一种混合交通流变道模型及变道仿真方法与流程

技术特征：
1.一种混合交通流变道模型，其特征在于，该混合交通流变道模型包括人机混驾交通流下的手动驾驶车辆变道模型和自动驾驶车辆变道模型；手动驾驶车辆变道模型包括变道意图、车道条件、安全条件和变道概率，自动驾驶车辆变道模型包括变道意图、车道条件、安全条件、速度条件和变道概率。2.根据权利要求1所述的混合交通流变道模型，其特征在于，手动驾驶车辆变道模型具体为：1)变道意图为本车道无法满足车辆行驶需求时，所产生的变道动机，即：gap
n,n-1
<v
n
(t 1)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)式(1)中，gap
n,n-1
为变道车辆与本车道前方车辆的距离；v
n
(t 1)为变道车辆在t 1时刻的期望行驶速度，当本车道前方车辆为手动驾驶车辆时，v
n
(t 1)利用hv-hv跟驰模型计算；当本车道前方车辆为自动驾驶车辆时，v
n
(t 1)利用av-hv跟驰模型计算；2)车道条件需保证目标车道的行驶条件优于本车道，即：gap
n,front car
>gap
n,n-1
ꢀꢀꢀꢀ
(2)式(2)中，gap
n,front car
为变道车辆与目标车道前方车辆的距离；3)安全条件受目标车道后方车辆类型影响，需确保变道车辆变道后与目标车道后方车辆保持一定的安全距离，避免发生碰撞，即：gap
n,back car
>α
·
gap
back safe
ꢀꢀꢀꢀ
(3)式(3)中，gap
n,back car
为变道车辆与目标车道后方车辆的距离；α为安全距离修正系数；gap
back safe
为变道车辆变道后避免与目标车道后方紧邻车辆发生碰撞所需的安全距离，其取值与目标车道后方车辆类型有关，具体为：
①
目标车道后方车辆为手动驾驶车辆假定t时刻变道车辆在本车道行驶，在t 1时刻完成变道，由变道车辆变道前后位置关系可知：gap
back safe
＝x
n
(t)-x
back car
(t)-s＝δx
back car,change-gap
change1
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)δx
back car,change
＝x
back car
(t 1)-x
back car
(t)＝v
back car
(t)τ-v
back car
(t)2/2b
back car
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)gap
change1
＝x
n
(t 1)-x
n
(t)＝[v
n
(t) v
n
(t τ)]τ/2-v
n
(t τ)2/2b
n
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)经过推导可得：gap
back safe
＝-v
n
(t)τ/2-v
safe,change
τ/2 v
safe,change2
/2b
n
v
back car
(t)τ-v
back car
(t)2/2b
back car
ꢀꢀꢀꢀ
(8)其中，x
n
(t)、x
n
(t 1)分别表示变道车辆在t时刻和t 1时刻的位置；x
back car
(t)、x
back car
(t 1)分别表示目标车道后方车辆在t时刻和t 1时刻的位置；s为变道车辆的有效长度；v
n
(t)、v
back car
(t)分别表示变道车辆和目标车道后方车辆在t时刻的速度；τ表示手动驾驶车辆的反应时间；δx
back car,change
表示目标车道后方车辆在变道车辆变道期间的行驶距离，gap
change1
表示目标车道后方车辆为手动驾驶车辆时，变道车辆变道前后的间距；b
back car
表示目标车道后方车辆的减速度；v
safe,change
表示变道车辆与目标车道后方车辆保持安全距离所需的安全速度；b
n
表示变道车辆的期望最大减速度；
②
目标车道后方车辆为自动驾驶车辆时，变道车辆变道前后的间距gap
change2
的表达式为：
gap
change2
＝gap
change1
d
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)式(9)中，d表示增加的安全距离，与人类驾驶员对自动驾驶车辆的熟悉程度有关，按照公式(10)进行计算；d＝[(-h2 h) (-u2 u)]
·
ε
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(10)式(10)中，h表示人类驾驶员的视听信息，u表示人类驾驶员的实践信息，ε为距离参数；假定行驶于目标车道后方的自动驾驶车辆可快速判断道路状况并作出反应，其反应时间忽略不计，则τ＝0，将τ＝0代入式(5)，得到式(11)；δx
back car,change
＝x
back car
(t 1)-x
back car
(t)＝-v
back car
(t)2/2b
back car
ꢀꢀꢀ
(11)此时变道车辆与目标车道后方车辆保持安全距离所需的安全速度与安全距离分别满足式(12)、(13)：gap
back safe
＝-v
n
(t)τ/2-v
safe,n
τ/2 v
safe,n2
/2b
n-v
back car
(t)2/2b
back car
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(13)4)变道概率表示变道车辆在变道条件均满足时的变道选择，需考虑驾驶人对目标车道前后方车辆间距的满意程度和目标车道前方车辆类型；
①
目标车道前方车辆为手动驾驶车辆
②
目标车道前方车辆为自动驾驶车辆γ＝1-2
·
η
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(16)其中，p
change
表示变道概率，γ表示目标车道前方车辆类型的影响参数，η表示人类驾驶员对自动驾驶车辆的熟悉度；自动驾驶车辆变道模型具体为：1)自动驾驶车辆变道模型的变道意图和车道条件的表达式与手动驾驶车辆变道模型相同，其中，当本车道前方车辆为手动驾驶车辆时，v
n
(t 1)按照hv-av跟驰模型计算；当本车道前方车辆为自动驾驶车辆时，v
n
(t 1)按照av-av跟驰模型计算；2)安全条件的表达式为：gap
n,back car
>gap
back safe
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(17)gap
back safe
的取值与目标车道后方车辆类型有关，具体为：
①
目标车道后方车辆为手动驾驶车辆目标车道后方车辆在变道车辆变道期间的行驶距离δx
back car,change
按式(5)计算；由于自动驾驶车辆的反应时间忽略不计，故τ＝0，则当目标车道后方车辆为手动驾驶车辆时，变道车辆变道前后的间距gap
change
为：gap
change
＝x
n
(t 1)-x
n
(t)＝-v
n
(t)2/2b
n
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(18)此时变道车辆与目标车道后方车辆保持安全距离所需的安全速度与安全距离分别满足式(19)、(20)：
gap
back safe
＝v
safe,n2
/2b
n
v
back car
(t)τ-v
back car
(t)2/2b
back car
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(20)
②
目标车道后方为自动驾驶车辆目标车道后方车辆在变道车辆变道期间的行驶距离δx
back car,change
按式(11)计算，变道车辆变道前后的间距gap
change
按式(18)计算；此时变道车辆与目标车道后方车辆保持安全距离所需的安全速度以及安全距离分别为：gap
back safe
＝v
safe,n2
/2b
n-v
back car
(t)2/2b
back car
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(22)3)速度条件应满足车辆变道后速度大于当前速度，即：v
change
>v
n
(t)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(23)其中，v
change
表示变道成功后的虚拟速度；4)变道概率应同时考虑本车道前方及目标车道前方车辆类型，包含以下四种情形：
①
情形1：本车道前方车辆为手动驾驶车辆，目标车道前方车辆为自动驾驶车辆；变道概率为：p
change
＝1
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(24)
②
情形2：本车道前方车辆为手动驾驶车辆，目标车道前方车辆为手动驾驶车辆；变道概率为：其中，β为变道选择参数，0<β<1；
③
情形3：本车道前方车辆为自动驾驶车辆，目标车道前方车辆为手动驾驶车辆；变道概率为：p
change
＝β
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(26)
④
情形4：本车道前方车辆为自动驾驶车辆，目标车道前方车辆为自动驾驶车辆，变道概率按照公式(25)进行计算。3.一种混合交通流变道仿真方法，其特征在于，在每一个仿真步长内，按照权利要求2中手动驾驶车辆变道模型和自动驾驶车辆变道模型，判断车辆是否满足变道条件，若满足，则以变道概率执行变道，继而根据跟驰模型进行状态位置演化；若不满足变道条件，则留在本车道按照跟驰模型进行状态位置演化，该方法通过matlab实现仿真模拟。4.根据权利要求3所述的混合交通流变道仿真方法，其特征在于，车辆根据跟驰模型进行状态位置演化包括以下内容：一、人机混驾交通流下包含hv-hv、av-hv、hv-av、av-av这四种跟驰状态，hv表示手动驾驶车辆，av表示自动驾驶车辆；四种跟驰状态下的跟驰模型分别为：hv-hv跟驰模型：av-hv跟驰模型：
hv-av跟驰模型：av-av跟驰模型：a
n
(t)＝(1/t
av
)(v
n-1
(t)-v
n
(t))
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(30)其中，v
safe,n
表示车辆n与前车保持安全距离所需的速度，x
n
(t)、v
n
(t)分别表示车辆n在t时刻的位置和速度，x
n-1
(t)、v
n-1
(t)分别表示前方第n-1辆车在t时刻的位置和速度，s
n-1
表示前方第n-1辆车的有效长度，表示车辆n对前车减速度的估计值，a
n
(t)为车辆n在t时刻的加速度，t
av
为自动驾驶车辆在行驶过程中相对于前车的期望时间间隔；二、前述四种跟驰模型根据改进的元胞自动机演化规则进行状态位置演化，具体为：对于hv-hv、av-hv和hv-av这三种跟驰状态，通过实际距离gap
n
与安全距离gap
safe
的比较进行状态演化；不同跟驰状态下安全距离gap
safe
的计算公式分别为：hv-hv跟驰状态：av-hv跟驰状态：hv-av跟驰状态：gap
safe
＝-v
safe,n2
/2b
n
v
n-1
(t)2/2b
n
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(33)状态演化规则为：(1)加速规则，当gap
n
>gap
safe
时，车辆按照如下规则进行加速：v
n
(t)
→
min[v
n
(t) a,gap
n
,v
max
,v
safe,n
]
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(34)其中，a为车辆加速度；v
max
表示车辆的最大速度；(2)减速规则，当gap
n
<gap
safe
时，车辆按照如下规则进行减速：如果前车静止，为保证行车安全，车辆按照安全减速规则进行减速；如果前车非静止，车辆按照确定性减速规则进行减速；安全减速规则和确定性减速规则分别满足式(35)和(36)；v
n
(t)
→
max{min[v
safe,n
,gap
n-0.5],0}
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(35)v
n
(t)
→
max{min[v
safe,n
,gap
n
],0}
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(36)(3)匀速规则，当gap
n
＝gap
safe
时，车辆按照如下规则行驶：v
n
(t)
→
min[v
n
(t),gap
n
]
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(37)(4)位置更新：x
n
(t)
→
x
n
(t) v
n
(t)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(38)(5)随机慢化，随机慢化规则仅针对手动驾驶车辆，自动驾驶车辆不会产生随机减速行为，因此hv-av跟驰模型忽略车辆的随机慢化；规定随机慢化概率为0.2，当随机数小于0.2时，车辆按式(39)进行减速：v
n
(t)
→
max[v
n
(t)-b
n
,0]
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(39)对于av-av跟驰状态，根据模型计算所得加速度值进行位置和速度状态演化；演化规则为：
(1)加速规则：a
n
(t)>0v
n
(t)
→
min[v
n
(t) a
n
(t),v
max
,gap
n
]
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(40)(2)减速规则：a
n
(t)<0同时v
n
(t)>gap
n
v
n
(t)
→
max{min[gap
n
,v
n
(t) a
n
(t)],0}
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(41)(3)匀速规则：a
n
(t)＝0如果前车静止v
n
(t)
→
min{max[v
n
(t),gap
n
],v
max
}
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(42)如果前车非静止v
n
(t)
→
min[v
n
(t),gap
n
]
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(43)x
n
(t)
→
x
n
(t) v
n
(t)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(44)根据式(44)进行位置更新。

技术总结
本发明为一种混合交通流变道模型及变道仿真方法,该混合交通流变道模型包括人机混驾交通流下的手动驾驶车辆变道模型和自动驾驶车辆变道模型；手动驾驶车辆变道模型包括变道意图、车道条件、安全条件和变道概率，自动驾驶车辆变道模型包括变道意图、车道条件、安全条件、速度条件和变道概率。在建模时考虑两种类型车辆相互作用对变道条件、变道选择的影响，针对不同变道情形得到不同的安全条件和车辆动态变道概率计算方法；当目标车道后方车辆为自动驾驶车辆时，引入参数“熟悉度”，量化描述人类驾驶员对自动驾驶车辆认知和对人机混驾交通流环境感知产生的心理反应，并将该参数运用到手动驾驶车辆变道安全条件、变道概率计算中。中。中。


技术研发人员：李霞 高慧心 王欣桐 刘怡美 闵雪峰 崔洪军 朱敏清 马新卫
受保护的技术使用者：河北工业大学
技术研发日：2021.11.02
技术公布日：2022/2/8