一种车流拥堵中车辆群自主协同调度的智能疏导方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及智能交通领域，特别设及一种车流拥堵中车辆群自主协同调度的智能 疏导方法。
【背景技术】
[0002] 近年来，交通堵塞是我国大中城市中普遍存在的难题，特别是局部的、短暂的行车 拥堵发生频率非常高，对城市交通整体运行效率影响很大。在道路交通领域中一般将道路 状况分为:正常通行、拥挤、事故堵塞、施工等四类，其中，道路因为事故和施工等完全堵塞， 车辆必须绕道行驶，运是一类交通堵塞的问题，必须由现场人员指挥或交通管制来解决;另 一类是由正常行驶变为拥挤或部分堵塞的情况，如某路段车道数减少、车流高峰期拥挤行 驶、慢车占快车道或交通事故占用了部分车道，车流可缓慢通行，运一类交通拥堵问题无论 在高速公路还是城市街道或路口都频繁发生，车辆一般不会绕道通行或没有可选道路，只 能等待通过拥堵的路段，在运类情况下，司机由于不能及时了解拥堵车流的通行状况，常出 于焦虑或急迫屯、态的原因，不断发生变道、抢道、插队等行为，使得局部车流混乱，不仅降低 了拥堵车流整体的通行效率，而且带了交通事故隐患，加重道路拥堵程度。针对此类交通拥 堵问题，本专利提出了 一种车流疏导的解决方法及其实现技术。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种车流拥堵中车辆群自主 协同调度的智能疏导方法，建立一类智能车载终端无线组网与行车信息处理的系统，在车 辆拥堵情况下车辆间基于无线数据交互实现自主疏导，提高车辆群的通行效率和安全性。
[0004] 本发明的目的通过W下的技术方案实现：
[0005] -种车流拥堵中车辆群自主协同调度的智能疏导方法，包含W下步骤：
[0006] S1、建立拥堵情形下车辆跟驰模型与车流的动态结构模型，给出拥堵车流通行效 率的最优指标函数及其计算方法；
[0007] S2、采用车载无线终端获取本车及整个车道的行车状况数据，根据单辆车和车流 的状态模型确定该车辆位置信息和最优行车指令，通过人机界面展现或语音接口播报给驾 驶员。
[000引所述步骤S1，具体为：
[0009] 车流在某一时刻t由于某种原因在一个距离为L(t)的路段形成拥堵，N(t)辆车聚 集并缓慢通过该拥堵路段，车辆数目N(t)随着前车通过拥堵段和后面车辆不断加入而变 化，N( t) ^0表示拥堵消散过程；
[0010] 车辆按照通行车道分成k队，其中k=l，2，···，对应拥堵车流可通行的车道数目，第 η辆车在t时刻的车速用一组向量表示巧(勺二W 1'", (?)，Vnf(t)、Vrd(t)、Vnr(t) 分别表示第η辆车向前、向左、向右Ξ个方向的速度大小（单位:m/s)，其中n = l，2,3,…，N (t)，按照车流前行的逆方向排序；
[0011]第。辆车在t时刻与相邻车辆之间的距离用向量方。W二屯,的fi,,r州表 示，dnf、dnl、dnr分别表示第η辆车与前车、左边车、右边车之间的距离(单位:m)，当其中一个 方向无车时，可将车距取为无穷大；设每辆车安全行驶时与相邻车辆的最小距离为 .息.= A。/· &。1 .bw，其中hnf、hnl、hnr分别为每辆车安全行驶时与前车、左边车、右边车的最 小距离；
[0012] 将交通流处理为分散的粒子组成，W单个车辆作为描述对象，通过研究单个车辆 的前后作用来了解交通流的特性;从力学观点来看，它实际上是一种质点系动力学模型，假 设车队中的每一辆车必须与前车保持一定的间距W免发生碰撞，后车的加速或减速取决于 前车;考虑车辆对刺激的反应滞后效应W及车辆运动的随机性，每辆车的速度变化规律可 W通过如下类型的微分方程来描述：
[0013]
[0014] 其中，τ是车辆反应滞后时间；
[0015] 实测数据表明，驾驶员对前方车距变化会发生延迟的反应从而采用不同的车速和 调整车道，对整个车流产生小扰动，小扰动沿车流上游传播，经过一定程度的放大后，引起 杨行车辆的不稳定，运个不稳定性造成交通"挤压"，导致局部区域车辆密集，拥堵情形由此 形成；
[0016] 拥堵车流的最大向前行驶速度由每队排在最前面的车辆速度vif，V2f，…，Vkf决 定，设第n辆车位于第m列车队中，前进速度定义为vnf(t)=αn(t)vmf(t)，其中m=l,2,…,k，0 <an(t)含1;拥堵车流中各车辆总是希望W最大的速度行驶，同时不希望发生碰撞或潜在 的危险最小化，但是并非每辆车都能W最理想的状态行驶，因此，根据车辆行驶状态参数建 立车辆在拥堵情况下车速择优指标，从而根据拥堵车流的情况提前选择行进车道，使得整 个拥堵车群有序通过堵塞路段；由W上公式可得，车流前行速度最快指标为：
从而得出车辆运行最佳速度公式和车距信息Vnf(t)=αn(t)Vkf(t)，
其中dnf〉hnf，dnl〉hnl，dnr〉hnr ;同时为保证整个车流能W最 快速度通过堵塞，各队车流速度应尽可能相等，即公平行驶指巧
[0017] 在车流拥堵时车辆聚集的结构模型，采用邻接矩阵A表示，即矩阵A中行和列的序 号i，j表示车辆编号，i J = 1，2，3，…，N(t)，元素值取0和1，第(i，j)个元素的值为1表示第i 辆车与第j辆车前后相邻，否则元素值为0,其中对角线上的元素默认为1，表示每辆车自身 相邻，车辆单向邻接的邻接矩阵为：
[001 引
[0019] 该矩阵能够完整表示了车辆聚集时前后跟随的结构状态，基于邻接矩阵的逻辑运 算，得到车辆群跟随关系的可达矩阵，车辆都是W邻接的前车向后车单向传递信息，建立基 于ZigBee的车辆拥堵时动态无线组网，相邻车辆之间建立通信联系，从而动态计算某一时 刻车辆拥堵状态。
[0020] 所述基于Zi浊ee的车辆拥堵时动态无线组网，具体通过W下步骤建立：
[0021 ] 1)当车流逐渐发生拥堵时，车距变小，到达无线网络通讯范围内，车辆上的zigbee 模块自动进行组网；不同于传统的Ad hoc网络，本专利采用链式网络结构，即只实现在同一 车道上前后车辆间的定向定位通信，而与左右方向车辆无通信，W确保前方信息传递的纯 粹性。
[0022] 2)车辆位置数据经过计算处理，分析得出车辆所在车道前方路况，最终得出车辆 最优行车道、是否需要变道和改变车速等信息，指导驾驶员选择正确的车道和车速，尽量避 免交通混乱造成严重交通堵塞，达到自行疏通交通的效果。
[0023] 所述基于ZigBee的车辆拥堵时动态无线组网，其Zi浊ee协议在物理层兼容高可靠 的短距离无线通信协议IE邸802.11.5"ZigBee协议是一种短距离无线传感器网络的控制协 议，主要用于传输控制信息，数据量相对来说比较小，但是其可靠性高，ZigBee联盟在制定 Zi浊ee规范时已经考虑到数据传输过程中的内在的不确定性，采取了一些措施来提高数据 传输的可靠性，包括:在物理层兼容高可靠的短距离无线通信协议IEEE802.il.5。同时使用 0QPSK和DSSS技术;使用CSMA-CA技术来解决数据冲突问题;使用16-bits CRC来确保数据的 正确性;使用带应答的数据传输方式来确保数据正确的传输目的地址;采用星形网络尽量 保证数据可W沿着不同的传输路径从源地址到达目的地址。同时，ZigBee无线传感网络具 有成本低、功耗低等特点。
[0024] 本发明建立了面向车辆拥堵疏导的车载终端人机接口技术：
[0025] 人机接口技术主要解决对驾驶员的引导作用。本专利主要研究基于Zi浊ee的智能 车载终端，选用ARM微处理器与独立的射频忍片相结合的方案完成终端的数据采集与收发。 本车载终端设备的设计，实现的功能包括：
[00%] 1)车载终端不仅能够通过串口与车辆上的动点进行通讯，并且通过车载Zigbee无 线通信模块间的数据交换，实现与前车车辆的通讯。
[0027] 2)车载终端具有友好的图形界面，便于人机交互，并且能够通过有关设备快速实 时地获取当前车辆状态W及环境参数。
[00%] 3)车载终端可实现语音播报功能，给驾驶员提供正确有用的建议信息。
[0029] 所述车流拥堵中车辆群