CN105206068B - 一种基于车车通信技术进行高速公路合流区安全协调控制方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于车车通信技术进行高速公路合流区安全协调控制方法,首先判断车辆B的类型,如果是大型货车,根据车辆B的信息计算得到其到达合流区冲突区域的时间范围。以车辆B到达合流区冲突区域的时间范围为限制条件,计算车辆A在车辆B的时间范围内到达冲突区域范围的速度区间,即最小和最大速度值。然后,比较车辆A当前的行驶速度,如果车辆A的行驶速度在这个速度范围内,则会与车辆B在同一时间内到达冲突区域,需要对车辆A的速度进行调整,避免与车辆B发生冲突。最后根据车辆行驶间距,通过计算可以得到主路车辆A和匝道车辆B既避免冲突,又不影响通行效率的最佳建议速度值。通过语音或文字提醒驾驶人员采用建议的速度驾驶车辆。
Description
技术领域
本发明属交通安全服务领域,涉及一种基于车车通信技术进行高速公路合流区域匝道大型货车和主路车辆间安全协调控制的方法。本发明不仅应用于匝道大型货车与主路车辆的安全协调运行,对于其它大型车辆也一样适用。
背景技术
高速公路的合流区包括匝道、加速车道以及与之相联系的主线部分。由于匝道车辆的驶入干扰到主线车道的行车,容易引起交通混乱,是高速公路常见的事故多发区域。在我国,一方面,随着货运交通量的增加以及货运车辆向大型化、重载化方向发展,对货车的性能和要求不断提高;另一方面,货车比例高而车辆运行性能较差,超载现象严重,对高速公路行车安全构成了极大威胁。在我国货车已成为引发重大交通事故的主要原因,载重货车相关事故占该高速公路事故总数的53.62%。而在高速公路合流区,由于货物超载或车辆自身条件等导致的货车以低于高速公路要求的速度进入合流区主路,对主路高速行驶的车流造成干扰,引起合流区运行的紊乱,大大加重了合流区的安全风险。据统计合流区出现的交通事故占事故总数的30%。国际上解决合流区安全问题的研究也从开始的合流区基础设施的优化设计、主动交通管理(ATM)、到目前的基于车车及车路通信的互联车辆和自动车辆技术。
车车通信技术的出现为合流区交通运行安全和效率的提升提供了有效的技术手段。它通过车车、车路通信,在车辆间和车路间的高速移动中为用户提供安全预警等各种服务。在美国交通运输部2015年发布的智能交通战略研究计划中,基于5.9GHz专用短程通信的车车、车路互联技术提高道路交通的安全性是其中最重要的内容,预计通过互联车辆技术可以降低82%的道路安全事故。
合流区安全影响较大的是车辆速度差造成的安全隐患,也是造成拥堵的主要原因。由于大型货车存在的超载、车辆状况不佳等导致其行驶速度和加减速均较低,在高速公路上易于与高速行驶的车辆发生碰撞,远比普通车辆更加危险。因此,本发明针对大型货车通过合流区的情况进行协调控制方法进行设计。
发明内容
本发明提出了一种基于车车通信进行合流区交通安全控制的新方法。通过车车通信技术采集和传输合流区附近车辆位置、速度等信息,计算并预测主路和匝道车辆到达合流区域内可能引发的安全冲突和干扰,通过控制协调方法提前对驾驶人员预警,调整车辆驾驶行为,降低安全冲突和拥堵的发生的几率。这种针对大型货车的控制方法比传统的合流区静态的控制方法更加有效,算法效率更高,对车辆正常行驶的干扰更小,并能提高通行效率。
一种基于车车通信技术进行高速公路合流区安全协调控制方法,本方法是在满足车车通信环境下实现的,即每个车辆都安装有支持车辆定位和车车通信功能的车载终端,车载终端上装有车载电子地图。车辆行驶过程中,车载终端实时采集车辆信息,车车之间传输各自的位置、速度等信息,车辆在接收到其它车辆传来的信息后,按照本发明描述的协调控制方法进行信息处理。将处理得到的行驶建议通过车载终端对驾驶人员进行预警,使驾驶人员及时调整驾驶行为,减少安全风险。
定义合流区冲突区域的范围为主路与匝道结合点到加速车道终点之间的区域,长度为χ。
设定主路车辆A在距合流区冲突区域起点前tW秒处开始预警,tW能够根据安全性、舒适性、节能等因素进行调整。车辆A距合流区冲突区域起点距离为χA。
步骤一、初始化系统,协调控制状态标志值置0。0为车辆处于非协调控制状态;1为车辆处于协调控制状态。
步骤二、信息采集和传输
车载终端实时采集车辆行驶信息,车辆通过车车通信以10赫兹的频率向周边车辆发送自己的信息。采集和发送的信息包括:当前时间、车型、地理位置(经纬度)、速度、加速度、方向角等。
步骤三、主路车辆A收到匝道车辆B发送的信息,首先判断车辆A的协调控制状态标志值;再根据车辆B传输的信息,判断车辆B的车型。
a.读取车辆A协调控制状态标志值,如果为0,说明车辆A不处于协调控制状态;再根据车辆B传输的信息,如果车辆B为大货车,执行下一步骤。
b.如果车辆A协调控制状态标志值为1,或者车辆B不是大货车型,返回步骤二。
步骤四、计算预测车辆B到达合流区冲突区域的时间范围
车辆A根据接收到的车辆B的速度和加速度,计算车辆B到达合流区冲突区域起点和终点的时间t1和t2。
匝道车辆B为近似直线的匀加速运动,车辆B距离合流区起点为χB,速度为VB,加速度为αB,得出车辆B到达合流区冲突区域起、终点的时间t1和t2。
步骤五、根据车辆B到达合流区时间,判断是否满足对车辆A进行预警的条件
如果车辆B到达合流区冲突区域起点的时间满足对车辆A预警的时间要求,即t1≤tW,则,有匝道大货车辆在预警时间tW内到达合流区冲突区域,需要对车辆A进行预警控制,执行下一步。
如果t1>tW,则不满足对车辆A预警的时间要求,返回步骤二。
步骤六、在车辆A与车辆B在合流区冲突区域可能发生冲突条件下,计算车辆A当前应具有的速度范围(VA1,VA2)
根据冲突的条件,车辆A在与车辆B在相同时间内(t1,t2)到达冲突区域内,则会与车辆B发生冲突。以(t1,t2)为约束条件,计算车辆A在(t1,t2)到达冲突区域的速度范围(VA1,VA2)。
步骤七、判断车辆A当前速度是否在冲突速度范围内
如果车辆A当前的速度在冲突速度范围内,VA∈(VA1,VA2),即VA>VA1,且VA<VA2,则车辆A有可能在合流区冲突区域与车辆B发生冲突,需要对车辆A发出车速调整预警。设置车辆A预警标志值为1,执行下一步。
如果车辆A当前速度不在冲突速度范围内则不需要速度调整,返回步骤二。
步骤八、根据冲突速度范围,初步选定车辆A安全行驶速度建议值
车辆A在合流区冲突区域不与车辆B发生冲突的前提条件是:车辆A的当前速度不在冲突速度区间内因此,只要使即VA<VA1,或VA>VA2,就可以避免在合流区冲突区域与车辆B发生冲突。但是,如果车辆A当前速度取值大于冲突速度范围最大值VA>VA2,则需加速行驶避开冲突区域,而由于高速公路上车辆加速可能带来新的安全隐患,因此当车辆A按当前车速行驶有可能在冲突区域内与车辆B发生冲突时,本方法只采用车辆减速的方式避开冲突区域,即车辆A安全速度值应小于冲突速度范围的最小值,VA<VA1。
步骤九、保证安全和通行效率条件下,最终确定车辆A安全行驶速度建议值
车辆A安全行驶速度建议值VA的取值应该在保证冲突区行车安全的条件下,尽量采取最大值。本专利采取临界速度值结合安全车距的方法来定义车辆A的建议速度。
步骤十、通过车辆A车载终端采用语音或文字的方式提示驾驶人员前方匝道有车辆汇入,建议行驶速度调整到建议值。同时,车辆A调整协调控制标志置0。
附图说明
图1是本发明流程框图。
图2是合流区及车辆位置示意图。
图3是没有合流区协调控制时冲突区域潜在冲突示意图
图4是合流区协调控制时匝道车辆安全汇入示意图。
具体实施方式
本方法的各步骤都是合流区主路车辆A根据接收到的匝道大货车辆B发送的信息,结合车载地图信息,在车辆A的车载终端上计算预测自己与车辆B在合流区域发生冲突的可能性,通过合流区车辆协调控制策略,对车辆A驾驶人员进行预警和驾驶速度建议值,达到避免合流区车辆冲突、协调运行的目的。本专利的计算过程在车辆A车载终端上进行。本发明流程框图见图1所示。
车辆安装车载终端,车载终端上装载有电子地图,具有定位、通信功能。合流区及车辆位置示意图见图2,设定合流区冲突区域的起点为主路与匝道结合点,冲突区域范围从冲突区域起点到加速车道终点之间的区域,长度为χ。根据车辆车载定位信息和车载地图信息可以得到:主路车辆A距合流区冲突区域起点距离为χA,速度为VA,加速度为αA。匝道车辆B距合流区起点的距离为χB,速度为VB,加速度为αB,具体参数位置见图2所示。这些参数的获取方法采用通用计算方法,不属于本专利合流区协调控制方法的内容。
(1)设置协调控制状态标志值
初始设定标志值为0。0为车辆处于非协调控制状态;1为车辆处于协调控制状态。设置协调控制状态标志值的目的是由于匝道如果连续出现大货车时,避免重复对同一主路车辆预警。
(2)冲突条件设定
主路车辆A在与匝道车辆B在相同时间(t1,t2)内同时到达冲突区域,则存在车辆A与车辆B在合流区发生冲突的可能性,如图3所示,两车在相同的间内同时到达冲突区域会发生冲突。本专利通过对车辆A驾驶人员进行预警,建议调整车辆A当前的行驶速度,可以避开在(t1,t2)时间到达冲突区域,避免事故的发生,如图4所示,车辆A适当调整速度,避开与车辆B在合流区发生冲突。图3和图4中虚线表示的车辆为进入合流区前的车辆状态。
(3)合流区前方主路车辆开始预警和协调控制的时间的选取
预警位置是开始对主路上即将进行合流区车辆进行协调控制建议时,主路车辆距合流区起点的距离。由于车速不同,预警位置不是一个固定值,因此通过时间限定会更加合理,本专利设定主路车辆开始预警的时间为距合流区冲突区域起点时间tw处,预警时间tw的值根据安全性、舒适性、节能等因素进行选取。
预警时间tw值的选取与车辆A减速度αA大小关系密切,如果tw取值过小则驾驶人员反应时间短、车辆减速过快、会造成安全隐患、驾驶舒适性差、排放增加;如果tw取值过大,车辆减速慢,会影响畅通性、增加通行时间。因此tw应该保证车辆的舒适性、安全性和机动性的前提下进行选取。通常制动减速度在1.5-2.5米/秒2这个范围内舒适感、安全性和能量消耗都会得到保证。本专利建议取αA=2.5米/秒2。
根据时间和速度公式αA=(V0-Vt)/tw,其中V0为车辆起始正常速度,取高速公路最高限速120公里/小时。Vt为车辆到达合流区的速度,取80公里/小时。驾驶员反应时间:tw=(120-80)×1000/3600/2.5=4.4秒,为了使驾驶员有充足的反应时间,本专利建议当匝道车辆B距合流区起点tw=5秒时间时,车辆A进行协调控制预警。
下面通过实例详细描述本发明具体实施过程。
具体执行步骤如下:
步骤一、初始化系统,协调控制状态标志值置0。
步骤二、信息采集和传输
车载终端实时采集车辆行驶信息,车辆通过车车通信以10赫兹的频率向周边车辆发送自己的信息。采集和发送的信息包括:当前时间、车型、地理位置(经纬度)、速度、加速度、方向角等。
步骤三、主路车辆A收到匝道车辆B发送的信息,首先判断车辆A的协调控制状态标志值;再根据车辆B传输的信息,判断车辆B的车型。
a.读取车辆A协调控制状态标志值,如果为0,说明车辆A不处于协调控制状态;再根据车辆B传输的信息,如果车辆B为大货车,执行下一步骤。
b.如果车辆A协调控制状态标志值为1,或者车辆B不是大货车型,返回步骤二。
步骤四、计算预测车辆B到达合流区冲突区域的时间范围
车辆A根据接收到的车辆B的速度和加速度,计算车辆B到达合流区冲突区域起点和终点的时间t1和t2。
匝道车辆B为近似直线的匀加速运动,车辆B距离合流区起点为χB,速度为VB,加速度为αB,可以得出车辆B到达合流区冲突区域起、终点的时间t1和t2。由匀加速直线运动距离和速度公式得
同理,
例:车辆B当前距离合流区起点长度χB=150米,速度VB=40公里/小时=(40×1000/3600)≈11.11米/秒,加速度αB=2.5米/秒2,冲突区域长度为180米。由公式(1),可以得到车辆B到达合流区起点的时间
车辆B到达合流冲突区域终点的时间为:
步骤五、根据车辆B到达合流区时间,判断是否满足对车辆A进行预警的条件
如果车辆B到达合流区冲突区域起点的时间满足对车辆A预警的时间要求,即t1≤tW,则,有匝道大货车辆在预警时间tw内到达合流区冲突区域,需要对车辆A进行预警控制,执行下一步。
如果t1>tW,则不满足对车辆A预警的时间要求,返回步骤二。
例:前面已设定tw=5秒,上步中计算已经得到车辆B到达合流区冲突区域起点的时间为t1=4.5秒,可知t1<tw,满足对车辆A预警时间的要求,则对车辆A进行预警控制。
步骤六、在车辆A与车辆B在合流区冲突区域可能发生冲突条件下,计算车辆A当前应具有的速度范围(VA1,VA2)
根据冲突的条件,车辆A在与车辆B在相同时间内(t1,t2)到达冲突区域内,则会与车辆B发生冲突。以(t1,t2)为约束条件,计算车辆A在(t1,t2)到达冲突区域的速度范围(VA1,VA2)。
车辆A进入合流区的方式为匀减速直线运动。根据车辆A当前距冲突区域的相对位置χA、速度VA、加速度αA、t1、t2、冲突区域范围(χA,χA+χ),计算车辆A到达冲突区域的当前速度范围(VA1,VA2)。即在合流区前方,车辆A当前的行驶速度如果在这个冲突速度范围(VA1,VA2)内,则会与车辆B在合流区冲突区域发生冲突。
a.计算车辆A在t1时间到达冲突区域起点的初始速度VA1:
其中χA1为冲突区域起点位置,χA1=χA:
b.计算车辆A在t2时间到达冲突区域右临界点的初始速度VA2:
其中χA2为冲突区域终点位置,χA2=χA+χ:
由公式(3)和(4)可知,车辆A的临界速度与车辆B到达合流区冲突区域的时间t1和t2密切相关,以t1和t2为约束条件,调整车辆A当前的行驶速度,可以起到避免冲突的目的。
例:假定车辆A得到调整预警,此时距合流区起点距离为χA=90米,由公式(3)和(4)可以计算得到车辆A在t1和t2时间段内到达合流区冲突区域的速度为:
由此可知,如果当前车辆A在t1和t2时间段内到达合流区冲突区域的速
度范围为92.16~158.9公里/小时,有可能与车辆B发生冲突。
步骤七、判断车辆A当前速度是否在冲突速度范围内
如果车辆A当前的速度在冲突速度范围内,VA∈(VA1,VA2),即VA>VA1,或VA<VA2,则车辆A有可能在合流区冲突区域与车辆B发生冲突,需要对车辆A发出车速调整预警。设置车辆A预警标志值为1,执行下一步。
如果车辆A当前速度不在冲突速度范围内则不需要速度调整,返回步骤二。
例:如果车辆A当前的速度为VA=100公里/小时,车辆A在t1和t2时间段内到达合流区冲突区域的速度范围为VA1=92.16公里/小时,VA2=158.9公里/小时,由VA∈(VA1,VA2),则车辆A有可能在合流区冲突区域与车辆B发生冲突,需要对车辆A发出预警并建议车速调整,设置车辆A预警标志值为1。执行下一步。
如果车辆A当前的速度为VA=80公里/小时,车辆A速度则车辆A不会在合流区冲突区域与车辆B发生冲突,不需要对车辆A发出车速调整预警。返回步骤二。
步骤八、根据冲突速度范围,车辆A安全行驶速度调整建议值初步选定
车辆A在合流区冲突区域不与车辆B发生冲突的前提条件是:车辆A的当前速度不在冲突速度区间内因此,只要使即VA<VA1,或VA>VA2,就可以避免在合流区冲突区域与车辆B发生冲突。
但是,如果采取车辆加速避开冲突区域,即,车辆A当前速度大于冲突速度范围最大值VA>VA2,而高速公路上车辆加速会受到一些条件的限制,带来新的安全隐患,因此当车辆A当前车速有可能在冲突区域内与车辆B发生冲突时,我们只采用车辆减速的方式避开冲突区域,即车辆A安全速度值应小于冲突速度范围的最小值,VA<VA1。
步骤九、保证安全和通行效率的前提下,车辆A行驶速度建议值最终确定
具体VA建议值的选取需要考虑如下因素:
a.如果VA取值过小,车辆A速度过慢,导致车辆A到达冲突区域时与车辆B之间间距过大,此外,也导致后面车辆速度随之变慢,影响通行效率;
b.如果VA取值过大,则可能车辆A到达冲突区域时与车辆B车间距过小,引起安全隐患。
因此,VA的取值应该在保证冲突区行车安全的条件下,尽量采取最大值,保证车辆通行效率。本专利采取临界速度值结合安全车距的方法来定义车辆A的建议速度。由公式(3),车辆A速度VA的建议值如下:
其中t取决于车辆B的行驶情况,为车辆B到达临界点的距离加上安全车距(χB+χS)的时间,其中χS为安全车距,将公式(1)中的χB用(χB+χS)代替,则车辆A到达(χB+χS)的时间为
公式(5)中VA就是车辆A最佳的建议速度。
安全车距χS的选取比较复杂,与车辆速度、车辆性能、驾驶人员反应、路面状况等有关,本专利采用一个简单的方法计算安全车距,χS=(VB1/10)2,此处VB1为车辆B到达合流区冲突区域时的车速,VB1的单位为公里/小时,由于本专利车辆B的类型为大型货车,根据大货通常的行驶情况,设定VB1=60公里/小时。
例:车辆A当前距合流区起点距离为χA=90米,加速度αA=2.5米/秒2;车辆B当前距离合流区起点长度χB=150米,车辆B当前的车速为VB=40公里/小时=(40×1000/3600)≈11.11米/秒,车辆B达合流区冲突区域时的速度VB1=60公里/小时,加速度αB=2.5米/秒2。
a.安全车距χS:χS=(VB1/10)2=(60/10)2=36(米)
b.车辆B到达临界点加上与车辆B安全车距(χB+χS)的时间t,由公式(6)
可得:
c.车辆A速度的建议值VA,由公式(5):
由此可知,车辆A当前建议速度为85公里/小时,可以避免在合流区冲突区域与车辆B发生冲突。这里并非立刻使车辆A速度降为85.28公里/小时,而是按照正常减速状态下,降至85公里/小时即可。
步骤十、通过车辆A车载终端采用语音或文字的方式提示驾驶人员前方匝道有车辆汇入,建议进行速度调整到建议值。同时,车辆A设置调整标志置0。
例:通过车辆A车载终端采用语音或文字的方式提示驾驶人员前方匝道有车辆汇入,建议当前车辆行驶速度为85公里/小时。
Claims (1)
1.一种基于车车通信技术进行高速公路合流区安全协调控制方法,本方法是在满足车车通信环境下实现的,即每个车辆都安装有支持车辆定位和车车通信功能的车载终端,车载终端上装有车载电子地图;车辆行驶过程中,车载终端实时采集车辆信息,车车之间传输各自的位置、速度信息,车辆在接收到其它车辆传来的信息后,按照该协调控制方法进行信息处理;将处理得到的行驶建议通过车载终端对驾驶人员进行预警,使驾驶人员及时调整驾驶行为,减少安全风险;
定义合流区冲突区域的范围为主路与匝道结合点到加速车道终点之间的区域,长度为χ;
设定主路车辆A在距合流区冲突区域起点前tW秒处开始预警,tW能够根据安全性、舒适性、节能因素进行调整;车辆A距合流区冲突区域起点距离为χA;
其特征在于:本方法的实施过程如下,
步骤一、初始化系统,协调控制状态标志值置0;0为车辆处于非协调控制状态;1为车辆处于协调控制状态;
步骤二、信息采集和传输
车载终端实时采集车辆行驶信息,车辆通过车车通信以10赫兹的频率向周边车辆发送自己的信息;采集和发送的信息包括:当前时间、车型、地理位置、速度、加速度、方向角;
步骤三、主路车辆A收到匝道车辆B发送的信息,首先判断车辆A的协调控制状态标志值;再根据车辆B传输的信息,判断车辆B的车型;
a.读取车辆A协调控制状态标志值,如果为0,说明车辆A不处于协调控制状态;再根据车辆B传输的信息,如果车辆B为大货车,执行下一步骤;
b.如果车辆A协调控制状态标志值为1,或者车辆B不是大货车型,返回步骤二;
步骤四、计算预测车辆B到达合流区冲突区域的时间范围
车辆A根据接收到的车辆B的速度和加速度,计算车辆B到达合流区冲突区域起点和终点的时间t1和t2;
匝道车辆B为近似直线的匀加速运动,车辆B距离合流区起点为χB,速度为VB,加速度为αB,得出车辆B到达合流区冲突区域起、终点的时间t1和t2;
步骤五、根据车辆B到达合流区时间,判断是否满足对车辆A进行预警的条件
如果车辆B到达合流区冲突区域起点的时间满足对车辆A预警的时间要求,即t1≤tW,则,有匝道大货车辆在预警时间tW内到达合流区冲突区域,需要对车辆A进行预警控制,执行下一步;
如果t1>tW,则不满足对车辆A预警的时间要求,返回步骤二;
步骤六、在车辆A与车辆B在合流区冲突区域可能发生冲突条件下,计算车辆A当前应具有的速度范围(VA1,VA2)
根据冲突的条件,车辆A在与车辆B在相同时间内(t1,t2)到达冲突区域内,则会与车辆B发生冲突;以(t1,t2)为约束条件,计算车辆A在(t1,t2)到达冲突区域的速度范围(VA1,VA2);
步骤七、判断车辆A当前速度是否在冲突速度范围内
如果车辆A当前的速度在冲突速度范围内,VA∈(VA1,VA2),即VA>VA1,且VA<VA2,则车辆A有可能在合流区冲突区域与车辆B发生冲突,需要对车辆A发出车速调整预警;设置车辆A预警标志值为1,执行下一步;
如果车辆A当前速度不在冲突速度范围内则不需要速度调整,返回步骤二;
步骤八、根据冲突速度范围,初步选定车辆A安全行驶速度建议值
车辆A在合流区冲突区域不与车辆B发生冲突的前提条件是:车辆A的当前速度不在冲突速度区间内因此,只要使即VA<VA1,或VA>VA2,就可以避免在合流区冲突区域与车辆B发生冲突;但是,如果车辆A当前速度取值大于冲突速度范围最大值VA>VA2,则需加速行驶避开冲突区域,而由于高速公路上车辆加速可能带来新的安全隐患,因此当车辆A按当前车速行驶有可能在冲突区域内与车辆B发生冲突时,本方法只采用车辆减速的方式避开冲突区域,即车辆A安全速度值应小于冲突速度范围的最小值,VA<VA1;
步骤九、保证安全和通行效率条件下,最终确定车辆A安全行驶速度建议值车辆A安全行驶速度建议值VA的取值应该在保证冲突区行车安全的条件下,尽量采取最大值;本方法采取临界速度值结合安全车距的方法来定义车辆A的建议速度;
步骤十、通过车辆A车载终端采用语音或文字的方式提示驾驶人员前方匝道有车辆汇入,建议行驶速度调整到建议值;同时,车辆A调整协调控制标志置0。
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