一种网联车辆协同换道集中式控制方法技术

本发明专利技术公开了一种网联车辆协同换道集中式控制方法，针对城市交叉口进口车道，首先采集并输入交叉口的信息，包括车道数、车道宽度、换道区域长度等，并将换道区域离散化分为若干网格，并建立直角坐标系；然后采集各进口道上的车辆信息，包括车辆数、初始车道位置、目标车道位置、进入和离开换道区域的时间等。以换道区域内所有车辆换道次数最小为目标函数，分别针对车辆在x轴向行驶和y轴向换道设置约束条件，并以每个网格每一步只被一辆车占用为安全约束，建立集中式控制换道模型，计算每辆车的行驶方案。本发明专利技术方法通过统一规划换道区域内所有车辆的行驶轨迹，发挥智能网联车辆协作能力，实现协同换道，提高换道效率，降低换道风险。险。险。

【技术实现步骤摘要】
一种网联车辆协同换道集中式控制方法


本专利技术属于智能交通和交通信息及控制系统领域，涉及车辆协同换道
，更具体地说，涉及一种网联车辆协同换道集中式控制方法。

技术介绍

跟驰和换道是交通中最基本的驾驶行为。与跟驰行为仅考虑同一车道上前后车的运动状态不同，换道行为不仅要考虑同一车道上前后车的运动状态，还需要考虑相邻车道上的车辆运行状态，以此为依据做出换道的决策，因此换道行为更为复杂。根据车辆换道目的不同，可以将换道行为分为自由换道、强制换道两类，其中自由换道行为主要是为了追求更高的行驶速度，而强制性换道行为是为了按照目标路线行驶，强制换道多发生在匝道和交叉口进口道，如在交叉口进口道的车辆根据行驶路径不同，在进入交叉口前需要提前换道至目标车道。与自由变道相比，强制变道对交通流量和道路安全的负面影响通常更为明显，强制换道执行不当是导致交通拥堵甚至发生交通事故的主要原因。因此，如何实现安全高效的换道是交通控制中亟待解决的问题。智能网联车辆技术的出现为车辆换道的研究提供了新的契机。车辆间相互通信、协作驾驶，可以提高交通效率、改善驾驶体验。在协同换道中，车辆之间需要密切合作，协调做出换道决策并执行。现有研究中，换道模型可分为单车换道模型和多车辆换道模型两类。其中，针对单车换道规划方法的研究较多，每次只针对一辆车，首先确定换道意图，通过与周围车辆通信，获取周围车辆行驶状态，确实是否具有换道条件(即满足跟驰约束和可换道间隙)，最后完成换道或继续在当前车道行驶，如果不止一辆车具有换道意图，则将单车换道过程按一定顺序(如先到先服务或划分优先级)连续执行多次。但一次只考虑一辆车执行变道操作，其他车辆在原车道行驶。这种换道方式虽然能够利用智能网联车辆通信技术提高换道的安全性，但未能充分发挥智能网联车辆之间的合作能力(如通过加减速等为换道车辆创造换道条件等)。考虑到单车换道模型仅考虑当前换道车辆并单向决策的不足，部分研究学者通过博弈论对车辆换道问题展开研究，博弈论结合了换道车辆和目标车道上后车的行为做出决策，其中一个决策者的决策结果取决于另一个决策者的行为。换道车辆与目标车道后车的博弈大多被视为非合作博弈，通过设计不同的收益函数、实现车辆在纳什均衡下的行为决策。基于上述分析可知，已有换道研究较多，且均取得了较好的研究成果。但现有换道研究主要根据车辆通信确定可换道间隙决定是否换道，或通过非合作博弈做出换道决策，未能通过集中式控制车辆换道，充分发挥智能网联车辆的协同优势。因此，本专利技术提出了一种网联车辆协同换道集中式控制方法。该方法根据所有车辆的初始状态、目标状态集中优化，确定从初始状态到目标状态的转变过程(包括跟驰和换道)。考虑到换道对交通流的负面影响，控制方法以所有车辆换道次数最小优化目标，以换道车辆最终到达目标车道、车辆行驶满足安全约束等为约束条件，建立集中式优化模型。

技术实现思路

技术问题：针对现有协同换道模型未能充分发挥智能网联车辆之间协作能力(如集中控制周围车辆为换道车辆加速/减速等创造换道条件等)的不足，换道控制中缺乏对所有车辆集中考虑，规划车辆轨迹实现协同换道，因此本专利技术的目的是提供一种网联车辆协同换道集中式控制方法，通过优化换道区域所有车辆的行驶轨迹完成换道任务，实现系统最优的控制效果，降低车辆换道对交通流的影响，提高换道效率。技术方案：为解决上述技术问题，本专利技术的智能网联车辆路段上协同换道方法，包括如下步骤：步骤1：首先，采集交叉口的信息，交叉口各方向编号用o表示，东西南北四个方向分别由E,W,S,N表示，o∈{E,W,S,N}；o进口方向的车道数为m
o
，换道区域路段长度为D
o
，每条车道的宽度为d，将路段划分为若干个网格，网格的宽度与车道的宽度相同，均为d，网格的长度为l，在路段上建立直角坐标系，x轴与路段平行，y轴与路段垂直，坐标原点在换道区域的起点，由A
o
表示x轴向网格编号的集合，A
o
＝{1,2,
…
,D
o
/l}，由B
o
表示车道编号的集合，B
o
＝{1,2,
…
,m
o
}；G
o
表示网格的集合，网格编号(a,b)，其中a∈A
o
，b∈B
o
；其次，采集车辆信息，o进口方向的路段上有I
o
辆车，车辆用i表示，i∈I
o
，有C
o
辆车需要换道，换道车辆用c表示，c∈C
o
，车辆i的初始车道用l
i
表示，车辆i的目标车道用L
i
表示；车辆进入换道区域的时间用t
i
表示，时间步长用Δt表示；车辆i到停车线所走的步数用K
i
表示，车辆到达交叉口的时刻用T
i
表示；Ω
i
＝{t
i
/Δt,
…
,T
i
/Δt}，表示车辆i在换道区域行驶步数的集合；车辆换道有助于前车为其他车辆让行，或者后车超越前车，但考虑到车辆频繁换道会增加对其他车辆的干扰，因此以所有车辆换道次数最小为目标，建立公式(1)的目标函数，优化所有车辆在换道区域的行驶轨迹公式中，c
i,k
为二元变量，c
i,k
＝1表示车辆i在第k步换道，否则c
i,k
＝0；步骤2：设置车辆在x轴向行驶的控制方法；步骤3：设置车辆在y轴向换道的控制方法；步骤4：以换道区域内每个网格在每一步只能被一辆车占用为条件建立安全约束。步骤2中，车辆在x轴向行驶的控制方法，包括如下步骤：步骤21：由于不是每辆车都在k＝0步进入换道区域，车辆在进入换道区域前的所有步中不会占用换道区域的网格，约束如公式(2)
‑
(3)所示，在t
i
时刻进入换道区域，约束如公式(4)
‑
(5)所示：(5)所示：(5)所示：(5)所示：公式中，x
i,k,a
为二元变量，x
i,k,a
＝1表示车辆i第k步在a位置，否则x
i,k,a
＝0；y
i,k,b
为二元变量，y
i,k,b
＝1表示车辆i第k步在b车道，否则y
i,k,b
＝0；l
i
表示车辆i的初始车道；I
o
表示o进口方向所有车辆的集合；a表示o进口方向网格x轴位置编号，a∈A
o
；b表示车道编号，b∈B
o
；
车辆在K
i
步到达停车线，K
i
表示车辆i到停车线所走的步数；换道车辆换道至目标车道，约束如公式(6)
‑
(7)所示：(7)所示：公式中，C
o
表示o进口方向换道车辆集合；L
i
表示车辆i的目标车道；T
i
表示车辆到本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种网联车辆协同换道集中式控制方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：步骤1：首先，采集交叉口的信息，交叉口各方向编号用o表示，东西南北四个方向分别由E,W,S,N表示，o∈{E,W,S,N}；o进口方向的车道数为m
o
，换道区域路段长度为D
o
，每条车道的宽度为d，将路段划分为若干个网格，网格的宽度与车道的宽度相同，均为d，网格的长度为l，在路段上建立直角坐标系，x轴与路段平行，y轴与路段垂直，坐标原点在换道区域的起点，由A
o
表示x轴向网格编号的集合，A
o
＝{1,2,
…
,D
o
/l}，由B
o
表示车道编号的集合，B
o
＝{1,2,
…
,m
o
}；G
o
表示网格的集合，网格编号(a,b)，其中a∈A
o
，b∈B
o
；其次，采集车辆信息，o进口方向的路段上有I
o
辆车，车辆用i表示，i∈I
o
，有C
o
辆车需要换道，换道车辆用c表示，c∈C
o
，车辆i的初始车道用l
i
表示，车辆i的目标车道用L
i
表示；车辆进入换道区域的时间用t
i
表示，时间步长用Δt表示；车辆i到停车线所走的步数用K
i
表示，车辆到达交叉口的时刻用T
i
表示；Ω
i
＝{t
i
/Δt,
…
,T
i
/Δt}，表示车辆i在换道区域行驶步数的集合；以所有车辆换道次数最小为目标，建立公式(1)的目标函数，集中式优化和控制所有车辆在换道区域的行驶轨迹：公式中，c
i,k
为二元变量，c
i,k
＝1表示车辆i在第k步换道，否则c
i,k
＝0；步骤2：设置车辆在x轴向行驶的控制方法；步骤3：设置车辆在y轴向换道的控制方法；步骤4：以换道区域内每个网格在每一步只能被一辆车占用为条件建立安全约束。2.根据权利要求1所述的一种网联车辆协同换道集中式控制方法，其特征在于，所述步骤2中，车辆在x轴向行驶的控制方法，包括如下步骤：步骤21：由于不是每辆车都在k＝0步进入换道区域，车辆在进入换道区域前的所有步中不会占用换道区域的网格，约束如公式(2)
‑
(3)所示，在t
i
时刻进入换道区域，约束如公式(4)
‑
(5)所示：(5)所示：(5)所示：(5)所示：公式中，x
i,k,a
为二元变量，x
i,k,a
＝1表示车辆i第k步在a位置，否则x
i,k,a
＝0；y
i,k,b
为二元变量，y
i,k,b
＝1表示车辆i第k步在b车道，否则y
i,k,b
＝0；l
i
表示车辆i的初始车道；I
o
表示o进口方向所有车辆的集合；a表示o进口方向网格x轴位置编号，a∈A
o
；b表示车道编号，b∈B
o
；t
i
表示车辆进入换道区域的时间，Δt表示时间步长；车辆在K
i
步到达停车线，K
i
表示车辆i到停车线所走的步数；换道车辆换道至目标车道，约束如公式(6)
‑
(7)所示：(7)所示：公式中，C
o
表示o进口方向换道车辆集合；L
i
表示车辆i的目标车道；T
i

【专利技术属性】
技术研发人员：刘洋，龙科军，吴伟，曾冰，
申请(专利权)人：长沙理工大学，
类型：发明
国别省市：