一种基于可变转向道与换道结合的十字路口控制方法

本发明属于智能交通信息，具体涉及一种基于可变转向道与换道结合的十字路口控制方法。

背景技术：

1、在全国道路设计越发复杂，十字路口增多，越来越多的人选择私家车出行的大环境下，大规模的交通拥堵随之而来，尤其在十字路口由于红绿灯的固定周期时长、转向车道的数量限制等易造成路口拥堵。特别在上下班高峰期，会出现车流量严重不平衡的现象，对于车道车流量不平衡，红绿灯和转向车道的数量会严重限制十字路口的通行效率，而对于路段车流量不平衡，红绿灯的固定周期时长会造成十字路口的拥堵。

2、目前，大多数学者采用自适应红绿灯或智能交通灯控制算法来解决十字路口交通流不平衡情况下的通行效率下降问题。大部分红绿灯控制算法都是通过车载网络、无线通信等检测装置来向中央服务器传输十字路口方圆上公里内的交通参数的实时数据，通过自适应、模糊控制或强化学习等算法训练红绿灯，使其能根据交通实时路况决定下一周期各个颜色的信号灯的时长。但是，这种只针对红绿灯的控制方式存在很多弊端，控制算法只能控制红绿灯一个周期的时长，对于交通流的骤升骤降情况无法做出及时的反应，车辆也会因为等待绿灯而走走停停，不断地起步停车，造成更高的燃油消耗和尾气排放、增加追尾的风险和严重的驾驶不适。

3、随着车联网和自动驾驶技术的发展，新兴的网联自动驾驶车辆不但可以进行实时信息的传输，还可以严格按照给定的指令行驶。既可以克服红绿灯控制的劣势，又可以根据交通实时路况及时做出反应，减少车辆启停的频率，还能控制车辆或车队以指定的速度到达十字路口中心。因此，新兴的网联自动驾驶车辆技术能更高效发挥可变转向道与换道控制的优势。

4、专利文献cn104240522a公布了一种基于车载网和模糊神经网络的自适应十字路口控制技术，该方法基于车载网络，通过无线通信实时传输路况到中央控制器，由中央控制器实时给出调度方案，同时中央控制器结合模糊神经网络技术，控制车辆分组通过十字路口，并通过强化学习算法使得控制器有不断学习的能力。但这种方法仍然遵循了不可变的转向道，在某个转向的车流量较大，而其他转向的车流量较小的情况下，会严重限制十字路口的车辆通行公平性及通行效率。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于可变转向道与换道结合的十字路口控制方法，在网联自动驾驶车的交通条件下，在十字路口通过可变转向道与换道结合的控制方法，对路段上的车辆进行换道、分队和调速控制，从而减少车辆的平均等待时间，使得即使在交通流严重不平衡的情况下也能保证车辆通行的公平性，提高十字路口通行效率。

2、为实现上述目的，本发明提供以下技术方案：一种基于可变转向道与换道结合的十字路口交通流优化控制方法。具体包括以下步骤：

3、s1、将十字路口划分为一个中心冲突区和四个臂展路段(e)，臂展路段沿着车辆驶向中心冲突区的方向划分为换道(lane change，lc)控制区、匀速区和调速(speedadjustment，sa)控制区；

4、所述四条臂展路段按照西北东南方向分别编号为e＝0,1,2,3；沿着车道宽度方向，从右到左将车道编号为k,k∈{0,1,…,n}；由于车道转向可变，每条车道都有三条可能的穿行轨迹，因此将车辆所有可能穿过中心冲突区的路径用{臂展路段编号e，车道编号k，转向方向}三元组表示，在三车道的十字路口交通环境下，这样的组合一共有36种，按照西北东南转向，以车道从右至左为基准，按照右转、直行、左转的顺序依次编号为p，p＝0,1,…,35；

5、所述十字路口四条路段分别部署路测单元(rsu)，通过rsu收集所述控制区中每一辆车的位置、速度和路径信息；将rsu收集到的信息传输到中央服务器中进行运算；

6、s2、以臂展路段为单位分别计算lc控制区的车道等级，然后判断是否需要均衡车道流量负载；根据lc控制区的车道等级和每条车道的负载均衡紧迫度，对所述换道控制区的车辆进行换道控制；

7、s3、根据所述sa控制区和匀速区的头车的行驶时间和车队长度，计算每条车道的通行优先级；

8、根据所述通行优先级，给优先级最高且路径互相不冲突的头车分配通行权；

9、s4、对所述匀速区和sa控制区的车辆进行调速控制；

10、根据车队头车收到通行权的时间、不调速到达中心冲突区的时间和控制算法计算出的要求头车到达中心冲突区的时间，计算车辆的调速周期；

11、根据所述头车的调速周期，控制头车的速度；

12、根据所述车队长度，控制车队中的跟随车辆与前车保持最小安全距离。

13、进一步的，所述s1中所述rsu与车辆采用无线连接信号传输信息，且与所述中央服务器采用有线连接传输信息；所述车辆均设有定位系统和无线通信设备。

14、进一步的，所述s2包括以下步骤：

15、s21：根据所述lc控制区中的每条车道的车辆数量和每条车道已经获得通行权的车队数量及车队长度，以臂展路段为单位计算车道等级；

16、s22：引入参数r∈[0,1]刻画lc控制区中车道的负载均衡紧迫度之间的关系，参数r的取值与车道之间单位交通流的比值有关，高流量车道与低流量车道的单位车流量比值越大，r的取值越大，r越大说明车流量越不均衡；

17、s23：对所述lc控制区的车辆进行换道控制，若一级车道与三级车道相邻，控制一级车道的m辆车换向三级车道；若一级车道与三级车道不相邻，首先控制二级车道的车辆换向三级车道，然后控制一级车道的m辆车换向二级车道；

18、进一步的，所述s3包括以下步骤：

19、s31：获取处于调速控制区的每条车道的尚未分配通行权的第一辆车的信息，这些车被称为优先级头车；

20、获取处于匀速区的每条车道的第一辆车的信息，这些车被称为次优先级头车；

21、s32：根据处于调速控制区内的每条车道的尚未分配通行权的第一辆车、即车道头车的行驶时间，计算车道的优先级；

22、s33：根据所述s31计算的优先级，在优先满足高优先级车道的通行权的情况下，计算出所有路径不冲突的优先级头车作为一级通行头车；

23、s34：根据处于匀速区的头车信息，首先遍历匀速区头车，计算与一级通行头车路径不冲突的头车，得到待选次级通行头车，然后计算次级通行头车的优先级，在优先满足高优先级头车通行权的前提下，计算得到互相不冲突的次级通行头车，这些次级通行头车和一级通行头车共同组成此次的通行头车；

24、进一步的，所述s33和所述s34中车辆的路径计算方式包括以下步骤(只考虑车辆穿过中心冲突区的路径轨迹)：

25、1)直行轨迹方程：

26、

27、直行车辆通过中心冲突区所需的时间

28、

29、2)左转轨迹方程：

30、

31、左转车辆通过中心冲突区所需的时间

32、

33、3)右转轨迹方程：

34、

35、右转车辆通过中心冲突区的时间

36、

37、其中{xek(t),yek(t)}ξ表示车辆在时间t的中心坐标，ξ＝(s,l,r)分别表示直行、左转和右转，e表示车辆进入中心冲突区所在的臂展路段编号，k表示车辆从编号k的车道进入中心冲突区，rek表示车辆从臂展路段e、车道k穿过中心冲突区的路径半径，θek(t)表示车辆在t时刻的中心点与原点连线和横轴形成的夹角，ω表示车辆的角速度l表示车辆长度，w表示车道宽度，k表示车道数量；

38、由于上述轨迹方程以车辆进入中心冲突区的臂展路段为相对坐标系，所以需要通过公式(1.7)将路径轨迹转换到一个坐标系中：

39、

40、其中，公式(1.7)以西方向臂展路段为标准坐标系，依次将北、东、南方向的相对坐标转化为标准坐标；

41、进一步的，所述轨迹方程得到的是时间t的车辆中心坐标，结合车辆的长度l、车辆的宽度b和车辆在t时刻的夹角θ(τ)计算车辆在t时刻所占用的矩形面积；根据车辆进入中心冲突区的时间和车辆通过中心冲突区的时间可以得到一连串离散的车辆矩形占用面积；以此为依据判断车辆路径是否冲突；

42、

43、进一步的，所述s4包括以下步骤：

44、s41：根据中央服务器指定的车辆穿过中心冲突区的速度v0，计算车辆保持所述速度v0进入中心冲突区的时间tn；

45、s42：根据中心冲突区的资源占用情况，计算车辆进入中心冲突区的安全时间ts，即车辆在ts时刻进入中心冲突区并以速度v0穿过中心冲突区不会发生冲突；

46、s43：通过公式(1.9)～(1.11)计算车辆的调速周期；

47、进一步的，公式(1.9)～(1.11)默认车辆开始执行调速任务时的速度v＝v0，考虑车辆由于跟驰模型的安全跟车机制限制，可能出现速度v≠v0的情况，应使用替换公式中的t；

48、

49、

50、

51、其中t表示车辆开始执行调速任务的时间，

52、1)ts-tn>0：车辆从时间t开始减速，c表示车辆减速结束的时间，d表示车辆开始加速的时间，e表示车辆完成加速的时间(即车辆完成调速周期，速度重新回到v的时间)；

53、2)ts-tn<0：车辆从时间t开始加速，c表示车辆加速结束的时间，d表示车辆开始减速的时间，e表示车辆完成减速的时间(即车辆完成调速周期，速度重新回到v的时间)；

54、根据c,d,e三个参数、ts和tn的关系调整车辆速度；

55、s44：根据安全跟车距离d和跟随车辆与前车的当前距离，使用公式(1.12)计算第i+1辆车能否加入车队：

56、

57、其中si表示车队第i辆车距离中心冲突区的距离(头车为第0辆车)，d表示最小安全跟车距离，表示车辆的平均追逐速度(一般选择)，vm表示车辆最大行驶速度。

58、有益效果：

59、本发明针对现有技术中十字路口在交通流不平衡条件下通行能力下降的问题，提供了一种可变转向道与换道结合的十字路口控制方法，有益效果有以下几点：

60、1、与传统红绿灯相比，基于可变转向道与换道结合的十字路口控制方法基于实时的微观交通模型，以每一辆车的信息为参考，并结合宏观交通信息，如车道的平均等待时间和车道占用率来确定每辆车的换道行为和通行优先级；不仅能实时决定车辆的通行行为，还避免了车辆由于等待绿灯而频繁启停的行为，让车辆在行驶过程中更加安全、更加舒适。

61、2、相比固定转向道的十字路口控制方法，根据当前通行车辆灵活变更车道的转向方向，克服了固定转向道在不同期望转向的车流量不平衡条件下由于转向道数量限制带来的客观影响。

62、3、本发明将可变转向道和换道结合，一方面通过换道控制来均衡车道的交通流负载，另一方面可以让相同期望转向的车辆同时从不同的车道通过中心冲突区，极大地提升了十字路口的通行效率，特别是在交通流不平衡的情况下，有助于提高十字路口通行的公平性。