摘 要

公共客运、货运汽车等大型车辆作为城市交通流的重要组成部分，其在交叉口的通行效率密切影响着道路性能、交通安全与污染排放。本研究针对大型车辆在交叉口的通行需求与特点，基于车路协同系统，利用车车、车路交互提出了一种新的交叉口车速引导控制方法，旨在让其高效安全环保地通过交叉口。利用VISSIM与Visual Studio 2010搭建的联合仿真实验平台进行多场景多工况模拟实验，对比分析多交通流量环境中不同控制方法下交叉口的交通流仿真数据。结果表明，相较于传统的定周期控制，车速引导控制下大型车辆的平均行程时间减少了24%；停车次数减少了46%；而在CO₂排放和燃油消耗上分别减少了1.4%和1.5%。车速引导控制方法在提高大型车辆通行效率的同时，还能兼顾环境效益。

关键词：车路协同系统；车速引导；VISSIM仿真；大型车辆；交叉口通行

Abstract

As an important part of urban traffic flow, the efficiency of public passenger transport, freight cars and other large vehicles closely affects the performance of roads, traffic safety and pollution emission when crossing intersections. In consideration of the demands and characteristics of large vehicles in intersections, this paper presents a novel speed guidance control method at intersections using V2V and V2I communications based on cooperative vehicle infrastructure system, which promises efficiency and safety to large vehicles while crossing the intersection environmentally. Muti-condition and scenario simulation experiments were carried out in a joint platform of VISSIM and Visual Studio 2010 to make a comparative analysis of the simulated traffic flow data under different control strategies in multiple traffic volume environment. The results show that, compared with the traditional fix-cycle control strategy, the average travel time and stop times of large vehicles are reduced by 24% and 46% respectively under the control of speed guidance strategy, which in addition bring out a decrease of CO₂ emission and fuel consumption by 1.4% and 1.5%, respectively. In a word, the speed guidance control strategy could not only improve the traffic efficiency of large vehicle, but also take environment into consideration at the same time.

Key Words：cooperative vehicle infrastructure system(CVIS)；speed guidance；VISSIM simulation；large vehicles；intersection traffic

目录

摘 要 II

Abstract III

第1章 绪论 1

1.1 研究的背景与现状 1

1.1.1 国内外车路协同研究现状 1

1.1.2 交叉口协同控制 2

1.2 研究的目的与意义 2

1.3 主要研究内容 3

1.3.1 搭建交叉口车路协同模拟平台 3

1.3.2 建立车速引导算法模型 3

1.3.3基于Android平台的车载APP开发 3

1.4 研究的技术路线与方法 3

1.5 本章小结 4

第2章 系统设计 5

2.1 总体设计思想 5

2.2 算法设计 5

2.3 路侧及车载单元设计 7

2.4 软件设计 8

2.4.1 车载APP设计 8

2.4.2 仿真平台设计 9

2.5 本章小结 9

第3章 系统实现 10

3.1 车速引导控制实现 10

3.1.1 车辆跟驰模型 10

3.1.2 车速引导算法 11

3.2 车载APP开发 12

3.3 本章小结 14

第4章 系统性能测试与结果分析 16

4.1 模拟实验平台搭建 16

4.2 模拟实验方案 17

4.3 模拟实验结果分析 18

4.4 本章小结 20

第5章 总结与展望 21

5.1 总结 21

5.2 展望 21

参考文献 22

本科期间取得的科研成果 25

致谢 26

第1章 绪论

1.1 研究的背景与现状

由于经济高速发展所带来的人口规模的不断扩大以及汽车保有量的逐年剧增，交通拥堵问题已成为各大城市不堪承受之苦。而巨大的交通压力所带来的经济损失、交通安全、环境污染等问题更是直接影响着城市发展和居民生活^[1-3]。

一方面，对于城市道路网络而言，交叉口作为交通的咽喉，是各交通流汇集、交互以及疏散的必经之地，密切影响着道路通行能力与交通安全。对于交叉口的交通流组织，最常见的为信号控制系统，其利用信号逻辑为冲突车流分配相应的通行权，达到高效、有序、安全的目的。交通控制技术是提高道路安全、减少环境污染、缓解交通拥堵、提高道路安全的重要手段，按控制方式可分为定时控制与感应式控制，按控制方式则可分为单点控制、干线控制以及区域控制。虽然该技术已经得到了长足的发展，但仍存在不足：忽略了交通控制对交通流的影响，更没有考虑车速引导建议的影响。

另一方面，近年来随着无线通信、自动控制以及传感检测等技术的发展，车路协同系统（Cooperative Vehicle Infrastructure System，CVIS）逐渐兴起并成为智能交通领域的研究热点，并为改进交通控制方法和模型提供了机遇和条件。车路协同系统利用传感探测技术获取车路信息，并通过车路实时通信进行信息交互和共享，实现车载设备与路侧设备之间的智能协同控制，以达到优化资源、提高安全、缓解拥堵的目标^[4]。

1.1.1 国内外车路协同研究现状

车路协同系统的初衷是提高道路交通安全，欧美日等发达国家都进行了探索研究，主要项目包括欧洲的CVIS计划、日本的Smart Way计划以及美国的CICAS计划等^[5]，

美国自上世纪90年代开始广泛研究车路协同技术，研究领域涉及交通信号智能控制、自动驾驶、不停车收费等领域，并进行了自动公路系统的演示实验^[6-7]。之后在战略上针对重大专项开展攻关研究，特别关注车路协同技术和车辆安全问题，更加注重技术的实用性与产业化。此外，美国专门为车路通信划分了频带用于专用短程通信(Dedicated Short Rang Communication，DSRC)，并远见性地将目光转向无处不在的移动通信技术，为车辆提供无缝的通信服务^[8-10]。今后，美国将更多地开始试验道路的建设工作以推广车路协同技术，从美国车路协作发展历程可以看出其今后将更具开放性、适用性与重点性^[11-12]。

日本的ITS技术研究前期集中在导航系统、自动收费系统和先进车辆系统方面，并都取得了不少突破。之后研究重点逐渐转移到道路交通安全、交通效率以及环境保护，且更加注重系统集成，如车路通信平台与一体化的车载终端，以及技术的应用推广和完善的交通服务^[13-14]。此外，日本也在积极开发主要通信模式为DSRC的车路通信系统^[15-16]。

欧洲关于ITS的研究早期重点关注公共运输、道路和车载通信设备和车辆智能化等方面，并建立了欧洲范围内的专用交通无线数据通信网^[17-18]。随着eSafety概念的提出，欧洲将战略重心转移到安全问题，更加注重体系框架的搭建与交通通信的标准化研究，并着力推广安全技术与综合运输系统^[19]。典型的PReVENT项目即是以集成开发安全功能为目标，而CVIS项目则侧重于创造性的车路协作和交互模式 ^[20-21]。