智能网联环境下高速公路多车道合流区的协调控制方法
- 国知局
- 2024-07-31 21:01:57
本发明属于智能交通领域,具体涉及一种智能网联环境下高速公路多车道合流区的协调控制方法。
背景技术:
1、高速公路入口匝道车辆和主线道路车辆的交互和并道操作,通常是造成速度崩溃、交通流振荡和拥堵的重要原因。合道过程涉及两个车道多台车辆,合道是在运动中完成的,与周围多台车辆发生交互。匝道合流区作为高速公路的汇流节点,由于频繁的换道和驾驶行为的随机性,往往是高速公路交通拥堵的重灾区,交通安全问题也时有发生。当高速公路主干道车流量较大时,若匝道车辆无法寻找到合适的汇入间隙,将导致主干道车辆的强制换道行为,会进一步加剧合流区的交通拥堵。这一复杂且具有挑战性的工作,通常导致交通流量和吞吐量方面效率低下,而且也会影响乘客的安全和舒适度。通过增加基础设施扩大交通通行能力不但花费巨大,而且影响城市原有规划。此外,在传统人工驾驶环境下的匝道控制方法缓解合流区交通压力能力有限,无法满足现今随着机动车数量增加带来的交通需求。
2、智能交通系统和智能网联自动驾驶汽车技术的发展,为解决交通问题贡献了新的可能。智能交通系统在交通系统管理、运营、安全和效率方面展示了巨大潜力。作为its的重要子领域之一,协同驾驶自动(cda)在sae j3216中定义,指使用机器对机器通信来实现两个或多个实体之间合作的车辆自动化。在互联的环境中,可以通过专用短程通信(drsc)网络实现车辆信息的动态分享,车辆分享轨迹并与其他车辆协作,有效地提高了路网的效率和安全性。智能网联车辆可以依靠其精准的感知、通行和控制能力能够提高控制策略的精度和效果,同时也可以避免传统人工驾驶车辆的随机性和不确定性给交通系统运行带来的负面影响。
3、现有的针对高速公路合流区交通控制的方法多为匝道控制,通过主线和匝道车流量的变化动态控制匝道车辆进入,同时辅以主线可变限速控制方法来动态调节主线车辆的交通流,缓解高速公路合流区域的交通压力。但是针对高速路匝道合流区这样复杂的交通场景,传统的控制方法难以应对匝道合流区复杂的交通流。此外,在主线多车道场景下没有充分利用多车道的资源优势,忽视了主线车辆提前变道带来的积极影响。
技术实现思路
1、本发明的目的是解决针对智能网联环境高速公路多车道场景下,车辆群体在多种现实约束下延误时间最小问题,提供一种智能网联环境下高速公路多车道合流区的协调控制方法。
2、智能网联环境下高速公路多车道合流区的协调控制方法,包括如下步骤:
3、步骤(1)规定主线车道和匝道的交叉处为冲突点p,主线上游距离p点lcaa的范围内作为主线协调路段,主线下游包含加速路段和合流路段,加速路段为主线下游长度为lacc供匝道车辆驶入高速车流的最右侧车道,合流路段为主线下游长度为lma供匝道车辆并入高速车流的主线剩余车道。
4、步骤(2)确定主线上游车辆和匝道车辆到达冲突点p的时间,为匝道车辆创建一个映射到主线的虚拟车辆并确定该虚拟车辆由于加速路段而产生的时间区间
5、步骤(3)入口匝道的智能网联车发出汇入请求,请求通过v2i技术传递给主线车辆,在主线协调路段,主线车辆利用v2v技术协商确定合流顺序、通过减速让行或变道为匝道车辆预留出足够的汇入间隙并将消息回报给匝道请求车辆。请求信息包含匝道车辆的期望到达冲突点时间,而回报消息主要包含对匝道车辆的要求到达冲突点时间和速度。
6、步骤(4)依据车辆到达冲突点的到达时间和速度为每辆车进行纵向轨迹优化,确保车辆在指定时间以指定速度到达冲突点,同时匝道车辆在合流区域汇入主线。
7、进一步地,所述步骤(2)中主线上游和匝道智能网联车辆到达冲突点p的时间满足:
8、
9、其中为第i辆车最初始的到达冲突点p的预期时间,它不会早于自身到达冲突点p的最早时间,同时其期望到达冲突点p的时间和前车期望到达冲突点p的时间保持安全时距。t为当前时刻,li(t)为当前时刻车辆i到冲突点p的距离,vi(t)为当前时刻车辆i速度,vi_max和ai_max分别表示车辆i在道路上行驶的最大速度和最大加速度,表示第i辆车的前车即第i-1辆车的预期到达时间,td为智能网联车辆之间的安全时距。上式表示车辆最初始的到达冲突点p预期时间的计算方法。
10、由于合流区的存在和匝道车辆在加速路段上速度的变化,事实上步骤(2)中匝道车辆到达冲突点p的时间不完全等同于与主线车辆发生冲突的时间节点,匝道车辆请求时间区间到主线预期到达时间映射关系采用如下公式表示:
11、
12、
13、其中表示匝道车辆映射到主线后的虚拟车辆的时间上界,表示虚拟车辆的时间下界。为匝道车辆r到达冲突点p的期望时间,lacc为匝道加速路段的长度,和vr分别表示主线合流路段车辆的平均速度和匝道车辆r的速度。上式将匝道车辆从匝道映射到主线上作为虚拟车辆参与后续协调,对匝道车辆和主线车辆在预期到达时间进行了统一,用于确定与匝道车辆可能发生冲突的主线车辆,同时作为主线车辆协调的前提。
14、进一步地,所述步骤(3)中具体实现过程如下:
15、3.1以匝道智能网联车辆作为请求者,主线车辆作为协调参与者,主线各个车道最小延误时间为目标建立高速公路多车道合流区协调控制模型;
16、3.2将匝道请求车辆映射到主线作为虚拟车辆参与协调,通过桶加速筛选与匝道车辆产生冲突的主线车辆;
17、3.3对每个冲突主线车辆分别计算在该车辆之前插入匝道车辆带来的延误时间,在此基础上确定主线的等待插入的目标车辆,同时确认该方案下各个车辆的动作。
18、进一步地,所述步骤3.1的高速公路多车道合流区协调控制模型公式化表述如下:
19、
20、
21、
22、
23、min{max[dm1(t),dm2(t),dm3(t)]}
24、其中,n1、n2和n3表示主线lane1,lane2,lane3的车辆数量,n1、n2、n3和m分别表示主线lane1,lane2,lane3和匝道智能网联车辆集合,dm1(t)、dm2(t)和dm3(t)表示主线3个车道的最大延误时间,目标是最小化主线车道的延误时间。
25、进一步的,匝道车辆插入主线目标车辆ev之前对主线车辆的延误时间,具体如下公式表示:
26、
27、其中,dev(t)表示目标车辆ev之前被插入一辆智能网联车造成的最小延误时间。lossev为该主线车辆的延误次数,λ为对车辆延误次数的惩罚项,避免车辆持续延误,为主线目标车辆ev变道左侧车道后产生的延误时间,为匝道车辆映射到主线的虚拟车辆的到达时间。延误时间的计算主要分为三种情况,如公式所示。第一种情况,主线目标车辆与前车之间有足够大的间隙来收纳匝道车辆,此时是最理想的情况;第二种情况,对应的是匝道车辆无法在主线目标车辆之前插入的情形,一是在目标车辆之前插入时,同时匝道车辆也会与目标车辆前车产生冲突,二是匝道车辆在主线映射的虚拟车辆到达时间晚于主线目标车辆,且不会与目标车辆产生冲突,同样无法在该目标车辆之前插入;第三种情况是匝道车辆会与主线目标车辆产生冲突,主线目标车辆通过减速让行或主线变道为匝道车辆创造间隙,选择造成延误时间最小的作为主线车辆的任务。
28、进一步地,智能网联车辆在行驶过程中与前车的关系,公式表示如下:
29、li(t)-li-1(t)≥max{tdvi(t),s0}+lc
30、
31、
32、其中li(t)和li-1(t)分别表示t时刻时第i辆车和第i-1辆车距离冲突点p的距离(i车为后车,i-1为前车),td为智能网联车辆之间的安全时距,vi(t)表示第i车辆车在t时刻的速度,s0为两车(第i辆车与其前车i-1)之间静止状态下的安全距离,lc表示车辆的长度,表示第i辆车到达冲突点p的预期时间。公式保证了车辆在行驶过程中与前车时刻保持安全距离。此外,依据映射后的到达时间选择与主线冲突的车辆,利用存储桶加速查找主线中可能与匝道来车产生冲突车辆的效率,同时依据车辆延误时间信息的计算方法,利用深度优先搜索和剪枝算法来计算最优多车道合流区协调控制的最优方案,方案具体形式是为每辆车确定具体的到达冲突点时间和车辆的变道标识,变道标识采用以下公式表示。
33、csai={-1,0,1}
34、csai表示主线协调路段车辆变道标识,为1是表示向左变道,0表示不变道,-1为右变道,车辆在完成变道后将车辆变道标识变为0。
35、进一步地,所述步骤(4)中的车辆纵向轨迹优化的公式如下:
36、
37、ei(t)=li(t-1)-li-1(t-1)-lc-vi(t-1)td(t)
38、
39、
40、
41、
42、其中vi(t)表示第i辆车在t时刻的速度,vi-1(t)表示第i辆车的前车i-1辆车在t时刻的速度,li(t-1)和li-1(t-1)表示第i辆车和第i-1辆车在t-1时刻距离冲突点p的距离。ei(t)表示实际跟驰间距与期望间距的误差,指实际跟驰距离与期望间距的微分项,kp和kd为控制系数,当主线第辆i车以时间到达冲突点p时,其与当前道路的前车的时距为初始时距为tf是车辆到达冲突点所需时间;td(t)是车辆之间随时间变化的安全间距,开口向下的二次函数,特征是在初始时车辆速度变化大,在抵达冲突点时变化趋于平稳。通过轨迹优化使得车辆以一种接近平稳的迭代方式到达目标。
43、主线变道车辆在主线协调路段进行变道,依据车辆纵向轨迹优化,在主线协调路段上需要变道的车辆在某个时间节点后一定有安全的变道机会。匝道车辆并入主线高速车流发生在主线的合流路段,在加速车段加速后并入主线。保证变道安全有以下公式:
44、
45、
46、其中,j表示要变道车辆,从源车道src变道到目标tag车道,其中|src-tag|=1,k-1表示变道车辆j在目标tag车道的前车,k表示变道车辆j在目标tag车道的后车,要求变道车辆j与目标tag车道的前后车保持安全间距。
47、本发明的有益效果如下:
48、本发明针对智能网联环境高速公路多车道场景下,提供一种智能网联环境下高速公路多车道合流区的协调控制方法。实现了在同时考虑到车辆速度约束,同一车道前后车辆之间的安全距离约束,不同车道车辆之间变道的安全约束,车道交通流量承载量有限,通过多车道协调控制下最小化各个车道延误时间的目标。本发明的方法计算简单,结果有效,在基于智能网联环境高速公路多车道场景中具有可行性和优越性,并且本发明在类似的应用场景有着较好的复用性,发明的实践价值较强。
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