調(diào)配。

        以車輛通行速度80 km/h 為條件,根據(jù)公式(1),在車頭時距分別為2.5 s、6.5 s、10 s 的情況下,各車道的車輛通行速度分別如圖3 所示。

        圖3 車聯(lián)網(wǎng)條件下各車道通行速度

        3.2 車聯(lián)網(wǎng)條件下車輛通行速度分析

        從各車道通行速度曲線上可以看出,在不同車道上,由于受到車輛直行率、車道影響率、變道協(xié)同率以及車頭時距等因素的影響,各車道在車聯(lián)網(wǎng)占比不同時通行速度也各不相同。以各車道車輛通行速度的平均值作為斷面通行速度。可以得到在不同車頭時距條件下,車聯(lián)網(wǎng)車輛數(shù)占比與斷面整體通行速度增長率之間的關(guān)系,如圖4 所示。

        圖4 車聯(lián)網(wǎng)占比與斷面通行速度增長率

        4 結(jié)語

        通過分析在車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下,考慮道路交叉口合流區(qū)的車輛行駛路線、行駛道路規(guī)則、道路交叉口布局、車頭時距等因素,結(jié)合車聯(lián)網(wǎng)車輛V2V 協(xié)作通行引導(dǎo),通過分析對合流區(qū)車輛通行效率產(chǎn)生影響的主要因素,得到了具備車聯(lián)網(wǎng)功能的車輛占比與車輛通行效率之間的相關(guān)性結(jié)論如下:

        (1)在道路交叉口的各車道中,在車聯(lián)網(wǎng)車輛占比相同的情況下,各車道車輛的直行率是影響車輛通行效率的主要因素。

        (2)道路中的車聯(lián)網(wǎng)車輛占比低于40%時,車聯(lián)網(wǎng)車輛對斷面整體通行效率的影響區(qū)分度較小,且呈一定的線性相關(guān)性。

        (3)道路中的車流量密度較小時,車聯(lián)網(wǎng)車輛占比對斷面整體通行效率的提升呈一定的線性關(guān)系。

        (4)道路中的車聯(lián)網(wǎng)車輛占比高于50%時,斷面的整體通行效率的提升效果在40%以上。

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