一种基于合流时间优化的匝道合流协同控制方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于合流时间优化的匝道合流协同控制方法及系统，该方法包括：步骤1，按照各个智能网联车辆驶入匝道合流区域的先后顺序进行编号；步骤2，当智能网联车辆驶入匝道合流区域时，计算抵达匝道口合流处的参考合流时间、最早合流时间和实际合流时间；步骤3，每辆智能网联车辆利用无线通信将自身的身份编号、位置信息及行驶至匝道口合流处的实际合流时间向其它智能网联车辆进行广播；步骤4，构造每辆智能网联车辆实际合流时间的优化问题；步骤5，更新自身的实际合流时间，直至收敛；步骤6，即控制自车速度于收敛所得的实际合流时间通过匝道口合流处。本发明专利技术可实现对智能网联车辆合流时间的优化，提升匝道合流的安全性和通行效率。

A coordinated control method and system for ramp merging based on merging time optimization

【技术实现步骤摘要】
一种基于合流时间优化的匝道合流协同控制方法及系统
本专利技术涉及智能交通系统领域，特别是关于一种基于合流时间优化的匝道合流协同控制方法及系统。
技术介绍
汽车技术的专利技术和发展在给人类带来便利的同时，也带来了一系列问题。匝道口合流处易引发交通拥堵和事故，则为其中重要问题之一。近年来，智能网联车辆(IntelligentandConnectedVehicles,ICV)技术快速发展，可为解决上述问题提供新思路。智能网联车辆技术通过车载通信实现车辆间的信息交互和共享，从而进行车辆间的行为协同，可实现协同匝道合流，缓解上述提及的交通拥堵以及避免交通事故发生。目前，已有部分专利着眼于匝道交通流合流控制。例如，申请号为201710548017.4的中国专利公开了一种匝道合流预警系统，通过判断合流车辆与主路车辆的碰撞关系，通过车载显示系统给予合流车辆提示和预警；然而，该方法仅能进行匝道合流预警，而无法进行匝道合流控制。申请号为201010219558.0的中国专利提供了一种高速公路入口匝道合流区智能安全预警控制方法，采集和分析合流车辆和主路车辆运动关系，通过道路基础设施的提示界面给予合流车辆提示和预警；然而，该方法同样无法进行匝道合流控制。公开号为CN110379182A的专利申请提供了一种基于车路广义动力学的匝道合流区协同控制系统，通过协调合流车辆以及主路相邻车辆的运动完成合流任务；然而，该方法需要依赖设置于路侧的协同规划控制模块，增加了基础设施建设成本，同时，该协同规划控制模块采用集中式规划方法对所有车辆进行运动规划，其通信和计算成本很高。公开号为CN106601002A的专利设计了一种车联网缓解下的城市快速路入口匝道车辆通行引导系统及其引导方法，可实现对驾驶员的提示或车辆控制，以提高行车安全和效率；然而，该方法同样依赖于路侧设备，且无法实现智能网联车辆的最优化匝道合流通行。公开号为CN104464317A的专利申请设计了一种高速公路入口匝道合流区引导控制系统及方法，可进行合流引导，提升合流效率和安全性；然而，该方法同样依赖于路侧设备，且无法实现智能网联车辆的最优化匝道合流通行。可见，目前尚无不依赖于路侧设备且可实现最优化合流的匝道合流协同控制技术。为此，需要设计不依赖于路侧设备、可实现最优化合流、对计算量和通信要求低的协同合流控制技术，以提高匝道合流安全和效率。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于合流时间优化的匝道合流协同控制方法及系统来克服或至少减轻现有技术的上述缺陷中的至少一个。为实现上述目的，本专利技术提供一种基于合流时间优化的匝道合流协同控制方法，该方法包括：步骤1，将沿主路的中心线和沿匝道的中心线与该匝道口合流处的预设距离范围内设置为匝道合流区域，主路上驶入该匝道合流区域的智能网联车辆形成的一个车流与匝道上驶入该匝道合流区域的智能网联车辆形成的另一个车流在匝道口合流处开始合流为一个车流，按照各个智能网联车辆驶入匝道合流区域的先后顺序进行编号，该编号用i予以表示；步骤2，当智能网联车辆i驶入匝道合流区域时，其依据当前时刻ti、当前速度vi、距匝道口合流处距离di、最大限速vM和最大加速度aM，计算抵达匝道口合流处的参考合流时间T1i、最早合流时间T2i和实际合流时间Ti；步骤3，每辆智能网联车辆i利用无线通信将自身的身份编号i、位置信息pi及行驶至匝道口合流处的实际合流时间Ti信息向其它智能网联车辆j进行广播；步骤4，每辆智能网联车辆i利用其所接收到的其它智能网联车辆j所广播的实际合流时间Tj，构造由下式(5)所表示的每辆智能网联车辆i实际合流时间Ti的优化问题Pi；式(5)中，fi(T)为代价函数；T为所有的智能网联车辆的实际合流时间，表示为T＝[T1，T2，...，TN]；每辆智能网联车辆i具有合流时间权重系数w1i和w2i，w1i≥0和w2i≥0，若倾向于匀速行驶提升舒适性和经济性，则可以提高权重系数w1i；若倾向于更快地通过交叉路口，则可以提高权重系数w2i；g1(·)和g2(·)为任意光滑单调增函数或二次函数；Ωi为实际合流时间的取值集合，由下式(6)表示：式(6)中，T2i-Ti≤0表示要求智能网联车辆i在其最早合流时间T2i之后抵达匝道口合流处；Ti-k+To，i-k-Ti≤0表示要求智能网联车辆i在其车道前方的智能网联车辆i-k之后抵达匝道口合流处；To，i-k为智能网联车辆i-k占据匝道口合流处的时间；Ti-1-Ti≤0表示要求智能网联车辆i在智能网联车辆i-1之后抵达匝道口合流处；步骤5，每辆智能网联车辆i基于所构造的优化问题Pi，与其它智能网联车辆j不断通信，并更新自身的实际合流时间Ti，直至收敛；步骤6，每辆智能网联车辆i的实际合流时间Ti收敛后，即控制自车速度于Ti时刻通过匝道口合流处。进一步地，步骤5具体包括：记智能网联车辆i对智能网联车辆j实际合流时间的估计为设待合流的智能网联车辆的总数为N，则其对所有待合流的智能网联车辆实际合流时间的估计表示为智能网联车辆j的估计为则依据式(7)或式(10)不断更新其取值：式(7)和式(10)中，aij取1或0，aij＝1表示智能网联车辆i可以获取智能网联车辆j的信息，aij＝0表示智能网联车辆i无法获取智能网联车辆j的信息；为集合Ωi在处的切锥；为将括号内的参数·投影到集合的投影算子；为将其括号内的参数投影到集合Ωi的投影算子，α(t)应满足且limt→∞α(t)＝0；μi为智能网联车辆i的拉格朗日乘子，其表示为式(8)；μj为智能网联车辆j的拉格朗日乘子，其表示为式(9)；ei是第i个元素为1、其它元素为0的N维单位向量；为ei的转置；表示函数fi(·)的梯度；αs＞0为任意常数；当上述取值更新收敛时，有则实际合流时间Ti即取为进一步地，步骤2中的每辆智能网联车辆i的参考合流时间T1i为其保持匀速行驶所抵达匝道口合流处的时间，依据下式(1)计算得到：进一步地，步骤2中的每辆智能网联车辆i的最早合流时间T2i为先以最大加速度aM加速至最大限速vM、而后匀速行驶所抵达匝道口合流处的时间，依据下式(2)计算得到：进一步地，步骤2中的每辆智能网联车辆i的实际合流时间Ti的初值可以选取为不小于最早合流时间T2i的任意值，则有下式(3)：Ti≥T2i(3)。进一步地，步骤2中的每辆智能网联车辆i的实际合流时间Ti的初值在交通流稀疏的情形下按照下式(4)确定：T1i≥Ti≥T2i(4)。本专利技术还提供一种基于合流时间优化的匝道合流协同控制系统，该系统包括：采集装置，其用于采集智能网联车辆i驶入匝道合流区域时的当前时刻ti、当前速度υi、距匝道口合流处距离di、最大限速vM和最大加速度aM；其中，所述匝道合流区域为沿主路的中心线和沿匝道的中心线与该匝道口合流处的预设距离范围内，主路上驶入该匝道合流区域的智能网联车辆形成本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于合流时间优化的匝道合流协同控制方法，其特征在于，包括：/n步骤1，将沿主路的中心线和沿匝道的中心线与该匝道口合流处的预设距离范围内设置为匝道合流区域，主路上驶入该匝道合流区域的智能网联车辆形成的一个车流与匝道上驶入该匝道合流区域的智能网联车辆形成的另一个车流在匝道口合流处开始合流为一个车流，按照各个智能网联车辆驶入匝道合流区域的先后顺序进行编号，该编号用i予以表示；/n步骤2，当智能网联车辆i驶入匝道合流区域时，其依据当前时刻t

【技术特征摘要】
1.一种基于合流时间优化的匝道合流协同控制方法，其特征在于，包括：
步骤1，将沿主路的中心线和沿匝道的中心线与该匝道口合流处的预设距离范围内设置为匝道合流区域，主路上驶入该匝道合流区域的智能网联车辆形成的一个车流与匝道上驶入该匝道合流区域的智能网联车辆形成的另一个车流在匝道口合流处开始合流为一个车流，按照各个智能网联车辆驶入匝道合流区域的先后顺序进行编号，该编号用i予以表示；
步骤2，当智能网联车辆i驶入匝道合流区域时，其依据当前时刻ti、当前速度vi、距匝道口合流处距离di、最大限速vM和最大加速度aM，计算抵达匝道口合流处的参考合流时间T1i、最早合流时间T2i和实际合流时间Ti；
步骤3，每辆智能网联车辆i利用无线通信将自身的身份编号i、位置信息pi及行驶至匝道口合流处的实际合流时间Ti信息向其它智能网联车辆j进行广播；
步骤4，每辆智能网联车辆i利用其所接收到的其它智能网联车辆j所广播的实际合流时间Tj，构造由下式(5)所表示的每辆智能网联车辆i实际合流时间Ti的优化问题Pi；



式(5)中，fi(T)为代价函数；T为所有的智能网联车辆的实际合流时间，表示为T＝[T1，T2，...，TN]；每辆智能网联车辆i具有合流时间权重系数w1i和w2i，w1i≥0和w2i≥0，若倾向于匀速行驶提升舒适性和经济性，则可以提高权重系数w1i；若倾向于更快地通过交叉路口，则可以提高权重系数w2i；g1(·)和g2(·)为任意光滑单调增函数或二次函数；Ωi为实际合流时间的取值集合，由下式(6)表示：



式(6)中，T2i-Ti≤0表示要求智能网联车辆i在其最早合流时间T2i之后抵达匝道口合流处；Ti-k+To，i-k-Ti≤0表示要求智能网联车辆i在其车道前方的智能网联车辆i-k之后抵达匝道口合流处；To，i-k为智能网联车辆i-k占据匝道口合流处的时间；Ti-1-Ti≤0表示要求智能网联车辆i在智能网联车辆i-1之后抵达匝道口合流处；
步骤5，每辆智能网联车辆i基于所构造的优化问题Pi，与其它智能网联车辆j不断通信，并更新自身的实际合流时间Ti，直至收敛；
步骤6，每辆智能网联车辆i的实际合流时间Ti收敛后，即控制自车速度于Ti时刻通过匝道口合流处。


2.如权利要求1所述的基于合流时间优化的匝道合流协同控制方法，其特征在于，步骤5具体包括：
记智能网联车辆i对智能网联车辆j实际合流时间的估计为设待合流的智能网联车辆的总数为N，则其对所有待合流的智能网联车辆实际合流时间的估计表示为智能网联车辆j的估计为则依据式(7)或式(10)不断更新其取值：






式(7)和式(10)中，aij取1或0，aij＝1表示智能网联车辆i可以获取智能网联车辆j的信息，aij＝0表示智能网联车辆i无法获取智能网联车辆j的信息；为集合Ωi在处的切锥；为将括号内的参数·投影到集合的投影算子；为将其括号内的参数投影到集合Ωi的投影算子，α(t)应满足且limt→∞α(t)＝0；μi为智能网联车辆i的拉格朗日乘子，其表示为式(8)；μj为智能网联车辆j的拉格朗日乘子，其表示为式(9)；ei是第i个元素为1、其它元素为0的N维单位向量；为ei的转置；表示函数fi(·)的梯度；αs＞0为任意常数；






当上述取值更新收敛时，有则实际合流时间Ti即取为


3.如权利要求1或2所述的基于合流时间优化的匝道合流协同控制方法，其特征在于，步骤2中的每辆智能网联车辆i的参考合流时间T1i为其保持匀速行驶所抵达匝道口合流处的时间，依据下式(1)计算得到：





4.如权利要求3所述的基于合流时间优化的匝道合流协同控制方法，其特征在于，步骤2中的每辆智能网联车辆i的最早合流时间T2i为先以最大加速度aM加速至最大限速vM、而后匀速行驶所抵达匝道口合流处的时间，依据下式(2)计算得到：





5.如权利要求4所述的基于合流时间优化的匝道合流协同控制方法，其特征在于，步骤2中的每辆智能网联车辆i的实际合流时间Ti的初值可以选取为不小于最早合流时间T2i的任意值，则有下式(3)：
...

【专利技术属性】
技术研发人员：边有钢，王晓伟，谢国涛，徐彪，秦晓辉，杨泽宇，胡展溢，孟天闯，胡满江，钟志华，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京;11