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车路协同新应用:绿波车速引导

2022-05-09

来源 : 赛文交通网

作者 : 张长隆

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交通干线绿波也称交通干线绿波协调控制,是城市交通控制中一种常见的交通控制模式,通过对干线上多个相邻路口的联动控制,对城市交通而言,可明显提升干线整体交通效率,有助于最大化发挥城市干线的交通承载能力。

对行驶车辆而言,可提升驾驶员体验感,有助于更精准的预测目的地到达时间,提高出行的准时性;对生态环境而言,可减少启停次数,能有效地节约能源,减少碳排放,有助于提升城市环境质量和整体形象。

一、交通干线绿波概念

绿波:绿波也称绿波带,绿波协调控制等,是指将交通干线上相邻交叉路口的信号灯连接起来进行统一协调和联动控制,通过对相邻路口的协调方向设定绿灯启亮或终止的时间差,保证干线交通流以设定车速到达各路口时可减少红灯等待时间或直接绿灯通行。

绿波带宽:是指实施绿波协调控制的交通干线上各交叉口协调方向可连续绿灯通行的时间长度,一般情况下,绿波带宽越大,干线绿波协调控制效果越好。

绿波带速:也称绿波带系统速度,是指干线绿波协调控制中各交叉口间协调方向的设计通行速度,需要考虑道路几何、道路限速、交通流量、平均运行车速等因素进行确定,合理的绿波带速设计可明显提升绿波协调效果。

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1917年,美国盐湖城建设了一个包含6个交叉路口的手动互联的信号灯系统,被认为是干线协调控制以及区域协调控制的雏形,为后续的绿波协调控制打下基础。

现有的绿波协调控制理论研究中根据优化目标的不同主要分为:考虑降低干线整体的车辆延误的绿波协调控制研究,考虑增加干线整体的通行带宽的绿波协调控制研究。这几十年以来,国内外对城市干线协调控制的研究已经比较成熟,很多研究成果得到了实际应用,取得了不错的控制效果。

国外如美国、日本和一些欧洲国家的主要城市先后开展过绿波协调控制应用,德国德累斯顿在市中心道路上部署了自适应的绿波协调控制系统,同时考虑了人行横道等因素,明显改善了干线道路交通状况,可减少56%的车辆行程时间及36%的行人路口等待时间。

国内如北京、上海、长沙、南昌、温州、珠海等许多城市也有很多成功的干线绿波控制应用案例,长沙市的潇湘大道通过合理应用双向绿波协调控制有效的提升了沿线的通行效率,可减少行程时间22%以上,提升区间车速24%以上。

二、传统绿波的车速引导方法

在现有的绿波协调控制实践中,一般采用固定绿波带速设计,即根据干线整体道路条件和交通流状态等预先设计绿波带速,并以此为基础优化各协调交叉口的相位差,最终通过路侧固定标志牌或动态电子屏等形式显示绿波设计速度,实现对驾驶员的车速引导。

上述应用方法目前存在以下几点不足:

1)干线中不同相邻交叉口间受不同道路条件、流量条件、限速等约束,不同路段难以保持相同的运行速度,按照相同的绿波带速运行会使得实际通行绿波带宽小于设计绿波带宽。

2)在干线绿波带设计时,一般假定车流以脉冲式到达且到达分布稳定,而忽略了车流到达的随机性和离散性,当不同时段或不同区段的交通流发生变化时,固定的绿波带速和绿波带宽会出现不适应性,降低了绿波带的通行效能。

3)受限于绿波带宽度,固定的绿波带速对于绿灯期间到达的所有车辆并不完全适用,如当车辆在绿灯末尾到达时,若按照绿波带速行驶很可能在下游路口等待红灯,增加了延误时间;同时当车辆从非协调方向驶入协调干线时,若按照绿波带速行驶,很可能会在下游路口红灯末尾到达,增加了停车次数和停车时间。

三、基于车路协同的绿波车速(GLOSA)引导方法

近年来,智能网联汽车产业和车路协同技术的蓬勃发展,为传统交通优化赋予了更多可能性。利用V2X通信技术可实现广域的信息共享和资源整合,衍生出了很多智能交通应用,有助于实现智能交通领域的技术革新。

绿波车速引导(GLOSA--Green Light Optimal Speed Advisory)作为一种新型基于车路协同技术的智能交通应用功能,是指在车辆进入交叉路口前,根据实时的相位状态信息、车辆状态信息,以及辅助信息(如道路限速、流量、排队等),通过一定的优化指标,计算最优引导车速对驾驶员进行提示,从而帮助车辆快速、经济、舒适地通过交叉口。

GLOSA主要分为单段车速引导和多段车速引导,单段车速引导是计算出车辆可快速驶离下游最近交叉口的最优车速引导区间。多段车速引导是根据车辆行驶路径计算出下游连续交叉口的最优车速引导区间。

GLOSA已在行业标准《合作式智能运输系统--车用通信系统应用层及应用数据交互标准》中进行了相关定义。

在该标准中,功能实现主要由车路两部分的数据交互,装有车载单元OBU的网联车辆实现路侧数据的接收和处理;路侧交叉口安装路侧单元RSU,通过与信号机实时交互获取信号灯状态数据,并向周围广播。

当网联车辆行驶到交叉路口时,实时接收路侧单元发送的道路数据和信号灯状态数据,车载单元通过计算给出最优的建议车速。

GLOSA作为一种主动交互式的车速引导功能,将其应用在干线绿波协调中可有效改善传统固定绿波带速引导的不足。GLOSA利用车路协同技术实现网联车辆与路侧单元的实时数据交互,获取准确的路口信号状态,结合当前车辆位置、速度等状态信息,在不同路段区间可以相应给出最优的绿波引导车速,从而脱离了固定绿波带速的限制;

同时当车辆运行状态或到达状态发生变化时,GLOSA可根据实时情况调整绿波引导车速,帮助驾驶员可以快速舒适地通过干线各交叉口,提升干线绿波协调的整体效能,等效于动态优化干线绿波的通行带宽。

对于未部署绿波协调的城市干线或单点路口,GLOSA同样也可以动态计算出当前最优的车速引导区间对驾驶员进行建议,降低驾驶员路口遭遇红灯的概率或者减少车辆在路口的红灯等待时间。

但由于非绿波协调干线中各路口没有统一的周期,无法维持恒定的相位差,GLOSA功能所优化的通行效能会相对下降。

四、基于车路云协同的绿波车速引导方法

随着相关院校和企业单位对GLOSA研究的不断深化,以及C-V2X无线通信技术的持续发展,GLOSA功能从基于车路交互的技术方案逐渐向基于车路云架构的技术方案演进。

基于车路云方案的GLOSA功能主要是将路侧单元和车载单元的信息上传给云端,由云端决策给出更优建议车速的车路云新架构方案。基于车路云的GLOSA功能具体架构图如下所示:

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基于车路云架构的GLOSA方案在许多地区得到了应用,2020年在长沙7.8公里智慧公交示范线上实现了基于车路云架构的GLOSA。通过对未部署绿波协调控制的连续路口进行实际测试验证,应用GLOSA功能可节省19.8%的行程时间,平均停车次数可减少47.6%,有效了提升了驾驶体验。

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此外,福特EVOS车型通过前装V2X设备在长沙同样实现了基于车路云架构的绿波车速功能,山东淄博也利用车路协同智慧交通引导系统实现了车路云架构的绿波车速功能。

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五、交通绿波车速引导的未来展望

随着智能感知和边缘计算技术的持续发展,以及网联化应用的不断渗透,将会进一步给传统交通赋能。干线中各协调路口通过部署智能化感知设备、边缘计算设备和智能网联通信设备(RSU)等可从控制层和引导层两个层面实现更合理地绿波车速引导,进而提升绿波协调控制效果。

具体如下图6所示:

在控制层面,各协调路口利用感知设备对不同进口、出口的交通态势进行感知(如车流量、平均速度、排队长度、空间占有率等),并将感知数据处理后实时发送至中心控制平台,中心控制平台接收到干线上下游交叉口的交通态势后,通过判断现有绿波协调方案的适应性来对方案进行调整和下发,动态优化绿信比、相位差和绿波带速等参数,以达到更好的绿波协调效果。

在协调层面,部署在路口的智能路侧单元RSU不仅可获取优化后的控制方案信息和实时信号状态信息,同时可得到准确的交通态势信息;

将上述信息上传云端后,云端可结合网联车辆上传的车辆状态信息和行驶路径信息,综合考虑当前的控制方案、信号状态、交通态势等实时计算出最合理的下游路口车速引导区间和下游路径的整体最优绿波引导车速,帮助驾驶员一路绿灯通行,进一步增加干线绿波协调的通行效率。

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参考文献:

[1]  吴兵, 李晔. 交通管理与控制[M]. 第四版. 人民交通出版社, 2011

[2]Green Idea: Self-organizing Traffic Signals.[A/OL]https://ourworld.unu.edu/en/green-idea-self-organizing-traffic-signals

[3]  万万没想到,在长沙市区还可以跑这么快.[A/OL]http://www.360doc.com/content/20/0718/03/70897110_924978819.shtml

[4]  心心念念的“一路绿灯”技术,福特率先上路了.[A/OL] https://baijiahao.baidu.com/s?id=1690671855509409172&wfr=spider&for=pc

[5]  一部手机即可让车辆始终处于“绿波带” 这款app在淄博进入试运行.[A/OL]https://www.163.com/dy/article/H1S7KPGM0514CFC7.html

[6]  David Eckhoff, Potentials and limitations of green light optimalspeed advisory systems[C]IEEE Vehicular Networking Conference,2013

[7]  Marcin Seredynski, Multi-Segment Green Light Optimal SpeedAdvisory[C]Parallel and Distributed Processing Symposium Workshops & PhDForum,2013

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◼ 中国首个智能网联标准《合作式智能运输系统车用通信系统应用层及应用数据交互标准》执笔人之一(2017) 

◼ 首创“三模式”(LTE、LTE-V、DSRC)自适应智能网联 V2X 设备与系统(2018);

◼ 全国首个长沙开放道路智慧公交车路云协同系统设计者(2018);

◼ 全国首个长沙开放高速道路路侧全息感知与车路协同系统设计者(2019);

◼ 全国首个大规模车路协同公交优先系统设计者(2020) 

◼ 全国首个基于 CV2X 的智能网联手机设计者(2021

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