一種車流擁堵中車輛群自主協(xié)同調(diào)度的智能疏導(dǎo)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及智能交通領(lǐng)域，特別設(shè)及一種車流擁堵中車輛群自主協(xié)同調(diào)度的智能 疏導(dǎo)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來(lái)，交通堵塞是我國(guó)大中城市中普遍存在的難題，特別是局部的、短暫的行車 擁堵發(fā)生頻率非常高，對(duì)城市交通整體運(yùn)行效率影響很大。在道路交通領(lǐng)域中一般將道路 狀況分為:正常通行、擁擠、事故堵塞、施工等四類，其中，道路因?yàn)槭鹿屎褪┕さ韧耆氯?車輛必須繞道行駛，運(yùn)是一類交通堵塞的問(wèn)題，必須由現(xiàn)場(chǎng)人員指揮或交通管制來(lái)解決;另 一類是由正常行駛變?yōu)閾頂D或部分堵塞的情況，如某路段車道數(shù)減少、車流高峰期擁擠行 駛、慢車占快車道或交通事故占用了部分車道，車流可緩慢通行，運(yùn)一類交通擁堵問(wèn)題無(wú)論 在高速公路還是城市街道或路口都頻繁發(fā)生，車輛一般不會(huì)繞道通行或沒(méi)有可選道路，只 能等待通過(guò)擁堵的路段，在運(yùn)類情況下，司機(jī)由于不能及時(shí)了解擁堵車流的通行狀況，常出 于焦慮或急迫屯、態(tài)的原因，不斷發(fā)生變道、搶道、插隊(duì)等行為，使得局部車流混亂，不僅降低 了擁堵車流整體的通行效率，而且?guī)Я私煌ㄊ鹿孰[患，加重道路擁堵程度。針對(duì)此類交通擁 堵問(wèn)題，本專利提出了 一種車流疏導(dǎo)的解決方法及其實(shí)現(xiàn)技術(shù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)與不足，提供一種車流擁堵中車輛群自主 協(xié)同調(diào)度的智能疏導(dǎo)方法，建立一類智能車載終端無(wú)線組網(wǎng)與行車信息處理的系統(tǒng)，在車 輛擁堵情況下車輛間基于無(wú)線數(shù)據(jù)交互實(shí)現(xiàn)自主疏導(dǎo)，提高車輛群的通行效率和安全性。
[0004] 本發(fā)明的目的通過(guò)W下的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：
[0005] -種車流擁堵中車輛群自主協(xié)同調(diào)度的智能疏導(dǎo)方法，包含W下步驟：
[0006] S1、建立擁堵情形下車輛跟馳模型與車流的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)模型，給出擁堵車流通行效 率的最優(yōu)指標(biāo)函數(shù)及其計(jì)算方法；
[0007] S2、采用車載無(wú)線終端獲取本車及整個(gè)車道的行車狀況數(shù)據(jù)，根據(jù)單輛車和車流 的狀態(tài)模型確定該車輛位置信息和最優(yōu)行車指令，通過(guò)人機(jī)界面展現(xiàn)或語(yǔ)音接口播報(bào)給駕 駛員。
[000引所述步驟S1，具體為：
[0009] 車流在某一時(shí)刻t由于某種原因在一個(gè)距離為L(zhǎng)(t)的路段形成擁堵，N(t)輛車聚 集并緩慢通過(guò)該擁堵路段，車輛數(shù)目N(t)隨著前車通過(guò)擁堵段和后面車輛不斷加入而變 化，N( t) ^0表示擁堵消散過(guò)程；
[0010] 車輛按照通行車道分成k隊(duì)，其中k=l，2，···，對(duì)應(yīng)擁堵車流可通行的車道數(shù)目，第 η輛車在t時(shí)刻的車速用一組向量表示巧(勺二W 1'", (?)，Vnf(t)、Vrd(t)、Vnr(t) 分別表示第η輛車向前、向左、向右Ξ個(gè)方向的速度大小（單位:m/s)，其中n = l，2,3,…，N (t)，按照車流前行的逆方向排序；
[0011]第。輛車在t時(shí)刻與相鄰車輛之間的距離用向量方。W二屯,的fi,,r州表 示，dnf、dnl、dnr分別表示第η輛車與前車、左邊車、右邊車之間的距離(單位:m)，當(dāng)其中一個(gè) 方向無(wú)車時(shí)，可將車距取為無(wú)窮大；設(shè)每輛車安全行駛時(shí)與相鄰車輛的最小距離為 .息.= A。/· &。1 .bw，其中hnf、hnl、hnr分別為每輛車安全行駛時(shí)與前車、左邊車、右邊車的最 小距離；
[0012] 將交通流處理為分散的粒子組成，W單個(gè)車輛作為描述對(duì)象，通過(guò)研究單個(gè)車輛 的前后作用來(lái)了解交通流的特性;從力學(xué)觀點(diǎn)來(lái)看，它實(shí)際上是一種質(zhì)點(diǎn)系動(dòng)力學(xué)模型，假 設(shè)車隊(duì)中的每一輛車必須與前車保持一定的間距W免發(fā)生碰撞，后車的加速或減速取決于 前車;考慮車輛對(duì)刺激的反應(yīng)滯后效應(yīng)W及車輛運(yùn)動(dòng)的隨機(jī)性，每輛車的速度變化規(guī)律可 W通過(guò)如下類型的微分方程來(lái)描述：
[0013]
[0014] 其中，τ是車輛反應(yīng)滯后時(shí)間；
[0015] 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明，駕駛員對(duì)前方車距變化會(huì)發(fā)生延遲的反應(yīng)從而采用不同的車速和 調(diào)整車道，對(duì)整個(gè)車流產(chǎn)生小擾動(dòng)，小擾動(dòng)沿車流上游傳播，經(jīng)過(guò)一定程度的放大后，引起 楊行車輛的不穩(wěn)定，運(yùn)個(gè)不穩(wěn)定性造成交通"擠壓"，導(dǎo)致局部區(qū)域車輛密集，擁堵情形由此 形成；
[0016] 擁堵車流的最大向前行駛速度由每隊(duì)排在最前面的車輛速度vif，V2f，…，Vkf決 定，設(shè)第n輛車位于第m列車隊(duì)中，前進(jìn)速度定義為vnf(t)=αn(t)vmf(t)，其中m=l,2,…,k，0 <an(t)含1;擁堵車流中各車輛總是希望W最大的速度行駛，同時(shí)不希望發(fā)生碰撞或潛在 的危險(xiǎn)最小化，但是并非每輛車都能W最理想的狀態(tài)行駛，因此，根據(jù)車輛行駛狀態(tài)參數(shù)建 立車輛在擁堵情況下車速擇優(yōu)指標(biāo)，從而根據(jù)擁堵車流的情況提前選擇行進(jìn)車道，使得整 個(gè)擁堵車群有序通過(guò)堵塞路段；由W上公式可得，車流前行速度最快指標(biāo)為：
從而得出車輛運(yùn)行最佳速度公式和車距信息Vnf(t)=αn(t)Vkf(t)，
其中dnf〉hnf，dnl〉hnl，dnr〉hnr ;同時(shí)為保證整個(gè)車流能W最 快速度通過(guò)堵塞，各隊(duì)車流速度應(yīng)盡可能相等，即公平行駛指巧
[0017] 在車流擁堵時(shí)車輛聚集的結(jié)構(gòu)模型，采用鄰接矩陣A表示，即矩陣A中行和列的序 號(hào)i，j表示車輛編號(hào)，i J = 1，2，3，…，N(t)，元素值取0和1，第(i，j)個(gè)元素的值為1表示第i 輛車與第j輛車前后相鄰，否則元素值為0,其中對(duì)角線上的元素默認(rèn)為1，表示每輛車自身 相鄰，車輛單向鄰接的鄰接矩陣為：
[001 引
[0019] 該矩陣能夠完整表示了車輛聚集時(shí)前后跟隨的結(jié)構(gòu)狀態(tài)，基于鄰接矩陣的邏輯運(yùn) 算，得到車輛群跟隨關(guān)系的可達(dá)矩陣，車輛都是W鄰接的前車向后車單向傳遞信息，建立基 于ZigBee的車輛擁堵時(shí)動(dòng)態(tài)無(wú)線組網(wǎng)，相鄰車輛之間建立通信聯(lián)系，從而動(dòng)態(tài)計(jì)算某一時(shí) 刻車輛擁堵狀態(tài)。
[0020] 所述基于Zi濁ee的車輛擁堵時(shí)動(dòng)態(tài)無(wú)線組網(wǎng)，具體通過(guò)W下步驟建立：
[0021 ] 1)當(dāng)車流逐漸發(fā)生擁堵時(shí)，車距變小，到達(dá)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通訊范圍內(nèi)，車輛上的zigbee 模塊自動(dòng)進(jìn)行組網(wǎng)；不同于傳統(tǒng)的Ad hoc網(wǎng)絡(luò)，本專利采用鏈?zhǔn)骄W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，即只實(shí)現(xiàn)在同一 車道上前后車輛間的定向定位通信，而與左右方向車輛無(wú)通信，W確保前方信息傳遞的純 粹性。
[0022] 2)車輛位置數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)計(jì)算處理，分析得出車輛所在車道前方路況，最終得出車輛 最優(yōu)行車道、是否需要變道和改變車速等信息，指導(dǎo)駕駛員選擇正確的車道和車速，盡量避 免交通混亂造成嚴(yán)重交通堵塞，達(dá)到自行疏通交通的效果。
[0023] 所述基于ZigBee的車輛擁堵時(shí)動(dòng)態(tài)無(wú)線組網(wǎng)，其Zi濁ee協(xié)議在物理層兼容高可靠 的短距離無(wú)線通信協(xié)議IE邸802.11.5"ZigBee協(xié)議是一種短距離無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的控制協(xié) 議，主要用于傳輸控制信息，數(shù)據(jù)量相對(duì)來(lái)說(shuō)比較小，但是其可靠性高，ZigBee聯(lián)盟在制定 Zi濁ee規(guī)范時(shí)已經(jīng)考慮到數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中的內(nèi)在的不確定性，采取了一些措施來(lái)提高數(shù)據(jù) 傳輸?shù)目煽啃?，包?在物理層兼容高可靠的短距離無(wú)線通信協(xié)議IEEE802.il.5。同時(shí)使用 0QPSK和DSSS技術(shù);使用CSMA-CA技術(shù)來(lái)解決數(shù)據(jù)沖突問(wèn)題;使用16-bits CRC來(lái)確保數(shù)據(jù)的 正確性;使用帶應(yīng)答的數(shù)據(jù)傳輸方式來(lái)確保數(shù)據(jù)正確的傳輸目的地址;采用星形網(wǎng)絡(luò)盡量 保證數(shù)據(jù)可W沿著不同的傳輸路徑從源地址到達(dá)目的地址。同時(shí)，ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)具 有成本低、功耗低等特點(diǎn)。
[0024] 本發(fā)明建立了面向車輛擁堵疏導(dǎo)的車載終端人機(jī)接口技術(shù)：
[0025] 人機(jī)接口技術(shù)主要解決對(duì)駕駛員的引導(dǎo)作用。本專利主要研究基于Zi濁ee的智能 車載終端，選用ARM微處理器與獨(dú)立的射頻忍片相結(jié)合的方案完成終端的數(shù)據(jù)采集與收發(fā)。 本車載終端設(shè)備的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)的功能包括：
[00%] 1)車載終端不僅能夠通過(guò)串口與車輛上的動(dòng)點(diǎn)進(jìn)行通訊，并且通過(guò)車載Zigbee無(wú) 線通信模塊間的數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)與前車車輛的通訊。
[0027] 2)車載終端具有友好的圖形界面，便于人機(jī)交互，并且能夠通過(guò)有關(guān)設(shè)備快速實(shí) 時(shí)地獲取當(dāng)前車輛狀態(tài)W及環(huán)境參數(shù)。
[00%] 3)車載終端可實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音播報(bào)功能，給駕駛員提供正確有用的建議信息。
[0029] 所述車流擁堵中車輛群