网联环境下快速路近距离匝道间车辆协同换道控制方法

本发明属于智能网联驾驶应用领域，具体是网联环境下快速路近距离匝道间车辆协同换道控制方法；

背景技术：

1、随着5g技术的实现和智能网联车路协同系统的快速发展，智能网联自动驾驶技术已成为广泛的研究热点，车辆在道路上行驶的过程中可以通过v2v和v2i技术来获取周围的速度、位置信息以及当前的交通运行情况，以实现车辆与车辆之间或车辆与道路之间的协同驾驶。在快速路出口匝道至入口匝道之间，出口匝道释放的主线行车空间使得车辆可自由换入，但可能会与下游入口匝道汇入车辆发生冲突，造成车辆的频繁换入换出，对交通流产生了负面的影响。

2、目前大多数研究都集中在车辆的个性化引导以及入口匝道车辆的汇入问题，并未考虑先出后入匝道间主线的行车空间的高效利用，造成车辆的频繁换入换出而忽视系统整体交通效率评价，同时可能导致入口匝道附近的交通秩序紊乱，引起交通隐患。

技术实现思路

1、本发明为克服现有技术存在的不足之处，提供网联环境下快速路近距离匝道间车辆协同换道控制方法，以期充分利用出口匝道与入口匝道间已释放的主线行车空间，考虑主线与下游入口匝道车辆汇入影响，基于整体交通效率最优确定主线间最佳换道次数，减少车辆不必要的连续换入换出，提高交通流运行效率；

2、本发明为达到上述发明目的，采用如下技术方案：

3、本发明一种网联环境下快速路近距离匝道间的车辆协同换道控制方法的特点在于，是应用于网联环境下快速路出口匝道至下游入口匝道主线间的车辆协同换道控制场景中，以车辆行驶方向为正方向，将快速路出口匝道至入口匝道下游划分为六个区域，分别是上游出口匝道区域，匝道间主线区域、下游入口匝道区域、下游普通主线区域、出口匝道区域以及入口匝道区域，并依次进行编号，其中任意一个区域的编号为i，i＝1,2,3,4,5,6，对每个区域上的车道由内向外依次进行编号，其中，任意一个区域上的车道编号为j，除入口匝道区域和出口匝道区域为单车道外，其他区域的车道数均为2；

4、令第i个区域中每个车道能容纳的最大车辆数为ni,max，第i个区域的临界速度为vi,b，第i个区域的最佳密度为ki,b，第i个区域的阻塞密度为ki,jam，第i个区域的路段长度为li，每个区域的拥堵传播速度为w，每个区域的自由流速度为vf，每次控制的时间间隔为t；所述车辆协同换道控制方法包括以下步骤；

5、步骤1、利用路侧智能设备获取t时刻第i个区域中第j车道上的车辆数ni,j(t)，t时刻入口匝道区域的来车数don(t)，上游出口匝道区域中各车道驶离主线的车辆数，入口匝道区域驶入主线的车辆数；从而确定t+1时刻匝道间主线区域中第j车道的车辆数n2,j(t+1)；

6、步骤1.1、根据式(1)计算t时刻上游出口匝道区域中第j车道的输出能力σ1,j(t)；

7、σ1,j(t)＝min[n1,j(t),v1,b·k1,b·t,(n2,max-n2,j(t))/(1-pj,off(t)),(n5,max-n5,1(t))/pj,off(t)](1)

8、式(1)中，n1,j(t)表示t时刻上游出口匝道区域中第j车道上的车辆数，v1,b表示上游出口匝道区域的临界速度，k1,b表示上游出口匝道区域的最佳密度，n2,max表示匝道间主线区域中每个车道能容纳的最大车辆数，n2,j(t)表示t时刻匝道间主线区域中第j车道上的车辆数，pj,off(t)为t时刻上游出口匝道区域中第j车道驶离主线车辆的比例，n5,max为出口匝道区域能容纳的最大车辆数，n5,1(t)表示t时刻出口匝道区域的车辆数；

9、步骤1.2、根据式(2)计算t时刻上游出口匝道区域中第j车道向匝道间主线区域中第j车道传输的流量q1,j(t)；

10、q1,j(t)＝σ1,j(t)·(1-pj,off(t)) (2)

11、步骤1.3、根据式(3)计算t时刻匝道间主线区域中第j车道向下游入口匝道区域中第j车道的输出能力σ2,j(t)；

12、

13、式(3)中，n2,j(t)表示t时刻匝道间主线区域中第j车道上的车辆数，v2,b表示匝道间主线区域的临界速度，k2,b表示匝道间主线区域的最佳密度，n3,max表示下游入口匝道区域中每个车道能容纳的最大车辆数，n3,j(t)表示t时刻下游入口匝道区域中第j车道上的车辆数；

14、步骤1.4、根据式(4)计算t时刻匝道间主线区域中第1车道向下游入口匝道区域中第1车道传输的流量q2,1(t)；

15、q2,1(t)＝σ2,1(t) (4)

16、式(4)中，σ2,1(t)表示t时刻匝道间主线区域中第1车道的输出能力；

17、步骤1.5、根据式(5)计算t时刻匝道间主线区域中第2车道向下游入口匝道区域中第2车道传输的流量q2,2(t)；

18、q2,2(t)＝min[σ2,2(t),n2,max-n3,2(t)-σon(t),(1-pon(t))·(n3,max-n3,2(t))] (5)

19、式(5)中，σ2,2(t)表示t时刻匝道间主线区域中第2车道的输出能力，pon(t)表示t时刻入口匝道区域汇入主线车辆比例，n3,2(t)表示t时刻第3区域即下游入口匝道区域中第2车道的车辆数，σon(t)表示t时刻入口匝道区域的输出能力，由式(6)求得；

20、

21、式(6)中，n6,1(t)表示t时刻入口匝道区域上的车辆数，v6,b表示入口匝道区域的临界速度，k6,b表示入口匝道区域的最佳密度；

22、步骤1.6、根据式(7)确定t+1时刻匝道间主线区域中第j车道的车辆数n2,j(t+1)；

23、n2,j(t+1)＝n2,j(t)+q1,j(t)-q2,j(t) (7)

24、式(7)中，q2,j(t)表示匝道间主线区域中第j车道向下游入口匝道区域中第j车道传输的流量；

25、步骤2、确定t+1时刻下游入口匝道区域中第j车道车辆数n3,j(t+1)及t+1时刻入口匝道区域中的车辆数n6,1(t+1)；

26、步骤2.1、根据式(8)计算t时刻下游入口匝道区域中第j车道向下游普通主线区域中第j车道传输的流量q3,j(t)；

27、

28、式(8)中，v3,b表示下游入口匝道区域的临界速度，k3,b表示下游入口匝道区域的最佳密度，n4,max表示下游普通主线区域中每个车道能容纳的最大车辆数，n4,j(t)表示t时刻下游普通主线区域中第j车道上的车辆数；

29、步骤2.2、根据式(9)确定t+1时刻下游入口匝道区域中第1车道的车辆数n3,1(t+1)；

30、n3,1(t+1)＝n3,1(t)+q2,1(t)-q3,1(t) (9)

31、式(9)中，q3,1(t)表示下游入口匝道区域中第1车道向下游普通主线区域中第1车道传输的流量；

32、步骤2.3、根据式(10)计算t时刻入口匝道区域向下游入口匝道区域传输的流量qon(t)；

33、qon(t)＝min[σon(t),n2,max-n3,2(t)-σ2,2(t),pon(t)·(n3,max-n3,2(t))] (10)

34、式(10)中，σ2,2(t)表示t时刻匝道间主线区域中第2车道的输出能力；

35、步骤2.4、根据式(11)确定t+1时刻下游入口匝道区域中第2车道的车辆数n3,2(t+1)；

36、n3,2(t+1)＝n3,2(t)+q2,2(t)+qon(t)-q3,2(t) (11)

37、式(11)中，q3,2(t)表示下游入口匝道区域中第2车道向下游普通主线区域中第2车道传输的流量；

38、步骤2.5、据式(12)确定t+1时刻入口匝道区域中的车辆数n6,1(t+1)；

39、n6,1(t+1)＝n6,1(t)+don(t)-qon(t) (12)

40、式(12)中，don(t)表示t时刻入口匝道区域需求量，即为t时刻入口匝道区域的来车数；

41、步骤3、预测第i个区域中第j车道在t+1时刻的平均速度

42、步骤3.1、根据式(13)更新第i个区域中第j车道在t+1时刻的密度{ki,j(t+1)|i＝2,3}，根据式(14)更新第6区域即入口匝道区域在t+1时刻的密度k6,1(t+1)；

43、

44、

45、式(14)中，don(t)表示t时刻入口匝道区域需求量，即为t时刻入口匝道区域的来车数，且ki,j(t)＝ni,j(t)/li；

46、步骤3.2、根据式(15)计算t+1时刻第i个区域第j车道的平均速度

47、

48、式(15)中，ki,jam表示第i个区域的阻塞密度；

49、步骤4、构建匝道间主线区域车辆最佳换道次数模型：

50、步骤4.1、利用式(16)建立匝道间主线区域车辆最佳换道次数模型的目标函数f；

51、

52、式(16)中，c2,12(t)表示t时刻第2区域即匝道间主线区域中由第1车道换至第2车道的车辆数，n3c(t+1)表示下游入口匝道区域车辆均衡分布后每车道车辆数，且n3c(t+1)＝(n3,1(t+1)+n3,2(t+1))/2，φon(t+1)为t+1时刻入口匝道区域排队车辆数，并通过式(17)得到；

53、φon(t+1)＝φon(t)+(don(t)-qon(t))    (17)

54、步骤4.2、利用式(18)构建匝道间主线区域车辆最佳换道次数模型的约束条件；

55、c2,12(t)≤n2c(t+1)    (18)

56、式(18)中，n2c(t+1)表示匝道间主线区域车辆均衡分布后每车道车辆数，且n2c(t+1)＝(n2,1(t+1)+n2,2(t+1))/2；

57、步骤5、利用数值优化算法求解所述匝道间主线区域车辆最佳换道次数模型，得到匝道间主线区域第1车道换至第2车道的车辆最佳换道次数从而将匝道间主线区域第1车道中车辆数为的车辆换道至第2车道上；

58、步骤6、按车辆位置和行车方向由前到后依次对匝道间主线区域中车辆进行编号，定义并初始化编号m＝1，累计换道次数a＝0，选取匝道间主线区域中第1车道的车辆m进行换道；

59、步骤6.1、获取匝道间主线区域中第1车道的车辆m的位置x2,1,m(t)和速度v2,1,m(t)，并令t时刻位置为x2,1,m(t)的车辆m在第2车道上相邻的前车辆m′、后车辆m″的位置分别记为x2,2,m′(t)和x2,2,m″(t)，速度分别记为v2,2,m′(t)和v2,2,m″(t)；

60、步骤6.2、判断式(19)所示的安全换道条件是否成立；若成立，则执行步骤6.3，否则，表示车辆m不允许换道，并执行步骤6.4；

61、

62、式(19)中，表示t时刻车辆m与其相邻车道前车m′之间的安全换道间距，表示t时刻车辆m与相邻车道后车m″之间的安全换道间距；μ表示权重因子；

63、步骤6.3、向车辆m发送换道指令进行换道，将车辆m从第1车道换道至第2车道，并将m+1赋值给m，将a+1赋值给a后，执行步骤6.5；

64、步骤6.4、将m+1赋值给m后，执行步骤6.5；

65、步骤6.5、判断累计换道次数a是否等于若成立，则执行步骤6.6，否则，执行步骤6.7；

66、步骤6.6、停止换道操作，等待控制时间间隔到达t后，执行步骤7；

67、步骤6.7判断控制时间间隔是否到达t，若满足，执行步骤7；否则返回步骤6.1继续循环执行；

68、步骤7、将t+1赋值给t，返回步骤1按顺序执行。

69、本发明一种电子设备，包括存储器以及处理器的特点在于，所述存储器用于存储支持处理器执行所述车辆协同换道控制方法的程序，所述处理器被配置为用于执行所述存储器中存储的程序。

70、本发明一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质上存储有计算机程序的特点在于，所述计算机程序被处理器运行时执行所述车辆协同换道控制方法的步骤。

71、与已有技术相比，本发明的有益技术效果体现在：

72、1、本发明在智能网联环境下，提供网联环境下快速路近距离匝道间车辆协同换道控制方法，可以避免所述匝道间主线路段车辆驶入出口匝道已释放的行车空间后由于与入口匝道车辆冲突而导致的不必要的频繁换道和下游入口匝道附近瓶颈的产生，有利于在充分利用行车空间的情况下同时保证交通高效运行；

73、2、与现有技术相比，本发明通过确定下一时刻各路段每车道车辆数和平均速度，以主线与入口匝道车辆总花费时间最小以及匝道间主线车道2车辆换入换出次数之和最小为控制目标，构建匝道间主线路段最佳换道次数优化模型，求解获得匝道间主线路段车道2最佳换入车辆数，进行协同换道，减少主线车辆和下游入口匝道处车辆因冲突造成的不必要的延误，提高通行能力；

74、3、与现有技术相比，本发明利用元胞传输模型各元胞之间的车辆传输思想，在传统的考虑宏观路段方法的基础上，本发明将各路段元胞进一步细分为各车道元胞，考虑了上游出口匝道路段每车道的驶离车辆比例，以此计算上游出口匝道路段、匝道间主线路段和下游入口匝道路段每条车道之间的车辆传输能力，确定各路段向下游路段各车道输送的车辆数及入口匝道向主线外侧车道输送的车辆数，提高了精确度；

75、4、与现有技术相比，本发明利用智能网联车路协同技术的车-车和车-路实时的动态信息交互获取精确的交通信息，提高计算的准确性和协同控制的高效性。