CN112907987A - 多车道快速路出口匝道分流区智能车队换道引导方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及多车道快速路出口匝道分流区智能车队换道引导方法及系统，该引导系统包括交通信息采集设备、路侧单元、主控设备、车载单元、LED灯控制器、车载信息交互设备、LED灯；路侧单元与车载单元和主控设备进行通讯，主控设备包括数据存储模块、数据处理模块、交通状态检测模块、控制模块、控制信号发送模块；其中，交通状态检测模块包括识别模块、预测模块、风险评估模块；该引导系统根据交通信息采集设备实时交通流数据，以最大化满足车辆的换道需求为原则，采用队列控制思想，对车辆换道的时机、换道路径进行最优化规划；结合智能车信息提示功能的设计，动态引导换道车辆的驾驶行为，从而降低匝道区车辆换道的交通冲突隐患。
Description
技术领域
本发明既属于智能交通领域，也涉及信息通信领域，具体涉及一种多车道快速路出口匝道区分流区智能车队换道引导方法及系统。
背景技术
多车道快速路出口匝道分流区是直行与出匝道车辆交织的特殊路段。在多车道高速公路的分流区及上游影响区段，车辆频繁换道交织。通常情况下，直行车辆为避免受到出匝道车辆的阻碍，且为保持较高的车速，会倾向于向内侧车道换道，而驶入匝道的车辆如果位于内侧车道则需要换道至最外侧车道，大量的连续换道行为增加了驾驶操作和交通环境的复杂性，使高速公路出口匝道区成为事故易发区域。因此，为了保障出口匝道区的行车安全，合理引导出口匝道区车辆换道行为是非常有必要的。
对于分流区驾驶员的行为引导，目前最为常用的方法是通过信息牌的设置，包括限速标志、警示标志等等。但是这些传统的管理策略的实施效果完全依赖于驾驶员对标志信息的服从，且对于标志的设置地点、设置方式、标志内容等，一直存在着争议。
车路协同技术的发展，为交通管理与控制提供了新的思路，发展车路协同技术已纳入交通部智能交通系统发展战略。在车路协同技术背景下的交通管理策略，以动态跟踪交通运行状况为基础，以定量化评估为手段，强调提前预防，主动响应，保障交通安全的同时可以提高道路通行效率，由“被动改善”转向对交通冲突的“主动管理”。车路协同技术目前仍处于起步阶段，现有技术仍以单车为主，围绕着对驾驶员换道驾驶的辅助，例如协助换道操作的车辆换道危险预警系统、驾驶员换道行为决策的智能化学习系统。以提高交通系统运行效率为目标，从多车辆换道路线协同规划的角度的研究技术较少，且针对于现实中最为常见的多车道道路场景，设计相应的换道引导系统的技术也较少。因此，亟需设计一种实现匝道分流区交通流复杂环境感知、智能决策、车辆协同的交通引导系统，实现车辆“安全、高效、舒适、节能”的行驶。
发明内容
本发明的第一个目的在于提供一种多车道快速路出口匝道分流区智能车队换道引导方法，该方法根据实时交通流数据，以最大化满足车辆的换道需求为原则，采用队列控制思想，对车辆换道的时机、换道路径进行最优化规划；结合智能车信息提示功能的设计，动态引导换道车辆的驾驶行为，从而降低匝道区车辆换道的交通冲突隐患。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种多车道快速路出口匝道分流区智能车队换道引导方法，具体包括以下步骤：
步骤S1、智能网联车辆驶入由出口匝道上游及出口匝道区域构成的控制区域，智能网联车驾驶员通过车载信息交互设备发送换道请求，通过与车载信息交互设备连接的车载单元将信号发送至路侧单元，路侧单元将信号传递给主控设备，主控设备接收网联车辆发送的换道请求；
步骤S2、由交通信息采集设备采集出口匝道上游及出口匝道区域车辆视频图像数据、速度数据信息；
步骤S3、将交通信息采集设备采集到数据信息通过wifi传输至主控设备中的数据存储模块；
步骤S4、主控设备中的数据处理模块读取数据存储模块中的数据，数据处理模块提取车道中请求换道车辆的位置坐标、速度、加速度信息；此外，数据处理模块也识别车道中其他车辆的坐标、速度、加速度信息；
步骤S5、主控设备中的交通状态检测模块提取数据处理模块的数据，交通状态检测模块包括识别模块、预测模块及风险评估模块；其中，所述识别模块用于识别车道上的可插车间隙及其分布，识别请求换道车辆与目标车道的间隙的横纵向位置关系，设l车道有m个连续的可插车间隙，设第i个可插车间隙为ki，用坐标(xki，yki)i＝1，…，m表示；根据车辆行进方向，设位于最前端的可插车间隙编号为kl，取其质心，坐标为(xkl，ykl)；最末端的可插车间隙编号为kr，其质心坐标为(xkr，ykr)；所述预测模块用于规划车辆的换道轨迹；所述风险评估模块用于根据请求换道车辆与其相邻的目标车道上可插车间隙的位置关系、相对速度信息判断申请换道车辆的换道风险；风险评估时，对车辆vehi的变道时间进行限制，将车辆vehi的坐标投影至l车道，对应为第k′i个可插车间隙的坐标(x′ki，y′ki)，忽略车辆的纵向间距，如车辆能够换道至l车道上的可插车间隙k′i，转入步骤S6，进行进一步的判断；否则，车辆不可换道，返回步骤S1；
步骤S6、交通状态检测模块的检测结果输入控制模块，控制模块对车辆或车队在多车道的换道策略进行最优化策略匹配及行动决策，具体步骤如下：
步骤S6-1、检测申请换道且满足换道风险评估的车辆能否形成车队？车队的形成需满足三个条件：(1)位于同一车道；(2)目标车道一致；(3)位置相邻；设满足形成车队条件的车辆集合为VV，集合中的车辆用vehj表示；根据vehj与间隙ki的位置关系，vehj分为三类，分别用集合O、P、Q表示，车辆数对应为O′、p′、q′；其中，O为满足xkl≤xvehj≤xkr的车；P为满足xvehj＜xkl的车；Q为满足xvehj>xkr的车；
步骤S6-2、首先判断集合O的车辆数是否等于间隙数m，即判断O′＝m是否成立？若是，转至步骤S6-3；若否，0≤O′＜m，转至步骤S6-4；
步骤S6-3主控设备向集合O′辆车发送可执行换道指令；
步骤S6-4、判断
否，表明只有O集合的车辆，则转至步骤S6-3；是，则分成两种情况：第一种情况为存在集合P的车辆，集合VV的车辆数记为p′+O′，转至步骤S6-5；第二种情况为存在集合Q的车辆，集合VV的车辆数记为q′+O′则转至步骤S6-7；
步骤S6-5、判断p′+O′≥m？是，则P集合中的m-O′辆车加入换道，总的换道车辆数为m，转至步骤S6-6；否，则转至S6-12；
步骤S6-6、测算O∪P集合中的m辆车换道需要消耗的总成本，记为cost1；
步骤S6-7、判断q′+O′≥m？是，则Q集合中的m-O′辆车加入换道，总的换道车辆数为m，转至步骤S6-8；否，则转至S6-12；
步骤S6-8、测算O∪Q集合中的m辆车换道需要消耗的总成本，记为cost2；
步骤S6-9、判断cost1≥cost2？否，转至步骤S6-10；是，转至步骤S6-11；
步骤S6-10、主控设备按照就近原则向O∪P集合中的m辆车发送换道指令；
步骤S6-11、主控设备按照就近原则向O∪Q集合中的m辆车发送换道指令；
步骤S6-12、VV集合车辆数记为p'+q'+O'；
步骤S6-13、主控设备按照就近原则向O∪P∪Q集合中随机的m辆车发送换道指令；
步骤S7、控制模块发出的换道的指令，通过控制信号发送模块实时发送给路侧单元和LED灯控制器；
步骤S8、路侧单元将指令发送给车载单元，车载单元反馈至车载信息交互设备；
步骤S9、LED灯控制器控制车辆vehj的换道位置相应的LED灯亮灯的数量；
步骤S10、LED灯显示为绿灯，形成开口，引导驾驶员在此处换道；
步骤S11、换道完成，控制结束，转至下一个控制周期T+1。
作为本发明的优选，步骤S6-6、步骤S6-8所述的消耗的总成本采用汽车执行换道操作所需多消耗的燃油量来表示，将车辆的加/减速工况细分为n个瞬时，先求出由于需要执行换道而导致的每一个瞬时i多消耗的百公里燃油量，再求它们的平均值即得到加/减速工况的平均百公里燃油消耗量Qs，用Qs乘以行驶里程，即得整个工况的耗油量；
设某一车辆的初始速度为v0，v0的时刻为0，如果车辆执行加/减速工况，那么将整个工况时间划分为n+1个瞬时，那么第i个瞬时由于加/减速引起的百公里燃油消耗量计算公式为：
其中，Pei为第i个瞬时发动机发出的功率，bi为第i个瞬时发动机的油耗率，vi第i个瞬时车速，r为燃油密度；
则整个过程的平均百公里燃油消耗量为：
由此整个过程的燃油消耗量，以cost1为例：
cost1＝Qs·S/100
S为加/减速工况车辆行驶的里程。
作为本发明的优选，所述交通信息采集设备包括设置于监控立柱上的摄像头及激光雷达。
本发明的第二个目的在于提供一种上述引导方法所采用的多车道快速路出口匝道分流区智能车队换道引导系统，该系统包括用于实时采集交通信息的交通信息采集设备，与交通信息采集设备连接的路侧单元，与路侧单元连接的主控设备和车载单元，与主控设备连接的LED灯控制器，与车载单元连接的车载信息交互设备，与LED灯控制器连接的且安装在地面上的LED灯；
所述路侧单元与车载单元进行通讯，实时将主控设备的计算结果发送给安装车载单元的车辆，满足车路协同的需求；同时，驾驶员通过车载信息交互设备发送的换道请求，通过路侧单元反馈给主控设备，主控设备会对车辆的请求做出反应，并将控制指令通过路侧单元及车载单元反馈至车辆的车载信息交互设备；
所述主控设备用于完成绝大部分的计算并发出控制指令，主控设备包括数据存储模块、数据处理模块、交通状态检测模块、控制模块、控制信号发送模块；
其中，所述数据存储模块用于存储交通信息采集设备所采集的数据以及车辆换道请求数据；
所述数据处理模块用于将数据存储模块中的图像数据、交通流数据进行融合，对信息进行统一的评价，最后进行特征提取和检测分类；
所述交通状态检测模块包括识别模块、预测模块、风险评估模块；识别模块用于识别车道上的可插车间隙及其分布，识别请求换道车辆与目标车道的间隙的横纵向位置关系；预测模块用于根据申请换道车辆与目标车道间隙的位置关系及两车道的速度差，预测车辆的换道轨迹；风险评估模块用于根据请求换道车辆与其相邻的目标车道上可插车间隙的位置关系、相对速度信息判断申请换道车辆的换道风险；
所述控制模块根据交通状态检测模块信息在策略库中搜索多车换道最优化策略及智能车操作控制策略，控制模块中取得的最优策略通过控制信号发送模块实时发送给路侧单元、LED灯控制器，由LED灯控制器控制LED灯开关。
作为本发明的优选，该引导系统还包括可变情报板，可变情报板分别位于匝道出口道上游区域，可变情报板用于向位于不同车道的驾驶员发布该车道的限速信息。
作为本发明的优选，所述交通信息采集设备包括设置于监控立柱上的摄像头及激光雷达，摄像头实时采集的视频检测数据为车辆换道引导方案的制定提供数据支持；激光雷达用于对视频检测数据进行补充。
作为本发明的优选，路侧单元包括高增益定向束控读写天线和射频控制器；其中，高增益定向束控读写天线是一个微波收发模块，负责信号和数据的发送/接收、调制/解调、编码/解码、加密/解密；射频控制器是控制发射和接收数据以及处理向上位机收发信息的模块。
作为本发明的优选，所述识别模块对车道上的可插车间隙进行识别时，设l车道有m个连续的可插车间隙，设第i个可插车间隙为ki，用坐标(xki，yki)i＝1，…，m表示；根据车辆行进方向，设位于最前端的可插车间隙编号为kl，取其质心，坐标为(xkl，ykl)；最末端的可插车间隙编号为kr，其质心坐标为(xkr，ykr)；所述风险评估模块在进行风险评估时，对车辆vehi的变道时间进行限制，将车辆vehi的坐标投影至l车道，对应为第k′i个可插车间隙的坐标(x′ki，y′ki)，忽略车辆的纵向间距，如车辆能够换道至l车道上的可插车间隙k′i，进行进一步的判断；否则，车辆不可换道。
作为本发明的优选，所述控制模块对车辆或车队在多车道的换道策略进行最优化策略匹配及行动决策，具体步骤如下：
步骤S1、检测申请换道且满足换道风险评估的车辆能否形成车队？车队的形成需满足三个条件：(1)位于同一车道；(2)目标车道一致；(3)位置相邻；设满足形成车队条件的车辆集合为VV，集合中的车辆用vehj表示；根据vehj与间隙ki的位置关系，vehj分为三类，分别用集合O、P、Q表示，车辆数对应为O′、p′、q′；其中，O为满足xkl≤xvehj≤xkr的车；P为满足xvehj＜xkl的车；Q为满足xvehj>xkr的车；
步骤S2、首先判断集合O的车辆数是否等于间隙数m，即判断O′＝m是否成立？若是，转至步骤S3；若否，0≤O′＜m，转至步骤S6-4；
步骤S3主控设备向集合O′辆车发送可执行换道指令；
步骤S4、判断
否，表明只有O集合的车辆，则转至步骤S6-3；是，则分成两种情况：第一种情况为存在集合P的车辆，集合VV的车辆数记为p′+O′，转至步骤S6-5；第二种情况为存在集合Q的车辆，集合VV的车辆数记为q′+O′则转至步骤S6-7；
步骤S5、判断p′+O′≥m？是，则P集合中的m-O′辆车加入换道，总的换道车辆数为m，转至步骤S6-6；否，则转至S6-12；
步骤S6、测算O∪P集合中的m辆车换道需要消耗的总成本，记为cost1；
步骤S7、判断q′+O′≥m？是，则Q集合中的m-O′辆车加入换道，总的换道车辆数为m，转至步骤S6-8；否，则转至S6-12；
步骤S8、测算O∪Q集合中的m辆车换道需要消耗的总成本，记为cost2；
步骤S9、判断cost1≥cost2？否，转至步骤S6-10；是，转至步骤S6-11；
步骤S10、主控设备按照就近原则向O∪P集合中的m辆车发送换道指令；
步骤S11、主控设备按照就近原则向O∪Q集合中的m辆车发送换道指令；
步骤S12、VV集合车辆数记为p'+q'+O'；
步骤S13、主控设备按照就近原则向O∪P∪Q集合中随机的m辆车发送换道指令。
本发明的优点和积极效果是：
1.本发明以实时的交通流数据为引导策略的设计依据，依据车辆在相同车道的位置关系、换道方向等信息对换道车辆进行队列识别，利用不同车道的限速差异、目标车道的可插车间隔的分布规律规划队列车辆的换道路线，从而提高多车道换道车辆的换道成功率。
2.本发明结合LED灯构成的可变式车道标线设施实现车辆换道引导的功能，辅以可变情报板、车载信息诱导完成，改变了固定模式下的交通管理策略，对交通冲突管理实现依据驾驶员个体需求的“专业化”、“个性化”的设计。
3.本发明中的可变式车道标线设施由LED灯发出的光源所构成，一方面LED灯有助于智能车的视觉识别，降低了对智能车识别的难度；另一方面实现了车侧与路侧的协同，弱化了对智能车智能化水平的依赖；此外，可变式车道标线设施实施过程机动灵活，操作简单，成本低，满足智能化交通管理的需求。
附图说明
图1为本发明快速路匝道分流区智能车队换道引导系统结构示意图；
图2为本发明图1的结构框图；
图3为本发明快速路匝道分流区智能车队换道引导方法流程图；
图4为本发明换道车队与连续间隙位置关系示意图；
图5为我国高速公路中分车道限速标识示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
实施例1
参阅图1、2，本发明提供的一种多车道快速路出口匝道分流区智能车队换道引导系统，该系统包括用于实时采集交通信息的交通信息采集设备，与交通信息采集设备连接的路侧单元(RSU，Road Side Unit)4，与路侧单元4连接的主控设备3和车载单元5，与主控设备3连接的可变情报板8与LED灯控制器6，与车载单元5连接的车载信息交互设备9，与LED灯控制器6连接的且安装在地面上的LED灯7；
其中，所述交通信息采集设备包括设置于监控立柱上的摄像头1及激光雷达2，摄像头1位于出口匝道上游及出口匝道区，当路段设计车速为60km/h时，每隔200m设置一个摄像头，当车速增加时，间距也可适当增加。摄像头1实时采集的视频检测数据为车辆换道引导方案的制定提供数据支持；激光雷达2是对视频检测数据的补充，可以实现雨天、有雾灯视线不佳的交通场景下的车辆间距、速度等交通流数据的采集，包括对大车混合交通车流的准确检测；
所述路侧单元4，其设计遵循国家标准为GB20851，通讯频率为5.8GHz，信息传输覆盖范围为500m。路侧单元RSU包括高增益定向束控读写天线和射频控制器；其中，高增益定向束控读写天线是一个微波收发模块，负责信号和数据的发送/接收、调制/解调、编码/解码、加密/解密；射频控制器是控制发射和接收数据以及处理向上位机收发信息的模块；
所述路侧单元4采用LTE-V/5G通讯技术与车载单元5(OBU，On Board Unit)进行通讯，实时将主控设备3的计算结果发送给装置车载单元5的车辆，满足车路协同的需求。与此同时，安装车载单元5的车辆，其驾驶员通过与车载单元5连接的车载信息交互设备9发送换道请求，通过LTE-V/5G网络传输给路侧单元4，路侧单元4将请求反馈给主控设备3，主控设备3会对车辆的请求做出反应，并将控制指令通过路侧单元4及车载单元5反馈至车辆的车载信息交互设备9，驾驶员收到指令后按照指令进行操作；
所述主控设备3用于完成绝大部分的计算并发出控制指令；主控设备3包括了数据存储模块31、数据处理模块32、交通状态检测模块33、控制模块34、控制信号发送模块35；
其中，所述数据存储模块31用于存储交通信息采集设备所采集的数据以及车辆换道请求数据；
所述数据处理模块32用于将数据存储模块31中的图像数据、交通流数据等多源数据进行融合，对信息进行统一的评价，最后进行特征提取和检测分类；
所述交通状态检测模块33包括识别模块331、预测模块332、风险评估模块333；识别模块331用于识别车道上的可插车间隙及其分布，识别请求换道车辆与目标车道的间隙的横纵向位置关系，设l车道有m个连续的可插车间隙，设第i个可插车间隙为ki，用坐标(xki，yki)i＝1，…，m表示；根据车辆行进方向，设位于最前端的可插车间隙编号为kl，取其质心，坐标为(xkl，ykl)；最末端的可插车间隙编号为kr，其质心坐标为(xkr，ykr)；
预测模块用于根据申请换道车辆与目标车道间隙的位置关系及两车道的速度差，预测车辆的换道轨迹；
风险评估模块用于根据请求换道车辆与其相邻的目标车道上可插车间隙的位置关系、相对速度等信息判断申请换道车辆的换道风险；风险评估时，对车辆vehi的变道时间进行限制，将车辆vehi的坐标投影至l车道，对应为第k′i个可插车间隙的坐标(x′ki，y′ki)，忽略车辆的纵向间距，如车辆能够换道至l车道上的可插车间隙k′i，进行进一步的判断；否则，车辆不可换道；
所述控制模块34根据交通状态检测模块33信息，利用策略决策功能在策略库中搜索多车换道最优化策略及智能车操作控制策略，控制模块34中取得的最优策略通过控制信号发送模块35实时发送给路侧单元4、LED灯控制器6，路侧单元4通过LTE-V/5G通讯传递给车载单元5，车载单元5反馈至车辆的车载信息交互设备9，LED灯控制器6控制该车辆前方车道相应位置的LED灯7开启，为绿色；通过请求的车辆在车载信息交互设备9上看到请求的反馈结果的同时，将在前方看到由LED灯构成的车道线亮起，方便驾驶员执行换道操作。
本发明所述控制模块34对车辆或车队在多车道的换道策略进行最优化策略匹配及行动决策，具体步骤如下：
步骤S1、检测申请换道且满足换道风险评估的车辆能否形成车队？车队的形成需满足三个条件：(1)位于同一车道；(2)目标车道一致；(3)位置相邻；设满足形成车队条件的车辆集合为VV，集合中的车辆用vehj表示；根据vehj与间隙ki的位置关系，vehj分为三类，分别用集合O、P、Q表示，车辆数对应为O′、p′、q′；其中，O为满足xkl≤xvehj≤xkr的车；P为满足xvehj＜xkl的车；Q为满足xvehj>xkr的车；
步骤S2、首先判断集合O的车辆数是否等于间隙数m，即判断O′＝m是否成立？若是，转至步骤S3；若否，0≤O′＜m，转至步骤S6-4；
步骤S3主控设备向集合O′辆车发送可执行换道指令；
步骤S4、判断
否，表明只有O集合的车辆，则转至步骤S6-3；是，则分成两种情况：第一种情况为存在集合P的车辆，集合VV的车辆数记为p′+O′，转至步骤S6-5；第二种情况为存在集合Q的车辆，集合VV的车辆数记为q′+O′则转至步骤S6-7；
步骤S5、判断p′+O′≥m？是，则P集合中的m-O′辆车加入换道，总的换道车辆数为m，转至步骤S6-6；否，则转至S6-12；
步骤S6、测算O∪P集合中的m辆车换道需要消耗的总成本，记为cost1；
步骤S7、判断q′+O′≥m？是，则Q集合中的m-O′辆车加入换道，总的换道车辆数为m，转至步骤S6-8；否，则转至S6-12；
步骤S8、测算O∪Q集合中的m辆车换道需要消耗的总成本，记为cost2；
步骤S9、判断cost1≥cost2？否，转至步骤S6-10；是，转至步骤S6-11；
步骤S10、主控设备按照就近原则向O∪P集合中的m辆车发送换道指令；
步骤S11、主控设备按照就近原则向O∪Q集合中的m辆车发送换道指令；
步骤S12、VV集合车辆数记为p'+q'+O'；
步骤S13、主控设备按照就近原则向O∪P∪Q集合中随机的m辆车发送换道指令。
本发明所述LED灯7是光源的发生装置，若干个LED灯发射形成闪光带，起到引导作用，当若干个LED灯显示为绿色时，形成开口，引导驾驶员在此处换道，LED灯关闭时，为白色与正常的车道线颜色相同，采用LED灯操作简便，且灵活机动；
所述车载信息交互设备9以车载显示屏的形式与驾驶员进行信息沟通，一方面驾驶员可通过在车载信息交互设备9上触摸按键向主控设备3发送换道请求；另一方面主控设备3发出的控制指令可通过车载单元5反馈至显示屏，方便驾驶员浏览；
所述可变情报板8是以LED发光器件为基本显示单元，具有图形及文字显示功能。可变情报板8分别位于匝道出口道上游区域。可变情报板8可向位于不同车道的驾驶员发布该车道的限速信息。在此设置分车道限速场景，其中最外侧车道车速最低，最内侧车道车速最高，不同车道的限速值在可变情报板中显示。在确定其限速值时，应在确保道路安全水平的同时尽量提高道路的运输效率，分车道限速在我国高速公路中均有应用(如图5所示)，分车道限速值包括各车道的最高限速值与最低限速值。
实施例2
参见图3、图4，本发明提供的一种多车道快速路出口匝道区智能车队换道引导方法，假设初始状态车道线LED灯处于关闭状态。
设某一快速路匝道控制区车道为l+1、l、l-1，由于不同车道的限速值不同，由内至外侧的限速值依次减小，车速限制关系为Vl+1>Vl>Vl-1；位于外侧车道的直行车辆为了追求更高的速度，会要求换道至内侧，即l-1→l或l→l+1；而位于内侧需要出匝道的车辆会要求换道至外侧车道，即l+1→l或l→l-1，限定车辆一次只能换一条车道；车辆根据其不同需求，在进入匝道上游控制区后会向控制中心提出协助换道的请求，具体包括以下步骤：
步骤S1、智能网联车辆驶入由出口匝道上游及出口匝道区域构成的控制区域，智能网联车驾驶员通过车载信息交互设备9发送换道请求，通过LTE-V/5G网络，车载单元5发出信号至路侧单元4，路侧单元4将信号传递给主控设备3，主控设备3接收网联车辆发送的换道请求；
步骤S2、由摄像头1及激光雷达2采集出口匝道上游及出口匝道区域车辆视频图像数据、速度等数据信息；
步骤S3、将摄像头1、激光雷达2采集到数据信息通过wifi传输至主控设备3中的数据存储模块31；
步骤S4、数据处理模块32读取数据存储模块31中的数据，数据处理模块32提取车道中请求换道车辆的位置坐标、速度、加速度信息；此外，数据处理模块32也识别车道中其他车辆的坐标、速度、加速度信息；
步骤S5、交通状态检测模块33提取数据处理模块32的数据，交通状态检测模块包括识别模块331、预测模块332及风险评估模块333；其中，识别模块331用于识别车道上的可插车间隙及其分布，识别请求换道车辆与目标车道的间隙的横纵向位置关系；预测模块332用于规划车辆的换道轨迹；风险评估模块333用于根据请求换道车辆与其相邻的目标车道上可插车间隙的位置关系、相对速度等信息判断申请换道车辆的换道风险；
步骤S5-1、可插车间隙的识别；
设l车道有m个连续的可插车间隙，设第i个可插车间隙为ki，用坐标(xki，yki)i＝1，…，m表示；根据车辆行进方向，设位于最前端的可插车间隙编号为kl，取其质心，坐标为(xkl，ykl)；最末端的可插车间隙编号为kr，其质心坐标为(xkr，ykr)；若m＝1，则表示为只有一个可插车间隙；若m＝0表示没有可插车间隙，可插车间隙的总长用L表示，设第ki个可插车间隙的长度为ni，L＝m*ni；
步骤S5-2、车辆的换道轨迹规划
根据申请换道车辆与目标车道间隙的位置关系及两车道的速度差，车辆要换道至间隙的操作形式可分为三类：加速、减速、匀速，以加速为例：
车辆vehi与目标车道的间隙ki存在一定的距离，在此忽略纵向距离，由于分车道限速，车辆vehi从l-1车道换至l车道，需要加速，假设Vmax>Vl，Vl表示车道l的车速，即车辆采用其最大加速度amax加速时，此时车辆从初始速度Vl-1加速至最大速度Vmax需要的最短加速时间为：
车辆在此加速期间所移动的距离为：
此时，如果车辆加速至最大速度后，l-1车道上的车辆vehi与l车道上的可插车间隙ki的距离为d，则车辆换道至l车道还需行驶的最短时间为：
忽略车道从l-1车道换至l车道的实际换道操作过程的描述，车辆从当前位置行驶至可插车间隙的驾驶轨迹包括了两个过程，首先加速至最大速度再以最大速度行驶直至到达可插车间隙的位置。
步骤S5-3、换道风险的判断
为了保持交通流的稳定性，对车辆vehi的变道准备时间ta+tv进行限制，在此主要对tv的大小进行限制，设定其阈值为Dthreshold，及tv≤Dthreshold。
同样以加速换道为例，将车辆vehi的坐标投影至l车道，对应为第ki′个可插车间隙的坐标(x′ki，y′ki)，忽略车辆的纵向间距，设定l-1车道上的待换道车辆vehi与l车道上的可插车间隙k′i之间的距离|xvehi-x′ki|≤xa+Vmax*Dthreshold时，车辆能够换道至l车道上的可插车间隙k′i，转入步骤S6，进行进一步的判断；否则，车辆不可换道，返回步骤S1；
步骤S6、交通状态检测模块33的检测结果输入控制模块34，控制模块34对车辆或车队在多车道的换道策略进行最优化策略匹配及行动决策，具体步骤如下：
步骤S6-1、检测申请换道且满足换道风险评估的车辆能否形成车队？车队的形成需满足三个条件：(1)位于同一车道；(2)目标车道一致；(3)位置相邻；设满足形成车队条件的车辆集合为VV，集合中的车辆用vehj表示；根据vehj与间隙ki的位置关系，vehj分为三类，分别用集合O、P、Q表示，车辆数对应为O′、p′、q′；其中，O为满足xkl≤xvehj≤xkr的车；P为满足xvehj＜xkl的车；Q为满足xvehj>xkr的车；
步骤S6-2、首先判断集合O的车辆数是否等于间隙数m，即判断O′＝m是否成立？若是，转至步骤S6-3；若否，0≤O′＜m，转至步骤S6-4；
步骤S6-3主控设备向集合O′辆车发送可执行换道指令，控制结束；
步骤S6-4、判断
否，表明只有O集合的车辆，则转至步骤S6-3；是，则分成两种情况：第一种情况为存在集合P的车辆，集合VV的车辆数记为p′+O′，转至步骤S6-5；第二种情况为存在集合Q的车辆，集合VV的车辆数记为q′+O′则转至步骤S6-7；
步骤S6-5、判断p′+O′≥m？是，则P集合中的m-O′辆车加入换道，总的换道车辆数为m，转至步骤S6-6；否，则转至S6-12；
步骤S6-6、测算O∪P集合中的m辆车换道需要消耗的总成本，记为cost1；
步骤S6-7、判断q′+O′≥m？是，则Q集合中的m-O′辆车加入换道，总的换道车辆数为m，转至步骤S6-8；否，则转至S6-12；
步骤S6-8、测算O∪Q集合中的m辆车换道需要消耗的总成本，记为cost2；
步骤S6-9、判断cost1≥cost2？否，转至步骤S6-10；是，转至步骤S6-11；
步骤S6-10、主控设备按照就近原则向O∪P集合中的m辆车发送换道指令；
步骤S6-11、主控设备按照就近原则向O∪Q集合中的m辆车发送换道指令；
步骤S6-12、VV集合车辆数记为p'+q'+O'；
步骤S6-13、主控设备按照就近原则向O∪P∪Q集合中随机的m辆车发送换道指令；
步骤S7、控制模块34发出的换道的指令，通过控制信号发送模块35实时发送给路侧单元4和LED灯控制器6；
步骤S8、路侧单元4将指令发送给车载单元5，车载单元5反馈至车载信息交互设备9；
步骤S9、LED灯控制器6控制车辆vehj的换道位置相应的LED灯7亮灯的数量；
步骤S10、LED灯7显示为绿灯，形成开口，引导驾驶员在此处换道；
步骤S11、换道完成，控制结束，转至下一个控制周期T+1。
本发明步骤S6-6、步骤S6-8所述的消耗的总成本采用汽车执行换道操作所需多消耗的燃油量来表示。
将车辆的加/减速工况细分为n个瞬时。先求出由于需要执行换道而导致的每一个瞬时i多消耗的百公里燃油量，再求它们的平均值即得到加/减速工况的平均百公里燃油消耗量Qs，用Qs乘以行驶里程，即得整个工况的耗油量。
设某一车辆的初始速度为v0，v0的时刻为0。如果车辆执行加/减速工况，那么将整个工况时间划分为n+1个瞬时，那么第i个瞬时由于加/减速引起的百公里燃油消耗量计算公式为：
Pei为第i个瞬时发动机发出的功率，bi为第i个瞬时发动机的油耗率，vi第i个瞬时车速，r为燃油密度。
则整个过程的平均百公里燃油消耗量为：
由此整个过程的燃油消耗量，以cost1为例：
cost1＝Qs·S/100
S为加/减速工况车辆行驶的里程。
Claims (9)
1.一种多车道快速路出口匝道分流区智能车队换道引导方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
步骤S1、智能网联车辆驶入由出口匝道上游及出口匝道区域构成的控制区域，智能网联车驾驶员通过车载信息交互设备发送换道请求，通过与车载信息交互设备连接的车载单元将信号发送至路侧单元，路侧单元将信号传递给主控设备，主控设备接收网联车辆发送的换道请求；
步骤S2、由交通信息采集设备采集出口匝道上游及出口匝道区域车辆视频图像数据、速度数据信息；
步骤S3、将交通信息采集设备采集到数据信息通过wifi传输至主控设备中的数据存储模块；
步骤S4、主控设备中的数据处理模块读取数据存储模块中的数据，数据处理模块提取车道中请求换道车辆的位置坐标、速度、加速度信息；此外，数据处理模块也识别车道中其他车辆的坐标、速度、加速度信息；
步骤S5、主控设备中的交通状态检测模块提取数据处理模块的数据，交通状态检测模块包括识别模块、预测模块及风险评估模块；其中，所述识别模块用于识别车道上的可插车间隙及其分布，识别请求换道车辆与目标车道的间隙的横纵向位置关系，设l车道有m个连续的可插车间隙，设第i个可插车间隙为ki，用坐标(xki，yki)i＝1，…，m表示；根据车辆行进方向，设位于最前端的可插车间隙编号为kl，取其质心，坐标为(xkl，ykl)；最末端的可插车间隙编号为kr，其质心坐标为(xkr，ykr)；所述预测模块用于规划车辆的换道轨迹；所述风险评估模块用于根据请求换道车辆与其相邻的目标车道上可插车间隙的位置关系、相对速度信息判断申请换道车辆的换道风险；风险评估时，对车辆vehi的变道时间进行限制，将车辆vehi的坐标投影至l车道，对应为第k′i个可插车间隙的坐标(x′ki，y′ki)，忽略车辆的纵向间距，如车辆能够换道至l车道上的可插车间隙k′i，转入步骤S6，进行进一步的判断；否则，车辆不可换道，返回步骤S1；
步骤S6、交通状态检测模块的检测结果输入控制模块，控制模块对车辆或车队在多车道的换道策略进行最优化策略匹配及行动决策，具体步骤如下：
步骤S6-1、检测申请换道且满足换道风险评估的车辆能否形成车队？车队的形成需满足三个条件：(1)位于同一车道；(2)目标车道一致；(3)位置相邻；设满足形成车队条件的车辆集合为VV，集合中的车辆用vehj表示；根据vehj与间隙ki的位置关系，vehj分为三类，分别用集合O、P、Q表示，车辆数对应为O′、p′、q′；其中，O为满足xkl≤xvehj≤xkr的车；P为满足xvehj＜xkl的车；Q为满足xvehj＞xkr的车；
步骤S6-2、首先判断集合O的车辆数是否等于间隙数m，即判断O′＝m是否成立？若是，转至步骤S6-3；若否，0≤O′＜m，转至步骤S6-4；
步骤S6-3主控设备向集合O′辆车发送可执行换道指令；
步骤S6-4、判断
否，表明只有O集合的车辆，则转至步骤S6-3；是，则分成两种情况：第一种情况为存在集合P的车辆，集合VV的车辆数记为p′+O′，转至步骤S6-5；第二种情况为存在集合Q的车辆，集合VV的车辆数记为q′+O′则转至步骤S6-7；
步骤S6-5、判断p′+O′≥m？是，则P集合中的m-O′辆车加入换道，总的换道车辆数为m，转至步骤S6-6；否，则转至S6-12；
步骤S6-6、测算O∪P集合中的m辆车换道需要消耗的总成本，记为cost1；
步骤S6-7、判断q′+0′≥m？是，则Q集合中的m-O′辆车加入换道，总的换道车辆数为m，转至步骤S6-8；否，则转至S6-12；
步骤S6-8、测算O∪Q集合中的m辆车换道需要消耗的总成本，记为cost2；
步骤S6-9、判断cost1≥cost2？否，转至步骤S6-10；是，转至步骤S6-11；
步骤S6-10、主控设备按照就近原则向O∪P集合中的m辆车发送换道指令；
步骤S6-11、主控设备按照就近原则向O∪Q集合中的m辆车发送换道指令；
步骤S6-12、VV集合车辆数记为p′+q′+O′；
步骤S6-13、主控设备按照就近原则向O∪P∪Q集合中的m辆车发送换道指令；
步骤S7、控制模块发出的换道的指令，通过控制信号发送模块实时发送给路侧单元和LED灯控制器；
步骤S8、路侧单元将指令发送给车载单元，车载单元反馈至车载信息交互设备；
步骤S9、LED灯控制器控制车辆vehj的换道位置相应的LED灯亮灯的数量；
步骤S10、LED灯显示为绿灯，形成开口，引导驾驶员在此处换道；
步骤S11、换道完成，控制结束，转至下一个控制周期T+1。
2.根据权利要求1所述的引导方法，其特征在于，步骤S6-6、步骤S6-8所述的消耗的总成本采用汽车执行换道操作所需多消耗的燃油量来表示，将车辆的加/减速工况细分为n个瞬时，先求出由于需要执行换道而导致的每一个瞬时i多消耗的百公里燃油量，再求它们的平均值即得到加/减速工况的平均百公里燃油消耗量Qs，用Qs乘以行驶里程，即得整个工况的耗油量；
设某一车辆的初始速度为v0，v0的时刻为0，如果车辆执行加/减速工况，那么将整个工况时间划分为n+1个瞬时，那么第i个瞬时由于加/减速引起的百公里燃油消耗量计算公式为：
其中，Pei为第i个瞬时发动机发出的功率，bi为第i个瞬时发动机的油耗率，vi第i个瞬时车速，r为燃油密度；
则整个过程的平均百公里燃油消耗量为：
由此整个过程的燃油消耗量，以cost1为例：
cost1＝Qs·S/100
S为加/减速工况车辆行驶的里程。
3.根据权利要求1所述的引导方法，其特征在于，所述交通信息采集设备包括设置于监控立柱上的摄像头及激光雷达。
4.权利要求1所述引导方法所采用的多车道快速路出口匝道分流区智能车队换道引导系统，其特征在于，该系统包括用于实时采集交通信息的交通信息采集设备，与交通信息采集设备连接的路侧单元，与路侧单元连接的主控设备和车载单元，与主控设备连接的LED灯控制器，与车载单元连接的车载信息交互设备，与LED灯控制器连接的且安装在地面上的LED灯；
所述路侧单元与车载单元进行通讯，实时将主控设备的计算结果发送给安装车载单元的车辆，满足车路协同的需求；同时，驾驶员通过车载信息交互设备发送的换道请求，通过路侧单元反馈给主控设备，主控设备会对车辆的请求做出反应，并将控制指令通过路侧单元及车载单元反馈至车辆的车载信息交互设备；
所述主控设备用于完成绝大部分的计算并发出控制指令，主控设备包括数据存储模块、数据处理模块、交通状态检测模块、控制模块、控制信号发送模块；
其中，所述数据存储模块用于存储交通信息采集设备所采集的数据以及车辆换道请求数据；
所述数据处理模块用于将数据存储模块中的图像数据、交通流数据进行融合，对信息进行统一的评价，最后进行特征提取和检测分类；
所述交通状态检测模块包括识别模块、预测模块、风险评估模块；识别模块用于识别车道上的可插车间隙及其分布，识别请求换道车辆与目标车道的间隙的横纵向位置关系；预测模块用于根据申请换道车辆与目标车道间隙的位置关系及两车道的速度差，预测车辆的换道轨迹；风险评估模块用于根据请求换道车辆与其相邻的目标车道上可插车间隙的位置关系、相对速度信息判断申请换道车辆的换道风险；
所述控制模块根据交通状态检测模块信息在策略库中搜索多车换道最优化策略及智能车操作控制策略，控制模块中取得的最优策略通过控制信号发送模块实时发送给路侧单元、LED灯控制器，由LED灯控制器控制LED灯开关。
5.根据权利要求4所述的引导系统，其特征在于，该引导系统还包括可变情报板，可变情报板分别位于匝道出口道上游区域，可变情报板用于向位于不同车道的驾驶员发布该车道的限速信息。
6.根据权利要求4或5所述的引导系统，其特征在于，所述交通信息采集设备包括设置于监控立柱上的摄像头及激光雷达，摄像头实时采集的视频检测数据为车辆换道引导方案的制定提供数据支持；激光雷达用于对视频检测数据进行补充。
7.根据权利要求4或5所述的引导系统，其特征在于，路侧单元包括高增益定向束控读写天线和射频控制器；其中，高增益定向束控读写天线是一个微波收发模块，负责信号和数据的发送/接收、调制/解调、编码/解码、加密/解密；射频控制器是控制发射和接收数据以及处理向上位机收发信息的模块。
8.根据权利要求4或5所述的引导系统，其特征在于，所述识别模块对车道上的可插车间隙进行识别时，设l车道有m个连续的可插车间隙，设第i个可插车间隙为ki，用坐标(xki，yki)i＝1，…，m表示；根据车辆行进方向，设位于最前端的可插车间隙编号为kl，取其质心，坐标为(xkl，ykl)；最末端的可插车间隙编号为kr，其质心坐标为(xkr，ykr)；所述风险评估模块在进行风险评估时，对车辆vehi的变道时间进行限制，将车辆vehi的坐标投影至l车道，对应为第k′i个可插车间隙的坐标(x′ki，y′ki)，忽略车辆的纵向间距，如车辆能够换道至l车道上的可插车间隙k′i，进行进一步的判断；否则，车辆不可换道。
9.根据权利要求4或5所述的引导系统，其特征在于，所述控制模块对车辆或车队在多车道的换道策略进行最优化策略匹配及行动决策，具体步骤如下：
步骤S1、检测申请换道且满足换道风险评估的车辆能否形成车队？车队的形成需满足三个条件：(1)位于同一车道；(2)目标车道一致；(3)位置相邻；设满足形成车队条件的车辆集合为VV，集合中的车辆用vehj表示；根据vehj与间隙ki的位置关系，vehj分为三类，分别用集合O、P、Q表示，车辆数对应为O′、p′、q′；其中，O为满足xkl≤xvehj≤xkr的车；P为满足xvehj＜xkl的车；Q为满足xvehj＞xkr的车；
步骤S2、首先判断集合O的车辆数是否等于间隙数m，即判断O′＝m是否成立？若是，转至步骤S3；若否，0≤O′＜m，转至步骤S6-4；
步骤S3主控设备向集合O′辆车发送可执行换道指令；
步骤S4、判断
否，表明只有O集合的车辆，则转至步骤S6-3；是，则分成两种情况：第一种情况为存在集合P的车辆，集合VV的车辆数记为p′+O′，转至步骤S6-5；第二种情况为存在集合Q的车辆，集合VV的车辆数记为q′+O′则转至步骤S6-7；
步骤S5、判断p′+O′≥m？是，则P集合中的m-O′辆车加入换道，总的换道车辆数为m，转至步骤S6-6；否，则转至S6-12；
步骤S6、测算O∪P集合中的m辆车换道需要消耗的总成本，记为cost1；
步骤S7、判断q′+O′≥m？是，则Q集合中的m-O′辆车加入换道，总的换道车辆数为m，转至步骤S6-8；否，则转至S6-12；
步骤S8、测算O∪Q集合中的m辆车换道需要消耗的总成本，记为cost2；
步骤S9、判断cost1≥cost2？否，转至步骤S6-10；是，转至步骤S6-11；
步骤S10、主控设备按照就近原则向O∪P集合中的m辆车发送换道指令；
步骤S11、主控设备按照就近原则向O∪Q集合中的m辆车发送换道指令；
步骤S12、VV集合车辆数记为p′+q′+O′；
步骤S13、主控设备按照就近原则向O∪P∪Q集合中随机的m辆车发送换道指令。
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