CN105654779A - 基于车路、车车通信的高速公路施工区交通协调控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明基于车路、车车通信的高速公路施工区交通协调控制方法，该方法采用车车、车路通信技术，将前方道路施工及交通状态信息在施工区与车辆、车辆与车辆之间进行传输交换，车辆根据这些信息计算预测施工区前方车辆换道合流时可能引发的安全冲突和干扰，通过计算获取最优的交通协调控制策略，并通过声音或文字预警提示驾驶人员提前调整车辆的驾驶行为，使车辆间相互协作提前顺利换道合流，提高道路的通行效率，减少事故拥堵的发生的几率。本方法也适用于交通事故造成的车道封闭情况下的交通协调控制。本方法也可以与自动驾驶车辆结合，根据计算结果自动控制车辆驾驶行为。

Description

基于车路、车车通信的高速公路施工区交通协调控制方法

技术领域

本发明属交通安全服务领域，涉及一种基于车路、车车通信技术进行高速公路施工区域交通协调控制的方法，提高施工区交通的通行效率和安全。本发明也适用于交通事故造成的部分车道封闭情况下的交通协调控制。

背景技术

随着我国高速公路通车里程不断增加和交通量快速增长，高速公路养护、升级改造和扩建工程日益繁重。在高速公路养护施工过程中要封闭一部分车道，但交通并未中断，因此，极易导致公路施工作业区路段车辆运行环境恶化，发生事故、拥堵等现象，从而使施工作业区的行车安全和交通效率大幅度下降。

2001～2010年美国交通事故死亡人数共293310人，其中养护施工区交通事故死亡人数共9198人，占总死亡人数的3.14％，近10年，施工区的死亡人数以每年34％的速度增加，此外，根据美国联邦公路管理局(FHWA)统计，施工区导致的交通拥挤，一般可占拥挤总量的24％。传统的提高施工区通行效率和安全的主要方法是采用多级限速的方式，即在公路施工工作区前连续设置限速标志，提醒车辆减速到限制速度。这种静态消极的控制方法不能根据实时交通情况来动态调节车辆的运行状态，难以从根本上解决施工区的通行效率和安全问题。

车路、车车通信技术的出现为施工区通行效率和安全的提升提供了有效的技术手段。它通过车路、车车通信，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。美国白宫2015年10月发布的新的美国创新战略中将先进汽车技术作为一项重要的技术创新，车联网是其中一个重要的组成部分。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，预计通过车联网技术可以降低82％潜在的道路安全事故。

变道合流是高速公路施工路段一个最重要行车特性。由于占道施工部分车道被迫关闭，车辆在封闭作业区前必须转移到未封闭车道上，越接近作业区，可供合流的机会越小，合流越困难。施工区交通事故主要是由强行合流引起，封闭车道车辆换道时干扰目标车道车辆行驶，易与目标车道车辆发生冲突，其中强行合流造成的事故占60％。同时也会由于车辆的驶入造成非封闭车道行车缓慢形成拥堵。因此，本发明针对即将进入施工区车辆的换道合流情况进行协调控制方法进行设计，提高施工区区域交通通行效率和安全。

发明内容

本发明提出了一种基于车路、车车通信进行施工区交通协调控制的新方法。本发明也适用于交通事故造成的部分车道封闭情况下的交通协调控制。该方法采用车车、车路通信技术，将前方道路施工及交通状态信息在施工区与车辆、车辆与车辆之间进行传输交换，车辆根据这些信息通过控制协调算法计算并预测施工区前方车辆换道合流时可能引发的安全冲突和干扰，通过声音或文字预警提示驾驶人员提前调整车辆的驾驶行为，使车辆提前顺利换道合流，提高道路的通行效率，减少事故拥堵的发生的几率。本方法也可以与自动驾驶车辆结合，根据计算结果自动控制车辆驾驶行为。

本发明是在满足车路、车车通信环境下实现的，通信范围为1000米，通信频率为10次/秒。施工区入口位置安装有支持定位和通信功能的路侧设备，施工区路侧设备通过车路通信实时向即将进入施工区的车辆发送施工区预警信息，包括施工区入口位置，车道封闭等信息；道路车辆安装有支持车辆定位和车车、车路通信的车载终端，车载终端实时采集车辆行驶信息，车辆通过车车通信向周边车辆发送自己的位置、速度等信息。车辆在接收到其它车辆传来的信息后，按照本发明专利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，提高通行效率和减少安全风险。

定义施工区协调控制区域长度为L_G，封闭车道车辆A沿道路方向相对施工区入口位置为L_A，车长为d_A，车速为V_A；非封闭(目标)车道车辆B沿道路方向相对施工区入口位置为L_B，车长为d_B，速度为V_B。车辆A与目标车道后车的安全车距d_AF,与目标车辆前车的安全车距d_AL，车辆间安全车距为L_S。S_B和S_A分别为在T时间内车辆B和车辆A的移动距离。车辆A相对于车辆B移动的距离为S_AB。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案，该方法包括以下工作流程：

步骤一、施工区入口路侧设备通过车路通信以10次/秒的频率向即将进入施工区的车辆发送施工区预警信息，包括施工区入口位置、封闭车道信息、封闭时间及对车辆提示注意前方有施工区域等预警信息；

步骤二、车载终端实时采集车辆行驶信息，通过车车通信以10次/秒的频率向周围车辆发送信息，信息包括：位置、车辆长度、所在车道、速度、方向角、时间等；

步骤三、车辆通过车路通信收到施工区发送的预警信息，车载终端根据施工区信息判断自己的位置，如果车辆当前处于施工区过渡区域内L_A≤L_G，则预警驾驶人员前方有施工区，注意安全；如果车辆当前处于封闭车道，则提醒驾驶人员向邻近非封闭车道变道，执行步骤四；否则，返回步骤二；

步骤四、计算判断目标车道换道空间是否有车辆存在，如果目标车道换道空间有车辆存在，则对车辆变道合流有影响，需要进一步判断，执行步骤五；否则，变道车辆向目标车道换道合流；

变道车辆A通过车车通信获取目标车道换道空间范围内的车辆信息，判断车辆A的换道空间，以车辆A的位置以基准进行判断，如果车辆B存在L_A-d_A-d_AF≤L_B≤L_A+d_AL，则需要进一步判断，执行步骤五；否则，变道合流。

步骤五、计算判断是否需要对目标车道换道空间内车辆进行协调控制。如果目标车道车辆在施工区入口前能够让出换道空间，则不进行协调控制。这样可以做到最大限度的减少对正常车流的影响；否则，需要进行协调控制，执行步骤六；

变道车辆根据自身和目标车道换道空间内车辆所处的位置、行驶速度等信息，结合距施工区入口的距离进行计算。在施工区入口前一定距离内如果目标车道车辆在正常驾驶条件下相对变道车辆的移动距离大于两车的安全车距S_B-S_A-d_B-(L_B-L_A)＝L_B-V_A·L_B/V_B-d_B-(L_B-L_A)≥L_S，即如果车辆B车速满足目标车道车辆可以为换道车辆空出换道空间，则不需要对目标车道换道空间车辆进行协调控制。

步骤六、计算判断是否可以通过对目标车道车辆协调控制实现变道车辆汇入合流，即目标车道车辆在当前行驶状态下通过协调控制是否满足让出换道空间的要求。如果当前车速满足，则计算最佳建议速度，对目标车道车辆进行协调控制；否则，执行步骤七；

对目标车道车辆进行协调控制的判断原则是目标车道车辆在施工区入口前能否通过正常驾驶行为改变让出换道空间。在目标车道车辆车速较快的一些情况下，难以通过正常的车速调整在施工区入口前让出换道空间，如果采用剧烈的车速调整则容易引起安全隐患。因此需要判断当前的目标车道车辆速度是否满足协调控制的条件。

在施工区入口前，车辆A相对于车辆B移动的距离为S_AB，S_AB＝S_A+(L_B-L_A)-S_B-d_A，其中，将S_AB和L_S进行比较，如果S_AB大于或等于安全距离S_AB≥L_S，则通过协调控制在车辆A到达施工区入口前车辆B能够为车辆A空出换道空间，根据速度公式V_BT＝V_B+α_BT，计算车辆B在T时间所要达到的速度V_BT，通过语音或文字提示驾驶人员减少到V_BT。否则执行步骤七。

步骤七、计算判断是否可以通过对变道车辆协调控制实现变道车辆汇入合流，即变道车辆在当前行驶状态下通过协调控制是否满足汇入换道空间的要求。如果当前车速满足，则计算最佳建议速度，对变道车辆进行协调控制；否则返回执行步骤四。

通过前面步骤的计算判断，目标车道车辆不能满足为变道车辆提供换道空间的条件，即通过对目标车道进行车辆协调控制来实现变道车辆顺利换道合流。所以本专利在本步骤中采取对变道车辆进行协调控制。

车辆A相对于车辆B移动的距离为S_AB，S_AB＝S_B-S_A-d_B-(L_B-L_A)，其中将S_AB和L_S进行比较，如果S_AB大于安全距离，S_AB≥L_S，则通过协调控制在车辆B到达施工区入口前车辆A能够调整汇入换道空间。根据速度公式V_AT＝V_A+α_AT，计算车辆A在T时间所要达到的速度V_AT，通过语音或文字提示驾驶人员减少到V_AT。

本方法具有如下优点：

1、采用车车、车路通信技术提高施工区交通效率和安全

本方法采用先进的车车、车路通信技术进行施工区交通协调控制，不需要在路侧安装交通检侧设备。采用施工区发送和车载终端采集获取信息交通信息，信息的实时性和准确性得到大大提高。所有的变道合流过程都是基于实时动态的信息进行计算和协调控制。相比传统的施工区静态控制方法，交通效率和安全性得到有效的提高。

2、通过分步计算判断找出最佳的协调控制策略

本方法通过分步计算判断得出最佳的控制策略，从而尽量减少对正常交通流的干扰。本方法首先判断是否需要对交通进行控制，如果不需要则不进行协调控制；然后判断是对目标车道车辆进行控制，还是对变道车辆进行控制，在符合正常交通行为改变的条件下，计算出最佳的控制策略，避免由于剧烈的驾驶行为变化而带来的安全风险。

附图说明

图1是施工区车车、车路通信场景示意图。

图2是本发明流程框图。

图3是施工区换道空间位置示意图。

图4是协调控制条件判断及变道车辆控制示意图。

图5是目标车道车辆协调控制示意图。

具体实施方式

本专利采用半幅封闭式施工场景，以目前常见的双车道道路为例，一个车道施工封闭，另一车道通行的情况来进行控制策略设计，这种选择能够更好的说明本专利的有效性。

本专利描述的施工区交通协调控制是在车路、车车通信环境下实现的。施工区入口安装有支持定位和车路通信功能的路侧设备，车辆安装具有定位和车车、车路通信功能的车载终端，通信范围为1000米，频率为10次/秒。本方法实现的前提条件是假定驾驶员严格按照车载终端指令调整驾驶行为，如速度变化、变道等等。施工区车车、车路通信场景如图1所示。

(1)车路通信：车辆和施工区之间信息交换，施工区入口路侧设备通过车路通信向即将进入施工区的车辆发送施工区预警信息，包括施工区入口位置、封闭车道信息、封闭时间及对车辆提示注意前方有施工区域等预警信息。

(2)车车通信：车载终端实时采集车辆行驶信息，通过车车通信向周围车辆发送信息，信息包括：位置、所在车道、速度、时间和协调控制计算得到的相关协调控制信息等；

(3)协调控制算法计算：车载终端接收到施工区入口路侧设备发送的信息后，判断自己相对施工区所处的位置和所在的车道。封闭车道车辆根据接收的施工区和附近车辆行驶信息按照协调控制算法进行计算和处理，将协调控制信息通过车车通信传输到相关车辆；

(4)协调控制：相关车辆按照计算或接收到的协调控制信息通过声音或文字提示驾驶员及时调整驾驶行为进行协调控制。

本方法的各步骤是针对即将进入施工区的车辆基于车路通信接收到施工区预警信息，通过判断车道封闭信息和车辆自身所在的位置，提示封闭车道车辆向目标(非封闭)车道变道合流。如果目标车道没有足够的换道空间供封闭车道车辆变道合流，封闭车道车辆根据变道车辆及目标车道车辆所处的位置和行驶状态，采用对目标车道车辆协调控制和对变道车辆协调控制两种控制方法。通过计算如果目标车道车辆在正常驾驶条件下通过调整驾驶行为能够为变道车辆让出换道空间，则计算目标车道车辆让出换道空间的最佳建议速度，通过语音或文字建议车辆调整到这个速度驾驶；否则，计算变道车辆的最佳建议速度，对变道车辆协调控制，使其顺利变道合流。本专利的信息交换在车路、车车之间进行，计算过程在封闭车道车辆车载终端上进行。本发明流程框图见图2所示。

定义施工区协调控制区域长度为L_G，封闭车道车辆A沿道路方向相对施工区入口位置为L_A，车长为d_A，车速为V_A；非封闭(目标)车道车辆B沿道路方向相对施工区入口位置为L_B，车长为d_B，速度为V_B。车辆A与目标车道后车的安全车距d_AF,与目标车辆前车的安全车距d_AL，车辆间安全车距为L_S。S_B和S_A分别为在T时间内车辆B和车辆A的移动距离。车辆A相对于车辆B移动的距离为S_AB。

(1)施工区前方预警及开始进行交通协调控制的长度确定

本专利选取车辆距离施工区入口距离为L_G时开始进行施工区预警和协调控制，如图3所示，L_G的长度越长，协调控制效果就越好，但是长度过长或影响道路的通行能力。本专利采用传统施工区过渡区长度的定义：L_G＝0.625WS(S≥60公里/小时)，其中：W为偏移的宽度，即车辆由原车道合流到其它车道后，车辆沿道路垂直方向的移动距离(米)；S为85％位车速(km/h)；L_G为过渡区的长度。如果高速公路为两车道，车道宽度为3.75米，85％为车速为90公里/小时。可得过渡区长度为：L_G＝0.625WS＝0.625×3.75×90＝210(米)。

(2)目标车道上为变道车辆提供的换道空间长度的确定

封闭车道车辆变道合流到目标(非封闭)车道时，目标车道需要有足够的空间方便车辆汇入。换道空间长度越长，车辆换道就越容易，也越安全。但是如果换道空间过长会浪费道路资源，降低交通通行能力。为尽量降低对正常通行造成影响，换道空间长度应在保证安全的前提下，选取尽量小的换道空间。本专利依据变道车辆与目标车道后车、前车不发生碰撞冲突的约束条件来确定换道空间长度。由车辆跟驰冲突时间公式，TTC为前后连续两个车辆的碰撞所需时间，L_S为两车的车距，前车L，车速为V_L，后车F，车速为V_F。通常两车碰撞时间TTC≥3秒时，此时的L_S为两车安全车距。当车辆A变道到目标车道，假定变道车辆A与目标车道后车的安全车距d_AF和目标车辆前车的安全车距d_AL，则总的换道空间为L_H＝d_AF+d_AL+d_A，d_A为换道车辆A的长度，如图3所示。

本专利按照车辆间最危险情况下选取变道合流所需最小的安全车距d_AF和d_AL，即采用高速的后车和低速的前车，这样计算的车间距更能保证车辆安全。

变道车辆与目标车道后车的安全车距d_AF的计算，选定目标车道后车F车速为高速公路最高限速120公里/小时，换道车辆A车速为较低速度V_A＝85公里/小时，由上面车辆跟驰冲突时间公式，则距目标车道后车F的安全距离，d_AF＝TTC×(V_F-V_A)＝3×(120-80)×1000/3600≈30(米)。

同理，变道车辆与目标车道前车的安全车距d_AL的计算，选定目标车道前车L车速为较低速度V_L＝85公里/小时，换道车辆A车速为高速公路最高限速V_A＝120公里/小时，则变道车辆距目标车道前车L的安全距离d_AL＝30米。

假如换道车辆A长度为d_A＝7米，则换道车辆A变道合流到目标车道需要的安全换道空间长度L_H＝d_AF+d_AL+d_A＝30+30+7＝67(米)。

(3)车辆调整驾驶行为中加速度的确定

车辆加速度值在保证车辆的舒适性、安全性和机动性的前提下进行选取。通常制动加速度在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，因此本专利建议车辆加速度取α＝2.5米/秒²。

步骤一、施工区入口路侧设备通过车路通信以10次/秒的频率向即将进入施工区的车辆发送施工区预警信息，包括施工区入口位置、封闭车道信息、封闭时间及对车辆提示注意前方有施工区域等预警信息；

例：施工区入口位置相对过渡区起点为L_G，外侧第一条车道(右侧)车道封闭，内侧车道通行等信息。

步骤二、车载终端实时采集车辆行驶信息，通过车车通信以10次/秒的频率向周围车辆发送信息，信息包括：位置、车辆长度、所在车道、速度、方向角、时间等。

例：在当前时刻，车辆A沿道路方向位置为L_A，车辆长度为d_A，在最右侧车道，速度为V_A，方向为与道路方向相同。

步骤三、车辆通过车路通信收到施工区发送的预警信息，车载终端根据施工区信息判断自己的位置，如果车辆当前处于施工区过渡区域内，则预警驾驶人员前方有施工区，注意安全；如果车辆当前处于封闭车道，则提醒驾驶人员向邻近非封闭车道变道，执行步骤四；否则，返回步骤二。

例：车辆A接收到施工区发送的预警信息，通过横向位置和车道位置的比对，如果车辆A位置处于过度区内L_A≤L_G，则预警驾驶人员前方有施工区，注意安全；如果车辆A当前处于封闭车道，则提示驾驶人员注意变道到非封闭车道，执行步骤四。

步骤四、计算判断目标车道换道空间是否有车辆存在，如果目标车道换道空间有车辆存在，则对车辆变道合流有影响，需要进一步判断，执行步骤五；否则，变道车辆向目标车道换道合流。

变道车辆A通过车车通信获取目标车道换道空间范围内的车辆信息，判断车辆A的换道空间L_H＝d_AF+d_AL+d_A内是否有车辆存在，如图3所示。以车辆A的位置以基准进行判断，如果目标车道有车辆B位置为L_B，L_A-d_A-d_AF≤L_B≤L_A+d_AL，则需要进一步判断，执行步骤五；否则，变道合流。

例：车辆A相对于施工区的位置L_A＝180米，已知前后车的安全车距d_AF＝d_AL＝30米，车辆A和车辆L的长度分别为d_A＝10米。

由L_A-d_A-d_AF＝180-10-30＝140米，L_A+d_AL＝180+30＝210米，换道区间为距施工区入口140～210米之间，如果目标车道有车辆B距离施工区入口的位置L_B＝150米，则车辆B在140～210米之间，在换道区间内，需要进一步判断，执行步骤五。

步骤五、计算判断是否需要对目标车道换道空间内车辆进行协调控制。如果目标车道车辆在施工区入口前能够让出换道空间，则不进行协调控制。这样可以做到最大限度的减少对正常车流的影响；否则，需要进行协调控制，执行步骤六。

变道车辆根据自身和目标车道换道空间内车辆所处的位置、行驶速度等信息，结合距施工区入口的距离进行计算。在施工区入口前一定距离内如果目标车道车辆在正常驾驶条件下相对变道车辆的移动距离大于两车的安全车距，即，目标车道车辆可以为换道车辆空出换道空间，则不需要对目标车道换道空间车辆进行协调控制。

如图4所示，以车辆B到达入口的时间T来计算两车的移动距离，假定在没有干扰的情况下车辆A和车辆B为匀速直线运动，速度为V_A和V_B，A’和B’分别为车辆A和B移动后的位置，T时间内两车移动距离分别为S_A和S_B，其中S_B≤L_B，L_A和L_B分别为当前车辆A和车辆B距施工区入口的长度。车辆B能够移动的最长距离为S_B＝L_B，车辆B到达施工区入口的时间T＝L_B/V_B，可以求出车辆A在T时间内的位移S_A＝V_AT＝V_A·L_B/V_B。

车辆B相对于车辆A移动的距离如果大于安全车距，

S_B-S_A-d_B-(L_B-L_A)＝L_B-V_A·L_B/V_B-d_B-(L_B-L_A)≥L_S(1)

则在车辆B到达施工区入口前能够为车辆A空出换道空间，即如果车辆B车速满足 $V_B\≥V_A\·\left(\frac{L_B}{L_L-d_B-L_S}\right),$ 则不需要进行协调控制。

例：当前变道车辆A的车速为V_A＝90公里/小时，目标车道车辆B的速度为V_B＝120公里/小时，车辆A和B距离施工区入口的距离为L_A＝L_B＝180米，安全车距为L_S＝30米。

$V_B\≥V_A\·\left(\frac{L_B}{L_A-d_B-L_S}\right)=90\×\left(\frac{180}{180-8-30}\right)\≈114$ (公里/小时)，则在到达施工区入口前，车辆B会给车辆A空出换道空间，所以不需要对车辆B进行协调控制。由此可知，V_B的值越大，让出换道空间的距离和时间越短，车辆A变道合流越容易。在实际计算中在满足S_B≤L_B的前提下，适当缩短S_B的长度，会使变道合流更加容易。

步骤六、计算判断是否可以通过对目标车道车辆协调控制实现变道车辆汇入合流，即目标车道车辆在当前行驶状态下通过协调控制是否满足让出换道空间的要求。如果当前车速满足，则计算最佳建议速度，对目标车道车辆进行协调控制；否则执行步骤七。

对目标车道车辆进行协调控制的判断原则是目标车道车辆在施工区入口前能否通过正常驾驶行为改变让出换道空间。在目标车道车辆车速较快的一些情况下，难以通过正常的车速调整在施工区入口前让出换道空间，如果采用剧烈的车速调整则容易引起安全隐患。因此需要判断当前的目标车道车辆速度是否满足协调控制的条件。

正常让出换道空间的条件是在施工区入口前一定距离内目标车道车辆相对变道车辆的移动距离大于或等于两车的安全车距，以此为约束条件计算目标车道车辆是否满足要求，如图5所示。

在到达施工区入口前，通过对车辆B车速调整，车辆B相对车辆A的移动距离大于或等于两车的安全车距，则车辆B能够让出换道空间，车辆A可以成功换道合流。如果对车辆B协调控制，则在换道过程中车辆B为减速运动，车辆A为匀速运动，S_B和S_A分别为在T时间内车辆B和车辆A的移动距离，其中S_A≤L_A，L_B和L_A分别为当前车辆A和车辆B距施工区入口的长度。T＝S_A/V_A，其中车辆A最大的移动距离为距施工区入口的长度S_A＝L_A，可得车辆A到达施工区入口的时间T＝L_A/V_A。车辆A相对于车辆B移动的距离为S_AB，

S_AB＝S_A+(L_B-L_A)-S_B-d_A(2)

其中，车辆B减速后在T时间内的移动距离S_B，代入公式(2)，可计算出车辆A和车辆B在入口前的相对移动距离。将S_AB和L_S进行比较，如果S_AB大于或等于安全距离，S_AB≥L_S，则通过协调控制在车辆A到达施工区入口前车辆B能够为车辆A空出换道空间。

根据速度公式V_BT＝V_B+α_BT，计算车辆B在T时间所要达到的速度V_BT，通过语音或文字提示驾驶人员减少到V_BT。

例：(a)目标车道车辆满足协调控制要求的算例

L_A＝L_B＝180米，V_A＝100公里/小时，V_B＝98公里/小时，α_B＝2.5米/秒²,车长d_A＝7米。安全车距L_S＝30米，

$T=L_A/V_A=\frac{180}{100}\×\frac{3600}{1000}\≈6.5$ (秒)

$S_B=V_{B}T+\frac{1}{2}{\mathrm{\α}}_B{T}^2=98\×\frac{1000}{3600}\×6.5+\frac{1}{2}\×(-2.5)\×{6.5}^2=124.13$ (米)

S_AB＝S_A+(L_B-L_A)-S_B-d_A＝180-124.13-7＝48.87(米)＞L_S＝30(米)

有S_AB＞L_S，满足要求，可以对车辆B进行协调控制。

根据速度公式，速度减至，

$V_{BT}=V_B+{\mathrm{\α}}_{B}T=98\×\frac{1000}{3600}+(-2.5)\×6.5\≈11$ (米/秒)≈40(公里/小时)通过语音或文字提示驾驶人员降低车速到40公里/小时。

(b)目标车道车辆不满足协调控制要求算例

在(a)中，如果取V_B＝115公里/小时，其他参数相同。

车辆B的位移 $S_B=115\×\frac{1000}{3600}\×6.5+\frac{1}{2}\×(-2.5)\×{6.5}^2=154.83$ (米)

两车相对位移S_AB＝180-154.83-7＝18.17(米)＜L_S＝30(米)

S_AB＜L_S，不满足协调控制要求，执行步骤七。

步骤七、计算判断是否可以通过对变道车辆协调控制实现变道车辆汇入合流，即变道车辆在当前行驶状态下通过协调控制是否满足汇入换道空间的要求。如果当前车速满足，则计算最佳建议速度，对变道车辆进行协调控制；否则返回执行步骤四。

经过前面的判断和计算，由于目标车道车辆不能满足为变道车辆提供换道空间的条件，即通过对目标车道进行车辆协调控制来实现变道车辆顺利换道合流。所以本专利在本步骤中采取对变道车辆进行协调控制。

参考步骤五，在施工区入口前一定距离内如果目标车道车辆相对变道车辆的移动距离大于两车的安全车距，目标车道车辆可以为换道车辆空出换道空间。本专利采用控制变道车辆A的方法来实现。如果对车辆A协调控制，则在换道过程中，车辆A为减速运动，车辆B为匀速运动，如图4所示，如果车辆B相对于车辆A移动的距离大于安全车距，由公式(1)，S_B-S_A-d_B-(L_B-L_A)≥L_S，则在车辆B到达施工区入口前，车辆A能够汇入换道空间，其中S_B＝L_B，T＝L_B/V_B，

车辆A相对于车辆B移动的距离为S_AB，

S_AB＝S_B-S_A-d_B-(L_B-L_A)(3)

其中，T时间内车辆A的位移代入公式(3)，可计算出车辆A和车辆B在入口前的相对移动距离S_AB。将S_AB和L_S进行比较，如果S_AB大于安全距离，S_AB≥L_S，则通过协调控制在车辆B到达施工区入口前车辆A能够调整汇入换道空间。根据速度公式V_AT＝V_A+α_AT，计算车辆A在T时间所要达到的速度V_AT，通过语音或文字提示驾驶人员减少到V_AT。

例：L_A＝L_B＝180米，V_A＝100公里/小时，V_B＝115公里/小时，α_B＝2.5米/秒²,车辆A车长d_A＝7米。安全车距L_S＝30米。

$T=L_B/V_B=\frac{180}{115}\×\frac{3600}{1000}\≈5.65$ (秒)

$S_A=V_{A}T+\frac{1}{2}{\mathrm{\α}}_A{T}^2=100\×\frac{1000}{3600}\×5.65+\frac{1}{2}\×(-2.5)\×{5.65}^2=117.04$ (米)

S_AB＝S_B-S_A-d_B-(L_B-L_A)＝-117.04-7+180＝55.96(米)

有S_AB＞L_S，满足要求，可以对车辆A进行协调控制。

根据速度公式，速度减至V_AT，

$V_{AT}=V_A+{\mathrm{\α}}_{A}T=100\×\frac{1000}{3600}+(-2.5)\×5.65\≈50$ (公里/小时)

通过语音或文字提示驾驶人员降低车速到50公里/小时。

Claims (1)

1.基于车路、车车通信的高速公路施工区交通协调控制方法，本方法是在满足车路、车车通信环境下实现的，通信范围为1000米，通信频率为10次/秒；施工区入口位置安装有支持定位和通信功能的路侧设备，施工区路侧设备通过车路通信实时向即将进入施工区的车辆发送施工区预警信息，包括施工区入口位置，车道封闭等信息；道路车辆安装有支持车辆定位和车车、车路通信的车载终端，车载终端实时采集车辆行驶信息，车辆通过车车通信向周边车辆发送自己的位置、速度等信息；车辆在接收到其它车辆传来的信息后，按照本发明专利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，提高通行效率和减少安全风险；

定义施工区协调控制区域长度为L_G，封闭车道车辆A沿道路方向相对施工区入口位置为L_A，车长为d_A，车速为V_A；非封闭(目标)车道车辆B沿道路方向相对施工区入口位置为L_B，车长为d_B，速度为V_B；车辆A与目标车道后车的安全车距d_AF,与目标车辆前车的安全车距d_AL，车辆间安全车距为L_S；S_B和S_A分别为在T时间内车辆B和车辆A的移动距离；车辆A相对于车辆B移动的距离为S_AB；

其特征在于：该方法包括以下工作流程：

步骤一、施工区入口路侧设备通过车路通信以10次/秒的频率向即将进入施工区的车辆发送施工区预警信息，包括施工区入口位置、封闭车道信息、封闭时间及对车辆提示注意前方有施工区域等预警信息；

步骤二、车载终端实时采集车辆行驶信息，通过车车通信以10次/秒的频率向周围车辆发送信息，信息包括：位置、车辆长度、所在车道、速度、方向角、时间等；

步骤三、车辆通过车路通信收到施工区发送的预警信息，车载终端根据施工区信息判断自己的位置，如果车辆当前处于施工区过渡区域内L_A≤L_G，则预警驾驶人员前方有施工区，注意安全；如果车辆当前处于封闭车道，则提醒驾驶人员向邻近非封闭车道变道，执行步骤四；否则，返回步骤二；

步骤四、计算判断目标车道换道空间是否有车辆存在，如果目标车道换道空间有车辆存在，则对车辆变道合流有影响，需要进一步判断，执行步骤五；否则，变道车辆向目标车道换道合流；

变道车辆A通过车车通信获取目标车道换道空间范围内的车辆信息，判断车辆A的换道空间，以车辆A的位置以基准进行判断，如果车辆B存在L_A-d_A-d_AF≤L_B≤L_A+d_AL，则需要进一步判断，执行步骤五；否则，变道合流；

步骤五、计算判断是否需要对目标车道换道空间内车辆进行协调控制；如果目标车道车辆在施工区入口前能够让出换道空间，则不进行协调控制；这样做到最大限度的减少对正常车流的影响；否则，需要进行协调控制，执行步骤六；

变道车辆根据自身和目标车道换道空间内车辆所处的位置、行驶速度等信息，结合距施工区入口的距离进行计算；在施工区入口前一定距离内如果目标车道车辆在正常驾驶条件下相对变道车辆的移动距离大于两车的安全车距S_B-S_A-d_B-(L_B-L_A)＝L_B-V_A·L_B/V_B-d_B-(L_B-L_A)≥L_S，即如果车辆B车速满足目标车道车辆可以为换道车辆空出换道空间，则不需要对目标车道换道空间车辆进行协调控制；

步骤六、计算判断是否可以通过对目标车道车辆协调控制实现变道车辆汇入合流，即目标车道车辆在当前行驶状态下通过协调控制是否满足让出换道空间的要求；如果当前车速满足，则计算最佳建议速度，对目标车道车辆进行协调控制；否则，执行步骤七；

对目标车道车辆进行协调控制的判断原则是目标车道车辆在施工区入口前能否通过正常驾驶行为改变让出换道空间；在目标车道车辆车速较快的一些情况下，难以通过正常的车速调整在施工区入口前让出换道空间，如果采用剧烈的车速调整则容易引起安全隐患；因此需要判断当前的目标车道车辆速度是否满足协调控制的条件；

在施工区入口前，车辆A相对于车辆B移动的距离为S_AB，S_AB＝S_A+(L_B-L_A)-S_B-d_A，其中，将S_AB和L_S进行比较，如果S_AB大于或等于安全距离S_AB≥L_S，则通过协调控制在车辆A到达施工区入口前车辆B能够为车辆A空出换道空间，根据速度公式V_BT＝V_B+α_BT，计算车辆B在T时间所要达到的速度V_BT，通过语音或文字提示驾驶人员减少到V_BT；否则执行步骤七；

步骤七、计算判断是否可以通过对变道车辆协调控制实现变道车辆汇入合流，即变道车辆在当前行驶状态下通过协调控制是否满足汇入换道空间的要求；如果当前车速满足，则计算最佳建议速度，对变道车辆进行协调控制；否则返回执行步骤四；

通过前面步骤的计算判断，目标车道车辆不能满足为变道车辆提供换道空间的条件，即通过对目标车道进行车辆协调控制来实现变道车辆顺利换道合流；所以本专利在本步骤中采取对变道车辆进行协调控制；

车辆A相对于车辆B移动的距离为S_AB，S_AB＝S_B-S_A-d_B-(L_B-L_A)，其中将S_AB和L_S进行比较，如果S_AB大于安全距离，S_AB≥L_S，则通过协调控制在车辆B到达施工区入口前车辆A能够调整汇入换道空间；根据速度公式V_AT＝V_A+α_AT，计算车辆A在T时间所要达到的速度V_AT，通过语音或文字提示驾驶人员减少到V_AT。