网联环境下道路事故路段的多车道协同换道方法

1.本发明属于智能网联道路交通安全领域，尤其涉及车辆紧急避险应用领域，具体是一种网联环境下道路事故路段的多车道协同换道方法。


背景技术：

2.随着互联网技术与自动控制技术的发展，智能网联汽车成为未来发展的趋势，我国智能网联汽车已初具规模，网联汽车实时动态联网是其核心功能体系，涉及车云、车车、车人、车路、车内等五个通信场景，在纯网联车环境下，车辆之间相互协同，可充分发挥网联车辆性能，提升运行效率和安全性。
3.车联网环境下的换道行为为自动驾驶换道，在发生交通事故的情况下，可以感知周边道路环境信息，实现自主换道，但车辆必须在到达强制换道终点前完成换道行为，否则，会进一步加剧路段的拥堵情况和交通事故风险。


技术实现要素：

4.本发明克服现有技术存在的不足之处，提出了一种网联环境下道路事故路段的多车道协同换道方法，以期能在保证事故路段车辆正常行驶和安全换道的前提下，运用多车道协同控制换道，充分利用道路时空资源，缩短事故车道车辆换道的纵向行驶距离，从而能提高交通安全和交通运行效率。
5.本发明为达到上述发明目的，采用如下技术方案：
6.本发明一种网联环境下道路事故路段的多车道协同换道方法的特点在于，包括以下步骤；
7.步骤1、将单向通行的三条车道由内向外依次编号，分别为第一车道、第二车道、第三车道，假设交通事故发生在第三车道上，并将第三车道上发生事故的路段及其所影响的其余两条车道上的路段共同作为交通事故影响区；所述交通事故影响区是以事故点为起始位置，以事故点所能影响的极限位置为终点位置的三条车道上的路段；
8.步骤2、利用式(1)确定交通事故影响区的长度s；
[0009][0010]
式(1)中，vw表示发生交通事故后事故点对交通事故影响区内车辆的反向减速波的速度，并由式(2)得到，tf表示交通事故已被清除后，对三条车道上车辆无影响的结束时刻，t0表示发生交通事故并产生事故点的开始时刻；
[0011][0012]
式(2)中，cg表示交通事故影响区内的最大交通量，kg表示交通事故影响区内在最大交通量时的交通密度，q表示交通事故发生之前三条车道车辆正常行驶时的交通流量，k表示交通事故发生之前三条车道车辆正常行驶时的交通密度；
[0013]
步骤3、利用路侧智能设备获取t时刻下交通事故影响区内第一车道车辆总数n1、第二车道车辆总数n2、第三车道车辆的总数n，并根据流量平衡原则，确定第二车道上需换道车辆数m；
[0014]
以交通事故影响区的极限位置为原点，以车辆行驶的纵向方向为x轴方向，利用路侧智能设备获取t时刻下交通事故影响区内所有车辆的位置、速度、加速度；
[0015]
将第一车道上车辆的位置横坐标存入集合x1(t)，车辆速度存入集合v1(t)；将第二车道上车辆的位置的横坐标存入集合x2(t)，车辆速度存入集合v2(t)；将第三车道上车辆的位置的横坐标存入集合x3(t)，车辆速度存入集合v3(t)；
[0016]
步骤4、将t时刻下交通事故影响区内第二车道上的任意一辆车记为第i个车辆c
2,i
(t)，将处于第一车道上，且相对于第二车道上的第i个车辆c
2,i
(t)的后一辆车记为第j个车辆c
1,j
(t)，将处于第一车道上，且相对于第二车道上的第i个车辆c
2,i
(t)的前一辆车记为第j-1个车辆c
1,j-1
(t)；
[0017]
判断t时刻下第二车道上的第i个车辆c
2,i
(t)是否满足式(3)所示的安全换道条件，若满足，则将第i个车辆c
2,i
(t)加入到可行换道集合r2→1(t)中；否则，表示第i个车辆c
2,i
(t)不能以安全间距转入第一车道，第i个车辆c
2,i
(t)继续在第二车道上行驶，从而得到换道集合r2→1(t)；
[0018][0019]
式(3)中，x
1,j
(t)表示c
1,j
(t)的位置横坐标；x
1,j-1
(t)表示c
1,j-1
(t)的位置横坐标；x
2,i
(t)表示c
2,i
(t)的位置横坐标；l
1,j-1
表示c
2,i
(t)与c
1,j-1
(t)的安全换道间距；l
1,j
表示c
2,i
(t)与c
1,j
(t)的安全换道间距；v
1,j-1
(t)表示c
1,j-1
(t)的速度，v
1,j
(t)表示c
1,j
(t)的速度；l
veh
表示车身长度；δt表示获取事故路段车辆信息的时间间隔；
[0020]
将t时刻下交通事故影响区内第三车道上的任意一辆车记为第n个车辆c
3,n
(t)，将处于第二车道上，相对于第三车道上的第n个车辆c
3,n
(t)的后一辆车记为第r个车辆c
2,r
(t)，将处于第二车道上，相对于第三车道上的第n个车辆c
3,n
(t)的前一辆车记为第r-1个车辆c
2,r-1
(t)；
[0021]
判断t时刻下第三车道上的第n个车辆c
3,n
(t)是否满足式(4)所示的安全换道条件，若满足，则将第n个车辆c
3,n
(t)加入到可行换道集合r3→2(t)中；否则，表示第n个车辆c
3,n
(t)不能以安全间距转入第二车道，第n个车辆c
3,n
(t)继续在第三车道上行驶，从而得到换道集合r3→2(t)；
[0022][0023]
式(4)中，x
2,r
(t)表示c
2,r
(t)的位置横坐标；x
2,r-1
(t)表示c
2,r-1
(t)的位置横坐标；x
3,n
(t)表示c
3,n
(t)的位置横坐标；l
2,r-1
表示c
3,n
(t)与c
2,r-1
(t)的安全换道间距；l
2,r
表示c
3,n
(t)与c
2,r
(t)的安全换道间距；v
2,r-1
(t)表示c
2,r-1
(t)的速度，v
2,r
(t)表示c
2,r
(t)的速度；
[0024]
步骤5、判断可行换道集合r2→1(t)中的车辆数量i
t
＞m是否成立，若成立，则执行步骤6；否则，执行步骤8；
[0025]
步骤6、在可行换道集合r2→1(t)中搜索使第三车道车辆换道的纵向行驶距离最短的m辆车；
[0026]
步骤6.1、从第二车道车辆的可行换道集合r2→1(t)中选出任意m辆车构成换道组合，并更新二车道车辆的位置横坐标集合x2(t)，速度集合v2(t)；
[0027]
步骤6.2、利用式(4)的安全换道条件,更新第三车道车辆的可行换道集合r3→2(t)；
[0028]
步骤6.3、利用式(5)计算更新后的第三车道可行换道集合r3→2(t)中所有车辆换入第二车道的纵向行驶距离之和zy；
[0029]
将t时刻下交通事故影响区内第三车道可行换道集合r3→2(t)中的任意一辆车记为第n1个车辆将处于第二车道上，相对于第三车道上的第n1个车辆的后一辆车记为第r1个车辆将处于第二车道上，相对于第三车道上的第n1个车辆的前一辆车记为第r
1-1个车辆
[0030][0031]
式(5)中，表示第三车道上第n1辆车换道的纵向行驶距离；表示的速度；p
t
表示第三车道可行换道集合r3→2(t)中的车辆数；表示的纵向减速度；表示换入第二车道所用的时间；v
2,gap
表示减速换到第二车道的目标速度；表示t时刻下第二车道上的第r
1-1个车辆的速度；表示t时刻下第二车道上的第r1个车辆的速度；
[0032]
步骤6.4、按照步骤6.1到步骤6.3的过程对第二车道车辆的可行换道集合r2→1(t)中不同换道组合进行遍历，并得到对应的结果；
[0033]
步骤6.5、找到所有换道组合中从第三车道换入第二车道的纵向行驶距离之和的最小值，以所述最小值对应的第二车道车辆的可行换道集合r2→1(t)中的m辆车作为最优换道组合，用于完成向第一车道的换道；
[0034]
步骤7、对第三车道车辆进行换道；
[0035]
步骤7.1、更新t时刻下交通事故影响区内车辆的位置、速度、加速度，更新交通事故影响区内第三车道的车辆总数n；
[0036]
步骤7.2、利用式(4)的安全换道条件,更新第三车道车辆可行换道集合r3→2(t)；
[0037]
步骤7.3、判断第三车道可行换道集合r3→2(t)的车辆数量p
t
＜n是否成立，若成立，则执行步骤7.4；否则，执行步骤10；
[0038]
步骤7.4、利用式(6)计算车辆在最大制动加速度下能够减速停止的位置x
max
，并判断第三车道可行换道集合r3→2(t)中的任意一辆车辆的位置横坐标小于x
max
是否成立，若成立，则相应车辆正常完成向第二车道的换道；否则，相应车辆采用停车换道的方法完成向第二车道的换道；
[0039][0040]
式(6)中，表示更新后的第三车道车辆速度集合v3(t)中第三车道第n2辆车的速度，a
max
表示车辆能保持正常行驶的最大制动加速度；
[0041]
步骤7.5、令t+δt赋值给t，n-p
t
赋值n后，返回步骤7.1顺序执行；
[0042]
步骤8、将第二车道可行换道集合r2→1(t)的所有车辆完成向第一车道的换道，并令m-i
t
赋值给m；
[0043]
步骤9、将第三车道车辆换入第二车道；
[0044]
步骤9.1、重新标定t时刻下第二车道车辆位置，更新第二车道车辆位置横坐标集合x2(t)、速度集合v2(t)；
[0045]
步骤9.2、利用式(4)的安全换道条件，更新第三车道车辆可行换道集合r3→2(t)；
[0046]
步骤9.3、判断第三车道可行换道集合r3→2(t)的车辆数量p
t
＜n是否成立，若成立，则执行步骤9.4；否则，执行步骤10；
[0047]
步骤9.4、利用式(6)计算车辆在最大制动加速度下能够减速停止的位置x
max
，判断第三车道可行换道集合r3→2(t)中的任意一辆车辆的位置横坐标小于x
max
是否成立，若成立，则相应车辆正常完成向第二车道的换道；否则，相应车辆采用停车换道的方法完成向第二车道的换道；
[0048]
步骤9.5、令t+δt赋值给t，n-p
t
赋值n后，返回步骤3顺序执行；
[0049]
步骤10、利用式(6)计算车辆在最大制动加速度下能够减速停止的位置x
max
，判断第三车道可行换道集合r3→2(t)中的任意一辆车辆的位置横坐标小于x
max
是否成立，若成立，则相应车辆正常完成向第二车道的换道；否则，相应车辆采用停车换道的方法完成向第二车道的换道，从而使得交通事故影响区内第三车道的所有车辆均换入第二车道。
[0050]
本发明一种网联环境下道路事故路段的多车道协同换道方法的特点也在于，路侧
智能设备均匀分布在道路两侧，并运用无线网络通信方式与网联车进行实时信息交互。
[0051]
所有车辆均为智能网联车辆，并安装集成传感器，用于感应周围交通环境变化。
[0052]
与已有技术相比，本发明的有益技术效果体现在：
[0053]
1、本发明利用路侧智能设备与网联车之间的实时信息交互，确定交通事故影响区范围内所有车辆的位置，速度信息集合，确定三条车道车辆的可行换道集合，以正常行驶和安全换道为前提，利用多车道协同控制换道，缩短了事故车道车辆的纵向换道距离。
[0054]
2、本发明采用枚举法列出第二车道即中间车道需换车辆的所有换道组合，并一一对应更新第二车道车辆的位置、速度信息，并通过遍历第三车道即事故车道中车辆的所有可行换道集合，选取第三车道车辆纵向换道距离最短的最佳可行换道集合。不仅保证了其他车道交通运行安全和交通运行效率，而且提高了第三车道即事故车道上车辆的换道效率。
[0055]
3、本发明以一定的时间步长，不断重新采集车辆信息，更新事故路段车辆可行换道集合，从而对事故路段车辆进行协同换道，保证交通事故影响区内的车辆信息的实时准确，使得第三车道即事故车道车辆换道效率和安全性大大提高。
附图说明
[0056]
图1为本发明的总体流程图；
[0057]
图2为本发明的协同换道具体流程图；
[0058]
图3为本发明的道路事故路段三车道车辆协同换道的示意图。
具体实施方式
[0059]
本实施例中，一种网联环境下道路事故路段的多车道协同换道方法，是为了实现事故车道的安全、快速换道，从而能提升路段车辆运行效率和安全性，具体的说，如图1所示，包括如下步骤：
[0060]
步骤1、如图3所示，将单向通行的三条车道由内向外依次编号，分别为第一车道、第二车道、第三车道，假设交通事故发生在第三车道上，并将第三车道上发生事故的路段及其所影响的其余两条车道上的路段共同作为交通事故影响区；所述交通事故影响区是以事故点为起始位置，以事故点所能影响的极限位置为终点位置的三条车道上的路段；
[0061]
步骤2、利用式(1)确定交通事故影响区的长度s；
[0062][0063]
式(1)中，vw表示发生交通事故后事故点对交通事故影响区内车辆的反向减速波的速度，并由式(2)得到，tf表示交通事故已被清除后，对三条车道上车辆无影响的结束时刻，t0表示发生交通事故并产生事故点的开始时刻；
[0064][0065]
式(2)中，cg表示交通事故影响区内的最大交通量，kg表示交通事故影响区内在最大交通量时的交通密度，q表示交通事故发生之前三条车道车辆正常行驶时的交通流量，k表示交通事故发生之前三条车道车辆正常行驶时的交通密度；
[0066]
步骤3、如图3所示，t时刻下三条车道上的所有车辆均为网联自动驾驶车辆，智能网联车辆安装了集成传感器可以感知周围交通环境变化；利用路侧智能设备获取t时刻下交通事故影响区内第一车道车辆总数n1、第二车道车辆总数n2、第三车道车辆的总数n，并根据流量平衡原则，确定第二车道上需换道车辆数m；其中,流量平衡原则表示第三车道所有车辆换入第一、二车道后，这两条车道的车辆数仍要保持相等；所以第二车道需换车道数本实施例中的路侧智能设备均匀分布在道路两侧，并通过无线网络通信方式与网联车进行实时信息交互。
[0067]
以交通事故影响区的极限位置为原点，以车辆行驶的纵向方向为x轴方向，利用路侧智能设备获取t时刻下交通事故影响区内所有车辆的位置、速度、加速度；
[0068]
将第一车道上车辆的位置横坐标存入集合x1(t)，车辆速度存入集合v1(t)；将第二车道上车辆的位置的横坐标存入集合x2(t)，车辆速度存入集合v2(t)；将第三车道上车辆的位置的横坐标存入集合x3(t)，车辆速度存入集合v3(t)；
[0069]
交通事故影响区内每条车道车辆可行换道集合是通过换道车辆与目标车道前一辆车、后一辆车的间距是否符合安全间距要求来确定的，将符合要求的车辆放入集合，不符合要求的车辆正常在原来车道上行驶，具体是运用一个线性表达式来计算智能网联车的安全距离来确定安全换道条件，计算方式如下：
[0070]
步骤4、将t时刻下交通事故影响区内第二车道上的任意一辆车记为第i个车辆c
2,i
(t)，将处于第一车道上，且相对于第二车道上的第i个车辆c
2,i
(t)的后一辆车记为第j个车辆c
1,j
(t)，将处于第一车道上，且相对于第二车道上的第i个车辆c
2,i
(t)的前一辆车记为第j-1个车辆c
1,j-1
(t)；
[0071]
判断t时刻下第二车道上的第i个车辆c
2,i
(t)是否满足式(3)所示的安全换道条件，若满足，则将第i个车辆c
2,i
(t)加入到可行换道集合r2→1(t)中；否则，表示第i个车辆c
2,i
(t)不能以安全间距转入第一车道，第i个车辆c
2,i
(t)继续在第二车道上行驶，从而得到换道集合r2→1(t)；
[0072][0073]
式(3)中，x
1,j
(t)表示c
1,j
(t)的位置横坐标；x
1,j-1
(t)表示c
1,j-1
(t)的位置横坐标；x
2,i
(t)表示c
2,i
(t)的位置横坐标；l
1,j-1
表示c
2,i
(t)与c
1,j-1
(t)的安全换道间距；l
1,j
表示c
2,i
(t)与c
1,j
(t)的安全换道间距；v
1,j-1
(t)表示c
1,j-1
(t)的速度，v
1,j
(t)表示c
1,j
(t)的速度；l
veh
表示车身长度，一般取5m；δt表示获取事故路段车辆信息的时间间隔；
[0074]
将t时刻下交通事故影响区内第三车道上的任意一辆车记为第n个车辆c
3,n
(t)，将处于第二车道上，相对于第三车道上的第n个车辆c
3,n
(t)的后一辆车记为第r个车辆c
2,r
(t)，将处于第二车道上，相对于第三车道上的第n个车辆c
3,n
(t)的前一辆车记为第r-1个车辆c
2,r-1
(t)；
[0075]
判断t时刻下第三车道上的第n个车辆c
3,n
(t)是否满足式(4)所示的安全换道条件，若满足，则将第n个车辆c
3,n
(t)加入到可行换道集合r3→2(t)中；否则，表示第n个车辆c
3,n
(t)不能以安全间距转入第二车道，第n个车辆c
3,n
(t)继续在第三车道上行驶，从而得到换道集合r3→2(t)；
[0076][0077]
式(4)中，x
2,r
(t)表示c
2,r
(t)的位置横坐标；x
2,r-1
(t)表示c
2,r-1
(t)的位置横坐标；x
3,n
(t)表示c
3,n
(t)的位置横坐标；l
2,r-1
表示c
3,n
(t)与c
2,r-1
(t)的安全换道间距；l
2,r
表示c
3,n
(t)与c
2,r
(t)的安全换道间距；v
2,r-1
(t)表示c
2,r-1
(t)的速度，v
2,r
(t)表示c
2,r
(t)的速度；
[0078]
如图2所示，根据第二车道车辆的可行换道集合中的车辆数量与第二车道需换车辆数的比较，分成两种不同的处理方法，具体步骤如下：
[0079]
步骤5、判断可行换道集合r2→1(t)中的车辆数量i
t
＞m是否成立，若成立，则执行步骤6；否则，执行步骤8；
[0080]
步骤6、在可行换道集合r2→1(t)中搜索使第三车道车辆换道的纵向行驶距离最短的m辆车；
[0081]
步骤6.1、将第二车道车辆的可行换道集合r2→1(t)中选出任意m辆车构成换道组合，并更新二车道车辆的位置横坐标集合x2(t)，速度集合v2(t)；
[0082]
步骤6.2、利用式(4)的安全换道条件,更新第三车道车辆的可行换道集合r3→2(t)；
[0083]
步骤6.3、利用式(5)计算更新后的第三车道可行换道集合r3→2(t)中所有车辆换入第二车道的纵向行驶距离之和zy；
[0084]
将t时刻下交通事故影响区内第三车道可行换道集合r3→2(t)中的任意一辆车记为第n1个车辆将处于第二车道上，相对于第三车道上的第n1个车辆的后一辆车记为第r1个车辆将处于第二车道上，相对于第三车道上的第n1个车辆的前一辆车记为第r
1-1个车辆
[0085]
[0086]
式(5)中，表示第三车道上第n1辆车换道的纵向行驶距离；表示的速度；p
t
表示第三车道可行换道集合r3→2(t)中的车辆数；表示的纵向减速度；表示换入第二车道所用的时间；v
2,gap
表示换到第二车道的目标速度；表示t时刻下第二车道上的第r
1-1个车辆的速度；表示t时刻下第二车道上的第r1个车辆的速度；
[0087]
步骤6.4、按照步骤6.1到步骤6.3的过程对第二车道车辆的可行换道集合r2→1(t)中不同换道组合进行遍历，并得到对应的结果；
[0088]
步骤6.5、找到所有换道组合中从第三车道换入第二车道的纵向行驶距离之和的最小值，以所述最小值对应的第二车道车辆的可行换道集合r2→1(t)中的m辆车作为最优换道组合，用于完成向第一车道的换道；
[0089]
步骤7、第二车道需换车辆已换入第一车道，从而达到了第一、二车道的流量平衡原则的要求，对第三车道车辆进行换道；
[0090]
步骤7.1、更新t时刻下交通事故影响区内车辆的位置、速度、加速度，更新交通事故影响区内第三车道的车辆总数n；
[0091]
步骤7.2、利用式(4)的安全换道条件,更新第三车道车辆可行换道集合r3→2(t)；
[0092]
步骤7.3、如图2所示，判断第三车道可行换道集合r3→2(t)的车辆数量p
t
＜n是否成立，若成立，则执行步骤7.4；否则，执行步骤10；
[0093]
步骤7.4、利用式(6)计算车辆在最大制动加速度下能够减速停止的位置x
max
，并判断第三车道可行换道集合r3→2(t)中的任意一辆车辆的位置横坐标小于x
max
是否成立，若成立，则相应车辆正常完成向第二车道的换道；否则，相应车辆采用停车换道的方法完成向第二车道的换道；其中，停车换道表示车辆采用紧急制动的方式完成停车，并等待合适时机完成换道；
[0094][0095]
式(6)中，表示更新后的第三车道车辆速度集合v3(t)中第三车道第n2辆车的速度，a
max
表示车辆能保持正常行驶的最大制动加速度；
[0096]
步骤7.5、令t+δt赋值给t，n-p
t
赋值n后，返回步骤7.1顺序执行；
[0097]
步骤8、将第二车道可行换道集合r2→1(t)的所有车辆完成向第一车道的换道，并令m-i
t
赋值给m；
[0098]
步骤9、将第三车道车辆换入第二车道；
[0099]
步骤9.1、重新标定t时刻下第二车道车辆位置，更新第二车道车辆位置横坐标集合x2(t)、速度集合v2(t)；
[0100]
步骤9.2、利用式(4)的安全换道条件，更新第三车道车辆可行换道集合r3→2(t)；
[0101]
步骤9.3、如图2所示，判断第三车道可行换道集合r3→2(t)的车辆数量p
t
＜n是否成立，若成立，则执行步骤9.4；否则，执行步骤10；
[0102]
步骤9.4、利用式(6)计算车辆在最大制动加速度下能够减速停止的位置x
max
，判断第三车道可行换道集合r3→2(t)中的任意一辆车辆的位置横坐标小于x
max
是否成立，若成立，
则相应车辆正常完成向第二车道的换道；否则，相应车辆采用停车换道的方法完成向第二车道的换道；
[0103]
步骤9.5、令t+δt赋值给t，n-p
t
赋值n后，返回步骤3顺序执行；
[0104]
步骤10、利用式(6)计算车辆在最大制动加速度下能够减速停止的位置x
max
，判断第三车道可行换道集合r3→2(t)中的任意一辆车辆的位置横坐标小于x
max
是否成立，若成立，则相应车辆正常完成向第二车道的换道；否则，相应车辆采用停车换道的方法完成向第二车道的换道，从而使得交通事故影响区内第三车道的所有车辆均换入第二车道。
[0105]
在本实施例中，本发明的方法思路不仅限于单向通行的三条车道的事故路段，本领域的普通技术人员在没有创造性的改变的前提下所获得的其他实施例，都属于本发明保护的范围。