CN104464317B

CN104464317B - 高速公路入口匝道合流区引导控制***和方法

Info

Publication number: CN104464317B
Application number: CN201410724696.2A
Authority: CN
Inventors: 张存保; 常骐运; 严新平; 夏银霞
Original assignee: Wuhan University of Technology WUT
Current assignee: Wuhan University of Technology WUT
Priority date: 2014-12-03
Filing date: 2014-12-03
Publication date: 2016-05-11
Anticipated expiration: 2034-12-03
Also published as: CN104464317A

Abstract

本发明提供一种高速公路入口匝道合流区引导控制***及方法，包括智能车载设备和路侧汇入引导控制器，路侧汇入引导控制器安装在高速公路外侧距离匝道接入点一定距离范围内，该一定距离为预设值；智能车载设备包括车辆信息采集模块、车载端无线通信模块和信息显示模块；路侧汇入引导控制器包括：路侧端无线通信模块和智能分析模块。通过采用本发明***及方法，能够快速有效地对合流区交通状态进行采集和分析，对主路以及合流区车辆进行智能引导，避免交通事故的发生，提高高速公路交通效率和安全性。

Description

高速公路入口匝道合流区引导控制***和方法

技术领域

本发明属于智能交通安全控制领域，具体涉及高速公路入口匝道合流区引导控制***和方法。

背景技术

在高速公路入口匝道合流区，匝道车辆先在加速车道上加速行驶，同时寻找主线最外侧车道上的可汇入空档。当出现可汇入空档时，车辆进行合流操作，进入高速公路最外侧车道。由于匝道汇入车辆对主线行驶车辆存在一定的干扰，容易导致追尾、擦碰等交通事故。导致高速公路合流区事故多发的原因主要包括：

一、由于车辆合流引起主线车辆位置和速度的重新调整，一旦不满足行车的安全距离，就会引起主线跟驰行车风险。

二、合流车辆的安全间距过小，容易引起匝道车辆跟驰行车风险。

三、主路车流量大时，匝道车辆在加速车道上难以汇入，甚至行驶到加速车道末端也未能找到合适的汇入间隙，此时车辆可能采取强制性汇入，从而导致汇入车辆与主路车辆有碰撞或侧擦风险。

针对上述问题，现有的高速公路合流区多采用对汇入车辆预警的方式，降低其汇入风险。国内专利《高速公路入口匝道合流区智能安全预警控制方法》(申请号：201010219558.0)提出了一种匝道预警方法，本方法可以快速有效地对合流区实际交通状况进行采集和分析，对即将进入合流区车辆进行实时动态预警，但其采用路侧安装的显示屏进行预警提示，已驶过显示屏的车辆无法获取新的预警信息，且无法针对单个车辆进行精准的汇入引导控制。

近年来，随着无线通信、自动控制、传感检测等技术的发展，车路协同***逐渐兴起并成为智能交通领域的研究热点。车路协同***是指基于无线通信、传感探测等技术获取车辆和道路信息，通过车车、车路通信进行信息交互和共享，实现车辆与基础设施之间智能协同与配合，达到优化利用***资源、提高道路交通安全、缓解交通拥堵的目标。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种高速公路入口匝道合流区引导控制***和方法，能够提高高速公路交通效率和安全性。

本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种高速公路入口匝道合流区引导控制***，其特征在于：它包括智能车载设备和路侧汇入引导控制器，路侧汇入引导控制器安装在高速公路外侧距离匝道接入点一定距离范围内，该一定距离为预设值；其中

智能车载设备包括：车辆信息采集模块，用于获取本车车辆的实时状态信息；车载端无线通信模块，用于将本车车辆的实时状态信息发送给路侧汇入引导控制器，并接收路侧汇入引导控制器发送的实时引导信息；信息显示模块，用于显示实时引导信息以及本车车辆的实时状态信息；

路侧汇入引导控制器包括：路侧端无线通信模块，用于接收匝道区域和主路上游一定距离至合流区末端范围内车辆的实时状态信息，并将实时引导信息发送给指定的智能车载设备；智能分析模块，用于根据接收的所有车辆的实时状态信息，分析并确定匝道入口车辆的汇入方案，形成针对各车辆的实时引导信息。

按上述***，所述的智能分析模块包括：

第一车头时距判断模块，用于搜索主路最外侧车道上游一定距离至合流区末端范围内车辆是否存在满足匝道入口车辆汇入要求的车头时距，得出以下三种情况中的一种：存在满足要求的车头时距且前车速度大于后车速度；存在满足要求的车头时距且前车速度小于后车速度；不存在满足要求的车头时距；

第一引导策略模块，用于当存在满足要求的车头时距且前车速度大于后车速度时，以匝道接入点为基准，按照由近及远原则，依次选取满足汇入要求的车头时距，记前车为车辆i，后车为车辆i+1；判断若车辆i和车辆i+1保持当前状态行驶，匝道入口车辆X能否从两车之间完成汇入，若能，则指引车辆i与车辆i+1保持当前状态行驶，匝道入口车辆X从匝道进入加速车道，加速至与车辆i+1速度一致后从车辆i与车辆i+1之间的空档汇入；

第二引导策略模块，用于当存在满足要求的车头时距且前车速度小于后车速度时，以匝道接入点为基准，按照由近及远原则，依次选取满足汇入要求的车头时距，记前车为车辆i，后车为车辆i+1；判断后车以预设的减速度减速至与车辆i速度相同后，两车的车头时距是否满足汇入要求，若能则判断匝道入口车辆X是否能从两车之间汇入，若能，则引导车辆i保持当前车速行驶，车辆i+1以预设的减速度减速至与车辆i相同的速度，匝道入口车辆X加速到与车辆i+1相同速度后从两车之间的空档汇入；

第二车头时距判断模块，用于当不存在满足要求的车头时距、或第一、第二引导策略模块均不能满足时，则按照从大到小的顺序依次选取主路最外侧车道各车辆间的车头时距，判断在前车加速至最高限速值、后车减速至最低限速值时，能否使该车头时距满足匝道入口车辆汇入所要求的车头时距；

第三引导策略模块，用于在前车加速至最高限速值、后车减速至最低限速值时，且该车头时距满足匝道入口车辆汇入所要求的车头时距时，判断匝道入口车辆能否以一个加速度加速后从两车之间的空档安全汇入主路，该加速度为根据前车和后车的实际情况计算得到，若可以则引导前车加速至最高限速值，后车减速至最低限速值，匝道入口车辆以该计算得到的加速度加速到中间速度后从两车之间的空档汇入；

第四引导策略模块，用于在前车加速至最高限速值、后车减速至最低限速值时，且该车头时距无法满足匝道入口车辆汇入所要求的车头时距时，或者在前车加速至最高限速值、后车减速至最低限速值时，且该车头时距满足匝道入口车辆汇入所要求的车头时距，但匝道入口车辆无法以一个加速度加速后从两车之间的空档安全汇入主路，该加速度为根据前车和后车的实际情况计算得到，那么对行驶在主路最外侧车道的车辆，判断其左侧相邻车道上是否有车头间距大于间隙设定值的间隙，若存在，则引导该车变道至左侧车道，为匝道入口车辆留出更大的汇入间隙，并交由第一车头时距判断模块重新分析；若不存在间隙设定值的间隙，则引导匝道入口车辆减速行驶，过一段时间后交由第一车头时距判断模块重新分析，该一段时间为设定值。

一种高速公路入口匝道合流区引导控制方法，其特征在于：它包括以下步骤：

S1、搜索主路最外侧车道上游一定距离至合流区末端范围内车辆是否存在满足匝道入口车辆汇入要求的车头时距，得出以下三种情况中的一种：存在满足要求的车头时距且前车速度大于后车速度；存在满足要求的车头时距且前车速度小于后车速度；不存在满足要求的车头时距；

S2、当存在满足要求的车头时距且前车速度大于后车速度时，以匝道接入点为基准，按照由近及远原则，依次选取满足汇入要求的车头时距，记前车为车辆i，后车为车辆i+1；判断若车辆i和车辆i+1保持当前状态行驶，匝道入口车辆X能否从两车之间完成汇入，若能，则指引车辆i与车辆i+1保持当前状态行驶，匝道入口车辆X从匝道进入加速车道，加速至与车辆i+1速度一致后从车辆i与车辆i+1之间的空档汇入；

S3、当存在满足要求的车头时距且前车速度小于后车速度时，以匝道接入点为基准，按照由近及远原则，依次选取满足汇入要求的车头时距，记前车为车辆i，后车为车辆i+1；判断后车以预设的减速度减速至与车辆i速度相同后，两车的车头时距是否满足汇入要求，若能则判断匝道入口车辆X是否能从两车之间汇入，若能，则引导车辆i保持当前车速行驶，车辆i+1以预设的减速度减速至与车辆i相同的速度，匝道入口车辆X加速到与车辆i+1相同速度后从两车之间的空档汇入；

S4、当不存在满足要求的车头时距、或S2和S3均不能满足时，则按照从大到小的顺序依次选取主路最外侧车道各车辆间的车头时距，判断在前车加速至最高限速值、后车减速至最低限速值时，能否使该车头时距满足匝道入口车辆汇入所要求的车头时距；

S5、在前车加速至最高限速值、后车减速至最低限速值时，且该车头时距满足匝道入口车辆汇入所要求的车头时距时，判断匝道入口车辆能否以一个加速度加速后从两车之间的空档安全汇入主路，该加速度为根据前车和后车的实际情况计算得到，若可以则引导前车加速至最高限速值，后车减速至最低限速值，匝道入口车辆以该计算得到的加速度加速到中间速度后从两车之间的空档汇入；

S6、在前车加速至最高限速值、后车减速至最低限速值时，且该车头时距无法满足匝道入口车辆汇入所要求的车头时距时，或者在前车加速至最高限速值、后车减速至最低限速值时，且该车头时距满足匝道入口车辆汇入所要求的车头时距，但匝道入口车辆无法以一个加速度加速后从两车之间的空档安全汇入主路，该加速度为根据前车和后车的实际情况计算得到，那么对行驶在主路最外侧车道的车辆，判断其左侧相邻车道上是否有车头间距大于间隙设定值的间隙，若存在，则引导该车变道至左侧车道，为匝道入口车辆留出更大的汇入间隙，并返回S1；若不存在间隙设定值的间隙，则引导匝道入口车辆减速行驶，过一段时间后交返回S1，该一段时间为设定值。

按上述方法，所述的S2判断若车辆i和车辆i+1保持当前状态行驶，匝道入口车辆X能否从两车之间完成汇入，即判断t_i≤t_x≤t_i+1是否成立，其中 t_i为车辆i行驶到汇入位置所需时间，t_i+1为车辆i+1行驶到汇入位置所需时间，t_x为匝道入口车辆X行驶到汇入位置所需时间，V_i为车辆i的当前车速，V_i+1为车辆i+1的当前车速，S_汇为匝道鼻端到汇入位置的距离，V_x为匝道入口车辆X的当前速度，S_i为车辆i当前位置到匝道鼻端距离，S_i+1为车辆i+1当前位置到匝道鼻端距离，S_x为匝道入口车辆当前位置到匝道鼻端距离，a_x为匝道入口车辆在加速车道上的加速度；

若存在车辆i与车辆i+1使t_i≤t_x≤t_i+1成立，取最小i值，即选取离匝道接入点最近的汇入空档，令

t_{x} = \frac{t_{i} + t_{i + 1}}{2},

则

a_{x} = \frac{(V_{i + 1}^{2} - V_{x}^{2}) (\frac{4}{V_{i + 1} + V_{x}} - \frac{1}{V_{i}} - \frac{1}{V_{i + 1}})}{2 (\frac{S_{i}}{V_{i}} + \frac{S_{i + 1}}{V_{i + 1}} - \frac{2 S_{x}}{V_{x}})},

指引车辆i与车辆i+1保持当前状态行驶，匝道入口车辆X从匝道进入加速车道，以加速度a_x加速至与车辆i+1速度一致后从车辆i与车辆i+1之间的空档汇入。

本发明的有益效果为：通过采用本发明***及方法，能够快速有效地对合流区交通状态进行采集和分析，对主路以及合流区车辆进行智能引导，避免交通事故的发生，提高高速公路交通效率和安全性。

附图说明

图1为本发明一实施例中高速公路匝道合流区监控区域示意图。

图2为本发明一实施例的***工作流程图。

具体实施方式

下面结合具体实例和附图对本发明作进一步说明。

本发明提供的一种高速公路入口匝道合流区引导控制***，包括智能车载设备和路侧汇入引导控制器，路侧汇入引导控制器安装在高速公路外侧距离匝道接入点一定距离范围内(该一定距离为预设值，通常取较近的范围，例如30-100米左右，本实施例取50米)，如图1所示；其中

所述的智能分析模块包括：

基于上述***，本发明还提供一种高速公路入口匝道合流区引导控制方法，如图2所示，包括以下步骤：

S1、搜索主路最外侧车道上游一定距离至合流区末端范围内(本实施例中取1000米的距离)车辆是否存在满足匝道入口车辆汇入要求的车头时距，得出以下三种情况中的一种：存在满足要求的车头时距且前车速度大于后车速度；存在满足要求的车头时距且前车速度小于后车速度；不存在满足要求的车头时距。

记T为满足汇入要求的最小车头时距，T取值为：大型车8s，中型车6s，小型车4s；i为监测区域内主路外侧车道上车辆序号，记前车为车辆i，后车为车辆i+1，当两车的车头时距t_i，i+1>T时，即存在，且V_i+1≤V_i，执行S2；当存在t_i，i+1>T时，且V_i+1>V_i，执行S3；若不存在t_i，i+1>T，执行S4。其中t_i,i+1为监测区域内主路最外侧车道上车i与车i+1的车头时距，S_i+1为车i+1距离入口匝道鼻端的距离，S_i为车i距离入口匝道鼻端的距离，V_i+1为车i+1的当前速度。

S2、当存在满足要求的车头时距且前车速度大于后车速度时，以匝道接入点为基准，按照由近及远原则，依次选取满足汇入要求的车头时距，记前车为车辆i，后车为车辆i+1；判断若车辆i和车辆i+1保持当前状态行驶，匝道入口车辆X能否从两车之间完成汇入，若能，则指引车辆i与车辆i+1保持当前状态行驶，匝道入口车辆X从匝道进入加速车道，加速至与车辆i+1速度一致后从车辆i与车辆i+1之间的空档汇入。

判断若车辆i和车辆i+1保持当前状态行驶，匝道入口车辆X能否从两车之间完成汇入，即判断t_i≤t_x≤t_i+1是否成立，其中 t_i为车辆i行驶到汇入位置所需时间，t_i+1为车辆i+1行驶到汇入位置所需时间，t_x为匝道入口车辆X行驶到汇入位置所需时间，V_i为车辆i的当前车速，V_i+1为车辆i+1的当前车速，S_汇为匝道鼻端到汇入位置的距离，V_x为匝道入口车辆X的当前速度，S_i为车辆i当前位置到匝道鼻端距离，S_i+1为车辆i+1当前位置到匝道鼻端距离，S_x为匝道入口车辆当前位置到匝道鼻端距离，a_x为匝道入口车辆在加速车道上的加速度；

t_{x} = \frac{t_{i} + t_{i + 1}}{2},

则

a_{x} = \frac{(V_{i + 1}^{2} - V_{x}^{2}) (\frac{4}{V_{i + 1} + V_{x}} - \frac{1}{V_{i}} - \frac{1}{V_{i + 1}})}{2 (\frac{S_{i}}{V_{i}} + \frac{S_{i + 1}}{V_{i + 1}} - \frac{2 S_{x}}{V_{x}})},

若t_i≤t_x≤t_i+1均不成立，即各间隙均不满足要求，执行S4。

S3、当存在满足要求的车头时距且前车速度小于后车速度时，以匝道接入点为基准，按照由近及远原则，依次选取满足汇入要求的车头时距，记前车为车辆i，后车为车辆i+1；判断后车以预设的减速度(本实施例选取1.0m/s²的减速度)减速至与车辆i速度相同后，两车的车头时距是否满足汇入要求，若能则判断匝道入口车辆X是否能从两车之间汇入，若能，则引导车辆i保持当前车速行驶，车辆i+1以预设的减速度减速至与车辆i相同的速度，匝道入口车辆X加速到与车辆i+1相同速度后从两车之间的空档汇入。

判断匝道入口车辆X是否能从两车之间汇入的方法为：对满足要求的车头时距，因V_i+1≥V_i，当车辆i+1以1.0m/s²的减速度减至与车辆i相同速度后，匝道入口车辆是否能从两车之间汇入，即判断t_i≤t_x≤t_i+1是否成立，其中

若存在车辆i与车辆i+1使t_i≤t_x≤t_i+1成立，取最小i值(即选取离匝道接入点最近的汇入空档)，令

t_{x} = \frac{t_{i} + t_{i + 1}}{2},

则

a_{x} = \frac{(V_{i}^{2} - V_{x}^{2}) (\frac{2}{V_{i} + V_{x}} - \frac{1}{V_{i}})}{\frac{S_{i}}{V_{i}} + V_{i + 1} - V_{i} + \frac{S_{i + 1} - \frac{V_{i + 1}^{2} - V_{i}^{2}}{2}}{V_{i}} - \frac{2 S_{x}}{V_{x}}},

得到匝道入口车辆汇入指引方案：车辆i保持速度匀速行驶，车辆i+1以1m/s²的减速度减速至V_i，匝道入口车辆从匝道进入加速车道后以加速度a_x加速到V_i后从两车之间的空档汇入；

若t_i≤t_x≤t_i+1均不成立，即各间隙均不能安全汇入，执行S4。

S4、当不存在满足要求的车头时距、或S2和S3均不能满足时，则按照从大到小的顺序依次选取主路最外侧车道各车辆间的车头时距，判断在前车加速至最高限速值、后车减速至最低限速值时，能否使该车头时距满足匝道入口车辆汇入所要求的车头时距。

判断方法为：计算前、后车的车速调整后的车头时距

其中S_i,i+1为车i与车i+1在当前状态下的车头间距，a_i与a_i+1分别是车辆i与车辆i+1加速度或减速度，V_max与V_min分别为当前车道的最高限速值和最低限速值。

S5、在前车加速至最高限速值、后车减速至最低限速值时，且该车头时距满足匝道入口车辆汇入所要求的车头时距时，判断匝道入口车辆能否以一个加速度加速后从两车之间的空档安全汇入主路，该加速度为根据前车和后车的实际情况计算得到，若可以则引导前车加速至最高限速值，后车减速至最低限速值，匝道入口车辆以该计算得到的加速度加速到中间速度后从两车之间的空档汇入。

即判断t_i≤t_x≤t_i+1是否成立，其中

若存在车i与车i+1使t_i≤t_x≤t_i+1成立，取最小i值，令可得a_x，即得到匝道车辆汇入引导方案：引导前车加速至最高限速值，后车减速至最低限速值，匝道车辆以加速度a_x加速到后从两车之间的空档汇入。

S6、在前车加速至最高限速值、后车减速至最低限速值时，且该车头时距无法满足匝道入口车辆汇入所要求的车头时距时，或者在前车加速至最高限速值、后车减速至最低限速值时，且该车头时距满足匝道入口车辆汇入所要求的车头时距，但匝道入口车辆无法以一个加速度加速后从两车之间的空档安全汇入主路，该加速度为根据前车和后车的实际情况计算得到，那么对行驶在主路最外侧车道的车辆，判断其左侧相邻车道上是否有车头间距大于间隙设定值(本实施例取150米)的间隙，若存在，则引导该车变道至左侧车道，为匝道入口车辆留出更大的汇入间隙，并返回S1；若不存在间隙设定值的间隙，则引导匝道入口车辆减速行驶，过一段时间后交返回S1，该一段时间为设定值，本实施例取3秒。

以上实施例仅用于说明本发明的计算思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种高速公路入口匝道合流区引导控制***，其特征在于：它包括智能车载设备和路侧汇入引导控制器，路侧汇入引导控制器安装在高速公路外侧距离匝道接入点一定距离范围内，该一定距离为预设值；其中

2.根据权利要求1所述的一种高速公路入口匝道合流区引导控制***，其特征在于：所述的智能分析模块包括：

第四引导策略模块，用于在前车加速至最高限速值、后车减速至最低限速值时，且该车头时距无法满足匝道入口车辆汇入所要求的车头时距时，或者在前车加速至最高限速值、后车减速至最低限速值时，且该车头时距满足匝道入口车辆汇入所要求的车头时距，但匝道入口车辆无法以一个加速度加速后从两车之间的空档安全汇入主路，该加速度为根据前车和后车的实际情况计算得到，那么对行驶在主路最外侧车道的车辆，判断其左侧相邻车道上是否有车头间距大于间隙设定值的间隙，若存在车头间距大于间隙设定值的间隙，则引导该车变道至左侧车道，为匝道入口车辆留出更大的汇入间隙，并交由第一车头时距判断模块重新分析；若不存在车头间距大于间隙设定值的间隙，则引导匝道入口车辆减速行驶，过一段时间后交由第一车头时距判断模块重新分析，该一段时间为设定值。

3.一种高速公路入口匝道合流区引导控制方法，其特征在于：它包括以下步骤：

S6、在前车加速至最高限速值、后车减速至最低限速值时，且该车头时距无法满足匝道入口车辆汇入所要求的车头时距时，或者在前车加速至最高限速值、后车减速至最低限速值时，且该车头时距满足匝道入口车辆汇入所要求的车头时距，但匝道入口车辆无法以一个加速度加速后从两车之间的空档安全汇入主路，该加速度为根据前车和后车的实际情况计算得到，那么对行驶在主路最外侧车道的车辆，判断其左侧相邻车道上是否有车头间距大于间隙设定值的间隙，若存在车头间距大于间隙设定值的间隙，则引导该车变道至左侧车道，为匝道入口车辆留出更大的汇入间隙，并返回S1；若不存在车头间距大于间隙设定值的间隙，则引导匝道入口车辆减速行驶，过一段时间后交返回S1，该一段时间为设定值。

4.根据权利要求3所述的高速公路入口匝道合流区引导控制方法，其特征在于：所述的S2判断若车辆i和车辆i+1保持当前状态行驶，匝道入口车辆X能否从两车之间完成汇入，即判断t_i≤t_x≤t_i+1是否成立，其中 t_i为车辆i行驶到汇入位置所需时间，t_i+1为车辆i+1行驶到汇入位置所需时间，t_x为匝道入口车辆X行驶到汇入位置所需时间，V_i为车辆i的当前车速，V_i+1为车辆i+1的当前车速，S_汇为匝道鼻端到汇入位置的距离，V_x为匝道入口车辆X的当前速度，S_i为车辆i当前位置到匝道鼻端距离，S_i+1为车辆i+1当前位置到匝道鼻端距离，S_x为匝道入口车辆当前位置到匝道鼻端距离，a_x为匝道入口车辆在加速车道上的加速度；

若存在车辆i与车辆i+1使t_i≤t_x≤t_i+1成立，取最小i值，即选取离匝道接入点最近的汇入空档，令则指引车辆i与车辆i+1保持当前状态行驶，匝道入口车辆X从匝道进入加速车道，以加速度a_x加速至与车辆i+1速度一致后从车辆i与车辆i+1之间的空档汇入。