CN102280026B

CN102280026B - 一种全息环境下的车辆分形协作控制方法

Info

Publication number: CN102280026B
Application number: CN 201110204823
Authority: CN
Inventors: 董红召; 赵玉婷; 郭海锋
Original assignee: Zhejiang University of Technology ZJUT
Current assignee: Zhejiang University of Technology ZJUT
Priority date: 2011-07-20
Filing date: 2011-07-20
Publication date: 2013-07-31
Anticipated expiration: 2031-07-20
Also published as: CN102280026A

Abstract

一种全息环境下的车辆分形协作控制方法，包括以下步骤：①依照公式(1)分别建立车辆级、路段级、区域级的分形体；②车辆级分形体协作过程：路段级分形体根据请求车辆级分形体与前方车辆间距大小排序，并向间距最小的车辆级分形体发出允许开始协作信号，该车辆级分形体判断与邻道前、后车间距是否允许车辆驶入：若是则驶入邻道，若否维持原状，并将协作结束信号发送给路段级分形体；路段级分形体协作过程与车辆级分形体协作过程相似，仅区别于：是根据请求路段级分形体的前方路段拥堵的严重程度进行排序；③采用D2L系统描述分形体协作过程的控制规则，通过垂直及水平协作对车辆协作过程进行控制。本发明控制效果良好、实用性强。

Description

一种全息环境下的车辆分形协作控制方法

技术领域

本发明涉及智能交通控制领域，尤其是一种车辆分形协作控制方法。

背景技术

目前，交通安全与交通拥堵是困扰世界各国社会经济发展的重要因素，交通拥挤更是远未解决的科学难题，对交通流运行规律和交通拥挤机理的准确认识则是解决该问题的首要前提，而这一问题在很大程度上归结于人、车、路及其群体之间在已有道路交通条件下的车辆协作问题。

车辆协作问题，是指行驶车辆以驾驶员自身感知和现代信息技术手段获得的车况及交通路况信息为基础，通过调整驾驶行为与其他车辆进行协作，减少有害驾驶行为对周围交通流的影响，优化行驶路径，共享交通资源。该问题在日益拥堵的道路交通网络中具有重要的应用价值，车辆协作机理对简化复杂交通系统，深入研究交通流的运行机理，认识交通流的运行规律将起到重要的贡献。

已有的车辆协作研究可归纳为以下两个方面：一是从心理学和行为学的角度研究驾驶员的普遍性驾驶行为，在驾驶员仅能感知局部有限信息的前提下，通过协调交通信号控制系统各交叉口的信号配时对驾驶员群体性的趋同行为进行宏观控制；二是从自动控制理论的角度将车辆假设为完全自治的智能体，通过研究智能体之间的协作行为探讨具备各种信息采集、传输、控制等功能的“智能车辆”间的协作机理问题^[3-8]。前者属于信息不完备情况下的粗粒度协作方式，即以路段上的车流为单位，各路段上的车流通过信号灯的调控影响大区域范围内车辆路径的选择行为，进而协调各路段、各行进方向车道间的交通流。后者实际上属于机器人范畴，研究的对象可控性强、常以完成特定任务为目的，之间的协作问题与多机器人协作极为类似，但是脱离实际交通，对当前及今后很长一段时间内的车辆协作问题指导作用较小。

车辆的全息环境现已成为世界各国研究的热点，如美国的车路集成系统(VII)等。在全息环境下，驾驶员通过路侧设备及车载设备提供的信息，为车辆协作中感知交通情境的全息信息提供了可能，也陆续出现了在全息环境或是其仿真环境下的车辆协作研究成果，可概括为以下三类：一是研究协作的系统架构，即将交通系统中合适的对象作为智能体，直接运用一般的多智能体协作模型和方法对车辆协作进行研究^[20-22]。二是研究协作的具体方法^[23]。三是研究协作过程中的通信问题^[24-25]。上述车辆协作研究成果一方面未对车辆协作特殊性进行分析，即车辆是一个移动的个体，其在时间和空间上都是在不断动态变化当中，车辆之间的相互关系自然也就随之快速变化；另一方面针对性较强，大都仍局限于从大范围交通流平衡(即“车辆群的协作”)的角度出发，没有对小区域路段以及车辆个体间的协作机理进行研究。

发明内容

为了克服已有的车辆协作控制方法的控制效果较差、实用性较差的不足，本发明提供一种控制效果良好、实用性强的全息环境下的车辆分形协作控制方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种全息环境下的车辆分形协作控制方法，包括以下步骤：

①建立分形体模型，

分形体总模型将由分形体外形结构Fout和内部功能组成Fin，即F＝<Fout|Fin>，Fout是依据车辆协作单元空间分布的自相似性抽取得到，采用能够描述各级分形体隶属关系、空间分布的相互位置关系和所呈现出的交通状况等信息的三维分形结构矩阵来表征，分形结构矩阵A第一、二维表示分形体空间位置，第三维表示分形体所呈现出的交通状况，Fin是依据车辆协作单元功能上具有自相似性抽取得到，包括分形体的理念L、行为动作M、行为规则R、情境感知能力G、决策推理K、车车及车路通信C、人机耦合O，分形体模型表示为：

F＝<Fout|Fin>＝<A|(C，M，G，K，L，O，R)> (1)

依照公式(1)分别建立车辆级、路段级、上一行政区域级的分形体；

②全息环境下车辆分形协作过程，具体如下：

首先，车辆级分形体协作过程：各车辆级分形体根据自身与前方车辆间距离提出是否借用邻道的请求，路段级分形体根据请求车辆级分形体与前方车辆间距大小排序，并向间距最小的车辆级分形体发出允许开始协作信号，该车辆级分形体判断与邻道前车和后车间距是否允许车辆驶入：若是则驶入邻道，若否维持原状，并将协作结束信号发送给路段级分形体；路段级分形体再根据新的请求重新排序，再次进行车辆级分形体协作过程；

区域内两交叉口间路段级分形体协作过程：各路段级分形体根据前方路段是否拥堵提出借用相邻道路的请求，区域级分形体根据各请求路段级分形体的前方路段拥堵的严重程度排序，并将允许开始协作信号发送给前方路段拥堵程度最高的路段分形体，该路段分形体判断相邻道路前一路段的前后路段是否畅通：若是就驶入相邻道路前一路段，若否保持原状，并将协作结束信号发送给上一级区域级分形体；上一级区域级分形体再根据新的请求重新排序，依次进行区域内两交叉口间路段级分形体协作过程。

③全息环境下基于D2L系统的车辆分形协作过程的协作控制，具体如下：

设计分形体协作控制规则：采用D2L系统描述分形体协作过程的控制规则，对车辆协作过程进行控制。在车辆协作过程中，协作控制规则对各级分形体的控制就是对分形结构矩阵的控制，即在当前时刻t根据此时分形结构矩阵中各分形体的相对位置关系及其呈现的交通状态，利用协作控制规则决定此时各分形体应该采取的协作行为，随着协作行为的实施分形结构矩阵随之变化。为了符合实际中的车辆具有追寻最大利益这一特点的同时能够避免车辆采取盲目性驾驶行为，生成规则设计为当前时刻下协作最为迫切的分形体首先可以采取协作行为，但必须要在能够满足基本交通规则和协作对象仍有未被利用的闲置资源前提下进行。

协作控制手段——垂直及水平协作控制：车辆分形协作控制方法中，不同级分形体通过父级与子级分形体之间的垂直控制进行协作，即由父一级分形体控制子一级分形体，包括父级构造子级分形体、为子级分形体提供信息共享、向子级分形体发布协作结果等。同一级分形体通过水平控制，即利用简单控制规则在时间上保证分形体的协调运行。

本发明的技术构思为：全息环境下研究的车辆协作是一个典型的多智能体协作问题，同时也是一个非线性复杂的大系统。分形理论给我们带来了解决复杂系统的新途径。复杂系统可以通过简单单元的叠加和集成而生成，其运行依靠简单的控制规则得以保证^[26]。同时已有研究表明，交通流运行规律的涌现是通过每一个车辆个体所表现出来的，车辆个体彼此间的行为具有极大的相似性，可以看成是通过车辆单元的叠加和集成而生成，这与分形理论极为相近。将分形理论运用到车辆协作中。

本发明的有益效果主要表现在：控制效果良好、实用性强。

具体实施方式

下面对本发明作进一步描述。

一种全息环境下的车辆分形协作控制方法，包括以下步骤：

①建立分形体模型，

F＝<Fout|Fin>＝<A|(C，M，G，K，L，O，R)> (1)

②全息环境下车辆分形协作过程，具体如下：

本实施例中，道路的分形特征分析，主要有以下三方面：

1.1)道路空间的车辆分布自相似性分析

如果将道路上的车辆垂直投影到路面上，该阴影可以近视为一个以车道宽度为宽、以车辆长度为长的矩形，则这些矩形与城市道路本身形状一起所组成的图形经过分析具有一定的自相似性。

以整个路网区域为尺度，车辆在该路网的分布状况可以近似为由最外围道路围成的一个矩形，如果该路网区域已超过道路负载，可以近似为实心矩形；如果未超过道路负载，近似为空心矩形。以两交叉口路段为尺度，可以将车辆在每个两交叉口间路段的分布近似为两交叉口间路段长度为长、车辆行驶方向为箭头所指方向的车道宽度之和为宽的矩形，超过两交叉口路段内道路负载容量的路段近似为一个实心矩形；未超过道路负载容量的路段近似为一个空心矩形，延长路段近似为实心矩形。进一步以车辆为尺度，将每个车辆分布状况近似为以两车车尾距离为长、车道宽度为宽的矩形，如果同一车道内前后相邻两车的车间距过小已影响后车的行驶速度，该后车所在矩形可以近似为实心矩形；如果后车的行驶未受到影响，所在矩形可以近似为空心矩形。可见区域矩形是由两交叉口间路段矩形组成，每一个两交叉口路段矩形是由各车辆近似矩形所组成的，并且无论是由道路矩形所组成的图形还是由车辆矩形所组成的图形都呈现了纵向整齐排列，而且每一列中是由空心矩形和实体矩形相隔组成的，具有明显的相似性。

1.2)车辆一般的协作过程具有自相似性

以两交叉口路段为尺度，路段内所有车辆作为协作单元，在平衡各道路路段间交通流并提高车速的过程中，常是在满足一定约束条件下通过已处于拥堵状态路段的后方车辆借道于其它有闲置运载能力的道路以避开前方拥堵路段。以车辆为尺度，作为协作单元，在平衡路段的各车道间交通流并提高车速的过程中，常是在符合一定约束条件下通过因与前方车辆距离过近、车速受到较大影响的车辆借道于其它有闲置运载能力的车道来解决的。可见，区域内以各两交叉口路段中的车辆整体作为协作单元的车辆协作过程与两交叉口路段内以各车辆为协作单元的车辆协作过程具有明显的自相似性。

1.3)协作单元功能上具有自相似性

全息环境下，无论是区域内所有车辆为整体的协作单元还是以各两交叉口路段内车辆为整体的协作单元还是以各车辆个体形成的协作单元都能够实现车况和路况信息的获取、与外界环境(如其它协作单元或道路)的信息交互、信息智能处理、数据存储、行为执行、人机交互等功能，即各整体与局部或大局部与小局部范围内所有车辆形成的协作单元在功能上具有自相似性。

通过以上分析表明，车辆在空间分布、协作过程和功能上都具有的自相似性，并且这些自相似性是近似的或统计意义上的。

分形体建模的过程：根据车辆在空间分布上和车辆协作单元在功能上具有的自相似性，抽取车辆在不同尺度区域上呈现出的分形特征，将具有智能性的车辆协作单元或其组合以及与其直接相关的周围道路基础设施，抽象为各级具有自相似性和车路情境感知智能的分形体，则复杂的车辆协作系统可以通过简单单元的叠加和集成而生成，简化为各级分形体的协作系统。

分形体的构造过程是根据不同区域尺度由整体协作区域到局部协作区域或是大局部协作区域到小局部协作区域，根据区域范围内车辆及其道路组成的协作单元在形状、功能、协作过程等各方面的自相似性，分级从父一级分形体中构造组成且与父一级分形体有相似性的子一级分形体。

为能从外形和功能上对分形体进行全面描述，分形体总模型将由分形体外形结构Fout和内部功能组成Fin，即F＝<Fout|Fin>。Fout是依据车辆协作单元空间分布的自相似性抽取得到，采用能够描述各级分形体隶属关系、空间分布的相互位置关系和所呈现出的交通状况等信息的三维分形结构矩阵来表征。分形结构矩阵A第一、二维表示分形体空间位置，第三维表示分形体所呈现出的交通状况，是分形体进行协作控制的依据。Fin是依据车辆协作单元功能上具有自相似性抽取得到，包括分形体的理念(协作目标)L、行为动作M、行为规则R、情境感知能力G、决策推理K、车车及车路通信C、人机耦合O等。因此，完整的分形体总模型可表示为：

F＝<Fout|Fin>＝<A|(C，M，G，K，L，O，R)> (1)。

全息环境下车辆分形协作过程的协作控制方法：

由于构造出了具有分形结构和智能性的分形体，车辆协作系统已简化为分形体协作系统，具体的协作控制方法是充分考虑和分析驾驶员在车辆行驶中的习惯、行为和心理及对车辆协作过程的影响，过滤个性因素提炼协作共性生理和心理，根据车辆运动过程中协作行为产生的机理形成简单的控制规则保证分形体系统的运行，包括不同等级间的垂直协作控制和同一级分形体间的水平协作控制。

3.1)分形体协作控制规则

分形体协作控制规则可以采用分形2L系统进行描述。2L系统是一种“上下文有关的L系统(Context sensitive L system)”，既考虑左边语法关系又考虑右边语法关系，是上下文要求最严格的关系。交通的特性是车辆在连续状态空间中各相关状态的协作关系，2L是适合于这种车辆协作过程的描述方法。

在车辆协作过程中，协作控制规则对各级分形体的控制就是对分形结构矩阵的控制，即在当前时刻t根据此时分形结构矩阵中各分形体的相对位置关系及其呈现的交通状态，利用协作控制规则决定此时各分形体应该采取的协作行为，随着协作行为的实施分形结构矩阵随之变化。为了符合实际中的车辆具有追寻最大利益这一特点的同时能够避免车辆采取盲目性驾驶行为，生成规则设计为当前时刻下协作最为迫切的分形体首先可以采取协作行为，但必须要在能够满足基本交通规则和协作对象仍有未被利用的闲置资源前提下进行。

3.2)垂直及水平协作控制

车辆分形协作控制方法中，不同级分形体通过父级与子级分形体之间的垂直控制进行协作，即由父一级分形体控制子一级分形体，包括父级构造子级分形体、为子级分形体提供信息共享、向子级分形体发布协作结果等。同一级分形体通过水平控制，即利用简单控制规则在时间上保证分形体的协调运行。

Claims

1.一种全息环境下的车辆分形协作控制方法，其特征在于：所述车辆分形协作控制方法包括以下步骤：

①建立分形体模型，

分形体总模型由分形体外形结构Fout和内部功能Fin组成，即F=<Fout|Fin>，Fout是依据车辆协作单元空间分布的自相似性抽取得到，采用能够描述各级分形体隶属关系、空间分布的相互位置关系和所呈现出的交通状况信息的三维分形结构矩阵来表征，分形结构矩阵A第一、二维表示分形体空间位置，第三维表示分形体所呈现出的交通状况，Fin是依据车辆协作单元功能上具有自相似性抽取得到，包括分形体的理念L、行为动作M、行为规则R、情境感知能力G、决策推理K、车车及车路通信C、人机耦合O，分形体模型表示为：

F=<Fout|Fin>=<A|(C,M,G,K,L,O,R)> （1）

依照公式（1）分别建立车辆级、路段级、上一行政区域级的分形体；

②全息环境下车辆分形协作过程，具体如下：

再者，区域内两交叉口间路段级分形体协作过程：各路段级分形体当前方路段拥堵时提出借用相邻道路的请求，区域级分形体根据各请求路段级分形体的前方路段拥堵的严重程度排序，并将允许开始协作信号发送给前方路段拥堵程度最高的路段分形体，该路段分形体判断相邻道路前一路段的前后路段是否畅通：若是就驶入相邻道路前一路段，若否保持原状，并将协作结束信号发送给上一级区域级分形体；上一级区域级分形体再根据新的请求重新排序，依次进行区域内两交叉口间路段级分形体协作过程；

③全息环境下基于D2L系统的车辆分形协作过程的协作控制，分形体协作控制规则可以采用分形2L系统进行描述，2L系统是一种“上下文有关的L系统（Context sensitive L system）”，既考虑左边语法关系又考虑右边语法关系，是上下文要求最严格的关系，交通的特性是车辆在连续状态空间中各相关状态的协作关系，2L是适合于这种车辆协作过程的描述方法;

具体如下：

设计分形体协作控制规则：采用D2L系统描述分形体协作过程的控制规则，对车辆协作过程进行控制，在车辆协作过程中，协作控制规则对各级分形体的控制就是对分形结构矩阵的控制，即在当前时刻t根据此时分形结构矩阵中各分形体的相对位置关系及其呈现的交通状态，利用协作控制规则决定此时各分形体应该采取的协作行为，随着协作行为的实施分形结构矩阵随之变化；生成规则设计为当前时刻下协作最为迫切的分形体首先可以采取协作行为，但必须要在能够满足基本交通规则和协作对象仍有未被利用的闲置资源前提下进行；

协作控制手段采用垂直及水平协作控制：车辆分形协作控制方法中，不同级分形体通过父级与子级分形体之间的垂直控制进行协作，即由父一级分形体控制子一级分形体，包括父级构造子级分形体、为子级分形体提供信息共享、向子级分形体发布协作结果，同一级分形体通过水平控制，即利用简单控制规则在时间上保证分形体的协调运行。