本發(fā)明屬于交通流控制領域，具體涉及一種車聯網環(huán)境下跟馳交通流特性建模方法。

背景技術：

隨著經濟的發(fā)展，機動車的數量不斷增加，但交通基礎設施卻因為種種原因而難以滿足車輛對道路容量的需求，由此產生的交通擁堵、環(huán)境污染和交通安全問題日益嚴重。

伴隨著信息和通信技術的飛速發(fā)展，借助一系列無線通訊技術，來實現人、車、路信息互聯和互享的車聯網技術逐漸普及，該技術能夠提高整個車流中車輛的協同性，緩解并抑制交通，提高安全性。跟馳模型是伴隨著交通流理論而發(fā)展起來的，同時也對交通流理論進行了完善和補充。因為聯網車的普及需要一個過程，所以在不同的車聯網滲透率下，車輛跟馳交通流的特性會呈現出不同的特征。akesting等人2006年公開發(fā)表論文“jam-avoidingadaptivecruisecontrol(acc)anditsimpactontrafficdynamics”(proceedingsoftrafficandgranularflow,05,pp.633-643)。該論文通過仿真模擬得出結論：如果acc車輛在交通流中所占比例為10％，由擁堵造成的時間延遲會縮短80％以上，當acc車輛比例占20％時，交通系統(tǒng)中的堵塞則都會消散。然而，上述仿真參數的設定，多基于假設，且研究過程中并未在數學上推導證明。2012年史忠科等人公開發(fā)明專利《考慮多車的ovdm交通流跟馳模型穩(wěn)定性建模方法》(申請公布號：cn102800193a)，該發(fā)明專利公開了一種考慮多車的ovdm交通流跟馳模型穩(wěn)定性建模方法，用于解決現有的ovdm微觀交通流跟馳模型對its環(huán)境適應性差的技術問題。不過，該發(fā)明的技術方案中并未涉及新提出的模型與原普通車模型混合狀態(tài)下的交通流特性。atalebpour等人在《transportationresearchpartc：emergingtechnologies》發(fā)表論文“influenceofconnectedandautonomousvehiclesontrafficflowstabilityandthroughput”(2016,71:143-163)，推導出普通車和聯網車混合跟馳車流的線性穩(wěn)定條件。對聯網車跟馳模型建模時，采用智能駕駛員模型，模型中雖未考慮多前車運行信息，而這些信息在車輛網環(huán)境下均是可獲知的，并且有利于改善交通流的穩(wěn)定性。

上述對車聯網環(huán)境下跟馳行為交通流特性的分析，均未系統(tǒng)地推導并仿真驗證普通車和聯網車各自組成的單一跟馳交通流特性以及不同車聯網滲透率下的混合交通流特性，且缺乏用實測交通數據對模型進行標定，因此會有仿真結果的可信度不高等問題。

技術實現要素：

本發(fā)明的目的在于針對上述現有技術中的問題，提供一種車聯網環(huán)境下跟馳交通流特性建模方法，該方法能夠為車聯網逐漸普及過程中的交通控制以及駕駛策略的設計提供基本依據，從而提高交通流的穩(wěn)定性，有效緩解交通擁堵。

為了實現上述目的，本發(fā)明采用的技術方案包括以下步驟：

1)以全速度差車輛跟馳模型作為普通車微觀跟馳交通流模型進行建模；

上式中，α是駕駛員的反應敏感系數，vn(t)為車輛n在t時刻的速度，δxn(t)＝xn+1(t)-xn(t)為車頭間距，δvn(t)＝vn+1(t)-vn(t)為前后車之間的相對速度，λ為對相對速度刺激的敏感系數，v(·)表示最優(yōu)速度函數；

2)聯網車跟馳行為建模；

上式中，m為考慮的多前車數量，δan(t)＝an+1(t)-an(t)為前后車之間的相對加速度；

最優(yōu)速度函數為：

上式中，vov(·)為傳統(tǒng)的ov函數，λ和κ分別為對速度差和加速度差的敏感系數，和ξi分別為對應的速度差和車頭間距權重系數；

3)普通車跟馳模型穩(wěn)定性分析；

根據普通車微觀跟馳交通流模型繪制(δx,a)的二維相平面圖，并且根據模型的線性穩(wěn)定性條件和非線性穩(wěn)定條件，再繪制出模型穩(wěn)定、不穩(wěn)定以及亞穩(wěn)定區(qū)域的分界線；

4)聯網車跟馳模型穩(wěn)定性分析；

按照步驟3)相同的方法，獲得聯網車跟馳模型交通流的穩(wěn)定、亞穩(wěn)定以及不穩(wěn)定區(qū)域；

5)混合交通流穩(wěn)定性分析；

6)分別對普通車跟馳模型和聯網車跟馳模型進行參數標定；

7)使用參數標定后的模型對不同車聯網滲透率下的混合交通流進行仿真驗證。

所述的ov函數選擇helbing和tilch對ov模型用實測數據進行參數辨識得到：

v(δxn(t))＝v1+v2tanh[c1(δxn(t)-lc)-c2]。

所述的步驟3)根據模型的線性穩(wěn)定性條件繪制出交通流中性穩(wěn)定曲線，根據非線性穩(wěn)定條件繪制出共存曲線；(δx,a)的二維相平面圖被劃分為三個區(qū)域，所述的中性穩(wěn)定曲線以下為不穩(wěn)定區(qū)域，共存曲線以上為穩(wěn)定區(qū)域，中性穩(wěn)定曲線和共存曲線之間為亞穩(wěn)定區(qū)域。

所述的步驟5)根據混合交通流穩(wěn)定性判定條件：若則交通流不穩(wěn)定；式中，n代表不同的車型，

所述的步驟6)對普通車跟馳模型使用美國聯邦公路管理局ngsim項目的車輛軌跡數據進行參數標定；對聯網車跟馳模型使用密歇根大學安娜堡分校的mcity數據進行參數標定。

所述的步驟7)分別對混合交通流的啟動過程、停止過程以及演化過程進行仿真驗證。

a.啟動過程：仿真分析車隊在交通燈由黃燈變?yōu)榫G燈時的跟馳交通流特性；

b.停止過程：仿真分析跟馳車流在前方信號燈變?yōu)榧t燈時的車輛動態(tài)特性；

c.演化過程：仿真分析擾動在車流中的傳播特性。

與現有技術相比，本發(fā)明具有如下的有益效果：通過系統(tǒng)地分析普通車和聯網車構成的單一交通流特性，以及不同車聯網滲透率下的混合交通流特性，使本建模方法更符合車聯網普及推廣的實際情況。同時，用實測交通數據對所選定的普通車和聯網車跟馳模型參數進行標定，增加了交通仿真驗證結果的可信度。本發(fā)明方法能夠為車聯網逐漸普及過程中的交通控制及駕駛策略的設計提供基本依據，從而提高交通流的穩(wěn)定性，有效緩解交通擁堵。

附圖說明

圖1本發(fā)明方法的整體流程圖；

圖2本發(fā)明交通仿真場景示意圖；

具體實施方式

下面結合附圖對本發(fā)明做進一步的詳細說明。

選取典型的啟動、停止和演化交通場景來進行模擬。

1)選用全速度差車輛跟馳模型作為普通車微觀跟馳交通流模型：

式中，a是駕駛員的反應敏感系數，vn(t)為車輛n在t時刻的速度，δxn(t)＝xn+1(t)-xn(t)為車頭間距，δvn(t)＝vn+1(t)-vn(t)為前后車的相對速度，λ為對相對速度刺激的敏感系數。

v(·)表示最優(yōu)速度函數，在此選擇helbing和tilch對ov模型用實測數據進行參數辨識得到的ov函數：v(δxn(t))＝v1+v2tanh[c1(δxn(t)-lc)-c2]；

其中，車長lc＝5m，v1＝6.75m/s，v2＝7.91m/s，c1＝0.13m-1,c2＝1.57；

2)建立聯網車跟馳模型：

式中，m為考慮的多前車數量，δan(t)＝an+1(t)-an(t)為前后車的相對加速度。

最優(yōu)速度函數為：

其中，vov(·)為步驟1)中傳統(tǒng)的ov函數，λ和κ分別為對速度差和加速度差的敏感系數，和ξi則為對應的速度差和車頭間距權重系數。

3)根據普通車跟馳模型，繪制(δx,a)的二維相平面圖，并且根據模型的線性穩(wěn)定性條件繪制出交通流中性穩(wěn)定曲線、根據非線性穩(wěn)定條件繪制出共存曲線。

由此(δx,a)的二維相平面圖被劃分為三個區(qū)域，中性穩(wěn)定曲線以下為不穩(wěn)定區(qū)域、共存曲線以上為穩(wěn)定區(qū)域、中性穩(wěn)定曲線和共存曲線之間為亞穩(wěn)定區(qū)域。

4)采用步驟3)相同的方法，得出聯網車跟馳模型交通流的穩(wěn)定、亞穩(wěn)定及不穩(wěn)定區(qū)域。

5)分析普通車和聯網車構成的混合交通流穩(wěn)定性，研究在不同車聯網滲透率下的交通流特性。根據混合交通流穩(wěn)定性判定條件：

若則交通流不穩(wěn)定；

其中，n代表不同的車型，其它各項的定義為：

6)對于普通車使用美國聯邦公路管理局ngsim項目的車輛軌跡數據對跟馳模型進行參數標定，聯網車跟馳模型的參數標定使用密歇根大學安娜堡分校的mcity數據。

7)設置仿真驗證實驗。使用步驟6)標定后的模型對普通車和聯網車混合交通流下的啟動過程、停止過程以及演化過程進行仿真，仿真場景如圖2所示。

a.啟動過程：研究車隊在交通燈由黃燈變?yōu)榫G燈時的跟馳交通流特性。仿真環(huán)境設為初始時刻，10輛車排成一隊，每輛車的初始位置為xn(0)＝(n-1)d，其中n＝1，……，10，d＝7.4m，車輛處于靜止狀態(tài)，頭車的初始最優(yōu)速度設為vn(∞)＝14.66m·s^-1，跟隨車初始最優(yōu)速度設為：vn(7.4)＝0m·s^-1(n＝1,……，9)。同時，對于這一交通場景，在不同的聯網車滲透率下進行仿真，對比車聯網逐漸普及過程中，車隊啟動過程的交通流特性改變；

b.停止過程：研究跟馳車流在前方信號燈為紅燈時的車輛動態(tài)特性。仿真環(huán)境假設為在前方500米處為一紅燈，頭車的相對間距為δx10(0)＝500-x11，其他設置參照啟動過程。同樣，對比在不同車聯網滲透率情況下的車隊停止過程交通流特性。

c.演化過程：

仿真實驗設定周期邊界條件為：仿真場景道路的長度取l＝500m，車輛數目設定為n＝100，車輛以相同的車頭間距均勻地分布。給頭車施加小擾動，車輛初始條件如下：

x1(0)＝1m

xn(0)＝(n-1)l/n(n＝2,3,…,n)

vn(0)＝v(l/n)(n＝1,3,…,n)

若初始擾動隨時間推移，在車流中不斷被放大，則交通系統(tǒng)是不穩(wěn)定的，若擾動逐漸消散，則是穩(wěn)定的。此外，與啟動和停止過程的仿真相同，也要對比在不同車聯網滲透率情況下的演化過程車流特性。