CN112017439B - 一种自动驾驶交叉口行人过街摆渡车控制方法 - Google Patents

一种自动驾驶交叉口行人过街摆渡车控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种自动驾驶交叉口行人过街摆渡车控制方法，在自动驾驶环境下交叉口各角落设置自动驾驶行人过街摆渡车，有过街需求的行人通过乘坐行人过街摆渡车过街，首先确定交叉口的类型、大小等基本参数，确定摆渡车的数量、容量等参数，采集并输入交叉口行人过街需求，建立行人过街摆渡车行驶路线的计算模型，通过模型为每辆行人过街摆渡车计算行驶路线以及每条路线上的载客人数。本发明方法主要针对自动驾驶环境下无信号控制交叉口，解决行人安全过街的问题，根据不同的过街需求优化所有行人过街摆渡车的行驶路径，确保摆渡车的总行驶时间最短，在确保行人安全过街的同时，提高行人过街效率。

Description

一种自动驾驶交叉口行人过街摆渡车控制方法
技术领域
本发明属于智能交通控制领域，涉及城市道路针对自动驾驶环境下行人过街的交通管控技术领域，更具体地说，涉及一种自动驾驶交叉口行人过街摆渡车控制方法。
背景技术
自动驾驶技术是未来交通发展的趋势，自动驾驶车辆可通过相互通信协调通过交叉口，无需信号灯控制。例如，2016年在荷兰赫尔蒙德举办的第二届合作驾驶挑战赛(GCDC)上，自动驾驶车辆通过V2V通信相互协作、相互穿插地通过交叉口，如专利《一种自动驾驶下交叉口自由转向车道设置方法》(专利号：ZL201810346657.1)。无信号控制交叉口中车辆相互穿插通行，能较大程度的提高交叉口通行效率，是未来交叉口控制的发展方向。但在自动驾驶环境下，交叉口的行人过街需求不可避免，如果行人过街仍根据传统无信号交叉口的让行规则通行，会对相互穿插通行的自动驾驶车辆造成极大的干扰，严重影响交叉口的通行效率，过街行人的安全也很难得到保障。但是专利ZL201810346657.1并不没有解决行人过街问题，在自动驾驶环境下，交叉口无信号控制，车辆相互穿插通过交叉口时，如何使用交通控制手段，实现行人安全高效的过街，是本发明需要解决的问题。
因此，本发明提出一种自动驾驶交叉口行人过街摆渡车控制方法，在交叉口设置自动驾驶行人过街摆渡车，有过街需求的行人通过乘坐自动驾驶行人过街摆渡车实现过街，行人过街摆渡车的停靠位置设置在交叉口的角落。根据交叉口行人过街的需求，交通控制系统控制行人过街摆渡车在交叉口内部的通行。当同时有多行人过街摆渡车在交叉口区域内运行时，如何为多辆行人过街摆渡车制定通行方案，计算每辆行人过街摆渡车在节点处上下客人数、到达和离开节点时刻、最佳行驶路径，使得能最大限度满足行人过街的需求，且不至于造成资源的浪费，是本发明重点解决的问题。
经过现有技术的文献检索发现，已有针对自动驾驶环境下无信号控制交叉口的交通控制研究，主要以单辆自动驾驶车辆或车队为研究对象，针对自动驾驶车辆如何安全、高效通过交叉口，提出来较多的控制方法，但针对行人过街的研究较少，目前没有根据行人过街需求，针对行人过街摆渡车交通控制的相关研究。
发明内容
技术问题：针对现有研究的不足，本发明的目的是提供一种自动驾驶交叉口行人过街摆渡车控制方法，从自动驾驶环境下交叉口行人过街安全和效率考虑，通过建立交通控制模型计算摆渡车的行驶路线，使得所有摆渡车的总运行时间最短。在确保行人过街安全性的同时提高行人过街的效率。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明的方法，包括如下步骤：
步骤1：采集交叉口的基本物理参数，确定行人过街摆渡车的基本参数，采集交叉口各角落行人过街需求量。
步骤11：交叉口的基本物理参数，包括交叉口的类型、大小、车道数、车道宽度，确定行人过街摆渡车的基本参数，包括：交叉口行人过街摆渡车的车辆数，用
Figure 822308DEST_PATH_IMAGE001
表示；第
Figure 270607DEST_PATH_IMAGE002
辆行人过街摆渡车的容量，用
Figure 581502DEST_PATH_IMAGE003
表示，其中
Figure 242291DEST_PATH_IMAGE004
，单位为人；行人过街摆渡车在每个节点的停靠时间用
Figure 587821DEST_PATH_IMAGE005
表示，单位为秒；考虑十字交叉口、Y型或T型交叉口这两类交叉口，当交叉口为十字交叉口时，行人过街摆渡车在交叉口的停靠点分布在交叉口的四个角落，即A、B、C、D四个位置，其中每个位置包含
Figure 941442DEST_PATH_IMAGE006
个停靠点，行人过街摆渡车在停靠点出发或到达，每个位置最多可停靠
Figure 474055DEST_PATH_IMAGE006
辆行人过街摆渡车。
Figure 938534DEST_PATH_IMAGE007
角落的出发节点集合用
Figure 640036DEST_PATH_IMAGE008
表示，
Figure 164559DEST_PATH_IMAGE009
，其中
Figure 184467DEST_PATH_IMAGE010
、
Figure 452637DEST_PATH_IMAGE011
、
Figure 241602DEST_PATH_IMAGE012
、
Figure 202605DEST_PATH_IMAGE013
，
Figure 709809DEST_PATH_IMAGE007
角落的终止节点集合用
Figure 250512DEST_PATH_IMAGE014
表示，
Figure 425142DEST_PATH_IMAGE009
，其中
Figure 25887DEST_PATH_IMAGE015
、
Figure 20388DEST_PATH_IMAGE016
、
Figure 128896DEST_PATH_IMAGE017
、
Figure 892453DEST_PATH_IMAGE018
；当交叉口为Y型或T型交叉口时，行人过街摆渡车在交叉口的停靠点分布在交叉口的三个角落，A、B、C三个位置；第
Figure 195258DEST_PATH_IMAGE002
辆行人过街摆渡车在节点
Figure 677055DEST_PATH_IMAGE019
、
Figure 90719DEST_PATH_IMAGE020
之间旅行时间用
Figure 708782DEST_PATH_IMAGE021
表示，其中
Figure 182489DEST_PATH_IMAGE022
，当出发点和终止点的
Figure 886002DEST_PATH_IMAGE007
取值相同时，表示行人过街摆渡车在同一个角落的
Figure 572199DEST_PATH_IMAGE006
个停靠点上运行，运行时间用
Figure 575927DEST_PATH_IMAGE023
，当出发点和终止点的
Figure 456420DEST_PATH_IMAGE007
取值不相同时，根据交叉口车道数、车道宽度及行人过街摆渡车行驶速度确定。
步骤2：根据交叉口行人过街需求量，以及行人过街摆渡车的数量、每辆车的容量限制、建立容量和选取行驶轨迹的约束公式，包括如下步骤：
步骤21：第
Figure 647230DEST_PATH_IMAGE002
辆行人过街摆渡车在节点
Figure 402697DEST_PATH_IMAGE019
的实际载客量
Figure 729773DEST_PATH_IMAGE024
满足公式(1)-(4)约束；
Figure 545282DEST_PATH_IMAGE025
(1)
Figure 223388DEST_PATH_IMAGE026
(2)
Figure 516966DEST_PATH_IMAGE027
(3)
Figure 964128DEST_PATH_IMAGE028
(4)
公式(1)中，
Figure 684959DEST_PATH_IMAGE029
为中间变量，表示在节点
Figure 850361DEST_PATH_IMAGE019
的最小载客量，
Figure 682051DEST_PATH_IMAGE030
表示在
Figure 249299DEST_PATH_IMAGE019
节点的行人需求量，单位均为人；公式(2)中
Figure 639567DEST_PATH_IMAGE031
为中间变量，表示在节点
Figure 292265DEST_PATH_IMAGE019
的最大载客量，
Figure 193225DEST_PATH_IMAGE003
表示行人过街摆渡车的容量，单位均为人；
如果第
Figure 349400DEST_PATH_IMAGE002
辆行人过街摆渡车从节点
Figure 412033DEST_PATH_IMAGE019
出发，经过轨迹
Figure 286449DEST_PATH_IMAGE032
到达节点
Figure 991099DEST_PATH_IMAGE020
，则到达节点
Figure 267360DEST_PATH_IMAGE020
时的载客量
Figure 500895DEST_PATH_IMAGE033
满足公式 (5)约束：
Figure 128186DEST_PATH_IMAGE034
(5)
公式 (5)中，
Figure 105369DEST_PATH_IMAGE035
为很大的正数；
步骤22：第
Figure 501715DEST_PATH_IMAGE002
辆行人过街摆渡车从节点
Figure 407616DEST_PATH_IMAGE019
出发到节点
Figure 522203DEST_PATH_IMAGE020
的轨迹用
Figure 37498DEST_PATH_IMAGE032
表示，
Figure 288351DEST_PATH_IMAGE032
为二元决策变量，当
Figure 129268DEST_PATH_IMAGE036
表示在该轨迹通行，否则不通过该轨迹通行，轨迹
Figure 465571DEST_PATH_IMAGE032
满足公式(6)-(7)的约束：
Figure 50136DEST_PATH_IMAGE037
(6)
Figure 155496DEST_PATH_IMAGE038
(7)
设置0节点为虚拟出发节点，所有摆渡车均从0节点出发。在十字交叉口，当行人该摆渡车的数量为1时，从A位置的
Figure 901735DEST_PATH_IMAGE039
节点出发，满足公式(8)约束；当数量为2时，两辆车分别从A位置的
Figure 459755DEST_PATH_IMAGE039
节点和B位置的
Figure 848011DEST_PATH_IMAGE040
节点出发，分别满足公式(8)-(9)约束；当数量为3时，3辆车分别从A位置的
Figure 807877DEST_PATH_IMAGE039
节点、B位置的
Figure 512569DEST_PATH_IMAGE040
节点和C位置的
Figure 823465DEST_PATH_IMAGE041
节点出发，分别满足公式(8)-(10)约束；当数量为4时，4辆车分别从A位置的
Figure 484253DEST_PATH_IMAGE039
节点、B位置的
Figure 298625DEST_PATH_IMAGE040
节点、C位置的
Figure 917826DEST_PATH_IMAGE041
节点、D位置的
Figure 450438DEST_PATH_IMAGE042
节点出发，分别满足公式(8)-(11)约束；当数量为5时，其中有两辆车从A位置的
Figure 180497DEST_PATH_IMAGE039
节点出发满足公式(8)、(12)，其余3辆车分别从B位置的
Figure 849375DEST_PATH_IMAGE040
节点、C位置的
Figure 639477DEST_PATH_IMAGE041
节点、D位置的
Figure 659386DEST_PATH_IMAGE043
节点出发，分别满足公式(9)-(11)，以此类推，第
Figure 927556DEST_PATH_IMAGE002
辆车从
Figure 217985DEST_PATH_IMAGE044
节点出发，满足公式(13)的约束：
Figure 178988DEST_PATH_IMAGE045
(8)
Figure 686193DEST_PATH_IMAGE046
(9)
Figure 758054DEST_PATH_IMAGE047
(10)
Figure 667104DEST_PATH_IMAGE048
(11)
Figure 533429DEST_PATH_IMAGE049
(12)
Figure 527930DEST_PATH_IMAGE050
(13)
设置节点q为虚拟终点，所有摆渡车最终都到达虚拟终点q，满足公式(14)约束：
Figure 137902DEST_PATH_IMAGE051
(14)
步骤3：根据行人过街摆渡车的运行时间，以所有行人过街摆渡车的总时间最短为目标，计算每辆行人过街摆渡车在交叉口内部的最佳运行方案，包括如下步骤：
步骤31：第
Figure 167038DEST_PATH_IMAGE002
辆行人过街摆渡车到达节点i的时刻用
Figure 938685DEST_PATH_IMAGE052
表示，离开节点
Figure 184597DEST_PATH_IMAGE019
的时刻用
Figure 598260DEST_PATH_IMAGE053
表示，满足公式(15)-(16)约束：
Figure 481903DEST_PATH_IMAGE054
(15)
公式(15)中
Figure 955609DEST_PATH_IMAGE005
表示行人过街摆渡车在节点的停靠时间，单位为秒；
Figure 659123DEST_PATH_IMAGE055
(16)
步骤32：以所有行人摆渡车行驶的总时间最短为目标，建立目标函数，如公式(17)所示：
Figure 610899DEST_PATH_IMAGE056
(17)
根据公式(17)的目标函数以及公式(1)-(16)，在不同的行人过街需求下，可以计算出每辆行人过街摆渡车的最佳运行方案。
有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：
本发明能根据交叉口的类型、大小确定行人过街摆渡车停靠点的数量，在不同类型交叉口、不同行人过街需求下，以所有行人过街摆渡车的总运行时间最短为目标，根据行人过街摆渡车的不同数量确定每辆摆渡车的最佳行驶轨迹以及最佳的上下客人数，本发明具有很好的普适性，面向不同交叉口，均能通过优化轨迹提高行人过街摆渡车的运行效率。
附图说明
图1为本发明方法的流程图。
图2为十字交叉口行人过街摆渡车停靠位置示意图。
图3为十字交叉口行人过街摆渡车停靠点示意图。
图4为单辆行人过街摆渡车最佳行驶路线示意图。
具体实施方式
下面结合附图1-4和实施例，对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此；本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
一种自动驾驶交叉口行人过街摆渡车控制方法，所述步骤如下：
步骤1：采集交叉口的基本物理参数，确定行人过街摆渡车的基本参数，采集交叉口各角落行人过街需求量；
步骤2：根据交叉口行人过街需求量，以及行人过街摆渡车的数量、每辆车的容量限制、建立容量和选取行驶轨迹的约束公式；
步骤3：根据行人过街摆渡车的运行时间，以所有行人过街摆渡车的总时间最短为目标，优化获得每辆车最佳运行方案。
步骤1采集的信息作为控制模型的输入，步骤11，采集交叉口的基本信息，在实施例中，交叉口为正交十字交叉口，交叉口的停靠点分布在交叉口的4个角落，每个角落能设置3个停车点，即m=3；确定行人过街摆渡车的基本参数，在两个实施例中，行人过街摆渡车的停靠时间
Figure 614627DEST_PATH_IMAGE057
，每辆车的容量
Figure 728076DEST_PATH_IMAGE058
人；
Figure 918886DEST_PATH_IMAGE059
表示第k辆行人过街摆渡车在节点
Figure 408773DEST_PATH_IMAGE019
、节点
Figure 768473DEST_PATH_IMAGE020
之间旅行时间用，其中
Figure 318403DEST_PATH_IMAGE060
，当出发点和终止点的
Figure 262088DEST_PATH_IMAGE007
取值相同时，表示行人过街摆渡车在同一个角落的
Figure 555666DEST_PATH_IMAGE061
个停靠点上运行，运行时间用
Figure 2828DEST_PATH_IMAGE062
，当出发点和终止点的
Figure 989239DEST_PATH_IMAGE007
取值不相同时，根据交叉口车道数、车道宽度及行人过街摆渡车行驶速度确定；在实施例1中，节点
Figure 154641DEST_PATH_IMAGE019
、节点
Figure 986331DEST_PATH_IMAGE020
之间具体旅行时间c i,j,k 如表1所示：
表1实施例中旅行时间c i,j,k 的取值表
Figure 553578DEST_PATH_IMAGE064
步骤11，采集交叉口某一时刻各角落行人过街的需求，行人过街需求如表2所示：
表2实施例中行人过街需求表
Figure 445311DEST_PATH_IMAGE066
步骤2是行人过街摆渡车数量不同的情况下，通过设置约束条件，包括容量的约束、选择路径的约束。确定行人过街摆渡车的数量，在实施例中，当行人过街摆渡车的车辆数为1时，即
Figure 862123DEST_PATH_IMAGE067
。根据步骤2和步骤31的约束公式(1)-(16)及步骤32的目标函数公式(17)，可计算得，该辆行人过街摆渡车的行驶路线及在每个节点的载客人数，行人过街摆渡车最佳行驶路线表如表3所示。
表3 实施例中单辆行人过街摆渡车最佳行驶路线
Figure 231925DEST_PATH_IMAGE069
在行人过街需求和当行人过街摆渡车的数量为2时，两辆摆渡车的最佳行驶路线如表4所示：
表4两辆行人过街摆渡车最佳行驶路线表
Figure 919258DEST_PATH_IMAGE071
在表1的过街需求条件下，行人过街摆渡车的容量
Figure 981892DEST_PATH_IMAGE072
人/辆时，在表1的过街需求下，行人过街摆渡车数量为1时，计算的运行的结果如表5所示：
表5行人过街摆渡车最佳行驶路线
Figure 856307DEST_PATH_IMAGE074
本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种自动驾驶交叉口行人过街摆渡车控制方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
步骤1：采集交叉口的基本物理参数，确定行人过街摆渡车的基本参数，采集交叉口各角落行人过街需求量；
步骤2：根据交叉口行人过街需求量，以及行人过街摆渡车的数量、每辆车的容量限制、建立容量和选取行驶轨迹的约束公式；
步骤3：根据行人过街摆渡车的运行时间，以所有行人过街摆渡车的总时间最短为目标，优化获得每辆车最佳运行方案；
所述步骤1，包含如下步骤：
步骤11：交叉口的基本物理参数，包括交叉口的类型、大小、车道数、车道宽度，确定行人过街摆渡车的基本参数，包括：交叉口行人过街摆渡车的车辆数，用N表示；第k辆行人过街摆渡车的容量，用Ck表示，其中k∈N，单位为人；行人过街摆渡车在每个节点的停靠时间用Fk表示，单位为秒；考虑十字交叉口、Y型或T型交叉口这两类交叉口，当交叉口为十字交叉口时，行人过街摆渡车在交叉口的停靠点分布在交叉口的四个角落，即A、B、C、D四个位置，其中每个位置包含m个停靠点，行人过街摆渡车在停靠点出发或到达，每个位置最多可停靠m辆行人过街摆渡车，p角落的出发节点集合用Op表示，p∈{A、B、C、D}，其中
Figure FDA0002825471070000014
p角落的终止节点集合用Dp表示，p∈{A、B、C、D}，其中
Figure FDA0002825471070000015
当交叉口为Y型或T型交叉口时，行人过街摆渡车在交叉口的停靠点分布在交叉口的三个角落；第k辆行人过街摆渡车在节点j、j之间旅行时间用ci，j，k表示，其中i∈Op，j∈Dp，当出发点和终止点的p取值相同时，表示行人过街摆渡车在同一个角落的m个停靠点上运行，运行时间用ci，j，k＝0，当出发点和终止点的p取值不相同时，根据交叉口车道数、车道宽度及行人过街摆渡车行驶速度确定；
所述步骤2，包含如下步骤：
步骤21：第k辆行人过街摆渡车在j节点的实际载客量bi，k满足公式(1)-(4)约束；
Figure FDA0002825471070000011
Figure FDA0002825471070000012
Figure FDA0002825471070000013
Figure FDA0002825471070000021
公式(1)中，bmin，i为中间变量，表示在节点j的最小载客量，di表示在j节点的行人需求量，单位均为人；公式(2)中bmax，i为中间变量，表示在节点j的最大载客量，Ck表示行人过街摆渡车的容量，单位均为人；
如果第k辆行人过街摆渡车从节点j出发，经过路径li，j，k到达节点j，则到达节点j时的载客量bj，k满足公式(5)约束：
Figure FDA0002825471070000022
公式(5)中，M为很大的正数；
步骤22：第k辆行人过街摆渡车从节点j出发到节点j的路径用li，j，k表示，li，j，k为二元决策变量，当li，j，k＝1表示在该路径通行，否则不通过该路径通行，路径li，j，k满足公式(6)-(7)的约束：
Figure FDA0002825471070000023
Figure FDA0002825471070000024
设置0节点为虚拟出发节点，所有摆渡车均从0节点出发，在十字交叉口，当行人该摆渡车的数量为1时，从A位置的OA节点出发，满足公式(8)约束；当数量为2时，两辆车分别从A位置的OA节点和B位置的OB节点出发，分别满足公式(8)-(9)约束；当数量为3时，3辆车分别从A位置的OA节点、B位置的OB节点和C位置的OC节点出发，分别满足公式(8)-(10)约束；当数量为4时，4辆车分别从A位置的OA节点、B位置的OB节点、C位置的OC节点、D位置的OD节点出发，分别满足公式(8)-(11)约束；当数量为5时，其中有两辆车从A位置的OA节点出发满足公式(8)、(12)，其余3辆车分别从B位置的OB节点、C位置的OC节点、D位置的OD节点出发，分别满足公式(9)-(11)，以此类推，第k辆车从Op节点出发，满足公式(13)的约束；
Figure FDA0002825471070000025
Figure FDA0002825471070000026
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Figure FDA0002825471070000029
Figure FDA00028254710700000210
设置节点q为虚拟终点，所有摆渡车最终都到达虚拟终点q，满足公式(14)约束：
Figure FDA0002825471070000031
所述步骤3，包含如下步骤：
步骤31：第k辆行人过街摆渡车到达节点j的时刻用pi，k表示，离开节点j的时刻用Pi，k表示，满足公式(15)-(16)约束：
Figure FDA0002825471070000032
Figure FDA0002825471070000033
公式(15)中Fk表示行人过街摆渡车在节点的停靠时间，单位为秒；
步骤32：以所有行人摆渡车行驶的总时间最短为目标，建立目标函数，如公式(17)所示，
Figure FDA0002825471070000034
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