车辆行至交叉路口恰逢绿灯的速度预测装置及方法一、技术领域
本发明涉及通信领域，具体涉及车辆行驶速度预测装置及方法
二、背景技术
随着我国经济的快速稳步发展和人们生活质量的逐年提升，大量汽车涌入城市已经成为
公路交通的一大难点。解决交通拥堵最为有效的手段就是科学高效的管理，关键在于车辆的
精准化管治，交通控制中心实时探测车辆位置、行驶速度和行驶方向可以为实时优化交通提
供重要的数据支撑，提出一种方案既能够增强车辆用户自身的便利性又能够使其乐意实时分
享车辆位置就显得尤其重要。实时预测车辆行驶速度，使其到达交叉路口恰逢相应绿灯，给
用户提供便利的同时也为交通控制中心提供了车流量实时数据，达到了双赢的效果。
现有预测车辆行驶速度的方法很少，尤其是车辆行至交叉路口恰逢相应绿灯的速度预测
装置及方法。笔者于2013年7月在《计算机测量与控制》期刊上发表了一篇学术论文《行驶
车辆智能速度控制系统设计》，简要介绍了车辆行至交叉路口恰逢相应绿灯的速度预测原理，
为了克服沿路布控无线传感器实施性差的难题，进一步提高车辆行驶速度预测的实时性和准
确性，推动该技术方便人们乘车出行，给人们驾驶或乘坐汽车带来愉悦的心情，切实疏缓交
通压力，提出了车辆行至交叉路口恰逢绿灯的速度预测装置及方法。
三、发明内容
车辆行至交叉路口恰逢绿灯的速度预测装置及方法主要包括两个部分，速度预测装置和
相配套的信息处理流程。
速度预测装置如图1所示，包括用户端、定位基站、通信基站、控制中心、交通灯显示
终端和连接线。用户端内置地图，通过无线射频分别同定位基站、通信基站连接，完成同二
者的信息交互；通信基站与控制中心连接，给用户端与控制中心之间的信息交换搭建了桥梁；
控制中心与交通灯显示终端连接，实时控制交通灯的相位。
通过该套装置获得和计算两部分信息，其一是行驶车辆到达交叉路口的路程L，其二是交
叉路口交通灯各相位配时和当前时间在交通灯本周期的位置。这两部分信息的获得无先后顺
序，其方法如下：
①用户端的位置通过定位基站确定，交叉路口的位置可以通过两种方式获取，其一是由
用户端内置地图获取，其二是控制中心通过其内置地图获取。用曲线拟合求微积分或者多条
直线段逼近的方法估算出车辆到交叉路口的路程L。
②控制中心给出交叉路口交通灯各相位配时和当前时间在交通灯本周期的位置。
获得这两部分信息之后，由交通灯各相位配时计算出交通灯的周期T，再根据当前时间在
交通灯本周期的位置求出车辆到达交叉路口所需的不足一个交通灯周期的时间余数，该时间
余数加上交通灯周期的若干倍作为车辆到达交叉路口所需的时间，路程L除以该时间就得出
车辆到达交叉路口恰逢相应绿灯的预测速度。
预测速度的计算可以分散在用户端，也可以集中在控制中心，还可以引入第三方地图运
营商，由地图运营商集中计算。
车辆行至交叉路口恰逢绿灯的另一种速度预测装置如图9所示，预测速度显示终端与控
制中心相连接，控制中心与交通灯显示终端相连接。预测速度显示终端安置于公路旁，距离
交叉路口有一定路程，长度为L′，控制中心内置有该路程。控制中心根据交通灯各相位配时
计算出交通灯的周期T′，再根据当前时间在交通灯本周期的位置求出车辆到达交叉路口所需
的不足一个交通灯周期的时间余数，该时间余数加上交通灯周期的若干倍作为车辆到达交叉
路口所需的时间，路程L′除以该时间就得出车辆到达交叉路口恰逢相应绿灯的预测速度，预
测速度求出后再发送给预测速度显示终端予以显示。因为时间是连续消逝的，所以预测速度
也是动态变化的，驾驶人员根据实时看到的显示终端上的预测速度进行驾驶，到达交叉路口
也能够恰逢相应绿灯。
行驶车辆使用本套装置及方法后，到达交叉路口恰逢相应绿灯，给乘车人员和驾驶人员
带来愉悦的感受，提高了驾驶人员的积极性和注意力，增强了趣味性，降低了疲劳感和急躁
感；能够有效减少驾驶人员遇红灯后焦急等待而可能出现的抢道现象，降低了交叉路口车祸
发生的概率；极大降低了大批车辆出行等待绿灯的概率，促使人们更加合理的规划出行时间，
提高了效率，同时疏缓了交通压力。
四、附图说明
图1车辆行驶速度预测装置结构
图2车辆行驶速度预测优选装置示例
图3车辆行驶速度预测优选路程示例
图4车辆行驶速度预测优选交通灯相位配时示例
图5车辆行驶速度预测优选用户端与控制中心信息交换示例
图6车辆行驶速度预测优选当前时间在本周期的位置示例
图7车辆行驶速度预测优选信息获取与处理流程示例
图8车辆行驶速度预测优选交通灯相位控制示例
图9车辆行驶速度预测与显示装置结构
图10车辆行驶速度预测与显示装置优选
五、实施例
下面给出车辆行驶速度预测优选装置及方法实施例，结合附图及流程对发明进一步描述
依据，但本发明的保护范围并不仅限于此。
车辆行驶速度预测优选装置如图2所示，用户端为智能手机，定位基站为GPS定位卫星，
通信基站和通信服务器由通信运营商提供，地图更新服务由地图运营商提供，因特网分别连
接着通信运营商服务器、控制中心和地图运营商。交通灯分三层管理，分别为控制中心、区
域控制和终端设备。
假设下一个交叉路口为常见的十字路口，如图3所示，某辆小型汽车需要穿过该十字路
口继续向前行驶，驾驶员希望以大约vstd的速度驾驶车辆，在相应绿灯亮起σ时间时到达路口，
本路段限制该型号汽车最大行驶速度为vmax，最小行驶速度为vmin。该十字路口交通灯各相位
配时及时序如图4所示。前缀“EW”代表东西方向支路交通灯相位，即车辆所在支路，前缀
“SN”代表南北方向支路交通灯相位。后缀“g”代表绿灯，“y”代表黄灯，“r”代表红灯。
设在交通灯一个完整周期内东西支路绿灯时间为CEW，南北支路绿灯时间为CSN，各支路黄灯
时间均为C，则该交通灯的周期长度T为：
T＝CEW+CSN+2C(1)
时间段σ满足：
σ＜CEW(2)
若以车牌号作为车辆自身标识，通过以下步骤可以估算出车辆到达十字路口恰逢相应绿
灯的速度。
1估算车辆到十字路口的路程L
智能手机的GPS定位终端通过与定位卫星的通信计算出车辆所在的位置，由内置的地图
软件查找到十字路口的位置，采用多线段加修正误差的逼近方式在地图上估算车辆到达十字
路口的路程L。
2车辆向控制中心申请交通灯各相位配时
如图5所示，用户端智能手机经过通信基站、通信服务器和因特网，向控制中心发送申
请字段Q＝{车牌号，驶离路口名称，支路名称，驶向路口名称，校验码}。控制中心收到申
请字段Q确认无误后返回应答字段QA＝{车牌号，交通灯周期，交通灯各相位配时，当前时
间在交通灯本周期的位置，基准时间，校验码}。
3用户端校对基准时间
智能手机在收到控制中心返回应答字段QA后进行基准时间校对，使智能手机与控制中心
基准时间一致，比如统一为北京时间。
4估算车辆到达十字路口所需的交通灯周期数
智能手机根据交通灯各相位配时计算出交通灯周期长度T，与字段QA内置的交通灯周期
相比较，以确认交通灯各相位配时准确无误。设智能手机收到的字段QA中交通灯各相位配
时与图4相同，则车辆到达十字路口所需的交通灯周期数m为：
其中Δt为车辆车辆以期望速度vstd行驶至十字路口所需的时间，括号表示不超过数值
x的最大整数。
5智能手机向控制中心申请车辆通过十字路口时的绿灯周期
设当前时间在交通灯本周期的位置如图6所示，Tn为当前交通灯周期，Tn+m为需要申请
的车辆通过十字路口的交通灯周期，t0为本周期开始时间点，tn，tn+1…tn+m为相应周期绿灯结
束黄灯开始时间点，结合图4可以得出tn+i：
tn+i＝t0+CEW+iTi＝0，1，2，3…(4)
当前时间在交通灯本周期的位置存在两种可能：
①若当前时间在交通灯本周期的t′处，即在本周期开始σ时间以内，车辆行至十字路口的
预测时间Δt′为：
Δt′＝[T-(t′-t0)]+(m-1)T+σ
＝mT+σ+t0-t′(5)
考虑到车辆预测速度的智能化，给驾驶人员提供多个可选速度，预测时间Δt′和预测速度
vprd_A为：
Δt ′ = mT + σ + t 0 - t ′ ± jT = ( m ± j ) T + σ + t 0 - t ′ m ± j ≥ 0 v prd _ A = L Δt ′ v min ≤ v prd _ A ≤ v max j = 0,1,2 · · · - - - ( 6 ) ]]>
②若当前时间在交通灯本周期的t″处，即在本周期开始σ时间以外，车辆行至十字路口的
预测时间Δt″和预测速度vprd_B为：
Δt ′ ′ = mT + σ + t 0 - t ′ ′ ± jT = ( m ± j ) T + σ + t 0 - t ′ ′ m ± j ≥ 1 v prd _ B = L Δt ′ ′ v min ≤ v prd _ B ≤ v max j = 0,1,2 · · · - - - ( 7 ) ]]>
综合①和②可知，预测速度vprd为：
因此，当j＝0时，预测速度vprd接近用户期望行驶速度vstd，当j＝±1，±2…时，到达十字
路口的时间在Δt′或Δt″的基础上滞后或提前若干周期，车辆行驶速度相应的减慢或加快了，
以此速度行驶，到达十字路口仍然恰逢相应绿灯。预测时间完成计算后显示在智能手机上，
也可以给驾驶人员提供参考。
智能手机在计算出满足要求的m±j之后，将Tm±j作为申请周期，σ作为行车号向控制中
心提出申请，即发送字段QQ＝{车牌号，申请的周期，行车号，校验码}到控制中心。
6智能手机根据控制中心反馈的周期申请批准情况修正预测速度
控制中心收到用户端智能手机申请字段QQ后回复字段QQA＝{车牌号，周期申请批准情
况，其余各支路拥堵状况，校验码}。周期申请批准情况包括车辆申请的周期是否批准、行车
号是否批准、推荐周期和推荐行车号。若智能手机申请的周期和行车号空置，尚未被其它车
辆占用，控制中心就回复全部批准；若智能手机申请的周期车辆未满，但申请号已被其它车
辆占用，则控制中心回复周期已批准和合适的空置行车号；若所申请的周期车辆已满，则控
制中心回复推荐邻近未满的周期和合适的空置行车号。为了鼓励大家乘坐公共交通，控制中
心可以为公交车优先分配通过过十字路口的周期和行车号。
智能手机根据控制中心回馈的周期申请批准情况QQA修正预测速度。若智能手机申请的
周期和行车号全部被批准，则选择5中的vprd作为预测速度显示给用户；若申智能手机请的
周期被批准，行车号建议为σ′，智能手机将σ替换为σ′后按照步骤5重新计算v′prd，满足要
求就显示给用户；若申请的周期未获批准，周期建议为m″，行车号推荐为σ″，智能手机将m±j
替换为m″，σ替换为σ″后按照步骤5重新计算v″prd，满足要求就显示给用户。为了避免拥堵
路段，智能手机在收到字段QQA后剥离出其余各支路拥堵状况，选出畅通无阻的支路推荐给
用户，进一步方便了用户，增强了系统的智能性。
结合智能手机和控制中心信息运算时序，车辆速度预测装置信息流程可描述为图7所示，
智能手机和控制中心分别独立运行，在智能手机求取预测速度的过程中，经过两次信息交换
完成了预测速度的计算和周期的申请。图7中控制中心对行车号σ已经被占用判定的依据是
在时间σ前后时间τ内，即时间段[σ-τ，σ+τ]范围内已经有车辆申请的记录。τ的大小由车
辆类型、车辆间车距和支路宽度确定，车型可以通过车牌号判定，这样针对不同的车辆类型、
支路宽度选择合适的时间间隔τ能够降低车祸出现的概率。ξ为实数，q、k均为整数。
控制中心已经有申请记录的车辆再次申请周期和行车号就会擦除历史记录，方便了驾驶
人员中途暂时泊车后重新启程。控制中心实时记录车辆申请和行驶信息对判定车辆抢道、交
通事故责任等棘手难题提供了依据，也为稽查罪犯等违规违法人员提供实时信息。
控制中心在获得大量车辆周期申请信息的基础上可以根据车流量实时自适应优化交通灯
各相位配时，及早发现交通拥堵，将其解决在萌芽之中，如图8所示。调整后交通灯各相位
配时须满足下式：
t EW _ walk ≤ C EW ± α ≤ t patient - C t SN _ walk ≤ C SN ± β ≤ t patient - C - - - ( 9 ) ]]>
其中，tEW_walk指步行人员穿过南北支路所需的最小时间，tSN_walk指步行人员穿过东西支
路所需的最小时间，tpatient指行人能够等待红灯变绿的最大忍耐时间。控制中心调整交通灯相
位控制在行人可接受范围内能够避免因步行人员急躁闯红灯而可能产生的车祸。
另一种车辆行驶速度预测与显示装置优选如图10所示，预测速度显示终端与嵌入式控制
器连接，嵌入式控制器与因特网连接，因特网与控制中心连接，控制中心连接区域控制服务
器，区域控制服务器连接交通灯显示终端。嵌入式控制器与预测速度显示终端安装在一起，
内置有预测速度显示终端到交叉路口的路程，接收控制中心经因特网发来的交通灯各相位配
时和当前时间在交通灯本周期的位置并计算预测速度。假设路况、交通灯各相位配时、当前
时间在交通灯本周期的位置分别与图3、图4、图6所示相同，只是将期望速度vstd替换为本
路段行驶车辆的平均速度，根据式(1)-(8)依然容易计算出车辆到达交叉路口恰逢相应绿灯
的预测速度，并且在预测速度显示终端可以显示一个或多个预测速度供驾驶人员参考。预测
时间完成计算后显示在预测速度显示终端上，也可以给驾驶人员提供参考。
以上所述乃是本发明的具体实施例及所运用的技术原理，若依本发明的构想所作的改变，
其所产生的功能作用仍未超出说明书及附图所涵盖的精神时，仍应属本发明的保护范围。