本發(fā)明涉及智能網(wǎng)聯(lián)，具體涉及一種混合智能網(wǎng)聯(lián)環(huán)境下交叉口車輛軌跡和信號協(xié)同優(yōu)化方法。

背景技術(shù)：

1、交叉口是制約城市交通系統(tǒng)發(fā)展的主要瓶頸點(diǎn)和關(guān)鍵因素，是各類交通問題的主要產(chǎn)生源。一方面，盡管傳統(tǒng)的信號控制措施能夠在一定程度上提升交叉口的通行效率，但往往僅能利用宏觀交通流指標(biāo)參數(shù)而無法充分發(fā)揮信號控制的主動(dòng)協(xié)調(diào)作用。另一方面，盡管無信號交叉口對交通運(yùn)行也起著調(diào)節(jié)作用，當(dāng)交通量較小時(shí)能夠有效的降低交通延誤，但交通沖突的存在導(dǎo)致其極易產(chǎn)生安全問題。綜合來看，解決交叉口交通運(yùn)行問題是提升城市道路交通效率與安全的核心所在，已成為迫在眉睫的問題。

2、智能網(wǎng)聯(lián)技術(shù)的發(fā)展，引發(fā)了傳統(tǒng)交通控制系統(tǒng)的變革性突破。2020年國家多個(gè)部委聯(lián)合發(fā)布的《智能汽車創(chuàng)新發(fā)展戰(zhàn)略》，明確了智能網(wǎng)聯(lián)技術(shù)發(fā)展的重要性，并將智能汽車的研發(fā)確定為國家重要發(fā)展戰(zhàn)略之一。如何利用智能網(wǎng)聯(lián)技術(shù)，通過車車、車路的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)交互，實(shí)現(xiàn)交叉口從“被動(dòng)響應(yīng)控制”向“主動(dòng)協(xié)同控制”的轉(zhuǎn)變，是交通智能化發(fā)展中亟待解決的問題。隨著道路中智能網(wǎng)聯(lián)車輛占比的逐步提升，交叉口將長期處于混合智能網(wǎng)聯(lián)的交通環(huán)境。由于異質(zhì)交通流的參與，其混合智能網(wǎng)聯(lián)下交叉口控制問題的復(fù)雜度相對較高?，F(xiàn)有的相關(guān)研究中，存在的問題主要有：首先，多數(shù)交叉口信號優(yōu)化和車輛軌跡協(xié)同控制的研究是高度集中的，往往需要收集整個(gè)交叉口交通信息，這對于車輛智能程度和實(shí)時(shí)通信的要求較高從而難以滿足現(xiàn)實(shí)交通自組織場景的控制需求。其次，多針對單進(jìn)口道交叉口混合智能網(wǎng)聯(lián)環(huán)境交通控制問題展開研究，忽略了車輛的橫向交通行為。

3、因此，為了彌補(bǔ)以往研究中存在的缺陷，本研究針對混合智能網(wǎng)聯(lián)環(huán)境下交叉口信號控制這一問題，提出了一種混合智能網(wǎng)聯(lián)環(huán)境下交叉口車輛軌跡和信號協(xié)同優(yōu)化方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于彌補(bǔ)現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種混合智能網(wǎng)聯(lián)環(huán)境下交叉口車輛軌跡和信號協(xié)同優(yōu)化方法，在確保車輛通行效率的基礎(chǔ)上，提高車輛燃油經(jīng)濟(jì)性和駕駛舒適性，用于解決現(xiàn)有技術(shù)中缺乏混合智能網(wǎng)聯(lián)環(huán)境下交叉口車輛軌跡和信號協(xié)同優(yōu)化的問題。

2、一種混合智能網(wǎng)聯(lián)環(huán)境下交叉口車輛軌跡和信號協(xié)同優(yōu)化方法，具體步驟是。

3、步驟1：對交叉口優(yōu)化區(qū)域進(jìn)行界定。將交叉口界定為包含一條直行車道和一條左轉(zhuǎn)車道的雙向四車道十字型交叉口，其中車道1是直行車道，車道2是左轉(zhuǎn)車道。將交叉口內(nèi)部區(qū)域定義為沖突識別區(qū)，進(jìn)口道區(qū)域定義為信號控制區(qū)，并進(jìn)一步將信號控制區(qū)劃分為自由行駛區(qū)和禁止換道區(qū)。

4、步驟2：對不同區(qū)域執(zhí)行不同的信號優(yōu)化策略。對信號控制區(qū)執(zhí)行增強(qiáng)自適應(yīng)信號優(yōu)化策略，對沖突識別區(qū)執(zhí)行紅燈相位信號優(yōu)化策略。具體方法為。

5、步驟2.1：對信號控制區(qū)執(zhí)行增強(qiáng)自適應(yīng)信號優(yōu)化策略，具體步驟如下。

6、步驟2.1.1：更新交叉口信號配時(shí)和車輛軌跡信息，并判斷當(dāng)前綠燈相位是否超過最小綠燈時(shí)間，其中w代表當(dāng)前車道編號。如果否，轉(zhuǎn)至步驟2.1.4；否則，轉(zhuǎn)至步驟2.1.2。

7、步驟2.1.2：計(jì)算當(dāng)前綠燈相位所服務(wù)車道內(nèi)車輛到達(dá)時(shí)間，并判斷所有車輛能否在當(dāng)前綠燈階段通過交叉口。如果是，轉(zhuǎn)至步驟2.1.4；否則，轉(zhuǎn)至步驟2.1.3。

8、步驟2.1.3：計(jì)算是否可以在不違反最大綠燈相位約束的情況下延長當(dāng)前綠燈相位時(shí)間，即判斷?，其中是當(dāng)前綠燈相位開始時(shí)間，t是當(dāng)前時(shí)間，?t是增強(qiáng)自適應(yīng)信號優(yōu)化策略更新時(shí)間間隔。如果是，則將當(dāng)前綠燈相位時(shí)間延長為，轉(zhuǎn)至步驟2.1.1；否則，令當(dāng)前綠燈相位結(jié)束時(shí)間，轉(zhuǎn)至步驟2.1.4。

9、步驟2.1.4：更新信號配時(shí)計(jì)劃。

10、步驟2.2：根據(jù)步驟2.1的信號配時(shí)計(jì)劃，進(jìn)一步對沖突識別區(qū)執(zhí)行紅燈相位信號優(yōu)化策略，具體步驟如下。

11、步驟2.2.1：更新交叉口車輛信息和信號配時(shí)信息，計(jì)算當(dāng)前綠燈相位車道任意兩輛連續(xù)車輛的車頭時(shí)距。

12、步驟2.2.2：判斷當(dāng)前紅燈相位車道內(nèi)車輛的類型，并據(jù)此計(jì)算是否存在合適的可行時(shí)間間隔能夠允許該車輛通過沖突識別區(qū)，具體計(jì)算方法如下。

13、對交叉口沖突識別區(qū)進(jìn)行網(wǎng)格化，并對沖突識別區(qū)內(nèi)車輛沖突關(guān)系進(jìn)行識別，并計(jì)算車輛時(shí)間關(guān)系：

14、

15、式中，和分別表示車輛i離開和到達(dá)沖突點(diǎn)的時(shí)間，表示車輛l到達(dá)沖突點(diǎn)的時(shí)間，則表示車輛l-1離開沖突區(qū)的時(shí)間。上述三輛車輛中，車輛i來自于紅燈相位所服務(wù)的車道，車輛l和車輛l-1來自于當(dāng)前綠燈相位所服務(wù)的車道，并且為連續(xù)到達(dá)的兩輛車輛（車輛l-1為前車）。

16、步驟2.2.3：根據(jù)車輛位置關(guān)系和步驟2.2.2所述時(shí)間關(guān)系計(jì)算公式，找到允許該車輛通過沖突識別區(qū)的第一個(gè)可行時(shí)間間隔。

17、步驟2.2.4：將該車輛所在車道的紅燈相位切換為綠燈相位，若該車為智能網(wǎng)聯(lián)車輛則通知其據(jù)此調(diào)整自身軌跡。

18、步驟3：建立智能網(wǎng)聯(lián)車輛和人工駕駛車輛橫縱向軌跡優(yōu)化控制模型。具體方法如下。

19、步驟3.1：根據(jù)車輛的行駛軌跡是否受前方車輛的影響，建立四種車輛縱向軌跡控制策略，包括智能網(wǎng)聯(lián)車輛頭車四階段軌跡控制策略、人工駕駛車輛頭車退化兩階段軌跡控制策略、智能網(wǎng)聯(lián)車輛跟馳車跟馳控制策略和人工駕駛車輛跟馳車跟馳控制策略，計(jì)算公式分別如下所示。

20、第一，智能網(wǎng)聯(lián)車輛頭車四階段軌跡控制策略是一個(gè)多階段自由終端時(shí)間的最優(yōu)控制問題，模型如下所示：

21、?。

22、受限于以下約束：

23、

24、

25、

26、

27、

28、

29、式中，a、v、x分別是車輛i的加速度、速度和位置，和分別是車輛i離開交叉口和進(jìn)入交叉口的時(shí)間，和分別是車輛i離開交叉口和進(jìn)入交叉口的位置，和分別是車輛i的期望速度和進(jìn)入交叉口的速度，下標(biāo)1、2、3、4分別代表車輛軌跡的四個(gè)階段，其中車輛在階段1和階段3具有恒定的加速度，屬于勻加/減速軌跡段，而在階段2和階段4具有恒定的速度，屬于勻速行駛軌跡段。

30、第二，人工駕駛車輛頭車退化兩階段軌跡控制策略以模擬人類駕駛員駕駛模式為目的，可劃分為兩個(gè)階段，階段1具有恒定的加/減速度，視為勻加/減速階段，階段2具有恒定的速度，視為勻速階段，模型如下所示：

31、 ?。

32、第三，智能網(wǎng)聯(lián)車輛跟馳車跟馳控制策略采用智能駕駛?cè)烁Y模型，公式如下：

33、

34、

35、式中，是車輛安全車頭時(shí)距，和是前后車輛位置差和速度差。

36、第四，人工駕駛車輛跟馳車跟馳控制策略采用智能駕駛?cè)烁Y模型，公式與第三所述公式相同。

37、步驟3.2：當(dāng)車輛在自由行駛區(qū)內(nèi)行駛時(shí)，能夠執(zhí)行換道操作。因此，為車輛構(gòu)建換道行為控制模型，模型公式如下所示：

38、，

39、;

40、

41、式中，代表車輛換道的總體收益，只有當(dāng)，即總體收益大于目標(biāo)閾值時(shí)，換道行為才被執(zhí)行。是車輛換道的禮貌因子，代表該主體車輛換道時(shí)，考慮對道路內(nèi)其他車輛的影響程度。、和分別代表換道后主體車輛、目標(biāo)車道緊鄰后車和原車道緊鄰后車的加速度。、和分別代表換道前主體車輛、目標(biāo)車道緊鄰后車和原車道緊鄰后車的加速度。

42、步驟4：迭代更新上述兩種信號優(yōu)化策略和車輛橫縱向控制策略。其中，每?t執(zhí)行一次增強(qiáng)自適應(yīng)信號優(yōu)化策略。之后，針對當(dāng)前紅燈相位面向的車道內(nèi)行駛的車輛，每?t執(zhí)行一次紅燈相位信號優(yōu)化策略，檢查沖突識別區(qū)內(nèi)綠燈相位的任意連續(xù)的兩輛車之間是否存在可行的時(shí)間間隔能夠允許該車輛無沖突的情況下通過交叉口，并未不同類型車輛執(zhí)行不同的縱向軌跡控制策略。兩時(shí)間間隔的關(guān)系計(jì)算方法如下所示：

43、

44、式中，t和n分別是紅燈相位信號優(yōu)化策略和增強(qiáng)自適應(yīng)信號優(yōu)化策略更新的時(shí)間步。

45、具體方式如下。

46、步驟4.1：當(dāng)車輛在自由行駛區(qū)中行駛時(shí)，根據(jù)步驟3為不同的車輛類型下執(zhí)行對應(yīng)的軌跡控制策略，包括橫向換道行為和縱向跟馳行為。

47、步驟4.2：車輛由自由行駛區(qū)駛?cè)虢箵Q道區(qū)時(shí)，橫向換道行為被禁止，僅執(zhí)行步驟3所述對應(yīng)車輛類型下的縱向軌跡控制策略。

48、步驟4.3：當(dāng)交叉口控制中心檢測到禁止換道區(qū)有車輛后，根據(jù)步驟2.1激活增強(qiáng)自適應(yīng)信號優(yōu)化策略根據(jù)實(shí)時(shí)交通信息和信號配時(shí)對交叉口綠燈相位時(shí)間進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。

49、步驟4.4：當(dāng)車輛駛近沖突識別區(qū)時(shí)，激活紅燈相位信號優(yōu)化策略，通過對沖突識別區(qū)內(nèi)車輛潛在沖突關(guān)系的計(jì)算判斷當(dāng)前車輛是否可以在紅燈相位期間安全的通過交叉口。若可以，則將該車輛面臨的紅燈相位切換至綠燈相位以允許其通過交叉口；否則，則繼續(xù)執(zhí)行紅燈相位。

50、本發(fā)明的有益效果為：本發(fā)明公開了一種混合智能網(wǎng)聯(lián)環(huán)境下交叉口車輛軌跡和信號協(xié)同優(yōu)化方法。針對混合智能網(wǎng)聯(lián)環(huán)境下交叉口控制這一場景，實(shí)現(xiàn)混合智能網(wǎng)聯(lián)環(huán)境下信號交叉口的車輛軌跡和信號的協(xié)同優(yōu)化。通過對交叉口車輛沖突關(guān)系的分析構(gòu)建紅燈相位優(yōu)化策略，提高交叉口信號的利用率，并利用增強(qiáng)自適應(yīng)信號優(yōu)化策略確保交叉口信號控制的運(yùn)行。其次，針對不同類型的車輛構(gòu)建對應(yīng)的車輛橫縱向軌跡優(yōu)化策略。在確保車輛通行效率最大化的基礎(chǔ)上，提高了車輛的燃油經(jīng)濟(jì)性和駕駛舒適性。