本发明涉及交叉路口不同车道上多个无人车编队的集中式调度方法，尤其是涉及一种部署于t型、y型、十字型等交叉路口中心控制计算机中的、可以保证高优先级无人车优先调度的方法。
背景技术：
无人驾驶车辆(简称无人车)是具有复杂环境感知、环境判断、自主决策和行为控制典型的智能化系统，必将成为未来智慧城市中的承担急救、消防、公交、出租等服务的移动载体。随着无人车技术的日益成熟以及车载网络通信技术的日益发展，智能交通系统的研究与设计已经开始迈入协同式的高级发展阶段，也将成为智慧城市中提供多元移动服务的智能化系统平台。其中，自主、可靠的行为协同规划以及高效的无人车通行调度管理是实现交通安全、高效通行的一个关键问题。为此，针对多元服务类型无人车通过交叉路口的交通管理问题，需要研究一种考虑了无人车不同服务属性的、面向编队的新型集中式调度方法，以提高紧急无人车以及多无人车编队的通行效率。
目前，多无人车协同与调度的相关研究主要针对同类无人车的安全协同机制，并以安全性和协同效率作为关键评价指标。文献“无人驾驶车辆的路口防撞机制研究，朱梅霞，计算机工程与科学，201335卷第9期”中研究了自治路口协议aim，提出了基于防撞机制的aim改进协议，解决两种不同路口条件下的车辆通过安全问题；文献“基于禁忌搜索的交叉路口自治车辆调度方法，刘明剑、谭国真、魏欣、丁男、孙亮，中国公路学报，201629卷第2期”中，针对现有交叉路口自治车辆调度策略存在的盲目调度和缺乏前瞻性的问题，提出了基于车路协作模式的自治车辆交叉路口调度策略和禁忌搜索算法，在保证行车安全前提下,提高交叉路口的吞吐量。上述方法主要考虑交叉路口的安全协同与吞吐量等指标，所设计方法适合于单个无人车的调度，未考虑无人车服务属性以及编队机制，不能对高优先级无人车及无人车编队的优化调度提供有效支撑。
技术实现要素：
现有交叉路口的无人车调度方法仅以单车到达时间或编队到达时间作为通行调度依据，并未考虑无人车的不同服务属性(也称服务紧急程度，如急救、消防、公共交通、摆渡、出租、私家车等)，因此，现有调度方法虽然实现了无人车或者无人车编队的调度，但尚未解决依照服务紧急程度的无人车编队通行调度。
为了克服现有技术的不足，在将无人车的服务属性映射为不同无人车优先级的基础上(紧急服务属性对应高的优先级)，本发明提供了一种基于车—路通信(v2i)的集中式多无人车编队优先级调度方法，并部署于各交叉路口的调度计算机中。该方法中，每辆无人车在到达交叉路口之前，首先通过v2i无线通信的方式向部署于交叉路口的调度计算机发起通过预约消息。接收到请求后，调度计算机采用高权重车道优先的原则，以v2i通信方式对各车道上的无人车进行多车授权调度。本发明以编队调度方式进一步增强无人车的通行调度效率，尤其是能尽可能地提升高优先级无人车的通行效率，从而为面向服务的智能交通系统以及类似的智能仓储、配送等多智能移动机器人系统的设计提供有效支撑。
本发明中，每个交叉路口部署一个独立的调度计算机，记为sc，用以管理所在交叉路口全部k个(2≤k，整数)车道ρ的交叉区域(每一个交叉区域被称为临界区，记为γ)，调度无人车通过。每个交叉路口按车道两两交叉的方式划分为m个(1≤m，整数)临界区；第k条车道记为ρk(2≤k≤k，整数)；γm为该路口的第m个(1≤m≤m，整数)临界区。无人车表示为υ，第i辆(i为自然数)无人车为υi，υi.p是该车的优先级。
基本调度过程可描述为：sc中，为每个临界区创建一个初值为0的计数型γ-令牌，表示该临界区未被授权给任何无人车，即：目前无车占用；无人车υ在通过任一交叉路口前先通过v2i通信向该路口的sc发送申请一组临界区的预约请求，获得授权后可进入该临界区，未获得授权时减速等待授权，通过一个临界区时向sc发送释放改临界区的消息；sc收到预约请求后，如果无人车所申请的临界区可用，根据各个车道的权重(记为w，浮点型)选择要授权的车道，并向该车道上设定长度为n(n为自然数)的无人车编队发送授权消息，每授权一辆就将相应临界区的γ-令牌值加1；sc收到无人车释放一个临界区的消息后，将该临界区的γ-令牌值减1。
无人车发送的预约消息格式为
基于上述原理，本发明的技术方案为：
所述一种多无人车编队的交叉路口集中式调度方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：初始化记录无人车请求的多个队列和令牌：
步骤1.1：在交叉路口调度计算机sc中，为每一个临界区γ设置一个记录接收消息的队列q，其中临界区γm的消息队列为qm；为每一条车道设置一个记录接收消息的队列q’，其中车道ρk的消息队列为q’k；初始化所有的消息队列qm和q’k为空，2≤k≤k，1≤m≤m，其中k为车道数，m为临界区数；初始化所有临界区的γm-令牌值为0；
步骤1.2：等待预约请求消息；如接收到预约消息，调度计算机sc根据消息中车道号将消息插入对应消息队列q’的末尾；同时，根据该消息中每一个时间窗口ptw的起始时间，按照起始时间递增的顺序以及不可插入在同一车道其它车辆之前的规则将该消息插入到对应临界区q队列的相应位置；如果未收到预约消息，所有队列均为空，继续等待预约请求消息；
步骤2：车道权重动态计算：
步骤2.1：根据公式di＝tc-t0(υi)，计算无人车υi的延迟时间di，其中tc为系统当前时间，t0(υi)是无人车υi首次发起预约的时间；
步骤2.2：根据公式
计算车道ρk的当前调度权重wk；β1、β2、β3分别体现车道紧急度、车道阻塞程度、车道中第一辆最高优先级车被阻塞的程度的比例常数；公式右端第一项中，n为优先级的数量，c(x)代表车道ρk上处于不同优先级x的无人车数量，px是px优先级对应的影响因子常数，取值非负；公式右端第二项中，|q’k|是车道队列q’k中记录的消息数量；公式右端第三项中，t0(υk,pmax)表示车道ρk中第一辆最高优先级无人车的首次发起预约的时间；
步骤3：进行基于车道权重的多无人车编队调度；编队的长度为n；
步骤3.1：接收无人车预约消息；如接收到预约消息，调度计算机sc根据消息中车道号将消息插入对应消息队列q’的末尾；同时，根据该消息中每一个时间窗口ptw的起始时间，按照起始时间递增的顺序以及不可插入在同一车道其它车辆之前的规则将该消息插入到对应临界区q队列的相应位置；如接收到释放临界区的消息，调度计算机sc将该车预约从其车道队列、临界区队列删除，并将该临界区的令牌值减1；
步骤3.2：如果所有消息队列均为空，则返回步骤3.1；否则判断所有临界区令牌值是否均为0，如果均为0，则进入步骤3.3，否则返回步骤3.1；
步骤3.3：根据步骤2计算各车道的调度权重，按照以下规则选择一个车道以及该车道上的多辆无人车：
1)如果所有车道上都没有最高优先级的无人车，则选择权重最大的车道上的x辆车作为编队，x的取值原则为：当该车道上有不少于n辆车时，x的值为n，否则，x的值为车道上车的数量；
2)在有最高优先级车辆的车道之间选择权重最大的车道，并选择该车道中x辆车作为编队，编队由该车道上第一辆车到已发预约的最后一辆最高优先级无人车组成，x不受n的限制；
步骤3.4：调度计算机sc给选定的x辆车进行通过授权，且在每授权一个临界区给一辆车时将该临界区的令牌值的值加1；
步骤4：返回步骤3，直至系统停机。
有益效果
本发明的有益效果是：针对多无人车通过临界区的问题，引入了无人车编队调度以及系数可调的车道权重方法，在此基础上，通过调整影响比例常数以及动态的车道选择与调度机制，可以实现高优先级的无人车优先调度以及基于车道车辆总延迟等不同策略的优化调度过程。该方法可以为构建复杂服务型智能交通系统，乃至多移动机器人协作、智能仓储等多无人车优先级协作应用提供有效支撑。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1描述了本发明的无人车编队管理与调度流程。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
图1描述了本发明的无人车编队的管理与调度流程。
结合图1，本发明工作的基本过程如下：首先sc初始化本交叉路口各临界区的消息队列q为空、相应的γ-令牌初值为0，初始化车道的消息队列q’为空，用户可设定的无人车编队长度值记为n，之后等待预约消息到来，消息到来后更新各队列和令牌的值；接下来，sc计算每辆车自首次发起预约开始至当前时间的总延迟时间，在此基础上，根据优先级、延迟时间等综合计算各车道的调度权重；sc继续接收消息并更新队列，之后如果个别临界区被占用或所有队列都为空，则等待、接收消息并循环更新队列、令牌及延迟时间，否则，计算各车道的调度权重；如果所有车道不存在最高优先级车辆，则在所有车道中选择权重最大的车道，并选择x辆车授权(x可等于或小于设定的编队长度n)，之后跳至前一步等待消息处继续执行，否则，在有最高优先级车辆的车道中选择权重最大的车道，并选择包含高优先级车辆的x辆车授权，之后跳至前一步等待消息处继续执行；直至系统关机。
本发明目前已成功内测实施于多无人车编队管理和调度的协同式智能交通系统中，结合图1及调度无人车编队通过交叉路口这一应用场景，本发明实施的具体步骤如下：
步骤1、初始化记录无人车请求的多个队列和令牌。
在本实施例中，4条单向车道ρ1、ρ2以夹角90°交叉形成临界区γ，sc为该交叉区域的集中式调度器，其具有四个车道子队列q’1、q’2、q’3、q’4及四个临界区队列q1、q2、q3、q4。q’1、q’2、q’3、q’4四个队列，每个队列的最大长度为50，q1、q2、q3、q4四个队列中，每个队列的最大长度为20。各个车道上的无人车随机到达，无人车的优先级共有三个：“0”(低)、“1”(中)以及“2”(高)。设定n的初值为3，即无人车编队的长度设定为3。
步骤1.1、队列初始化；
q’1、q’2、q’3、q’4和q1、q2、q3、q4全部初始化为空，四个令牌γ1-令牌、γ2-令牌、γ3-令牌、γ4-令牌的初值置为0。
步骤1.2：消息接收及队列管理；
等待预约请求消息；如接收到预约消息，调度计算机sc根据消息中车道号将消息插入对应消息队列q’的末尾；同时，根据该消息中每一个时间窗口ptw的起始时间，按照起始时间递增的顺序以及不可插入在同一车道其它车辆之前的规则将该消息插入到对应临界区q队列的相应位置；如果未收到预约消息，所有队列均为空，继续等待预约请求消息。
步骤2：车道权重动态计算：
步骤2.1：无人车延迟时间计算；
为了记录无人车在通过所申请第一个临界区前被阻塞的累积时长，为各无人车υi引入自首次发起申请之后，至全局延迟时间di，由式1计算。其中，tc为系统当前时间，t0(υi)是υi车辆首次发起预约的时间。
di＝tc-t0(υi)式1
步骤2.2：车道调度权重的动态计算；
对于任一车道ρk，sc基于式2来计算该车道的当前调度权重wk
β1、β2、β3分别体现车道紧急度、车道阻塞程度、车道中第一辆最高优先级车被阻塞的程度的浮点型比例常数，由用户设定；公式右端第一项中，n为优先级的数量，c(x)代表车道ρk上处于不同优先级x的无人车数量，px是px优先级对应的影响因子常数，取值非负；公式右端第二项中，|q’k|是车道队列q’k中记录的消息数量(也就是该车道当前的车辆数量)；公式右端第三项中，t0(υk,pmax)表示车道ρk中第一辆最高优先级无人车的首次发起预约的时间；式2中，通过提升高优先级车的影响影子常数，可以保证高优先级车辆所在车道的车辆得到优先调度。
步骤3：进行基于车道权重的多无人车编队调度；
基于服务质量到优先级的映射以及公式2的队列权重计算方法，通过队列权重即可实现面向服务质量的无人车编队调度，这也是本发明要解决的核心问题。设定车辆编队的长度为n(n为自然数)。
步骤3.1：接收无人车预约消息；如接收到预约消息，调度计算机sc根据消息中车道号将消息插入对应消息队列q’的末尾；同时，根据该消息中每一个时间窗口ptw的起始时间，按照起始时间递增的顺序以及不可插入在同一车道其它车辆之前的规则将该消息插入到对应临界区q队列的相应位置；如接收到释放临界区的消息，调度计算机sc将该车预约从其车道队列、临界区队列删除，并将该临界区的令牌值减1；
步骤3.2：如果所有消息队列均为空，则返回步骤3.1；否则判断所有临界区令牌值是否均为0，如果均为0，即所有临界区都空闲，则进入步骤3.3，否则返回步骤3.1；
步骤3.3：根据步骤2计算各车道的调度权重，按照以下规则选择一个车道以及该车道上的多辆无人车：
1)如果所有车道上都没有最高优先级的无人车，则选择权重最大的车道上的x辆车作为编队，x的取值原则为：当该车道上有不少于3辆车时，x的值为3，否则，x的值为车道上车的数量；
2)在有最高优先级车辆的车道之间选择权重最大的车道，并选择该车道中x辆车作为编队，编队由该车道上第一辆车到已发预约的最后一辆最高优先级无人车组成，x不受3的限制；
步骤3.4：调度计算机sc给选定的x辆车进行通过授权，且在每授权一个临界区给一辆车时将该临界区的令牌值的值加1；
步骤4：返回步骤3，直至系统停机。
通过本发明可为交叉路口的无人车编队通行提供基于车道调度权重的调度机制支持，通过调整影响比例常数以及动态的车道选择与调度机制，可以实现高优先级的无人车优先调度以及基于车道车辆总延迟等不同策略的优化调度过程。本发明可以为构建复杂服务型智能交通系统，乃至多移动机器人协作、智能仓储等多无人车优先级协作应用提供有效支撑。
依据本发明，本领域的技术人员即可设计出与应用特征相关的、基于服务属性的多无人系统编队调度中心的控制计算机实施例。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。