面向高速公路混合交通流的车辆协同合流控制方法、设备及存储介质

本发明属于智能交通控制，涉及一种面向高速公路混合交通流的车辆协同合流控制方法、设备及存储介质。

背景技术：

1、匝道合流区是交通拥堵、交通事故的高发地段，成为制约交通运行的瓶颈，而车路协同技术的发展为缓解匝道合流问题提供了新方法。网联自动驾驶车辆(connected andautomated vehicle，cav)可以通过车-车通信(v2v，vehicle-to-vehicle)和车-路通信(v2x，vehicle-to-vehicle)，协调合流区域内车辆的运行，进而提高交通效率、降低交通事故。

2、目前，国内针对车辆协同合流方法的研究大多假设为纯网联环境，即仅考虑cav车辆在高速公路上的行驶，采用最优控制方法进行建模研究。然而由于通讯和车辆技术水平的限制，纯网联环境的发展需要漫长的时间，混合交通场景(即道路上同时存在cavs和人工驾驶车hdvs)的管理是cav发展过程中不可避免的问题。因此研究智能网联车辆和人为驾驶车辆共存的混合交通场景下的智能网联车辆控制具有更显著的现实意义。在混合交通场景中，人为驾驶车辆不受控制，且其信息无法提前预知，是对智能网联车辆的一种外部扰动，给智能网联车辆匝道合流带来困难。在混合交通条件下，有必要设计既能适应cavs又能适应人工驾驶车辆的协调策略。

技术实现思路

1、为了解决上述问题，本发明提供一种面向高速公路混合交通流的车辆协同合流控制方法，优化合流区车辆的合流顺序，解决了传统固定合流序列无法适应hdv驾驶行为随机扰动的问题，并提出了相应的协作合流控制算法，提高了合流效率，减少了燃油消耗，解决了现有技术中存在的问题。

2、本发明的第二目的是，提供一种电子设备。

3、本发明的第三目的是，提供一种计算机存储介质。

4、本发明所采用的技术方案是，一种面向高速公路混合交通流的车辆协同合流控制方法，包括以下步骤：

5、步骤一：确定车辆实时合流序列；

6、步骤二：如果合流序列中不存在hdv，以cav让行cav为原则，通过速度控制模型控制cav-cav之间进行协作合流；如果合流序列中存在hdv，但不存在连续hdv，以cav让行hdv为原则，通过速度控制模型控制cav-hdv之间进行协作合流，使得匝道车辆平滑的汇入主线；如果合流序列中存在连续hdv，以匝道hdv让行主线hdv为原则，通过智能可变速度指示牌提示hdv按照预设速度行驶，引导hdv平稳合流。

7、进一步的，所述步骤一中，确定车辆实时合流序列，具体为：

8、当匝道车辆进入协作控制区时，路侧单元收集车辆信息，如果到达合并决策点的匝道车辆是cav，且协作控制区内主线车辆是cav，比较主线车辆和匝道车辆到达合流点的时间，时间较短者获得通行权；如果到达合并决策点的匝道车辆是cav，且协作控制区内主线车辆不是cav，主线车辆获得通行权；如果到达合并决策点的匝道车辆不是cav，且协作控制区内主线车辆是cav，匝道车辆获得通行权；如果到达合并决策点的匝道车辆不是cav，且协作控制区内主线车辆不是cav，主线车辆获得通行权；依据上述规则遍历所有车辆，输出合流序列，确定匝道车辆在合流序列中的位置；每隔一定的时间间隔更新一次合流序列，减少hdv波动性影响。

9、进一步的，所述步骤二中，控制cav-cav之间进行协作合流，具体为：

10、在任意时刻t，当前车为cavi时，其到达合流区的时间tmerge,i可以准确得出，后车cavi+1到达合流区的时间tmerge,i+1也可以准确得出；

11、当cavi到达合流区时，借助cav之间的相互通信，前后两辆cav的速度尽可能相等，且保证安全距离，即满足式(1)：

12、

13、其中，为cav车辆i在时间tmerge,i时的速度，为cav车辆i在时间tmerge,i时的位置，为cav车辆i+1在时间tmerge,i时的速度，为cav车辆i+1在时间tmerge,i时的位置；tmerge,i为cav车辆i到达合流区的时间，tmerge,i+1为cav车辆i+1到达合流区的时间；

14、若tmerge,i+1-tmerge,i≤tmin,1，即前后两车通过合流点的时间差小于主线和匝道车辆合流时的最小车头时距时，为避免cavi+1与cavi发生碰撞，cavi+1选择减速，让出足够的安全距离，cavi+1的加速度ai+1由式(2)决定：

15、ai+1＝min{min(amerge,dcomfort),anorm} (2)

16、其中，anorm为驾驶规则确定的常规加速度，dcomfort为舒适加速度，amerge为根据运动方程确定的合流所需的加速度，如式(3)所示：

17、

18、tmin,1表示主线cav和匝道cav合流时的最小车头时距。

19、进一步的，所述步骤二中，控制cav-hdv之间进行协作合流，具体为：

20、当前车为hdvn时，通过路侧单元或周围cav估计hdvn的到达时间，如式(4)所示；

21、

22、其中，tmerge为推测的第n辆车即hdvn，到达合流区的时间；t0为车辆被检测器监测到的时间，pn,t0为hdvn在时间t0时距协作控制区起始点的位置，vn,t0为hdvn在时间t0时的速度；l为协作控制区长度；

23、时间tmerge时cavi+1的位置由检测时间t0时检测到的位置及速度确定，见式(5)：

24、

25、表示时间t0时cavi+1的位置，表示时间t0时cavi+1的速度；

26、匝道车辆在时间tmerge时相对于主线车辆cavi+1的合流安全区与车辆cavi+1的速度有关：

27、

28、其中，xup、xdown分别为车辆cavi+1的合流安全区的上游和下游边界，xmerge为合流区的上游边界，tmin,2为cav和hdv合流时的最小车头时距；

29、当落入区间[xup,xdown]时，为避免cavi+1与前车发生碰撞，cavi+1选择减速，让出足够的安全距离，主线车辆和匝道车辆的速度应尽可能相等，即满足式(7)：

30、

31、其中，为hdvn在时间tmerge时的速度，为cavi+1在时间tmerge时的速度；

32、cavi+1的加速度ai+1由式(8)确定：

33、

34、其中，anorm为驾驶规则确定的常规加速度，dcomfort为舒适加速度，amerge为根据运动方程确定的合流所需的加速度，见式(9)：

35、

36、其中，为时间tmerge时hdvn的位置。

37、进一步的，所述步骤二中，智能可变速度指示牌提示hdv的预设速度的确定方法：

38、行驶在主线上的车辆将前车视为引导车，并遵循跟驰模型，直至到达合流区；一旦进入合流区，车辆驾驶员评估前方是否有车辆合流，如果有合流车辆，合流车辆作为新的引导车；主线车辆hdvm-1和匝道车辆hdvm的速度应保证尽可能相等，即满足式(10)：

39、

40、其中，为主线车辆hdvm-1在时间tmerge,m-1时的速度，为匝道车辆hdvm在时间tmerge,m-1时的速度，tmerge，m-1为主线车辆hdvm-1到达合流区的时间；

41、为保证车辆之间的安全，匝道车辆hdvm到达合流区的时间需要大于等于δt，即匝道车辆hdvm到达合流区时，新引导车已经通过合流区，并满足安全距离；δt的通过式(11)确定：

42、δt＝tmerge,m-1+tmin,3+tf (11)

43、其中，δt表示匝道车辆hdvm到达合流区时不发生碰撞的安全时间；tmin,3为主线hdv和匝道hdv合流时的最小车头时距，tf为hdv的驾驶员接受信息并做出反应所需要的反应时间；

44、若匝道车辆hdvm到达合流区的时间大于等于δt，匝道车辆hdvm的加速度由式(12)决定：

45、am＝min{min(amerge,dcomfort),anorm} (12)

46、其中，am表示为保证车辆之间的安全、避免碰撞发生，匝道车辆hdvm到达合流区的加速度；anorm为驾驶规则确定的常规加速度，dcomfort为舒适加速度，amerge为根据运动方程确定的合流所需的加速度，见式(13)：

47、

48、为主线车辆hdvm-1在时间tmerge,m-1时的位置，为匝道车辆hdvm在时间tmerge,m-1时的位置，t0为车辆被检测器监测到的时间；

49、由于驾驶员无法保证车辆行驶的加速度，故根据式(12)、(13)确定hdv限速：

50、

51、其中，vlimit为匝道车辆hdvm的车辆限速，且假设hdv按照控制算法提出的速度、加速度行驶；tmerge，m为匝道车辆hdvm到达合流区的时间。

52、一种电子设备，采用上述方法实现车辆协同合流控制。

53、一种计算机存储介质，所述存储介质中存储有至少一条程序指令，所述至少一条程序指令被处理器加载并执行以实现上述车辆协同合流控制方法。

54、本发明的有益效果是：

55、本发明面向网联自动驾驶车辆与人工驾驶车辆混行的交通场景，提出了高速公路上匝道车辆协同合流控制方法，包括高速公路上匝道分层协作合流框架，该框架集成了车辆实时合流序列调度和协作合流算法，通过车辆实时合流序列优化合流区车辆的合流顺序，解决了传统固定合流序列无法适应hdv驾驶行为随机扰动的问题；根据车辆类型与车辆状态进行实时地调整，提高了车辆在合流过程中的灵活性与自主性，有利于保证混合交通环境下的匝道合流区域的安全性。

56、本发明分别建立了cav-cav、cav-hdv和hdv-hdv的协作合流控制算法，通过数学模型描述混合交通流下的合流控制，改善了以往研究仅通过仿真模拟混合交通流下cav-hdv及hdv-hdv合流的情况；算法简单，在保证安全性的同时，能有效避免算量爆炸问题。结果表明：本发明所提出的合流控制的总延误和出行时间均有所降低，能有效提高合流过程中的运行效率，且在燃油经济性上有更大优势。