一种基于动态规划的CACC车辆单点平面交叉通行控制方法与流程

本发明涉及微观交通流领域，具体涉及一种基于动态规划的cacc车辆单点平面交叉通行控制方法。

背景技术：

1、近年来，随着交通运输行业的蓬勃发展和车辆智能化水平的不断提高，智能网联汽车的研究成为交通工程学的发展趋势和方向。协同自适应式巡航控制(cacc)系统是智能网联汽车在车辆编组领域的重要应用，它可以利用先进的通信技术实现数据传输的低延迟和高速度，实时获取周围车辆和道路环境的信息，并根据前方多个车辆的状态变化，调整目标车辆的行驶路径、加速度和速度。

2、现有技术中，在平面交叉路段传统的自适应式信号控制方法主要有以下几种：一种是通过收集车辆的到达信息，采用预先设定的静态参数调整周期长度；另一种是利用实时采集的传感信息，估计下游车辆的到达时间，寻找最佳信号配时方案。上述两种传统的自适应式信号控制方法均是采用预设的参数来适应交通需求的变化，没有考虑车辆的动态轨迹信息，因此其鲁棒性和精度较低。

3、目前，针对智能网联环境下的交叉口信号控制方法的研究较少，而且大多只适用于单个网联车的情况，没有对cacc车队进行深入的研究。基于此，本发明针对cacc车辆编组化行驶的特点和车路信息交互的特性展开研究，提出了一种适用于cacc同质交通流环境下的平面交叉通行控制方法。

技术实现思路

1、本发明解决的技术问题在于提供一种可以有效减少车辆排放和事故，提高平面交叉的通行效率的基于动态规划的cacc车辆单点平面交叉通行控制方法。

2、为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案。

3、一种基于动态规划的cacc车辆单点平面交叉通行控制方法，包括，

4、1)构建cacc车队到达预测模型，预测cacc车辆到达交叉口的时间，并生成cacc车辆到达时间状态表；

5、2)根据cacc车辆到达时间状态表进行前向递推获得不同状态变量下的最佳绿灯时间；

6、3)根据不同状态变量下的最佳绿灯时间进行后向递推获得最佳绿灯时间组合方案。

7、进一步的，所述构建cacc车队到达预测模型包括：

8、获得cacc领航车到达当前交叉口排队车辆尾部的行程时间ta和到达交叉口的时刻tp；

9、若tp时刻处于红灯期间，则记录该车队到达交叉口的时刻tp，并更新交叉口排队车辆数为：车队到达交叉口排队末端后的排队车辆数和当前车队的车辆数之和；

10、若tp时刻处于绿灯期间，则判断排队车辆的末端车辆是否已经启动，对应获得该车队到达交叉口的时刻tp，并更新交叉口排队车辆数。

11、进一步的，所述若tp时刻处于绿灯期间，则判断排队车辆的末端车辆是否已经启动，对应获得该车队到达交叉口的时刻tp，并更新交叉口排队车辆数包括：

12、绿灯亮起时刻至排队末端车的启动时刻的时间差ts为：

13、

14、其中，nt-1为当前交叉口排队车辆数，l为交叉口车辆排队车头间距，vs为消散波的传播速度；

15、假设cacc车队到达排队车辆末尾时，当前绿灯已持续的时间为tc；

16、若满足tc＜ts，则绿灯期间cacc车队到达排队车辆尾部时末端车还未启动，则记录该车队到达交叉口的时刻tp＝tk+ta，并通过nt＝nt-1+np更新排队车辆数，其中np表示当前车队的车辆数；

17、若满足tc＞ts，则绿灯期间cacc车队到达排队车辆尾部时末端车已启动，则根据目标cacc车队在追上前车之前，前车是否已驶过停车线，从而对应获得该车队到达交叉口的时刻tp，并更新交叉口排队车辆数。

18、进一步的，所述若满足tc＞ts，则绿灯期间cacc车队到达排队车辆尾部时末端车已启动，则根据目标cacc车队在追上前车之前，前车是否已驶过停车线，从而对应获得该车队到达交叉口的时刻tp，并更新交叉口排队车辆数包括：

19、若目标cacc车队在追上前车之前，前车已驶过停车线，则不记录该车队的到达时刻，交叉口排队车辆数不变；

20、若目标cacc车队在追上前车之前，前车未驶过停车线，则记录cacc车队领航车到达队列末端的时刻tp为：

21、

22、其中，(tc-ts)·vq/(vl-vq)表示车辆到达原停车位置后，追赶前车所需时间；

23、更新交叉口排队车辆数为：

24、

25、其中，tc+(tc-ts)·vq/(vl-vq)表示cacc车队追赶上前车时，车流已启动时间，l/vq表示一辆排队车驶离交叉口的时间。

26、进一步的，所述根据cacc车辆到达时间状态表进行前向递推获得不同状态变量下的最佳绿灯时间包括：

27、1)对阶段进行划分，并定义初始化阶段状态变量、控制变量及目标函数值；

28、2)确定当前阶段的控制变量和状态变量的取值范围；

29、3)根据当前阶段的控制变量和状态变量的取值范围，遍历当前阶段各控制变量和状态变量的可能取值，求解当前阶段在不同状态下的最优信号配时方案；

30、4)对阶段进行更新，直至满足终止条件，从而获得各状态变量下使得累计延误最小的控制变量的取值。

31、进一步的，所述对阶段进行划分，并定义初始化阶段状态变量、控制变量及目标函数值包括，

32、定义相位周期内每一个相位持续时间段为一个阶段j；

33、定义状态变量sj为起点到动态规划中某阶段j结束的时间长度；

34、定义控制变量xj为动态规划中阶段j的相位持续时间；

35、定义目标函数vj为优化滚动范围内各阶段的延误之和；

36、初始化阶段j＝1，状态变量sj-1＝0，控制变量xj-1＝0，目标函数累计值vj＝0。

37、进一步的，所述确定当前阶段的控制变量和状态变量的取值范围包括，

38、在阶段j，状态变量sj的上下限决定于上一阶段的状态变量sj-1的的上下限，当前状态变量sj的下限不能小于前一阶段状态变量sj-1的下限加上一阶段的最小持续时间；当前状态变量sj的上限不能小于前一阶段状态变量sj-1的上限加上一阶段的最大持续时间，且状态变量sj的上限不能超过滚动优化的范围；假设相位间隔时间为r，当前阶段为阶段j，当前相位的最大绿灯时间和最小绿灯时间为和滚动优化的最大时间长度为t，则状态变量sj的取值下限和取值上限为：

39、

40、

41、上式中，当j＝1时，和为0，假设滚动时域内的单位时间长度为1s，则当前阶段状态变量sj的取值集合为：

42、

43、在给定的状态变量sj下，控制变量的取值集合为：

44、

45、进一步的，所述根据当前阶段的控制变量和状态变量的取值范围，遍历当前阶段各控制变量和状态变量的可能取值，求解当前阶段在不同状态下的最优信号配时方案包括，

46、假设滚动时域内的单位时间长度为1s，则每个时间间隔内的排队车辆数等于车辆的总延误，则对于当前阶段状态变量为sj时，p进口道方向的相位持续期间内车辆总延误为：

47、

48、其中，d(sj，xj，p)表示当状态变量和控制变量为sj和xj时p进口道方向的车辆总延误；q(t，p)表示t时刻p进口道方向的排队车辆数；

49、则当前阶段交叉口的总延误等于各个方向的延误之和，可表示为：

50、

51、其中，fj(sj，xj)表示交叉口的总延误；

52、考虑到之前阶段的累计延误，则当前状态下的累计延误函数为：

53、vj(sj)＝fj(sj，xj)+vj-1(sj-xj)，xj∈xj(sj)

54、其中，vj(sj)表示阶段j状态变量为sj时对应的累计延误函数，即最优化模型的目标函数；vj-1(sj-xj)表示阶段j-1状态变量为sj-xj时对应的累计延误函数；

55、在给定状态变量sj下，通过遍历控制变量xj的所有取值，求得状态变量sj下的最小累计延误及对应的状态变量xj的值。

56、进一步的，所述对阶段进行更新，直至满足终止条件，从而获得各状态变量下使得累计延误最小的控制变量的取值包括，

57、更新阶段j＝j+1，累计延误函数vj(sj)＝min{fj(sj，xj)+vj-1(sj-1)|xj∈xj(sj)}，返回确定当前阶段的控制变量和状态变量的取值范围，当满足即状态变量下限超过滚动优化的范围时，终止循环，得到各状态变量下对应当前状态sj累计延误最小的控制变量的取值，记为x′j(sj)。

58、进一步的，所述根据不同状态变量下的最佳绿灯时间进行后向递推获得最佳绿灯时间组合方案包括，

59、1)从滚动时域优化的最大范围时刻开始，根据前向递推的结果，获得该状态下的最佳控制变量，即最佳绿灯持续时间；

60、2)利用后向递推公式计算前一个状态变量的值，公式如下：

61、s′j-1＝s′j-x′j(s′j)-r

62、其中，s′j-1和s′j表示前一状态变量和当前状态变量，x′j(s′j)表示s′j状态下使得累计延误最小的相位持续时间的取值，由前向递推得出，r表示相位间隔时间；

63、3)记录下当前状态下的最佳控制变量，并得到前一个状态变量的值，重复上述过程，持续递推，直到推算到优化的初始阶段，即状态变量为0；

64、4)将记录下来的所有最佳控制变量按顺序排列，得到了最优的相位配时方案组合，即：{x′1(s′1)，x′2(s′2)，...，x′j(s′j)}。

65、本发明的有益效果：

66、该基于动态规划的cacc车辆单点平面交叉通行控制方法考虑到cacc车辆编组化行驶特性，分两种情况预测cacc车辆到达交叉口的时间；并以最小化交叉口延误为目标，滚动优化一段时间范围内的信号配时，从而整体上可改善平面交叉路段的交通安全、提高平面交叉路段车辆的通行效率。其中通过滚动时域优化策略实时优化车辆通行控制方案：当切换通行方向时，系统根据车辆到达预测结果重新优化之后一定范围内的车辆通行控制方案。与传统平面交叉通行控制方法相比，本发明提出的信号控制方法适用于cacc同质交通流环境，即道路上的车辆均具备cacc功能，可充分发挥cacc车辆编组化行驶和车路信息交互的优势，满足cacc车辆高效行驶的需求。