CN116884257A - 一种异质交通流的合流区连续流控制方法 - Google Patents

一种异质交通流的合流区连续流控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种异质交通流的合流区连续流控制方法，该方法包括以下步骤：确定车辆匝道进入合流区加速车道的初始速度；确定车辆在主线车道的期望车速与车辆间距；根据车速确定车辆在合流区加速车道的加速区间；确定合流区加速车道和主线车道的各断面位置；进行合流过程中的速度和车距控制并提示进行合流。本发明考虑异质流情况下的合流，进行车辆车速和车距的区间控制以及合流控制，提升了合流区的实际通行能力，提升了合流区的通行效率，保证了合流区的安全。

Description

一种异质交通流的合流区连续流控制方法
技术领域
本发明涉及智能交通技术，尤其涉及一种异质交通流的合流区连续流控制方法。
背景技术
传统连续流指的是通过交通设施的设计，让道路交通流不受外部设备干扰，以达到通畅行驶的目的。随着感知技术(激光雷达、毫米波雷达、摄像机)、通讯技术等的快速发展，可通过车路协同的技术实现连续流的形成。
自动驾驶汽车将会是未来汽车的发展的主要方向，车路协同技术有助于提升道路交通的安全性、减少能源的消耗以及道路通畅性。但目前的自动驾驶技术仍处于不太成熟的阶段，自动驾驶汽车仍未实现大范围的商用化，仅有少数汽车搭载了辅助驾驶，因此未来很长一段时间道路上存在的都会是智能网联车辆和人工驾驶车辆组成的异质交通流。在目前的交通系统中，合流区往往形成瓶颈区域，其和相邻主路的合流常常出现交通堵塞以及交通事故，智能网联车可以通过实时的信息交互实现合流区域的连续行驶，对于人工驾驶车辆则可通过一定的合理规则实现连续行驶。所以，异质交通流在合流区合流控制具有很高的研究价值和意义。研究异质交通流在匝道合流协同控制，可以提高匝道合流区域车辆行驶的安全性及道路交通通行效率。
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缺陷，提供一种异质交通流的合流区连续流控制方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种异质交通流的合流区连续流控制方法，包括以下步骤：
1)确定车辆匝道进入合流区加速车道的初始速度；
其中，R为匝道圆曲线半径；u为横向力系数；i为超高，正向超高使用“+”，反向超高使用“－”；
2)确定车辆在主线车道的期望车速与车辆间距；
2.1)根据主线车道的道路基本通行能力确定车辆在主线车道的期望车速；
2.2)根据车辆在主线车道的期望车速获得车辆在主线的停车视距，并计算主线车辆需要保持的间距；
3)合流时，合流区加速车道的车辆需将车速调整至跟主线相同车速，根据车速确定车辆在合流区加速车道的加速区间；
根据车辆匝道进入合流区加速车道的初始速度以及车辆在主线车道的期望车速，确定加速区间
其中，A1为匝道进入合流区加速车道的断面位置，A2为需要将合流区加速车道的车速调整至跟主线相同车速的最后位置，也是开始合流汇入的起始位置；h(V0,V2,a1)为合流区加速车道中的自动驾驶车辆在该加速过程行驶的距离；ΔS为适应距离；
4)确定车辆在主线车道的断面B2，以及车辆在主线车道的断面B1；
其中，B2为合流区加速车道中的车辆在经过断面A2开始汇入时主线车道车辆需到达的安全位置；B1为主线车辆调整车速以及车距的起始位置，主线车辆经过B1时，开始将车速调整为V2，车距调整为S主线停，B1为主线车辆调整车速以及车距的起始位置，B2也是主线车辆调整车速以及车距的结束位置；
Lcar为车辆长度，因此B2至少应在A2的下游距离处，断面A2与B2的距离为S主线间的整数倍；即/>最终距离为B2至少应在A2的下游距离/>处后的第一个S主线间的整数倍位置。
5)确定合流区加速车道的车辆最晚汇入主线车道位置A3、以及相应的安全位置B3；
其中，A3为合流区加速车道的车辆最晚汇入主线车道位置，B3合流区加速车道中的车辆在经过断面A2开始汇入时，主线车道车辆需到达的安全位置，B3与A3保持一个安全距离，因此B3位于A3下游处；
6)合流过程中的控制；
6.1)合流区加速车道车辆和主线车辆分别在经过A1、B1断面之后开始调整速度和车距；
在A1、B1断面设置路侧提示牌，提示牌显示调整车速V2，以及车距S主线间；
6.2)合流区加速车道车辆和主线车辆分别在抵达A2、B2断面之前完成速度和车距的调整，速度均为V2，车距均为S主线间；
在A2、B2断面前方设置路侧提示牌，提示牌提示车辆确认调整车速V2，以及车距S主线间；
6.3)合流区加速车道车辆和主线车辆在经过A2、B2断面以后即可进行合流；
在A2、B2断面处设置路侧提示牌，提示可以进行合流；
对于自动驾驶车辆，路侧设备可直接发布汇入命令，命令自动驾驶车辆汇入；对于人工驾驶车辆，在完成车距以及车速的调整之时，驾驶员可以在设置的合流段A2A3任意时间汇入；
6.3)合流区加速车道车辆和主线车辆在经过A3、B3断面以后必须进行合流；
在A3断面处设置路侧提示牌，提示立刻进行合流；
7)合流后的控制
换道后，汇入车辆与前车会有富余的距离，可控制自动驾驶车继续进行调整过程，使得它与前车的车距为一个S主线停，以使得此处的合流连续流拥有更大的通行能力。
当人工驾驶车辆与自动驾驶车辆进行跟驰行为时，自动驾驶车辆可采用IDM(Intelligent Driver Model)模型对人工驾驶车辆的运行轨迹进行预测，从而保证跟驰的安全，IDM模型考虑了期望速度、期望间距、前后车速度差等因素，能很好的对跟驰行为进行分析，保证行驶安全。模型表达式如下：
其中
v0为理想驾驶速度；
为期望安全间距；
S0为静止安全距离；
T为安全时间间隔；
a3为起步加速度；
b为舒适减速度。
IDM的初始参数：反应延迟一般为0.8s-2.2s,一般采用步长为1s，v0取109.6921m/s，S0取3.0734m，T取0.8393s，a3取0.6819m/s2，b取0.9169m/s2。
本发明产生的有益效果是：
本发明考虑异质流情况下的合流，进行车辆车速和车距的区间控制以及合流控制，提升了合流区的实际通行能力，提升了合流区的通行效率，保证了合流区的安全。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明实施例的方法流程图；
图2是本发明实施例的合流区道路断面示意图；
图3是本发明实施例的合流区距离示意图；
图4是本发明实施例的合流区汇入示意图。
具体实施方式
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。
本发明适用于车辆从匝道进入合流区加速车道与主线车道的合流汇入控制。
如图1所示，一种异质交通流的合流区连续流控制方法，包括以下步骤：
1)确定车辆匝道进入合流区加速车道的初始速度；
其中，R为匝道圆曲线半径；u为横向力系数；i为超高，正向超高使用“+”，反向超高使用“－”；
2)确定车辆在主线车道的期望车速与车辆间距；
2.1)根据主线车道的道路基本通行能力确定车辆在主线车道的期望车速；
通行能力C(V2)如下：
根据道路基本通行能力计算模型对车速V2求导(S主线间是关于V2的函数)并令其为零，求解后，得到大流量连续流通行能力最大的控制速度。
求解上式可以确定V2；
2.2)根据车辆在主线车道的期望车速获得车辆在主线的停车视距，并计算主线车辆需要保持的间距；
首先对主线的停车视距进行计算：
L车道为车道宽度，一般取3.75m，单位：m；
为在换道过程中，主线中车辆行驶的距离，单位：m；
为车辆在变道时行驶的横向距离，单位：m；
为变道过程中与主线车辆横向距离之差，单位：m；
α为车辆换道时，车辆行驶方向与直行方向之间的夹角；
3)合流时，合流区加速车道的车辆需将车速调整至跟主线相同车速，根据车速确定车辆在合流区加速车道的加速区间；
根据车辆匝道进入合流区加速车道的初始速度以及车辆在主线车道的期望车速，确定加速区间
其中，如图2，A1为匝道进入合流区加速车道的断面位置，A2为需要将合流区加速车道的车速调整至跟主线相同车速的最后位置，也是开始合流汇入的起始位置；h(V0,V2,a1)为合流区加速车道中的自动驾驶车辆在该加速过程行驶的距离；ΔS为适应距离，一般取10-20m；
在断面A1以前一般限速40km/h(11.11m/s)；正常高速公路的临界速度一般为120km/h(33.33m/s)，合流汇入的最右侧车道限速60km/h(16.66m/s)至100km/h(27.77m/s)，采取最高100km/h计算；加速车道上车辆的加速度一般为3m/s2；加速车道的设计规范为150-200m以上；ΔS取最大20m；根据匀加速运动公式，可计算出的最大值为128m，符合设计规范。
4)确定车辆在主线车道的断面B2，以及车辆在主线车道的断面B1；如图3；
其中，B2为合流区加速车道中的车辆在经过断面A2开始汇入时主线车道的安全位置；B1为主线车辆调整车速以及车距的起始位置，主线车辆经过B1时，开始将车速调整为V2，车距调整为S主线间，B1为主线车辆调整车速以及车距的起始位置，B2也是主线车辆调整车速以及车距的结束位置；
Lcar为车辆长度，一般为安全起见取重型货车车长，即9.6m，建议参照国家车辆最新标准取值。单位：m。
因此B2应至少在A2的下游距离处。
优选的，断面A2与B2的距离为S主线间的整数倍；即优选计算距离后的第一个S主线间的整数倍位置；
V拥堵为高速公路发生拥堵时的车速，取1.5m/s，单位：m/s；
ΔS与公式(6)中的定义相同；
a2为调整段预设的加速度，一般取[-5,5]之间。单位：m/s2。
B1即在B2上游处。
5)确定合流区加速车道的车辆最晚汇入主线车道位置A3、以及相应的安全位置B3；
其中，A3为合流区加速车道的车辆最晚汇入主线车道位置，B3合流区加速车道中的车辆在经过断面A2开始汇入时主线车道的安全位置，B3与A3保持一个安全距离，因此B3位于A3下游处；
6)合流过程中的控制；
6.1)合流区加速车道车辆和主线车辆分别在经过A1、B1断面之后开始调整速度和车距；
在A1、B1断面设置路侧提示牌，提示牌显示调整车速V2，以及车距S主线间；；
6.2)合流区加速车道车辆和主线车辆分别在抵达A2、B2断面之前完成速度和车距的调整，速度均为V2，车距均为S主线间；
在A2、B2断面前方设置路侧提示牌，提示牌提示车辆确认调整车速V2，以及车距S间；
6.3)合流区加速车道车辆和主线车辆在经过A2、B2断面以后即可进行合流；
在A2、B2断面处设置路侧提示牌，提示可以进行合流；
对于自动驾驶车辆，路侧设备可直接发布汇入命令，命令自动驾驶车辆汇入；对于人工驾驶车辆，在完成车距以及车速的调整之时，驾驶员可以在设置的合流段A2A3任意时间汇入；
6.4)合流区加速车道车辆和主线车辆在经过A3、B3断面以后必须进行合流；
在A3断面处设置路侧提示牌，提示立刻进行合流；
如图4，如果控制合流区加速车道车和主线车的车头同时到达A1、B1，A2、B2与A3、B3三对断面，则异质交通流可完成齿轮式合流并形成连续流，合流区加速车道和主线车辆分别如两个齿轮的齿一样交错开，完成精准的啮合。
7)合流后的控制
换道后，汇入车辆与前车会有富余的距离，可控制自动驾驶车继续进行调整过程，使得它与前车的车距为一个S主线停，以使得此处的合流连续流拥有更大的通行能力。
当人工驾驶车辆与自动驾驶车辆进行跟驰行为时，自动驾驶车辆可采用IDM(Intelligent Driver Model)模型对人工驾驶车辆的运行轨迹进行预测，从而保证跟驰的安全，IDM模型考虑了期望速度、期望间距、前后车速度差等因素，能很好的对跟驰行为进行分析，保证行驶安全。模型表达式如下：
其中，
v0为理想驾驶速度；
vn为车辆n在t时刻的速度；；
Δvn为车辆n与车辆n-1在t时刻的速度差；
为期望安全间距；
S0为静止安全距离；
T为安全时间间隔；
a3为起步加速度；
b为舒适减速度。
IDM的初始参数：反应延迟一般为0.8s-2.2s,一般采用步长为1s，v0取109.6921m/s，S0取3.0734m，T取0.8393s，a3取0.6819m/s2，b取0.9169m/s2。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种异质交通流的合流区连续流控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)确定车辆匝道进入合流区加速车道的初始速度V0；
2)确定车辆在主线车道的期望车速与车辆间距；
2.1)根据主线车道的道路基本通行能力确定车辆在主线车道的期望车速；
2.2)根据车辆在主线车道的期望车速获得车辆在主线的停车视距，并计算主线车辆需要保持的间距；
3)合流时，合流区加速车道的车辆需将车速调整至跟主线相同车速，根据车速确定车辆在合流区加速车道的加速区间；
根据车辆匝道进入合流区加速车道的初始速度以及车辆在主线车道的期望车速，确定加速区间
4)确定车辆在主线车道的断面B2，以及车辆在主线车道的断面B1；
其中，B2为合流区加速车道中的车辆在经过断面A2开始汇入时主线车道车辆需到达的安全位置；B1为主线车辆调整车速以及车距的起始位置，主线车辆经过B1时，开始将车速调整为V2，车距调整为S主线间，B1为主线车辆调整车速以及车距的起始位置，B2也是主线车辆调整车速以及车距的结束位置。
5)确定合流区加速车道的车辆最晚汇入主线车道位置A3、以及相应的安全位置B3；
其中，A3为合流区加速车道的车辆最晚汇入主线车道位置，B3合流区加速车道中的车辆在经过断面A2开始汇入时主线车道车辆需到达的安全位置，B3与A3保持一个安全距离，因此B3位于A3下游处；
6)进行合流过程中的速度和车距控制并提示进行合流；
6.1)合流区加速车道车辆和主线车辆分别在经过A1、B1断面之后开始调整速度和车距；
在A1、B1断面设置路侧提示牌，用于提示人工车辆的提示牌显示调整车速V2，以及车距S主线间；
6.2)合流区加速车道车辆和主线车辆分别在抵达A2、B2断面之前完成速度和车距的调整，速度均为V2，车距均为S主线间；
在A2、B2断面前方设置路侧提示牌，提示牌提示车辆确认调整车速V2，以及车距S主线间；
6.3)合流区加速车道车辆和主线车辆分别经过A2、B2断面以后即可进行合流；
在A2、B2断面处设置路侧提示牌，提示可以进行合流；
对于自动驾驶车辆，路侧设备可直接发布汇入命令，命令自动驾驶车辆汇入；对于人工驾驶车辆，在完成车距以及车速的调整之时，驾驶员可以在设置的合流段A2A3任意时间汇入；
6.3)合流区加速车道车辆和主线车辆在经过A3、B3断面以后必须进行合流；
在A3断面处设置路侧提示牌，提示立刻进行合流；
7)合流后的自动驾驶车辆控制；
换道后，汇入主线车道的车辆与前车会有富余的距离，控制自动驾驶车继续进行调整过程，使得它与前车的车距为一个S主线停，以使得此处的合流连续流拥有更大的通行能力。
2.根据权利要求1所述的异质交通流的合流区连续流控制方法，其特征在于，所述步骤1)中确定车辆匝道进入合流区加速车道的初始速度V0如下：
其中，R为匝道圆曲线半径；u为横向力系数；i为超高，正向超高使用“+”，反向超高使用“－”。
3.根据权利要求1所述的异质交通流的合流区连续流控制方法，其特征在于，期望车速V2按如下方式确定；
通行能力C(V2)如下：
根据道路基本通行能力计算模型对车速V2求导,S主线间是关于V2的函数，并令其为零，求解后，得到大流量连续流通行能力最大的控制速度；
求解上式可以确定V2。
4.根据权利要求1所述的异质交通流的合流区连续流控制方法，其特征在于，所述步骤3)中，加速区间计算如下；
根据车辆匝道进入合流区加速车道的初始速度以及车辆在主线车道的期望车速，确定加速区间
其中，A1为匝道进入合流区加速车道的断面位置，A2为需要将合流区加速车道的车速调整至跟主线相同车速的最后位置，也是开始合流汇入的起始位置；h(V0,V2,a1)为合流区加速车道中的自动驾驶车辆在该加速过程行驶的距离；ΔS为适应距离；
5.根据权利要求1所述的异质交通流的合流区连续流控制方法，其特征在于，所述步骤4)中，区间距离计算如下：
Lcar为车辆长度，因此B2至少应在A2的下游距离处，断面A2与B2的距离为S主线间的整数倍；即/>最终距离为B2至少应在A2的下游距离/>处后的第一个S主线间的整数倍位置。
6.根据权利要求1所述的异质交通流的合流区连续流控制方法，其特征在于，所述步骤7)中，合流后，自动驾驶车的调整加速度如下：
当人工驾驶车辆与自动驾驶车辆进行跟驰行为时，自动驾驶车辆采用IDM模型对人工驾驶车辆的运行轨迹进行预测，从而保证跟驰的安全；模型表达式如下：
其中，
v0为理想驾驶速度；
为期望安全间距；
S0为静止安全距离；
T为安全时间间隔；
a3为起步加速度；
b为舒适减速度；
IDM的初始参数取值：反应延迟为0.8s-2.2s，v0取109.6921m/s，S0取3.0734m，T取0.8393s，a3取0.6819m/s2，b取0.9169m/s2。
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