一种高速公路混行车流的网联车引导方法

本发明属于交通管理，具体为一种高速公路混行车流的网联车引导方法。

背景技术：

1、私家车保有量逐年增加，这伴随着一系列的交通问题，如交通安全挑战、拥堵、能源消耗和交通污染。车联网技术使车辆实现车车通讯、车路通讯，研究人员在此技术的基础上开发了自适应巡航控制(adaptive cruise control,acc)、协同自适应巡航控制(cooperative adaptive cruise control,cacc)、紧急避障和停车等辅助驾驶技术，可提高车辆通行效率，减少拥堵和交通安全事故。网联车可以共享和实时获取一定范围内的车辆运动信息，因此，网联车之间可组建空间连续的柔性车队，车队内车辆可实现cacc功能。车辆可随时加入车队，或者脱离车队，当车辆脱离车队跟驰普通车时则会发生退化，无法实时获取前车信息，只能实现acc功能。随着网联车的普及，网联车在道路的比例将会逐渐上升，将会存在网联车队与普通车交织行驶的异质交通流。网联环境仍在发展阶段，全面普及网联车是一个长期过程，网联车与普通车将持续混行状态。未来道路将会具备网联车所需的感知基础，网联车能够实现精确的信息感知、高效的车路协同，成为人们的出行选择。现如今，增强网联车的控制，最大化网联车带来的效益，已成为研究学者的热门研究方向。针对不同交通流路况、出行工具等，对车流进行管理是广泛存在的，比如hov(high-occupancyvehicle lane)专用道，右转专用道等。为增强混行车流的管理，提高网联车队的效用，一些研究学者提出设置网联车专用道等策略。

2、但是现有的专用车道管理方法，主要从四个方面实现：一是伪专用车道，根据车流量决定是否实施专用车道，即在车流量过大时，普通车也可进入专用车道，减小普通车道的压力；二是设置不同专用车道数，主要考虑多车道情形下，不同专用车道的位置对通行效率的影响，根据网联车比例和驾驶特性选取相对合适的车道设置专用车道。三是借助公交车专用车道，在不妨碍公交车优先通行、满足换道动机和换道安全条件下，使网联车借道公交车道，而不占用主路车道。四是混行车道，不设置专用车道，网联车与普通车在相同道路混行，网联车获取通讯范围内的车辆速度，选择行驶速度较快的车道。

技术实现思路

1、本发明的目的在于：为了解决上述提出的问题，提供一种高速公路混行车流的网联车引导方法。

2、本发明采用的技术方案如下：一种高速公路混行车流的网联车引导方法，所述高速公路混行车流的网联车引导方法包括以下步骤：

3、step1:依据安全间距构建混行车流中车辆的跟驰模式，同时，基于mobil自主决策模型构建预期和强制换道规则；

4、step2:建立车流稳态速度预估模型；

5、step3:基于稳态速度的对车辆进行引导。

6、在一优选的实施方式中，所述步骤step1中，选取车辆跟驰模型；

7、以验证模型的可行性[67]；将这两个模型用于描述本研究中acc车辆和cacc车辆的跟车行为；

8、cacc模型表达式如下：

9、

10、ei(t)＝hi(t)-s0-l-ti×vi(t) (1-2)

11、式中，δt为仿真控制步长，vi(t+δt)为车辆i在t+δt时刻的速度；vi(t)为车辆i在t时刻的速度；ei(t)为车辆i在t时刻的实际车间时距与期望车间时距的差；为ei(t)对t的求导式；hi(t)为车辆i在t时刻与前车的车头间距，s0为最小安全停车间距；l为车辆长度；t1为期望车间时距；α1、α2为控制参数；

12、acc模型表达式如下：

13、ai(t)＝α3(hi(t)-ti×vi(t)-l-s0)+α4(vi(t)-vi-1(t)) (1-3)

14、其中，t为期望车间时距；vi-1(t)为前车i-1在t时刻的速度；α3、α4为控制参数；

15、模型参数的取值对车辆跟驰影响较大，尤其是车辆的反应时距，不同反应时距下车辆的跟驰间距差异较大；对于acc、cacc模型的参数取值参考由path实验室校对的数值，针对反应时距这一参数，他们专门研究了普通驾驶员对acc、cacc车辆反应时距的接受程度，发现人们更倾向于选择1.1s、0.6s的反应时距；据此本方法的acc、cacc模型的反应时距分别取1.1s和0.6s，以体现与实际相符的行驶规律。

16、在一优选的实施方式中，所述步骤step1中，普通车跟驰模型在拥挤状态和自由流状态下都能很好的适应，而且模型参数可以体现个性化驾驶行为，反映普通驾驶员的驾驶状态，故而采用idm模型作为人工驾驶车辆的跟驰模型；idm的加速度公式如下：

17、

18、

19、式中，v0为自由流速度；a为车辆最大加速度参数；θ为速度幂系数；b为舒适减速度。

20、在一优选的实施方式中，所述步骤step1中，基于安全间距的跟驰规则包括在异质交通流中，由于普通车和网联车混行，将形成多种跟随类型，不同的跟车类型，网联车反应时距不同，可将车辆分为四种类型：1)车队内的网联车，即cacc车辆，能保持实时通讯，采用巡航模式，以较小的反应时距t1跟随前车；2)跟随普通车的网联车，无法与前车保持实时通讯，退化为acc车辆，以反应时距t2跟驰；3)普通车，跟随任意类型车辆时均有着同样的跟驰行为，反应时距为t3；4)跟随cacc车队的新车队头车，包括前方车队达到最大长度时，即li-1＝lmax,li-1和lmax分别为前车i-1所在车队的长度、车队最大长度，与车队距离过近会增加碰撞风险，或者与前车距离过长，短时间内无法追上车队时，此时车辆以反应时距t4跟驰；

21、根据车辆的反应时距可以得到安全跟驰前车的间距，如式(1-6)，基于安全间距建立网联车和普通车的跟驰模式，具体如下：

22、si(t)＝ti×vi(t)+l (1-6)

23、其中，si(t)表示t时刻车辆安全跟驰前车的距离；ti为反应时距；

24、(1)模式1：加速跟驰

25、若车辆处于以下几种情况则进行加速跟驰模式：1)无前导车状态时；2)当普通车的前车间距满足时，此时ti＝t3；3)当车队车辆的前车间距满足时，中，均取ti＝t1，此时车辆加入车队，但与前车距离较大，应加速缩短间距，保持较小的间距行驶，提高车队的通行能力；4)当新车队头车与前车间距满足时，此时中，取ti＝t1；5)当acc车辆与前车间距满足时，此时中，取ti＝t2；这些情况中，车辆具有较大的行驶空间，执行模式1，车辆加速行驶缩短间距，直至追赶上前车或者达到最大行驶速度；速度调节规则为式(1-7)、(1-8)；

26、ai(t)＝min{amax，β(vmax-vi(t))} (1-7)

27、vi(t+δt)＝vi(t)+ai(t)×δt (1-8)

28、

29、

30、式中，δ1、δ2为间距系数；vmax为最大速度；β为加速度系数；amax为最大加速度；

31、(2)模式2：普通车跟驰

32、普通车跟随前车，若中取ti＝t3，前方间距较合适，执行模式2，以idm模型跟驰前车；

33、(3)模式3：acc跟驰

34、网联车跟随普通车，退化为acc车辆，若执行模式3，按acc模型跟驰前车；

35、(4)模式4：cacc头车跟驰

36、网联车跟随网联车，若且li-1＝lmax，中取ti＝t1，则跟驰距离较远，无法驶入车队，成为新车队头车，执行模式4，与前车仍能保持通讯，采用cacc模型跟驰前车，反应时距为t4；

37、(5)模式5：cacc车队内跟驰

38、网联车跟随网联车，若li-1＜lmax，且加入车队，执行模式5，采用cacc跟驰模型跟驰前车，反应时距为t1。

39、在一优选的实施方式中，所述步骤step1中，主换道规则的内容为：当基本路况为两条直行道和一个出口匝道，根据车辆的驾驶行为将道路分成几个区域：车辆经过缓冲区调整速度，区域1为自主换道区，区域2、3和4车辆会因驶出匝道产生预期换道和强制换道；当车辆处于直行道时，若相邻车道速度更高，空间更大，车辆会自主换道；a.kesting考虑换道影响建立mobil换道决策模型，以整体制动最小化为考量标准制定激励准则，以换道碰撞风险为考量标准制定安全准则，当安全准则和激励准则均符合时，表明车辆可安全进行换道获得更大速度，进行自主换道。

40、在一优选的实施方式中，所述步骤step2中，车流稳态判别条件为：通常情况下车辆在进入车道后会根据自车类型，以及前车的类型、速度、车间距来选择自车的驾驶模式，调整驾驶状态，车辆在不受换道干扰的情况下，经过一段时间的调整后将与前车保持稳定平衡状态，在该状态下车辆速度保持不变，无需进行加、减速，则车辆的加速度、和速度差均为0，即满足式(2-1)-(2-2)；若车辆在达到稳定平衡态后受到干扰，将会产生速度波动，需要车辆根据与前车的车间距、速度差等的变化及时进行调整，在一段时间后仍可恢复至原有的稳定平衡态；

41、ai(t)＝0 (2-1)

42、vi(t)-vi-1(t)＝0 (2-2)

43、在异质交通流中，当所有车辆均稳定行驶，则车流处于稳定平衡态，所有车辆的加速度和相邻车辆的速度差都将满足式(2-1)-(2-2)，此时车辆速度为稳态速度ve(t)，根据车辆的速度和加速度状态，则可求取车辆的稳态间距，具体为：将式(3-1)(3-2)代入车队内车辆、acc、普通车和cacc新车队头车的跟驰模型，可计算出各类型车辆的稳态车间距，分别为h1(t)、h2(t)、h3(t)、h4(t)；

44、h1(t)＝ve(t)×t1+l+s0 (2-3)

45、h2(t)＝ve(t)×t2+l+s0 (2-4)

46、

47、h3(t)＝ve(t)×t4+l+s0 (2-6)。

48、在一优选的实施方式中，所述步骤step2中，车流稳态速度预估包括：车路协同环境下，中央控制单元通过路侧单元可获取整条道路的车辆数、车辆类型，结合稳态下车间距的求解式(2-3)-(2-6)，则可预估车流达到稳态时所有车辆覆盖的道路长度xd(t)，如式(2-7)；相同车流量输入，不同车流稳态速度下车辆所覆盖的道路长度不一致，因此根据实际所覆盖的道路长度，则可求解此时车流的稳态速度，即将车辆实际所覆盖的道路长度xe,1(t)代入式(2-8)，结合式(2-7)，求解可得不同车道在车流稳定后可达到的稳态速度；

49、xd(t)＝k1(t)×h1(t)+k2(t)×h2(t)+k3(t)×h3(t)+k4(t)×h4(t) (2-7)

50、xe,1(t)＝xd(t) (2-8)

51、其中，k1(t)、k2(t)、k3(t)和k4(t)分别为t时刻行驶在车道的车队内车辆、acc、普通车和cacc头车的数量；xe,1(t)为t时刻车道头车与尾车的距离。

52、在一优选的实施方式中，所述步骤step1中，mobil模型将换道间隙约束转化为加速度约束，不满足最大安全减速度dmax则说明换道间隙小于临界间隙，会有碰撞风险；换道时为保证安全行驶，换道车辆i同时以车辆i-1和目标车道车辆j-1为前车，目标车道后车j同时以本车道前车j-1和换道车辆i为前车；根据车辆i的跟驰模式可以得到跟驰车辆i-1的加速度ai(t)，同时依据车辆i、j-1的车辆类型、车间距，则可基于2.2节的规则选择车辆i换道后的跟驰模式，预估换道后车辆i的加速度ai,j-1(t)，进而得到同时跟驰两车时的加速度a′j(t)，如式(1-11)所示；同理得式(1-12)计算车辆j同时以换道车辆i和车辆j-1为前车的加速度a′j(t)，则安全准则如式(1-13)、(1-14)；

53、a′i(t)＝min{ai(t),ai,j-1(t)} (1-11)

54、a′j(t)＝min{aj(t),aj,i(t)} (1-12)

55、a′j(t)≥-dmax (1-13)

56、a′i(t)≥-dmax (1-14)。

57、在一优选的实施方式中，所述步骤step1中，对于需要从匝道驶出的车辆，当其与出口匝道的距离较近时，会为了顺利驶离匝道提前换道，避免到达出口匝道时面临换道时间长、难以换道错过匝道等问题，因此，预期换道行为主要发生在区域2，与出口匝道距离的合适，车辆将进行预期换道；车辆通过邻车道的前、后车判断是否预期换道，此时，车辆将不考虑换道收益，只考虑换道安全，具体的预期换道规则如下：

58、1)若a′j(t)≥-dmax、a′i(t)≥-dmax，换道空间充足，直接换道；

59、2)若a′j(t)＜-dmax、a′i(t)＜-dmax，换道空间不足，换道调整难度大，放弃预期换道；

60、3)若a′i(t)≥-dmax、a′j(t)＜-dmax和a′i(t)＜-dmax、a′j(t)≥-dmax，换道空间不足，需换道车辆i或目标车道后随车j进行速度调整；换道意图在[0σ]间随机取值，若其大于换道收益阈值，则调整速度完成换道，否则放弃换道；

61、调整过程：若a′j(t)＜-dmax，车辆j以舒适减速度dcom减速，车辆i保持原驾驶状态，减速规则如式(1-17)、(1-18)所示；若a′i(t)＜-dmax，车辆i以dcom减速；车辆j以换道车辆i为前导车，进行跟驰；

62、aj(t)＝max{-dcom,-(vj(t)-vmin)} (1-17)

63、vj(t+δt)＝vj(t)+aj(t)×δt (1-18)。

64、在一优选的实施方式中，所述步骤step3中，基于稳态速度的车辆引导方法包括：

65、车队车辆以较小间距跟驰前车，可提高道路通行能力，若前车为网联车且车队长度较短，则选择该车道可加入车队，发挥网联车队的作用，此外，因驶出匝道而产生的强制换道，容易造成车流扰动，若是在相同车流状态中，车辆选择靠近匝道的车道，则可避免强制换道，因此，考虑各车道的稳态速度，同时结合前车类型、前车队长和驶出匝道意图提出车辆引导方法，具体内容如下所示：

66、定义分别为由step 2的稳态速度预估模型求解得到的1、2车道可达到的稳态速度；分别为1、2车道前车队长；vs为期望行驶速度，表示车辆对行驶速度的心理预期值；

67、(1)1、2车道的前车同为网联车时，车道选择过程如附图2所示，具体如下：

68、①当1、2车道均满足驾驶预期，若车辆需从匝道驶出，则选择2车道，避免强制换道；若无需从匝道驶出，且则选择2车道，加入车队增强稳定性和提高通行效率，否则，选择1车道，可加入车队，同时，避免为邻车道车辆强制换道减速让步，增加走行时间；

69、②当1、2车道均无法满足驾驶预期，若车辆需从匝道驶出，则选择2车道，减少在拥挤状态下较难换道的情况；若无需从匝道驶出，且则选择2车道，行驶速度更大，同时加入车队增强稳定性和提高通行效率，否则选择1车道，避免因强制换道而减速让步，增加走行时间；

70、③当则选择符合预期的2车道；则选择1车道；

71、(2)1、2车道的前车同为普通车时，车道选择过程与(1)相似，区别在于①、②：当和车辆无需从匝道驶出，此时，网联车无法加入车队，应选择稳态速度更大的车道，减少走行时间，因此，若选择1车道；若选择2车道；

72、(3)1、2车道的前车分别为网联车和普通车时，车道选择过程与(1)相似，区别在于①、②：当或车辆无需从匝道驶出，若或选择前车为网联车的车道，加入车队增强稳定性和提高通行效率；否则，选取稳态速度更大的车道，若选择1车道；若选择2车道。

73、综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

74、1、本发明中，提供一个适用于网联车与普通车混行的引导管理方法，克服网联车渗透率低时专用车道压缩普通车的驾驶空间缺陷，减少进出专用车道带来的换道行为，此外，在车路协同环境下，通过对整体车流运行状态的预估，为网联车分配走行效率更高的车道，减小自主换道行为，提高车流通行效率。

75、2、本发明中，与依据间距选择车道的管理方法相比，通过稳态速度预估整体车流运行速度，选择车速符合预期的车道，减少自主换道次数，同时增加车队的形成率，提高通行效率；相比于设置专用车道的方法，本文中网联车与普通车为混行，网联车渗透率低时，可避免压缩普通车的驾驶空间，同时考虑到前方车道尾车的类型，提高混行车流中车队的组成概率，提高网联车车队长度，进而提升车辆总体通行效率；通过考虑车辆驶出匝道的意图在路况相近的情况下，选择靠近匝道的车道，减少预期换道和强制换道次数，提高匝道附近主路的车流稳定性。