基于GPS的汽車節能暢行紅綠燈提示系統分析

俞章榮

摘 要：汽車在行駛過程中，往往由于對交通信號燈的轉變時間有所預制，出現車輛存在等待紅燈或是急剎車等情況，影響交通安全、車輛暢通或是燃油損耗的狀況。若可以建立相應的提示系統，此系統能夠精準的預制交通信號的轉換時機，綜合GPS技術判定目前車輛行駛狀態和交通信號燈的位置，之后按照汽車節能措施提醒駕駛人員合理的駕駛，就能夠為城市交通安全以及節能駕駛給予一定的幫助。

關鍵詞：GPS;汽車節能暢行;紅綠燈;提示系統

中圖分類號：U463.6;P228.4 文獻標識碼：A

0 引言

道路中一般都會設置交通信號燈，其宗旨在于讓車輛能夠有序安全的行駛，提升交通安全性，也是交通管理當中的必要裝置。可是太多的交通信號燈極易出現相應的問題，車輛行駛過程中通常要按照信號燈狀態轉變駕駛狀態，如此不僅提升車輛經過紅綠燈的油耗以及時長，并且極有可能對駕駛人員帶來厭煩的心理以及交通堵塞的狀況。所以為讓車輛能夠適應紅綠燈裝置，可以讓車輛暢通，降低駕駛人員行駛時長，減少油耗，基于GPS的汽車節能暢行紅綠燈提示系統，讓其能夠有預見性的經過紅綠燈，從而有效緩解此種問題帶來的困擾。

1 基于GPS的汽車節能暢行紅綠燈提示系統工作原理

1.1 提示系統設計原理

提示系統在輸入信號當中的優化引進紅綠燈顏色狀態與位置信息，并且運用GPS接收裝置掌握車輛實時速度與位置，從而開展測算得出可以滿足節能暢行的經過紅綠燈的速度。通過提示系統的需求，把提示系統設計劃分成四個單元模塊，即GPS模塊、單片機系統模塊、紅綠燈模塊和顯示模塊。GPS模塊獲取時間、經度緯度與速度信息。單片機系統模塊對輸入信號展開處理分析，運行車輛速度算法。紅綠燈模塊用來對系統提供紅綠燈位置與轉變時間表。顯示模塊顯示速度等相關信息[1]。

1.2 紅綠燈信號處理

首先，紅綠燈信號當做提示系統不包括GPS信號之外的另一個重點信號來源，應當對紅綠燈系統展開分析。紅綠燈是交通信號當中的關鍵構成部分，分成非機動車信號燈、機動車信號燈與人行橫道信號燈。文中的提示系統重點對機動車信號燈進行分析，紅綠燈通過交通信號機進行控制，信號機能夠轉變交通信號的配時與順序，控制紅綠燈的運行。基于控制模式的差異，信號機系統包括兩種，即靜態控制系統與動態控制系統。前者按照歷史信息數據通過離線形式生成信號配時方案，通常要實現整理統計一定的歷史交通數據資料，不足之處是要損耗更多的資源，并且無法按照目前交通狀況展開實時優化。后者能夠按照實時傳輸的交通信息數據進行在線配時，進而做到信號的實時優化。因為動態控制系統成效大大高于靜態控制系統，因此更多的國家逐漸運用動態信號控制機，動態信號控制機實時數據信息是經過車輛檢測系統得出的。提示系統需要的紅綠燈信號，包括紅綠燈顏色轉變時間以及位置信息。

2 車速算法具體策略分析

2.1 駕駛模式策略

（1）駕駛模式策略要求。首先GPS輸入信息通過爾曼濾波了解車輛實時位置與速度信息。其次紅綠燈位置和狀態信息，之后經過交管部門了解。為實現提示系統的各項功能，車速算法要滿足相應的目標，其一經過測算得出車速必須要滿足安全性;其二如若目前車速能夠滿足信號燈通行，就可以基于駕駛的平順性為前提，默認駕駛者運用的車速控制策略，不進行轉變;其三讓無謂等候信號燈時長盡可能縮短;其四根據提示系統信息，駕駛人員能夠有預見性的駕駛車輛，降低由于紅綠燈變化導致的急剎車或是急加速現象，進而降低燃油量，并且由于暢行能夠降低車輛無謂等待紅燈的時長也可以降低油耗，該系統也能夠輔助駕駛人員在暫且沒有紅綠燈的公路中進行節能車速行駛[3]。與此同時，車速算法策略也會有所約束，首先，道路限制。提示車速由于道路限速，進行合法的駕駛車輛。其次，道路交通情況與流量。車速策略對其余車輛影響有所忽視，僅考量單一的車輛，如此重點是由于提示系統初期階段研究，重點考慮車速算法實現的過程中，并且交通流量對車速影響具有一定的復雜性，因此暫且忽略。最后，紅綠燈定位偏差。道路當中信號燈準停線區域和交管部門信號燈GPS位置信息可能出現差異，可是算法在建模過程中忽視此種狀況。

（2）駕駛模式策略。在車輛行駛臨近紅綠燈時，為順應信號燈達到暢通，車速要進行一定的變化，可分成三種行駛狀態，即減速、勻速以及加速。車輛應當選擇哪種狀態體現在幾個方面，其一，前方信號燈顏色與剩余時長;其二是車輛與信號燈的距離;其三是目前行駛車速[4]。并且要考量交通法規，不可讓車速超過道路指定速度。見圖1所示。首先按照目前信號燈的顏色分成三種狀態展開分別測算。在紅燈時，根據對比車輛基于目前車速行駛到信號燈的時間和紅燈所剩時長展開判斷，如果前者大，代表駕駛人員到信號燈位置就要停車等候，可讓車輛預先減速，反之就代表駕駛人員根據目前車速能夠通過信號燈，勻速行駛可通行。在黃燈時，為考慮安全性，把其歸類紅燈。在綠燈時，根據對比速度進行，按照目前距離和時間測算車速，和目前車速相比，如若大就要加速，反之勻速或是減速，測算過程中要考量限速規定。通過圖1所示，車輛距信號燈位置的間距叫做車輛和信號燈的剩余距離，把其分成遠距與近距，信號燈基本轉變順序是紅-綠-黃-紅，把每個顏色轉變一次當做一組，車輛行駛過程中可經過包含目前紅綠燈狀態的一組時，把這種距離稱作近距，反之需等待下一組稱作遠距。把距離進行區分是為斷定車輛能否經過信號燈路口。

2.2 駕駛車速策略

（1）紅燈狀態車速分析。在紅燈狀態下，車輛包括三種駕駛模式，即紅燈剩余時長行駛到信號燈的減速模式、不轉變車速通過信號燈的勻速模式、加速通過下個綠燈的加速模式[5]。對紅燈加速的情況，代表車速慢或是車輛與信號燈距離遠，在此種狀況下，在紅燈轉變成綠燈，車輛依舊未能行駛到路口，因此要考量測算的便捷性，把此種狀況等紅燈轉變成綠燈之后，列入綠燈狀況下展開測算更具合理性。因為車輛在行駛中要滿足節能需求，減速行駛在時間允許前提下采取緩慢減速。因為運用提示系統，讓車輛行駛有著預見性。在車輛減速過程中要盡可能降低車輛怠速時長，進而降低燃油損耗，并且要讓車輛滿足運用最少時長經過信號燈的要求。在紅燈減速狀態下，車輛包括幾種行駛模式，其一是車輛和信號燈的距離較近，車輛需要停車等候;其二是車輛減速后基于某種速度經過信號燈，此種模式車輛可通過減速又或滑行的方式，讓車輛在紅燈后經過信號燈。見圖2所示。即便在具體運行時，車輛減速與加速是轉變的，很難測量。可使車速轉變大概在10 km/h之內，或者同一檔位內，可以把行駛過程看做減速。線4代表車輛要減速等待，線5代表車輛減速之后進行勻速行駛，線1/2/3代表滑行模式，ta代表紅燈所剩時長，tb代表ta和下一綠燈時長總和，v0代表目前車速，s是目前車輛與紅燈的間距。車輛通過時間ta行駛距離da應當小于s，在車輛經過時間tb之后行駛距離db要大于s和路口長度l總和，確保車輛綠燈時能夠經過路口，同時再次變成紅燈時已經駛離路口。若車輛滑行距離用時超過ta并且低于tb，能夠直接經過信號燈，如線2所示。如若滑行太快就要滑行一定距離后進行減速，如線1所示。如若滑行太慢就要滑行之后再進行勻速行駛，如線3所示。如此在明確相關數據后，就能夠明確判斷是何種滑行狀態，經過測算獲得滑行的實際模式。

（2）綠燈狀態車速分析。首先，綠燈勻速暢行，此種狀況基于目前車速能夠通過信號燈，因此預先考量汽車平穩性。其次，綠燈加速，車輛目前速度不能通行，可只要加速就能夠在安全車速內通過信號燈，這時需要考量車輛暢行性運用加速對策。再次，綠燈減速不停車，車輛根據目前車速能夠綠燈，可使車輛高于路口安全車速，為保證車輛安全性要適當降低車速，讓其減至安全范疇內。最后，綠燈減速停車，根據車輛目前位置與綠燈所剩時長，如果經過綠燈就會超出規定限速，此時為保證安全性，車輛無法通行，暫且忽略暢行性，單一考量降低行駛的油耗，對其展開適當的減速。

3 結束語

綜上所述，基于GPS的汽車節能暢行紅綠燈提示系統是新型的車輛駕駛輔助提示系統，此系統能夠綜合車輛目前行駛狀態和紅綠燈信息，基于節省油耗行駛模式展開智能判斷，及時把暢行措施對駕駛人員進行提示，對輔助駕駛起到積極的作用。

參考文獻：

[1]董慧.基于GPS的汽車節能暢行紅綠燈提示系統研究[D].哈爾濱工業大學，2012.

[2]陳權，付宇，鄧星月.暢行紅綠燈提示系統研究[J].交通世界，2016（10）：12-13.

[3]田雯雯.智能交通系統的紅綠燈機器學習模型研究——以遂寧市為例[J].數碼世界，2019（4）：15.

[4]葉文斌.基于紅綠燈優化城市交通控制設計與仿真[D].華東師范大學，2015.

[5]李金洋，陳儀香，王振輝.基于車速的自適應交通信號燈控制系統[J].計算機技術與發展，2016（9）：21-25.