协同式自适应巡航控制车辆的微观模拟方法

1.本发明涉及一种协同式自适应巡航控制车辆的微观模拟方法，属于微观交通流领域。


背景技术：

2.随着移动互联技术与智能驾驶技术的不断发展，在交通流中形成了车与车之间信息相连的车队。协同式自适应巡航控制(cooperative adaptive cruise control，cacc)技术是智能网联汽车的具体应用，它能通过车辆之间共享速度，加速度等信息，控制车辆之间的间距，保证车辆行车稳定与行车安全。基于cacc的这些特性，很多问题如交通拥挤、交通污染、交通事故、交通需求膨胀等都可以得到很好的解决。
3.总的来说，虽然目前大多数关于cacc系统的研究成果都已得到了模拟验证，但由于其成本的高昂，很少在现实生活中验证这些结论，仅从视觉上观察驾驶员的行为和交通流特点无法全面掌握不同场景下cacc车辆的交通流的特性。因此，建立一套完整的cacc车辆微观模拟方法，并以此为基础展开研究是必要的。


技术实现要素：

4.本发明针对现有技术的不足，为协同式自适应巡航控制技术车辆的微观模拟提供一套完整的方法，涉及到cacc车队的组合，cacc车队的消散，车队车辆的换道控制，车队车辆的速度与加速度控制。
5.为实现上述目的，本发明具体采用以下的步骤建立协同式自适应巡航控制cacc微观模型，完成cacc车辆的微观模拟：
6.步骤1：确定cacc车队的组合逻辑；
7.步骤2：确定cacc车队的消散逻辑；
8.步骤3：确定cacc车辆的换道行为控制；
9.步骤4：确定cacc车辆的速度与加速度控制。
10.进一步，所述步骤1中的cacc车队组合逻辑包括：
11.1)前车和后车均为cacc自由车辆的情况：
12.stf＝0,st
l
＝0
13.d
f-d
l
≤ds14.如果前车与后车在同一车道，即：lf＝l
l
，则在下一时刻有：stf＝1,st
l
＝2；
15.如果前车与后车不在同一条车道，即：lf≠l
l
，此时若后车满足换道条件，则在下一时刻：lf＝l
l
且stf＝1,st
l
＝2，否则在下一时刻：stf＝0,st
l
＝0；
16.2)前车是cacc成员车，后车是cacc自由车辆的情况：
17.stf＝2,st
l
＝0
18.d
f-d
l
≤ds19.nf 1≤n
max
20.如果前车与后车在同一车道，即：lf＝l
l
，则在下一时刻有：stf＝2,st
l
＝2；
21.如果前车与后车不在同一条车道上，即：lf≠l
l
，此时若后车满足换道条件，则在下一时刻：lf＝l
l
且stf＝2,st
l
＝2，否则在下一时刻：stf＝2,st
l
＝0；
22.3)前车是cacc成员车，后车是cacc领航车的情况：
23.stf＝2,st
l
＝1
24.d
f-d
l
≤ds25.nf n
l
≤n
max
26.如果前车与后车在同一车道，即：lf＝l
l
，则在下一时刻有：stf＝2,st
l
＝2；
27.如果前车与后车不在同一条车道上，即：lf≠l
l
，此时若后车满足换道条件，则在下一时刻：lf＝l
l
且stf＝2,st
l
＝1，否则在下一时刻：stf＝2,st
l
＝0；
28.其中，stf是前车的状态，st
l
是后车的状态，0代表自由车辆，1代表车队领航车，2代表车队成员车；df是前车在路段上行驶的距离，d
l
是后车在路段上行驶的距离，ds是车辆允许的最大跟驰间距；lf是前车所处的车道，lf是后车所处的车道；nf是前车所在车队的车辆数，n
l
是后车所在车队的车辆数，n
max
是车队最大车辆数。
29.进一步，所述步骤2中cacc车队的消散逻辑基于车队车辆是否发生变道及车队车辆之间的距离进行判断，具体为：
30.1)车辆因目标车道的改变引发了换道，导致前车与后车车道不一致，即：
31.stf＝1,st
l
＝2或stf＝2,st
l
＝2
32.lf≠l
l
33.则在下一时刻有：
34.stf＝0,st
l
＝0
35.2)车辆间距大于车辆允许的最大跟驰间距，即：
36.stf＝1,st
l
＝2或stf＝2,st
l
＝2
37.d
f-d
l
≥ds38.则在下一时刻有：
39.stf＝0,st
l
＝0。
40.进一步，所述步骤3中基于lc2013换道模型对cacc车辆进行换道控制，包括战略换道，协作换道，超车换道，基于法规要求的换道四种换道模式。
41.进一步，所述步骤4中进行cacc车队车辆速度控制的具体分为四种情况：
42.1)目标车辆i被定义为cacc领航车，且与前车的车头间距小于ds，即：
43.sti＝1
44.d
f-di≤ds45.则有：
[0046]vi
＝vf；
[0047]
2)目标车辆i被定义为cacc领航车，但与前车的车头间距大于ds，即：
[0048]
sti＝1
[0049]df-di≥ds[0050]
则有：
[0051]vi
＝vo；
[0052]
3)目标车辆i是cacc成员车，即：
[0053]
sti＝2
[0054]
则有：
[0055]vi
＝vf；
[0056]
4)目标车辆i是cacc自由车辆，即：
[0057]
sti＝0
[0058]
则有：
[0059]vi
＝vo；
[0060]
其中，sti是目标车辆i的状态；di是目标车辆i在路段上行驶的距离，df是前车在路段上行驶的距离，ds是车辆允许的最大跟驰间距；vi是目标车辆i的速度，vf是前车的速度，vo是车辆的期望行驶速度。
[0061]
进一步，所述步骤4中进行cacc车队车辆加速度控制的具体分为三种情况：
[0062]
1)目标车辆i是cacc成员车，即：
[0063]
sti＝2
[0064]
则有：
[0065]ac
＝(kv*(v
f-vi) 9ks*(s-vi*td)))
[0066]
a＝max(a
min
,min(ac,a
max
))；
[0067]
2)目标车辆i是cacc领航车，即：
[0068]
sti＝1
[0069]
则有：
[0070]ac
＝(ka*af kv*(v
f-vi) (ks*(s-vi*1.4)))
[0071]
a＝max(a
min
,min(ac,a
max
))；
[0072]
3)目标车辆i是cacc自由车辆，满足：
[0073]
sti＝0
[0074]
则有：
[0075]ac
＝(kv*(v
f-vi) (ks*(s-vi*1.4))0
[0076]
a＝max(a
min
,min(ac,a
max
)0；
[0077]
其中，ac是线形方程控制的加速度，a是车辆实际行驶的加速度，af是前车的加速度，a
min
是允许最大的反向加速度，a
max
是允许最大的正向加速度；vf是前车的速度，vi是目标车辆i的速度；s是目标车辆i和前车之间的间距，td是车队车辆的车头时距；ka是前车的加速度系数，kv是目标车辆i与前车速度差的系数，ks是反应时间系数。
[0078]
基于以上的技术手段，本发明提出的协同式自适应巡航控制车辆的微观模拟方法，可以应用于cacc混合交通流的研究、车辆驾驶行为的研究以及交通管理策略的研究：
[0079]
1、cacc混合交通流的研究
[0080]
基于协同式自适应巡航控制车辆的混合交通流与传统交通流有很大的区别，已经能在一定程度上实现车队的自动化控制。本发明提出的方法综合考虑了车队组合和消散的各种情况，适用于模拟城市道路、高速公路基本道路、高速公路分流区等路段上协同式自适应巡航控制车辆的混合交通流运行情况，将成为cacc混合交通流相关问题研究开展的有力铺垫；
[0081]
2、车辆驾驶行为的研究
[0082]
驾驶行为的研究始终是交通领域研究的重要组成部分，随着cacc的推广应用，车辆的驾驶行为会发生明显的变化。本发明提出的方法可以实现对车辆换道的有效控制，并能合理地控制跟驰车辆的速度与加速度，适用于模拟不同驾驶行为下cacc车辆的运行状况，进一步丰富车辆驾驶行为的研究；
[0083]
3、交通管理策略的研究
[0084]
为了保证基于协同式自适应巡航控制车辆的混合交通流的安全、高效的运行，交通管理策略也要在结合cacc新的交通特性的基础上做出改变。基于本发明提出的方法，模拟cacc车辆在不同交通管理策略下的运行情况，可以为未来cacc混合交通流管理策略的改善提供依据。
附图说明
[0085]
图1是本发明中协同式自适应巡航控制车辆的微观模拟流程图；
[0086]
图2是本发明中cacc车队的组合情况一的示意图，其中，(a)是前车与后车在同一车道，(b)是前车与后车不在同一条车道且后车满足换道条件，(c)是前车与后车不在同一条车道且后车不满足换道条件；
[0087]
图3是本发明中cacc车队的组合情况二的示意图，其中，(a)是前车与后车在同一车道，(b)是前车与后车不在同一条车道且后车满足换道条件，(c)是前车与后车不在同一条车道且后车不满足换道条件；
[0088]
图4是本发明中cacc车队的组合情况三的示意图；
[0089]
图5是本发明中cacc车队的消散示意图，其中(a)是情况一，(b)是情况二；
[0090]
图6是本发明中cacc车辆速度控制逻辑示意图，其中(a)是vi＝vf情况，(b)是vi＝vo情况；
[0091]
图7是本发明中cacc车辆加速度控制逻辑示意图，其中(a)是sti＝2情况，(b)是sti＝1情况，(c)是sti＝0情况。
具体实施方式
[0092]
为使得发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合说明书附图和结合具体实施例，对本发明中提出的技术方案进行更加清楚、完整的描述。
[0093]
本发明通过建立协同式自适应巡航控制车辆的微观模型，完成对cacc车辆的微观模拟。其中，cacc微观模型的建立，如图1所示，具体包括以下四个步骤：
[0094]
步骤1：确定cacc车队的组合逻辑
[0095]
在该步骤中，协同式自适应巡航控制的交通流中存在三种类型的车辆，cacc领航车，cacc成员车与cacc自由车辆。cacc领航车是车队的第一辆车，领导整个车队的行驶。cacc成员车是车队中的一员，跟随前车行驶。cacc自由车辆指的是经过综合地判断自身邻近车辆和周边交通状况判定cacc车辆不适合组队运行，此时车辆独立于车队之外。
[0096]
进一步地，图2至4展示了协同式自适应巡航控制车队的组合逻辑，车队的组合具体可以分为三种情况：
[0097]
情况一，如图2所示，前车是cacc自由车辆，后车是cacc自由车辆，且两车之间的距
离小于允许的最大车辆跟驰间距，结合两车所在车道进行进一步判断。如果两车在同一车道，则前车定义为cacc领航车，后车定义为cacc成员车；如果两车不在同一车道，结合后车是否可以换道进行进一步判断。如果后车可以换道，则前车定义为cacc领航车，后车定义为cacc成员车；否则，前车与后车无法完成车队组合。具体地：
[0098]
前车是cacc自由车辆，后车是cacc自由车辆，满足以下条件：
[0099]
stf＝0,st
l
＝0
[0100]df-d
l
≤ds[0101]
此时，根据前后车辆是否在同一条车道，进一步分为两种情况：
[0102]
1)如果前车与后车在同一车道，满足：
[0103]
lf＝l
l
[0104]
则在下一时刻有：
[0105]
stf＝1,st
l
＝2
[0106]
2)如果前车与后车不在同一条车道上：
[0107]
lf≠l
l
[0108]
此时，如果后车满足换道条件，则在下一时刻：
[0109]
lf＝l
l
[0110]
stf＝1,st
l
＝2
[0111]
进一步的，如果后车不满足换道条件，则在下一时刻：
[0112]
stf＝0,st
l
＝0。
[0113]
情况一描述了两个cacc自由车辆在满足一定条件下的相互组合情况。式中，stf是前车的状态，st
l
是后车状态，0代表自由车，1代表车队领航车，2代表车队成员车；df是前车在路段上行驶的距离，d
l
是后车在路段上行驶的距离，ds是车辆允许的最大跟驰间距；lf是前车所处的车道，lf是后车所处的车道。
[0114]
情况二，如图3所示，前车是cacc成员车，后车是cacc自由车辆，且两车之间的距离小于允许的最大车辆跟驰间距，结合前车所处车队长度进行进一步的判断。如果车辆结合后新的车队长度大于允许的最大车队长度，则前车与后车无法完成车队组合；否则，结合两车所在车道进行进一步判断。如果两车在同一车道，则前车定义为cacc成员车，后车定义为cacc成员车；如果两车不在同一车道，结合后车是否可以换道进行进一步判断。如果后车可以换道，则前车定义为cacc成员车，后车定义为cacc成员车；否则，前车与后车无法完成车队的组合。具体地：
[0115]
前车是cacc成员车，后车是cacc自由车辆，满足以下条件：
[0116]
stf＝2,st
l
＝0
[0117]df-d
l
≤ds[0118]
nf 1≤n
max
[0119]
此时，根据前后车辆是否在同一条车道，进一步分为两种情况：
[0120]
1)如果前车与后车在同一车道，满足：
[0121]
lf＝l
l
[0122]
则在下一时刻有：
[0123]
stf＝2,st
l
＝2
[0124]
2)如果前车与后车不在同一条车道上：
[0125]
lf≠l
l
[0126]
此时，如果后车满足换道条件，则在下一时刻：
[0127]
lf＝l
l
[0128]
stf＝2,st
l
＝2
[0129]
进一步的，如果后车不满足换道条件，则在下一时刻：
[0130]
stf＝2,st
l
＝0。
[0131]
情况二描述了cacc自由车辆加入车队的情况。式中，n是当前车队的车辆数，n
max
是车队最大车辆数，可以防止车队车辆数量的不断增加，实现对车队长度的控制。
[0132]
情况三，如图4所示，前方车辆是cacc成员车，后方车辆是cacc领航车，且两车之间的距离小于允许的最大车辆跟驰间距，结合两辆车所处车队的长度进行进一步的判断。如果车辆结合后形成新的车队长度大于允许的最大车队长度，则前车与后车无法完成车队组合；否则，结合两车所在车道进行进一步判断。如果两车在同一车道，则前车定义为cacc成员车，后车所在车队的所有车俩定义为cacc成员车；如果两车不在同一车道，则前车与后车无法完成车队组合。具体地：
[0133]
前车是cacc自由车辆，后车是cacc领航车，满足以下条件：
[0134]
stf＝2,st
l
＝1
[0135]df-d
l
≤ds[0136]
nf n
l
≤n
max
[0137]
考虑到车队组合问题，车队整体换道会影响交通流运行的稳定性，则有以下两种情况：
[0138]
1)如果满足：
[0139]
lf＝l
l
[0140]
则在下一时刻有：
[0141]
stf＝2,st
l
＝2
[0142]
2)如果前车与后车不在同一条车道上：
[0143]
lf＝l
l
[0144]
则在下一时刻有：
[0145]
stf＝2,st
l
＝1
[0146]
情况三描述了两cacc车队的组合情况，并加入了车队长度控制，防止车队车辆数目的不断增加。
[0147]
步骤2：确定cacc车队的消散逻辑
[0148]
本发明所提出的车队车辆的消散逻辑基于cacc车队车辆之间的距离及车队车辆是否发生变道进行逻辑判断。若车队的某两辆车的距离大于允许的最大车辆跟驰间距，或车队中的某辆车驶离了车道，则车队解散，在下一时刻剩余车辆根据cacc车队的组合逻辑形成新的车队。
[0149]
如图5所示，在城市交叉口等路段，由于cacc车队中不同车辆的目标路段不同，会导致车队的解散。同时，若cacc车队车辆间的距离过远，会导致车队的解散。具体可以表示为以下两种情况：
[0150]
情况一、车辆因目标车道的改变引发了换道，导致前车与后车车道不一致，满足条件：
[0151]
stf＝1,st
l
＝2或stf＝2,st
l
＝2
[0152]
lf≠l
l
[0153]
则在下一时刻有：
[0154]
stf＝0,st
l
＝0
[0155]
情况二、车辆间距大于车队车辆允许的最大跟驰间距，满足条件：
[0156]
stf＝1,st
l
＝2或stf＝2,st
l
＝2
[0157]df-d
l
≥ds[0158]
则在下一时刻有：
[0159]
stf＝0,st
l
＝0
[0160]
车队解散后，在下一时刻剩余车辆根据cacc车队的组合逻辑形成新的车队。
[0161]
步骤3：cacc车辆的换道行为控制
[0162]
本发明所建立的车辆换道模型基于lc2013模型，包括战略换道，协作换道，超车换道，基于法规要求的换道四种换道模式。战略换道是车辆因目标行驶路段发生变化而进行的换道；协作换道是为了帮助侧车道车辆变换至其车道上而进行的换道；超车换道是以获得更快速度为目的而进行的换道；基于法规的换道要求车辆在超车后驶离超车道，以保持超车道的畅通。本发明根据cacc车辆所处的状态，分别对cacc领航车、cacc成员车、cacc自由车辆进行换道行为控制。
[0163]
对于cacc领航车和cacc成员车，为保证车队行驶的稳定，在车队行驶过程中，如无特殊情况，车队车辆会跟随前车行驶，不会换道，此时车辆只会在一定条件下执行战略换道，驶出车队。
[0164]
对于cacc自由车辆，在行驶过程中不能妨碍cacc车队车辆的行驶，防止其驶入车队造成干扰。对其换道行为进行控制，具体表现为：当战略换道需求紧急时，执行战略换道；当换道会导致紧急情况出现时，不执行战略换道；当车辆对前方执行战略换道车辆造成阻碍时，执行协同换道；当换道所带来的速度增益概率大于阈值时，执行超车换道；当保持右侧车道行驶概率大于阈值时，执行基于法规要求的换道。
[0165]
步骤4：cacc车辆的速度与加速度控制
[0166]
基于不同的车辆状态，本发明提出多种情况来控制cacc车队车辆的速度与加速度。
[0167]
车队车辆的速度控制。对于cacc领航车，若与前车的车头间距小于允许的最大车辆跟驰间距，则该车辆的速度等于前车速度；若与前车的车头间距大于允许的最大车辆跟驰间距，则该车辆的速度等于车辆的期望行驶速度。对于车队成员车，若与前车的车头间距小于允许的最大车辆跟驰间距，则车辆的速度等于前车速度。对于cacc自由车辆，其速度等于车辆的期望行驶速度。
[0168]
本发明建立了协同式自适应巡航控制车辆的跟驰模型，根据图6所示的逻辑思路控制cacc车辆的速度，主要分为四种情况。
[0169]
1、目标车辆i被定义为cacc领航车，且与前车的车头间距小于ds，即：
[0170]
sti＝1
[0171]df-di≤ds[0172]
则有：
[0173]vi
＝vf[0174]
2、目标车辆i被定义为cacc领航车，但与前车的车头间距大于ds，即：
[0175]
sti＝1
[0176]df-di≥ds[0177]
则有：
[0178]vi
＝vo[0179]
3、目标车辆i是cacc成员车，即：
[0180]
sti＝2
[0181]
则有：
[0182]vi
＝vf[0183]
4、目标车辆i既不是cacc领航车也不是cacc成员车，即：
[0184]
sti＝0
[0185]
则有：
[0186]vi
＝vo[0187]
其中，sti是目标车辆i的状态；di是目标车辆i在路段上行驶的距离，df是前车在路段上行驶的距离，ds是车辆允许的最大跟驰间距；vi是目标车辆i的速度，vf是前车的速度，vo是车辆的期望行驶速度。
[0188]
进一步地，如图7所示，cacc车辆的加速度控制具体分为三种情况：
[0189]
1、目标车辆i是cacc成员车，即：
[0190]
sti＝2
[0191]
则有：
[0192]ac
＝(kv*(v
f-vi) (ks*(s-vi*td)))
[0193]
a＝max(a
min
,min(ac,a
max
))
[0194]
2、目标车辆i是cacc领航车，即：
[0195]
sti＝1
[0196]
则有：
[0197]ac
＝(ka*af kv*(v
f-vi) (ks*(s-vi*1.4)))
[0198]
a＝max(a
min
,min(ac,a
max
))
[0199]
3、目标车辆i是cacc自由车辆，满足：
[0200]
sti＝0
[0201]
则有：
[0202]ac
＝(kv*(v
f-vi) (ks*(s-vi*1.4)))
[0203]
a＝max(a
min
,min(ac,a
max
))
[0204]
其中，ac是线形方程控制的加速度，a是车辆实际行驶的加速度，af是前车的加速度，a
min
是允许最大的反向加速度，a
max
是允许最大的正向加速度；vf是前车的速度，vi是目标车辆i的速度；s是目标车辆i和前车之间的间距，td是车队车辆的车头时距；ka是前车的加速度系数，kv是目标车辆i与前车速度差的系数，ks是反应时间系数。
[0205]
以上四个步骤完成了cacc车辆的微观模拟，仅是通过优选实施描述本发明的具体实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。对于本技术领域的普通技术人员来说，在没有做出创造性劳动前提下对本发明原理的若干改进和润饰，都应视为本发明的保护范围。