CN110930697B - 一种基于规则的智能网联车辆协同汇入控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于规则的智能网联车辆协同汇入控制方法，包括主干道外侧车道车辆与匝道车辆建立通信并传输车辆的状态量；定义车辆协同规则；预测主干道外侧车道车辆和匝道车辆到汇入口处所需时间；根据预测的结果决策主干道外侧车道车辆是否需要换道、加速、减速来进行避让，或匝道车辆是否需要加速、减速来进行避让，得到一个车辆能够安全通过汇入口处的方案；车辆按决策方案行驶。本发明的方法以燃油经济性和通行效率为目标，通过主干道外侧车道车辆的换道避让、主干道和匝道车辆的加减速避让，实现了智能网联车辆的协同汇入控制。

Description

一种基于规则的智能网联车辆协同汇入控制方法

技术领域

本发明属于智能交通系统技术领域，具体涉及一种基于规则的智能网联车辆协同汇入控制方法。

背景技术

随着全球汽车保有量的快速增长，交通拥堵、能源短缺、事故频发成为交通的重点问题，而这些现象在匝道汇入口处显得尤为突出。在高速公路的车辆密度较高时，由于汇入口区域主干道车辆的不合理避让，以及匝道上车辆不合理的汇入行为，常常导致汇入口成为道路的堵塞点。为了解决上述问题，智能交通系统的概念被提出，即通过车辆与车辆、车辆与道路设施之间的联网通信，进行信息的交互，再经过车辆的智能终端进行处理，做出最优的决策，从而使得车辆之间能够以一种高效率、低能耗的方式协同行驶。匝道汇入口处的车辆协同行驶正是智能交通系统所需要解决的重点问题之一。

传统的匝道汇入过程中，匝道车辆驾驶员先判断汇入可用间隙，然后，主干道车辆驾驶员判断匝道车辆的汇入动作情况，最终，依据两个驾驶员的判断来做出具体的车辆汇入操作。在这个过程中，汇入动作是否安全、高效取决于驾驶员的经验。然而，由于人类驾驶员的不确定性使得汇入过程无法达到最优的安全和高效率。因此，为了提高汇入口的车辆通行效率和降低燃油消耗率，提出一种智能网联车辆的协同控制方法十分必要。

现有的智能网联车辆协同控制方法中，一部分是通过车间通信实现了汇入过程，但并未以达到提高车辆通行效率和降低燃油消耗率为控制的最优目标；一部分提出使用马尔科夫决策框架进行匝道车辆状态的决策估计，这种方法并未有效利用车辆间的通信，而且，其决策的准确度取决于参数训练效果，无法保证通行效率最高和燃油消耗率最低。同时，该方法的计算复杂度过高，无法实现车辆的实时控制。现实道路的绝大多数汇入口处，主干道有两个及以上的车道，然而，现有的智能网联车辆协同控制方法都没有考虑到主干道车辆进行换道避让的情况，未充分利用道路资源。

发明内容

针对于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于规则的智能网联车辆协同汇入控制方法，本发明的方法以通行效率最高和燃料消耗最低为目标，实现主干道外侧车道车辆的换道避让，主干道和匝道车辆的加速度控制。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

本发明的一种基于规则的智能网联车辆协同汇入控制方法，包括步骤如下：

1)当主干道外侧车道车辆i进入匝道车辆j的通信范围时，两车建立通信，匝道车辆j向主干道外侧车道车辆i传输其状态量x_j，状态量x_j为：

式中，d_j为匝道车辆j距离汇入口的距离，v_j为匝道车辆j的速度，a_j为匝道车辆j的加速度；

2)主干道外侧车道车辆i和匝道车辆j建立通信时，开始车辆协同控制过程，并定义车辆协同规则；

3)预测过程，即根据步骤2)中定义的车辆协同规则，预测主干道外侧车道车辆i和匝道车辆j到汇入口处所需时间；

4)决策过程，即根据步骤3)的预测过程的结果进行决策，判断主干道外侧车道车辆是否需要换道、加速、减速来进行避让，或者匝道车辆是否需要加速、减速来进行避让，得到一个两辆车能够安全通过汇入口处的方案；

5)主干道外侧车道的每一辆车辆，一旦进入任何一个匝道车辆的通信范围，均将进行步骤3)的预测过程和步骤4)的决策过程，输出决策方案，按决策方案行驶。

进一步地，所述步骤2)中的车辆协同规则具体为：两车辆先以综合乘客舒适性、燃油经济性和通行效率的最优加速度加速到道路的最高限速，再保持匀速运动，直至到达汇入口处；所述最优加速度设定为：

式中，下标l代表车辆l，车辆l并非特指某一辆车，而是表明其既可以是主干道外侧车道车辆，也可以是匝道车辆，即上述式子对两种类型车辆均适用，

代表车辆的所能达到的最大加速度，v_l代表车辆的速度。

进一步地，所述步骤3)的预测过程具体包括：根据步骤2)中定义的车辆协同规则，主干道外侧车道车辆i和匝道车辆j到汇入口处所需时间均由下式计算：

T_l＝T_l1+T_l2

式中，T_l1加速阶段的时间，T_l2为匀速阶段的时间；

加速阶段时间为：

式中，v_max为道路的最高限速；

匀速阶段时间为：

式中，d_l为车辆到汇入口处距离，d_l1可由下式计算：

进一步地，所述步骤4)的决策过程具体包括：根据步骤3)预测得到的主干道外侧车道车辆i到达汇入口处的时间T_i和匝道车辆j到达汇入口处的时间T_j之间的关系，分以下四种情况：

定义g_l为车尾最小安全间隙，单位为秒，g_l＝0.2s，g_f为车头最小安全间隙，单位为秒，g_f＝0.3s；

(1)当T_i-T_j≥g_l时，匝道车辆j先于主干道外侧车道车辆i到达汇入口处，且两车间隙大于车尾最小安全间隙；两车辆按上述步骤2)中车辆协同规则行驶，将该行驶方案定义为决策方案p₁₁，定义T_i-T_j≥g_l时的决策方案子集为P₁＝{p₁₁}；

(2)当0≤T_i-T_j＜g_l时，匝道车辆j先于主干道外侧车道车辆i到达汇入口处，两车辆间隙小于车尾最小安全间隙；则令主干道外侧车道车辆i利用换道来避免在汇入口处与匝道车辆j发生冲突，将该行驶方案定义为决策方案p₂₁，也可以令主干道外侧车道车辆i利用减速来避免在汇入口处与匝道车辆j发生冲突，将该行驶方案定义为决策方案p₂₂，还可以令匝道车辆j利用加速来避免在汇入口处与主干道外侧车道车辆i发生冲突，将该行驶方案定义为决策方案p₂₃，则可以定义0≤T_i-T_j＜g_l时的决策方案子集为P₂＝{p₂₁，p₂₂，p₂₃}；

如果满足：

g_li≥g_l,g_fi≥g_f

式中，g_li代表主干道外侧车道车辆i与其左侧车道车辆的车尾间隙，g_fi代表主干道外侧车道车辆i与其左侧车道车辆的车头间隙，则输出决策方案p₂₁，否则，判断决策方案p₂₂和决策方案p₂₃中的最优决策方案；

规定时间收益为：

cost_p＝T_ip+T_jp，p＝p₂₂,p₂₃

式中，T_ip为在采用p方案时，主干道外侧车道车辆i到达汇入口处的时间，T_jp为在采用p方案时，匝道车辆j到达汇入口处的时间；判断采用决策方案p₂₂或决策方案p₂₃时，哪种方案时间收益最小，则选择该时间收益最小的方案为输出的决策方案；

(3)当-g_f≤T_i-T_j＜0时，主干道外侧车道车辆i先于匝道车辆j到达汇入口处，两车辆间隙小于车头最小安全间隙；则令主干道外侧车道车辆i利用换道来避免在汇入口处与匝道车辆j发生冲突，将该行驶方案定义为决策方案p₃₁，也可以令主干道外侧车道车辆i利用加速来避免在汇入口处与匝道车辆j发生冲突，将该行驶方案定义为决策方案p₃₂，还可以令匝道车辆j利用减速来避免在汇入口处与主干道外侧车道车辆i发生冲突，将该行驶方案定义为决策方案p₃₃，则可以定义-g_f≤T_i-T_j＜0时的决策方案子集为P₃＝{p₃₁，p₃₂，p₃₃}；

如果满足

g_li≥g_l,g_fi≥g_f

则输出决策方案p₃₁，否则，判断决策方案p₃₂和决策方案p₃₃中的最优决策方案；

规定时间收益为：

cost_p＝T_ip+T_jp，p＝p₃₂,p₃₃

判断采用决策方案p₃₂或决策方案p₃₃时，哪种方案时间收益最小，选择该时间收益最小的方案为输出的决策方案；

(4)当T_i-T_j≤-g_f，主干道外侧车道车辆i先于匝道车辆j到达汇入口处，两车间隙大于车头最小安全间隙；两车辆按上述步骤2)中车辆协同规则行驶，将该行驶方案定义为决策方案p₄₁，定义T_i-T_j≤-g_f时的决策方案子集为P₄＝{p₄₁}；

综合上述四种情况，得到决策过程的决策方案集为：

本发明的有益效果：

本发明的方法考虑了主干道外侧车道车辆换道避让行为，充分利用了道路资源，提高了道路通行效率。本发明与现有技术方案相比，计算复杂度大大降低。

本发明的方法以燃油消耗率和道路通行效率作为选择最优决策方案的指标，实现了降低燃油消耗率，提升道路通行效率的目的。

附图说明

图1为本发明实施例的场景示意图。

图2为本发明实施例的方法流程图。

图3为本发明实施例的决策树图。

图4为本发明实施例的仿真结果图。

具体实施方式

为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例与附图对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。

图1为本发明实施例的场景示意图。该场景主要包括主干道内侧车道、主干道外侧车道、匝道、汇入口处、主干道外侧车道车辆均称为车辆i，匝道车辆称为车辆j。

按图2所示实施例的方法流程图，本发明所提出的方法具体实施步骤如下：

步骤一：主干道外侧车道车辆i进入匝道车辆j的通讯范围，主干道外侧车道车辆i开始接收匝道车辆j传输的状态量，状态量为：

式中，d_j为匝道车辆j距离汇入口的距离，v_j为匝道车辆j的速度，a_j为匝道车辆j的加速度。

步骤二：计算主干道外侧车道车辆i和匝道车辆j到汇入口处所需时间。

定义车辆协同规则为：两车先以综合乘客舒适性、燃油经济性和通行效率的最优加速度加速到道路的最高限速，再保持匀速运动，直至到达汇入口处；

为了使得燃油消耗率较低，最优加速度应当较低；但是，为了提高通行效率，车辆到达汇入口处所需时间应尽量少，即最优加速度应当较高；同时，考虑到乘客舒适性，最优加速度设定为：

式中，下标l代表车辆l，车辆l并非特指某一辆车，而是表明其既可以是主干道外侧车道车辆，也可以是匝道车辆，即上述式子对两种类型车辆均适用，

代表车辆的所能达到的最大加速度，v_l代表车辆的速度。

主干道外侧车道车辆i和匝道车辆j到汇入口处所需时间均可由下式计算：

T_l＝T_l1+T_l2

式中，T_l1加速阶段的时间，T_l2为匀速阶段的时间。

加速阶段时间为：

式中，v_max为道路的最高限速。

匀速阶段时间为：

式中，d_l为车辆到汇入口处距离，d_l1可由下式计算：

步骤三：决策过程；如图3本发明实施例的决策树图所示，根据主干道外侧车道车辆i和匝道车辆j到汇入口处所需时间T_i、T_j与最小车头安全间隙g_f、最小车尾安全间隙g_l的关系，得到不同的决策集P₁＝{p₁₁}，P₂＝{p₂₁，p₂₂，p₂₃}，P₃＝{p₃₁，p₃₂，p₃₃}，P₄＝{p₄₁}。

规定时间收益为：

cost_p＝T_ip+T_jp，p＝p₂₂,p₂₃

式中，T_ip为在采用p方案时，主干道外侧车道车辆i到达汇入口处的时间，T_jp为在采用p方案时，匝道车辆j到达汇入口处的时间；判断采用决策方案p₂₂或决策方案p₂₃时，哪种方案时间收益最小，则选择该时间收益最小的方案为输出的决策方案；

步骤四：如果车辆i进入除车辆j之外的其他匝道车辆j+1的通讯范围，则令j＝j+1，然后重复步骤一至步骤三的过程。

步骤五：每一辆主干道外侧车道车辆一旦进入了匝道中某一车辆的通讯范围，便进行步骤一至步骤四的过程。

本发明实现了智能网联车辆的协同汇入控制，保证了车辆汇入过程的安全性、高效性、燃油经济性。图4为本发明实施例的仿真结果图，仿真结果表明，所提出的方法使得车辆的燃油消耗率比无控制情况下降低了43.6％，通行效率提高了17.2％，验证了该方法的有效性。

本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种基于规则的智能网联车辆协同汇入控制方法，其特征在于，包括步骤如下：

1)当主干道外侧车道车辆i进入匝道车辆j的通信范围时，两车建立通信，匝道车辆j向主干道外侧车道车辆i传输其状态量x_j，状态量x_j为：

式中，d_j为匝道车辆j距离汇入口的距离，v_j为匝道车辆j的速度，a_j为匝道车辆j的加速度；

2)主干道外侧车道车辆i和匝道车辆j建立通信时，开始车辆协同控制过程，并定义车辆协同规则；

3)预测过程，即根据步骤2)中定义的车辆协同规则，预测主干道外侧车道车辆i和匝道车辆j到汇入口处所需时间；

4)决策过程，即根据步骤3)的预测过程的结果进行决策，判断主干道外侧车道车辆是否需要换道、加速、减速来进行避让，或匝道车辆是否需要加速、减速来进行避让，得到一个两辆车能够安全通过汇入口处的方案；

5)主干道外侧车道的每一辆车辆，一旦进入任何一个匝道车辆的通信范围，均将进行步骤3)的预测过程和步骤4)的决策过程，输出决策方案，按决策方案行驶；

所述步骤2)中的车辆协同规则具体为：两车辆先以综合乘客舒适性、燃油经济性和通行效率的最优加速度加速到道路的最高限速，再保持匀速运动，直至到达汇入口处；所述最优加速度设定为：

式中，下标l代表车辆l，车辆l既可是主干道外侧车道车辆，也可是匝道车辆，即上述公式对两种类型车辆均适用，

代表车辆的所能达到的最大加速度，v_l代表车辆的速度；

所述步骤3)的预测过程具体包括：根据步骤2)中定义的车辆协同规则，主干道外侧车道车辆i和匝道车辆j到汇入口处所需时间均由下式计算：

T_l＝T_l1+T_l2

式中，T_l1加速阶段的时间，T_l2为匀速阶段的时间；

加速阶段时间为：

式中，v_max为道路的最高限速；

匀速阶段时间为：

式中，d_l为车辆到汇入口处距离，d_l1由下式计算：

所述步骤4)的决策过程具体包括：根据步骤3)预测得到的主干道外侧车道车辆i到达汇入口处的时间T_i和匝道车辆j到达汇入口处的时间T_j之间的关系，分以下四种情况：

定义g_l为车尾最小安全间隙，单位为秒，g_l＝0.2s，g_f为车头最小安全间隙，单位为秒，g_f＝0.3s；

(1)当T_i-T_j≥g_l时，匝道车辆j先于主干道外侧车道车辆i到达汇入口处，且两车间隙大于车尾最小安全间隙；两车辆按上述步骤2)中车辆协同规则行驶，将该行驶方案定义为决策方案p₁₁，定义T_i-T_j≥g_l时的决策方案子集为P₁＝{p₁₁}；

(2)当0≤T_i-T_j＜g_l时，匝道车辆j先于主干道外侧车道车辆i到达汇入口处，两车辆间隙小于车尾最小安全间隙；则令主干道外侧车道车辆i利用换道来避免在汇入口处与匝道车辆j发生冲突，将该行驶方案定义为决策方案p₂₁，也可令主干道外侧车道车辆i利用减速来避免在汇入口处与匝道车辆j发生冲突，将该行驶方案定义为决策方案p₂₂，还可令匝道车辆j利用加速来避免在汇入口处与主干道外侧车道车辆i发生冲突，将该行驶方案定义为决策方案p₂₃，则定义0≤T_i-T_j＜g_l时的决策方案子集为P₂＝{p₂₁，p₂₂，p₂₃}；

如果满足：

g_li≥g_l,g_fi≥g_f

式中，g_li代表主干道外侧车道车辆i与其左侧车道车辆的车尾间隙，g_fi代表主干道外侧车道车辆i与其左侧车道车辆的车头间隙，则输出决策方案p₂₁，否则，判断决策方案p₂₂和决策方案p₂₃中的最优决策方案；

规定时间收益为：

cost_p＝T_ip+T_jp，p＝p₂₂,p₂₃

式中，T_ip为在采用p方案时，主干道外侧车道车辆i到达汇入口处的时间，T_jp为在采用p方案时，匝道车辆j到达汇入口处的时间；判断采用决策方案p₂₂或决策方案p₂₃时，哪种方案时间收益最小，则选择该时间收益最小的方案为输出的决策方案；

(3)当-g_f≤T_i-T_j＜0时，主干道外侧车道车辆i先于匝道车辆j到达汇入口处，两车辆间隙小于车头最小安全间隙；则令主干道外侧车道车辆i利用换道来避免在汇入口处与匝道车辆j发生冲突，将该行驶方案定义为决策方案p₃₁，也可令主干道外侧车道车辆i利用加速来避免在汇入口处与匝道车辆j发生冲突，将该行驶方案定义为决策方案p₃₂，还可令匝道车辆j利用减速来避免在汇入口处与主干道外侧车道车辆i发生冲突，将该行驶方案定义为决策方案p₃₃，则可定义-g_f≤T_i-T_j＜0时的决策方案子集为P₃＝{p₃₁，p₃₂，p₃₃}；

如果满足

g_li≥g_l,g_fi≥g_f

则输出决策方案p₃₁，否则，判断决策方案p₃₂和决策方案p₃₃中的最优决策方案；

规定时间收益为：

cost_p＝T_ip+T_jp，p＝p₃₂,p₃₃

判断采用决策方案p₃₂或决策方案p₃₃时，哪种方案时间收益最小，选择该时间收益最小的方案为输出的决策方案；

(4)当T_i-T_j≤-g_f，主干道外侧车道车辆i先于匝道车辆j到达汇入口处，两车间隙大于车头最小安全间隙；两车辆按上述步骤2)中车辆协同规则行驶，将该行驶方案定义为决策方案p₄₁，定义T_i-T_j≤-g_f时的决策方案子集为P₄＝{p₄₁}；

综合上述四种情况，得到决策过程的决策方案集为：

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