一種用于十字路口的分布式交通控制機制的制作方法
【專利摘要】本發明是一種分布式十字路口交通控制機制，通過車輛之間的通信，提供一套基于互斥的算法協議來協調十字路口處的車輛通行問題。一方面解決了紅綠燈控制這種靜態控制機制的不靈活造成的通行效率低下的問題，另一方面避免了中心控制器的集中式架構設計的一些固有缺陷。可應用在現有紅綠燈集中控制器故障時，或是在一些沒有中心控制器等基礎設施的十字路口中。將十字路口及附近一定區域稱為協議感應區(臨界區)，依照車輛所在車道間的沖突關系，車輛通過競爭的方式獲取十字路口的通行權利。為提高通行效率，節省車道間的切換代價，將同一個車道上一定數量的小車作為一個組，享有同樣通行優先級，以此來提高十字路口的利用率。
【專利說明】一種用于十字路口的分布式交通控制機制

【技術領域】
:
[0001]本發明涉及車輛在通行十字路口的交通控制問題。更具體的說，實現一種不依賴基礎設施，通過車輛間通信協調安全高效通行十字路口的方法。
技術背景:
[0002]目前十字路口的交通和車流控制主要是紅綠燈控制，這種靜態的車流控制方案簡單有效，但不能夠靈活的根據路況的反饋做出決策，使得在不同車道的車流不均衡情況下，車輛在十字路口的通行效率低下問題尤為凸顯，而在現實生活中，城市布局造成的群體行為使得車流不均衡是常有發生的。在現有的研究中，為解決該問題，通過一個中心控制器，來收集當前的車流信息，并通過反饋得到的車流信息做出相應的決策。這種具有中心控制器的集中式算法通過全局信息的收集快照使得在得到一個當前最優的解決方案上有一定的優勢，但是卻存在一些問題:(1)中心控制節點的部署價格昂貴且在部分地區或路口的部署是不具有可行性的；(2)中心節點的架構設計不靈活，不能夠適應所有的路口通行規則；(3)中心節點的架構設計不具有容錯性，具有單節點失效的危險。
[0003]綜上，現有的解決方案，不管是安全上，效率上或者是經濟實施上所存在的問題都是亟待重視的。隨著智能車的發展，車輛的通信能力和計算能力也隨之被挖掘利用，本發明提出的分布式的十字路口交通控制機制將能夠更好的解決這些問題。


【發明內容】

:
[0004]本發明要解決的技術問題是:在現有紅綠燈或者集中控制器故障時，或是在一些沒有中心控制器或者紅綠燈等基礎設施的十字路口中，車輛之間該如何不依賴基礎設施即可在保證安全的前提下高效的通行十字路口的問題。
[0005]本發明通過智能車輛之間的通信，提供一套基于互斥的算法協議來協調十字路口處的車輛通行問題。將十字路口及附近一定區域稱為協議感應區(臨界區)，依照車輛所在車道間的沖突關系，其通過競爭的方式獲取十字路口的通行權利。考慮同車道上的車一次性通行可以節省車道間的切換代價，為了提高通行效率，將同一個車道上一定數量的小車作為一個組，享有同樣優先級的通行權，以此來提高十字路口的利用率。
[0006]上述分布式十字路口的機制建立主要包括以下步驟:
[0007]步驟1:為各個車道依照其通行十字路口是否干擾建立車道間的沖突關系，在此基礎上，來自不同車道的車輛在執行十字路口的協議時，依照車道沖突關系建立車輛之間的沖突關系。車輛在沒有進入十字路口緩沖區之前的初始狀態為IDLE;
[0008]步驟2:車輛進入十字路口緩沖區，廣播REQUEST消息并修改自身狀態為WAITING，若在時限tmt內沒有收到REJECT，則進入步驟5，否則將收到的REJECT的消息源加入到自身的高隊列變量HL中；
[0009]步驟3:收到REQUEST消息的車輛，通過自身的狀態以及收集到的REQUEST攜帶的信息做出相應決策:⑴沒有動作；⑵發送REJECT消息，并將REQUEST消息的發送方放到自身的低隊列變量LL中；(3)將REQUEST消息的發送方放到自身的高隊列變量HL中；
[0010]步驟4:收到FOLLOW消息的車輛，如果是和FOLLOW消息發送方同屬于一個車道則執行步驟4，否則如果該車存在于自身的HL或者LL變量中，則在自身高隊列變量HL或者低隊列變量LL中刪除該車信息，并將FOLLOW攜帶的隊列fit中最后一輛車加入到當前的高隊列變量HL中；
[0011]步驟5:修改自身狀態為PASSING，開始通行十字路口并發送FOLLOW消息給低隊列中的同車道車輛，并在十字路口通行結束離開臨界區時，修改自身狀態為IDLE，同時廣播PERMIT 消息。
[0012]本發明所提供的這種用于十字路口的分布式交通控制機制，一方面解決了紅綠燈控制這種靜態控制機制的不靈活造成的通行效率低下的問題，另一方面避免了中心控制器的集中式架構設計的一些固有缺陷。依賴小車的現有裝置，通過加載安裝新的軟件執行該通信協議即可。具有實施性高，且保障了安全性和十字路口的通行效率。

【專利附圖】

【附圖說明】
:
[0013]說明書附圖1為車輛的狀態轉換圖。
[0014]說明書附圖2為十字路口處車輛間的通信協議圖。
[0015]說明書附圖3為收到REQUEST消息的流程圖。
[0016]說明書附圖4為收到REJECT消息的流程圖。

【具體實施方式】
:
[0017]以下結合附圖，將對本發明的實施做較為詳細的說明。
[0018]本發明所述的分布式交通控制機制，在系統初始化時候，依照該車道上車輛能否通行十字路口建立車道間的沖突關系，譬如南北車道和東西車道沖突，北南車道和南西方向車道沖突。該控制機制中的通信協議對所有進入十字路口感應區的車輛有效，通過該協議，車輛之間自主協調，安全高效的通行十字路口。
[0019]參見圖1，所示為車輛在該協議中的狀態轉換圖，其在整個交通控制的系統初始化時候為IDLE狀態。在進入十字路口感應區后和感應區的其他車輛競爭十字路口的通行權力，切換自身狀態為WAITING狀態。等待競爭成功，則轉換成PASSING狀態并通行十字路口。在通行完十字路口離開十字路口感應區，車輛的狀態又恢復到IDLE狀態，按照這樣的規律，在下一個十字路口重復上述狀態轉換。
[0020]參見圖2，所示為在整個十字路口的交通控制中的通信協議。其中V2和VO代表來著沖突車道的車，VO和V0’為來自同一個車道上的車。能夠收發到這些消息的車均為到達十字路口感應區且沒有離開的車，當車剛到達的時候，廣播REQUEST請求給所有十字路口感應區內的車，不同的車將作出不同的反應，此部分將在圖3中詳細介紹。但只有沖突車道上的車有可能針對該REQUEST請求發送REJECT消息來阻塞V2。所有在十字路口感應區的車在接收到該REJECT消息也將作出不同的反應，此部分在圖4中詳細介紹。在某車中高隊列變量HL為空的時候，則滿足狀態WAITING轉PASSING條件，此時將發送FOLLOW消息給自己同車道的車，借此來提升同車道的車的優先級，使之免去資源競爭的步驟，跟隨該車進入PASSING狀態，來提高整個系統的通行效率。而在系統中的并發度和公平性是相互制約的，在提升系統的并發度和通行效率的情況下，為避免其他車道因無限次搶占而造成的餓死現象，在系統的每個車上限定了一個計數器來計數自身被搶占次數，當達到一定次數后，就不再允許被搶占。在車通行完十字路口離開感應區域，切換狀態恢復到IDLE的同時廣播PERMIT消息，所有接收到PERMIT消息的車輛將從自身的高隊列變量HL或低隊列變量LL中刪除該車。并檢查自身是否滿足轉為PASSING狀態的條件。
[0021]參見圖3，在十字路口感應區的車輛有兩種狀態WAITING或PASSING，當收到來自J的REQUEST消息時，在分支I中先進行判斷，分支I判斷是否與J為同一個車道或沖突車道，若不是則不做動作進入結束狀態，否則進入分支2。
[0022]在分支2中，主要用于解決不同車道間在可以多車道通行的情況下，由于優先級的順序等待導致的車道間的并發度不高的問題。分支2檢查自身的高隊列是否存在和J屬于并發不沖突的車輛，如果存在，且自身被阻塞計數器沒有達到閾值，則可以提升J的優先級也在高隊列HL中，執行動作“添加J到當前高隊列HL，被搶占次數自增I”。否則，執行動作“添加J到當前低隊列LL，廣播給J的REJECT消息”。這部分動作使得車道間并發度有了很大的提高，且可通過調控搶占次數來防止餓死。
[0023]參見圖4，當十字路口感應區的車輛收到J發送給K的REJECT消息時候，只有WAITING狀態的車會對REJECT消息有動作，進入分支1，判斷是否是被阻塞的車K，條件成立，則執行動作“將J添加到高隊列變量H L中”并進入分支2，條件不成立則直接跳轉到分支2。
[0024]分支2往后的動作可以避免搶占不一致造成的死鎖。分支2判斷是否K是由于搶占而被放置在高隊列變量中的，在該情況下滿足(I)若自身和J沖突且J不在高隊列變量HL中，或者⑵自身和J屬于并發關系，則執行動作“將K從高隊列變量HL中刪除，并廣播REJECT (J，K)”。
[0025]整個分布式十字路口控制機制在按照上述協議執行，可以達到安全且高效通行的效果。但在具體實施中應能夠認識到，上述過程僅是用來說明本發明，而并非用作對本發明的限定，譬如，本發明的上述過程中敘述所有完成十字路口通行后將狀態PASSING轉IDLE的車都會發送PERMIT消息，通過小小的轉換，將同一個車道一次性通行的多輛小車當做一個整體，統一將PERMIT的發送任務交給其中一個，譬如最后一個，來進行執行。因此，只要在本發明的使之精神范圍內，對以上過程的變化，變型都將落在本發明的權利要求書范圍內。
【權利要求】
1.一種分布式的十字路口的控制機制，其特征在于: A.沒有中心控制器等基礎設施的情況下，車輛之間通過無線通信按照一定的協議自身協調通行十字路口； B.使用的通信協議算法是一種基于分布式互斥問題的算法，將通行十字路口作為執行臨界區狀態，按照車道間的不同關系建立不同車道中車輛之間的沖突關系。
2.如權利要求1中的分布式的十字路口的控制機制，這種基于分布式互斥問題的通信協議算法包括以下步驟: B1.為各個車道依照其通行十字路口是否干擾建立車道間的沖突關系，建立了車道間的沖突關系之后，車輛間的沖突關系取決于各自所在的車道； B2.對于剛到達十字路口的車輛狀態修改為WAITING，并將攜帶有車道信息以及優先級的請求廣播到該區域，等待回復，若在某時間閾值中沒有收到回復則直接通行十字路口，修改自身狀態為PASSING，否則執行B4 ； B3.保持車輛狀態為WAITING或PASSING，可能收到的消息有REQUEST，REJECT,PERMIT,FOLLOW ； B4.修改自身狀態為PASSING，開始通行十字路口并通知感應區同車道的其他車輛跟隨通行，并在十字路口通行結束離開臨界區時，修改自身狀態為IDLE，廣播PERMIT消息。
3.如權利要求2中的分布式的十字路口的通信協議，在處于WAITING或者PASSING時候，若收到REQUEST消息，若沖突，判斷是否存在其他車道能夠提升該車優先級的車，若不存在則發送REJECT，阻塞該車通行。
4.如權利要求2中的分布式的十字路口的通信協議，在處于WAITING時候，若收到J發送給K的REJECT消息，若是對自身的阻塞，則等待該車的PERMIT消息釋放阻塞，否則判斷是否存在被提升優先級的車輛存在于高隊列變量中，若存在且滿足條件(I)和車輛i沖突且J不在高隊列列表，或條件(2)和J屬于不沖突的并發關系，則將K從高隊列刪除，并廣播對K的REJECT消息。
【文檔編號】G08G1/09GK104269074SQ201410470017
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2014年9月4日 優先權日:2014年9月4日
【發明者】吳維剛, 羅傲雪 申請人:中山大學