智能协同车辆基础设施系统中实时动态可逆车道设计

摘要

快速增长的交通需求和缓慢增长的交通供给产生了越来越多的矛盾，主要表现在城市道路拥堵和双向交通流不平衡。大多数双向车道在固定路段和固定时间实施，主要由地面标线、路标、栏杆和交警引导。这需要大量的人力和物力成本。而且，控制效果滞后且不准确。针对这些问题，提出了一种智能协同车辆基础设施系统（CVIS）中的实时动态可逆车道方案。通过CVIS实时采集交通信息，并根据实时服务水平建立可逆车道方案 和BRP功能。应用变道控制模型确定车道数和变道时机。然后，通过智能路钉灯和光幕墙对可逆车道进行实时管理。设置缓冲段和禁入段，确保可逆车道安全高效运行。采用VISSIM仿真进行案例分析，结果表明，与传统时控可逆车道方案相比，实时动态可逆车道方案可使车辆平均延迟降低27.4%，降低车辆VOC、CO和NO_X排放量13.5%。

1.介绍

截至2018年底，全国汽车保有量达2.4亿辆，比2017年增加2285万辆。全国公路总里程448.65万公里，比上年增长7.31万公里，比上年增长1.53%。快速增长的运输需求和缓慢增长的运输供给使供需矛盾日益加剧[1，2］.部分城市道路拥堵严重，双向交通流不平衡。2017年，中国联网汽车数量达到1780万辆。随着大数据、云计算等技术的融合与创新，未来互联汽车的渗透率将继续加速[3.- - - - - -6］.

智能路标灯目前主要用于地下停车场车辆的指示、检测和车道保持提醒，尚未用作道路上的信号指示装置。在建议的可逆车道方案中，使用了智能太阳能路标灯，在连接的车辆环境下对其进行实时控制，以实现与道路交通灯相同的指示功能。

人们对可逆车道进行了大量的研究。Brian Wolshon和Laurence Lambert研究了可逆性车道的应用现状、控制管理措施和评价方法，发现虽然没有统一的规划和完善的标准，但可逆性车道的引入仍然达到了预期的目标，得到了公众的认可[7];Matthew和Peter等人建立线性规划模型，计算可变车道的最优配置，并利用交通传感器收集的信息确定道路上可逆车道的方向。结果表明，引入动态可逆车道方案可有效提高道路通行能力[8];Golub等人从经济效益和交通效益的角度从可逆车道的设计、标识和管理等方面提出了建议[9];Yu和Tian研究了可逆车道的设置条件，建立了基于路网的双层规划模型。模型的上层对车道分配进行整合优化，下层是预测驾驶员对车道分配响应的网络均衡模型[10];Cui和Liu在实地调查的基础上，研究了引入可逆车道方案的可能性和必要性，提出了可逆车道方案与制造相关的交通隐患解决方案[11]; Sun建立了可逆车道分配的优化模型，将一天中的24小时划分为几个连续时间段，根据不同时间段的交通流特征分配不同路段的潮汐车道数[12- - - - - -14];

Dai等分析了国外可逆车道方案的现状，提出了设置可逆车道方案的三个步骤，并通过仿真验证了引入可逆车道方案的效果[15，16］.

可逆车道已被国内外学者研究，并在城市道路中得到了广泛的应用，但大多数都是固定时间、固定车道，根据交通情况需要人工操作。目前，还没有实现与路钉结合的智能车道组合技术来实现可逆车道的动态控制[17- - - - - -20.］.在收集CVIS中的道路信息的情况下，利用控制模型进行可逆车道的分配，并利用智能路栓引导交通[21，22].与现有可逆车道控制方法相比，最大的优点是可逆车道分配可以根据道路交通量动态变化，无需人工操作，实现节能环保，从而实现道路资源的优化利用。

2.实时动态可逆车道设计原则与方案

2．1．可逆车道方案实施条件

根据美国交通工程师学会推荐的可逆车道实施条件，综合考虑了道路条件、道路通行能力和交通量，本文对开放可逆车道方案的道路条件和交通条件进行了研究。

2．1．1．道路状况

①车道设置条件:引入可变车道时，原道路双向车道数必须至少为3条。在车流量大的城市，道路上的车道数应大于6条或不小于5条，以保证可逆车道的空间。②交通设施条件:具有可逆性车道的城市道路，一般不设中央隔离区、电车轨道等固定设施。

2.1.2。交通状况

①交通方向:稳定的交通流是保证可逆车道方案实施的首要条件，交通不平衡现象明显的交通流是设置可逆车道的前提。要求方向分配系数小于2/3，以保证变道实施的效益。②通行能力:引入可逆车道后，道路通行能力仍应满足原有的交通需求。

2.2.动态换道标准

2.2.1。确定交通状况

在CVIS中，利用无线传感器获取实时的交通量信息V交通能力C哪个是用来计算服务水平的 在路的两个方向。根据5个州的服务水平将交通状况划分为5个等级，如表所示1．

2.2.2。基于最小出行时间的车道数确定

在旅行行为的影响因素中，时间是旅行者最看重的因素。在道路行驶时间的研究中，使用最多的是BPR模型，道路阻力函数为: 在哪里是旅行时间，是自由流动的旅行时间，为交通量，是通行能力，还是参数分别等于0.15和4。

基于最小阻抗，路径电阻函数模型为: 在哪里为一个方向的交通量和车道数，和n指另一方向的交通量和车道数，C表示通行能力，我为可逆车道数，为1 ~ 1.2的延迟系数，l为可逆车道的长度，是道路的设计速度，r为参数，如果非机动车道与机动车道分离，r等于,否则r等于0.8如果车道宽度为3.5米，则等于1。

2.2.3。基于调整后服务水平的变道后双向交通条件的确定

让 max ( ）和 分钟( ），则拥塞服务水平可计算为:

当调整后的非拥塞段的服务水平不低于拥塞段的服务水平时，则为临界状态:

2.2.4。变道动态控制模型的建立

变道动态控制模型在CVIS中获取道路交通信息，并根据道路服务水平对道路交通流状况进行评价。然后利用相应的控制模块求解最优切换方案，确定该方案是否满足预置条件。如果满足，则执行最优解;如果不满意，则维持现有的解决方案。动态控制模型流程图如图所示1．

２．３．路信号

智能路钉作为一种道路信号指示装置，动态改变车道分配，引导车辆在道路上行驶。智能路柱灯采用锂电池和太阳能电池供电。在锂电池供电下可连续工作36天。采用6个2000mcd LED灯，满足不同条件下的信号指示要求。通过LoRa新一代物联网通信技术，同时实现点对点和点对中心超远距离通信。路钉灯采用铸铝外壳，防水IP68，工作温度范围为−40°~ 85°;可承受20吨静压，可满足不同场景、不同道路的要求。

智能路标有红、黄、绿三种灯光颜色，可闪烁显示，红色闪烁表示提醒驶离车道，禁止通行；绿色闪烁表示车道即将开放，允许通行；黄色指示缓冲区，表示尽快驶离，禁止通行n驾驶员注意到前方有一个禁止进入的路段。有六种道路标志灯模式，如图所示2.道路管理机构可通过远程通信功能改变灯的颜色，以实现不同道路交通状况的指示。路标灯的远程指令由RSA加密，以实现交通基础设施控制的安全性。

结合现有的激光投影技术，提出了一种由光投影形成的虚拟幕墙思想。在轻幕墙上设置有栓灯内的小型投影装置，将光线投射到可逆车道上，形成虚拟墙幕;墙帘的亮度和颜色与钉灯一致。光幕可配合路钉灯提供指示和提醒，确保车辆安全换道行驶。目前，光幕墙技术还不能满足道路实际应用的要求。根据技术研究和实验分析，未来光幕墙技术可作为交通信号指示器应用于道路。

２.４.交通安全分析

2.4.1。冲突地区

将可逆车道的冲突区划分为起始冲突区和结束冲突区。设置冲突区域的目的是为了使双向车辆顺利变道，避免冲突。起始冲突区包括一个禁止进入的区域。结束冲突区由两个缓冲区和一个禁止进入的区域组成。车辆可以在缓冲区段完成变道或停留一段时间等待变道。在变道运行过程中，允许车辆进入禁止进入路段，形成交通流的空间分隔区，避免迎面流冲突。

在城市道路上设置冲突区域时，应尽量远离十字路口、公交车站等会干扰交通的地方。如果可逆车道位于交叉路口的起点或终点，则不需要设置冲突区。交叉口是避免迎面而来冲突的有效区域。因此，当路段可逆车道的起点或终点与交叉口中心距离在300 m以内，且交叉口满足引入可逆车道的条件时，应直接将可逆车道延伸至交叉口。当交叉口不满足设置可逆车道的要求时，应缩短可逆车道，以保证冲突区到交叉口的距离大于300 m。由于可逆车道延伸到交叉口时不需要设置冲突区，所以我们只讨论在远离交叉口处设置冲突区的相应设置参数。可逆车道的起始冲突区设置相对简单。在起始冲突区，双向交通不存在直接迎面而来的冲突，只需避免在变道过程中发生冲突即可。起始冲突区距离取决于车辆的安全跟随距离和路钉铺设间距，一般为5 ~ 10m。

为缓解东行交通的拥堵，东行车辆可借用西行车辆的部分中间车道。数字3.显示可逆车道的起始冲突区域。东行交通的车辆可选择左合并进入起始冲突区可逆车道，西行交通的车辆可选择左合并进入起始冲突区后可逆车道。在图4，冲突结束区为东行车辆占用车道的结束区和西行车辆占用车道的东行车辆的起始区。因此，东行车辆必须驶回原车道，西行车辆必须东行驶入其他车道，以避免迎面冲突。

2.4.2。禁止进入组的设计

不可入段是车辆在可逆车道运行过程中的隔离区。它设置在双向交通冲突的可逆车道的起点和终点。为了保证可逆车道运行的安全性，禁止驶入路段的距离越长越好。但从道路资源利用角度考虑，较短的免入段优先。因此，在保证交通安全运行的同时，有必要使禁止进入路段的距离尽可能小。出发禁止进入区域的长度为出发冲突区域的长度，为车辆之间的安全跟随距离。一般为5 - 10m。结束入口区域的参数将在下面讨论。

如果一个方向的驾驶员进入禁入段末端，则必须能够在禁入段末端之前完全停止;如果两名来自相反方向的司机进入了禁入区，他们必须有足够的空间停车，以避免相撞。因此，禁止进入段的长度必须满足车辆的视线距离，并保证安全制动距离。最短长度由反应距离( ），断裂距离( ），及安全跟随距离( ）如图所示，两个相反的行驶驾驶员5．

假设车辆制动性能和驾驶员的响应时间相同，则 在哪里t为1 - 2.5秒的反应时间，为车辆刹车前的速度，是重力吗为车轮的附着系数。

2.4.3。缓冲段设计

如果在可逆车道的缓冲段行驶，当看到路柱上的黄灯时，应等待机会换道并离开可逆车道。如果到达缓冲区段而没有机会离开可逆车道，应立即刹车并停止，等待时间离开可逆车道。如果在这里被迫换车道，应该在进入禁入区之前换车道。因此，可逆车道缓冲段的距离必须满足缓冲段开始时驾驶员的最大制动距离和此时驾驶员强制变道的最大长度。

在缓冲段开始时，车辆将被引导进行强制变道。根据强制变道临界距离模型，车辆制动时的减速为初始行驶速度是 ，考虑驾驶员的谨慎程度、目标车道的交通密度以及当前车道与目标车道之间的间隔车道数。计算车辆在变道过程中行驶距离的公式为 在哪里为驾驶员谨慎系数，取值范围为0 ~ 1，数值越大，驾驶员越谨慎，，参数取决于当前车道与目标车道之间的交通状况和间隔车道数，为交通密度，是指交通拥挤密度，以及n为可逆车道数。

车辆制动减速度与驾驶员对制动距离的判断有关，也与驾驶员的驾驶习惯、路况和道路上的车速有关。从车辆的制动能力来看，紧急制动时车辆的最大减速度一般为 对于正常制动，车辆的平均减速度应为 但在实际情况下，除紧急情况外，制动减速应正常为 ．因此，值为2本文采用的是减速器。

如果驾驶员在缓冲段开始时休息，则根据车辆的速度、制动性能和路面摩擦系数计算车辆的制动距离。驾驶员从做出刹车决定到强制刹车的反应时间称为驾驶员的反应时间 ．从强制制动到制动器生效的时间间隔称为驾驶员操作时间，由 ．假设总反应时间 ，和定义为从刹车生效到汽车完全停止的时间间隔。车辆的总制动距离可计算为:

让t= 2.5 s，和可以忽略不计，所以第二个任期就被淘汰了。反应的距离和打破距离可计算如下:

缓冲区段的长度为

3.模拟与数据分析

３．１．模拟

在CVIS中，实时获取交通信息，并根据实时交通量选择性清除小车流方向车道。以某八车道公路为例，清除了交通流方向内侧的两条车道，并通过动画仿真展示了实时动态可逆车道运行过程。

（1）开放．当达到可逆性车道开放条件时，实时动态可逆性车道开放。在交通量小的方向，两条车道上的红色车标先闪，灯光幕墙闪红色，表示在这两条车道上的车辆应尽快离开。这些车道不允许通行，车内还会有声音提示:“请离开这些车道。”如图所示6(1)．（2）进入．清除目标车道后，车流较大的车辆可以并入清除后的车道。首先，螺柱灯和亮幕墙闪绿色，表示目标车道即将开启，然后螺柱灯和亮幕墙保持绿色不变，表示目标车道已开启，允许进入，如图所示6(2)．（3）关闭．在原交通繁忙的方向上，两条车道上的柱灯先闪红色，灯光幕墙闪红色，表示车道内车辆应尽快离开车道。然后立柱灯和浅色幕墙均为恒红色，表示交通繁忙的车辆不允许进入这两条车道，并在车内提示声音:“可逆车道关闭，请驶离这两条车道。”如图所示6(3).在交通流量较轻的方向上，柱塞灯先闪绿色，光幕墙也闪绿色，表明车道即将重新开放，交通流量较轻。柱灯和光幕墙均为绿色，表明目标车道已对轻型交通车辆重新开放，如图所示6(4).

3.2.数据分析

对淮安市某8车道高速公路18:00 - 19:00的交通流量数据进行调查，如表所示2．利用微观仿真软件VISSIM及其二次开发，分别在时序控制模式和动态控制模式下对道路车辆行驶效果进行仿真和评价。定时控制方式由交警根据道路的交通状况进行控制。在模拟中，它是在18点40分打开的。采用所提方案的变道控制模型对动态控制模式进行控制。

通过仿真数据分析，随着道路交通流量的不断增加，动态控制模式下车辆的平均延迟相对较慢(图1)7)，车辆整体平均延误率降低27.4%，车辆VOC、CO、NOX排放量降低13.5%。因此，动态控制方式在提高交通效率和环境保护方面有较好的效果。

4.结论

提出了一种基于CVIS的实时动态可逆车道方案。与传统时控换道方式相比，该方案可降低车辆平均延迟27.4%，降低车辆VOC、CO和NO_X排放。减少13.5%的流量，有效改善了交通流的不平衡性，缓解了道路拥堵，提高了道路交通效率，降低了能源消耗，为推广节能环保的新型可逆车道设计提供了新的解决方案。随着城市交通引导系统和车路协同技术的不断发展和应用，将其与该解决方案相结合可以更有效地优化道路资源配置，提高车辆交通效率。所提出的智能螺柱灯动态信号控制方式可以在不同路况下对城市道路进行引导。与公交优先级相结合，可以有效提高现有公交专用道等设施的利用率。秉承节能环保理念，优化道路资源，创新信号控制方式，提出了智慧城市交通系统优化的新解决方案。

数据可用性

用于支持这项研究结果的数据包括在文章中。

的利益冲突

作者声明他们没有利益冲突。

作者的贡献

毛丽娜构思并设计了论文;李文泉对模型进行了建模和仿真;毛丽娜和胡彭森撰写了论文;Zhou Guiliang设计了实时动态可逆通道方案;张慧婷分析了仿真结果，戴金收集了交通数据。

致谢

江苏省研究生创新项目开放基金项目(no . KYLX15_0148);国家自然科学基金项目(no . 61573098, no . 51308246);江苏省交通运输安全重点实验室(淮阴工学院)(no . TTS2020-06);江苏省产学研合作项目(DH20190231)，江苏省高校自然科学重大基础项目(15KJA580001)，江苏省自然科学基金项目(BK20171426)，淮阴工学院青年基金项目(HGC1408)中国政府海外留学奖学金资助项目(CSC);201506090109)

参考文献

1. 郭俊峰，“对中国大城市交通拥堵的认识”，城市交通，第9卷，第5期。2, pp. 8-14, 2011。视图:谷歌学者
2. 谭海峰，“中国智能交通系统的现状与发展对策”，中小企业管理与技术，第1卷，第48-49页，2019。视图:谷歌学者
3. S.Mou，“基于物联网技术的城市交通网络研究，”电子世界， vol. 13, pp. 206-207, 2018。视图:谷歌学者
4. 周国辉，“城市道路工程中逆向车道设置研究”，交通科技，第3卷，116-119页，2012。视图:谷歌学者
5. 孙旭东，张宏，W.孟，张锐，李凯，彭涛，“基于对称粘弹性缓冲器的谐波激励非线性悬架系统的主共振分析与振动抑制，”非线性动力学，第94卷，第94期2, pp. 1243-1265, 2018。视图:出版商的网站|谷歌学者
6. “基于电机损耗模型和大数据计算的双轴驱动纯电动汽车能量回收策略数值模拟”，复杂性文章编号4071743,14页，2018。视图:出版商的网站|谷歌学者
7. B.Wolson和L.Lambert，“可逆车道系统：实践综合，”交通工程学报第132卷第1期12，第933-944页，2006。视图:出版商的网站|谷歌学者
8. m . Hausknecht苏耿赋。Au, P. Stone，《交通管理中的动态车道反转》，收录于2011第14届国际IEEE智能交通系统会议论文集，页1929-1934,IEEE，华盛顿特区，美国，2011年10月。视图:谷歌学者
9. A. Golub，“可逆转车道在亚利桑那州凤凰城的预期成本和收益”，运输工程师学会，第82卷，第2期，第38-42页，2012年。视图:谷歌学者
10. 余秋雨，田睿，基于双层规划的城市路网倒转车道应用方法研究，施普林格，柏林，德国，2014。
11. 崔颖、刘东，“北京市朝阳区逆向车道的交通组织”，道路交通及安全，第6卷，第2期9，页21-24,2006。视图:谷歌学者
12. 孙青，“动态可逆车道优化算法研究”，高速公路， 2009, vol. 8, pp. 300 - 3303。视图:谷歌学者
13. 张瑞宏、何志强、王海伟、游菲和李克宁，“开发主伺服回路集成底盘控制系统的自校正轮胎摩擦控制研究，”IEEE接入，第5卷，第6649-66602017页。视图:出版商的网站|谷歌学者
14. M. Liu, L. Xu, L. Shen, and S. Jin∗，“考虑信号配时计划的左转存储区信号交叉口的建模能力”，运输工程学报A辑:系统第145卷第1期2、条款ID 04018084, 2019。视图:出版商的网站|谷歌学者
15. 戴丽丽，顾建光，俞建华，邱海涛，“潮汐车道交通流特性及设置方案模拟研究，”交通资讯及安全， vol. 1, no. 130, pp. 15-19, 2012。视图:谷歌学者
16. D.雷磊，《基于仿真的可逆车道交通流特性及其运行方案》，计算机和通信，第30卷，第2期1, pp. 15-19, 2012。视图:谷歌学者
17. “逆向车道引导标志的优化设计与组织方案”，载于《中国交通科学》2016年中国城市交通规划年会论文集2016年7月，中国上海。视图:谷歌学者
18. 杨先生，火炬大道设置倒转车道方案研究，重庆交通大学博士学位论文，重庆，2015。
19. C. Xu, H. Guo, L. Xu, and S. Jin∗，“非均匀自行车流量的超速行为和速度限制”，交通伤害的预防，第20卷，第2期。7，第759-763页，2019。视图:出版商的网站|谷歌学者
20. “基于智能驾驶模型的高速公路自动驾驶技术研究”，《同济大学学报(自然科学版)》，IEEE智能交通系统汇刊第18卷第2期6, pp. 1422-1428, 2017。视图:出版商的网站|谷歌学者
21. 马媛媛，曾丽媛，可逆车道行驶方向动态控制方法、控制理论与应用研究，第11卷，第1期，2016年。
22. f·t·焦基于多源数据的可逆车道动态控制方法，山东科技大学博士学位论文，淄博，2018。

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