基于交通信号感知的经济车速控制方法

周琪 贾硕 彭娜

摘   要：隨着车联网以及智能交通系统的发展，人们越来越关注车辆燃油消耗的经济性问题。本文通过搭建车辆动力学油耗模型，分析油耗模型，得到车辆在理想状态下油耗率最低行驶速度。利用短途无线通信技术获取路段上交通信号灯的状态及时间，提出了对车辆速度进行经济性控制的方法，降低了车辆行驶在设有交通信号灯的路段的燃油消耗量。运用Carsim仿真软件对得到的经济车速进行仿真，证实该方法确实可以达到节油的目的。

关键词：经济车速  车联网  油耗模型  油耗率  Carsim

中图分类号：U495                                   文献标识码：A                       文章编号：1674-098X（2019）02（a）-0155-02

1  车辆动力学油耗模型

车辆发动机燃烧燃油所释放的热量一部分要用来克服发动机内部摩擦力[1]，其余部分输出给传动系统作为发动机的输出功率，所以基于发动机的功率的油耗模型可以用式（1）表示。发动机的输出功率一部分承担车辆一些配件的能量消耗，综合对各部分的扩充说明，可以得到车辆燃油消耗率的具体表达式[2]，用公式（2）来表示。

2  基于交通信号感知的经济车速控制方法

为了研究经济车速的控制方法，首先要定义一个场景，场景由三部分组成：车辆、道路、交通信号。对于每一个时间t，该场景的状态可以由以下输入来决定。

（1）经济车速的控制距离D，距离是由短途无线通信（DSRC）的通信距离来决定的。

（2）车辆进入控制区域的时刻T0，以及在T0时刻的速度v0。

（3）信号灯的状态以及时间信息（SPAT）。

（4）当前道路的最高限速vlim。

我们给定无线短途通信的控制距离为S，车辆在T0时刻以v0的初始速度驶入控制范围。因此对车辆的通过信号灯的方式可以用图1表示。

因此基于交通信号感知的经济车速控制方法可以总结为：车辆行驶在有交叉路口的路段，当车辆没有进入到无线短途通信的控制范围时，建议车辆保持veco行驶，避免较大的加速或者减速，以保证在巡航状态下的油耗量最低;当车辆驶入到无线短途通信的控制范围，也就是说车辆即将到达交叉路口时，建议车辆以公式（3）提供的建议速度v行驶。

3  仿真验证和总结

利用carsim仿真软件对道路以及车辆建立模型，通过经济车速算法得到车辆在该道路上行驶的经济车速。仿真模型是在道路方面建立了一条4000m的平直道路，在距离起点2000m处有一设有交通信号灯的交叉路口，空气密度为1.206kg/m3，空气阻力系数为0.3其中，信号灯的参数设置为红灯周期为60s，绿灯周期为30s。

车辆在未驶入无线短途通信的控制范围时，以veco的经济车速巡航行驶，当车辆驶入控制范围时，接收到信号灯时间及状态信息，根据算法求得经济车速，并且控制车辆的刹车和油门使车辆按照经济车速行驶。当车辆驶离交叉路口后，再加速至veco巡航走完整段路程。行驶过程中的车速由图2左侧表示。整段路程一共用时275.425s，消耗燃油0.163855kg。车辆行驶过程中的油耗曲线如图2右侧所示。

由此可见，使用carsim仿真软件对控制方法得到的结果进行仿真验证，证实经济车速控制方法可以节省6%左右的燃油消耗。

参考文献

[1] Mathews J T， Vatansever A， Poneman D， et al. World Energy Outlook 2011[J]. International Energy Agency， 2014， volume，2010（1）：3.

[2] Rakha H A， Ahn K， Moran K， et al. Virginia Tech Comprehensive Power-Based Fuel Consumption Model： Model development and testing[J]. Transportation Research Part D Transport & Environment， 2011， 16（7）：492-503.

[3] Kamalanathsharma R K， Rakha H A. Multi-stage dynamic programming algorithm for eco-speed control at traffic signalized intersections[M].  2013.