一种交叉口网联自动驾驶可变车道设计优化系统与方法

本发明涉及城市交通，尤其是指一种交叉口网联自动驾驶可变车道设计优化系统与方法、设备、计算机可读存储介质。

背景技术：

1、交叉口作为城市交通流的瓶颈之一，极易造成交通拥堵和车辆事故，引发交通流运行紊乱，直接影响道路的交通效率，进而制约城市的可持续发展；因此，寻求有效的交叉口管控优化方法是一项亟待解决的现实问题。传统的交叉口管控措施主要通过信号灯控制实现交通流量管控，但该方法缺少灵活性，极易造成交叉口资源的浪费；基于此种情况，可根据交通流量情况，适时增加车道数量，提高交叉口通行能力；或者是设置公交专用车道，提高公交系统运行效率，响应公共交通出行政策。

2、随着智能交通系统的发展，未来由网联自动车辆(connected and autonomousvehicle，cav)和人工驾驶车辆(human-driven vehicle，hdv)组成的混合交通流成为交叉口管控的一大难点。由于网联自动车辆和人工驾驶车辆在车辆类型、交通治理规则、通信协议等方面存在相当大的差异，二者在同一车道上并不能发挥出网联自动车辆的绝对优势，因此设置网联自动车辆专用车道成为目前重要的技术趋势。

3、目前，网联自动车辆专用车道的研究尚且处于起步阶段，主要围绕“什么条件下设置网联自动车辆专用车道”和“设置几条网联自动车辆专用车道”两个问题，并且绝大部分研究是基于高速公路场景进行的。俞海杰在2021年对网联自动车辆专用车道影响下的高速公路路段协同自适应巡航控制系统(cooperative adaptive cruise control，cacc)车流分配策略进行讨论，并以此为基础，利用仿真软件研究网联自动车辆专用车道对混合交通流的影响，进而探究合理布设专用车道的问题；温金川在2022年提出的基于混合车流模型的网联自动车辆专用车道设置策略中，根据高速公路智慧化发展进度，将网联自动车辆专用车道设置方式梯度式地分为强制、选择和柔性三种，这三种设置策略在不同渗透率水平下具有不同优劣程度，但是却未动态地研究网联自动车辆专用车道配置；同年，江泽浩等人针对高速公路人机混驾交通流提出了一种基于通行能力二元函数的网联自动车辆专用车道设置决策方法，该方法具有简明、易操作的特点；袁月明公开了一种网联自动车辆专用车道的管控算法，通过目标路段网联自动车辆渗透率匹配和网联自动车辆专用车道数量最优评估模型确定管控策略，实现了一定的经济效益，但是上述研究只重点考虑了网联自动车辆渗透率，而事实上网联自动车辆实时分布情况也会对网联自动车辆专用车道设置策略产生影响。针对于交叉口场景的网联自动车辆专用车道研究较少，但也有部分探索性研究；dai等人在2023年交通信号与入口车道的耦合控制研究中将网联自动车辆专用车道纳入考虑，并对网联自动车辆专用车道的使用规则进行了简单的表述；jiang等人在2023年提出了一种基于信号配时和平滑轨迹联合优化的动态网联自动车辆专用车道分配方法，通过仿真实验，发现网联自动车辆渗透率超过一定阈值时，有必要在一个或多个网联自动车辆专用车道上行驶，但是未对网联自动车辆专用车道优化细节进行深入展开；蒋贤才等人关注到交通需求和网联自动车辆渗透率变化，提出一种动态复合利用的网联自动车辆专用车道，并定义了一种基于车道饱和度与转换指数的配置方法，当进口道中没有网联自动车辆专用车道时，对于此时的网联自动车辆而言行车效率是有所下降的。

4、综上所述，现有技术中对于交叉口网联自动驾驶可变车道设计的缺陷如下：(1)未考虑人工驾驶车辆驾驶员对于车道设置动态切换的适应性：网联自动车辆可以实时适应网联自动驾驶可变车道动态切换，但是人工驾驶车辆驾驶员的适应性是有限的，导致人工驾驶车辆不能够及时的变换行驶车道，造成车辆行驶安全性低，增加车道拥堵程度；(2)忽略网联自动车辆实时分布位置对网联自动车辆专用车道设置的影响：由于网联自动车辆分布具有随机性，会出现两种极端情况，即一段时间内全无网联自动车辆，此时网联自动车辆专用车道形同虚设；一端时间内网联自动车辆与人工驾驶车辆间隔分布，此时多车频繁变道增加行车时间与安全风险。

技术实现思路

1、为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中未考虑人工驾驶车辆驾驶员对于车道设置动态切换的适应性，导致人工驾驶车辆不能够及时的变换行驶车道，造成车辆行驶安全性低，增加车道拥堵程度的问题；忽略网联自动车辆实时分布位置对网联自动车辆专用车道设置的影响，导致交叉口交通流运行状况不佳的问题。

2、为解决上述技术问题，本发明提供了一种交叉口网联自动驾驶可变车道设计优化系统，包括：

3、信息采集装置：基于网联自动驾驶可变车道长度、位置、方向，确定交叉口上游引导区域；根据各区起始线距交叉口距离由近到远的关系，将交叉口上游引导区域依次划分为限制区、变道区、自由区；所述信息采集装置包括设置于交叉口上游引导区域变道区的道路两侧的摄像头；通过摄像头，采集变道区内所有行驶车辆的视频信息；通过通信连接，将所获取的视频信息传送至交叉口后台管理平台；

4、交叉口后台管理平台，与信息采集装置通信连接，接收所获取的视频信息，包括：

5、图像处理模块：通过图像处理方法，处理接收到信息采集装置中的视频信息，获取变道区内各个车道上的车辆数量、车辆位置以及分布的车辆信息；

6、车道设置模块：设置网联自动驾驶可变车道级别为l2、l1、l0；其中，所述l2，在该级别的网联自动驾驶可变车道上只能行驶网联自动车辆，人工驾驶车辆不得进入；所述l1，在该级别的网联自动驾驶可变车道上行驶的领航车辆为网联自动车辆，领航车辆后的其余车辆为网联自动车辆或人工驾驶车辆；所述l0，在该级别的网联自动驾驶可变车道上行驶的车辆种类无要求，当前网联自动驾驶可变车道等同于一般车道；

7、信息处理模块：所述信息处理模块处理图像处理模块中获取的车辆信息；根据图像处理模块获取的车辆数量信息，计算预设时长范围内变道区网联自动车辆的数量在所有车辆数量中的占比；比较预设时长范围内变道区网联自动车辆的数量在所有车辆数量中的占比与预设比例阈值的大小关系；若预设时长范围内变道区网联自动车辆的数量在所有车辆数量中的占比大于等于预设比例阈值，则网联自动驾驶可变车道级别为l2级别；若预设时长范围内变道区网联自动车辆的数量在所有车辆数量中的占比小于预设比例阈值，则网联自动驾驶可变车道级别为l1级别；若预设时长范围内变道区网联自动车辆的数量在所有车辆数量中的占比为0，则网联自动驾驶可变车道级别为l0级别；

8、信息显示装置：所述信息显示装置中的指示标志包括设置于限制区、变道区开始处分别的电子指示牌、以及铺设于变道区的可变色车道标线车道灯；根据不同的网联自动驾驶可变车道级别，电子指示牌显示对应的网联自动驾驶可变车道级别、变道区铺设的车道灯亮起对应的颜色；所述信息显示装置与交叉口后台管理平台通信连接，接收网联自动驾驶可变车道级别信息；根据网联自动驾驶可变车道级别信息，控制电子指示牌显示为相应的网联自动驾驶可变车道级别，以及控制车道灯亮起对应的颜色。

9、优选地，所述电子指示牌为led电子指示牌。

10、本发明还提供了一种交叉口网联自动驾驶可变车道设计优化方法，该方法基于任一所述的一种交叉口网联自动驾驶可变车道设计优化系统，包括：

11、通过信息采集装置，采集变道区内所有行驶车辆的视频信息；

12、通过图像处理模块，接收并处理采集到的视频信息，获取变道区内各个车道的车辆数量、车辆种类以及车辆位置的车辆信息；

13、通过信息处理模块，根据变道区内各个车道的车辆数量信息，计算预设时长范围内变道区所有网联自动车辆的数量在所有车辆数量中的占比，比较网联自动车辆占比与预设比例阈值的关系，确定网联自动驾驶可变车道级别；其中，当网联自动车辆占比大于预设比例阈值时，确定网联自动驾驶可变车道级别为l2级别；当网联自动车辆占比小于预设比例阈值时，确定网联自动驾驶可变车道级别为l1级别；当网联自动车辆占比为0时，确定网联自动驾驶可变车道级别为l0级别；

14、通过信息显示装置，接收确定的网联自动驾驶可变车道级别信息，控制指示标志显示的网联自动驾驶可变车道级别；

15、网联自动车辆通过车载通信模块，与交叉口后台管理平台进行通信连接，接收网联自动驾驶可变车道级别信息决定变道区行为。

16、优选地，所述获取变道区内各个车道的车辆数量、车辆种类以及车辆位置的车辆信息包括：

17、车辆种类为网联自动车辆和人工驾驶车辆；车辆数量为网联自动车辆和人工驾驶车辆各自的数量；车辆位置表示车辆行驶至交叉口停车线的距离。

18、优选地，所述通过信息处理模块，根据变道区内各个车道的车辆数量信息，计算所有网联自动车辆的数量在所有车辆数量中的占比，比较网联自动车辆占比与预设比例阈值的关系，确定网联自动驾驶可变车道级别包括：

19、根据获取到的预设时长范围内所有车道上的网联自动车辆数量和人工驾驶车辆数量，计算所有网联自动车辆的数量在所有车辆数量中的占比，其公式为

20、

21、其中，vcav为预设时长范围内所有车道上的网联自动车辆数量；vhdv为预设时长范围内所有车道上的人工驾驶车辆数量；p为预设时长范围内网联自动车辆的数量占所有车辆数量的比值百分比值；

22、根据实际情况确定比例阈值pthreshold，将网联自动车辆占比与比例阈值进行比较；若p≥pthreshold，则确定网联自动驾驶可变车道级别为l2级别；若0<p<pthreshold，则确定网联自动驾驶可变车道级别为l1级别；若p＝0，则确定网联自动驾驶可变车道级别为l0级别。

23、优选地，所述通过信息显示装置，接收确定的网联自动驾驶可变车道级别信息，控制指示标志显示的网联自动驾驶可变车道级别包括：

24、通过交叉口后台管理平台，借助通信连接，将网联自动驾驶可变车道级别信息传输至信息显示装置中；通过信息显示装置控制指示标志显示相应的级别标志以及控制可变车道标线车道灯相应灯组亮起，即

25、若网联自动驾驶可变车道级别为l2级别，则变道区开始处和限制区开始处的led电子指示牌显示成l2，变道区的可变色车道标线车道灯亮起为红色；

26、若网联自动驾驶可变车道级别为l1级别，则变道区开始处和限制区开始处的led电子指示牌显示成l1，变道区的可变色车道标线车道灯亮起为绿色；

27、若网联自动驾驶可变车道级别为l0级别，则变道区开始处和限制区开始处的led电子指示牌显示成l0，变道区的可变色车道标线车道灯不亮。

28、本发明还提供了一种交叉口网联自动驾驶可变车道设计优化设备，包括：

29、存储器，用于存储计算机程序；

30、处理器，用于执行所述计算机程序时实现任一所述一种交叉口网联自动驾驶可变车道设计优化方法的步骤。

31、本发明还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现任一所述一种交叉口网联自动驾驶可变车道设计优化方法的步骤。

32、本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下有益效果：

33、(1)本发明所述的一种交叉口网联自动驾驶可变车道设计优化系统，针对交叉口网联自动驾驶可变车道设计l2、l1、l0三个级别，l2级别下交叉口网联自动驾驶可变车道只容许网联自动车辆进入、l1级别下容许网联自动车辆和人工驾驶车辆共同进入、l0级别下等同于一般车道，有效应对网联自动车辆不同占比导致的车道资源设置浪费的问题，最大化交叉口网联自动驾驶可变车道的利用率，有效降低交叉口车道资源的浪费；

34、(2)本发明所述的一种交叉口网联自动驾驶可变车道设计优化方法，在交叉口网联自动驾驶可变车道配套设施设计中，将交叉口上游引导区域划分为自由区、变道区和限制区，在变道区开始处和限制区开始处设置led电子指示牌，以及在变道区铺设由led灯组成的可变色车道标线，最大化引起人工驾驶车辆驾驶员对网联自动驾驶可变车道级别变化的关注，提高人工驾驶车辆驾驶员的适应性，使得人工驾驶车辆能够及时的变换车道，提升车辆行驶安全性，避免了车道拥堵；

35、(3)本发明所述的一种交叉口网联自动驾驶可变车道设计优化方法，通过交叉口上游引导区域中变道区的加入，结合交叉口后台管理平台、指示标志、感知设备、网联自动车辆之间的实时通信，在变道区将变道操作前置化，对网联自动车辆、人工驾驶车辆位置分布进行重构，提高交叉口网联自动驾驶可变车道的通行效率，优化交叉口交通流的整体运行状况，达到了交叉口优化的目的。