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。