CN113990106A - 一种高速公路车道分配系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高速公路车道分配系统，系统包括需求交互模块、信息库模块和车道分配模块。需求交互模块用于与需求端交互，收集每一辆即将驶入高速公路车辆的进出口需求信息、发送最优行驶车道给相应车辆、接受车辆地理位置、速度和所在车道的实时状态更新。信息库模块包括车辆状态更新子模块、需求统计子模块和车道路段信息子模块。车道分配模块用于求解系统最少换道车道分配模型，周期性更新车道分配方案。本发明从最少换道时长的系统角度分配车辆的行驶车道，以减少车辆在高速公路上的频繁换道，提高高速公路的运行效率和安全性。

Description

一种高速公路车道分配系统

技术领域

本发明属于智能交通以及车路协同领域。

背景技术

车辆在高速公路行驶过程中，主要行车风险是车辆的随意变道，在隧道、匝道等变道多发地段，事故频发。因此采用一定的技术手段规范高速公路上的行车变道行为，使车辆在行驶过程中尽量减少变道，可提高行驶安全和效率。

目前在智能交通领域，车载设备、交通感知设备、车辆网联、交通基础设施数字化、实时通信等技术发展迅猛。高速公路具有全封闭和立体交叉的特性，运行模式相对城市道路较简单，随着智能网联汽车关键技术的不断突破，自动驾驶或车路协同技术最可能在高速公路上得到实现。因此当使用高速公路的车辆具有网联功能或者驾驶员通过移动终端获取管理端信息时，可以从整个高速公路系统最优出发，以较少变道降低变道延误为目的，为高速公路车辆分配车道行驶，在车道级别上对高速公路车辆实现通行引导，使高速公路交通更加高效、安全。

目前，关于车道资源分配技术中，沈传亮等人发布的《一种基于车路协同的车道动态分配系统及其控制方法》针对单侧道路拥堵问题，提出了一种利用对侧方向车道的动态分配系统；席广恒等人发布的《一种多车道高速公路车道资源实时优化配置方法》则是实时采集和分析不同车型的流量数据，采取相应的车速限速和客货分离措施达到高速公路车道资源实时分配和控制。但现有研究和车道资源分配技术没有从降低变道率的角度系统分配车道资源，未降低车辆行驶过程中不停变道所带来的安全风险。

发明内容

发明目的：为了解决上述现有技术存在的问题，本发明提供了一种高速公路车道分配系统。

本发明技术方案：本发明所述高速公路车道分配系统包括：需求交互模块、信息库模块、车道分配模块。其中，需求交互模块用于与包含车载系统或移动端在内的需求端进行交互，接受每一辆即将驶入高速公路车辆的进出口需求信息、发送最优行驶车道给相应车辆、接受车辆地理位置、速度和所在车道的实时状态更新。信息库模块包括车辆状态更新子模块、需求统计子模块和车道路段信息子模块。在车辆状态更新子模块中，存储并更新当前行驶在高速公路上车辆的状态，包括驶入匝道编号、进入时间、实时位置、速度等信息；在需求统计子模块中统计在各个周期内的驶入驶出需求；在车道路段信息子模块中统计各个周期内车辆驶入驶出该车道路段的平均速度、流量信息。

车道分配模块求解最少换道时长车道分配模型，周期性更新车道分配方案。车道分配模型使用如下方式表示高速公路：i、j表示车辆的高速公路起讫匝道入口编号，高速公路起点编号为i＝0，入口总数使用K₁表示，出口总数使用K₂表示；l表示每个车道的编号，l＝1为最右侧车道，L为车道总数，也是最左侧车道编号；以每个入口匝道与高速公路相接的横断面划分路段，每个路段包含一个入口匝道和一个出口匝道，k＝1，2，…，K为各路段编号，t为时间段编号，h为车道分配方案的更新周期(分钟)。

车道分配方法中车道分配模型为线性优化模型，以最少换道时长为目标函数，约束条件之一为同一入口驶入车辆，其出口越远所使用的车道越靠左，约束条件之二为分配到各车道路段的车辆不能超过其通行能力。以p_i，j(t)表示t时间段为起终点分别为i、j的需求分配的车道编号；对应于p_i，j(t)，引入0-1变量，

表示是否为起终点分别为i、j的需求分配车道l；N_i，j(t)表示在t时间段的推算需求量；f_l，k(t)表示在t时间段通过k路段l车道上的流量；γ_l和λ_l分别表示车辆驶入目标车道l时和从l车道驶出高速所需的换道时长(秒)，可通过调查方式获得。车道分配模型表示如下：

求解步骤包括：

(1)从信息库模块中提取各车辆的驶入时间数据，统计在t-1时间段进入高速公路的需求，表示为D_i，j(t-1)，并根据下式推算t时间段的进出口需求量N_i，j(t)：N_i，j(t)＝A_{i， j}D_i，j(t-1)+u_i，j，式中A_i，j和u_i，j为参数，根据历史数据采用线性插值等方法进行标定。

(2)根据信息库模块中各时间段驶入高速公路的需求数据，使用下式推算f_l，k(t)：

其中τ_i，k表示从起点i到路段k起点所需行驶时长与预设的方案更新周期h的比值，[τ_i，k]⁺表示下一个时间段编号，[τ_i，k]^-表示上一个时间段编号。从起点i到路段k起点所需行驶时长可以通过历史数据获得，也可以根据信息库模块获得实时时长。

在以上参数更新的基础上，进一步地采用动态规划或遗传算法等算法求分配模型，得到车道分配方案。

有益效果：本发明针对车辆在高速公路上换道次数过多影响高速公路运行安全和效率问题，通过引入车道分配模型，提出了在网联环境下通过系统分配车道的系统和相应方法，以最大程度地规范换道行为。通过本发明的实施，可极大提高高速公路的运行效率和安全性。

附图说明

图1是本发明的车道分配系统组成图。

图2是需求交互模块工作流程图。

图3是车道分配模型中高速公路表示示意图。

具体实施方式

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

本实施例提供了一种高速公路车道分配系统，如图1所示，包括需求交互模块、信息库模块和车道分配模块。

需求交互模块用于与包含车载系统或移动端在内的需求端进行交互，接受每一辆即将驶入高速公路车辆的进出口需求信息、发送最优行驶车道给相应车辆、接受车辆地理位置、速度和所在车道的实时状态更新。其工作流程如图2所示。

信息库模块包括车辆状态更新子模块、需求统计子模块和车道路段信息子模块。在车辆状态更新子模块中，存储并更新当前行驶在高速公路上车辆的状态，包括驶入匝道编号、进入时间、实时位置、速度等信息；在需求统计子模块中统计在各个周期内的驶入驶出需求；在车道路段信息子模块中统计各个周期内车辆驶入驶出该车道路段的平均速度、流量信息。

车道分配模块求解最少换道时长车道分配模型，周期性更新车道分配方案。

车道分配模型使用如下方式表示高速公路，如图3所示：i、j表示车辆的高速公路起讫匝道入口编号，高速公路起点编号为i＝0，入口总数使用K₁表示，出口总数使用K₂表示；l表示每个车道的编号，l＝1为最右侧车道，L为车道总数，也是最左侧车道编号；以每个入口匝道与高速公路相接的横断面划分路段，每个路段包含一个入口匝道和一个出口匝道，k＝1，2，…，K为各路段编号，t为时间段编号，h为车道分配方案的更新周期(分钟)。

车道分配方法中车道分配模型为线性优化模型，以最少换道时长为目标函数，约束条件之一为同一入口驶入车辆，其出口越远所使用的车道越靠左，约束条件之二为分配到各车道路段的车辆不能超过其通行能力。以p_i，j(t)表示t时间段为起终点分别为i、j的需求分配的车道编号；对应于p_i，j(t)，引入0-1变量

表示是否为起终点分别为i、j的需求分配车道l；N_i，j(t)表示在t时间段的推算需求量；f_l，k(t)表示在t时间段通过k路段l车道上的流量；γ_l和λ_l分别表示车辆驶入目标车道l时和从l车道驶出高速所需的换道时长(秒)，可通过调查方式获得。车道分配模型表示如下：

在该模型中，i、j分别表示车辆的高速公路起、讫匝道编号，m为起讫匝道编号中的某个编号，高速公路起点编号为i＝0，入口总数使用K₁表示，出口总数使用K₂表示；l表示每个车道的编号，l＝1为最右侧车道，L为车道总数，也是最左侧车道编号；以每个入口匝道与高速公路相接的横断面划分路段，每个路段包含一个入口匝道和一个出口匝道，k＝1，2，...，K为各路段编号；q_l，k表示k路段l车道的通行能力；t为时间段编号，h为车道分配方案的更新周期，p_i，j(t)表示t时间段为起终点分别为i、j的需求分配的车道编号；

对应于p_i，j(t)，为0-1变量，表示是否为起终点分别为i、j的需求分配车道l；N_i，j(t)表示在t时间段的推算从i入口至j出口的需求量；f_l，k(t)表示在t时间段通过k路段l车道上的流量；γ_l和λ_l分别表示车辆驶入目标车道l时和从l车道驶出高速所需的换道时长，可通过调查方式获得。

求解步骤包括：

(1)从信息库模块中提取各车辆的驶入时间数据，统计在t-1时间段进入高速公路的需求，表示为D_i，j(t-1)，并根据下式推算t时间段的进出口需求量N_i，j(t)：N_i，j(t)＝A_{i， j}D_i，j(t-1)+u_i，j，式中A_i，j和u_i，j为参数，根据历史数据采用线性插值等方法进行标定。

(2)根据信息库模块中各时间段驶入高速公路的需求数据，使用下式推算f_l，k(t)：

其中τ_i，k表示从起点i到路段k起点所需行驶时长与预设的方案更新周期h的比值，[τ_i，k]⁺表示下一个时间段编号，[τ_i，k]^-表示上一个时间段编号。从起点i到路段k起点所需行驶时长可以通过历史数据获得，也可以根据信息库模块获得实时时长。

(3)采用动态规划或遗传算法等算法求解车道分配模型，得到车道分配方案。

进一步地，一具有5入口和4出口的单向三车道高速公路，1车道、2车道、3车道通行能力分别为1800辆/h、2000辆/h、2400辆/h。车道分配方案的更新周期为h＝15min。

高速公路基本情况如下表1所示：

表1

在车道分配模型中，使用下列参数计算不同车道的汇入和驶出换道时长：λ₁＝0.35s，λ₂＝0.75s，λ₃＝1.25s，γ₁＝0.30s，γ₂＝0.70s，γ₃＝1.20s。

t+1时间段需求推算如下表2所示：

表2

(1)各车道路段流量均为0情况下，求解车道分配模型，得t+1时间段最优车道划分方案如下表3所示，表中数值为所分配的车道编号。

表3

(2)当高速公路部分路段已非常拥挤，各车道路段流量(veh/15min)如下表4。

表4

求解车道分配模型，得t+1时间段车道分配方案如表5为：

表5:

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (3)

1.一种高速公路车道分配系统，其特征在于，高速公路车道分配系统包括需求交互模块、信息库模块、车道分配模块；所述需求交互模块用于与包含车载系统或移动端在内的需求端进行交互，接受每一辆即将驶入高速公路车辆的进出口需求信息、发送最优行驶车道给相应车辆、接受车辆地理位置、速度和所在车道的实时状态更新；所述信息库模块包括车辆状态更新子模块、需求统计子模块和车道路段信息子模块；在车辆状态更新子模块中，存储并更新当前行驶在高速公路上车辆的状态，包括驶入匝道编号、进入时间、实时位置、速度信息；在需求统计子模块中统计在各个周期内的驶入驶出需求；在车道路段信息子模块中统计各个周期内车辆驶入驶出该车道路段的平均速度、流量信息；所述车道分配模块求解车道分配模型，周期性更新车道分配方案。

2.根据权利1所述的一种高速公路车道分配系统，其特征在于，所述车道分配模型为线性优化模型，以最少换道时长为目标函数，约束条件之一为同一入口驶入车辆，其出口越远所使用的车道越靠左，约束条件之二为分配到各车道路段的车辆不能超过其通行能力，车道分配模型表示如下：

在该模型中，i、j分别表示车辆的高速公路起、讫匝道编号，m为起讫匝道编号中的某个编号，高速公路起点编号为i＝0，入口总数使用K₁表示，出口总数使用K₂表示；l表示每个车道的编号，l＝1为最右侧车道，L为车道总数，也是最左侧车道编号；以每个入口匝道与高速公路相接的横断面划分路段，每个路段包含一个入口匝道和一个出口匝道，k＝1,2,…,K为各路段编号；q_l，k表示k路段l车道的通行能力；t为时间段编号，h为车道分配方案的更新周期，p_i，j(t)表示t时间段为起终点分别为i、j的需求分配的车道编号；

对应于p_i，j(t)，为0-1变量，表示是否为起终点分别为i、j的需求分配车道l；N_i，j(t)表示在t时间段的推算从i入口至j出口的需求量；f_l，k(t)表示在t时间段通过k路段l车道上的流量；γ_l和λ_l分别表示车辆驶入目标车道l时和从l车道驶出高速所需的换道时长，通过调查方式获得。

3.根据权利1所述的一种高速公路车道分配系统，其特征在于，所述车道分配模块中周期性更新车道分配方案的步骤如下：

步骤1：从信息库模块中提取各车辆的驶入时间数据，统计在t-1时间段进入高速公路的需求，表示为D_i，j(t-1)，并根据下式推算t时间段的进出口需求量N_i,j(t)：N_i,j(t)＝A_{i， j}D_i，j(t-1)+u_i，j，式中A_i,j和u_i,j为参数，根据历史数据采用线性插值等方法进行标定；

步骤2：根据信息库模块中各时间段驶入高速公路的需求数据，使用下式推算f_l，k(t)：

其中τ_i,k表示从起点i到路段k起点所需行驶时长与预设的方案更新周期h的比值，[τ_i,k]⁺表示下一个时间段编号，[τ_i,k]^-表示上一个时间段编号；从起点i到路段k起点所需行驶时长可以通过历史数据获得，也可以根据信息库模块获得实时时长；

步骤3：采用动态规划或遗传算法等算法求解车道分配模型，得到车道分配方案。

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