CN113971881B - 一种高速公路自动驾驶专用车道设置决策方法 - Google Patents

一种高速公路自动驾驶专用车道设置决策方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种高速公路自动驾驶专用车道设置决策方法，包括以下步骤：S1、在高速公路上，随机选取平直路段作为测试段，选取交通高峰作为研究时段；S2、实测得到人类驾驶车辆、单车智能自动驾驶车辆及车路协同自动驾驶汽车的占有率和饱和车头时距；S3、计算得到人机混驾交通流在高速公路测试段的通行能力C；S4、构建一个以通行能力C为因变量，并求得该函数的海森矩阵；S5、得到C在定义域内的凹凸性；S6、对高速公路自动驾驶专用车道设置与否做出决策。S7、对高速公路自动驾驶专用车道的类型做出决策。本发明为高速公路设置自动驾驶专用车道提供了一种科学的决策方法，同时该方法具有简明易操作的优点。

Description

一种高速公路自动驾驶专用车道设置决策方法
技术领域
本发明涉及车路联网与自动驾驶交通设计的技术领域，尤其是涉及一种高速公路自动驾驶专用车道设置决策方法。
背景技术
断面是道路的基本要素，断面设计是交通设计、规划与管理中基础内容。随着自动驾驶车辆的普及，亟需回答“建不建自动驾驶专用车道”和“建多少条自动驾驶专用车道”的问题。现有的技术中，交通设计是面向人类驾驶车辆的，因此，提出一种高速公路自动驾驶专用车道设置决策方法，以指导合理、经济地设置自动驾驶专用车道，具有重要的理论意义与工程价值。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，提供一种简明易操作的科学的高速公路自动驾驶专用车道设置决策方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种高速公路自动驾驶专用车道设置决策方法，包括以下步骤：
S1、在作为研究对象的高速公路上，随机选取平直路段作为测试段，选取交通高峰作为研究时段；
S2、在测试段内实测得到人类驾驶车辆、单车智能自动驾驶车辆及车路协同自动驾驶车辆的占有率PHV、PAV与PCAV和饱和车头时距hHV、hAV与hCAV；
S3、通过计算得到人机混驾交通流在高速公路测试段的通行能力C；
S4、构建一个以所述通行能力C为因变量、以所述单车智能自动驾驶车辆及所述车路协同自动驾驶汽车的占有率PAV、PCAV为自变量的二元函数C(PAV,PCAV)，并求得该函数的海森矩阵，即：Hessian Matrix；
S5、根据二元函数凹凸性的判定法则，得到所述二元函数C(PAV,PCAV)在定义域内的凹凸性；
S6、以所述二元函数C(PAV,PCAV)的凹凸性，对高速公路自动驾驶专用车道设置与否做出决策；
S7、匹配自动驾驶车辆的交通流量与自动驾驶专用车道的通行能力，对高速公路自动驾驶专用车道的类型做出决策。
按上述方案，所述步骤S1包括以下步骤：
S101、所述测试段，高速公路的纵坡不大于4％，圆曲线的半径不小于800m；
S102、所述研究时段，选择早高峰7:00～8:00或晚高峰17:00～18:00。
按上述方案，所述步骤S2包括以下步骤：
S201、在所述研究时段内，在所述测试段内设立一个基准断面，按照车辆类型，即人类驾驶车辆HV、单车智能自动驾驶车辆AV与车路协同自动驾驶车辆CAV统计1小时内通过基准断面的车辆数VHV、VAV和VCAV；
S202、用下列公式计算HV、AV与CAV的占有率，分别为：
Figure GDA0003635274850000021
Figure GDA0003635274850000022
Figure GDA0003635274850000023
式中，PHV、PAV与PCAV分别为HV、AV与CAV的占有率；
S203、对观测的VHV台HV、VAV台AV、VCAV台CAV，记录每一辆HV、AV和CAV通过基准断面时与前车的车头时距
Figure GDA0003635274850000024
和
Figure GDA0003635274850000025
S204、用下列公式计算HV、AV与CAV的饱和车头时距，分别为：
Figure GDA0003635274850000026
Figure GDA0003635274850000027
Figure GDA0003635274850000028
式中，hHV、hAV与hCAV分别为HV、AV与CAV的饱和车头时距。
按上述方案，所述步骤S3包括以下内容：
用下列公式计算人机混驾交通流在高速公路测试段的通行能力C：
Figure GDA0003635274850000031
按上述方案，所述步骤S4包括以下步骤：
S401、构建以所述通行能力C为因变量、以单车智能自动驾驶车辆及车路协同自动驾驶汽车的占有率PAV、PCAV为自变量的二元函数C(PAV,PCAV)；
S402、用下列公式求得该函数的海森矩阵，即：Hessian Matrix：
Figure GDA0003635274850000032
按上述方案，所述步骤S5包括以下步骤：
S501、设定如下三个记号：
Figure GDA0003635274850000033
Figure GDA0003635274850000034
Figure GDA0003635274850000035
S502、用下列公式判断C(PAV,PCAV)的凹凸性：
若AC-B2≥0，且A>0，则C(PAV,PCAV)为凹函数；
若AC-B2≥0，且A<0，则C(PAV,PCAV)为凸函数；
若AC-B2<0，则C(PAV,PCAV)的凹凸性无法判定。
按上述方案，所述步骤S6包括以下步骤：
S601、若C(PAV,PCAV)为凹函数，应在作为研究对象的高速公路上，设置自动驾驶车辆专用车道；
S602、若C(PAV,PCAV)为凸函数，不应在作为研究对象的高速公路上，设置自动驾驶车辆专用车道。
按上述方案，所述步骤S7包括以下步骤：
S701、用以下公式计算得到，一条高速公路自动驾驶专用车道的通行能力为：
Figure GDA0003635274850000036
式中：Ce为一条高速公路自动驾驶专用车道的通行能力；P′AV为在自动驾驶专用车道内，单车智能自动驾驶车辆AV的比例；P′CAV为在自动驾驶专用车道内，车路协同自动驾驶车辆CAV的比例；
S702、用以下公式计算得到，作为研究对象的高速公路上，设置自动驾驶专用车道的数目为：
Figure GDA0003635274850000041
式中，ne为设置自动驾驶专用车道的数目；TRUNC(x)为数字截尾取整函数；
S703、若满足下式条件，则在自动驾驶专用车道的基础上，加设1条人类驾驶车辆与自动驾驶车辆的合用车道，其余的车道全部为人类驾驶专用车道：
Figure GDA0003635274850000042
S704、若满足下式条件，则在自动驾驶专用车道的基础上，其余的车道全部为人类驾驶专用车道：
Figure GDA0003635274850000043
实施本发明的高速公路自动驾驶专用车道设置决策方法，具有以下有益效果：
1、本发明以人机混驾交通流为设计交通流，不仅仅考虑人类驾驶车辆，也考虑了自动驾驶车辆。
2、本发明考虑了自动驾驶车辆的不同制式，将自动驾驶车辆分为单车智能自动驾驶车辆AV与车路协同自动驾驶车辆CAV两大类。
3、本发明提出了一种基于通行能力二元函数的海森矩阵的决策方法，若该函数为凹函数，则设置自动驾驶车辆专用车道；反之，若该函数为凸函数，则不设置自动驾驶车辆专用车道。
4、本发明提出了一种匹配自动驾驶车辆的交通流量与自动驾驶专用车道的通行能力，来决策高速公路自动驾驶专用车道的类型，包含自动驾驶专用车道，人类驾驶车辆与自动驾驶车辆的合用车道、人类驾驶专用车道。
附图说明
图1为高速公路自动驾驶专用车道设置决策流程图；
图2为高速公路自动驾驶专用车道类型示意图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
如图1-2所示，本发明的高速公路自动驾驶专用车道设置决策方法，包括以下步骤：
S1、在作为研究对象的高速公路上，随机选取10Km的平直路段作为测试段，选取交通高峰的1个小时作为研究时段；具体包括以下步骤：
S101、测试段的选取，应保证高速公路纵坡不大于4％，圆曲线半径不小于800m；
S102、研究时段的选取，宜选择为早高峰7:00～8:00或晚高峰17:00～18:00。
S2、在测试段内实测得到人类驾驶车辆、单车智能自动驾驶车辆及车路协同自动驾驶车辆的占有率PHV、PAV与PCAV和饱和车头时距hHV、hAV与hCAV；具体包括以下步骤：
S201、在研究时段内，在测试段内设立一个基准断面，按照车辆类型，即人类驾驶车辆(HV)、单车智能自动驾驶车辆(AV)与车路协同自动驾驶车辆(CAV)统计1小时内通过基准断面的车辆数VHV、VAV和VCAV；
S202、用下列公式计算HV、AV与CAV的占有率，分别为：
Figure GDA0003635274850000051
Figure GDA0003635274850000052
Figure GDA0003635274850000053
式中，PHV、PAV与PCAV分别为HV、AV与CAV的占有率；
S203、对观测的VHV台HV、VAV台AV和VCAV台CAV，记录每一辆HV、AV和CAV通过基准断面时与前车的车头时距
Figure GDA0003635274850000054
和
Figure GDA0003635274850000055
S204、用下列公式计算HV、AV与CAV的饱和车头时距，分别为：
Figure GDA0003635274850000056
Figure GDA0003635274850000057
Figure GDA0003635274850000058
式中，hHV、hAV与hCAV分别为HV、AV与CAV的饱和车头时距。
S3、计算得到人机混驾交通流在高速公路测试段的通行能力C；具体包括以下内容：
用下列公式计算人机混驾交通流在高速公路测试段的通行能力C：
Figure GDA0003635274850000061
S4、构建一个以通行能力C为因变量、以单车智能自动驾驶车辆及车路协同自动驾驶汽车的占有率PAV、PCAV为自变量的二元函数C(PAV,PCAV)，并求得该函数的海森矩阵(Hessian Matrix)；具体包括以下步骤：
S401、构建一个以通行能力C为因变量、以单车智能自动驾驶车辆及车路协同自动驾驶汽车的占有率PAV、PCAV为自变量的二元函数C(PAV,PCAV)；
S402、用下列公式求得该函数的海森矩阵(Hessian Matrix)：
Figure GDA0003635274850000062
S5、根据二元函数凹凸性的判定法则，得到C(PAV,PCAV)在定义域内的凹凸性；具体包括以下步骤：
S501、设定如下三个记号：
Figure GDA0003635274850000063
Figure GDA0003635274850000064
Figure GDA0003635274850000065
S502、用下列公式判断C(PAV,PCAV)的凹凸性：
若AC-B2≥0，且A>0，则C(PAV,PCAV)为凹函数；
若AC-B2≥0，且A<0，则C(PAV,PCAV)为凸函数；
若AC-B2<0，则C(PAV,PCAV)的凹凸性无法判定。
S6、以C(PAV,PCAV)的凹凸性，对高速公路自动驾驶专用车道设置与否做出决策；具体包括以下步骤：
S601、若C(PAV,PCAV)为凹函数，应在作为研究对象的高速公路上，设置自动驾驶车辆专用车道；
S602、若C(PAV,PCAV)为凸函数，不应在作为研究对象的高速公路上，设置自动驾驶车辆专用车道。
S7、匹配自动驾驶车辆的交通流量与自动驾驶专用车道的通行能力，对高速公路自动驾驶专用车道的类型做出决策；具体包括以下步骤：
S701、用以下公式计算得到，一条高速公路自动驾驶专用车道的通行能力为：
Figure GDA0003635274850000071
式中：Ce为一条高速公路自动驾驶专用车道的通行能力；P′AV为在自动驾驶专用车道内，单车智能自动驾驶车辆(AV)的比例；P′CAV为在自动驾驶专用车道内，车路协同自动驾驶车辆(CAV)的比例；
S702、用以下公式计算得到，作为研究对象的高速公路上，应设置自动驾驶专用车道的数目为：
Figure GDA0003635274850000072
式中，ne为应设置自动驾驶专用车道的数目；TRUNC(x)为数字截尾取整函数，如TRUNC(3.1)＝3，TRUNC(4.8)＝4；
S703、若满足下式条件，则在自动驾驶专用车道的基础上，需加设1条人类驾驶车辆与自动驾驶车辆的合用车道，其余的车道全部为人类驾驶专用车道：
Figure GDA0003635274850000073
S704、若满足下式条件，则在自动驾驶专用车道的基础上，其余的车道全部为人类驾驶专用车道：
Figure GDA0003635274850000074

Claims (4)

1.一种高速公路自动驾驶专用车道设置决策方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、在作为研究对象的高速公路上，随机选取平直路段作为测试段，选取交通高峰作为研究时段；
S2、在测试段内实测得到人类驾驶车辆、单车智能自动驾驶车辆及车路协同自动驾驶车辆的占有率PHV、PAV与PCAV和饱和车头时距hHV、hAV与hCAV；
S3、通过计算得到人机混驾交通流在高速公路测试段的通行能力C；
S4、构建一个以所述通行能力C为因变量、以所述单车智能自动驾驶车辆及所述车路协同自动驾驶汽车的占有率PAV、PCAV为自变量的二元函数C(PAV，PCAV)，并求得该函数的海森矩阵，即：Hessian Matrix；
所述步骤S4包括以下步骤：
S401、构建以所述通行能力C为因变量、以单车智能自动驾驶车辆及车路协同自动驾驶汽车的占有率PAV、PCAV为自变量的二元函数C(PAV，PCAV)；
S402、用下列公式求得该函数的海森矩阵，即：Hessian Matrix：
Figure FDA0003660840070000011
S5、根据二元函数凹凸性的判定法则，得到所述二元函数C(PAV，PCAV)在定义域内的凹凸性；所述步骤S5包括以下步骤：
S501、设定如下三个记号：
Figure FDA0003660840070000012
Figure FDA0003660840070000013
Figure FDA0003660840070000014
S502、用下列公式判断C(PAV，PCAV)的凹凸性：
若AC-B2≥0，且A＞0，则C(PAV，PCAV)为凹函数；
若AC-B2≥0，且A＜0，则C(PAV，PCAV)为凸函数；
若AC-B2＜0，则C(PAV，PCAV)的凹凸性无法判定；
S6、以所述二元函数C(PAV，PCAV)的凹凸性，对高速公路自动驾驶专用车道设置与否做出决策；所述步骤S6包括以下步骤：
S601、若C(PAV，PCAV)为凹函数，应在作为研究对象的高速公路上，设置自动驾驶车辆专用车道；
S602、若C(PAV，PCAV)为凸函数，不应在作为研究对象的高速公路上，设置自动驾驶车辆专用车道；
S7、包括以下步骤：
S701、用以下公式计算得到，一条高速公路自动驾驶专用车道的通行能力为：
Figure FDA0003660840070000021
式中：Ce为一条高速公路自动驾驶专用车道的通行能力；P′AV为在自动驾驶专用车道内，单车智能自动驾驶车辆AV的比例；P′CAV为在自动驾驶专用车道内，车路协同自动驾驶车辆CAV的比例；
S702、用以下公式计算得到，作为研究对象的高速公路上，设置自动驾驶专用车道的数目为：
Figure FDA0003660840070000022
式中，ne为设置自动驾驶专用车道的数目；TRUNC(x)为数字截尾取整函数；
S703、若满足下式条件，则在自动驾驶专用车道的基础上，加设1条人类驾驶车辆与自动驾驶车辆的合用车道，其余的车道全部为人类驾驶专用车道：
Figure FDA0003660840070000023
S704、若满足下式条件，则在自动驾驶专用车道的基础上，其余的车道全部为人类驾驶专用车道：
Figure FDA0003660840070000024
2.根据权利要求1所述的一种高速公路自动驾驶专用车道设置决策方法，其特征在于，所述步骤S1包括以下步骤：
S101、所述测试段，高速公路的纵坡不大于4％，圆曲线的半径不小于800m；
S102、所述研究时段，选择早高峰7：00～8：00或晚高峰17：00～18：00。
3.根据权利要求1所述的一种高速公路自动驾驶专用车道设置决策方法，其特征在于，所述步骤S2包括以下步骤：
S201、在所述研究时段内，在所述测试段内设立一个基准断面，按照车辆类型，即人类驾驶车辆HV、单车智能自动驾驶车辆AV与车路协同自动驾驶车辆CAV统计1小时内通过基准断面的车辆数VHV、VAV和VCAV；
S202、用下列公式计算HV、AV与CAV的占有率，分别为：
Figure FDA0003660840070000031
Figure FDA0003660840070000032
Figure FDA0003660840070000033
式中，PHV、PAV与PCAV分别为HV、AV与CAV的占有率；
S203、对观测的VHV台HV、VAV台AV、VCAV台CAV，记录每一辆HV、AV和CAV通过基准断面时与前车的车头时距
Figure FDA0003660840070000034
和
Figure FDA0003660840070000035
S204、用下列公式计算HV、AV与CAV的饱和车头时距，分别为：
Figure FDA0003660840070000036
Figure FDA0003660840070000037
Figure FDA0003660840070000038
式中，hHV、hAV与hCAV分别为HV、AV与CAV的饱和车头时距。
4.根据权利要求3所述的一种高速公路自动驾驶专用车道设置决策方法，其特征在于，所述步骤S3包括以下内容：
用下列公式计算人机混驾交通流在高速公路测试段的通行能力C：
Figure FDA0003660840070000039
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