一种基于树搜索的高速公路混合交通流合流序列优化方法

本发明涉及智能交通领域，具体为一种基于树搜索的高速公路混合交通流合流序列优化方法。

背景技术：

1、智能网联车得益于其精准的感知、通信、交互和控制能力，可以有效提高管控策略的精度和效果，为智能交通运输系统的发展注入了新动力，也为解决高速公路匝道合流问题带来了全新思路。由于频繁的换道和驾驶行为的随机性，入口匝道附近的区域往往成为高速公路的瓶颈区，导致高速公路路网内车辆的行驶速度降低和行驶时间增加。匝道内试图汇入主干道的传统人驾车辆由于无法获得实时的周围交通状况，导致了走走停停的现象和更高的事故风险。

2、现有的针对高速公路合流区交通流管控的方法大多假设高速公路上的车辆均为智能网联车，且只涉及主干道为单车道的交通场景，忽略了多车道和混合交通流的情况，这与高速公路的实际场景不一致。此外，传统人驾车的感知不确定性导致其需要智能网联车的行驶引导，而不是被动地等待合流间隙。

技术实现思路

1、针对现有的单一主干道车辆与匝道车辆合流控制方法的不足以及难以利用智能网联车对混合交通流进行最优管控的问题，本发明提供一种基于树搜索的高速公路混合交通流合流序列优化方法。

2、本发明是通过以下技术方案来实现：

3、一种基于树搜索的高速公路混合交通流合流序列优化方法，包括以下步骤：

4、s1，构建双车道主干道和单车道匝道的交通场景，将道路分段为控制区和合流区，道路上的车辆被组织成队列块，集中控制器负责监测控制各队列块，并记录当前的队列块合流序列；

5、s2，当有新的队列块进入控制区时，基于之前记录的队列块合流序列，以当前队列块内车辆的行驶效率、驾驶舒适性、油耗和污染排放为目标，构建纵向行驶成本函数和横向换道成本函数，利用树搜索获取包含当前队列块的最优合流序列；

6、s3，构建所有队列块的车辆运动学模型，基于搜索得到的最优合流序列，结合纵向代价成本函数和横向代价成本函数，利用庞特里亚金原理求解队列块内车辆的最优行驶轨迹；

7、s4，队列块中头车按照最优行驶轨迹行驶，其余人驾车按照跟驰模型进行行驶，实现合流。

8、优选的，在s1中，队列块以智能网联车为头车、其余为传统人驾车。

9、优选的，队列块中，作为头车的智能网联车由集中控制器进行控制，其余人驾车采用newell跟驰模型跟随头车行驶。

10、优选的，双车道主干道包括第一主干道l1和第二主干道l2，将第一主干道l1分为第一控制区路段和第一合流区路段，在第一合流区路段上标记第一合流点s1；第二主干道l2分为第二控制区路段和第二合流区路段，在第二合流区路段上标记第二合流点s2；单车匝道r1分为第三控制区路段和第三合流区路段；

11、合流时，通过第一合流点s1的车辆包括第一主干道l1行驶的车辆或者第二主干道l2的变道车辆；通过第二合流点s2的车辆包括第一主干道l1行驶的车辆或者单车匝道r1的车辆。

12、优选的，在s2中，最优合流序列的获取过程为：首先通过计算新的队列块加入后所有队列块的动作成本，之后利用深度优先搜索树寻找包含当前队列块的最优合流位置以及所有队列块的最优合流序列。

13、优选的，在s3中，所有队列块的车辆运动学模型的构建过程中，同一车道上，相邻两个队列块的头车之间设有安全跟车约束：

14、

15、其中，代表安全跟驰时两车之间的最小车头时距；

16、代表队列块内的车辆数量。

17、不同车道上，两个队列块的头车之间设有安全合流约束：

18、

19、其中，代表合流区路段的长度；

20、代表队列块离开控制区进入合流区时的期望速度。

21、优选的，在s3中，车辆的最优行驶轨迹由车辆的最优行驶速度和最优加速度决定，获取方法如下：先根据纵向代价成本函数和横向代价成本函数构建相应的哈密顿函数，再利用庞特里亚金最大值原理以车辆的行驶效率、驾驶舒适性、油耗和污染排放为目标进行求解。

22、一种基于树搜索的高速公路混合交通流合流序列优化系统，包括数据获取模块、上层树搜索控制模块、下层行驶代价成本控制模块和数据输出模块，数据获取模块用于在双车主干道和单车匝道上有新的队列块进入控制区时，获取控制区内其余队列块的车辆行驶状态，并获取之前已有的最优队列合流序列；上层树搜索控制模块用于基于之前的队列块最优合流序列，考虑当前队列块车辆的纵向行驶成本和横向换道成本，利用树搜索获取包含当前队列块的最优合流序列；下层行驶代价成本控制模块用于构建队列块的车辆运动学模型，基于最优合流序列，结合纵向代价成本函数和横向代价成本函数，利用庞特里亚金原理求解车辆的最优行驶轨迹；数据输出模块用于输出车辆的最优行驶轨迹给队列块，车辆按照最优行驶轨迹行驶，并进行合流。

23、一种终端设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现所述方法的步骤。

24、一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现所述方法的步骤。

25、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

26、本发明一种基于树搜索的高速公路混合交通流合流序列优化方法从多车道高速公路合流场景入手，基于智能网联车（cav）引导传统人驾车（hdv）行驶合流的思想，依靠车联网技术实时获取高速公路控制区内主干道和匝道内车辆队列块的状态信息，利用cav的可控性，通过树搜索最优合流序列以及对cav进行速度控制和换道控制，结合最优控制、车辆运动学模型，以车辆合流时的行驶效率、油耗、污染排放和舒适性为目标，用庞特里亚金原理进行求解车辆的最优行驶轨迹，来引导队列块内hdv进行安全高效的合流，在不同类型的双车道高速公路均适用。在高速公路车流量均衡与不均衡情况下，均可以有效保证车辆合流时的安全、高效、低油耗和低污染排放性。

27、进一步的，将高速公路和匝道路段分为控制区和合流区路段，在cav可控的前提下，将hdv和cav编组成队列，cav作为每个队列块的头车，引导队列内hdv安全高效合流。

28、进一步的，安全跟车约束和安全合流约束均是为了保证车辆队列块的安全合流。

29、进一步的，纵向行驶代价成本函数中考虑了队列块的行驶效率、油耗、舒适性以及污染排放，横向代价成本函数中考虑了车辆变道时的舒适性，以确保变道过程的平稳和安全。

30、本发明一种基于树搜索的高速公路混合交通流合流序列优化系统在上层提供了一种树搜索算法来动态搜索车辆队列的最优合流序列，基于上层计算得出的合流序列，在下层提供了一种最优协同合流控制方法来确定车辆队列的最优行驶轨迹。

技术特征：

1.一种基于树搜索的高速公路混合交通流合流序列优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于树搜索的高速公路混合交通流合流序列优化方法，其特征在于，在s1中，队列块以智能网联车为头车、其余为传统人驾车。

3. 根据权利要求2所述的基于树搜索的高速公路混合交通流合流序列优化方法，其特征在于， 队列块中，作为头车的智能网联车由集中控制器进行控制，其余人驾车采用newell跟驰模型跟随头车行驶。

4.根据权利要求2所述的基于树搜索的高速公路混合交通流合流序列优化方法，其特征在于，双车道主干道包括第一主干道l1和第二主干道l2，将第一主干道l1分为第一控制区路段和第一合流区路段，在第一合流区路段上标记第一合流点s1；第二主干道l2分为第二控制区路段和第二合流区路段，在第二合流区路段上标记第二合流点s2；单车匝道r1分为第三控制区路段和第三合流区路段；

5.根据权利要求4所述的基于树搜索的高速公路混合交通流合流序列优化方法，其特征在于，在s2中，最优合流序列的获取过程为：首先通过计算新的队列块加入后所有队列块的动作成本，之后利用深度优先搜索树寻找当前队列块的最优合流位置以及所有队列块的最优合流序列。

6.根据权利要求5所述的基于树搜索的高速公路混合交通流合流序列优化方法，其特征在于，在s3中，所有队列块的车辆运动学模型的构建过程中，同一车道上，相邻两个队列块的头车之间设有安全跟车约束：

7.根据权利要求6所述的基于树搜索的高速公路混合交通流合流序列优化方法，其特征在于，在s3中，车辆的最优行驶轨迹由车辆的最优行驶速度和最优加速度决定，获取方法如下：先根据纵向代价成本函数和横向代价成本函数构建相应的哈密顿函数，再利用庞特里亚金最大值原理以车辆的行驶效率、驾驶舒适性、油耗和污染排放为目标进行求解。

8.一种基于树搜索的高速公路混合交通流合流序列优化系统，其特征在于，包括数据获取模块、上层树搜索控制模块、下层行驶代价成本控制模块和数据输出模块，数据获取模块用于在双车主干道和单车匝道上有新的队列块进入控制区时，获取控制区内其余队列块的车辆行驶状态，并获取之前已有的最优队列合流序列；上层树搜索控制模块用于基于之前的队列块最优合流序列，考虑当前队列块车辆的纵向行驶成本和横向换道成本，利用树搜索获取包含当前队列块的最优合流序列；下层行驶代价成本控制模块用于构建队列块的车辆运动学模型，基于最优合流序列，结合纵向代价成本函数和横向代价成本函数，利用庞特里亚金原理求解车辆的最优行驶轨迹；数据输出模块用于输出车辆的最优行驶轨迹给队列块，车辆按照最优行驶轨迹行驶，并进行合流。

9.一种终端设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1-7任一项所述方法的步骤。

10.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-7任一项所述方法的步骤。

技术总结本发明涉及智能交通领域，尤其涉及一种基于树搜索的高速公路混合交通流合流序列优化方法，包括以下步骤：S1，构建双车道主干道和单车道匝道的交通场景，并记录当前的队列块合流序列；S2，当有新的队列块进入控制区时，利用树搜索获取包含当前队列块的最优合流序列；S3，基于搜索得到的最优合流序列，利用庞特里亚金原理求解队列块内车辆的最优行驶轨迹；S4，队列块中头车按照最优行驶轨迹行驶，其余人驾车按照跟驰模型进行行驶，实现合流。本发明依靠车联网技术实时获取高速公路控制区内主干道和匝道内车辆队列块的状态信息，利用CAV的可控性，通过搜索最优合流序列以及对CAV进行速度控制和换道控制，来完成引导队列块内HDV进行安全高效的合流。技术研发人员：吴霞,赵祥模,李泽,闵海根,龚思远,王武祺,李家栋,王琰,夏靖杰,李登荣受保护的技术使用者：长安大学技术研发日：技术公布日：2024/6/26