CN111583673A - 一种基于无人驾驶车辆的智能交叉路口管理方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于无人驾驶车辆的智能交叉路口管理方法，包括如下步骤：步骤1：对交叉路口、路口控制策略、无人驾驶车辆提出假设；步骤2：定义通信的消息类型及车辆允许执行的操作；步骤3：根据车辆的行驶信息，及其到达交叉路口的时间计算优先级；步骤4：通过车辆信息计算交叉路口资源被占用时间，检测潜在的碰撞，调整车速。本发明中，通过使用IICP协议管理无人驾驶车辆在交叉路口的通行，不仅能够克服传统的红绿灯控制策略频繁拥堵的交通状况，极大程度的减少车辆在交叉路口的等待时间，提升车辆通行效率；而且，完全采用无人驾驶方式能够避免司机的误操作、驾驶水平等因素对城市交通系统安全性的影响。

Description

一种基于无人驾驶车辆的智能交叉路口管理方法

技术领域

本发明是一种用于管理无人驾驶车辆在交叉路口通行的、基于V2I通信、序列化调度的智能管理方法。

背景技术

交叉路口的管理是交通控制中最具有挑战性的任务之一，目前交叉路口都是由停车标志或者红绿灯管理。然而随着越来越多的车辆涌入城市交通流，交通灯策略的弊端开始显现。在很多情况下，即使交叉路口内没有车辆，红绿灯策略也会要求车辆在交叉路口边缘等待，导致了频繁的交通堵塞，严重影响了城市的生产力和居民的生活质量，同时造成了大量的经济损失。随着人工智能、视觉计算、无线通信技术等研究的飞速发展，无人驾驶技术越来越成熟，无人驾驶和智能交通系统(ITS)成为人们关注的热点话题之一。无人驾驶车辆的优势在于，它们可以相互协作、协调，也可以与交叉路口的控制器进行交互，为智能交叉路口管理开辟了可能。在不久的将来，无人驾驶和ITS技术迈向成熟，无人驾驶接近全面实现时，交通方式将会发生历史性的改革，低效的红绿灯机制极有可能被其他控制策略取代。目前已有许多研究者预见这一未来并提出了很多智能的控制策略，仿真实验也证明了这些控制策略相对红绿灯机制的高效性。然而现有的控制策略存在不能实时控制、模型不够优化等问题，因此本发明提出了更加优化、高效的智能控制协议IICP。

发明内容

本发明要解决的问题是：提供一种用于管理无人驾驶车辆在交叉路口通行的基于V2I通信、序列化调度方式的智能管理方法，该方法能够极大程度的减少车辆在路口的等待时间。

本发明的技术方案：用于管理无人驾驶车辆在交叉路口通行的基于V2I通信、序列化调度方式的智能管理方法，含有如下步骤(如图2所示)：

步骤1、协议假设：对交叉路口、路口控制策略、无人驾驶车辆提出假设。

步骤2、消息类型及对象动作：定义多种消息通讯类型及协议中对象允许执行的动作。

步骤3、车辆优先级确定：根据Adjust区域无人驾驶车辆到达交叉路口的先后顺序，采用FCFS规则为其确定优先级。

步骤4、车辆速度调整：通过Conflict区域、Adjust区域车辆信息，ICC首先计算交叉路口内每个细胞单元被占用的时间段，再按照步骤3生成的优先级顺序依次为每辆车检测潜在的碰撞情况，提供加速、减速的速度调整策略，为车辆提供安全行驶速度。

本发明中，所述V2I通信是指：车辆和ICC之间的通信，用于车辆及ICC交互信息。

1.优选地，步骤1中的交叉路口假设是指：将交叉路口建模为由多个细胞单元组成的网格，每个细胞单元能够容纳一辆无人驾驶车辆，为计算细胞占用时间做准备；同时根据道路上距离交叉路口的距离，把道路划分为Outside区域、Adjust区域、Conflict区域、Exit区域(如图1所示)。

步骤1中路口控制策略假设是指：引入智能控制中心(ICC)，其具有无线通信、强大计算能力等功能，并取代红绿灯管理无人驾驶车辆在交叉路口通行。

步骤1中的无人驾驶车辆假设是指：所有车辆都是无人驾驶车辆，且装配有传感器、无线通信、定位系统等装置，能够感知一定范围内的障碍物、进行无线通讯、以及获取精准的定位信息等功能。

优选地，步骤2中的消息类型是指：通过定义车辆行驶信息、确认信息、返回信息、离开信息等消息类型，确保车辆和ICC之间通信时，能够将所有必要的信息发送至对方。

步骤2中的对象允许的动作是指：定义ICC和无人驾驶车辆允许执行、必须执行的动作，从而保证协议的安全性。

优选地，步骤3中的车辆优先级确定是指：通过Adjust区域无人驾驶车辆发送的车辆信息，ICC计算其到达路口边缘的时间，通过FCFS策略确定其优先级。

优选地，步骤4的车辆速度调整是指：通过Conflict区域、Adjust区域车辆信息，ICC首先计算交叉路口内每个细胞单元被占用的时间段，再按照步骤3生成的优先级顺序依次为每辆车检测潜在的碰撞情况，提供加速、减速的速度调整策略，为车辆提供安全行驶速度。

本发明的有益效果：

本发明为用于管理无人驾驶车辆在交叉路口通行的、基于V2I通信、序列化调度方式的智能管理协议，针对红绿灯控制方式效率低下的问题，以智能控制中心取代红绿灯，提出了一个基于优先级的车辆通行协议，该协议通过确定接近交叉路口的车辆的优先级，再调整其车速的方式实现车辆高效、安全的通过交叉路口。相对于红绿灯控制策略本发明能够大大减少车辆在交叉路口的等待时间，提高交叉路口资源利用率，进而提高城市交通水平；同时，完全采用无人驾驶方式能够避免司机的误操作、驾驶水平等因素对城市交通系统安全性的影响。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得更加清楚明了。在附图中：

图1为本发明方法流程示意图；

图2为基于V2I通信、序列化调度方式的IICP协议，车辆通过交叉路口的流程示意图；

图3为无人驾驶车辆在交叉路口通行示意图；

图4为无人驾驶车辆占用各个细胞单元的时间段示意图；

图5为SUMO配置示意图；

图6为车辆信息配置示意图；

图7为仿真实验中车速调整示意图；

图8为仿真实验结果图。

具体实施方式

结合以下具体实施例和附图，对发明作进一步的详细说明。实施本发明的过程、条件、实验方法等，除以下专门提及的内容之外，均为本领域的普遍知识和公知常识，本发明没有特别限制内容。

本发明中，通过使用IICP协议管理无人驾驶车辆在交叉路口的通行，不仅能够克服传统的红绿灯控制策略频繁拥堵的交通状况，极大程度的减少车辆在交叉路口的等待时间，提升车辆通行效率；而且，完全采用无人驾驶方式能够避免司机的误操作、驾驶水平等因素对城市交通系统安全性的影响。

图1为本发明方法流程示意图；如图1所示，包括以下步骤：

步骤1、协议假设：

具体地，若人类驾驶汽车的方式被无人驾驶所取代，则应该重新设计整个交通控制系统，所以本发明引入了以下假设：

步骤1.1、对交叉路口提出假设。

本发明将交叉路口划分为n*n个细胞单元的网格，其中n是每个方向的车道数目之和，每个细胞单元都能够容纳一辆无人驾驶汽车。例如，图3所示的车辆在交叉路口通行示意图中，展示了2车道的交叉路口，则交叉路口被划分为2*2，即由4个细胞单元组成的网格。

同时根据到路上距离交叉路口的距离将道路划分为Outside、Adjust、Conflict、Exit区域。在Outside区域：车辆会将速度调整至IICP协议推荐的速度，从而减少车辆在道路上行驶所耗费的时间。在Adjust区域：所有车辆在进入交叉路口之前，根据ICC计算得出的安全行驶速度进行速度调整，从而保证车辆进入交叉路口后能够安全行驶。Conflict区域：车辆在此区域内保持匀速行驶，不会出现突然刹车情况，同时使得Adjust区域车辆的安全速度计算更加方便。在Exit区域，车辆发送信息通知ICC此车已离开交叉路口，降低ICC的计算负载。

步骤1.2、对路口控制策略提出假设。

在IICP协议中，使用ICC取代红绿灯方式控制无人驾驶车辆在交叉路口的通行。本发明假设ICC配置有强大的无线通信装置、具有强力计算能力的计算设备，能够高效、低延迟的与道路上Conflict、Adjust、Outside、Exit四个区域的车辆进行通信，且能够在极短时间内根据车辆信息，计算出细胞单元被占用的时间段，为车辆速度调整做准备。

步骤1.3、对无人驾驶车辆提出假设。

在IICP协议中，本发明假设所有车辆都是无人驾驶车辆，其配置有传感器、无线通讯装置、车载计算器等设备，能够感知附近一定范围内的障碍物，同时高效的与ICC进行信息通讯，将车辆信息发送至ICC，待接收到ICC的返回信息后，严格按照ICC的指令进行速度调整。

步骤2、消息类型及对象动作：

在IICP协议中，本发明定义了4种供ICC和无人驾驶车辆进行信息交互的消息类型，且ICC和无人驾驶车辆进行信息交互时均遵守高可用性、低延迟的DSRC、WAVE标准。

步骤2.1、定义多种消息通讯类型

车辆信息：无人驾驶车辆发送此信息至ICC，发明通过交叉路口，包含车辆经过交叉路口后想要到达的车道、车辆的位置、速度等信息。

确认信息：ICC接收到无人驾驶车辆想要经过交叉路口的发明之后，会发送确认信息至此车，表明ICC将要开始为此车分配行驶路线、计算安全行驶速度。

返回信息：通过Conflict、Adjust区域车辆信息，ICC计算交叉路口内每个细胞单元被占用的时间段，再检测潜在碰撞情况，最终得出每辆车的安全行驶车道、进入交叉路口的速度等信息，最终ICC将这些信息发送至对应车辆。

离开信息：当部分车辆已经通过了交叉路口，这些车辆会发生离开信息至ICC，ICC会忽略这些车，从而降低其计算负载。

步骤2.2、定义协议中对象允许执行、必须执行的动作。

车辆允许执行、必须执行的动作：

车辆在未接收到ICC的返回信息之前不允许进入交叉路口内，从而进一步保障安全性；

若车辆发送车辆信息至ICC后，未收到ICC的确认信息，则必须重新发送车辆信息，防止信息丢失引发的安全性问题；

车辆在Conflict、Adjust、Outside、Exit区域时，必须周期性的发生车辆信息至ICC，使得ICC能够根据实时车辆信息计算每辆车的安全行驶速度，同时提升交叉路口的通行效率；若车辆已经接收到ICC的返回信息，则必须严格按照返回信息的指示相应的进行速度调整；若车辆已离开交叉路口区域，则必须发送离开信息至ICC，降低ICC的计算负载；

所有车辆必须遵循‘跟车’策略，在同一条道路上，后面的车不能超过前面的车；

ICC允许执行、必须执行的动作：

ICC在接收到车辆信息后，必须发送确认信息至对应车辆；

在固定的间隔时间之后，ICC必须更新Conflict、Adjust区域内车辆的信息，保证ICC车辆信息的实时性；

ICC根据收到的车辆信息计算车辆到达路口边缘的时间，再根据FCFS策略为其确定优先级；同时计算交叉路口被每个细胞单元被占用时间段，检测潜在的碰撞，从而为每辆车确定安全行驶速度，在计算出安全行驶速度之后，必须发送返回信息至每辆对应车辆；

步骤3、确定车辆优先级

通过Adjust区域无人驾驶车辆发送的车辆信息，ICC计算其到达路口边缘的时间，通过FCFS策略确定其优先级；同时本发明规定Conflict区域车辆的优先级高于Adjust区域车辆的优先级，即Adjust区域的车必须避让Conflict区域的车。

步骤4、速度调整

IICP协议需要保证每辆无人驾驶车辆以安全的行驶速度进入交叉路口，因此Adjust区域的车辆进入交叉路口之前，必须按照优先级的顺序为每辆车进行相应的速度调整。假设Adjust区域内有n辆车，则必须进行n次速度计算。在第i次速度计算时，ICC检查第i辆车与比其优先级高的所有车辆之间是否存在潜在碰撞，包括存在碰撞/不存在碰撞两种情况。

不存在碰撞：在此情况下，ICC会尝试加速此车。假设比此车优先级高的所有车辆共有m辆，则根据此车与m辆车对交叉路口内每个细胞单元的占用时间分析，确定m辆车允许此车的安全行驶速度，假设为V1，V2，...，Vm，最终选择min(V1，V2，...，Vm)作为此车能够加速到的最大速度。

例如图3中车辆在交叉路口通行的示意图，车A、C处于Conflict区域，且各自占用细胞单元2、4，车B、D处于Adjust区域，且尝试通过交叉路口。假设车B、D的车速相同，则根据到达路口边缘的时间可以得知车B的优先级高于车D。首先ICC计算A、B、C、D四车对细胞单元的占用时间段(如图4所示)。车辆A占用细胞2、1，车B占用细胞3、4，因此车A、B之间不存在冲突；车辆C占用细胞4、2，因此车C对车B的最大行驶速度有限制，最好的情况是：车C刚刚离开细胞4，车B就进入细胞4，因此通过车C离开细胞4的时间与车B距离细胞4的距离可以计算出车B允许的安全行驶速度。

存在碰撞：在此情况下，ICC会尝试减速此车。假设比此车优先级高的所有车辆共有m辆，则根据此车与m辆车对交叉路口内每个细胞单元的占用时间分析，确定m辆车允许此车的安全行驶速度，假设为V1，V2，...，Vm，最终选择min(V1，V2，...，Vm)作为此车能够减速到的最大速度。

在图3中，车D与车A同向行驶，因此不存在潜在碰撞，但车D要遵循‘跟车’规则；车C、D都要占用细胞2，且车C处于Conflict区域，优先级高于车D，若车C、D以当前速度行驶，根据图4展示的细胞占用时间段示意图，将会发生碰撞，因此车D必须减速避让车C。最好的情况是：车C刚刚离开细胞2，车D就进入细胞2，因此通过车C离开细胞2的时间与车D距离细胞2的距离可以计算出车D允许的安全行驶速度。

在经过固定的时间段之后，ICC需要根据步骤3生成的实时优先级序列及各个车辆发送的实时车辆信息，重新计算安全行驶速度。

自主学习：基于仿真工具SUMO，实现IICP协议；

目前已经有很多研究者为无人驾驶研究开发了各种交通仿真软件来模拟交通网络。例如，交通仿真系统SUMO，它是由德国Transport System Research Institute研发的一个高度轻量级的道路交通仿真软件。SUMO能够处理从端到端的交通和通信，并且允许用户添加大量自行设计的算法来控制交通方式，因此它能够模拟非常复杂的场景。

图5为代码示例，给出配置SUMO的代码环境。

图6展示了车辆的初始配置信息，包括车辆类型、最大加速度、最大减速度等信息。

图7为车辆速度调整策略代码示例，车辆自西向东行驶，根据其他车辆信息计算允许的行驶速度，最终取所有允许速度的最小值作为安全行驶速度。

图8展示了仿真模拟的结果示例，包含车辆的出发时间、出发路线、出发位置及速度等信息。

本发明的保护内容不局限于以上实施例。在不背离发明构思的精神和范围下，本领域技术人员能够想到的变化和优点都被包括在本发明中，并且以所附的权利要求书为保护范围。

Claims (8)

1.一种基于无人驾驶车辆的智能交叉路口管理方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、协议假设：对交叉路口、路口控制策略、无人驾驶车辆提出假设；

步骤2、消息类型及对象动作：定义多种消息通讯类型及协议中对象允许执行的动作；

步骤3、车辆优先级确定：根据无人驾驶车辆到达交叉路口的先后顺序，采用FCFS规则为其确定优先级；

步骤4、车辆速度调整：根据车辆的优先级、路口资源被占用的时间、及潜在的碰撞情况，提供加速、减速的速度调整策略，为车辆提供安全行驶速度。

2.根据权利要求1所述的基于无人驾驶车辆的智能交叉路口管理方法，其特征在于，所述步骤1中的交叉路口假设是指：将交叉路口建模为由多个细胞单元组成的网格，每个细胞单元能够容纳一辆无人驾驶车辆，为计算细胞单元被占用时间做准备；同时根据道路距离交叉路口的距离，把道路划分为Outside区域、Adjust区域、Conflict区域、Exit区域。

3.根据权利要求2所述的基于无人驾驶车辆的智能交叉路口管理方法，其特征是：所述步骤3中的车辆优先级确定是指：智能控制中心为Adjust区域的车辆计算优先级，通过这些车辆发送的车辆信息，计算其到达交叉路口边缘的时间，通过FCFS策略确定其优先级。

4.根据权利要求2所述的基于无人驾驶车辆的智能交叉路口管理方法，其特征是：所述步骤4的车辆速度调整是指：所述智能控制中心通过Conflict区域、Adjust区域车辆行驶信息，计算交叉路口内每个细胞单元被占用的时间段，按照步骤3生成的车辆优先级顺序，依次检测每辆车与比其优先级高的车辆之间的潜在冲突，根据是否存在潜在碰撞状况，加速/减速此车，以保证系统的安全性。

5.根据权利要求1所述的基于无人驾驶车辆的智能交叉路口管理方法，其特征在于，所述步骤1中路口控制策略假设是指：引入智能控制中心，采用所述智能控制中心取代红绿灯管理无人驾驶车辆在交叉路口通行。

6.根据权利要求1所述的基于无人驾驶车辆的智能交叉路口管理方法，其特征在于，所述步骤1中的无人驾驶车辆假设是指：所有车辆都是无人驾驶车辆，且装配有传感器、无线通信、定位系统。

7.根据权利要求1所述的基于无人驾驶车辆的智能交叉路口管理方法，其特征在于，所述所述步骤2中的消息类型是指：通过定义车辆行驶信息、确认信息、返回信息、离开信息等消息类型，确保车辆和所述智能控制中心之间通信时，能够将所有需要的信息发送给对方。

8.根据权利要求1所述的基于无人驾驶车辆的智能交叉路口管理方法，其特征在于，所述步骤2中的对象允许的动作是指：定义所述智能控制中心和无人驾驶车辆允许执行、必须执行的动作，从而保证协议的安全性。

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