一种异质交通流合流区换道时机判别及主动安全控制方法技术

本发明专利技术属于交通控制系统领域，具体提供一种异质交通流合流区换道时机判别及主动安全控制方法，包括以下步骤：获取道路上车辆的运行信息及驾驶员信息；构建安全场模型；构建基于安全势场的最小换道距离模型；构建基于安全势场的行车安全指标；合流区上游早期的自由换道；合流区加速车道的强制换道与合作换道。本发明专利技术结合现有合流区等重点场景交通冲突矛盾复杂、换道合并策略单一、行车安全指标缺乏等问题，综合道路环境和车辆运动状态因素，以安全势能及势能变化率等标量测度换道目标位置风险，构建了以行车安全指数换道安全评价指标为核心的多车组合换道控制策略，以此判断安全换道时机。换道时机。换道时机。

【技术实现步骤摘要】
一种异质交通流合流区换道时机判别及主动安全控制方法


[0001]本专利技术属于交通控制系统领域，具体涉及一种异质交通流合流区换道时机判别及主动安全控制方法。

技术介绍

[0002]随着自动驾驶技术和通信技术的快速发展，未来网联自动驾驶车辆（Connected and Autonomous Vehicle, CAV）在完成全面部署之前，将和人工驾驶车辆（Human
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Driven Vehicles, HDV）长期并存，深入探索其异质交通流的跟驰和换道等微观交通行为特性和机理对提高混行交通系统的交通安全和通行效率至关重要。高速公路匝道合流固有的混沌性被认为是交通事故和拥堵的主要成因之一。在高速公路合流区这种复杂的交通系统中，不同类型车辆的换道行为较之跟驰行为对道路交通安全以及道路通行效率影响更为显著。目前跟驰行为已经有相对成熟的理论，而对于换道行为的研究则相对较少。
[0003]现有环境场的变量为车辆到道路边界与标线的横向距离，在不发生道路条件变化时能较好的描述环境设施与法律法规对车辆行为的限制。但合流区存在加速车道，加速车道是一段长约150m至200m的连接高速公路与匝道的车道，匝道合并车辆从匝道驶入高速公路，经加速车道加速后必须强制换道至主线车道。采用现有的环境场模型会增加未换道成功的车辆数，而未换道成功的匝道合并车辆只能在加速车道末端停车等待，避开高峰车流等待合并换道机会，此时车辆将承受较大的行车风险，与实际的换道情形不符。现有技术中针对早期换道的理论创新，在换道最小距离模型方面，例如中国专利CN 111338385 A公开了一种基于GRU网络模型与Gipps模型融合的车辆跟驰方法，普遍采用椭圆、Gipps等换道最小距离模型、其临界安全距离或是定值、或是只考虑了速度，但是加速度、偏航角、质量、侧向碰撞等因素对真实的换道最小距离的影响也是至关重要的，忽略上述因素导致计算的换道最小距离不符合实际，严重降低了在不同速度、加速度等因素下车辆的行车安全性。
[0004]针对主动安全措施——合流区多车组合换道控制策略，在行车风险指标构建方面，例如，中国专利CN 102745194 B公开的一种高速公路汽车防追尾前车的自适应报警方法；中国专利CN 115447572 A公开的一种车辆紧急制动控制方法；中国专利CN 105243876 B公开的一种用于互通立交的交通冲突严重性分析方法，主要采用碰撞时间TTC、后侵入时间PET、避免碰撞减速度DRAC等指标衡量车辆行驶过程的风险，这些指标在一定程度上可以表征行车风险，但指标所使用的参数较为单一，且考虑的外在交通环境多为常规环境，安全指标的可解释性较弱。

技术实现思路

[0005]为解决
技术介绍
中存在的问题，本专利技术提供一种异质交通流合流区换道时机判别及主动安全控制方法。
[0006]本专利技术的技术方案如下：一种异质交通流合流区换道时机判别及主动安全控制方法，包括以下步骤：
步骤S1：获取道路上车辆的运行信息及驾驶员信息；运行信息包括CAV车辆和HDV车辆的运动状态参数，具体为：CAV车辆的速度、加速度、偏航角、质量、位置，HDV车辆的速度、质量、位置；驾驶员信息参数包括：驾驶员道路视野与能见度、驾驶员驾驶经验、驾驶员对CAV行车环境与CAV车辆的信任程度；步骤S2：利用以上信息构建车辆和环境的安全场模型，车辆安全场模型包括CAV车辆安全场模型和HDV车辆安全场模型；环境安全场模型包括主线车道环境安全场模型和加速车道环境安全场模型，通过构建出的安全场模型得到CAV车辆场场强、HDV车辆场场强、主线车道环境场场强、加速车道环境场场强；步骤S3：基于安全势场构建最小换道距离模型，包括以下三种：A：换道CAV与自车车道前车的换道最小安全距离，公式为：；B：换道CAV与目标车道前车的换道最小安全距离，公式为：；C：换道CAV与目标车道后车的换道最小安全距离，公式为：；式中：,,,分别为车辆,,,换道结束时行驶的距离；,,,为车辆,,,的车辆长度；为车辆的宽度；与为车辆与在碰撞点后的车辆安全场范围；与为车辆与在碰撞点前的车辆安全场范围；为车辆的车辆安全场范围半径；为两车最小临界间距；为换道车辆与道路水平方向夹角，即车辆安全势场模型逆时针偏转航向角；步骤S4：基于安全势场构建行车安全指标，包括CAV车辆场力、HDV车辆场力、势能以及行车风险指标；步骤S5：在合流区上游早期进行自由换道的时机判别；通过两个约束条件来进行换道控制：一是判断换道车辆是否分别满足与前车、目标车道后车、目标车道前车的换道最小安全距离；二是判断目标车道前后车是否存在CAV车辆；步骤S6：根据合流区上游早期进行自由换道的时机判别结果进行主动安全控制；步骤S7：在合流区加速车道进行强制换道与合作换道的时机判别；通过两个约束条件来进行换道控制，一是判断换道车辆是否分别满足其与前车、目标车道后车、目标车道前车的换道最小安全距离；二是判断假设换道车辆在目标车道以相同状态行驶时的行车风险指数是否小于以相同状态直线行驶时车辆的行车风险指数；步骤S8：根据合流区加速车道进行强制换道与合作换道的时机判别结果进行主动
安全控制。
[0007]作为本专利技术的优选，所述加速车道环境安全场模型选取势场理论的排斥势构建，以定量表征道路条件变化中车道数目减少对车辆行车安全的影响，公式为：；式中：为道路标线与边界风险场的风险系数；为车辆到加速车道末端的矢量距离。
[0008]作为本专利技术的优选， 所述CAV车辆场力公式为：；式中：为后车行驶速度，为待定系数，为前车的场强，为前车对后车造成的场力。
[0009]作为本专利技术的优选，所述HDV车辆场力公式为：；后车F所受安全场场强：；上式继续；整理可得：；上式继续；其中，，，；式中：为车辆速度，为两车伪距离在行驶方向的分量，、、为待定系数，、分别为前后车的质量、为前车场强、为前后跟驰两车车头间距、为前车车辆长度、为驾驶员心理承受度。
[0010]作为本专利技术的优选，选取安全场的势能与势能随时间的变化率代替场力表征车辆的行车风险，公式为：；式中：为车辆所受的场力值；为车辆指向场源的距离矢量，为车辆的速度；为车辆的速度；基于对场力公式的推导，构建针对环境安全场与车辆安全场的势能模型，公式为：
；式中， 为CAV车辆所受的场力；为HDV车辆所受的场力；对于环境安全势场，场源对车辆产生场力的矢量距离为真实距离，而车辆安全势场，不同车辆对目标车辆的影响距离为伪距离。
[0011]作为本专利技术的优选，构建行车风险指标：；式中：为车辆在安全势场内所受安全势能之和；为车辆在安全势场内所受安全势能随时间的变化率；采用加权方式对环境安全势场与车辆安全势场综合描述，公式为：；式中：与分别为环境安全场与车辆安全场对车辆造成风险的权重因子，为环境场产生的势能加和，为车辆场产生的势能加和。
[0012]作为本专利技术的优选，合流区上游早期进行自由换道的主动安全控制方法如下：S6.1：当车辆进入合流区上游一定区域时，系统收集所有车辆运行信息和驾驶人的信息，根据主线车本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种异质交通流合流区换道时机判别及主动安全控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S1：获取道路上车辆的运行信息及驾驶员信息；运行信息包括CAV车辆和HDV车辆的运动状态参数，具体为：CAV车辆的速度、加速度、偏航角、质量、位置，HDV车辆的速度、质量、位置；驾驶员信息参数包括：驾驶员道路视野与能见度、驾驶员驾驶经验、驾驶员对CAV行车环境与CAV车辆的信任程度；步骤S2：利用以上信息构建车辆和环境的安全场模型，车辆安全场模型包括CAV车辆安全场模型和HDV车辆安全场模型；环境安全场模型包括主线车道环境安全场模型和加速车道环境安全场模型，通过构建出的安全场模型得到CAV车辆场场强、HDV车辆场场强、主线车道环境场场强、加速车道环境场场强；步骤S3：基于安全势场构建最小换道距离模型，包括以下三种：A：换道CAV与自车车道前车的换道最小安全距离，公式为：；B：换道CAV与目标车道前车的换道最小安全距离，公式为：；C：换道CAV与目标车道后车的换道最小安全距离，公式为：；式中：,,,分别为车辆,,,换道结束时行驶的距离；,,,为车辆,,,的车辆长度；为车辆的宽度；与为车辆与在碰撞点后的车辆安全场范围；与为车辆与在碰撞点前的车辆安全场范围；为车辆的车辆安全场范围半径；为两车最小临界间距；为换道车辆与道路水平方向夹角，即车辆安全势场模型逆时针偏转航向角；步骤S4：基于安全势场构建行车安全指标，包括CAV车辆场力、HDV车辆场力、势能以及行车风险指标；步骤S5：在合流区上游早期进行自由换道的时机判别；通过两个约束条件来进行换道控制：一是判断换道车辆是否分别满足与前车、目标车道后车、目标车道前车的换道最小安全距离；二是判断目标车道前后车是否存在CAV车辆；步骤S6：根据合流区上游早期进行自由换道的时机判别结果进行主动安全控制；步骤S7：在合流区加速车道进行强制换道与合作换道的时机判别；通过两个约束条件来进行换道控制，一是判断换道车辆是否分别满足其与前车、目标车道后车、目标车道前车的换道最小安全距离；二是判断假设换道车辆在目标车道以相同状态行驶时的行车风险指数是否小于以相同状态直线行驶时车辆的行车风险指数；
步骤S8：根据合流区加速车道进行强制换道与合作换道的时机判别结果进行主动安全控制。2.根据权利要求1所述的一种异质交通流合流区换道时机判别及主动安全控制方法，其特征在于，所述加速车道环境安全场模型选取势场理论的排斥势构建，以定量表征道路条件变化中车道数目减少对车辆行车安全的影响，公式为：；式中：为道路标线与边界风险场的风险系数；为车辆到加速车道末端的矢量距离。3.根据权利要求2所述的一种异质交通流合流区换道时机判别及主动安全控制方法，其特征在于， 所述CAV车辆场力公式为：；式中：为后车行驶速度，为待定系数，为前车的场强，为前车对后车造成的场力。4.根据权利要求3所述的一种异质交通流合流区换道时机判别及主动安全控制方法，其特征在于，所述HDV车辆场力公式为：；后车F所受安全场场强：；上式继续；其中，；整理可得：；上式继续；其中，；式中：为车辆速度，为两车伪距离在行驶方向的分量，、、为待定系数，、分别为前后车的质量、为前车场强、为前后跟驰两车车头间距、为前车车辆长度、为驾驶员心理承受度。5.根据权利要求4所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙宝凤，宋佳，王薇，马国栋，周户星，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：