一种自动驾驶混行交叉口车道功能与绿灯时间设置方法与流程

本发明属于交通工程领域，特别涉及一种自动驾驶混行交叉口车道功能与绿灯时间设置方法。

背景技术：

城市交交叉口作为交通网络中的交汇地点，对交通网络有着重要的影响，交叉口控制管理一直是学者们研究的重点之一。均衡交叉口的交通流量分布，可以有效地提升交叉口车道的利用率。

检索现有研究文献发现，目前国内外对交叉口控制管理的研究主要存在以下不足：第一，主要针对的都是全人工驾驶车辆环境下的交叉口控制管理，较少考虑随着自动驾驶技术的进步，未来交叉口面临自动驾驶车辆混行的情况；第二，目前对于交叉口车道功能和绿灯时间的设置，大部分考虑优化左转和直行交通流量的分布，较少考虑如何优化自动驾驶车辆和人工驾驶车辆的分布。因此，面对自动驾驶混行的环境，如何设置交叉口车道功能，均衡交叉口的交通流量分布，并在此基础上如何对交叉口绿灯时间进行设置，从而提升交叉口车道利用率，具有较好的研究价值。

技术实现要素：

技术问题：本发明的目的是提供一种自动驾驶混行交叉口车道功能与绿灯时间设置方法，该方法可以获得车道功能设置方案以及交叉口绿灯设置方案，从而使交叉口各进口方向各流向的各条车道的流量比均衡，达到了均衡交叉口的交通流量分布和提升交叉口车道利用率的目标。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供了一种自动驾驶混行交叉口车道功能与绿灯时间设置方法，该方法包括如下步骤：

步骤1：采集交叉口各进口方向各流向的各类型交通流量以及车道数；

步骤2：根据车道数设置初始车道功能，如果该流向只有1条车道，则设置该车道为自动驾驶车辆和人工驾驶车辆混合车道，如果该流向有n条(n>=2)车道，则设置1条自动驾驶专用车道和n-1条人工驾驶专用车道，根据初始车道功能分配交通流量，计算每条车道的流量比；

步骤3：根据流量比，调整车道功能，重新分配交通流量并计算调整车道功能之后的流量比，通过不断迭代获得流量比均衡条件下的最终车道功能设置方案；

步骤4：基于最终的车道功能设置方案，计算该流向的绿灯时间。

优选地：所述步骤1中建立交叉口车道布设准则，如下所示：

采集各进口方向各流向的各类型交通流量,包括自动驾驶直行车辆、自动驾驶左转车辆、人工驾驶直行车辆和人工驾驶左转车辆，采集交叉口各进口方向各流向的车道数；表示交叉口进口方向流向类型的交通流量，表示交叉口进口方向流向的车道数量；表示交叉口进口方向，，其中分别表示交叉口车道东、西、南、北四个进口方向；表示车流流向，，其中分别表示直行流向和左转流向；表示车辆类型，，其中分别表示自动驾驶车辆和人工驾驶车辆。

优选地：步骤2包括如下步骤：

步骤21：交叉口车道分为三种类型，分别为自动驾驶专用车道，仅供自动驾驶车辆行驶；人工驾驶专用车道，仅供人工驾驶车辆行驶；自动驾驶车辆和人工驾驶车辆混合车道，可供自动驾驶车辆和人工驾驶车辆行驶；表示车道编号，；表示迭代步数，初始化，令；为中间变量，；设置0-1二元变量；表示第次迭代时的交叉口进口方向流向的第条车道是自动驾驶车辆专用车道，表示第次迭代时的交叉口进口方向流向的第条车道不是自动驾驶车辆专用车道；表示第次迭代时的交叉口进口方向流向的第条车道是人工驾驶车辆专用车道，表示第次迭代时的交叉口进口方向流向的第条车道不是人工驾驶车辆专用车道；表示第次迭代时的交叉口进口方向流向的第条车道是自动驾驶车辆与人工驾驶车辆混合车道，表示第次迭代时的交叉口进口方向流向的第条车道不是自动驾驶车辆与人工驾驶车辆混合车道；

步骤22：判断交叉口各进口方向各流向车道数，如果，则，转至步骤4，此时得到的最新的车道功能，即为最终的车道功能设置方案，得到的最新交通流量分配方案即为均衡交通流量分配方案，表示交叉口进口方向流向的自动驾驶车辆的交通流量，表示交叉口进口方向流向的人工驾驶车辆的交通流量，表示自动驾驶专用车道的车辆车头时距，表示人工驾驶专用车道的车辆车头时距；如果，则；表示第次迭代时的交叉口进口方向流向的第条车道是自动驾驶车辆专用车道，其余同理可得；表示第次迭代时的交叉口进口方向流向的第条车道是人工驾驶车辆专用车道，其余同理可得；表示第次迭代时的交叉口进口方向流向的第条车道是自动驾驶车辆与人工驾驶车辆混合车道，其余同理可得；

步骤23：当，则对交通流量按式(4)进行分配；当，则对交通流量按式(5)进行分配；

()

式中，表示第次迭代时的交叉口进口方向流向的自动驾驶车辆专用车道数；

(2)

式中，表示第次迭代时的交叉口进口方向流向的人工驾驶车辆专用车道数；

(3)

式中，表示第次迭代时的交叉口进口方向流向的自动驾驶车辆与人工驾驶车辆混合车道数；

(4)

(5)

式中，表示第次迭代时的交叉口进口方向流向的第条车道的交通流量，表示交叉口进口方向流向的自动驾驶车辆的交通流量，表示交叉口进口方向流向的人工驾驶车辆的交通流量；

步骤24：按照车道功能计算每条车道的饱和流量，如式(6)所示：

(6)

式中，表示第次迭代时的交叉口进口方向流向的第条车道的饱和流量，表示自动驾驶专用车道的车辆车头时距，表示人工驾驶专用车道的车辆车头时距；

步骤25：按照交通流量和饱和流量计算每条车道的流量比，如式(7)所示：

(7)

式中，表示第次迭代时的交叉口进口方向流向的第条车道的流量比。

优选地：步骤3包括如下步骤：

步骤31：根据流量比，变更部分车道的功能，如果，则转至步骤4，此时得到的最新的车道功能，即为最终的车道功能设置方案，得到的最新交通流量分配方案即为均衡交通流量分配方案；如果，则迭代步数增加一步，为中间变量，，之后

，转至步骤32；如果，则迭代步数增加一步，为中间变量，，之后

，转至步骤32；表示第次迭代时的交叉口进口方向流向的第条车道的流量比，其余同理可得；

步骤32：对车道功能进行判断，如果满足式(8),则转至步骤23；如果满足式(9)，则转至步骤33；

(8)

(9)

步骤33：按照每条车道流量比相等的要求，如果，则对交通流量按式(10)进行分配；如果，则对交通流量按式(11)进行分配；如果，则对交通流量按式(12)进行分配；此时，该流向的每条车道流量比相等，得到的最新的车道功能，即为最终的车道功能设置方案；

步骤34：对交叉口各进口方向各流向随机选取或的一条车道，按照车道功能计算该条车道的饱和流量，如式(13)所示：

(13)

步骤35：按照交通流量和饱和流量计算该条车道的流量比，如式(14)所示：

(14)

步骤36：因为此时该流向的所有车道流量比均相等，所以该流向的每条车道的流量比均等于该条车道的流量比。

优选地：所述步骤4中基于最终的车道功能设置方案，根据流量比要求计算该流向的绿灯时间包括如下步骤：

步骤41：求出交叉口各进口方向各流向中最大的车道流量比，如式(15)所示：

(15)

式中，表示交叉口进口方向流向的所有车道中的最大车道流量比；

步骤42：各流向对应的绿信比要等于各流向中最大的车道流量比与该流向的设定饱和度的比值，如式(16)所示：

(16)

其中，表示交叉口进口方向流向的设定饱和度，取值范围为，表示交叉口进口方向流向的绿信比；

步骤43：根据绿信比，结合交叉口信号周期，即可得到每个流向的绿灯时间，如式(17)所示：

(17)

其中，表示交叉口信号周期，表示交叉口进口方向流向的绿灯时间。

有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：

本发明方法面向自动驾驶车流混行的交叉口，考虑车道功能设置和绿灯时间设置，改善目前大部分研究只考虑优化左转和直行交通流量的分布，在自动驾驶车辆和人工驾驶车辆混行的情况下，考虑优化自动驾驶车辆和人工驾驶车辆的交通流量分布，从而均衡交叉口的交通流量分布，提升交叉口车道利用率。

附图说明

图1为本发明方法的流程图。

图2为本发明交叉口东进口方向直行流向示意图。

图3为本发明给定参数运算后的结果图。

附图序号说明：

1-自动驾驶车辆专用车道，2-人工驾驶车辆专用车道，3-自动驾驶车辆与人工驾驶车辆混合车道。

具体实施方式

本发明以交叉口东进口方向直行流向为实施例对本发明技术方案进行说明，交叉口其余进口方向和流向同理可得，结合附图1～附图3和实施例，详细说明如下：

一种自动驾驶混行交叉口车道功能与绿灯时间设置方法，所述步骤如下：

步骤1：采集交叉口东进口方向直行流向的各类型交通流量以及车道数；

步骤2：根据车道数设置初始车道功能，如果交叉口东进口方向直行流向只有1条车道，则设置该车道为自动驾驶车辆和人工驾驶车辆混合车道，如果交叉口东进口方向直行流向有n条(n>=2)车道，则设置1条自动驾驶专用车道和n-1条人工驾驶专用车道，根据初始车道功能分配交通流量，计算每条车道的流量比；

步骤3：根据流量比，调整车道功能，重新分配交通流量并计算调整车道功能之后的流量比，通过不断迭代获得流量比均衡条件下的最终车道功能设置方案；

步骤4：基于最终的车道功能设置方案，计算交叉口东进口方向直行流向的绿灯时间。

步骤1中所述采集交叉口东进口方向直行流向的各类型交通流量以及车道数如下所示：

采集交叉口东进口方向直行流向的各类型交通流量,包括自动驾驶直行车辆、自动驾驶左转车辆、人工驾驶直行车辆和人工驾驶左转车辆，采集交叉口东进口方向直行流向的车道数；表示交叉口东进口方向直行流向自动驾驶车辆的交通流量，表示交叉口东进口方向直行流向人工驾驶车辆的交通流量，表示交叉口东进口方向直行流向的车道数量；表示自动驾驶专用车道的车辆车头时距，表示人工驾驶专用车道的车辆车头时距；本实施例中，相关取值如下所示：

。

所述步骤2包括如下步骤：

步骤21：交叉口车道分为三种类型，分别为自动驾驶专用车道，仅供自动驾驶车辆行驶；人工驾驶专用车道，仅供人工驾驶车辆行驶；自动驾驶车辆和人工驾驶车辆混合车道，可供自动驾驶车辆和人工驾驶车辆行驶；表示车道编号，；表示迭代步数，初始化，令；为中间变量，；设置0-1二元变量表示第次迭代时的交叉口东进口方向直行流向的第条车道是自动驾驶车辆专用车道，表示第次迭代时的交叉口东进口方向直行流向的第条车道不是自动驾驶车辆专用车道；表示第次迭代时的交叉口东进口方向直行流向的第条车道是人工驾驶车辆专用车道，表示第次迭代时的交叉口东进口方向直行流向的第条车道不是人工驾驶车辆专用车道；表示第次迭代时的交叉口东进口方向直行流向的第条车道是自动驾驶车辆与人工驾驶车辆混合车道，表示第次迭代时的交叉口东进口方向直行流向的第条车道不是自动驾驶车辆与人工驾驶车辆混合车道；

步骤22：判断各流向车道数，因为，则

表示第1次迭代时的交叉口东进口方向直行流向的第1条车道是自动驾驶车辆专用车道，表示第1次迭代时的交叉口东进口方向直行流向的第1条车道不是自动驾驶车辆专用车道，其余同理可得；表示第1次迭代时的交叉口东进口方向直行流向的第1条车道是人工驾驶车辆专用车道，表示第1次迭代时的交叉口东进口方向直行流向的第1条车道不是人工驾驶车辆专用车道，其余同理可得；表示第1次迭代时的交叉口东进口方向直行流向的第1条车道是自动驾驶车辆与人工驾驶车辆混合车道，表示第1次迭代时的交叉口东进口方向直行流向的第1条车道不是自动驾驶车辆与人工驾驶车辆混合车道，其余同理可得；

步骤23：因为，则对交通流量按式(4)进行分配，辆/小时；

因为，则对交通流量按式(5)进行分配,辆/小时；表示第1次迭代时的交叉口东进口方向直行流向的第1条车道的交通流量，其余同理可得；

步骤24：按照车道功能计算每条车道的饱和流量：

，

，

，

；

表示第1次迭代时的交叉口东进口方向直行流向的第1条车道的饱和流量，其余同理可得；

步骤25：按照交通流量和饱和流量计算每条车道的流量比，表示第1次迭代时的交叉口东进口方向直行流向的第1条车道的流量比，其余同理可得。

所述步骤3包括如下步骤：

步骤31：根据流量比，变更部分车道的功能，因为,所以迭代步数增加一步，即，为中间变量，；

之后

，转至步骤32；

步骤32：对车道功能进行判断，因为满足式(8),所以转至步骤23进行迭代；

步骤23：因为，则对交通流量按式(4)进行分配，辆/小时；

因为，则对交通流量按式(5)进行分配,辆/小时；

步骤24：按照车道功能计算每条车道的饱和流量：

步骤25：按照交通流量和饱和流量计算每条车道的流量比：

；

。

所述步骤3包括如下步骤：

步骤31：根据流量比，变更部分车道的功能，因为,所以迭代步数增加一步，即，为中间变量，；

之后

，转至步骤32；

步骤32：对车道功能进行判断，因为满足式(9),所以转至步骤33；

步骤33：按照每条车道流量比相等的要求，因为，所以对交通流量按式(10)进行分配，辆/小时；因为，所以对交通流量按式(11)进行分配，辆/小时；因为，则对交通流量按式(12)进行分配，辆/小时；此时，该流向的每条车道流量比相等，得到的最新的车道功能，即为最终的车道功能设置方案；得到的最新交通流量分配方案即为均衡交通流量分配方案；

步骤34：因为,所以选取交叉口东进口方向直行流向的第1条车道，按照车道功能计算该条车道的饱和流量：

步骤35：按照交通流量和饱和流量计算该条车道的流量比，；

步骤36：因为此时交叉口东进口方向直行流向的所有车道流量比均相等，所以该流向的每条车道的流量比均等于该条车道的流量比，即：

。

步骤4中所述基于最终的车道功能设置方案，根据流量比要求计算该流向的绿灯时间包括如下步骤：

步骤41：求出交叉口东进口方向直行流向中最大的车道流量比，

；表示第3次迭代时的交叉口东进口方向直行流向的第条车道的流量比；表示交叉口东进口方向直行流向的所有车道中的最大车道流量比；

步骤42：交叉口东进口方向直行流向对应的绿信比要等于该流向中最大的车道流量比与该流向的设定饱和度的比值，；表示交叉口东进口方向直行流向的绿信比；表示交叉口东进口方向直行流向的设定饱和度，取值范围为，本实施例中，相关取值如下所示：；

步骤43：根据绿信比，结合交叉口信号周期，即可得到东进口方向直行流向的绿灯时间，秒；表示交叉口信号周期，本实施例中，相关取值如下所示：秒。