CN108538069A - 一种匝道合流区车辆速度管控系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种匝道合流区车辆速度管控系统及方法，属于道路交通控制领域，包括车载通信设备和路侧控制单元，所述车载通信设备用于采集车辆运动信息，并发送到路侧单元，路侧单元接收控制区域内所有车辆的信息，集中决策，利用区域内车辆时间调控方法，对车辆到达合流点的时间进行统一管理调控，然后利用车辆行为优化控制方法，按照时间管控要求，形成区域内车辆行为控制律，然后将此控制率发送到每辆车辆，每辆车执行自己接收到的控制率使其能准时到达合流点。本发明利用车路集中式通信技术，通过控制区域车辆合流时间管控和车辆合流行为优化，实现匝道区车辆高效的、低油耗的、舒适度高的合流。

Description

一种匝道合流区车辆速度管控系统及方法

技术领域

本发明属于道路交通领域，涉及一种匝道合流区车辆速度管控系统及方法。

背景技术

中国每年约有30％的交通事故发生在公路匝道区域，而其主要诱因则是匝道合流区域的汇入车辆带来的交通扰动。匝道合流分流区域的交通管控问题也受到越来越多关注。目前匝道合流区车辆控制主要依靠红绿灯等控制，这种方法简单，只能控制车辆通行，并不能控制车辆速度，这很难解决匝道合流区车辆碰撞风险高，合流效率低，油耗高的问题。随着通信技术的发展，车联网技术为匝道合流区车辆控制带来了新的方向。

发明内容

为解决现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种匝道合流区车辆速度管控系统及方法，利用车路集中式通信技术，通过控制区域车辆合流时间管控和车辆合流速度优化，实现匝道区车辆高效的、低油耗的、舒适度高的合流。

为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种匝道合流区车辆速度管控系统，包括车载通信设备和路侧控制单元，车载通信设备能够与路侧控制单元通讯连接；

车载通信设备用于采集车辆运动信息，并发送到路侧控制单元；

路侧控制单元用于接收控制区域内所有车辆发送的车辆运动信息，并通过车辆运动信息对车辆到达合流点的时间进行统一管理调控，然后利用车辆速度优化控制方法，按照时间管控要求，形成区域内所有车辆的速度控制率，然后将每辆车的速度控制率对应发送到每辆车辆，每辆车辆接收并执行自己的速度控制率，使每辆车辆能够准时到达合流点。

所述控制区域为路侧控制单元的通信范围，当车辆进入控制区域时，路侧控制单元给每辆车辆分配标识信息；控制区域内所有车辆都能采集自己的运动信息，并向路侧控制单元发送运动信息和标识信息，路侧控制单元能够向控制区域内的所有车辆发送信息。

所述运动信息包括车辆的位置信息、速度信息和加速度信息，所述标识信息为车辆进入控制区域时被路侧控制单元分配的一个ID号码。

一种匝道合流区车辆速度管控方法，包括以下步骤：

步骤一：车辆驶入控制区域，通过车载通信设备采集车辆运动信息，并将车辆运动信息发送给路侧控制单元；路侧控制单元根据车辆进入控制区域的时间，将匝道车辆映射到主道车辆队列中，并在路侧控制单元内建立虚拟车队；

步骤二：然后路侧控制单元利用虚拟车队中车辆到达合流点的时间，依据安全车头时距，对车辆合流时间进行调整，并建立合流时间链表；

步骤三：路侧控制单元再根据合流时间链表中车辆状态和最终状态，以及利用不同的调控方案，通过相应线性速度调控方法对车辆速度进行调控，得到调控速度曲线；

步骤四：路侧控制单元再利用优化算法对调控速度曲线进行优化，控制车辆速度，减少车辆速度突变，光滑车辆轨迹，优化形成最终的速度调控率，车辆执行速度控制率并使每辆车能够准时到达合流点。

所述步骤一中，虚拟车队由队列组成，队列节点保存车辆信息；虚拟车队包括主线车道虚拟车队、匝道虚拟车队和合并虚拟车队；匝道虚拟车队和主线车道虚拟车队是指跟据车辆位置对车辆进行排序的队列，用于保持同一车道中车辆的相对位次；合并虚拟车队是指匝道虚拟车队和主线车道虚拟车队的合并车队，合并虚拟车队的节点车辆相对位置与其在原来车队中的相对位置一致。

所述步骤二中，合流时间链表包括时间碎片检测和时间调整，用于依据虚拟车队的队列，对每辆车到达合流点的时间进行规划，使匝道合流区的通行量达到最大，并保证安全。

时间碎片检测是指检测虚拟车队的队列中车辆车头时距时间是否有多余时间碎片，若车辆时距大于安全车头时距时，则认定有时间碎片，否则，认为没有时间碎片。

对车辆合流时间进行调整包括对前车时间调整和对后车时间调整，当检测到时间碎片时，按照前车调整优先后车调整的原则进行调整，对前车时间调整按如下公式进行：

t_pc＝t_c+t_ps (3)

t_Δ＝t_p-t_pc (4)

式(1)-(4)中v_max为限速，v_i为初始速度，v_t为目标速度，t_p为原计划到达合流交汇处的时间，t_ps是所需最短时间，t_pc为到达最快到达合流交汇处的时间，t_c为当前时间，a_s为最大安全加速度绝对值，S为本车距离合流交汇处的距离，调整幅度为t_Δ，若t_Δ大于0则表示有向前的调整空间。

对后车时间调整的方法为：首先调整当前车辆与前车时间间隔为安全时间间隔t_s，然后判断后续车辆与当前车辆时间间隔是否大于等于t_s，若是则结束；否则调整后续车辆，然后循环调整后续车辆的后续车辆，直至时间间隔大于等于t_s，结束循环。

所述步骤三中，调控方案包括四种，分别为：

调控方案一：v_i＞v_avg；v_t＞v_avg；

调控方案二：v_i＜v_avg；v_t＜v_avg；

调控方案三：v_i＞v_avg；v_t＜v_avg；

调控方案四：v_i＜v_avg；v_t＞v_avg；

其中：v_i为设初始速度，v_t为目标速度，v_avg为平均速度，t_v为驾驶时间，L_VO为距离合流点的距离；

线性速度调控方法为：依据车辆行驶到合流点的距离不变原理，对加速时间区间、匀速时间区间和减速时间区间进行合流划分，利用加速和减速车辆行驶距离等于车辆匀速行驶距离的方法进行划分，具体如下：

S₁+S₃＝S₂ (5)

v_avg-v_min＝a_s(t_B-t_A) (9)

式中，S₁表示减速行驶的距离，S₃表示加速行驶的距离，S₂表示匀速行驶的距离；t_A表示车辆速度到达平均速度v_avg的时间，t_B表示车辆速度到达匀速的时间，t_C表示车辆开始加速的时间，t_g表示车辆速度第一次到达最终速度v_t的时间，t表示时间变量，a_s表示车辆加速度和减速的值，t_Δ表示车辆匀速行驶的时间，即t_Δ＝t_B-t_C，v₁是车辆的规划速度，v_min表示设定的最小车辆速度。

所述步骤四中，所述优化算法包括加速优化和减速优化，具体如下：

加速优化：

减速优化：

式中，r为辅助优化圆的半径，w为角速度，v_a表示开始优化时车辆的速度，v_n为优化结束时车辆的速度，t_a为车辆速度开始变化的起始点的时刻，t_M为两个辅助优化圆的切线与后一辅助优化圆相切的速度对应的时间，t_n为车辆速度优化结束点的时刻，即车辆开始匀速运动的时刻，k为表示两辅助圆切线的横截距。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

目前常见的匝道合流控制方法是在匝道安装红绿灯控制匝道汇入车辆，本发明发明了一种匝道合流区车辆速度管控系统及方法，该技术首先对匝道合流区每辆车的合流时间进行管理，建立合流时间链表，合理分配每辆车到达合流点的时间，并保证合流区的通行量最大。然后利用合流时间链表，分析了车辆速度变化要求，建立了合流车辆速度调控方法，对每辆车的速度进行调节，确保每辆车能够按照时间链表分配的时间到达合流点，保证合流的安全和效率。，最后，对合流控制速度进行优化，减少了速度突变，降低了燃油消耗，形成最终的控制率，再由路侧控制单元，发送到每个车辆，引导合流区车辆安全，高效、绿色的合流。

附图说明

图1为本发明的一种匝道合流区车辆速度管控系统实施例的结构示意图。

图2为本发明的一种匝道合流区车辆速度管控方法的流程图。

图3本发明实施例调控方案一原理图。

图4本发明实施例调控方案一仿真结果图。

图5本发明实施例调控方案一仿真车辆轨迹图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明进行详细的描述。

参照图1，本发明的匝道合流区车辆速度管控系统，包括车载通信设备和路侧控制单元，车载通信设备能够与路侧控制单元通讯连接；所述车载通信设备用于采集车辆运动信息，并发送到路侧控制单元，路侧控制单元接收控制区域内所有车辆发出的车辆运动信息，集中决策，利用区域内车辆时间调控方法，对车辆到达合流点的时间进行统一管理调控，然后利用车辆行为优化控制方法，按照时间管控要求，形成区域内车辆行为控制率，然后将每辆车的行为控制率对应发送到每辆车辆，每辆车接收并执行自己的行为控制率，使每辆车能准时到达合流点。

其中，所述控制区域为路侧设备通信的范围，当车辆进入控制区域时，路侧控制单元给每辆车辆分配标识信息；控制区域内所有车辆都能采集自己的运动信息，并向路侧控制单元发送运动信息和标识信息，路侧控制单元能够向控制区域内的所有车辆发送信息。

所述运动信息包括车辆的位置信息、速度信息和加速度信息，所述标识信息是车辆进入区域时被路侧控制单元分配的一个ID号码，按照车辆进入的先后顺序，一次分配ID号码为 001,002,003…。

实施例，如图1所示，在本实施例中，车辆安装速度传感器、加速度传感器、方向传感器和通信设备，匝道区域安装路侧控制单元，路侧控制单元的通信范围覆盖整个合流区域，通信范围为1000m，在通信范围内，车辆采集自身运动信息，实时将运动信息发送到路侧控制单元，并能够实时接收路侧控制单元的控制命令。

如图3所示，参照图1，仿真匝道场景设置为，主线道路长度设置540m，设置340m，合流车道长度设置200m，匝道长度即合流点距离匝道入口距离340m，车辆速度和车辆间隔时距是随机产生，车辆速度车辆参数设置为：车辆加速度为2m/s²，车辆减速度为2m/s²，车辆最大减速度为4.5m/s²，车辆限速为v_max＝12m/s。，主要包括以下步骤：

步骤一：车辆驶入控制区域，通过车载通信设备采集车辆运动信息，并将车辆运动信息发送给路侧控制单元；路侧控制单元根据车辆进入控制区域的时间，将匝道车辆映射到主道车辆队列中，并在路侧控制单元内建立虚拟车队；

步骤二：设定合流目标速度为12m/s，安全车头时距为3s，最小车辆速度为1m/s，然后路侧控制单元利用虚拟车队中车辆到达合流点的时间，依据安全车头时距，对车辆合流时间进行调整，并建立合流时间链表；

步骤三：路侧控制单元再根据合流时间链表中车辆状态和最终状态利用不同的调控方案，然后通过相应线性速度调控方法对车辆速度进行调控，得到调控速度曲线；

步骤四：设定辅助优化圆的半径为5，路侧控制单元再利用优化算法对调控速度曲线进行优化，控制车辆速度，减少车辆速度突变，光滑车辆轨迹，优化形成最终的速度调控率，使速度曲线变的光滑，车辆执行速度控制率并使每辆车能够准时到达合流点。

所述步骤一中，虚拟车队由队列组成，队列节点保存车辆信息；虚拟车队包括主线车道虚拟车队、匝道虚拟车队和合并虚拟车队；匝道虚拟车队和主线车道虚拟车队是指跟据车辆位置对车辆进行排序的队列，用于保持同一车道中车辆的相对位次；合并虚拟车队是指匝道虚拟车队和主线车道虚拟车队的合并车队，合并虚拟车队的节点车辆相对位置与其在原来车队中的相对位置一致。

所述步骤二中，合流时间链表包括时间碎片检测和时间调整，用于依据虚拟车队的队列，对每辆车到达合流点的时间进行规划，使匝道合流区的通行量达到最大，并保证安全。

时间碎片检测是指检测虚拟车队的队列中车辆车头时距时间是否有多余时间碎片，若车辆时距大于安全车头时距时，则认定有时间碎片，否则，认为没有时间碎片。

对车辆合流时间进行调整包括对前车时间调整和对后车时间调整，当检测到时间碎片时，按照前车调整优先后车调整的原则进行调整，对前车时间调整按如下公式进行：

t_pc＝t_c+t_ps (3)

t_Δ＝t_p-t_pc (4)

式(1)-(4)中，v_i为初始速度，v_t为目标速度，t_p为原计划到达合流交汇处的时间，t_ps是所需最短时间，t_pc为到达最快到达合流交汇处的时间，t_c为当前时间，a_s为最大安全加速度绝对值，S为本车距离合流交汇处的距离，调整幅度为t_Δ，若t_Δ大于0则表示有向前的调整空间。

对后车时间调整的方法为：首先调整当前车辆与前车时间间隔为安全时间间隔t_s＝2s，然后判断后续车辆与当前车辆时间间隔是否大于等于2s，若是则结束；否则调整后续车辆，然后循环调整后续车辆的后续车辆，直至时间间隔大于等于2s，结束循环。

所述步骤三中，调控方案包括四种，分别为：

调控方案一：v_i＞v_avg；12＞v_avg；

调控方案二：v_i＜v_avg；12＜v_avg；

调控方案三：v_i＞v_avg；12＜v_avg；

调控方案四：v_i＜v_avg；12＞v_avg；

其中：v_i为初始速度，v_avg为平均速度，t_v为驾驶时间，L_VO为距离合流点的距离；

线性速度调控方法为：依据车辆行驶到合流点的距离不变原理，对加速时间区间、匀速时间区间和减速时间区间进行合流划分，利用加速和减速车辆行驶距离等于车辆匀速行驶距离的方法进行划分，例如第一辆合流车辆速度大于平均速度，选择调控方案一，原理如图3所示，具体如下：

S₁+S₃＝S₂ (5)

v_avg-1＝2×(t_B-t_A) (9)

式中，S₁表示减速行驶的距离，S₃表示加速行驶的距离，S₂表示匀速行驶的距离；t_A表示车辆速度到达平均速度v_avg的时间，t_B表示车辆速度到达匀速的时间，t_C表示车辆开始加速的时间，t_g表示表车辆速度第一次到达最终速度v_t的时间，t表示时间变量，a_s表示车辆加速度和减速的值，t_Δ表示车辆匀速行驶的时间，即t_Δ＝t_B-t_C，v₁是车辆的规划速度。

所述步骤四中，所述优化算法包括加速优化和减速优化，具体如下：

加速优化：

减速优化：

式中，w为角速度，v_a表示开始优化时车辆的速度，t_a为车辆速度开始变化的起始点的时刻，t_M为两个辅助优化圆的切线与后一辅助优化圆相切的速度对应的时间，t_n为车辆速度优化结束点的时刻，即车辆开始匀速运动的时刻，k表示两辅助圆切线的横截距。

仿真轨迹如图5所示，受控车辆都能准时到达合流点，并且轨迹光滑，能够安全完成合流。

Claims (10)

1.一种匝道合流区车辆速度管控系统，其特征在于，包括车载通信设备和路侧控制单元，车载通信设备能够与路侧控制单元通讯连接；

车载通信设备用于采集车辆运动信息，并发送到路侧控制单元；

路侧控制单元用于接收控制区域内所有车辆发送的车辆运动信息，并通过车辆运动信息对车辆到达合流点的时间进行统一管理调控，然后利用车辆速度优化控制方法，按照时间管控要求，形成区域内所有车辆的速度控制率，然后将每辆车的速度控制率对应发送到每辆车辆，每辆车辆接收并执行自己的速度控制率，使每辆车能够准时到达合流点。

2.根据权利要求1所述的一种匝道合流区车辆速度管控系统，其特征在于，所述控制区域为路侧控制单元的通信范围，当车辆进入控制区域时，路侧控制单元给每辆车辆分配标识信息；控制区域内所有车辆都能采集自己的运动信息，并向路侧控制单元发送运动信息和标识信息，路侧控制单元能够向控制区域内的所有车辆发送信息。

3.根据权利要求2所述的一种匝道合流区车辆速度管控系统，其特征在于，所述运动信息包括车辆的位置信息、速度信息和加速度信息，所述标识信息为车辆进入控制区域时被路侧控制单元分配的一个ID号码。

4.一种匝道合流区车辆速度管控方法，其特征在于，基于权利要求1-3任意一项所述的匝道合流区车辆速度管控系统，包括以下步骤：

步骤一：车辆驶入控制区域，通过车载通信设备采集车辆运动信息，并将车辆运动信息发送给路侧控制单元；路侧控制单元根据车辆进入控制区域的时间，将匝道车辆映射到主道车辆队列中，并在路侧控制单元内建立虚拟车队；

步骤二：然后路侧控制单元利用虚拟车队中车辆到达合流点的时间，依据安全车头时距，对车辆合流时间进行调整，并建立合流时间链表；

步骤三：路侧控制单元再根据合流时间链表中车辆状态和最终状态，以及利用不同的调控方案，通过相应线性速度调控方法对车辆速度进行调控，得到调控速度曲线；

步骤四：路侧控制单元再利用优化算法对调控速度曲线进行优化，控制车辆速度，减少车辆速度突变，光滑车辆轨迹，优化形成最终的速度控制率，车辆执行速度控制率并使每辆车能够准时到达合流点。

5.根据权利要求4所述的一种匝道合流区车辆速度管控方法，其特征在于，所述步骤一中，虚拟车队由队列组成，队列节点保存车辆信息；虚拟车队包括主线车道虚拟车队、匝道虚拟车队和合并虚拟车队；匝道虚拟车队和主线车道虚拟车队是指跟据车辆位置对车辆进行排序的队列，用于保持同一车道中车辆的相对位次；合并虚拟车队是指匝道虚拟车队和主线车道虚拟车队的合并车队，合并虚拟车队的节点车辆相对位置与其在原来车队中的相对位置一致。

6.根据权利要求4所述的一种匝道合流区车辆速度管控方法，其特征在于，所述步骤二中，合流时间链表包括时间碎片检测和时间调整，用于依据虚拟车队的队列，对每辆车到达合流点的时间进行规划，使匝道合流区的通行量达到最大，并保证安全。

7.根据权利要求6所述的一种匝道合流区车辆速度管控方法，其特征在于，时间碎片检测是指检测虚拟车队的队列中车辆车头时距时间是否有多余时间碎片，若车辆时距大于安全车头时距时，则认定有时间碎片，否则，认为没有时间碎片。

8.根据权利要求4所述的一种匝道合流区车辆速度管控方法，其特征在于，对车辆合流时间进行调整包括对前车时间调整和对后车时间调整，当检测到时间碎片时，按照前车调整优先后车调整的原则进行调整，对前车时间调整按如下公式进行：

t_pc＝t_c+t_ps (3)

t_Δ＝t_p-t_pc (4)

式(1)-(4)中v_max为限速，v_i为初始速度，v_t为目标速度，t_p为原计划到达合流交汇处的时间，t_ps是所需最短时间，t_pc为到达最快到达合流交汇处的时间，t_c为当前时间，a_s为最大安全加速度绝对值，S为本车距离合流交汇处的距离，调整幅度为t_Δ，若t_Δ大于0则表示有向前的调整空间。

9.根据权利要求8所述的一种匝道合流区车辆速度管控方法，其特征在于，对后车时间调整的方法为：首先调整当前车辆与前车时间间隔为安全时间间隔t_s，然后判断后续车辆与当前车辆时间间隔是否大于等于t_s，若是则结束；否则调整后续车辆，然后循环调整后续车辆的后续车辆，直至时间间隔大于等于t_s，结束循环；

所述步骤三中，调控方案包括四种，分别为：

调控方案一：v_i＞v_avg；v_t＞v_avg；

调控方案二：v_i＜v_avg；v_t＜v_avg；

调控方案三：v_i＞v_avg；v_t＜v_avg；

调控方案四：v_i＜v_avg；v_t＞v_avg；

其中：v_i为设初始速度，v_t为目标速度，v_avg为平均速度，t_v为驾驶时间，L_VO为距离合流点的距离；

线性速度调控方法为：依据车辆行驶到合流点的距离不变原理，对加速时间区间、匀速时间区间和减速时间区间进行合流划分，利用加速和减速车辆行驶距离等于车辆匀速行驶距离的方法进行划分，具体如下：

S₁+S₃＝S₂ (5)

v_avg-v_min＝a_s(t_B-t_A) (9)

式中，S₁表示减速行驶的距离，S₃表示加速行驶的距离，S₂表示匀速行驶的距离；t_A表示车辆速度到达平均速度v_avg的时间，t_B表示车辆速度到达匀速的时间，t_C表示车辆开始加速的时间，t_g表示车辆速度第一次到达最终速度v_t的时间，t表示时间变量，a_s表示车辆加速度和减速的值，t_Δ表示车辆匀速行驶的时间，即t_Δ＝t_B-t_C，v₁是车辆的规划速度，v_min表示设定的最小车辆速度。

10.根据权利要求4所述的一种匝道合流区车辆速度管控方法，其特征在于，所述步骤四中，所述优化算法包括加速优化和减速优化，具体如下：

加速优化：

减速优化：

式中，r为辅助优化圆的半径，w为角速度，v_a表示开始优化时车辆的速度，v_n为优化结束时车辆的速度，t_a为车辆速度开始变化的起始点的时刻，t_M为两个辅助优化圆的切线与后一辅助优化圆相切的速度对应的时间，t_n为车辆速度优化结束点的时刻，即车辆开始匀速运动的时刻，k为两辅助圆切线的横截距。