CN114241757A - 一种用于智能网联车辆的入口匝道协同汇流控制方法 - Google Patents

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CN114241757A CN202111500048.5A CN202111500048A CN114241757A CN 114241757 A CN114241757 A CN 114241757A CN 202111500048 A CN202111500048 A CN 202111500048A CN 114241757 A CN114241757 A CN 114241757A
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郑彭军
温亦晴
朱旖旎
马文卿
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Abstract

本发明公开了一种用于智能网联车辆的入口匝道协同汇流控制方法，利用先进的自动驾驶技术和无限通信技术，采用实时的智能网联车辆的状态信息对匝道汇流过程进行决策，中央控制器中预先设定受控车辆经过汇流点时所需的速度为vf、受控车辆i经过汇流点时所需的安全车头时距以及控制的时间步长为Δt，中央控制器基于智能网联车辆的状态信息的实时信息，对受控车辆从进入控制区域的初始时刻到通过汇流点的时刻过程中的轨迹进行优化，确定下一时刻受控车辆的状态信息，并控制受控车辆在下一时刻采用确定的下一时刻受控车辆的状态信息进行移动，直至受控车辆以速度vf通过汇流点，完成汇流；优点是能够减少交通冲突和能源消耗，提高交通流通行效率。

Description

一种用于智能网联车辆的入口匝道协同汇流控制方法
技术领域
本发明涉及一种入口匝道协同汇流控制方法，尤其是涉及一种用于智能网联车辆的入口匝道协同汇流控制方法。
背景技术
现有的高速公路入口匝道汇流控制方法是根据道路线圈检测器获取的交通流数据来计算匝道车辆的汇入数量，然后通过信号灯进行流量控制。但是，现有的高速公路入口匝道汇流控制方法仍存在交通冲突问题，从而引发主线道路的交通拥堵，同时智能网联车辆走走停停的行驶状态会造成过多的能源消耗。
随着近年来自动驾驶车辆技术和短程通信技术的发展，使得智能网联车辆之间以及智能网联车辆与道路基础设施之间能够实现实时通信，并且智能网联车辆能够达到更加精确的控制范围。
鉴此，设计一种能够减少交通冲突和能源消耗，提高交通流通行效率的用于智能网联车辆的入口匝道协同汇流控制方法具有重要意义。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种能够减少交通冲突和能源消耗，提高交通流通行效率的用于智能网联车辆的入口匝道协同汇流控制方法。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种基于智能网联车辆的入口匝道协同汇流控制方法，包括以下步骤：
步骤1、在高速公路主路和匝道汇入交叉的地方安装中央控制器，将匝道加速路段末端与高速公路主路相交的地方定义为汇流点，将高速公路主路距离汇流点为L的区域和匝道距离汇流点为L的区域定义为控制区域，L的取值范围为200～400m，将高速公路主路和匝道上进入控制区域的智能网联车辆定义为受控车辆，受控车辆进入控制区域后从自动驾驶模式切换至控制模式，中央控制器能够与受控车辆进行通信，控制受控车辆的驾驶；
步骤2、智能网联车辆进入控制区域时，从自动驾驶模式切换为控制模式，并通过DSRC通信网络向中央控制器发送其进入控制区域的时刻信息，中央控制器根据智能网联车辆进入控制区域的先后顺序，依次赋予控制区域中各受控车辆唯一的标识，将当前时刻记为t，将当前时刻t控制区域内的受控车辆数量记为N(t)，按照进入控制区域的先后顺序，N(t)辆受控车辆的标识依次为1～N(t)，即第i位进入控制区域的受控车辆为受控车辆i，将受控车辆i进入控制区域的时刻记为
Figure BDA0003401213490000021
步骤3、受控车辆i将当前时刻t的状态信息通过DSRC通信网络发送给中央控制器，其中状态信息包括位置信息pi(t)，速度信息vi(t)和加速度信息ai(t)，将控制区域的起始处位置信息记为0点，位置信息pi(t)为受控车辆i在当前时刻t所处位置与控制区域的起始处的距离；
步骤4、中央控制器设定受控车辆i经过汇流点时所需的速度为vf，vf的设定范围为20～25m/s；
步骤5、中央控制器设定受控车辆i经过汇流点时所需的安全车头时距为Th，Th的设定范围为2～3s；
步骤6、中央控制器设定控制的时间步长为Δt，Δt的取值为0.1s；
步骤7、中央控制器根据式(1)～(2)计算受控车辆i到达汇流点所需的时间Ti：
Figure BDA0003401213490000022
Ti＝T1+(i-1)×Th，i≠1 (2)
步骤8、中央控制器根据式(3)计算受控车辆i到达汇流点时的终点时刻
Figure BDA0003401213490000026
Figure BDA0003401213490000023
步骤9、中央控制器对受控车辆i从进入控制区域的初始时刻
Figure BDA0003401213490000024
到通过汇流点的时刻
Figure BDA0003401213490000025
过程中的轨迹进行优化，中央控制器计算当前时刻t优化车辆轨迹所需的参数信息c1～c6：
Figure BDA0003401213490000031
其中，e为自然对数基底，
Figure BDA0003401213490000032
为受控车辆i在通过汇流点时的位置信息，
Figure BDA0003401213490000033
Figure BDA0003401213490000034
为受控车辆i在通过汇流时的速度信息，
Figure BDA0003401213490000035
为受控车辆i在通过汇流点时的加速度信息，
Figure BDA0003401213490000036
步骤10、中央控制器计算受控车辆i在下一个时刻t+Δt的控制输入信息：
ui(t+Δt)＝c3et-c4e-t+c1 (6)
步骤11、中央控制器将计算得到的控制输入信号ui(t+Δt)通过DSRC网络发送给受控车辆i，受控车辆i根据控制输入信号ui(t+Δt)在t+Δt时刻将其自身状态信息调整为：
ai(t+Δt)＝ai(t)+ui(t+Δt)×Δt (7)
vi(t+Δt)＝vi(t)+ai(t+Δt)×Δt (8)
pi(t+Δt)＝pi(t)+vi(t+Δt)×Δt (9)
步骤12、受控车辆i将调整过的状态信息通过DSRC网络发送给中央控制器，状态信息包括位置信息pi(t+Δt)、速度信息vi(t+Δt)和加速度信息ai(t+Δt)；
步骤13、中央控制器通过DSRC网络接收受控车辆i在t+Δt时刻的状态信息，此时当前时刻t更新为t+Δt，继续循环步骤10～13，直至受控车辆i以速度vf通过汇流点；中央控制器在受控车辆i通过汇流点后放权，受控车辆i切换为自动驾驶模式，完成汇流。
与现有技术相比，本发明的优点在于利用先进的自动驾驶技术和无限通信技术，采用实时的智能网联车辆的状态信息对匝道汇流过程进行决策，中央控制器中预先设定受控车辆经过汇流点时所需的速度为vf、受控车辆i经过汇流点时所需的安全车头时距以及控制的时间步长为Δt，中央控制器基于智能网联车辆的状态信息的实时信息，对受控车辆从进入控制区域的初始时刻到通过汇流点的时刻过程中的轨迹进行优化，确定下一时刻受控车辆的状态信息，并控制受控车辆在下一时刻采用确定的下一时刻受控车辆的状态信息进行移动，直至受控车辆以速度vf通过汇流点，完成汇流，由此本发明能够在控制区域内减少因频繁加减速导致的交通波现象，降低能源消耗，使得匝道受控车辆能够平滑汇入高速车道主线受控车辆中，且设置的安全车头时距能够加强受控车辆之间的安全间距，在减少交通拥堵的同时，避免车辆汇流发生交通冲突，从而能有效提高交通流通行效率。
附图说明
图1为本发明的用于智能网联车辆的入口匝道协同汇流控制方法中高速公路主路和匝道汇入交叉口示意图；
图2为本发明的用于智能网联车辆的入口匝道协同汇流控制方法控制过程中智能网联车辆的汇入次序以及行驶轨迹图；
图3为本发明的用于智能网联车辆的入口匝道协同汇流控制方法控制过程中智能网联车辆的速度轨迹图；
图4为本发明的用于智能网联车辆的入口匝道协同汇流控制方法控制过程中智能网联车辆的加速度轨迹图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例：一种用于智能网联车辆的入口匝道协同汇流控制方法，包括以下步骤：
步骤1、如图1所示，在高速公路主路和匝道汇入交叉的地方安装中央控制器，将匝道加速路段末端与高速公路主路相交的地方定义为汇流点，将高速公路主路距离汇流点为L的区域和匝道距离汇流点为L的区域定义为控制区域，L的取值范围为200～400m，将高速公路主路和匝道上进入控制区域的智能网联车辆定义为受控车辆，受控车辆进入控制区域后从自动驾驶模式切换至控制模式，中央控制器能够与受控车辆进行通信，控制受控车辆的驾驶；
步骤2、智能网联车辆进入控制区域时，从自动驾驶模式切换为控制模式，并通过DSRC通信网络向中央控制器发送其进入控制区域的时刻信息，中央控制器根据智能网联车辆进入控制区域的先后顺序，依次赋予控制区域中各受控车辆唯一的标识，将当前时刻记为t，将当前时刻t控制区域内的受控车辆数量记为N(t)，按照进入控制区域的先后顺序，N(t)辆受控车辆的标识依次为1～N(t)，即第i位进入控制区域的受控车辆为受控车辆i，将受控车辆i进入控制区域的时刻记为
Figure BDA0003401213490000051
步骤3、受控车辆i将当前时刻t的状态信息通过DSRC通信网络发送给中央控制器，其中状态信息包括位置信息pi(t)，速度信息vi(t)和加速度信息ai(t)，将控制区域的起始处位置信息记为0点，位置信息pi(t)为受控车辆i在当前时刻t所处位置与控制区域的起始处的距离；
步骤4、中央控制器设定受控车辆i经过汇流点时所需的速度为vf，vf的设定范围为20～25m/s；
步骤5、中央控制器设定受控车辆i经过汇流点时所需的安全车头时距为Th，Th的设定范围为2～3s；
步骤6、中央控制器设定控制的时间步长为Δt，Δt的取值为0.1s；
步骤7、中央控制器根据式(1)～(2)计算受控车辆i到达汇流点所需的时间Ti：
Figure BDA0003401213490000052
Ti＝T1+(i-1)×Th，i≠1 (2)
步骤8、中央控制器根据式(3)计算受控车辆i到达汇流点时的终点时刻
Figure BDA0003401213490000053
Figure BDA0003401213490000054
步骤9、中央控制器对受控车辆i从进入控制区域的初始时刻
Figure BDA0003401213490000055
到通过汇流点的时刻
Figure BDA0003401213490000067
过程中的轨迹进行优化，中央控制器计算当前时刻t优化车辆轨迹所需的参数信息c1～c6：
Figure BDA0003401213490000061
其中，e为自然对数基底，
Figure BDA0003401213490000062
为受控车辆i在通过汇流点时的位置信息，
Figure BDA0003401213490000063
Figure BDA0003401213490000064
为受控车辆i在通过汇流时的速度信息，
Figure BDA0003401213490000065
为受控车辆i在通过汇流点时的加速度信息，
Figure BDA0003401213490000066
步骤10、中央控制器计算受控车辆i在下一个时刻t+Δt的控制输入信息：
ui(t+Δt)＝c3et-c4e-t+c1 (6)
步骤11、中央控制器将计算得到的控制输入信号ui(t+Δt)通过DSRC网络发送给受控车辆i，受控车辆i根据控制输入信号ui(t+Δt)在t+Δt时刻将其自身状态信息调整为：
ai(t+Δt)＝ai(t)+ui(t+Δt)×Δt (7)
vi(t+Δt)＝vi(t)+ai(t+Δt)×Δt (8)
pi(t+Δt)＝pi(t)+vi(t+Δt)×Δt (9)
步骤12、受控车辆i将调整过的状态信息通过DSRC网络发送给中央控制器，状态信息包括位置信息pi(t+Δt)、速度信息vi(t+Δt)和加速度信息ai(t+Δt)；
步骤13、中央控制器通过DSRC网络接收受控车辆i在t+Δt时刻的状态信息，此时当前时刻t更新为t+Δt，继续循环步骤10～13，直至受控车辆i以速度vf通过汇流点；中央控制器在受控车辆i通过汇流点后放权，受控车辆i切换为自动驾驶模式，完成汇流。
本实施例中，将高速公路入口匝道控制区域设置为300m，控制时间步长设置为0.1s，受控车辆最终通过汇流点的速度统一设定为20m/s，高速公路主线和入口匝道共有16辆智能网联车辆流入，其中高速公路主路有10辆智能网联车辆，进入控制区域的车速为24m/s，匝道有6辆智能网联车辆，进入控制区域的车速为16n/s。当智能网联车辆进入控制区域后，中央控制器采集智能网联车辆的位置、速度和加速度信息，并控制智能网联车辆的汇入次序以及行驶轨迹，其中，智能网联车辆的汇入次序以及行驶轨迹如图2所示，控制过程中智能网联车辆的的速度轨迹如图3，加速度轨迹如图4所示。分析图2-图4可知，本发明的用于智能网联车辆的入口匝道协同汇流控制方法充分利用了高速公路入口匝道交织区的通行能力，能够有效避免汇流处发生的交通冲突，使得智能网联车辆最终形成统一车速的队列依次通过汇流区域，有效降低智能网联车辆的能源消耗与减少智能网联车辆的行程时间。

Claims (1)

1.一种用于智能网联车辆的入口匝道协同汇流控制方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1、在高速公路主路和匝道汇入交叉的地方安装中央控制器，将匝道加速路段末端与高速公路主路相交的地方定义为汇流点，将高速公路主路距离汇流点为L的区域和匝道距离汇流点为L的区域定义为控制区域，L的取值范围为200～400m，将高速公路主路和匝道上进入控制区域的智能网联车辆定义为受控车辆，受控车辆进入控制区域后从自动驾驶模式切换至控制模式，中央控制器能够与受控车辆进行通信，控制受控车辆的驾驶；
步骤2、智能网联车辆进入控制区域时，从自动驾驶模式切换为控制模式，并通过DSRC通信网络向中央控制器发送其进入控制区域的时刻信息，中央控制器根据智能网联车辆进入控制区域的先后顺序，依次赋予控制区域中各受控车辆唯一的标识，将当前时刻记为t，将当前时刻t控制区域内的受控车辆数量记为N(t)，按照进入控制区域的先后顺序，N(t)辆受控车辆的标识依次为1～N(t)，即第i位进入控制区域的受控车辆为受控车辆i，将受控车辆i进入控制区域的时刻记为
Figure FDA0003401213480000011
步骤3、受控车辆i将当前时刻t的状态信息通过DSRC通信网络发送给中央控制器，其中状态信息包括位置信息pi(t)，速度信息vi(t)和加速度信息ai(t)，将控制区域的起始处位置信息记为0点，位置信息pi(t)为受控车辆i在当前时刻t所处位置与控制区域的起始处的距离；
步骤4、中央控制器设定受控车辆i经过汇流点时所需的速度为vf，vf的设定范围为20～25m/s；
步骤5、中央控制器设定受控车辆i经过汇流点时所需的安全车头时距为Th，Th的设定范围为2～3s；
步骤6、中央控制器设定控制的时间步长为Δt，Δt的取值为0.1s；
步骤7、中央控制器根据式(1)～(2)计算受控车辆i到达汇流点所需的时间Ti：
Figure FDA0003401213480000021
Ti＝T1+(i-1)×Th，i≠1 (2)
步骤8、中央控制器根据式(3)计算受控车辆i到达汇流点时的终点时刻
Figure FDA0003401213480000022
Figure FDA0003401213480000023
步骤9、中央控制器对受控车辆i从进入控制区域的初始时刻
Figure FDA0003401213480000024
到通过汇流点的时刻
Figure FDA0003401213480000025
过程中的轨迹进行优化，中央控制器计算当前时刻t优化车辆轨迹所需的参数信息c1～c6：
Figure FDA0003401213480000026
其中，e为自然对数基底，
Figure FDA0003401213480000027
为受控车辆i在通过汇流点时的位置信息，
Figure FDA0003401213480000028
Figure FDA0003401213480000029
为受控车辆i在通过汇流时的速度信息，
Figure FDA00034012134800000210
Figure FDA00034012134800000211
为受控车辆i在通过汇流点时的加速度信息，
Figure FDA00034012134800000212
步骤10、中央控制器计算受控车辆i在下一个时刻t+Δt的控制输入信息：
ui(t+Δt)＝c3et-c4e-t+c1 (6)
步骤11、中央控制器将计算得到的控制输入信号ui(t+Δt)通过DSRC网络发送给受控车辆i，受控车辆i根据控制输入信号vi(t+Δt)在t+Δt时刻将其自身状态信息调整为：
ai(t+Δt)＝ai(t)+ui(t+Δt)×Δt (7)
vi(t+Δt)＝vi(t)+ai(t+Δt)×Δt (8)
pi(t+Δt)＝pi(t)+vi(t+Δt)×Δt (9)
步骤12、受控车辆i将调整过的状态信息通过DSRC网络发送给中央控制器，状态信息包括位置信息pi(t+Δt)、速度信息vi(t+Δt)和加速度信息ai(t+Δt)；
步骤13、中央控制器通过DSRC网络接收受控车辆i在t+Δt时刻的状态信息，此时当前时刻t更新为t+Δt，继续循环步骤10～13，直至受控车辆i以速度vf通过汇流点；中央控制器在受控车辆i通过汇流点后放权，受控车辆i切换为自动驾驶模式，完成汇流。
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