一种智慧网联时代下车道级连续车速引导优化方法

1.本发明属于智慧网联时代下车速引导领域，具体涉及一种智慧网联时代下车道级连续车速引导优化方法。


背景技术：

2.近年来，智能汽车的安全、节能驾驶已经成为汽车产业未来的发展趋势，利用道路交通信息和智能策略实施实现车辆节能减排、提高车辆主动避撞能力、提高车辆通行效率的安全节能驾驶技术受到极大关注。智能交通系统可为车辆提供前方道路交通信息，使实现节能和安全驾驶成为可能。因此，针对以信号控制交叉口为代表的城市道路场景，基于信号灯状态的汽车车速规划与避撞控制的研究，可有效弥补传统信号控制下车辆被动响应的局限，对车辆节能减排、避免追尾事故，提高信号交叉口通行效率至关重要。
3.现有的车速引导模型在概念设计算法逻辑、控制目标、车辆动力学，以及油耗模型、分析边界、部署就绪性和其他特征方面各不相同。然而目前有关车速引导模型仍有一些方面有待研究，主要表现为：(1)车速引导模型研究对象仅为单车，未考虑多车跟驰状态；(2)当前适应的车速引导场景仅为单行道，较为局限；(3)车辆变速存在事故隐患，易发生追尾风险。


技术实现要素：

4.本发明的目的是为解决现有车速引导策略研究对象局限于单车、适用场景局限于单行道以及车辆变速存在安全隐患的问题，而提出的一种智慧网联时代下车道级连续车速引导优化方法。
5.本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案是：一种智慧网联时代下车道级连续车速引导优化方法，所述方法具体包括以下步骤：
6.步骤一、设置前置引导区，根据车辆目标行驶路径以及各车道上车辆数目，为车辆分配不同的行驶车道；
7.步骤二、设置一次引导区，根据到达的前、后车车速与目标车速之间的关系，为车辆提供行驶策略；
8.步骤三、设置二次引导区，根据车辆到达二次引导区时的道路交通环境信息，为车辆提供行驶策略。
9.进一步地，所述步骤一的具体过程为：
10.策略1.1若某车辆需要在交叉口进行左转或右转，则根据交叉口渠化方案为该车辆分配相应的目标行驶车道，该车辆换道至分配的目标行驶车道；
11.策略1.2若某车辆的目标行驶路径为直行通过交叉口，则将该车辆分配至车辆数目最少的直行车道，该车辆换道至分配的目标行驶车道；
12.策略1.3若由于道路交通环境的限制，目标行驶路径为直行通过交叉口的某车辆无法换道至策略1.2中为该车辆分配的目标行驶车道，则该车辆仍保持当前车道行驶。
13.进一步地，所述步骤二的具体过程为：
14.步骤二一、计算到达的车辆通过一次引导区的时间
15.(1)当车辆速度小于目标车速时，车辆采取加速至目标车速后以目标车速匀速行驶的策略，则车辆通过一次引导区的时间t为：
[0016][0017]
式中：v是车辆到达一次引导区时的速度；v0是一次引导区的目标车速；l1是一次引导区长度；aa是系统给定的加速度大小；
[0018]
(2)当车辆速度大于目标车速时，车辆采取减速至目标车速后以目标车速匀速行驶的策略，则车辆通过一次引导区的时间t为：
[0019][0020]
式中：ad是系统给定的减速度大小；
[0021]
(3)当车辆速度等于目标车速时，车辆采取匀速行驶的策略，则车辆通过一次引导区的时间t为：
[0022][0023]
步骤二二、根据计算出的前车通过一次引导区时间以及后车通过一次引导区时间确定后车的行驶策略；
[0024]
若t2 t0 t
safe
≥t1，则后车根据自身的车速采用步骤二一中的策略驶过一次引导区；
[0025]
其中，t1是前车通过一次引导区所需时间；t2是后车通过一次引导区所需时间；t0是前车后车到达一次引导区的时间差；t
safe
是前后车之间的安全车头时距；
[0026]
若t2 t0 t
safe
＜t1，则令t2＝t
1-t
0-t
safe
，并继续执行步骤二三；
[0027]
步骤二三、根据后车车速与目标车速的大小关系来确定后车的行驶策略；
[0028]
步骤二三一、若后车车速小于目标车速，则后车执行加速至目标车速后匀速的策略，以t2时间驶过一次引导区，行驶过程的表达式为：
[0029][0030]
式中：v2为后车车速；a
a1
是后车加速至目标车速的加速度大小；t
a1
是车辆加速至目标车速的加速时间；
[0031]
若a
a1
≥a
amin
，则后车采取以a
a1
的加速度加速至目标车速后匀速的策略驶过一次引导区；其中，a
amin
是车辆容许的最小加速度；
[0032]
若a
a1
＜a
amin
，则后车先以当前车速匀速行驶，再以车辆容许的最小加速度加速至目标车速，最后以目标车速匀速驶过一次引导区，行驶过程的表达式为：
[0033][0034]
式中：t
y1
是车辆以当前速度匀速行驶的时间；t
a2
是车辆以容许的最小加速度加速至目标车速的加速时间；t
2-t
y1-t
a2
是车辆以目标车速匀速行驶的时间；
[0035]
步骤二三二、若后车车速大于目标车速，则后车执行减速至目标车速后匀速的策略，以t2时间通过一次引导区，行驶过程的表达式为：
[0036][0037]
式中：a
d1
是后车减速至目标车速的减速度大小；t
d1
是车辆减速至目标车速的减速时间；
[0038]
若a
d1
≤a
dmax
，则车辆采取以a
d1
的减速度减速至目标车速后匀速的策略驶过一次引导区；其中，a
dmax
是车辆容许的最大减速度的大小；
[0039]
若a
d1
＞a
dmax
，则后车以车辆容许的最大减速度减速至v3，再以系统给定的加速度加速至目标车速，最后以目标车速匀速驶过一次引导区，行驶过程的表达式为：
[0040][0041]
其中，v3是车辆以容许的最大减速度减速后的车速；t
d2
是车辆以车辆容许的最大减速度减速至v3的减速时间；t
a3
是车辆以系统给定的加速度加速至目标车速的加速时间；t
2-t
d2-t
a3
是车辆以目标车速匀速行驶的时间；
[0042]
步骤二三三、若后车车速等于目标车速，则后车以系统给定的减速度减速至v4，再以系统给定的加速度加速至目标车速后匀速驶过一次引导区，行驶过程的表达式为：
[0043][0044]
式中：v4是后车以系统给定的减速度减速后的速度；t
d3
是车辆以系统给定的减速度减速至v4的减速时间；t
a4
是车辆以系统给定的加速度加速至目标车速的加速时间；t
2-t
d3-t
a4
是车辆以目标车速匀速行驶的时间。
[0045]
进一步地，所述车辆容许的最小加速度a
amin
的取值为1.0m/s2。
[0046]
进一步地，所述车辆容许的最大减速度a
dmax
的取值为2.5m/s2。
[0047]
进一步地，所述步骤三中的道路交通环境信息包括前方路口信号灯状态以及路口排队信息。
[0048]
进一步地，所述步骤三分为以下四种情况：
[0049]
情况一、车辆进入二次引导区时，前方路口信号灯状态为绿灯且路口排队己经消散：
[0050]
此时，车辆采取匀加速至最高限速后匀速通过交叉口的策略，将行驶过程表示为：
[0051][0052]
式中：v
max
是道路条件允许的最高限速；t
y2
是以最高限速匀速行驶的时间；l2是二
次引导区长度；
[0053]
情况二、车辆进入二次引导区时，前方路口信号灯状态为绿灯末期且绿灯剩余时间不足以保证车辆在本周期内通过交叉口，或前方路口信号灯状态为红灯：
[0054]
即
[0055]
nt
period
t
green
＜t
come
t
2total
＜(n 1)t
period
，n∈n
*
[0056]
式中：t
period
为一次信号周期时长；t
green
是绿灯时间；t
come
是车辆到达二次引导区的时刻；t
2total
是车辆采取匀加速至最高限速后匀速通过交叉口的策略驶离二次引导区的时间；n是第n个信号周期；
[0057]
此时，车辆采取先匀速行驶再减速停车等待下一周期通过交叉口的策略，将行驶过程表示为：
[0058][0059]
式中：t
y2
是车辆以目标车速匀速行驶的时间；l
queue
是车辆排队长度；l
stop
是二次停车线与停车线之间的距离；
[0060]
情况三、车辆进入二次引导区时，前方路口信号灯状态为红灯末期且路口排队正在消散：
[0061]
车辆不需要停车并在本周期内的绿灯通过交叉口，即：
[0062]
t
come
t
zhidong
≥t
san
且t
come
t
2total
＜t
leave
[0063]
式中：t
zhidong
是车辆减速至最低限速后匀速行驶至排队车尾的时间；t
san
是排队车辆消散时间；t
leave
是排队队尾车辆启动的时间；
[0064]
此时，车辆采取减速至最低限速后，先以最低限速匀速行驶时间t
y3
，再加速至最高限速，最后以最高限速匀速通过交叉口的策略，将行驶过程表示为：
[0065][0066]
式中：v
min
是道路条件允许的最低限速；t
y3
是车辆以最低速度匀速行驶的时间；v
max
是道路条件允许的最高限速；t
y4
是车辆以最高速度匀速行驶的时间；
[0067]
情况四、在车辆经过情况三中策略的试算后，车辆以最低限速匀速行驶的时间为负值：
[0068]
则车辆采取先减速至速度v
newmin
，再加速至最高限速后通过交叉口的策略，将行驶过程表示为：
[0069][0070]
进一步地，所述车辆排队长度l
queue
的计算方式为：
[0071]
l
queue
＝n
queue
×
l
len
n
queue
×
l
dis
[0072]
式中：n
queue
是排队车辆数；l
len
是车辆长度；l
dis
是停车车辆之间的间距。
[0073]
进一步地，所述系统给定的加速度大小aa的取值为2.0m/s2。
[0074]
更进一步地，所述系统给定的减速度大小ad的取值为2.0m/s2。
[0075]
本发明的有益效果是：
[0076]
本发明对于车辆施行精准的车道级控制策略，考虑车辆在交叉口的转向需求，使得车速引导的应用场景从单行道拓宽至城市道路；同时，根据各车道上车辆数目，为车辆分配车辆数最少的车道，使得各车道上车辆数目更加均衡、通行效率更高；通过设置前置引导区、一次引导区及二次引导区进行连续车速引导，通行效率更高；研究对象由单车拓展到多车，充分考虑车与车之间的相互影响，完全规避追尾风险，安全指数大幅提升；在车辆行驶油耗以及排放物方面有着更优越的表现。
附图说明
[0077]
图1为本发明方法的流程图；
[0078]
图2为策略引导区设置示意图；
[0079]
图3为前置引导区策略流程图；
[0080]
图4为传统路段车辆时空分布图；
[0081]
图5为本发明的新型车速引导路段车辆时空分布图；
[0082]
图6为两种控制方式下通行效率饼状图；
[0083]
图7为有无控制下油耗折线图；
[0084]
图8为有无控制下co累计排放曲线图；
[0085]
图9为速度引导区全部策略车速变化图像(v-t图)。
具体实施方式
[0086]
具体实施方式一、结合图1说明本实施方式。本实施方式所述的一种智慧网联时代下车道级连续车速引导优化方法，所述方法具体包括以下步骤：
[0087]
步骤一、设置前置引导区，根据车辆目标行驶路径以及各车道上车辆数目，为车辆分配不同的行驶车道；
[0088]
步骤二、设置一次引导区，在保障行车安全的前提下，根据到达的前、后车车速与目标车速之间的关系，为车辆提供行驶策略；
[0089]
步骤三、设置二次引导区，根据车辆到达二次引导区时的道路交通环境信息，为车辆提供行驶策略，保障车辆以最大效益安全通过交叉口。
[0090]
如图2所示，在信号交叉口的停车线前，沿进口道方向依次设置前置引导区(长度为l0)、一次引导区(长度为l1)、二次引导区(长度为l2)，且在二次引导区的末端，即信号交叉口的停车线之前设置有二次停车线(长度为l
stop
)。其中，速度引导区全部策略的车速变化图像如图9所示。
[0091]
为兼顾城市信号控制交叉口场景下车辆的安全性与节能性，本发明将利用信号灯状态信息和前方障碍车辆约束，分析车速引导适应性条件，建立引导车速模型，并进行了模型建模仿真和指标评价。
[0092]
具体实施方式二：结合图3说明本实施方式。本实施方式与具体实施方式一不同的是，所述步骤一的具体过程为：
[0093]
策略1.1若某车辆需要在交叉口进行左转或右转，则根据交叉口渠化方案为该车辆分配相应的目标行驶车道，该车辆换道至分配的目标行驶车道；
[0094]
策略1.2若某车辆的目标行驶路径为直行通过交叉口，则将该车辆分配至车辆数
目最少的直行车道，该车辆换道至分配的目标行驶车道；
[0095]
策略1.3若由于道路交通环境的限制，目标行驶路径为直行通过交叉口的某车辆无法换道至策略1.2中为该车辆分配的目标行驶车道，则该车辆仍保持当前车道行驶。
[0096]
直行车道上车辆数量为实时变化的。即在每一个仿真步长内，若有车辆驶出二次引导区，则对应的直行车道上车辆数目减少相应的数目。
[0097]
其它步骤及参数与具体实施方式一相同。
[0098]
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是，所述步骤二的具体过程为：
[0099]
步骤二一、计算到达的车辆通过一次引导区的时间
[0100]
(1)当车辆速度小于目标车速时，车辆采取加速至目标车速后以目标车速匀速行驶的策略(即底层1)，则车辆通过一次引导区的时间t为：
[0101][0102]
式中：v是车辆到达一次引导区时的速度；v0是一次引导区的目标车速；l1是一次引导区长度；aa是系统给定的加速度大小；
[0103]
(2)当车辆速度大于目标车速时，车辆采取减速至目标车速后以目标车速匀速行驶的策略(即底层2)，则车辆通过一次引导区的时间t为：
[0104][0105]
式中：ad是系统给定的减速度大小；
[0106]
(3)当车辆速度等于目标车速时，车辆采取匀速行驶的策略(即底层3)，则车辆通过一次引导区的时间t为：
[0107][0108]
步骤二二、根据计算出的前车通过一次引导区时间以及后车通过一次引导区时间确定后车的行驶策略；
[0109]
若t2 t0 t
safe
≥t1，则后车根据自身的车速采用步骤二一中的策略驶过一次引导区；
[0110]
其中，t1是前车通过一次引导区所需时间；t2是后车通过一次引导区所需时间；t0是前车后车到达一次引导区的时间差；t
safe
是前后车之间的安全车头时距；
[0111]
若t2 t0 t
safe
＜t1，则令t2＝t
1-t
0-t
safe
，并继续执行步骤二三；
[0112]
步骤二三、根据后车车速与目标车速的大小关系来确定后车的行驶策略；
[0113]
步骤二三一、若后车车速小于目标车速，则后车执行加速至目标车速后匀速的策略，以t2时间驶过一次引导区，行驶过程的表达式为：
[0114]
[0115]
式中：v2为后车车速；a
a1
是后车加速至目标车速的加速度大小；t
a1
是车辆加速至目标车速的加速时间；
[0116]
若a
a1
≥a
amin
，则后车采取以a
a1
的加速度加速至目标车速后匀速的策略(即策略2.1)驶过一次引导区；其中，a
amin
是车辆容许的最小加速度；
[0117]
若a
a1
＜a
amin
，则后车先以当前车速匀速行驶，再以车辆容许的最小加速度加速至目标车速，最后以目标车速匀速驶过一次引导区(即策略2.2)，行驶过程的表达式为：
[0118][0119]
式中：t
y1
是车辆以当前速度匀速行驶的时间；t
a2
是车辆以容许的最小加速度加速至目标车速的加速时间；t
2-t
y1-t
a2
是车辆以目标车速匀速行驶的时间；
[0120]
步骤二三二、若后车车速大于目标车速，则后车执行减速至目标车速后匀速的策略，以t2时间通过一次引导区，行驶过程的表达式为：
[0121][0122]
式中：a
d1
是后车减速至目标车速的减速度大小；t
d1
是车辆减速至目标车速的减速时间；
[0123]
若a
d1
≤a
dmax
，则车辆采取以a
d1
的减速度减速至目标车速后匀速的策略(即策略2.3)驶过一次引导区；其中，a
dmax
是车辆容许的最大减速度的大小；
[0124]
若a
d1
＞a
dmax
，则后车以车辆容许的最大减速度减速至v3，再以系统给定的加速度加速至目标车速，最后以目标车速匀速驶过一次引导区(即策略2.4)，行驶过程的表达式为：
[0125][0126]
其中，v3是车辆以容许的最大减速度减速后的车速；t
d2
是车辆以车辆容许的最大减速度减速至v3的减速时间；t
a3
是车辆以系统给定的加速度加速至目标车速的加速时间；t
2-t
d2-t
a3
是车辆以目标车速匀速行驶的时间；
[0127]
步骤二三三、若后车车速等于目标车速，则后车以系统给定的减速度减速至v4，再以系统给定的加速度加速至目标车速后匀速驶过一次引导区(即策略2.5)，行驶过程的表达式为：
[0128][0129]
式中：v4是后车以系统给定的减速度减速后的速度；t
d3
是车辆以系统给定的减速度减速至v4的减速时间；t
a4
是车辆以系统给定的加速度加速至目标车速的加速时间；t
2-t
d3-t
a4
是车辆以目标车速匀速行驶的时间。
[0130]
其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。
[0131]
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是，所述车辆容许的最小加速度a
amin
的取值为1.0m/s2。
[0132]
其它步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。
[0133]
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是，所述车辆容许的最大减速度a
dmax
的取值为2.5m/s2。
[0134]
其它步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。
[0135]
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是，所述步骤三中的道路交通环境信息包括前方路口信号灯状态以及路口排队信息。
[0136]
其它步骤及参数与具体实施方式一至五之一相同。
[0137]
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是，所述步骤三分为以下四种情况：
[0138]
情况一、车辆进入二次引导区时，前方路口信号灯状态为绿灯且路口排队己经消散：
[0139]
此时，车辆采取匀加速至最高限速后匀速通过交叉口的策略(即策略3.1)，将行驶过程表示为：
[0140][0141]
式中：v
max
是道路条件允许的最高限速；t
y2
是以最高限速匀速行驶的时间；l2是二次引导区长度；
[0142]
情况二、车辆进入二次引导区时，前方路口信号灯状态为绿灯末期且绿灯剩余时间不足以保证车辆在本周期内通过交叉口，或前方路口信号灯状态为红灯：
[0143]
即
[0144]
nt
period
t
green
＜t
come
t
2total
＜(n 1)t
period
，n∈n
*
[0145]
式中：t
period
为一次信号周期时长；t
green
是绿灯时间；t
come
是车辆到达二次引导区的时刻；t
2total
是车辆采取匀加速至最高限速后匀速通过交叉口的策略驶离二次引导区的时间；n是第n个信号周期；
[0146]
此时，车辆采取先匀速行驶再减速停车等待下一周期通过交叉口的策略(即策略3.2)，将行驶过程表示为：
[0147][0148]
式中：t
y2
是车辆以目标车速匀速行驶的时间；l
queue
是车辆排队长度；l
stop
是二次停车线(即车辆采用策略3.2时的停车位置)与停车线之间的距离；
[0149]
左转车道以及直行车道上设置有二次停车线。其目的在于提高排队车辆通过交叉口的速度，易于形成连续车流，进一步提高通行效率。
[0150]
情况三、车辆进入二次引导区时，前方路口信号灯状态为红灯末期且路口排队正在消散：
[0151]
车辆虽然受到限制，但车辆不需要停车并在本周期内的绿灯通过交叉口，即：
[0152]
t
come
t
zhidong
≥t
san
且t
come
t
2total
＜t
leave
[0153]
式中：t
zhidong
是车辆减速至最低限速后匀速行驶至排队车尾的时间；t
san
是排队车辆消散时间；t
leave
是排队队尾车辆启动的时间；
[0154]
此时，车辆采取减速至最低限速后，先以最低限速匀速行驶时间t
y3
，再加速至最高
限速，最后以最高限速匀速通过交叉口的策略(即策略3.3)，将行驶过程表示为：
[0155][0156]
式中：v
min
是道路条件允许的最低限速；t
y3
是车辆以最低速度匀速行驶的时间；v
max
是道路条件允许的最高限速；t
y4
是车辆以最高速度匀速行驶的时间；
[0157]
情况四、在车辆经过情况三中策略的试算后，车辆以最低限速匀速行驶的时间为负值：
[0158]
则车辆采取先减速至速度v
newmin
，再加速至最高限速后通过交叉口的策略(即策略3.4)，将行驶过程表示为：
[0159][0160]
其它步骤及参数与具体实施方式一至六之一相同。
[0161]
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是，所述车辆排队长度l
queue
的计算方式为：
[0162]
l
queue
＝n
queue
×
l
len
n
queue
×
l
dis
[0163]
式中：n
queue
是排队车辆数；l
len
是车辆长度；l
dis
是停车车辆之间的间距。
[0164]
其它步骤及参数与具体实施方式一至七之一相同。
[0165]
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是，所述系统给定的加速度大小aa的取值为2.0m/s2。
[0166]
其它步骤及参数与具体实施方式一至八之一相同。
[0167]
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是，所述系统给定的减速度大小ad的取值为2.0m/s2。
[0168]
其它步骤及参数与具体实施方式一至九之一相同。
[0169]
策略仿真结果
[0170]
使用python进行仿真，编写第一次和第二次引导区车辆的引导方案，主要参数如下：
[0171]
第一次引导区长度70m，第二次引导区长度200m，v0、v
min
和v
max
分别为50km/h、30km/h和70km/h，双停车线长度为17.36m，三条车道的总流量为2000pcu/h，信号灯一个周期内绿灯、红灯、黄灯时长分别为40s、37s和3s，系统给定的加速度(aa)、减速度(ad)大小的取值均为2.0m/s2，车辆容许的最小加速度(a
amin
)的取值为1.0m/s2,车辆容许的最大减速度(a
dmax
)的取值为2.5m/s2。
[0172]
根据仿真结果，可得到传统路段和新型车速引导路段上各车道车辆的时空分布图，如图4、图5所示分别为车道2上车辆在仿真时间25s至250s的时空分布图，图中虚线为道路交叉口位置，两种方式均绘制了在交叉口前200m的图线，图4中的断线是由于车辆换道行为造成的。根据图线，施行新型车速引导策略路段相比传统路段，车辆通过交叉口时速度更高，车辆在距离交叉口200m范围内无换道行为，车流更加稳定。
[0173]
根据车辆的vsp采用油耗、排放拟合公式，构建指标评价完成新型引导策略与传统的未经车速引导策略的路段的通行效率、油耗以及排放的对比。相关结果如图6至图8所示，
与传统路段相比，通行效率大幅提升，延误车辆数同比下降6.66％，停车车辆数同比下降11.11％；根据油耗曲线可知，新型车速引导策略路段，车辆速度较为平稳，正常行驶状态下油耗较低；当红灯结束车辆启动时，会出现短时集中的高油耗状态，但在总体上，施行新型车速引导策略油耗同比减低34.50％；施行新型车速引导策略co排放同比下降28.57％。该策略优化设计在安全程度上、智能水平上以及节能减排上均具有一定的优势，具有很好的理论和实践创新性。
[0174]
本发明的上述算例仅为详细地说明本发明的计算模型和计算流程，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。