CN115938118A - 一种基于路侧导引的无信号交叉口车辆速度动态规划方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于交通控制技术领域，具体公开了一种基于路侧导引的无信号交叉口车辆速度动态规划方法，包括如下步骤：S1路权分配问题建模，S2状态转移方程构建及求解，S3车辆速度引导；具有以下有点：缩小状态空间的规模，降低模型求解的计算复杂度，提升求解速度；考虑车辆动力学、车辆跟驰行为以及车辆避障行为，在使得车辆行驶行为符合实际情况的同时，兼顾路段及交叉口两个方面的安全性；通过求解时间点并结合速度引导策略来一定程度上实现有条件的自动驾驶，降低控制难度，提升车辆行驶的安全性。

Description

一种基于路侧导引的无信号交叉口车辆速度动态规划方法

技术领域

本发明涉及交通控制技术领域，具体而言，涉及一种基于路侧导引的无信号交叉口车辆速度动态规划方法。

背景技术

矿区交叉口在车道构成以及交通特征等方面与城市交叉口都有较大的区别，首先是车道构成方面，由于矿区道路往往会随着开采进程不断更新，因此矿区的道路一般没有明确的车道划分，这里我们将矿区的道路视为全向车道，即车辆可以从该车道驶向任意允许通行的方向。在交通特征方面，首先是矿区的车辆组成较为单一，主要由大型矿卡组成，其区别也主要是由装载状态区别，其次是由于矿区的生产计划固定，需要用到的设备相对有限，因此矿区交叉口的流量远小于城市交叉口。总体来说，矿区交叉口路权管控问题的规模小于城市交叉口，但是在安全性以及精确性等方面的要求却要远高于城市交叉口。

目前交叉口的路权管控方案主要分为信号交叉口环境下的路权管控以及无信号交叉口环境下的路权管控。信号交叉口环境下的路权管控主要针对信号配时、相位顺序、相位差等信号参数进行优化，实现交叉口的管控，控制对象主要为信号灯等交通设施；而无信号交叉口主要针对的网联环境下的交叉口，使得能够通过控制车辆的轨迹、速度等实现车辆在交叉口的高效、有序的穿插通过。一方面由于信号控制需要相应配套的基础设施建设，例如信号控制机等，在矿区难以实现，另一方面由于矿区封闭的特征，在一定程度上通过控制中心可以实现网联自动驾驶，在实时获得车辆行驶信息；包括速度、位置、车辆路径，能够通过车载控制单元和路侧单元进行车辆的控制。

但是在通过传统方法对矿区交叉口进行控制，存在的不足主要体现在以下几个方面：

(1)大部分传统无信号交叉口路权管控方案主要针对的是高流量情况下的城市交叉口，通过强化学习或者博弈优化等方法，求得近优解，这样在车流量较大的城市交叉口中是一个不错的结果，但是对车辆数较少矿区交叉口而言，近优解难以满足控制精度；

(2)现有方法多是针对车辆轨迹进行动态控制，对于通信及车辆的响应速度要求较高，现实的硬件条件及安全性要求难以满足。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明旨在提出一种基于路侧导引的无信号交叉口车辆速度动态规划方法，考虑矿区交叉口流量低、安全需求高的特征，在综合考虑矿区车辆特有的动力学性能、跟车安全性以及冲突避免等多方面影响因素，解决原有控制方法在求解精度、求解速度及安全性能考虑方面的不足，同时结合适当的速度引导策略，降低车辆控制的复杂性，增加工程实现的可行性。

有鉴于此，本发明的第一方面在于提供一种基于路侧导引的无信号交叉口车辆速度动态规划方法。

本发明的第一方面提供了一种基于路侧导引的无信号交叉口车辆速度动态规划方法，包括如下步骤：S1，路权分配问题建模：将通行时间作为目标函数，将车辆行驶的安全性作为车辆通行约束，所述车辆通行约束包括：车辆动力学、安全跟车和避免冲突，得到混合整数规划模型；S2，状态转移方程构建及求解：通过车载设备将车辆行驶数据发送至路侧设备中进行校正，路侧设备将校正完成的车辆行驶数据传输到控制中心；控制中心对行驶方向冲突的所述车辆构建状态转移方程，并根据所述混合整数规划模型求解所述车辆进入交叉口的时间点，根据所述时间点的顺序对所述车辆进行排序，并发放到路侧设备；S3，车辆速度引导：根据所述时间点和所述车辆的当前速度，判断所述车辆是否按时到达交叉口，若是则不改变车速，若否且过早则路侧设备对车辆进行匀减速控制，若否且过晚则路侧设备对车辆进行加速控制。

本发明提供的一种基于路侧导引的无信号交叉口车辆速度动态规划方法，考虑矿区交叉口流量低、安全需求高的特征，在综合考虑矿区车辆特有的动力学性能、跟车安全性以及冲突避免等多方面影响因素，提出一种基于动态规划的交叉口最优通行序列的求解方法，突破原有控制方法在求解精度、求解速度及安全性能考虑方面的不足；

结合车辆运动的实际意义，删除行驶方向无冲突的车辆状态之间的连接，只考虑，同时因为右转车辆无影响的特性，这里将右转车辆排除在状态空间的考虑范围内，进一步缩小状态空间的规模，降低模型求解的计算复杂度，提升求解速度；

通过求解时间点并结合速度引导策略实现有条件的自动驾驶，降低控制难度，提升车辆行驶的安全性，增强工程实现的可操作性。

具体的，冲突车辆表示车辆在交叉口内行驶的轨迹存在空间上的重叠，非冲突车辆表示车辆在交叉口内行驶的轨迹不存在空间上的重叠。

具体地，对于冲突车辆的判别为根据通行次序的先后顺序，且为后车与前车之间，将最先达到路口的车辆确定第一个通行的车辆，之后对到达该路口的剩余任意车辆进行第二个通行的判别，分别与第一辆车进行冲突关系的判别，在确定第二个通行的车辆后，则对第三个通行的车辆进行确定，再对此时剩余的车辆与第二通行的车辆进行冲突分析，并以此类推。

另外，根据本发明的实施例提供的技术方案还可以具有如下附加技术特征：

上述任一技术方案中，所述混合整数规划模型具体为下述公式：minT,

其中，T表示总通行时间、T_stage表示某一阶段的通行时间、t_assign,i表示第i辆车被分配到的通行时间、M表示一个无穷大量、a_i,j表示二元变量，且当两车在同一车道时为0，否则为1、Δt,gap表示同一车道前后两辆车之间的最小车头时距，b_i,j表达二元变量，且当两车行驶方向冲突时0，否则为1、Δt,collision表示避免两车碰撞的最短行驶时间、t_min,i表示车辆以环境允许的最大速度行驶到交叉口的时间。

在该技术方案中，优化的总目标是在保障通行安全性的基础上，尽可能使车辆通过交叉口的总时间最短，因此将通行时间作为目标函数，将车辆行驶的安全性作为车辆通行约束，车辆通行约束从车辆动力学、安全跟车、避免冲突三个维度确定：

第一为车辆进入交叉口的时间需要满足车辆动力学，无法以超过车辆自身动力性能的速度行驶，即为t_assign,i≥t_min,i；

第二为同一车道的前后车辆之间需要满足安全的跟车距离，即两车通过同一地点的时间差需要加以限制，即为t_assign,i-t_assign,j+M·a_i,j≥Δ_t,gap；

第三为行驶方向相互冲突的车辆如果不对其进入交叉口的时间进行约束，则两车就可能会发生碰撞，即为t_assign,i-t_assign,j+M·b_i,j≥Δ_t,collision。

上述任一技术方案中，所述状态转移方程具体为下述公式：s＝f(s',i)其中，s表示当前状态、s'表示其前置状态、i表示决策变量，被赋予通行权的进口道、f是状态转移函数。

在该技术方案中，将通行权作为离散的状态变量，通行权之间的切换就是状态转移的过程，本状态的状态变量是由上一状态的变量决定的，上述关系在冲突车辆之间是成立的，因为冲突车辆之间需要避让，相互之间会有影响和联系；但是非冲突相位的车辆往往是各行其道，因此相互之间是不会产生影响的，即两辆非冲突车辆之间的通行权不会相互影响，但违背了马尔可夫性质，动态规划无法运用，因此针对非冲突车辆，重新构建状态转移方程，不断前置状态推移，直到搜索到符合马尔可夫性质的状态，并重新建立联系，完成状态空间的构建，最后再通过动态规划求解出总通行时间最优的通行序列。

上述任一技术方案中，所述加速控制具体采用下述公式计算：

其中，t’表示加速持续的时间、t表示分配到的进入交叉口的时间、V_now表示车辆当前的速度、a_acc表示车辆的加速度、V_target表示需要加速到的目标速度、l表示距离交叉口入口处的距离。

在该技术方案中，通过加速控制的计算公式，能够根据车辆的当前速度、加速到的目标速度和分配到的进入交叉口的时间，计算出加速持续的时间，以便对车辆的速度进行控制，保证每个车辆能够按照既定序列一次到达和通过交叉口。

上述任一技术方案中，所述减速控制具体采用下述公式计算：

在该技术方案中，通过减速控制的计算公式，能够根据车辆的当前速度、减速到的目标速度和分配到的进入交叉口的时间，计算出减速持续的时间，以便对车辆的速度进行控制，保证每个车辆能够按照既定序列一次到达和通过交叉口。

上述任一技术方案中，所述规划的步骤，具体为：车辆数据采集：通过车载设备对车辆行驶数据进行收集，并传输到路侧设备中，结合路侧设备对车辆的位置和车道进行校正；通行序列求解：路侧设备将校正完成的车辆行驶数据传输到控制中心，并进行状态转移方程构建，求解出交叉口最优的通行序列，并发放到路侧设备；路侧速度导引：根据通行序列，计算出车辆进行加速或减速，并将目标速度、加速度及加减速时间下达给车辆。

本发明与现有技术相比所具有的有益效果：

结合车辆运动的实际意义，删除行驶方向无冲突的车辆状态之间的连接，根据右转车辆无影响的特性，将右转车辆排除在状态空间的考虑范围内，进一步缩小状态空间的规模，降低模型求解的计算复杂度，提升求解速度，使模型更具有现实应用意义；

考虑车辆动力学、车辆跟驰行为以及车辆避障行为，在使得车辆行驶行为符合实际情况的同时，兼顾路段及交叉口两个方面的安全性，在路段上通过设置车头时距来避免追尾事故的发生，在交叉口内，尤其是行驶方向冲突的车辆，通过时间限制确保车辆之间能够相互错开，避免发生碰撞；

在当前自动驾驶技术和车联网技术仍然存在通信延迟的环境下，通过较为简单的方式来实现控制，通过求解时间点并结合速度引导策略来一定程度上实现有条件的自动驾驶，降低控制难度，提升车辆行驶的安全性，增强工程实现的可操作性。

根据本发明的实施例的附加方面和优点将在下面的描述部分中变得明显，或通过根据本发明的实施例的实践了解到。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制。

图1为本发明的基于动态规划的矿区低流量交叉口最优通行行为控制方法结构图；

图2为本发明的路侧导引工程的流程图。

具体实施方式

为了可以更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

请参阅图1-2，本发明的第一方面提供了一种基于路侧导引的无信号交叉口车辆速度动态规划方法，包括如下步骤：

第一步，路权分配问题建模：优化的总目标是在保障通行安全性的基础上，尽可能使车辆通过交叉口的总时间最短，因此将通行时间作为目标函数，将车辆行驶的安全性作为车辆通行约束，车辆通行约束从车辆动力学、安全跟车、避免冲突三个维度确定，第一车辆进入交叉口的时间需要满足车辆动力学，无法以超过车辆自身动力性能的速度行驶，第二同一车道的前后车辆之间需要满足安全的跟车距离，即两车通过同一地点的时间差需要加以限制，第三行驶方向相互冲突的车辆如果不对其进入交叉口的时间进行约束，则两车就可能会发生碰撞，整理得到混合整数规划模型；

具体地，第一步中，路权分配问题建模具体方法为：

以通行时间为优化目标，从车辆动力学、安全跟车和避免冲突三个维度确定约束，模型如下：

minT,T_stage＝mint_assign,i (1)

其中，T表示总通行时间、T_stage表示某一阶段的通行时间、t_assign,i表示第i辆车被分配到的通行时间、M表示一个无穷大量、a_i,j表示二元变量(当两车在同一车道时为0，否则为1)、Δt,gap表示同一车道前后两辆车之间的最小车头时距，b_i,j表达二元变量(当两车行驶方向冲突时0，否则为1)、Δt,collision表示避免两车碰撞的最短行驶时间、t_min,i表示车辆以环境允许的最大速度行驶到交叉口的时间。

第二步，状态空间构建及求解：将通行权作为离散的状态变量，通行权之间的切换就是状态转移的过程，右转车辆因为无需额外发放通行权，因此这里将右转车辆排除在状态的考虑范围内，本状态的状态变量是由上一状态的变量决定的，上述关系在冲突车辆之间是成立的，因为冲突车辆之间需要避让，相互之间会有影响和联系；但是非冲突相位的车辆往往是各行其道，因此相互之间是不会产生影响的，即两辆非冲突车辆之间的通行权不会相互影响，但违背了马尔可夫性质，动态规划无法运用，因此针对非冲突车辆，重新构建状态转移方程，不断前置状态推移，直到搜索到符合马尔可夫性质的状态，并重新建立联系，完成状态空间的构建，最后再通过动态规划求解出总通行时间最优的通行序列；

具体地，第二步中，状态空间构建及求解的具体方法为：

设置状态变量如下：

s(i|n₁ n₂ n₃···n_i···) (3)

其中，i表示决策变量，含义为第i个进口道被赋予通行权、n_i表示第i个进口道已经被赋予通行权的车辆数、s表示状态变量；

状态转移方程如下：

s＝f(s',i) (4)

其中，s表示当前状态，s'表示其前置状态，i表示决策变量(被赋予通行权的进口道)，f是状态转移函数。

因为其初始状态确定(s(0|0 0 0···))，所以通过动态规划正向求解的方法计算，具体的步骤为：

首先从初始状态开始，通过状态转移方程求得后续的一系列状态，每一个状态都是一次通行权下发给车辆的过程，根据状态转移即可知道不同车辆获得通行权的顺序；

再对之前建立的混合整数规划模型进行求解，即可得到每一次状态转移过程中前后两个状态的最优时间，即获得通行权的车辆进入交叉口的最优时间；

通过状态的不断转移和递推，即可得出交叉口当前所有车辆通行的先后顺序以及进入进入交叉口时间点，并且能够使得所有车辆通行结束的总时间最短。

第三步，车辆速度引导：通行序列求解的是各个车辆进入交叉口的时间点，因此需要通过对车辆进行速度引导来实现实际的控制，通过判断车辆以当前速度是否能够按时到达交叉口，如果过早进入，就对车辆进行匀减速控制，直到到达目标速度，如果车辆无法按时到达，则对车辆进行加速控制；

具体地，第三步中，车辆速度引导的具体方法为：

最终求解得到的是车辆进入交叉口的最优时间序列，因此通过速度引导的方式使车辆能够准时到达，根据情况的不同分为加速引导和减速引导，如果车辆以当前速度持续行驶无法达到交叉口，则车辆需要进行加速引导，反之则需要进行减速引导：

加速引导：

V_target＝V_now+a_acc·t' (6)

其中，t’表示加速持续的时间、t表示分配到的进入交叉口的时间、V_now表示车辆当前的速度、a_acc表示车辆的加速度、V_target表示需要加速到的目标速度、l表示距离交叉口入口处的距离。

减速引导：

V_target＝V_now-a_dec·t' (8)。

第四步，实际控制：通过第一步、第二步和第三步对多个车辆进行控制；

具体地，第四步中，控制的具体过程为：

第一分步，车辆数据采集：首先通过车载设备对车辆行驶数据进行收集，并传输到路侧设备中，结合路侧设备对车辆的位置、车道等信息进行校正；

第二分步，通行序列求解：路侧设备将校正完成的车辆数据传输到控制中心，并进行交叉口状态建模，根据技术方案中提出的计算方式求解交叉口最优的通行序列，并将通行权信息发放到路侧设备；

第三分步，路侧速度导引：根据控制中心下发的通行权信息，结合速度引导模型计算出车辆是需要进行加速还是减速，并将目标速度及加减速时间下达给车辆，实现交叉口的安全有序通行。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (5)

1.一种基于路侧导引的无信号交叉口车辆速度动态规划方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1，路权分配问题建模：将通行时间作为目标函数，将车辆行驶的安全性作为车辆通行约束，所述车辆通行约束包括：车辆动力学、安全跟车和避免冲突，得到混合整数规划模型；

S2，状态转移方程构建及求解：通过车载设备将车辆行驶数据发送至路侧设备中进行校正，路侧设备将校正完成的车辆行驶数据传输到控制中心；

控制中心对行驶方向冲突的所述车辆构建状态转移方程，并根据所述混合整数规划模型求解所述车辆进入交叉口的时间点，根据所述时间点的顺序对所述车辆进行排序，并发放到路侧设备；

S3，车辆速度引导：根据所述时间点和所述车辆的当前速度，判断所述车辆是否按时到达交叉口，若是则不改变车速，若否且过早则路侧设备对车辆进行匀减速控制，若否且过晚则路侧设备对车辆进行加速控制。

2.根据权利要求1所述的一种基于路侧导引的无信号交叉口车辆速度动态规划方法，其特征在于，所述混合整数规划模型具体为下述公式：

minT,T_stage＝mint_assign,i

其中，T表示总通行时间、T_stage表示某一阶段的通行时间、t_assign,i表示第i辆车被分配到的通行时间、M表示一个无穷大量、a_i,j表示二元变量，且当两车在同一车道时取值为0，否则取值为1、Δt,gap表示同一车道前后两辆车之间的最小车头时距，b_i,j表达二元变量，且当两车行驶方向冲突时取值为0，否则取值为1、Δt,collision表示避免两车碰撞的最短行驶时间、t_min,i表示车辆以环境允许的最大速度行驶到交叉口的时间。

3.根据权利要求1所述的一种基于路侧导引的无信号交叉口车辆速度动态规划方法，其特征在于，所述状态转移方程具体为下述公式：

s＝f(s',i)

其中，s表示当前状态、s'表示其前置状态、i表示当前被赋予通行权的第i个进口道、f是状态转移函数。

4.根据权利要求1所述的一种基于路侧导引的无信号交叉口车辆速度动态规划方法，其特征在于，所述加速控制具体采用下述公式计算：

V_target＝V_now+a_acc·t'

其中，t’表示加速持续的时间、t表示分配到的进入交叉口的时间、V_now表示车辆当前的速度、a_acc表示车辆的加速度、V_target表示需要加速到的目标速度、l表示距离交叉口入口处的距离。

5.根据权利要求4所述的一种基于路侧导引的无信号交叉口车辆速度动态规划方法，其特征在于，所述减速控制具体采用下述公式计算：

V_target＝V_now-a_dec·t'。

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