高速公路匝道合流区车辆多场景汇入控制系统及方法

本发明涉及高速公路管理控制，具体为高速公路匝道合流区车辆多场景汇入控制系统及方法。

背景技术：

1、高速公路匝道合流区是高速公路上一个重要的交通节点，它涉及到匝道车辆与主路车辆的交汇与融合。在高速公路合流区加速车道上待汇入车辆和主线车辆在速度上存在明显的差异，汇入车辆必须在限制的加速车道长度内，以超过最低限速的速度尽快地换道汇入主线行驶；同时，汇入车辆要判断主线车流速度和周围车辆空间状态，识别周围影响车辆并与其保持一定安全间距，在综合考虑多种影响因素后，选择合适的位置汇入，顺利并入主线车流。

2、虽然上述情况在一定程度上能够使汇入车辆顺利并入主线车流，但也存在一些问题，即对于汇入区域考虑不充分，未能针对匝道合流区汇入受限区域和汇入不受限区域进行区分；汇入过程中仅考虑到后随车辆对汇入行为的影响，对周边其他影响车辆存在的汇入场景考虑不完整，不能保障不同场景下车辆的安全顺利汇入。由于匝道汇入区域是高速公路中的事故多发段，不仅影响交通安全，还对交通效率产生重要影响，所以高速公路匝道合流区车辆多场景汇入控制显得非常重要。

3、因此本发明提出高速公路匝道合流区车辆多场景汇入控制系统及方法解决上述问题，该管控系统通过车辆通信技术，实时监测匝道及主路车辆的运行状态，按照车辆汇入时的不同环境划分为不同汇入场景，综合考虑运行安全、车内人员舒适性等，对车辆的汇入进行规划，有助于减少交通事故的发生并改善交通流动分布，进而提高匝道车辆汇入主路安全性和效率。

技术实现思路

1、为了克服现有技术的上述缺陷，本发明的实施例提供高速公路匝道合流区车辆多场景汇入控制系统及方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：高速公路匝道合流区车辆多场景汇入控制系统，包括合流区车辆数据采集模块、合流区车辆控制模块和智能网联车交互模块；

3、所述合流区车辆数据采集模块通过设置于高速公路两侧的感知设备采集智能网联车辆和人工驾驶车辆空间位置和运动状态参数，并通过通信传输设备传输至合流区车辆控制模块；

4、所述合流区车辆控制模块通过数据采集模块采集数据判断车辆汇入场景，从而构建车辆汇入距离预测模型进行预测得到当前车辆汇入距离，根据汇入距离进行轨迹规划，并将规划结果传输至智能网联车交互模块；

5、所述智能网联车交互模块通过路侧通信传输设备在期望的时间内，用于接收上述控制模块传递的轨迹信息。

6、优选的，所述合流区车辆数据采集模块中车辆空间位置和运动状态参数包括汇入场景分析参数，车辆汇入位置分析参数和车辆汇入轨迹规划分析参数；其中汇入场景分析参数包括汇入车的速度vn、加速度an和当前所处加速车道汇入受限区域位置l1n，当前状态行驶至加速车道末端所需时间tmax,后随车r的速度vr、加速度ar，和汇入车n与后随车r之间的距离lnr，计算时间tmax内后随车行驶距离lrmax，驶出汇入受限区域所需时间tm1，伴随车p行驶距离lpm1；车辆汇入位置分析参数包括汇入车辆不同的汇入场景不同的输入数据，预测车辆的汇入距离比r23n和实际地点的汇入受限区域长度s1,汇入不受限区域的长度s23；车辆汇入轨迹规划分析参数包括加速度数组a(i:e)，汇入路段安全条件下允许的加速度aamax和减速度be，最大横摆角加速度ω。

7、优选的，所述合流区车辆控制模块包括管理控制中心单元、交通数据存储库单元和数据处理中心单元，其中管理控制中心单元对汇入场景分析参数和车辆汇入轨迹规划分析参数进行处理，交通数据存储库单元和数据处理中心单元对车辆汇入位置分析参数进行处理。

8、优选的，所述合流区车辆控制模块中管理控制中心单元得到驶入汇入不受限区域前，影响范围内无车辆，进入可汇入区域后，汇入场景为场景1。

9、优选的，所述合流区车辆控制模块中管理控制中心单元得到汇入场景为场景2，进入下一阶段的判断：

10、骤1.2.1：根据汇入车的速度vn、加速度an和当前所处加速车道汇入受限区域位置l1n来计算，以当前状态行驶至加速车道末端所需时间tmax，计算模型为：

11、步骤1.2.3：获取影响范围内后随车r的速度vr、加速度ar，和汇入车n与后随车r之间的距离lnr，计算时间tmax内后随车行驶距离lrmax，计算模型为：

12、步骤1.2.3：比较(s1+s23-l1n)+lnr和lrmax之间的大小关系，若(s1+s23-l1n)+lnr大于lrmax则判定场汇入场景为场景2，若(s1+s23-l1n)+lnr小于lrmax则判定场汇入场景为场景3，后随车r转变为伴随车，计算模型为：

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14、优选的，所述合流区车辆控制模块中管理控制中心单元判定为场景3的汇入车辆n，首先，计算汇入车n驶出汇入受限区域所需时间tm1；然后，计算tm1时间内伴随车p行驶距离lpm1；最后，比较(s1-l1n)+lnp和lpm1之间的大小关系，若(s1-l1n)+lnp大于lpm1则判定合并时刻位于汇入不受限区域，若(s1-l1n)+lnp小于lpm1则判定合并时刻位于汇入受限区域，计算模型为：

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16、优选的，所述合流区车辆控制模块中数据处理中心单元从交通数据存储库单元中提取预测模型所需参数的时间序列矩阵，预测车辆的汇入位置，输出预测结果为车辆的汇入距离比r23n；最终，根据实际地点的汇入不受限区域的长度s23，计算出汇入车辆n实际汇入距离l23n，计算模型为：l23n＝s23·r23n。

17、优选的，所述合流区车辆控制模块中管理控制中心单元根据数据处理中心所预测的车辆汇入位置，对车辆的汇入轨迹进行规划，具体包括以下步骤：

18、步骤4.1：对汇入车辆轨迹规划中，对车辆的横摆角速度和加速度进一步进行约束，约束表示模型为：其中a(i:e)为从当前点i到预测终点e汇入轨迹规划策略中的加速度数组；max(a(i:e))和min(a(i:e))为a(i:e)中最大和最小的元素，表示汇入轨迹规划策略中出现的最大加速度和最大减速度，aamax和be分别为汇入路段安全条件下允许的加速度和减速度；max(ω)表示辅助策略ω中的最大元素，为最大横摆角加速度；ωamax为汇入路段安全条件下允许的最大横摆角加速度；

19、步骤4.2：在汇入过程中车辆的横纵向位置可用通过五次多项式曲线进行描述，描述模型为：其中a＝[a0，a1，a2，a3，a4，a5]t与b＝[b0，b1，b2，b3，b4，b5]t是待定系数，t是时间；然后x，y分别对时间t求一阶导数，则车辆速度的状态曲线可表示为：

20、最后x，y分别对时间t求二阶导数，则车辆加速度的状态曲线可表示为：

21、高速公路匝道合流区车辆多场景汇入控制方法，包括以下步骤：

22、步骤1：通过路侧感知设备和通信传输设备采集智能网联车辆和人工驾驶车辆空间位置和运动状态，并根据汇入车辆及周边影响范围内相关车辆空间及运动状态信息，得到当前汇入车辆的汇入场景；

23、步骤2：根据步骤1得到的当前汇入车辆的汇入场景，从交通数据存储库单元中提取汇入车辆在禁止跨域同向车行道区域内的相关信息；

24、步骤3：根据步骤2提取到的输入数据，对车辆汇入距离进行预测，预测车辆的汇入位置；

25、步骤4：根据步骤3预测车辆的汇入位置，对车辆的汇入轨迹进行规划；

26、步骤5：根据步骤4得到的规划后的轨迹信息，汇入车辆进入汇入不受限区域前，通过路侧通信传输设备在期望的时间内，将轨迹信息发送给汇入车辆。

27、本发明的技术效果和优点：

28、1、本发明通过路侧感知设备和通信传输设备采集智能网联车辆和人工驾驶车辆空间位置和运动状态，并根据汇入车辆及周边影响范围内相关车辆空间及运动状态信息，综合考虑了汇入车辆在禁止跨越同向车行道区域和可跨越同向车行道区域之间的关系，得到当前汇入车辆的汇入场景，有助于对不同场景的精准控制；

29、2、本发明通过数据处理中心单元根据车辆汇入场景，从交通数据存储库单元中提取汇入车辆在禁止跨域同向车行道区域内的相关信息，将模型所需参数的时间序列矩阵输入预测模型，预测得到车辆进入可跨越同向车行道区域后的汇入距离，有助于保障不同场景下车辆的安全顺利汇入；

30、3、本发明通过管理控制中心单元根据数据处理中心单元所预测的车辆汇入位置，对汇入车辆未来时间内轨迹进行规划，汇入车辆进入汇入不受限区域前，通过路侧通信传输设备在期望的时间内，将车辆轨迹信息发送给汇入车辆，有助于提高匝道车辆汇入主路安全性和效率。