一种车路协同环境下的动态公交专用道节能优化控制方法

1.本发明属于交通工程技术领域，具体涉及城市公交专用道的精细化及动态化管理与控制。


背景技术：

2.公交专用道作为公共交通设施，已经成为构成城市道路的重要组成部分。现有的公交专用道时空资源协同控制方法表现为静态、经验性的管理手段，具体表现为：高峰时段仅允许公交车辆使用，禁止所有小汽车通行，一定程度上降低了道路设施资源的利用效率；平峰时段小汽车随意进出公交专用道，无法做到优先保障公交优先通行，缺乏动态、智慧的控制方法。
3.与此同时，现有关于动态公交专用道的研究，如hong yang、wei wang等发表的论文an innovative dynamic bus lane system and its simulation-based performance investigation；申请号为201710348661.7，发明名称为保证公交优先的车道变时分复用方法及系统，及申请号为202111233208.4、发明名称为一种允许网联车借用公交专用道的动态调控方法的发明专利，以上论文或专利都是提出一种小汽车借用公交专用道的控制方法，能有效提升交通系统通行效率，减少交通拥堵，然而如何降低交通能耗与交通排放，成为城市交通管理的重点问题；所以一种节能优化的动态公交专用道控制方法，有助于推进城市交通系统绿色化发展。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提出车路协同环境下一种车路协同环境下的动态公交专用道节能优化控制方法，适用于同时存在公交专用道和普通车道的城市道路，在获取本车于公交专用道内前车和后车轨迹信息的基础上，考虑交叉口道路渠化特征，并以车辆换道加速度效益为换道动机，以生态均衡巡航速度为期望速度，计算本车在公交专用道内的期望行车轨迹，并判断该轨迹是否满足安全要求，若满足安全要求，车辆将按该轨迹行驶于公交专用道；否则车辆将保持于当前道路行驶。为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
5.一种车路协同环境下的动态公交专用道节能优化控制方法，包括以下步骤：
6.s1、获取公交专用道前车、后车轨迹信息，本车当前速度、位置信息，与当前车道前车距离以及前车速度信息；
7.在车路协同环境下，车车相互通信，车路互相通信，可实时获取与周围智能网联车辆的位置、速度、加速度信息，并获取当前道路特征与信号相位信息。本车通过车车通信技术获取其在公交专用道内的前车速度、位置时间序列术获取其在公交专用道内的前车速度、位置时间序列后车速度、位置时间序列本车的当前速度vn、位置xn、本车在当前车道的前车距离以及前车速度交叉口非可换道区域起始位置x
cl
、交叉口停车线位置x
sl
与交叉口末端位置x
end
；
8.s2、判断车辆是否处于非可换道区域；
9.对于在普通车道的智能网联汽车，比较当前时刻车辆位置xn与非可换道区域起始位置x
cl
。若xn≤x
cl
，说明车辆在可换道区域，车辆可进行换道决策；若xn＞x
cl
，说明车辆在非可换道区域，该区域内车辆禁止换道，车辆将保持当前车道行驶。
10.s3、判断车辆是否存在换道动机；
11.安全加速度表示为：当前车突然刹车，为避免碰撞，本车于下一时刻行驶的加速度值；由treiber，helbing在论文congested traffic states in empirical observations and microscopic simulations中提出的智能驾驶员模型(intelligent driver model,idm)，该模型由车辆的自由行驶与安全行驶两项构成，可以保证车辆安全，且能有效的模拟人的驾驶行为，故选用idm加速度作为车辆安全加速度。对于处在可换道区域的本车，将分别计算其在当前车道、公交专用道的安全加速度计算其加速度差值并与加速度收益阈值δa
th
进行比较。若δa≥δa
th
，说明本车在公交专用道上存在更好的行驶环境，即车辆存在换道动机；反之车辆不存在换道动机，不发生换道行为。
12.所述步骤s3判断车辆是否存在换道动机，具体为：
13.对于处在可换道区域的本车，将分别计算其在当前车道、公交专用道的安全加速度计算其加速度差值并与预先设置的加速度收益阈值δa
th
进行比较，加速度收益阈值要根据具体的道路来进一步优化取值的，不同的可换道区域长度会存在不同的数值。设当前车速为vn，当前车道的前车速度为与前车距离公交专用道前车速度为与前车距离本车最大速度为v
n,max
、本车最大加速度a
n,max
、安全跟车时距为τ、舒适减速度为a
n,b
、最小安全距离s0；安全加速度计算步骤包括：
14.1)、确定车辆于当前车道安全加速度
[0015][0016]
2)、确定车辆于公交专用道安全加速度
[0017][0018]
s4、计算车辆在公交专用道内行车轨迹与通过交叉口停车线时间；
[0019]
当车辆存在换道动机时，考虑公交专用道内道路空间资源较为丰富，车辆倾向于自由行驶，倾向于自由行驶表示可以用智能驾驶员模型的第一项模拟其行驶行为。选用idm自由行驶项计算其在公交专用道内部时刻的加速度，求解得到其在公交专用道内的速度、位置轨迹时间序列通过交叉口停车线时间t
sl
；
[0020]
所述步骤s4计算车辆在公交专用道内行车轨迹，具体为：
[0021]
记当前时刻车辆速度、位置为v
n,0
、x
n,0
，行车轨迹的具体计算步骤为：
[0022]
1)、确定车辆在公交专用道内期望速度vo。对于燃油驱动车辆，其对于纯电力驱动车辆其中表示燃油汽车、电动汽车满足出行效率和能耗效益的速度值，可通过相应实车实验测试得到；设置初始迭代时刻i＝0，迭代单位步长为δt；
[0023]
2)、考虑智能网联汽车在公交专用道内倾向于自由行驶，可用idm自由流项模拟其加速度，其下一时刻加速度
[0024]
3)、更新车辆下一刻速度v
n,i 1
＝v
n,i
a
n.i 1
δt，车辆下一时刻位置
[0025]
4)、比较x
n,i
、x
n,i 1
与交叉口停车线位置x
sl
。若x
n,i
＜x
sl
且有x
n,i 1
≥x
sl
，说明车辆于i 1时刻通过交叉口停车线，则t
sl
＝i 1；
[0026]
5)、比较x
n,i 1
与交叉口末端位置x
end
，若x
n,i 1
＜x
end
，说明车辆仍在交叉口内部，车辆尚未驶出交叉口，存储车辆速度、位置轨迹vn＝[vn,v
n,i 1
]、xn＝[xn,x
n,i 1
]，更新车辆行驶时刻i＝i 1，重新执行步骤2)～4)；若x
n,i 1
≥x
end
，说明车辆已驶出交叉口，记m＝i 1，则输出车辆速度、位置轨迹vn＝[v
n,0
,v
n,1
,v
n,2
,...,v
n,m
]、xn＝[x
n,0
,x
n,1
,x
n,2
,...,x
n,m
]。
[0027]
i为车辆在公交专用道内的行驶时间。如果本车在i时刻尚未驶出交叉口，说明本车还是在交叉口内部，所以需要计算其在下一个时刻(i 1)的加速度、速度和位置的信息。i＝i 1就是通过步骤2)至步骤4)把下一时刻速度算出来，然后反复迭代，直至本车驶出交叉口。
[0028]
s5、判断车辆行车轨迹是否满足安全条件；
[0029]
将计算得到的速度、位置轨迹分别与公交专用道内后车速度、位置时间序列公交专用道内前车速度、位置时间序列结合车辆安全跟车时距τ进行比较，判断车辆行驶轨迹是否满足安全条件。若车辆行驶轨迹不满足安全条件，车辆不发生换道行为；反之，车辆倾向于发生换道行为；
[0030]
所述步骤s5判断车辆行车轨迹是否满足安全条件，具体为：
[0031]
本车于公交专用道内前车速度、位置时间序列为：
[0032][0033][0034]
公交专用道内后车速度、位置时间序列：
[0035][0036][0037]
本车安全跟车时距τ；则可计算对于本车与公交专用道内前车、后车的实际车头间
距与安全间距的差值时间序列δx
n-1
、δx
n-1
，若其内部存在负值，认为本车不安全行驶，不满足安全条件，其判断步骤具体为：
[0038]
1)、计算在公交专用道内行驶过程中，本车与前车实际跟车间距与安全跟车间距差值
[0039]
2)计算在公交专用道内行驶过程中，本车与后车实际跟驰间距与安全跟车间距差值
[0040]
3)、若δxn、δx
n 1
内存在负元素值，说明车辆实际跟车间距小于安全跟车间距，即车辆行驶轨迹不满足安全条件；反之，车辆行驶轨迹满足安全条件。s6、判断车辆能否不停车通过交叉口；
[0041]
当车辆行驶轨迹满足安全条件时，比较车辆于公交专用道内行驶至停车线的时间t
sl
与剩余通行时间t
last
。若t
sl
≤t
last
，说明车辆能在剩余通行时间内于公交专用道内驶出交叉口停车线，车辆将选择换道；反之，车辆不发生换道行为。
[0042]
s7、输出车辆轨迹；
[0043]
对于发生换道的车辆，其将按求解得到的速度、位置轨迹进行位置更新；对于不发生换道的车辆，其行驶轨迹将按idm跟驰其下一时刻速度v
′n＝vn a
n,idm
δt，车辆下一时刻位置
[0044]
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0045]
本发明提出的方法在不影响公交车通行的条件下，使驶入公交专用道的智能网联汽车以较低能耗和出行时间不停车通过交叉口，有效的减少了交通拥堵，提升交通安全，且本发明单车轨迹的求解时间约为8ms，能实际应用于智能网联汽车，具有较高的实际应用前景。
附图说明
[0046]
图1是本发明所述模型的流程图；
[0047]
图2是本发明设置策略实施场景图；
[0048]
图3是没有实施本发明方法的仿真位置-时间对比图，其中3a是小汽车在普通车道上行驶轨迹，3b是公交车在公交专用道上行驶轨迹；
[0049]
图4是实施了本发明方法的仿真位置-时间对比图，其中4a是小汽车在普通车道上行驶轨迹，4b是公交车和小汽车在公交专用道上行驶轨迹；
[0050]
图5是本发明实施例第12辆车的位置-时间图；
[0051]
图6是本发明实施例第12辆车的速度-时间图；
[0052]
图7是本发明实施例第12辆车的加速度-时间图；
[0053]
图8是本发明实施例第12辆车的瞬时能耗-时间图。
具体实施方式
[0054]
下面结合说明书附图与设置策略实施场景图，对本发明作进一步的说明。
[0055]
实施例1
[0056]
取交叉口限速v0＝18m/s，车辆最大加速度a
n,max
＝2.5m/s2，舒适减速度a
n,b
＝-2m/s，最大制动加速度a
n,min
＝-4m/s2，安全跟车时距τ＝1.6s，最小安全间距s0＝2m，公交专用道目标车速vo＝12m/s，换道加速度收益阈值δa
th
＝0.5m/s2。
[0057]
如图1、2所示，本实施例包括如下步骤：
[0058]
s1、获取交叉口道路和车辆信息。通过车车通信，车路通信技术获取交叉口非可换道区域起始位置x
cl
＝280m，交叉口停车线位置x
sl
＝300m，交叉口末端位置x
end
＝340m，交叉口剩余行驶时间t
last
＝15s；本车位置xn＝280m、速度vn＝12m/s；本车当前时间在当前车道的前车距离速度m/s；本车在公交专用道的前车距离速度
[0059]
s2、判断车辆是否处于可换道区域。对比本车位置xn与非可换道区域起始位置x
cl
，有xn≤x
cl
，本车允许换道。
[0060]
s3、判断车辆是否存在换道动机。
[0061]
计算其在当前车道的安全加速度：
[0062][0063]
在公交专用道的安全加速度：
[0064][0065]
则有换道加速度收益δa＝1.7-(-4.4)＝6.3≥δa
th
＝0.5，存在换道动机。
[0066]
s4、计算车辆在公交专用道内行车轨迹与通过交叉口停车线时间。
[0067]
已知公交专用道内本车目标速度vo＝12m/s，则通过步骤s4可得到本车在公交专用道内位置、速度序列为：
[0068]
xn＝[280,292,304,316,338,350]m
[0069]vn
＝[12,12,12,12,12,12]m/s；
[0070]
停车线位置x
sl
＝300，且有292≤300，304≥300得到本车通过交叉口停车线所需时间t
sl
＝3s。
[0071]
s5、判断车辆轨迹是否满足安全条件。安全跟车时距＝1.6s，获取本车于公交专用道内前车速度、位置序列为：
[0072][0073][0074]
后车速度、位置时间序列为：
[0075][0076][0077]
则可计算本车与前车实际跟车间距与安全跟车间距差值：
[0078]
δxn＝[0.8,3.8,6.8,9.8,12.8,15.8]m
[0079]
本车与后车实际跟车间距与安全跟车间距差值：
[0080]
δx
n 1
＝[14,16,18,20,22,24]
[0081]
若δxn、δx
n 1
内均不存在负元素值，本车行驶轨迹满足安全条件。
[0082]
s6、判断车辆能否不停车通过交叉口。对比本车通过交叉口停车线所需时间t
sl
与剩余行驶时间t
last
，有3≤15，本车能在绿灯结束前通过交叉口。
[0083]
s7、输出车辆轨迹。输出本车在公交专用道内位置、速度轨迹：
[0084]
xn＝[280,292,304,316,338,340]m，
[0085]vn
＝[12,12,12,12,12,12]m/s，
[0086]
并控制车辆按该轨迹在公交专用道内行驶。
[0087]
实施例2
[0088]
通过一个实例对本发明车路协同环境下一种节能优化的动态公交专用道控制策略进行效果评估。
[0089]
取交叉口长度为450m，共存在两条车道，左侧为普通车道，右侧为公交专用道，交叉口可换道区域长度为150m，小汽车车长为6m，公交车车长为12m；仿真车辆具有相同的动力学参数；交叉口限速为18m/s，汽车和公交车进入交叉口初始速度为10m/s，车辆最大加速度为2.5m/s2，舒适减速度为-2m/s，最大制动加速度为-4m/s2，安全跟车时距为1.6s，最小安全间距为2m；信号周期时长为60s，其中绿灯30s，黄灯3s，红灯27s，信号灯初始为绿灯启亮状态。仿真编码软件为matlab，电脑显卡为intel i5-9300h，内存16gb，得到附图3-8车辆状态变化曲线。
[0090]
图3为不实施本发明例动态公交专用道设置策略的时间—位置图，其中公交车的轨迹固定，小汽车在普通车道上按idm行驶，小汽车不允许换道至公交专用道。可以发现，由于红灯信号的限制，车辆在交叉口停车线后面停车，并形成了排队，影响了后续车辆的通行，增加了交通延误。
[0091]
对比应用本发明实施面向节能优化的动态公交专用道交叉口，即图4；可以发现，由于车辆换道至公交专用道，一定程度上释放了普通车道的空间资源，后续车辆能加速通过交叉口，使得一个信号周期内的停车数减少了4辆，且后续车辆出行时间均低于无动态公交专用道场景。说明设置策略的实施有效的提升了道路通过效率，一定程度上减少了交通拥堵。
[0092]
为了更好的分析设置策略对于车辆的优化效果，选择以第12辆车为分析例，即第一辆换至公交专用道的车辆，绘制图5-8所示的车辆位置、速度、加速度与瞬时能耗随时间的变化曲线。由图5-7可知，采用本方法中发生换道行为的车辆，其行驶时间要优于不实施本发明方法的，且其速度和加速度随时间变化较稳定，有效降低了车辆剧烈加、减速过程，提升驾驶的安全性和舒适性；同时考虑车辆为燃油驱动，其瞬时能耗可由biggs d c、akcelik r在论文energy-related model of instantaneous fuel consumption中提出的燃油汽车瞬时能耗模型估计得到。由图8可知，对比实施本发明控制策略与不实施本发明控制策略的瞬时能耗曲线，可发现实施本发明设置策略的车辆瞬时能耗有显著优势，极大程度地减少了车辆行驶能耗。