基于车辆风险场和均衡博弈的道路通行控制系统和方法

本发明公开基于车辆风险场和均衡博弈的道路通行控制系统和方法，属于交通控制。

背景技术：

1、道路交汇区的通行控制一直以来都是交通控制技术的重中之重，现如今，随着自动驾驶技术的发展，网联自主车辆（connected autonomous vehicle，cav）车辆迅速普及，道路的车辆组成逐渐由单一的人工驾驶车辆组成的传统模式，向着更加复杂更多样的混合车流模式转变，形成了一种新型的交通模式。然而，相比于智能网联交通的发展迅速，先进交通控制技术的更迭却较为落后，绝大多数的信号调控系统仍采用以信号灯为路侧主体，人工调节通行相位为调控方案的传统模式，这种传统模式在过去的交通系统中发挥着重要的作用，然随着网联自主车辆的发展，这种传统的交通控制模式已逐步落后于现有的交通模式，乃至对新型交通模式的发展有所制约。基于此，本发明提出了基于车辆风险场和均衡博弈的道路通行控制系统和方法，路侧主体采用可升降的调控信号设备，在充分利用地下空间的同时，可以保证驾驶员视野的连续性，保障道路安全。控制方法采用基于车辆风险场及均衡博弈的综合理论体系，将风险势函数及博弈收益函数有机融入设备激活函数中，做到因时制宜，因地制宜，灵活控制通行方案，提高道路通行效率。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供基于车辆风险场和均衡博弈的道路通行控制系统和方法，以解决现有技术中，合流路段的通行权冲突问题的问题。

2、基于车辆风险场和均衡博弈的道路通行控制系统，包括视云融合检测模块、系统主体硬件模块、系统控制算法模块、系统交互通信模块；

3、视云融合检测模块采用视云融合检测方法获取交通状况信息，采用激光扫描仪获取车辆行人的点云信息，采用雷视一体机获取周遭交通环境的视频信息与雷达数据；

4、系统主体硬件模块采用内镶嵌式构造，系统外壳采用碳素钢，内衬pvc层与橡胶层作为缓冲层，内置螺旋电机作为主体骨架，采用stm32单片机作为控制单元，设定上下限位开关控制上升幅度，系统内部空间搭载两架雷视一体机以及一个激光扫描仪；

5、系统控制算法模块采用风险势博弈方法，基于分子力场理论方法建立交通系统行为风险场，非线性加权组合风险势场，对组合风险场沿道路方向进行纵横二维划分，确定道路风险势，在风险势的势井、势峰位置进行通行权变换达到优化道路通行的目的；

6、系统交互通信模块利用gnss-imu融合定位方法对周围车辆准确定位，获取车辆自身的运动状态信息，计算对位车辆的实时状态，分析车辆运行状态，构建实时的虚拟路况地图，搭建车车、车人、车与环境之间的信息交互桥梁，达到优化道路通行权的效果。

7、基于车辆风险场和均衡博弈的道路通行控制方法，使用所述的基于车辆风险场和均衡博弈的道路通行控制系统，包括：

8、s1建立由车辆风险势场、道路边界风险势场、道路车道线势场、非对称行人势场和道路障碍物风险势场组成的叠加风险势场，车辆在场中运行的结果是各类风险势场的相互作用力叠加的结果，建立笛卡尔坐标系，对势场进行纵横二维分析；

9、由、、、、组成叠加风险势场：

10、；

11、s2在叠加风险势场和速度风险势场基础上，对多目标风险势进行纵横二维量化；

12、s3基于s1和s2的结果，获得基于道路风险场非线性通行权激活函数，进行道路通行控制。

13、s1包括，车辆风险势场作用势来自于车车交互作用力，基于兰纳-琼斯势建立一个统一的车辆作用势场函数模型，引入车辆需求风险距离以及跟驰状态，构建车辆风险势场为：

14、；

15、式中，为势场能量尺度，为斥力项幂次，为引力项幂次，为车辆需求的风险距离，是的导数，为车辆的实际间距，为围绕车辆任意质点与车辆质心点之间的顺时针夹角，为修正短程斥力势场分布范围。

16、s1包括，将道路下侧道路边界线作为轴原点，采用高斯类函数对道路车道线势场进行表示：

17、；

18、式中，为道路横截面车道线数量，为任意一点纵坐标，为不同车道线势场的势场强度系数，为道路线类型，为1时为白色虚线，为2时为黄色双黄线，为第条道路线的纵坐标位置，与道路宽度成正比，表示道路边界风险势场的场强增减速度。

19、s1包括，道路边界风险势场为：

20、；；

21、式中，为道路两边道路边界线，设定为道路右边界线，为道路左边界线，为点处车辆与点处道路边界线处纵坐标差值，为车辆质心所处位置，为道路边界线所处位置，为位置增益函数。

22、s1包括，构建道路障碍物风险势场为：

23、；

24、式中，为道路影响因子风险势场系数，、为车辆质心的横纵坐标，、为道路影响因子质心的横纵坐标，、、、为风险势场的形状系数，、由影响因子的形状尺寸决定。

25、s1包括，非对称行人势场包括非对称横向行人势场和非对称纵向行人势场；

26、非对称横向行人势场为：

27、；

28、；

29、式中，为非对称横向行人势场，、为风险势场比例调节系数，、为车辆横纵坐标与行人横纵坐标的差值，为车辆横向判断参数，差值为负时，车辆在行人右边，，差值为正时，车辆在行人左边，，为车辆需要最短纵向避障距离，为包含驾驶员反应时间的避障最短时间，表示车辆需要最短横向避障距离，等于车辆宽度、行人所需风险空间半径及风险阈度之和；

30、构建非对称纵向行人势场：

31、；

32、；

33、式中，为非对称纵向行人势场，为风险势场比例调节系数，表示车辆需要最短纵向避障距离，为车辆纵向判断参数，为车辆正常行驶至行人处时行人所行进的距离，为行人步行速度。

34、s1包括，构建速度风险势场，标定车辆时刻的速度势能为：

35、；

36、式中，为车辆时刻的速度势能，为时刻的侧向分布系数，为时刻的车辆运行速度，单位为；

37、速度风险势场的强度为：

38、；；

39、；

40、；

41、式中，为车辆势能差；为速度风险势场强度系数，为纵向风险影响因子，为侧向风险影响因子，为道路路段平均纵坡，取值为，、分别为纵向和侧向的距离，方向由势能高处指向势能低处，单位为，单位为，为纵向速度风险势场强度，为侧向速度风险势场强度，为速度风险势场矢量强度，为风险方向的调整系数。

42、s2包括，将叠加风险势场和速度风险势场作用势根据方向矢量拆分，车道线势场与道路边界线势场视为矢量势场，方向沿轴方向指向道路内侧，将相互作用势按坐标系方向拆分：

43、；

44、；

45、式中，为轴方向的分作用势叠加，为轴方向的分作用势叠加，为车辆行驶方向与道路中心线方向的顺时针夹角，为航向角。

46、s3包括，设立设备激活函数为：

47、；

48、式中，、为合并车道车辆风险势，合并车道车辆风险势按照s2的过程计算，，为交汇点处与道路方向夹角；

49、标定启动阈值，对应激活函数值为，设定时间区间，当激活函数值在时间区间内均大于时，表明此时道路处于拥堵风险高区间，系统主体硬件模块启动；

50、启动后系统主体硬件模块通过视云融合获取合并道路的道路方向风险势，量化道路风险势场，选取风险势相对高路段放行，放行后再次判断双方当前风险势，选取风险势高路段给予通行权；

51、设立通行权激活函数：

52、；

53、式中，为排队车辆数，为第一合并车道的沿车道方向风险势，为第二合并车道的沿车道方向风险势，为第一合并车道排队车辆沿车道方向风险势，为第二合并车道排队车辆沿车道方向风险势；

54、比较合并车道的通行权激活函数，选取函数数值高的路段通行：

55、；

56、选取通行权切换决策后，判断道路纵向风险收益：

57、；；；

58、式中，为车辆当前决策后所受作用纵向作用势，为作用势对距离的高阶参数，为车辆当前所受作用纵向作用势，为道路纵向作用势，是指数参数；

59、若大于0，则合并双方此时不存在冲突风险，即调整放行。

60、相对比现有技术，本发明具有以下有益效果：相较于传统的自由流通行方案或者固定相位的通行方案，本方法更具有动态性和全局性，在保证通行效率的同时，合流车辆的加速度稳定性和航向角稳定性具有较大提升，保证车辆的合流安全；设备采用“埋地式”安装，在道路不拥堵，没有较高合流风险的情况下，设备不激活，位于地下，允许合流车辆采用自由流方式高效率合流，不占用道路面积，不遮挡驾驶员视线，同时也降低设备损耗。当检测到存在合流风险时，设备从地下探出，给出道路通行权。