CN111710191A - 一种面向城市快速路的匝道合流控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向城市快速路的匝道合流控制方法，包括如下步骤：步骤1，收集整个快速路主路段车辆以及汇入车辆的相关运动状态信息；步骤2，构建匝道合流优化控制模型；步骤3，优化主路车辆以及汇入车辆的运动状态；步骤4，将优化的车辆控制指令发送给各车辆，各车辆执行控制指令；步骤5，在下一控制周期，返回继续执行1~4的步骤。本发明的面向城市快速路的匝道合流控制方法，避免了主车道以及匝道合流车辆不必要的加减速，有效地提高了分合流安全性、经济性和效率。

Description

一种面向城市快速路的匝道合流控制方法及系统

技术领域

本发明涉及一种匝道合流协同控制技术，特别是面向城市快速路入口的匝道合流协同控制方法及系统。

背景技术

城市快速路属于快速路的一种，是快速公路的主体。城市快速路在城市交通系统中具有保证汽车畅通连续地行驶，提高城市内部的运输效率的作用。

目前，有部分专利着眼于匝道合流控制。例如，CN102314769A设计了一种高速公路入口匝道合流区智能安全预警控制方法，该方法对合流区实际交通状况进行采集和分析，对即将进入合流区车辆进行实时动态预警，避免事故的发生。CN107093332B设计了一种城市快速路匝道合流区安全预警系统，从车路协同的角度实现对驾驶员的预警，改善城市快速路入口匝道合流区的安全环境。CN108648506A设计了一种基于车路协同的互通式立交入口安全提醒系统，系统可根据主线和匝道来车情况，辅助车辆在以合适的车速安全合流，保障驾驶员在互通式立交入口的行车安全。

上述技术对于提高城市匝道的安全性具有积极意义，但其或者仅提供预警信息，或者单方面考虑匝道合流车辆和主路临近车辆之间协调运动关系，未考虑主路整个控制区域内车辆运动关系。而在城市快速路入口匝道中，主路车辆跟车间距较小，交通密度较大，尤其在工作日早晚高峰时上述方法可能造成匝道车辆无法合流、交通波动产生拥堵、交通安全等问题，无法高效、安全、经济地完成车辆合流。

而在实际应用中，在对匝道控制时同时考虑主路整个路段车辆运动关系，将有利于进一步提升匝道的通行安全性和效率。因此，希望有一种技术方案来克服或至少减轻现有技术的至少一个上述缺陷。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种用于城市快速路入口匝道的智能车辆合流协同控制方法来克服或至少减轻现有技术的中的至少一个上述缺陷。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：一种面向城市快速路的匝道合流控制方法，包括如下步骤：

步骤1，收集整个快速路主路段车辆以及汇入车辆的相关运动状态信息；

步骤2，构建匝道合流优化控制模型；

步骤3，优化主路车辆以及汇入车辆的运动状态；

步骤4，将优化的车辆控制指令发送给各车辆，各车辆执行控制指令；

步骤5，在下一控制周期，返回继续执行1～4的步骤。

作为本发明的进一步改进，所述步骤1中采集的各车道的车辆运动状态信息包括：车辆速度、车辆与合流点之间的距离。

作为本发明的进一步改进，所述步骤2中构建控制模型的具体步骤如下：

步骤2.1，构建基本假设条件；

步骤2.2，分析构建约束条件；

步骤2.3，构建目标方程。

作为本发明的进一步改进，所述步骤2.1中的假设条件包括假设1.基本信息获取，假设2.队列形式行驶，假设3.自主精确控制，假设4.FIFO顺序，假设5.匝道车辆运动和假设6.主道车辆调速。

作为本发明的进一步改进，所述步骤2.2中分析构建的约束条件包括：

速度、加速度上下限：

0≤v_i≤v_max,i＝1,2,…,m

0≤u_i≤u_max,i＝0,1,2,…,m

终止时间t_f上下限：

t_min≤t_f≤t_max

调整加速度约束：

根据假设6，当

主道车辆X₁～X_j采取加速调整方式，X_j+1～X_m采取减速调整方式。

故调整加速度满足：

u₁≤u₂≤…≤u_j≤u_max

u_m≤u_m-1≤…≤u_j+1≤u_max

当

X₁～X_m均采取减速调整方式，调整加速度满足：

u_m≤u_m-1≤…≤u₁≤u_max

当

X₁～X_m均采取加速调整方式，调整加速度满足：

u₁≤u₂≤…≤u_m≤u_max

主道车辆安全车头时距的限制：

该限制保证主道上的相邻两辆车在调整速度后仍满足最小车头时距的限制；

匝道车辆安全车头时距的限制：

该限制保证匝道车辆在合流入主道车列之后，与相邻的前后两车满足最小车头时距安全限制；

当

时(插入队列中间)，

当

时(插入队首)，

当

时(插入队尾)

作为本发明的进一步改进，所述步骤2.3构建的目标方程为：

f＝f₁(t_f)+f₂(u_m)+f₃(v)

式中，f₁(t_f)反映匝道车辆合流效率，f₁(t_f)＝α·(t_f-t_min)²，α：该项权重系数，f₂(u_m)反映主道车辆合流效率，

β：该项权重系数，sign(m-j-0.5)：反映主道最后一辆车调整方式，j：代表匝道车辆插入位置前的主道车辆代号，f₃(v)反映车辆经济性和舒适性，

γ：主道车辆经济性、舒适性权重系数，θ：匝道车辆经济性、舒适性权重系数，u₀：匝道车辆初始加速度。

本发明的有益效果，通过步骤1的设置便可了解到当前的主路段和汇入车辆的运动状态信息，再通过步骤2的设置可有效的构建出合流优化模型，然后通过步骤3和步骤4的设置，便可有效的实现在基于模型的基础上对各个车辆执行控制指令，避免了主车道以及匝道合流车辆不必要的加减速，有效地提高了分合流安全性、经济性和效率。

附图说明

图1为匝道合流场景模型；

图2为分队列形式行驶；

图3为匝道车辆运动形式；

图4为主道车辆调速运动形式；

图5为前后队列调速过程示意图；

图6为时间轴；

图7为技术路线。

具体实施方式

下面将结合附图所给出的实施例对本发明做进一步的详述。

参照图1至7所示，本实施例的一种用于城市快速路入口匝道的智能车辆合流协同控制方法，其包括：

步骤1，收集整个快速路主路段车辆以及汇入车辆的相关运动状态信息。

步骤2，构建匝道合流优化控制模型。

步骤3，优化主路车辆以及汇入车辆的运动状态。

步骤4，将优化的车辆控制指令发送给各车辆，各车辆执行控制指令。

步骤5，在下一控制周期，继续执行1～4的步骤。

步骤1中，采集的各车道的车辆运动状态信息包括：车辆速度、车辆与合流点之间的距离。如图1所示，匝道合流场景中的道路由一条主道和一条匝道构成，图中上方为主道、下方为匝道。匝道合流场景在区域上可主要划分为控制区和合流区。采集车辆信息的路段范围称为控制区域，区域大小由通信距离确定。

图1中符号的含义：

m：初始时刻控制区内的主道车辆数量。

X₀：匝道车辆代号。

X_i：第i辆主道车辆代号，i＝1,2,…,m。i越小，则车辆位置在行驶方向上越靠前。

S_i(t)：t时刻车辆X_i与合流点的距离，i＝0,1,2,…,m。记初始时刻的距离为S_i0。

v_i(t)：t时刻车辆X_i的速度，i＝1,2,…,m。记初始时刻的速度为v_i0。

u_i(t)：t时刻车辆X_i的加速度，i＝1,2,…,m。

L：控制区长度，一般为几百米。

步骤2中，步骤2.1：构建基本假设条件。

假设1.基本信息获取：

记匝道车辆X₀开始出发的时刻为初始时刻。初始时刻，在主道上位于控制区内的车辆X₁～X_m距合流点的距离S_i0可实时发送给路侧智能设施，作为已知的初始状态参数。

假设2.队列形式行驶：

车辆进入控制区之前，在主道上以队列的形式以安全经济车速v_f匀速行驶，相邻两车间距均不小于最小安全车距d_s，且不大于最大队列车距d_str，如图2所示。

假设3.自主精确控制：

系统内的车辆均具备相应的控制器，能够按照接收到的控制指令实时、准确地控制自身速度、加速度等。

假设4.FIFO顺序：

主道上的车辆按照进入控制区的先后顺序依次通过合流点，即遵循“First InFirst Out”原则，不允许主道车辆间的超车行为。

假设5.匝道车辆运动：

如图3所示，匝道车辆X₀采用两段运动形式。

第一段运动从初始时刻开始，匝道车辆X₀以加速度u₀进行匀加速运动，当速度达到主道安全经济车速v_f后，进行第二段运动，保持v_f匀速行驶至合流点。其中，

表示匝道车辆第一段匀加速运动的时间。

t_f时刻为匝道车辆X₀到达合流点的时间，满足t_min≤t_f≤t_max。t_max是最达允许的合流时间。t_min由匝道车辆的加速度上限u_max决定，即在上述设定的运动方式下，匝道车辆X₀以系统允许的最大加速度u_max加速至v_f再匀速行驶到合流点所需的时间。由于匝道车辆X₀在0～t_f运动的总距离为已知值S₀₀(车站到合流点的距离)，根据下列运动方程：

可计算出匝道车辆第一段运动形式中的加速度u₀和加速时间

均为t_f的函数：

u₀(t_f)＝v_f ²/2(v_f·t_f-S₀₀)

因此，基于该假设，关于匝道车辆X₀的运动优化只需要对t_f进行优化即可，这大大减少了优化计算量。

假设6.主道车辆调速：

主道车辆X₁～X_m必须要通过主动调整速度来配合匝道车辆X₀安全合流，对主道车辆X₁～X_m的调速方式做出以下假设。

主道车辆X₁～X_m从初始时刻开始，以图4所示的方式先匀加速后匀减速或先匀减速后匀加速(无需调整速度的车辆则继续以v_f行驶)。先匀加速后匀减速的方式称为“加速调整方式”，因为该方式使车辆实际提前到达合流点；先匀减速后匀加速的方式称为“减速调整方式”，因为该方式使车辆实际延迟到达合流点。两段调速的加速度大小相同，记为u_i(i＝1,2,…,m)，两段调速的时间也相同，均为Δt_re/2，在调速完成之后车辆速度恢复到v_f，且规定在匝道车辆X₀到达合流点之前完成调速。

此外，规定匝道车辆X₀插入主道车辆队列位置前面的车辆采用“加速调整方式”，后面的车辆采用“减速调整方式”，为了尽可能降低对主道车辆速度的影响，设定距离插入位置越近的车辆，其调整加速度u_i越大，例如，若匝道车辆X₀预计要插在X₅后，X₆前，则X₁～X₅采用上图中的加速调整方式，且u₅≥u₄≥u₃≥u₂≥u₁≥0；X₆～X_m采用减速调整方式，且u₆≥u₇≥…≥u_m≥0。这些假设能够使插入位置前后的主道车辆队列压缩，为匝道车辆X₀制造出安全的合流间隙。步骤2中，步骤2.2：分析构建约束条件。

为了更直观、更容易理解，利用时间轴对模型的约束条件进行分析。

根据假设1、2，在初始时刻，主道车辆X₁～X_m的速度均为v_f，各自距合流点的距离可被实时检测获取，记为S_i0，(i＝1,2,…m)。若主道车辆不进行任何调速，以匀速运动到达合流点，则各自对应一个匀速运动到达时间，记为:

另外，根据假设，t_min≤t_f≤t_max，将这些时间点标注在一维坐标轴上，以便进行后续分析，如图6所示。

这里需要强调的是，j的含义就是插入位置前的车辆代号，若插在队首，前方无车，则定义j＝0，因此，j的取值为0,1,2,……,m。

τ_s为最小车头时距，由于最小安全车头时距的限制，在时间轴上，以t_f为中心，以τ_s为半径的圆内不允许有车辆到达时间点(但可以在边界上)，因此，在圆内小于t_f的点

需要前移至

那么，X₁～X_j-1的到达时间随着邻车到达时间的调整也需要相应减小。同理，在圆内大于t_f的点

需要后移至

X_j+2～X_m的到达时间相应增加。

根据以上分析，整理出速度协同调控模型的约束条件。

约束条件1.速度、加速度上下限：

0≤v_i≤v_max,i＝1,2,…,m

0≤u_i≤u_max,i＝0,1,2,…,m

约束条件2.终止时间t_f上下限：

t_min≤t_f≤t_max

约束条件3.调整加速度约束：

根据假设6，当

主道车辆X₁～X_j采取加速调整方式，X_j+1～X_m采取减速调整方式。

故调整加速度满足：

u₁≤u₂≤…≤u_j≤u_max

u_m≤u_m-1≤…≤u_j+1≤u_max

当

X₁～X_m均采取减速调整方式，调整加速度满足：

u_m≤u_m-1≤…≤u₁≤u_max

当

X₁～X_m均采取加速调整方式，调整加速度满足：

u₁≤u₂≤…≤u_m≤u_max

约束条件4.主道车辆安全车头时距的限制：

该限制保证主道上的相邻两辆车在调整速度后仍满足最小车头时距的限制。

约束条件5.匝道车辆安全车头时距的限制：

该限制保证匝道车辆在合流入主道车列之后，与相邻的前后两车满足最小车头时距安全限制。

当

时(插入队列中间)，

当

时(插入队首)，

当

时(插入队尾)，

步骤2中，步骤2.3：构建目标方程

匝道合流过程必须要具备一定的高效性、安全性、经济性和舒适性。安全性主要体现在对控制变量的安全约束条件上。高效性主要体现在匝道合流过程的时间要尽可能短，从而提高匝道合流效率。经济性和舒适性主要体现在匝道合流过程中，车辆速度、加速度等的变化要尽可能小、车辆行驶要尽可能平稳。

基于该思想，构建目标方程为：

f＝f₁(t_f)+f₂(u_m)+f₃(v)

目标方程共包括3项，分别具有不同的含义。

第1项反映匝道车辆合流效率：

f₁(t_f)＝α·(t_f-t_min)²

其中：

α：该项权重系数。

第2项反映主道车辆合流效率：

其中：

β：该项权重系数。

sign(m-j-0.5)：反映主道最后一辆车调整方式。该值为+1表示主道最后一辆车是减速调整方式，那么主道最后一辆车合流时间有延误，该项为正，代价增大，主道车辆完成总体合流过程的效率降低。该值为-1则表示主道最后一辆车是加速调整方式，主道最后一辆车合流时间适当提前，该项为负，代价减小，主道车辆完成总体合流过程的效率提高。

j：代表匝道车辆插入位置前的主道车辆代号。若插入队首，则j＝0，若插入队尾，则j＝m。

主道最后一辆车调整速度导致的延误/提前时间量。

其中：

Δt_re:调速总时长。

第3项车辆经济性和舒适性：

其中：

γ：主道车辆经济性、舒适性权重系数。

θ：匝道车辆经济性、舒适性权重系数。

u₀：匝道车辆初始加速度。

综合上述分析，可得到车辆速度协同调控模型具有如下最优化问题的形式，通过求解该最优化问题，可得到每辆车的最优速度轨迹。

步骤3中，在主道上有m辆车的情况下，匝道车辆合流的插入位置最多共有(m+1)种情况，即插入队首、队尾或队列第i辆车与第(i+1)辆车之间(i＝1,2,…,m-1)

步骤3.1：第一个优化层面是在所有可能的插入位置中，存在一个最优的插入位置

步骤3.2：针对每个可能的插入位置，都存在一个最优的车辆运动轨迹。因此优化思路就是对每个可能的插入位置都求出对应的最优运动轨迹，通过比较所有的最优运动过程，找到最优中的最优，对应的插入位置就是最优的插入位置。

模型的优化变量共有(m+1)个，分别为t_f和u₁～u_m。t_f为匝道车辆到达合流点的时刻，也是控制过程结束的时刻，根据之前的分析，匝道车辆第一段匀加速运动的加速度大小u₀和相应的加速时长

均由t_f决定。-u₁～u_m为主道车辆调速时的加速度大小。

步骤4中，将优化得到的最佳插入位置、车辆运动轨迹以及期望加速度u_i(t)作为车辆控制指令，发送至合流车辆，该车辆执行控制指令，完成合流协同控制。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。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前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种面向城市快速路的匝道合流控制方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1，收集整个快速路主路段车辆以及汇入车辆的相关运动状态信息；

步骤2，构建匝道合流优化控制模型；

步骤3，优化主路车辆以及汇入车辆的运动状态；

步骤4，将优化的车辆控制指令发送给各车辆，各车辆执行控制指令；

步骤5，在下一控制周期，返回继续执行1～4的步骤。

2.根据权利要求1所述的面向城市快速路的匝道合流控制方法，其特征在于：所述步骤1中采集的各车道的车辆运动状态信息包括：车辆速度、车辆与合流点之间的距离。

3.根据权利要求2所述的面向城市快速路的匝道合流控制方法，其特征在于：所述步骤2中构建控制模型的具体步骤如下：

步骤2.1，构建基本假设条件；

步骤2.2，分析构建约束条件；

步骤2.3，构建目标方程。

4.根据权利要求3所述的面向城市快速路的匝道合流控制方法，其特征在于：所述步骤2.1中的假设条件包括假设1.基本信息获取，假设2.队列形式行驶，假设3.自主精确控制，假设4.FIFO顺序，假设5.匝道车辆运动和假设6.主道车辆调速。

5.根据权利要求4所述的面向城市快速路的匝道合流控制方法，其特征在于：所述步骤2.2中分析构建的约束条件包括：

速度、加速度上下限：

0≤v_i≤v_max,i＝1,2,…,m

0≤u_i≤u_max,i＝0,1,2,…,m

终止时间t_f上下限：

t_min≤t_f≤t_max

调整加速度约束：

根据假设6，当

主道车辆X₁～X_j采取加速调整方式，X_j+1～X_m采取减速调整方式。

故调整加速度满足：

u₁≤u₂≤…≤u_j≤u_max

u_m≤u_m-1≤…≤u_j+1≤u_max

当

X₁～X_m均采取减速调整方式，调整加速度满足：

u_m≤u_m-1≤…≤u₁≤u_max

当

X₁～X_m均采取加速调整方式，调整加速度满足：

u₁≤u₂≤…≤u_m≤u_max

主道车辆安全车头时距的限制：

该限制保证主道上的相邻两辆车在调整速度后仍满足最小车头时距的限制；

匝道车辆安全车头时距的限制：

该限制保证匝道车辆在合流入主道车列之后，与相邻的前后两车满足最小车头时距安全限制；

当

时(插入队列中间)，

当

时(插入队首)，

当

时(插入队尾)

6.根据权利要求5所述的面向城市快速路的匝道合流控制方法，其特征在于：所述步骤2.3构建的目标方程为：

f＝f₁(t_f)+f₂(u_m)+f₃(v)

式中，f₁(t_f)反映匝道车辆合流效率，f₁(t_f)＝α·(t_f-t_min)²，α：该项权重系数，f₂(u_m)反映主道车辆合流效率，

β：该项权重系数，sign(m-j-0.5)：反映主道最后一辆车调整方式，j：代表匝道车辆插入位置前的主道车辆代号，f₃(v)反映车辆经济性和舒适性，

γ：主道车辆经济性、舒适性权重系数，θ：匝道车辆经济性、舒适性权重系数，u₀：匝道车辆初始加速度。

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