一种面向事故风险改善的高速公路合流区协同控制方法技术

本发明专利技术公开了一种面向事故风险改善的高速公路合流区协同控制方法，属于交通安全与智能交通管理控制领域。该方法基于车路协同环境下的高速公路合流区，通过对网联车辆实施优化控制策略，对参与合流的所有车辆进行队列顺序与汇入时序调整，实现车辆合流过程中的均匀有序分布和汇入；在合理范围内构建以最小化加速度与急动度为目标的优化模型，优化车辆合流过程行驶轨迹，防止速度突变，平滑加速度变化情况，减少车辆换道变速行为引发的事故风险。本发明专利技术提出的方法在保证通行能力的前提下，有效降低了合流过程中的潜在事故风险，提升了高速公路合流区的安全保障水平与运行效率。公路合流区的安全保障水平与运行效率。公路合流区的安全保障水平与运行效率。

【技术实现步骤摘要】
一种面向事故风险改善的高速公路合流区协同控制方法


[0001]本专利技术属于高速公路交通安全技术与智能交通管理控制领域，尤其涉及一种面向事故风险改善的高速公路合流区协同控制方法。

技术介绍

[0002]高速公路合流区是匝道车辆汇入主线的路段，合流区内换道数量相比基本路段大幅增加。由于换道行为会引起交通流运行混乱，导致交通事故频发、高发，且合流区具有车流轨迹交错、事故风险大等特点，因此需要更为完善的智能主动的交通管理控制手段，从而保障合流区运行安全水平，降低事故风险。
[0003]近年来，以车路协同与智能网联为代表的新型智能交通系统正蓬勃发展。车路协同技术具备信息共享与联动控制的功能，其中车辆和道路基础设施均被融入一体化“云网”之中，决策中心不仅能够实时地进行信息交互获取车路运行状态，还可以实现对控制区段内任意车辆及整个车流进行协同控制。车路协同技术从根本上解决了交通信息交互盲区、车辆行驶随机性大、单车控制性能瓶颈限制等问题，为提升高速公路合流区的安全保障水平，提供了新的问题解决思路与技术实施方案。
[0004]目前，将车路协同技术应用于高速公路合流区交通安全管理的研究相对缺乏，对于网联车辆的交通状态机理、交通事故风险研究也不够深入，传统的高速公路合流区通行安全保障管理技术对于车路协同环境下的适应性不足。因此如何应用车路协同环境的技术优势开展高速公路合流区事故风险优化控制研究，成为亟待解决的问题。

技术实现思路

[0005]本专利技术所要解决的技术问题：提供一种面向事故风险改善的高速公路合流区协同控制方法，通过将车路协同技术运用于高速公路合流区事故风险路段，对行驶车辆实施集中式的协同控制策略，实现车辆合流过程中的均匀有序分布和行驶轨迹优化，减少速度突变情况，降低换道事故风险，提升交通效率。
[0006]本专利技术为解决以上技术问题而采用以下技术方案：
[0007]本专利技术提出的一种面向事故风险改善的高速公路合流区协同控制方法，包括以下步骤：
[0008]S1、获取道路基础设施信息与车辆信息。
[0009]S2、确定车队初始合流序列。
[0010]S3、车队合流序列优化，设置主线车辆与匝道车辆为同一通行优先级，利用车路互联通信功能，调整车辆行驶速度与跟驰时距，构建汇入时序与间隔优化模型。
[0011]S4、利用汇入时序与间隔优化模型，计算每辆控制车辆预计到达合流点的时间，根据该时间对合流车辆进行排序，形成车队合流序列，网联车获取预计的合流时间。
[0012]S5、在对合流车辆序列进行顺序优化与预计合流时间的基础上，优化合流车辆的纵向行驶轨迹，给出合理的系统控制策略输入值，构建车辆行驶轨迹优化模型。
[0013]S6、采用最优控制理论中的变分法，在给定初始与合流时刻位置与速度的前提下，利用车辆行驶轨迹优化模型获得使目标函数最小的加速度与急动度曲线。视该优化问题为无约束模型，使用极值法求解运动状态控制优化问题。
[0014]进一步的，所述步骤S1中，收集当前高速公路合流区内道路基础设施信息、重要交通流参数与车辆运动状态信息；确定单位控制时长，自动获取该单位控制时长内所有合流车辆的状态信息并实时记录更新。实时传输信息进行交通决策与车辆状态信息更新交互。
[0015]进一步的，所述步骤S2中，确定车队初始合流序列的具体内容为：对于单位控制时长内处于协同控制区内的合流车辆；采用先到先服务原则，根据车辆进入协同控制区的时间顺序给予每一辆车唯一序号。车辆越早进入系统控制区，标号越小，随后依次增大。
[0016]进一步的，所述步骤S3中，构建汇入时序与间隔优化模型的具体步骤如下：
[0017]S301、在保证车辆安全间距的前提下，通过对车辆的汇入序列进行优化，充分利用各车道的通行间隙，以实现最优的汇入顺序，减少不同车道车辆轨迹连续交叉引起的侧向冲突。
[0018]限制车辆到达合流点结束协同控制时最终状态下的速度与加速度设定为预设值，作为参数输入，优化车辆从进入协同控制区到合流点所需要的时间，将车辆到达合流点的时刻作为优化变量，得到充分利用车辆间的通行间隙，确定合流序列优化目标，具体公式如下：
[0019][0020]其中，i是车辆在先到先服务规则下进入协同控制区时获得的唯一编号，为区分来自不同车道的车辆；n为参与控制车辆的总数；为车辆进入协同控制区的时刻；为车辆到达合流点的时刻，将其作为变量。
[0021]S302、确定合流序列优化限制条件，对车辆到达合流点的时间设定下限，避免在前后车辆的车头时距较大的情况下，车辆以短时间合流导致车辆的速度急变以及与车头时距的突然缩小的情况，造成事故风险。具体公式如下：
[0022][0023][0024]其中，h
d
是控制车辆i与前车车辆i
‑
1的车头时距，L是协同控制区的长度，a
max
为车辆动力的最大加速度，是车辆进入合流区的速度，v
max
是车辆的最大速度，是车辆从进入协同控制区开始到达合流点的最短时间。
[0025]还需考虑车辆在跟驰与换道时与前车的安全距离，应有两车通过合流点的时间差大于两车间的安全车头时距，在前后车辆处于相同车道或不同车道的时，对于车辆到达时间的约束公式如下：
[0026][0027][0028]其中，h1为处于同一车道状态下的安全跟车时距；h2为处于不同车道时考虑安全换道时间的跟车时距，h2在数值上应大于h1；Z(t)为当前时刻与车辆i位于同一车道的所有车辆集合，Η(t)为与车辆i处于不同车道的所有车辆集合。
[0029]S303、将合流最优序列的求解问题转化为将车辆到达合流点的时刻作为优化变量的整数线性规划模型，根据步骤S301和S302，设定优化时间窗口为T，对于处在T内的车辆，构建的汇入时序与间隔优化模型如下所示：
[0030][0031][0032]其中，n是第k个控制时间单元T中的第一辆车。
[0033]进一步的，所述步骤S4中，将车辆进入合流区的时刻与按照汇入时序与间隔优化模型设定的安全跟车时距值作为约束条件，将上述参数输入MATLAB的整数规划求解器，计算得到每辆控制车辆预计到达合流点的时间，将合流车辆按照预计到达合流点的时间进行排序，形成优化后的车队合流序列。
[0034]进一步的，所述步骤S5中，构建车辆行驶轨迹优化模型的具体步骤如下：
[0035]S501、选用加速度描述车辆的速度变化情况，选用急动度作为控制系统对调整车辆运动状态的输入值，利用加速度与急动度平方项指标的线性组合形式，取加速度和急动度的平方值以避免车辆行驶过程中其加速度和急动度的数值变化有正有负，获得面向降低车辆换道速度变化潜在风险的行驶轨迹优化函数，具体公式为：
[0036][0037]其中，为当前被控制车辆i进入协同控制区的时间，为车辆到达合流点的时间，a
i
(t)为车辆加速度，j
i
(t)为急动度。<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种面向事故风险改善的高速公路合流区协同控制方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、获取道路基础设施信息与车辆信息；S2、确定初始车队合流序列；S3、设置主线车辆与匝道车辆为同一通行优先级，利用车路互联通信功能，调整车辆行驶速度与跟驰时距，构建汇入时序与间隔优化模型；S4、利用汇入时序与间隔优化模型，计算每辆控制车辆预计到达合流点的时间，根据该时间对合流车辆进行排序，形成车队合流序列，网联车获取预计的合流时间；S5、优化合流车辆的纵向行驶轨迹，构建车辆行驶轨迹优化模型；S6、采用最优控制理论中的变分法，在给定初始与合流时刻位置、速度的前提下，利用车辆行驶轨迹优化模型获得加速度与急动度曲线。2.根据权利要求1所述的面向事故风险改善的高速公路合流区协同控制方法，其特征在于，所述步骤S1中，收集当前高速公路合流区内道路基础设施信息、重要交通流参数与车辆运动状态信息；确定单位控制时长，自动获取该单位控制时长内所有合流车辆的状态信息并实时记录更新；实时传输信息进行交通决策与车辆状态信息更新交互。3.根据权利要求1所述的面向事故风险改善的高速公路合流区协同控制方法，其特征在于，所述步骤S2中，确定车队初始合流序列的具体内容为：对于单位控制时长内处于协同控制区内的合流车辆；采用先到先服务原则，根据车辆进入协同控制区的时间顺序给予每一辆车唯一序号；车辆越早进入系统控制区，标号越小，随后依次增大。4.根据权利要求1所述的面向事故风险改善的高速公路合流区协同控制方法，其特征在于，所述步骤S3中，构建汇入时序与间隔优化模型的具体步骤如下：S301、限制车辆到达合流点结束协同控制时最终状态下的速度与加速度设定为预设值，作为参数输入，优化车辆从进入协同控制区到合流点所需要的时间，将车辆到达合流点的时刻作为优化变量，获得合流序列优化目标，具体公式如下：其中，i是车辆在先到先服务规则下进入协同控制区时获得的唯一编号，n为参与控制车辆的总数，为车辆进入协同控制区的时刻，为车辆到达合流点的时刻；S302、确定合流序列优化限制条件，对车辆到达合流点的时间设定下限，具体公式如下：下：其中，h
d
是控制车辆i与前车车辆i
‑
1的车头时距，L是协同控制区的长度，a
max
为车辆动力的最大加速度，是车辆进入合流区的速度，v
max
是车辆的最大速度，是车辆从
进入协同控制区开始到达合流点的最短时间；当前后车辆处于相同车道或不同车道的时，对于车辆到达时间的约束公式如下：当前后车辆处于相同车道或不同车道的时，对于车辆到达时间的约束公式如下：其中，h1为处于同一车道状态下的安全跟车时距，h2为处于不同车道时考虑安全换道时间的跟车时距，Z(t)为当前时刻与车辆i位于同一车道的所有车辆集合，Η(t)为与车辆i处于不同车道的所有车辆集合；S303、设定优化时间窗口为T，对于处在T内的车辆，构建的汇入时序与间隔优化模型如下所示：下所示：其中，n表示第k个控制时间单元T中的第一辆车。5.根据权利要求1所述的面向事故风险改善的高速公路合流区协同控制方法，其特征在于，所述步骤S4中，将车辆进入合流区的时刻与按照汇入时序与间隔优化模型设定的安全跟车时距值作为约束条件，输入到MATLAB的整数规划求解器中，计算每辆控制车辆预计到达合流点的时间，根据该时间对合流车辆进行排序，形成车队合流序列。6.根据权利要求1所述的面向事故风险改善的高速公路合流区协同控制方法，其特征在于，所述步骤S5中，构建车辆行驶轨迹优化模型的具体步骤如下：S501、利用加速度与急动度平方项指标的线性组合形式，取加速度和急动度的平方值，获得行驶轨迹优化函数，具体公式为：其中，为当前控制车辆i进入协同控制区的时间，...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐铖铖，卢毅恒，刘攀，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：