CN113219962B - 一种面向混行队列跟驰安全的控制方法、系统及存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向混行队列跟驰安全的控制方法、系统及存储介质，涉及一种智能网联车辆局部队列最优化控制方法。技术方案是分别构建一种非网联车辆车辆跟驰模型和一种考虑多前车加速度信息反馈的智能网联车辆跟驰模型，比较分析在有无考虑局部队列控制策略情况下混行车辆追尾碰撞的概率变化，此方法可广泛应用于车车协同安全控制技术等领域。

Description

一种面向混行队列跟驰安全的控制方法、系统及存储介质

技术领域

本发明涉及用于队列跟驰安全控制的技术领域，具体涉及一种面向混行队列跟驰安全的控制方法、系统及存储介质。

背景技术

随着车车协同技术的发展，道路交通运输系统中智能网联和非网联车辆混行将成为常态。因此，混行环境下的交通安全成为未来交通管控研究的热点和难点。为了改善复杂多变网联环境下的行车安全，亟需提出智能网联混行环境下队列稳定性优化控制方法。

经过对现有技术文献的检索发现，为了提高混行车辆跟驰安全，国内外学者也做了一些研究工作。Li等人针对协同自适应巡航控制车辆应用数值仿真试验研究了不同协同自适应巡航控制车辆比例等条件下的交通流车辆追尾碰撞安全风险。刘新雨等利用驾驶模拟器对中国典型道路场景在全自动巡航控制车辆交通流环境下的驾驶安全进行了研究。Lee等针对自适应巡航控制系统的交通安全特性进行了实车研究。Moon等构建一种自适应巡航车辆跟驰模型，通过仿真实验验证了所提出的自适应巡航车辆跟驰模型能够降低车辆追尾碰撞风险，但是该研究并没有涉及自适应巡航车辆与人工驾驶车辆混行环境下的交通流追尾碰撞风险的影响分析。秦严严等利用基于全速度差模型构建了一种常规车辆和智能网联车辆混行跟驰模型，并提出一种智能网联车辆与常规车辆构成的混合交通流车队稳定性优化控制方法，但是并没有考虑常规车辆驾驶人对车辆信息的感知误差以及智能网联车辆的响应时间。

虽然已有的研究成果通过车辆跟驰模型研究了不同类型车辆混行情况下交通流的演化规律和行车安全，但是鲜有相关技术考虑常规车辆驾驶人对车辆信息的感知误差，以及在智能网联车辆低渗透率情况下下利用局部局部队列控制方法实现全局队列跟驰安全，降低混行车辆跟驰追尾碰撞风险。因此，本发明提出一种面向混行队列跟驰安全的控制方法。

发明内容

本发明提出的一种面向混行队列跟驰安全的控制方法、系统及存储介质，具体是针对车辆混行跟驰过程中，构建一种面向混行队列跟驰安全的控制方法，实现混行交通环境下队列跟驰安全性，具体来说，涉及一种智能网联车辆局部队列最优化控制方法，此方法可广泛应用于车车协同安全控制技术等领域。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种面向混行队列跟驰安全的控制方法，包括：

(1)交通情景设定，通过运动可控的引导车来设定需要模拟的交通情景。

(2)选取参数值，根据设定的交通情景选取参数的取值，包括驾驶人反应时间τ、车辆紧急制动反应时间τ₁、车辆制动最大减速度d、多前车信息反馈增益系数γ_i，i表示智能网联车在可接受的通信距离范围内队列前面车辆个数、加速度敏感系数α和期望安全裕度SM_D。

(3)获取所有车辆的初始状态。

(4)仿真模拟t>0时车辆队列的运动状态，假设前导车按照预先指定的方案运动，非网联车辆按照如下运动方程跟驰，其运动方程为：

其中，v_n(t)和v_n-1(t)表示车辆n和n-1的速度，D_n(t)表示第n和n-1车之间的车间隙，μ表示驾驶人对前车加速度信息的感知误差均值，g＝9.8m/s²。

(5)建立考虑多前车加速度信息反馈的智能网联车辆跟驰模型，其运动方程为：

其中，m表示队列中第n辆智能网联车前车非网联车和网联车的数量，τ₂表示智能网联车辆的响应时间。

另外，期望安全裕度SM_D＝0.9；车长设为5m；加速度敏感系数α＝15m/s²；其他参数τ₁＝0.15s，τ＝0.5s，τ₂＝0.5s，μ＝0.2。

(6)所有车辆的速度和位置按照如下规则进行更新，其计算公式为：

速度：v_n(t)＝v_n(t-Δt)+a(t-Δt)×Δt,n＝1,2,…N；

位置：

其中，Δt为加速度调节时间。

另一方面，本发明还公开一种面向混行队列跟驰安全的控制系统，包括以下单元，

交通情景设定单元，用于通过运动可控的引导车来设定需要模拟的交通情景；

参数值确定单元，根据设定的交通情景选取参数的取值，包括驾驶人反应时间τ、车辆紧急制动反应时间τ₁、车辆制动最大减速度d、多前车信息反馈增益系数γ_i，i表示智能网联车在可接受的通信距离范围内队列前面车辆个数、加速度敏感系数α和期望安全裕度SM_D；

初始状态值获取单元，用于获取所有车辆的初始状态；

仿真模拟单元，用于仿真模拟t>0时车辆队列的运动状态，假设前导车按照预先指定的方案运动，非网联车辆按照如下运动方程跟驰，其运动方程为：

其中，v_n(t)和v_n-1(t)表示车辆n和n-1的速度，D_n(t)表示第n和n-1车之间的车间隙，μ表示驾驶人对前车加速度信息的感知误差均值，车辆紧急制动反应时间τ₁，驾驶人反应时间τ，加速度敏感系数α和期望安全裕度SM_D，g＝9.8m/s²；

所有车辆的速度和位置按照如下规则进行更新，其计算公式为：

速度：v_n(t)＝v_n(t-Δt)+a(t-Δt)×Δt,n＝1,2,…N；

位置：

其中，Δt为加速度调节时间。

进一步的，还包括以下单元，

智能网联车辆跟驰模型建立单元，用于建立一种考虑多前车加速度信息反馈的智能网联车辆跟驰模型，其运动方程：

其中，τ₂是智能网联车辆响应时间，多前车信息反馈控制参数β_i，i表示智能网联车在可接受的通信距离范围内队列前面车辆个数，m表示队列中第n辆网联车前面非网联车和网联车的数量。

第三方面，还公开一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行如上述方法的步骤。

由上述技术方案可知，本发明的面向混行队列跟驰安全的控制方法及系统，以期望安全裕度车辆跟驰模型为基础，考虑传统车辆驾驶人对车辆信息的感知误差，同时考虑智能网联车辆车车通信的有效范围，建立多前车加速度信息作为反馈控制项，建立一种面向混行环境下的车辆跟驰模型，从而通过系统输出的传递函数确定局部队列稳定性约束条件，从而实现混行环境下车辆跟驰安全控制。

本发明用于解析智能网联车与人工驾驶车辆之间的交互运动耦合关系。技术方案是基于期望安全裕度模型，分别构建一种考虑驾驶人感知误差的人工驾驶车辆跟驰模型和一种考虑多前后车信息反馈的智能网联车辆跟驰模型，比较分析在智能网联车辆处于低渗透率情况下，混行车流的演化情况，此方法可广泛应用于车路协同技术、智能交通管控等领域。

附图说明

图1是本发明实施例中以智能网联车可接受的通信距离范围为2辆车为例的车辆队列跟驰运动示意图；

图2是本发明混行局部队列反馈增益系数与稳定性约束条件关系图；

图3是在智能网联车辆低渗透率情况下混行队列中车辆追尾碰撞概率测度变化图：(a)无局部队列控制策略，(b)考虑局部队列控制策略。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

如图1所示，本实施例所述的面向混行队列跟驰安全的控制方法，包括以下步骤：

(7)交通情景设定，通过运动可控的引导车来设定需要模拟的交通情景。

(8)选取参数值，根据设定的交通情景选取参数的取值，包括驾驶人反应时间τ、车辆紧急制动反应时间τ₁、车辆制动最大减速度d、多前车信息反馈增益系数γ_i，i表示智能网联车在可接受的通信距离范围内队列前面车辆个数、加速度敏感系数α和期望安全裕度SM_D。

(9)获取所有车辆的初始状态。

(10)仿真模拟t>0时车辆队列的运动状态，假设前导车按照预先指定的方案运动，非网联车辆按照如下运动方程跟驰，其运动方程为：

其中，v_n(t)和v_n-1(t)表示车辆n和n-1的速度，D_n(t)表示第n和n-1车之间的车间隙，μ表示驾驶人对前车加速度信息的感知误差均值，g＝9.8m/s²。

(11)建立考虑多前车加速度信息反馈的智能网联车辆跟驰模型，其运动方程为：

其中，m表示队列中第n辆智能网联车前车非网联车和网联车的数量，τ₂表示智能网联车辆的响应时间。

另外，期望安全裕度SM_D＝0.9；车长设为5m；加速度敏感系数α＝15m/s²；其他参数τ₁＝0.15s，τ＝0.5s，τ₂＝0.5s，μ＝0.2。

(12)所有车辆的速度和位置按照如下规则进行更新，其计算公式为：

速度：v_n(t)＝v_n(t-Δt)+a(t-Δt)×Δt,n＝1,2,…N；

位置：

其中，Δt为加速度调节时间。

以下具体举例说明：

(1)建立一种考虑驾驶人感知误差的车辆跟驰模型：

(2)建立一种智能网联车辆跟驰模型：

(3)基于智能网联车辆特点，建立一种多前车加速度信息反馈项u_n(t)：

(4)建立一种考虑多车前车加速度信息反馈的智能网联车辆跟驰模型：

(5)构建考虑多车前车加速度信息反馈的智能网联车辆跟驰模型系统的传递函数：

其中，j为虚轴单位，z为系统频域，v^*表示队列中车辆期望车速，y^*表示队列中车辆期望车间隙。

(6)设智能网联车可接受的通信距离范围为2辆车，推导出在给定给定的期望车速v^*＝20m/s下的反馈增益系数的稳定域取值范围：0.1<β₁<1.38。

(7)给出概率测度

其中，

表示在给定的车辆追尾碰撞风险指标SM下，前车n-1和后车n在t时刻发生车辆追尾碰撞的概率；c是一常变量，其大小与道路路段的特性有关，即如果此路段发生车辆追尾碰撞的频率越高，则相应的c值也越大，这里假设c＝0.2。

(8)设定的交通场景，有N＝50辆车包括智能网联车辆和人工驾驶车辆，以车头间距为L＝35m随机均匀的分布在同一车道上。设初始时刻头车出现了一个小的扰动，头车编号为1，其他车按行驶方向依次编号。

(9)车辆初始状态的速度和位置如下：

式中，

是头车在

时刻一个小的加速度扰动，设其服从5×10^-2×U(-1,1)的均匀随机分布。

(10)则一种面向混行队列跟驰安全的控制方法参数取值：

驾驶人反应时间τ：0.5s；

车辆紧急制动反应时间τ₁：0.15s；

车辆响应时间τ₂：0.5s；

车辆制动最大减速度d：7.5m/s²；

加速度敏感系数α：15m/s²；

期望安全裕度SM_D：0.9；

多前车信息反馈增益系数γ₁：0.2

车辆长度l：5m；

其他常参量：g＝9.8m/s²，m＝2；

图2是本发明混行局部队列反馈增益系数与稳定性约束条件关系图，可确定反馈增益系数的合理取值范围；

图3是在智能网联车辆为50％渗透率下混行队列中车辆追尾碰撞概率测度变化图：(a)无局部队列控制策略，(b)考虑局部队列控制策略。从对比图可以看出，考虑局部队列控制策略可有效地降低车辆追尾碰撞的概率，提高混行交通环境下车辆跟驰安全性。

由上可知，本发明用于解析智能网联车与人工驾驶车辆之间的交互运动耦合关系。技术方案是基于期望安全裕度模型，分别构建一种考虑驾驶人感知误差的人工驾驶车辆跟驰模型和一种考虑多前后车信息反馈的智能网联车辆跟驰模型，比较分析在智能网联车辆处于低渗透率情况下，混行车流的演化情况，此方法可广泛应用于车路协同技术、智能交通管控等领域。

本发明的面向混行队列跟驰安全的控制方法及系统，以期望安全裕度车辆跟驰模型为基础，考虑传统车辆驾驶人对车辆信息的感知误差，同时考虑智能网联车辆车车通信的有效范围，建立多前车加速度信息作为反馈控制项，建立一种面向混行环境下的车辆跟驰模型，从而通过系统输出的传递函数确定局部队列稳定性约束条件，从而实现混行环境下车辆跟驰安全控制。

另一方面，本发明还公开一种面向混行队列跟驰安全的控制系统，包括以下单元，

交通情景设定单元，用于通过运动可控的引导车来设定需要模拟的交通情景；

参数值确定单元，根据设定的交通情景选取参数的取值，包括驾驶人反应时间τ、车辆紧急制动反应时间τ₁、车辆制动最大减速度d、多前车信息反馈增益系数γ_i，i表示智能网联车在可接受的通信距离范围内队列前面车辆个数、加速度敏感系数α和期望安全裕度SM_D；

初始状态值获取单元，用于获取所有车辆的初始状态；

仿真模拟单元，用于仿真模拟t>0时车辆队列的运动状态，假设前导车按照预先指定的方案运动，非网联车辆按照如下运动方程跟驰，其运动方程为：

其中，v_n(t)和v_n-1(t)表示车辆n和n-1的速度，D_n(t)表示第n和n-1车之间的车间隙，μ表示驾驶人对前车加速度信息的感知误差均值，车辆紧急制动反应时间τ₁，驾驶人反应时间τ，加速度敏感系数α和期望安全裕度SM_D，g＝9.8m/s²；

所有车辆的速度和位置按照如下规则进行更新，其计算公式为：

速度：v_n(t)＝v_n(t-Δt)+a(t-Δt)×Δt,n＝1,2,…N；

位置：

其中，Δt为加速度调节时间。

进一步的，还包括以下单元，

智能网联车辆跟驰模型建立单元，用于建立一种考虑多前车加速度信息反馈的智能网联车辆跟驰模型，其运动方程：

其中，τ₂是智能网联车辆响应时间，多前车信息反馈控制参数β_i，i表示智能网联车在可接受的通信距离范围内队列前面车辆个数，m表示队列中第n辆网联车前面非网联车和网联车的数量。

第三方面，还公开一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行如上述方法的步骤。

可理解的是，本发明实施例提供的系统与本发明实施例提供的方法相对应，相关内容的解释、举例和有益效果可以参考上述方法中的相应部分。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种面向混行队列跟驰安全的控制方法，其特征在于：包括以下步骤，

(1)交通情景设定，通过运动可控的引导车来设定需要模拟的交通情景；

(2)选取参数值，根据设定的交通情景选取参数的取值，包括驾驶人反应时间τ、车辆紧急制动反应时间τ₁、车辆制动最大减速度d、多前车信息反馈增益系数γ_i，i表示智能网联车在可接受的通信距离范围内队列前面车辆个数、加速度敏感系数α和期望安全裕度SM_D；

(3)获取所有车辆的初始状态；

(4)仿真模拟t>0时车辆队列的运动状态，假设前导车按照预先指定的方案运动，非网联车辆按照如下运动方程跟驰，其运动方程为：

其中，v_n(t)和v_n-1(t)表示车辆n和n-1的速度，D_n(t)表示第n和n-1车之间的车间隙，μ表示驾驶人对前车加速度信息的感知误差均值，车辆紧急制动反应时间τ₁，驾驶人反应时间τ，加速度敏感系数α和期望安全裕度SM_D，g＝9.8m/s²；

所有车辆的速度和位置按照如下规则进行更新，其计算公式为：

速度：v_n(t)＝v_n(t-Δt)+a(t-Δt)×Δt,n＝1,2,…N；

位置：

其中，Δt为加速度调节时间。

2.根据权利要求1所述的面向混行队列跟驰安全的控制方法，其特征在于：还包括建立一种考虑多前车加速度信息反馈的智能网联车辆跟驰模型，其运动方程：

其中，τ₂是智能网联车辆响应时间，多前车信息反馈控制参数β_i，i表示智能网联车在可接受的通信距离范围内队列前面车辆个数，m表示队列中第n辆网联车前面非网联车和网联车的数量。

3.根据权利要求2所述的面向混行队列跟驰安全的控制方法，其特征在于：期望安全裕度SM_D＝0.9；车长设为5m；加速度敏感系数α＝15m/s²；其他参数τ₁＝0.15s，τ＝0.5s，τ₂＝0.5s，μ＝0.2。

4.根据权利要求2所述的面向混行队列跟驰安全的控制方法，其特征在于：还包括根据建立的一种考虑多前车加速度信息反馈的智能网联车辆跟驰模型，推导出其系统传递函数：

其中，j为虚轴单位，z为系统频域，v^*表示队列中车辆期望车速，y^*表示队列中车辆期望车间隙；

设智能网联车可接受的通信距离范围为2辆车，则可在给定的期望车速v^*＝20m/s下得到反馈增益系数的稳定域取值范围：0.1<β₁<1.38。

5.根据权利要求2所述的面向混行队列跟驰安全的控制方法，其特征在于：

还包括根据建立的非网联车辆跟驰模型和考虑多前车加速度信息反馈的智能网联车辆跟驰模型，选取参数为：

N＝50辆车包括智能网联车辆和人工驾驶车辆，以车头间距为L＝35m随机均匀的分布在同一车道上，多前车信息反馈控制参数γ₁为0.2，驾驶人感知误差均值μ为0.2，分析在头车存在小扰动情况下，比较分析在有无局部队列控制策略下所有车辆的追尾碰撞概率情况。

6.根据权利要求4所述的面向混行队列跟驰安全的控制方法，其特征在于：还包括给出概率测度

其中，

表示在给定的车辆追尾碰撞风险指标SM下，前车n-1和后车n在t时刻发生车辆追尾碰撞的概率；c是一常变量，其大小与道路路段的特性有关，即如果此路段发生车辆追尾碰撞的频率越高，则相应的c值也越大，这里假设c＝0.2。

7.一种面向混行队列跟驰安全的控制系统，其特征在于：包括以下单元

交通情景设定单元，用于通过运动可控的引导车来设定需要模拟的交通情景；

参数值确定单元，根据设定的交通情景选取参数的取值，包括驾驶人反应时间τ、车辆紧急制动反应时间τ₁、车辆制动最大减速度d、多前车信息反馈增益系数γ_i，i表示智能网联车在可接受的通信距离范围内队列前面车辆个数、加速度敏感系数α和期望安全裕度SM_D；

初始状态值获取单元，用于获取所有车辆的初始状态；

仿真模拟单元，用于仿真模拟t>0时车辆队列的运动状态，假设前导车按照预先指定的方案运动，非网联车辆按照如下运动方程跟驰，其运动方程为：

其中，v_n(t)和v_n-1(t)表示车辆n和n-1的速度，D_n(t)表示第n和n-1车之间的车间隙，μ表示驾驶人对前车加速度信息的感知误差均值，车辆紧急制动反应时间τ₁，驾驶人反应时间τ，加速度敏感系数α和期望安全裕度SM_D，g＝9.8m/s²；

所有车辆的速度和位置按照如下规则进行更新，其计算公式为：

速度：v_n(t)＝v_n(t-Δt)+a(t-Δt)×Δt,n＝1,2,…N；

位置：

其中，Δt为加速度调节时间。

8.根据权利要求7所述的一种面向混行队列跟驰安全的控制系统，其特征在于：还包括以下单元，

智能网联车辆跟驰模型建立单元，用于建立一种考虑多前车加速度信息反馈的智能网联车辆跟驰模型，其运动方程：

其中，τ₂是智能网联车辆响应时间，多前车信息反馈控制参数β_i，i表示智能网联车在可接受的通信距离范围内队列前面车辆个数，m表示队列中第n辆网联车前面非网联车和网联车的数量。

9.一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行如权利要求1至6中任一项所述方法的步骤。

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