本發(fā)明屬于網(wǎng)聯(lián)自動(dòng)駕駛場(chǎng)景應(yīng)用和交通管理控制領(lǐng)域，具體涉及一種智能網(wǎng)聯(lián)環(huán)境下高速公路多車道分流車輛換道控制方法。

背景技術(shù)：

1、隨著智能網(wǎng)聯(lián)汽車(connected?and?autonomous?vehicles,cavs)技術(shù)的快速發(fā)展，高速公路交通流的管理和控制面臨新的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。在多車道高速公路出口匝道前的分流區(qū)，分流車輛需要從高速公路主線匯入出口匝道，這一過程中的變道操作是影響交通流穩(wěn)定性和安全性的關(guān)鍵因素之一。

2、傳統(tǒng)的車輛變道決策主要依賴于駕駛員的經(jīng)驗(yàn)和判斷，這在高速公路多車道分流區(qū)尤其容易引發(fā)交通擁堵和事故。隨著cavs技術(shù)的發(fā)展，車輛具備了感知環(huán)境、自主決策和執(zhí)行操作的能力，為解決高速公路多車道分流區(qū)的車輛變道問題提供了新的解決方案。

3、然而，目前現(xiàn)有的cavs變道控制策略大多關(guān)注于單一車輛的行為，這種局限性導(dǎo)致忽略了車輛之間的協(xié)同效應(yīng)以及變道行為對(duì)整體交通流的影響。并且當(dāng)前一些控制手段對(duì)適用場(chǎng)景的車道數(shù)量存在限制，不具備普適性。因此，迫切需要開發(fā)一種能夠優(yōu)化高速公路多車道分流區(qū)內(nèi)所有cavs的變道決策，從而提高交通流的整體效率和安全性。這一問題在當(dāng)前智能網(wǎng)聯(lián)環(huán)境下尤為緊迫需要解決。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、發(fā)明目的：本發(fā)明提出了一種智能網(wǎng)聯(lián)環(huán)境下高速公路多車道分流車輛換道控制方法，旨在優(yōu)化多車道高速公路分流區(qū)內(nèi)所有分流cavs的變道決策，對(duì)分流車輛進(jìn)行有效控制和引導(dǎo)，以提高交通流的整體效率和安全性。

2、技術(shù)方案：本發(fā)明為達(dá)到上述發(fā)明目的，采用如下技術(shù)方案：

3、一種智能網(wǎng)聯(lián)環(huán)境下高速公路多車道分流車輛換道控制方法，包括如下步驟：

4、步驟1：中央控制器獲取道路信息、分車道交通流信息和車輛換道意圖等車輛行駛信息；。

5、步驟2：中央控制器根據(jù)所獲得的信息，判斷是否需要開放硬路肩；

6、步驟3：根據(jù)車輛的行駛方向、所在車道和硬路肩的開放情況，將車輛按是否必須變道分為兩類，并對(duì)變道區(qū)域內(nèi)的每條車道進(jìn)行編號(hào)，進(jìn)而劃分出各個(gè)換道路段；

7、步驟4：通過搭建交通場(chǎng)景仿真場(chǎng)景，構(gòu)建智能網(wǎng)聯(lián)車輛行駛模型，計(jì)算每個(gè)換道路段的最佳換道概率，并將其反饋給中央控制器；

8、步驟5：根據(jù)最佳換道概率，中央控制器通過預(yù)先設(shè)置好的車輛變道控制策略，為每輛分流車輛在當(dāng)前所處車道上指派一個(gè)換道路段；

9、步驟6：中央控制器將行駛指令發(fā)布給分流車輛，分流車輛根據(jù)指令完成一次換道動(dòng)作；若車輛此時(shí)已變道至最外側(cè)車道，則完成換道任務(wù)，沿最外側(cè)車道行駛至匯入出口匝道；若車輛完成一次變道后仍然處在內(nèi)側(cè)車道，則返回步驟5，繼續(xù)分配一個(gè)在當(dāng)前車道上的換道路段，并重復(fù)此過程，直至車輛成功變道至最外側(cè)車道。

10、作為優(yōu)選，本發(fā)明方法面對(duì)完全智能網(wǎng)聯(lián)的環(huán)境，高速公路單向含有多條車道且含有一條出口匝道，匝道形式為直接式單車道，所有車輛都是網(wǎng)聯(lián)自動(dòng)駕駛車輛，車輛接受中央控制器發(fā)布的變道指令，并且根據(jù)指令完成變道動(dòng)作。

11、作為優(yōu)選，在步驟2中，當(dāng)滿足下列三個(gè)條件之一時(shí)，則開啟硬路肩：匯入出口匝道的車流量超過出口匝道通行能力的α倍，匯入出口匝道的車流量與最外側(cè)車道的車流量之和超過最外側(cè)車道通行能力的β倍，匯入出口匝道的車輛速度小于高速公路主線自由流速度的γ倍，其中α、β和γ為經(jīng)驗(yàn)參數(shù)。

12、作為優(yōu)選，在步驟3中，具體的分類和編號(hào)方法如下：

13、(1)對(duì)車道進(jìn)行編號(hào)：面對(duì)單向含有n(n≠1)條車道的高速公路，如果不開放硬路肩，則將所有車道沿行駛方向從右向左依次標(biāo)為0，1，...，n-1號(hào)；如果硬路肩開放，則將硬路肩編為0號(hào)，所有車道沿行駛方向從右向左依次標(biāo)為1，2，...，n號(hào)；

14、(2)對(duì)車輛分類：將車輛按是否必須向外側(cè)換道分為兩類。直行車輛和行駛在第0號(hào)車道的分流車輛都不是必須要向外側(cè)換道，不進(jìn)行控制；行駛在內(nèi)側(cè)車道的分流車輛必須要向外側(cè)換道，用換道策略進(jìn)行控制；

15、(3)將換道控制區(qū)域(包含n條車道)平均分為j個(gè)路段，每個(gè)路段長為δx。則每條車道i(i≠0)都被分為j個(gè)路段用于換道，依次標(biāo)為sij。對(duì)于每個(gè)換道路段sij，均對(duì)應(yīng)于一個(gè)換道概率pij(i＝1,2,3,...,n；j＝1,2,3,...,j)，且

16、作為優(yōu)選，步驟4中采用遺傳算法計(jì)算每個(gè)換道路段的最佳換道概率，每個(gè)換道路段sij所對(duì)應(yīng)的換道概率pij是種群中的個(gè)體，種群中的個(gè)體共有i×j個(gè)，將車輛換道策略的目標(biāo)函數(shù)轉(zhuǎn)化為適應(yīng)度函數(shù)對(duì)種群進(jìn)行評(píng)價(jià)，并根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)種群中的個(gè)體進(jìn)行排序和選擇，以計(jì)算得到所有路段的最優(yōu)換道概率集合。其具體方法如下：

17、(1)換道概率的取值設(shè)置：對(duì)各路段的換道概率的可取值進(jìn)行約束，將兩個(gè)可取值解之間的間隔設(shè)定為(a為大于1的整數(shù))：

18、

19、(2)編碼的具體方法：將換道概率乘10a變成整數(shù)，然后用二進(jìn)制對(duì)其進(jìn)行編碼；

20、(3)種群的初始化：隨機(jī)產(chǎn)生滿足約束條件的多個(gè)個(gè)體，組成初始種群，遺傳算法以該種群為初始種群進(jìn)行更新；

21、(4)適應(yīng)度函數(shù)的設(shè)置：車輛換道策略的最終目標(biāo)是提升道路通行效率，選取車輛總通行時(shí)間作為換道策略的目標(biāo)函數(shù)，并將此目標(biāo)函數(shù)作為遺傳算法的適應(yīng)度函數(shù)：

22、

23、其中：ρij(k)是第k個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)換道路段sij內(nèi)的交通密度；

24、(5)處理約束條件：將換道概率pij乘10a變成整數(shù)以后，pij取值在[0,10a]之間，換道概率總和約束也要改變：

25、0≤pij≤10a

26、

27、(6)設(shè)置基本參數(shù)：遺傳算法中決策變量個(gè)數(shù)為施加換道控制的路段sij的總數(shù)，取值為i×j；決策變量的個(gè)體長度為換道概率的取值個(gè)數(shù)，取值為a+1；同時(shí)設(shè)置遺傳算法的初始種群規(guī)模、交叉概率、變異概率、最大迭代次數(shù)等參數(shù)；

28、(7)通過求解遺傳算法得到每條車道上的每個(gè)換道路段的最佳換道概率。

29、作為優(yōu)選，步驟4為求解各個(gè)路段的最佳換道概率，基于元胞自動(dòng)機(jī)方法實(shí)現(xiàn)高速公路多車道出口匝道分流區(qū)場(chǎng)景的搭建，對(duì)智能網(wǎng)聯(lián)車流的行駛進(jìn)行建模，在縱向上使用cacc跟馳模型進(jìn)行控制，在橫向上使用mobil模型模擬多車道交通中的變道行為，基于模型預(yù)測(cè)控制(mpc)架構(gòu)實(shí)現(xiàn)交通流狀態(tài)的預(yù)測(cè)，完成最佳換道概率的求解。

30、作為優(yōu)選，步驟5中要為需要換道的車輛在該車道上分配一個(gè)換道路段，車輛從該路段開始尋找換道間隙直到完成一次換道行為，具體的分配方法如下：

31、(1)給每個(gè)需要換道的車輛h分配一個(gè)隨機(jī)數(shù)ri，且ri∈[0,1/2i]，i代表當(dāng)前車輛所處車道標(biāo)號(hào)(i＝1,2,...,n)，也代表車輛為了換道至第0車道所需的換道次數(shù)；

32、(2)如果∑ri∈[0,pi1)，車輛h在車道i上的換道路段為si1；如果∑ri∈[pi1,pi1+pi2)，則其換道路段為si2；如果∑ri∈[pi1+pi2,pi11+pi2+pi3)，則其換道路段為si3；以此類推，如果則其在車道i上的換道路段為sij；對(duì)于第1車道的車輛僅需換道一次既可，故只執(zhí)行一次本流程；

33、(3)對(duì)于需要多次換道才能進(jìn)入最外側(cè)車道的車輛，返回步驟(2)，重新分配一個(gè)隨機(jī)數(shù)，與之前被分配到的隨機(jī)數(shù)進(jìn)行加和，根據(jù)加和后的值分配換道路段，反復(fù)執(zhí)行本流程，直至進(jìn)入最外側(cè)車道，變道行為結(jié)束。

34、作為優(yōu)選，步驟5中，中央控制器完成換道路段分配的計(jì)算后，向車輛發(fā)送換道指令；若分配某車h在路段sij進(jìn)行換道，代表該車在i車道上時(shí)從路段j可以開始換道，在路段j的上游路段不能進(jìn)行換道，若在路段j沒有完成換道，在路段j的下游路段依然可以進(jìn)行換道。

35、基于相同的發(fā)明構(gòu)思，本發(fā)明提供一種智能網(wǎng)聯(lián)環(huán)境下高速公路多車道分流車輛換道控制系統(tǒng)，包括：

36、信息獲取模塊，用于獲取道路信息、分車道交通流信息和車輛換道意圖信息；

37、開放硬路肩決策模塊，用于基于所獲得的信息，判斷是否需要開放硬路肩；

38、車道編號(hào)與路段劃分模塊，用于根據(jù)車輛的行駛方向、所在車道和硬路肩的開放情況，將車輛按是否必須變道分為兩類，并對(duì)變道區(qū)域內(nèi)的每條車道進(jìn)行編號(hào)，進(jìn)而劃分出各個(gè)換道路段；

39、換道概率計(jì)算模塊，用于通過搭建交通場(chǎng)景仿真場(chǎng)景，構(gòu)建智能網(wǎng)聯(lián)車輛行駛模型，計(jì)算每個(gè)換道路段的最佳換道概率；

40、換道控制模塊，用于根據(jù)最佳換道概率，通過預(yù)先設(shè)置好的車輛變道控制策略，為每輛分流車輛在當(dāng)前所處車道上指派一個(gè)換道路段；以及行駛指令發(fā)布給分流車輛，分流車輛根據(jù)指令完成一次換道動(dòng)作；若車輛此時(shí)已變道至最外側(cè)車道，則完成換道任務(wù)，沿最外側(cè)車道行駛至匯入出口匝道；若車輛完成一次變道后仍然處在內(nèi)側(cè)車道，則繼續(xù)分配一個(gè)在當(dāng)前車道上的換道路段，并重復(fù)此過程，直至車輛成功變道至最外側(cè)車道。

41、基于相同的發(fā)明構(gòu)思，本發(fā)明提供一種計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品，包括計(jì)算機(jī)程序/指令，所述計(jì)算機(jī)程序/指令被處理器執(zhí)行時(shí)實(shí)現(xiàn)所述的一種智能網(wǎng)聯(lián)環(huán)境下高速公路多車道分流車輛換道控制方法的步驟。

42、有益效果：與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)：

43、1.安全且精準(zhǔn)的換道控制：本發(fā)明能夠在出口匝道上游，不斷為分流車輛指派換道路段，直至車輛成功變道至最外側(cè)車道，通過逐步引導(dǎo)實(shí)現(xiàn)安全、有序的車道變換，減少交通混亂和事故風(fēng)險(xiǎn)。

44、2.自動(dòng)化的換道指令發(fā)布：本發(fā)明能夠自動(dòng)計(jì)算最佳換道概率并為車輛分配換道路段，將換道指令發(fā)布給分流車輛，實(shí)時(shí)性強(qiáng)且響應(yīng)速度快，使得換道過程更加自動(dòng)化和高效。

45、3.適用性與可擴(kuò)展性強(qiáng)：本發(fā)明能夠適用于具有任意車道數(shù)的高速公路及快速路等配備出口匝道的道路系統(tǒng)，采用網(wǎng)聯(lián)技術(shù)，與交通管理中心、其他車輛和道路設(shè)施進(jìn)行互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)更多功能的擴(kuò)展和應(yīng)用，提升整個(gè)交通系統(tǒng)的協(xié)同效率。