CN113781811A - 一种矿区路口车辆通行决策系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种矿区路口车辆通行决策系统及方法，矿区路口车辆通行决策系统包括：车辆感知模块、通行决策模块和指示灯模块。所述系统布设在矿区的交叉路口处，为所有分支路的通行车辆提供通行指示信息。矿区路口车辆通行决策方法包括：所述车辆感知模块用于计算等待通行车辆数量和长度、检测车辆是否载物、判断车辆驶入驶出状态；所述通行决策模块可接入感知信息作为输入，并执行车辆通行顺序决策模型；所述指示灯模块接收模型输出结果，对不同的队列车辆发出允许/禁止通行的指示灯信号。本发明能够对非结构化道路条件下的矿区局部拥堵进行改善，可提升车辆的通行效率与运输水平，提高矿区车辆作业效率。

Description

一种矿区路口车辆通行决策系统及方法
技术领域
本发明涉及智能交通下的路侧智能管控技术领域，尤其涉及一种矿区路口车辆通行决策系统及方法。
背景技术
非结构道路条件下的车辆自由行驶是现实工程或应用中常常面临的挑战，特别是在地形条件恶劣的露天矿区等作业环境，如何保障车辆队列的高效和安全行驶是一个技术难题。露天矿区受限于其环境特点，道路结构通常为非标准化的单向通行车道，这致使矿区作业车辆队列存在局部堵塞甚至全局瘫痪的风险。因此，关于露天矿区车辆的智能调度和通行顺序选择成为当前急需解决的问题。
随着通信技术的发展，利用矿区车辆智能化和决策平台智能化为矿区作业车辆的全局调度和路径规划提供了新的思路。然而，这种方式更加关注于露天矿区作业车辆的利用率和全局的能源消耗，并不能为局部交叉口的自由通行提供有力保障，且所有作业车辆和决策平台的智能化改造升级需要极大的成本耗费，不适宜迅速投入使用。因此，提出一种针对矿区路口的低成本、高效率的车辆通行决策系统及方法，实现作业车辆在交叉路口的自由有序通行是有必要的。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中的不足，提供一种矿区路口车辆通行决策系统及方法。该系统及方法能够满足矿区交叉路口处的作业车辆通行需求，有利于提高矿区路口作业车辆的运输效率。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种矿区路口车辆通行决策系统，所述矿区路口车辆为完成信息注册的矿区内作业车辆，所述决策系统布设在矿区的交叉路口处，为所有分支路的通行车辆提供通行指示信息；包含车辆感知模块、通行决策模块和指示灯模块；
所述车辆感知模块检测各个分支道路上计划通行的队列信息，通行决策模块接收车辆感知模块采集的信息，并且以此作为输入执行内置的车辆通行顺序决策模型，所述指示灯模块根据通行决策模块的输出结果，对相应分支道路上的车辆队列发出许可或者禁止通行信号。
进一步地，所述车辆感知模块采集各个分支道路上计划通行的队列图像，并提取出通行车辆数量、队列长度、队列内车辆载物情况以及车辆驶入驶离作业区域状态信息。
进一步地，所述通行决策模块以车辆感知模块提取信息作为输入变量，以作业区域正常运转下的车辆容纳数量作为约束，以各分支道路的目标效益值递减序列作为输出结果。
本发明还提供一种矿区路口车辆通行决策方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、矿区作业车辆驶近交叉路口时，车辆感知模块检测各个分支道路上计划通行的队列信息；
S2、通行决策模块接收车辆感知模块采集的信息，并且以此作为输入执行内置的车辆通行顺序决策模型，通行顺序决策模型以车辆感知模块提取信息作为输入变量，判断矿区路口车辆是否满足一般约束条件，分别对满足一般约束条件和不满足一般约束条件下各分支道路的目标效益值递减序列作为输出结果；
S3、指示灯模块根据通行决策模块的输出结果，对相应分支道路上的车辆队列发出许可或者禁止通行信号；
S4、各分支道路上的作业车辆依据矿区交叉路口的指示灯显示信息，按要求选择继续通过交叉口或是暂停前行；
S5、若处于规划通行任务的车辆在执行通行任务时，有新来车辆加入到各分支道路队列中，新来车辆都将纳入下一次通行任务规划的考虑范围内。
进一步地，所述步骤S2中一般约束条件为：
Figure BDA0003265978320000021
Figure BDA0003265978320000022
其中，Num表示矿区作业区域内现有的作业车辆数量，P表示矿区作业区域在正常运转条件下可容纳的最大作业车辆数量,表示各分支道路上队列中的车辆总数，车辆队列驶入时，r取0值；车辆队列驶出时，r取1值；mj表示各分支道路上队列中的车辆总数。
进一步地，在满足一般约束条件的前提下，通行决策模块继续执行效益函数计算式和输出结果表达式：
效益函数计算式：
Figure BDA0003265978320000031
其中，di，i+1表示队列中第i辆车和第i+1辆车的间距，wi表示作业车辆是否载物，IOQn表示第n条分支道路上计划通行车辆队列的驶入驶出状态，m表示分支道路上队列中的车辆数量，γ1、γ2和γ3分别代表车辆队列长度、车辆载物情况和驶入驶出状态的权重系数，γ1+γ2+γ3＝1，其中：
Figure BDA0003265978320000032
wi取1表明队列中第i辆车装载了物体，取0表明队列中第i辆车没有装载物体；
Figure BDA0003265978320000033
IOQn表示分支道路上车辆队列在驶入状态时取a，在驶出状态时取1-a；
输出结果表达式：
Pass_order＝Decrease{BQ1，BQ2，…，BQn}
其中，BQn代表第n条分支道路的效益函数值，Decrease表示将各分支道路的效益函数值按递减顺序排列，Pass_order表示最终的队列通行次序。
进一步地，在不满足一般约束的条件下，表明矿区作业区域内的作业车辆数量已经达到饱和，则优先许可作业车辆驶出作业区域以保证作业正常运转；
计算效益函数：
Figure BDA0003265978320000034
输出通行次序：
Pass_order＝Decrease{IOQ1，IOQ2，…，IOQn}。
进一步地，所述步骤S3中，指示灯模块按位读取队列通行次序，在分配给第一顺序的分支道路许可通行信号时，分配给其他分支道路禁止通行信号；在第一顺序的分支道路队列完成通行任务后，接着分配给第二顺序的分支道路许可通行信号，分配其他分支道路禁止通行信号；以此类推，直到所有分支道路上的作业车辆队列完成通行任务。
进一步地，所述步骤S4中，依据指示信号选择停止前行的车辆队列有义务让出足够道路空间或行驶至路边临时停放区以辅助许可通行车辆完成通行任务。
进一步地，所述步骤S5中，对于在自定义通行任务执行时间内未完成通行任务的各队列车辆，都会被车辆通行决策系统纳入下一次通行任务规划之中；若处于规划通行顺序的车辆在执行通行任务时，有新来车辆加入到各分支道路队列中，新来车辆都将纳入下一次通行任务规划的考虑范围内。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)落地应用成本较低，在矿区的各个交叉路口处只需要布设车辆通行决策系统；(2)系统稳定性强，通过自主检测范围内有无作业车辆，实现动态性、间歇性工作；(3)系统具有可拓展性，应用对象不局限于人工驾驶的作业车辆，可升级改造与无人作业车辆功能相适应；(4)矿区运输效率提升，可对覆盖范围内的计划通行作业车辆进行最优路权分配，减少交叉路口处的队列整体通行时间。
附图说明
图1是一种矿区路口车辆通行决策系统及方法的原理图；
图2是车辆通行决策方法的流程示意图；
图3是矿区路口等待通行的作业车辆队列的通行指示示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明中的附图，对本发明技术方案和具体实施方式进行清楚和完整地描述。
为更好的理解本发明，下面的结合具体实施例，进一步阐述本发明，应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不限制本发明的范围。为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明的主要思路是：一种矿区路口车辆通行决策系统包括：车辆感知模块、通行决策模块和指示灯模块。所述系统布设在矿区的交叉路口处，为所有分支路的通行车辆提供通行指示信息。一种矿区路口车辆通行决策方法包括：利用所述车辆感知模块计算等待通行车辆数量和长度、检测车辆是否载物、判断车辆驶入驶出状态；利用所述通行决策模块接入感知信息作为输入，并执行车辆通行顺序决策模型；利用所述指示灯模块接收模型输出结果，对不同的队列车辆发出允许/禁止通行的指示灯信号。
如图1至图3所示，本实施例公开了一种矿区路口车辆通行决策方法，具体如下：
矿区路口车辆通行决策系统包括车辆感知模块、通行决策模块和指示灯模块。其中，车辆感知模块用于各分支道路计划通行队列信息采集，通行决策模块用于执行车辆通行决策模型，指示灯模块用于触发许可/禁止通行信号。矿区路口车辆通行决策系统作为独立的、功能完备的单元布设在矿区的交叉路口处，服务于各个分支道路上的计划通行车辆队列。
本实施例中矿区路口车辆通行决策系统对车辆队列进行通行次序规划的流程如图2所示，具体步骤如下：
1)在确定作业车辆进入系统检测范围后，车辆感知模块采集3条分支道路(Q1、Q2、Q3)上计划通行队列的图像；
2)利用车辆感知模块内置的图像分类ResNet(或Efficientnet)等算法，分别提取3条分支道路上计划通行队列的车辆数、长度、是否载物信息；利用感知模块内置的处理规则，借助连续帧图像中车辆的位置变化获取驶入驶出状态信息；根据图3可获取信息分别表示为：
Figure BDA0003265978320000051
Figure BDA0003265978320000052
Figure BDA0003265978320000053
MQ1表示Q1道路上车辆数，
Figure BDA0003265978320000061
表示Q1道路上所有车辆之间的间距和，
Figure BDA0003265978320000062
表示Q1道路上所有车辆是否载物取值之和，IOQ1表示Q1道路上车辆驶入驶出状态信息；mQ2表示Q2道路上车辆数，
Figure BDA0003265978320000063
表示Q2道路上所有车辆之间的间距和，
Figure BDA0003265978320000064
表示Q2道路上所有车辆是否载物取值之和，IOQ2表示Q2道路上车辆驶入驶出状态信息；mQ3表示Q3道路上车辆数，
Figure BDA0003265978320000065
表示Q3道路上所有车辆之间的间距和，
Figure BDA0003265978320000066
表示Q3道路上所有车辆是否载物取值之和，IOQ3表示Q3道路上车辆驶入驶出状态信息。
3)通行决策模块将车辆感知模块提取的信息作为输入变量，执行路口车辆通行决策模型，并输出各分支道路车辆队列的通行顺序；包括：
首先，考虑作业区域现有的作业车辆总数和进入进出作业区域的作业数量，以作业区域正常运转下的车辆容纳数量作为约束，选取Num＝80，P＝100：
Figure BDA0003265978320000067
一般约束条件成立，然后，取γ1＝0.3，γ2＝0.4，γ3＝0.3，a＝0.35，计算各分支道路通行效益值：
Figure BDA0003265978320000068
Figure BDA0003265978320000069
Figure BDA00032659783200000610
确定初步计划通行队列的通行次序：
Figure BDA00032659783200000611
进一步的，若处于规划通行任务的车辆在执行通行任务时，有新来车辆加入到各分支道路队列中，新来车辆都将纳入下一次通行任务规划的考虑范围内，具体地：
如果单次规划的通行任务完成时间小于或等于Tinterval，则车辆通行决策系统将在Ttotal时刻开启新一轮的通行顺序决策规划，即执行步骤S1-S5，为新来的车辆队列进行通行顺序规划；
Figure BDA0003265978320000071
其中，Tinterval为自定义单次通行顺序规划任务的执行时间，一般可取5分钟，Ttotal为单次规划通行任务需要耗用的时间，tQi表示第i个分支道路队列完成通行任务耗用的时间。
如果单次规划的通行任务完成时间超过Tinterval，车辆通行决策系统将在时间达到Tinterval时关闭所有分支队列的通行许可信号，为当前未完成通行任务的车辆和新来的车辆建立新的队列信息，并且纳入下一次通行顺序决策规划之中。
Figure BDA0003265978320000072
最后，求解矿区路口各分支道路上计划通行队列的通行次序：
4)指示灯模块接收并读取通行决策模块的输出结果，根据通行顺序触发相应分支道路上的许可/禁止通行信号；
5)在确定所有的计划通行车辆完成路口通行任务后，矿区路口车辆通行决策系统结束此次任务。
本实施例中矿区路口车辆通行指示信号如图3所示，当分支道路Q3上的队列分配给许可通行信号时，以对号表示；分支道路Q1和Q2被分配禁止通行信号，以叉号表示。
最后应说明的是：以上仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照具体实施方式对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各具体实施方式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脱离本发明具体实施方式技术方案的精神与范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种矿区路口车辆通行决策系统，其特征在于，所述矿区路口车辆为完成信息注册的矿区内作业车辆，所述决策系统布设在矿区的交叉路口处，为所有分支路的通行车辆提供通行指示信息；包含车辆感知模块、通行决策模块和指示灯模块；
所述车辆感知模块检测各个分支道路上计划通行的队列信息，通行决策模块接收车辆感知模块采集的信息，并且以此作为输入执行内置的车辆通行顺序决策模型，所述指示灯模块根据通行决策模块的输出结果，对相应分支道路上的车辆队列发出许可或者禁止通行信号。
2.根据权利要求1所述的一种矿区路口车辆通行决策系统，其特征在于，所述车辆感知模块采集各个分支道路上计划通行的队列图像，并提取出通行车辆数量、队列长度、队列内车辆载物情况以及车辆驶入驶离作业区域状态信息。
3.根据权利要求1所述的一种矿区路口车辆通行决策系统，其特征在于，所述通行决策模块以车辆感知模块提取信息作为输入变量，以作业区域正常运转下的车辆容纳数量作为约束，以各分支道路的目标效益值递减序列作为输出结果。
4.根据权利要求1-3任一项所述的一种矿区路口车辆通行决策方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、矿区作业车辆驶近交叉路口时，车辆感知模块检测各个分支道路上计划通行的队列信息；
S2、通行决策模块接收车辆感知模块采集的信息，并且以此作为输入执行内置的车辆通行顺序决策模型，通行顺序决策模型以车辆感知模块提取信息作为输入变量，判断矿区路口车辆是否满足一般约束条件，分别对满足一般约束条件和不满足一般约束条件下各分支道路的目标效益值递减序列作为输出结果；
S3、指示灯模块根据通行决策模块的输出结果，对相应分支道路上的车辆队列发出许可或者禁止通行信号；
S4、各分支道路上的作业车辆依据矿区交叉路口的指示灯显示信息，按要求选择继续通过交叉口或是暂停前行；
S5、若处于规划通行任务的车辆在执行通行任务时，有新来车辆加入到各分支道路队列中，新来车辆都将纳入下一次通行任务规划的考虑范围内。
5.根据权利要求4所述的一种矿区路口车辆通行决策方法，其特征在于，所述步骤S2中一般约束条件为：
Figure FDA0003265978310000021
Figure FDA0003265978310000022
其中，Num表示矿区作业区域内现有的作业车辆数量，P表示矿区作业区域在正常运转条件下可容纳的最大作业车辆数量,mj表示各分支道路上队列中的车辆总数，车辆队列驶入时，r取0值；车辆队列驶出时，r取1值。
6.根据权利要求4所述的一种矿区路口车辆通行决策方法，其特征在于，在满足一般约束条件的前提下，通行决策模块继续执行效益函数计算式和输出结果表达式：
效益函数计算式：
Figure FDA0003265978310000023
其中，di，i+1表示队列中第i辆车和第i+1辆车的间距，wi表示作业车辆是否载物，IOQn表示第n条分支道路上计划通行车辆队列的驶入驶出状态，m表示分支道路上队列中的车辆数量，γ1、γ2和γ3分别代表车辆队列长度、车辆载物情况和驶入驶出状态的权重系数，γ1+γ2+γ3＝1其中：
Figure FDA0003265978310000024
wi取1表明队列中第i辆车装载了物体，wi取0表明队列中第i辆车没有装载物体；
Figure FDA0003265978310000025
IOQn表示分支道路上车辆队列在驶入状态时取a，在驶出状态时取1-a；
输出结果表达式：
Pass_order＝Decrease{BQ1，BQ2，…，BQn}
其中，BQn代表第n条分支道路的效益函数值，Decrease表示将各分支道路的效益函数值按递减顺序排列，Pass_order表示最终的队列通行次序。
7.根据权利要求4所述的一种矿区路口车辆通行决策方法，其特征在于，在不满足一般约束的条件下，表明矿区作业区域内的作业车辆数量已经达到饱和，则优先许可作业车辆驶出作业区域以保证作业正常运转；
计算效益函数：
Figure FDA0003265978310000031
输出通行次序：
Pass_order＝Decrease{IOQ1，IOQ2，…，IOQn}。
8.根据权利要求4所述的一种矿区路口车辆通行决策方法，其特征在于，所述步骤S3中，指示灯模块按位读取队列通行次序，在分配给第一顺序的分支道路许可通行信号时，分配给其他分支道路禁止通行信号；在第一顺序的分支道路队列完成通行任务后，接着分配给第二顺序的分支道路许可通行信号，分配其他分支道路禁止通行信号；以此类推，直到所有分支道路上的作业车辆队列完成通行任务。
9.根据权利要求4所述的一种矿区路口车辆通行决策方法，其特征在于，所述步骤S4中，依据指示信号选择停止前行的车辆队列有义务让出足够道路空间或行驶至路边临时停放区以辅助许可通行车辆完成通行任务。
10.根据权利要求4所述的一种矿区路口车辆通行决策方法，其特征在于，所述步骤S5中，对于在自定义通行任务执行时间内未完成通行任务的各队列车辆，都会被车辆通行决策系统纳入下一次通行任务规划之中；若处于规划通行顺序的车辆在执行通行任务时，有新来车辆加入到各分支道路队列中，新来车辆都将纳入下一次通行任务规划的考虑范围内。
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