CN112687115B - 一种自动驾驶行人接驳车行驶路径与路段过街控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自动驾驶行人接驳车行驶路径与路段过街控制方法，在未来自动驾驶环境的路段中，在路段两侧均匀地布设接驳车站点，为路侧行人提供有效的过街服务。第一，需确定路段的长度以及相邻接驳站点的最小间距等参数，之后确认自动驾驶接驳车的核载，平均速度和运行的数量等数据。通过采集接驳点位的相互距离与各个接驳点的过街行人数量，并运用对于接驳车载客量与到达时间的公式约束，为自动驾驶接驳车设计出最短并满足行人过街需求的行驶路径；并通过设置在接驳站的信号灯控制，以保证接驳车顺利过街。本发明主要服务在自动驾驶环境下的路段内的行人过街需求，为其提供高效、安全的过街方式。

Description

一种自动驾驶行人接驳车行驶路径与路段过街控制方法

技术领域

本发明属于智能交通控制领域，涉及在自动驾驶环境下城市交通路段中行人过街的调度控制，进一步地说，涉及一种自动驾驶行人接驳车行驶路径与路段过街控制方法。

背景技术

在未来自动驾驶环境下，自动驾驶车辆可通过车车通信相互协作，在路段与交叉口内协调通行，不受限于固定式基站的通信技术，即为道路上移动的车辆提供直接的一端到另一端的无线通信，车辆终端彼此直接交换无线信息，无需通过基站转发。但在大幅度提高通行效率的同时，却忽视了路段中行人过街的需求；若以现阶段的过街方式，如过街天桥和地下行人通道等这类交通设施，仍存在投资消耗大，施工周期长，后续维护等问题，而行人随意穿插过街将极大影响自动驾驶环境下的道路交通，严重增加路段内的车辆延误。当前大量的研究注重于自动驾驶车辆方案的设计，忽略了行人的过街需求，但行人过街需求在现实中仍是客观存在的问题。因此，未来在面向无人自动驾驶环境下，如何合理地利用交通控制对行人的过街需求做出妥善安排显得尤为重要。

因此，本发明在尽量减少对自动驾驶车辆的延误影响与行人及时过街的前提下，提出一种自动驾驶接驳车的行驶路径与路段过街控制方法，能够运用在自动驾驶环境的路段中，使路段中有过街需求的行人可通过在路段内分布的接驳点搭乘自动驾驶接驳车实现过街需求，在搭乘接驳车后，通过站点的信号灯对路段内的车辆进行管控，保证接驳车顺利横穿过街。本发明还能够根据行人过街的需求与站点间不同距离，综合后优化行人自动驾驶接驳车在路段内的运行路径。除此之外，若路段内同时存在多辆行人过街自动驾驶接驳车运行，在这种情况下为多辆行人过街自动驾驶接驳车设计运行路径，并精确至每辆行人过街自动驾驶接驳车在任一节点处的上下车人数、到达与离开时间调控，使得路段内运行的所有行人过街自动驾驶接驳车能够满足最大限度的行人过街需要。

发明内容

技术问题：面对现阶段自动驾驶研究领域的针对行人过街的不完全，本发明旨在为路段内行人过街提出一种自动驾驶接驳车的过街方法。为每个接驳点的有过街需求的行人提供服务，在自动驾驶环境下，有效组织行人的过街。因此在自动驾驶技术快速发展的时期，更需要对自动驾驶环境下行人过街的问题进行深入的研究，并通过建立交通控制模型获得自动驾驶接驳车的运行路径，使得所有自动驾驶接驳车的总运行时间最短。

技术方案：

为解决上述问题，本发明的一种自动驾驶行人接驳车行驶路径与路段过街控制方法包含以下步骤：

步骤1：收集自动驾驶接驳车的数量、位置、最大容量、行驶车速，采集各个接驳点位的位置及行人需求量，设置同侧相邻接驳点位的最小距离，包含如下步骤：

步骤11：采集路段长度和宽度、车道宽度；确定自动驾驶接驳车的基本参数，包括数量、位置、运行车速、最大容量，路段内运行的接驳车用p表示，且p∈Q，Q表示路段内运行的接驳车集合；设置M个自动驾驶接驳车的接驳点，每个接驳点用A_i表示，i∈{1，2，3，...，M}，以第一个接驳点A₁作为坐标原点得到所有接驳点位的坐标，每个接驳点的坐标为(x_i，y_i)，计算并获得所有接驳点之间的距离，获取每个点位运送行人的需求量；每个接驳点可供接驳车出发和到达，为进行区分，将每个接驳点按出发或到达分为出发停靠点或到达停靠点，则停靠点总数为2M个，停靠点用v表示，v∈{1，2，3，...，2M}，其中出发停靠点集合用O_v表示，其中O_v＝{1，2，3，...，M}，到达停靠点集合用D_v表示，D_v＝{M+1，M+2，M+3，...，2M}；A_i＝{i，M+i}，i∈{1，2，3，...，M}；

步骤12：设行人所能接受的绕行时间为t_p，单位为秒，行人在人行道上的步行速度为v_p，单位为米/秒，d表示行人在道路一侧所能接受的绕行距离，则d＝v_pt_p，因行人过街最不利位置是在相邻两个接驳站的正中间，因此，行人过街设施的间距一般不超过行人所能接受的绕行距离，如公式(1)所示：

I_min＝2d＝2·v_p·t_p (1)

I_min表示路段同一侧相邻接驳点的最小距离，单位为米；为确保站点的合理分布，路段中同侧任意的两个站点m，n距离不得过近，且坐标分别表示为(x_m，y_m)与(x_n，y_n)，同侧相邻接驳点的距离满足公式(2)的约束：

步骤2：为所有自动驾驶接驳车增设虚拟出发点和终点，对于任一接驳点位，确保有且仅有一辆自动驾驶接驳车经过该接驳点，包含如下步骤：

步骤21：设置0号接驳点作为虚拟始发车站，当自动驾驶接驳车的数量为1时，接驳车从始发站出发到达路段内的第一个接驳点，则设置第一个接驳点的停靠点为S_i；设置b_m，n，p为二元变量，表示判断第p辆车从m到n通过的路径是否为接驳车所经过路径，是则b_m，n，p＝1，否则b_m，n，p＝0；b_m，n，p满足公式(3)的约束：

此外，设置2M+1号点为虚拟终点车站，在完成所有过街需求后清空路段内的所有自动驾驶接驳车辆，即所有自动驾驶接驳车完成行人过街需求后，从路段内最后一个停靠站E_i出发，必须到达2M+1号终点车站停泊，需满足公式(4)的约束条件；

如果该路段的自动驾驶接驳车数量增加到2辆，其与第1辆的始发车站相同，从0号开始；不同于之前，第2辆车先到达路段内不同于第1辆车的停靠站，满足公式(5)的约束：

步骤22：设置b_m，n，p为二元变量，表示判断第p辆车从m到n通过的路径是否为接驳车经过路径，并且满足公式(6)的约束：

公式(6)表示自动驾驶接驳车要到达路段中所有接驳点位，能够为行人过街提供服务。二元变量b_m，n，p还应满足公式(7)的约束：

公式(7)中对每个接驳点位的到达与离开车辆进行约束，使其不会在接驳点位内一直停靠，保证整个***的流量守恒；

步骤3：建立自动驾驶接驳车在接驳点位到达时间、离开时间和载客数量的表达式，包含如下步骤：

步骤31：在行人过街自动驾驶接驳车从0号始发站出发，到达第一个接驳站5i后开始计时；为确保行人过街自动驾驶接驳车的顺利运行，需对整个路段所有运行的接驳车的行驶时刻施加限制；其中第p辆行人过街接驳车到达m节点的时刻可以用k_m，p表示，而离开m节点的时刻则用l_m，p来表示，如公式(8)所示：

公式(8)中F_m表示行人过街自动驾驶接驳车在节点m的停靠时间，包含乘客上下车的时间，t_u，t_d则代表单位乘客上下车所需时间，单位：秒/人，P_m表示为在m点上车的乘客数，K_m则为在m节点下车的乘客数，满足公式(9)-(10)的要求：

公式(10)表示接驳车到达n点的时间减去到达m的时间至少大于等于接驳车在节点m的停靠时间加m点和n点之间的行车时间以及车辆的固定时间损失；a_m，n，p则代表m点和n点之间的行车时间，b_m，n，p为二元变量，t_l代表在接驳点因车辆加减速产生的时间损失，X是一个极大的正数，确保公式在运算过程中顺利施加约束；

步骤32：对与路段运行中的自动驾驶接驳车的运载乘客数进行约束，设置g_min，m与g_max，m分别代表第p辆车在准备离开节点m的限制最小载客量与限制最大载客量：

公式(11)-(12)中，l_m表示在m节点的行人过街需求量，其在不同的停靠点位分别记录为正数和负数代表这一点位的上车与下车人数；R_p表示行人过街自动驾驶接驳车的核载容量；

第辆自动驾驶接驳车在准备离开m点的实际载客量设为g_m，p，满足公式(13)约束：

步骤4：以自动驾驶接驳车运行总时间最短建立目标函数，得出每辆自动驾驶接驳车的最佳运行路径，包含如下步骤：

步骤41：在所有行人过街接驳车的完成行人需求的前提下，建立行人过街自动驾驶接驳车的行驶时间函数5，如公式(14)所示：

获得行人过街接驳车的行驶时间后，以路段内接驳车运行总时间最短为目标，建立目标函数，如公式(15)所示：

步骤5：在每个接驳站的上游设置停车线和信号灯，通过信号控制保障接驳车的顺利过街，包含如下步骤：

步骤51：在路段内每个接驳站的来车上游方向设置信号灯与相应的停车线，停车线可为直线或斜线，但不能与接驳车的路径冲突，获得优化后的接驳车路径后，行人过街自动驾驶接驳车按照规划的路径运行；当接驳车在运行中需要过街运送行人时，接驳车在此站点上、下客完并关闭车门后，向路内交通设施发送过街请求，路段信号灯变为红灯且过往的车辆在停车线前停车，接驳车按照既定的运行路径过街；

步骤52：当自动驾驶接驳车完成过街到达下一站点后，信号灯调整为绿灯，路段内其余过往车辆正常通行。

有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：

本发明能根据采集的路段内行人的过街需求参数，在不同行人过街需求、接驳停靠点的分布下，以所有行人过街自动驾驶接驳车的总运行时间最短为目标，通过计算得出行人过街自动驾驶接驳车在满足所有乘客需求的最优行驶路径，并通过设置接驳点信号灯，管控路段内其余车辆，保证接驳车顺利横穿过街，提高行人过街自动驾驶接驳车的运行效率。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为路段内从A出发的所有可行路径图；

图3为根据实施例路段内单辆行人过街自动驾驶接驳车优化后路径示意图；

图4为根据实施例路段内单辆行人过街接驳点位信号灯控制设置示意图；

具体实施方式

结合图1-4和实施例，对于本发明在现实交通管控领域的实施进行详尽的描述，且本发明并不限制于此单一实例；其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所做的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围内。

一种自动驾驶行人接驳车行驶路径与路段过街控制方法，该方法的具体步骤如下：

步骤1：收集自动驾驶接驳车的数量、位置、最大容量、行驶车速，采集各个接驳点位的位置及行人需求量，设置同侧相邻接驳点位的最小距离；

步骤2：为所有自动驾驶接驳车增设虚拟出发点和终点，对于任一接驳点位，确保有且仅有一辆自动驾驶接驳车经过该接驳点；

步骤3：建立自动驾驶接驳车在接驳点位到达时间、离开时间和载客数量的表达式；

步骤4：以自动驾驶接驳车运行总时间最短建立目标函数，得出每辆自动驾驶接驳车的最佳运行路径；

步骤5：在每个接驳站设置信号灯，信号灯控制路段车辆停车，保证接驳车能够顺利横穿过街。

步骤1收集的信息作为设计的输入，步骤11，收集路段内各个接驳点位的信息，在本实施例中，此路段长630m，其中共分布8个接驳站点，每个接驳站点分为到达停靠点与出发停靠点，所以此实例中，共计16个停靠点位，并分别设置0号站点与17号站点作为始发站与终点站；同时，在运行过程中，为保证接驳车的有效运行，为同一侧道路上相邻的接驳点位设置最小间距，设行人为使用自动驾驶过街接驳车而到接驳站所能接受的绕行时间为t_p，设置t_p＝60s，行人在人行道上的步行速度为v_p，设为0.8s则行人在道路一侧所能接受的绕行距离则是d＝v_pt_p，所以且行人过街最不利位置是在相邻两个接驳站的正中间；因此，行人过街设施的间距一般不超过行人所能接受的绕行距离；即I_min＝2d＝96m道路一侧的接驳站点最小相邻间距为96m，够满足行人的基本过街需求；

步骤12自动驾驶接驳车的基本参数，在实施例中，单位乘客上车时间t_u设置为3s/人，而单位乘客下车时间t_d则设置为2s/人，t_l代表车辆在接驳站的固定损失时间，包含开关门和接驳车加减速时间，设为10s；设定整个运行过程中的接驳车平均速度为30km/h；a_m，n，p则表示第p辆自动驾驶接驳车从m接驳点出发到达n接驳点的行驶时间，且满足m∈O_v，n∈D_v，p∈Q；根据道路车道数、车道宽度和自动驾驶接驳车速度可以确定各个接驳点间所需要的行驶时间a_m，n，p；在此实施例中，路段内各个接驳点位置可以表示为：A₁(0，0)、A₂(70，28)、A₃(250，28)、A₄(198，0)、A₅(430，0)、A₆(400，28)、A₇(610，28)、A₈(630，0)。

步骤13，收集路段内各个接驳点内的行人过街需求，目前只考虑行人为过街才会乘坐自动驾驶接驳车，其中实施例行人过街需求分布为A₁→A₂为2人，A₂→A₁为3人，A₃→为3人，A₄→A₃为2人，A₅→A₆为4人，A₆→A₅为3人，A₇→A₈为4人，A₈→A₇为6人。

步骤2则根据实施例路段内行人过街自动驾驶接驳车的数量、核载，以及各个接驳点位的行人需求，利用对接驳车的时间、载客量以及对行人过街需求的公式约束。根据步骤1-步骤4的公式(1)-(16)，便可计算得出此接驳车在路段内的优化后行驶路径，并可得出计算后的接驳站在各个点位的到达时间与承载人数，每辆接驳车的核载R_p设定为16人，其最佳行驶路径下的各个接驳点的载客量如表1所示：

表1实施例路段中单辆限核载的接驳车的行驶路径、到达时间与载客量

接驳车行驶路径	1-2	2-9	9-4	4-3	3-12	12-10	10-11	11-6
									载客量	2	5	2	4	7	4	2	0
时间	0	24	51	87	109	134	163	195
									接驳车行驶路径	6-5	5-14	14-8	8-7	7-16	16-13	13-15	15-17
载客量	3	7	3	9	13	9	6	0
									时间	224	251	281	322	356	384	422	456

在路段内的行人过街自动驾驶接驳车的数量增加至2，两辆接驳车通过约束公式(1)-(15)，即可得出相对应的行驶路径，以满足路段内所有行人的需求，如表2所示：

表2实施例路段中1号接驳车的行驶路径、载客量和到达时间

1号接驳车行驶路径	1-2	2-9	9-4	4-10	10-12	12-17
							载客量	2	5	2	4	2	0
时间	0	24	51	87	116	143

表3实施例路段中2号接驳车的行驶路径、载客量和到达时间

2号接驳车行驶路径	3-6	6-7	7-8	8-15	15-5	5-14	14-11	11-13	13-16	16-17
											载客量	3	6	10	16	10	14	10	8	5	0
时间	0	34	74	102	136	170	200	233	265	301

步骤3在每个接驳站的来车上游方向设置信号灯，根据已经获得的最短时间满足乘客过节需求的路径，行人过街自动驾驶接驳车按照规划后的路径行驶。在站点接送乘客后，按照路径行驶并需要横穿过街，则本站点与接驳车即将驶向的下一站点的信号灯由绿灯转为3秒的黄灯，之后转变为红灯，示意后方来车在停车线前驻车等待，可以形成专门为接驳车提供横穿过街的虚拟过街道路；之后，接驳车便可顺利完成横穿过街。按照预先获得的路径行驶，完成横穿过街后，这两个站点的信号灯由红灯变回绿灯。

而在本实施例路段内一辆运行的接驳车状态下，每辆接驳车的核载R_p设定为16人，并在最佳行驶路径下，相应的站点红灯启亮时刻如表4所示：

表4实施例中路段单辆接驳车在获得行驶路径后规定的接驳站红灯启亮时刻

对应接驳站点	1-2	2-9	9-4	4-3	3-12	12-10	10-11	11-6
									红灯启亮时刻	16	43	0	103	128	150	0	0
对应接驳站点	6-5	5-14	14-8	8-7	7-16	16-13	13-15	15-17
									红灯启亮时刻	240	273	299	350	378	0	438	0

*红灯启亮时刻为0则代表接驳车路径不会横穿过街或接驳车返回终点站。

Claims (2)

1.一种自动驾驶行人接驳车行驶路径与路段过街控制方法，其特征在于，该方法的具体步骤如下：

步骤1：收集自动驾驶接驳车的数量、位置、最大容量、行驶车速，采集各个接驳点位的位置及行人需求量，设置同侧相邻接驳点位的最小距离；

步骤2：为所有自动驾驶接驳车增设虚拟出发点和终点，对于任一接驳点位，确保有且仅有一辆自动驾驶接驳车经过该接驳点；

步骤3：建立自动驾驶接驳车在接驳点位到达时间、离开时间和载客数量的表达式；

步骤4：以自动驾驶接驳车运行总时间最短建立目标函数，得出每辆自动驾驶接驳车的最佳运行路径；

步骤5：在每个接驳站的上游设置停车线和信号灯，通过信号控制保障接驳车的顺利过街；所述的步骤1，包含以下的步骤：

步骤11：采集路段长度和宽度、车道宽度；确定自动驾驶接驳车的基本参数，包括数量、位置、运行车速、最大容量，路段内运行的接驳车用p表示，且p∈Q，Q表示路段内运行的接驳车集合；设置M个自动驾驶接驳车的接驳点，每个接驳点用A_i表示，i∈{1，2，3，...，M},以第一个接驳点A₁作为坐标原点得到所有接驳点位的坐标，每个接驳点的坐标为(x_i，y_i)，计算并获得所有接驳点之间的距离，获取每个点位运送行人的需求量；每个接驳点可供接驳车出发和到达，为进行区分，将每个接驳点按出发或到达分为出发停靠点或到达停靠点，则停靠点总数为2M个，停靠点用v表示，v∈{1，2，3，...，2M}，其中出发停靠点集合用O_v表示，其中O_v＝{1，2，3，...，M}，到达停靠点集合用D_v表示，D_v＝{M+1，M+2，+3，...，2M}；A_i＝{i，M+i},i∈{1，2，3，...，M}；

步骤12：设行人所能接受的绕行时间为t_p，单位为秒，行人在人行道上的步行速度为v_p，单位为米/秒，d表示行人在道路一侧所能接受的绕行距离，则d＝v_p·t_p，行人过街最不利位置是在相邻两个接驳站的正中间，行人过街设施的间距不超过行人所能接受的绕行距离，如公式(1)所示：

I_min＝2d＝2·v_p·t_p (1)

I_min表示路段同一侧相邻接驳点的最小距离，单位为米；为确保站点的合理分布，路段中同侧任意的两个站点距离不得过近，且坐标分别表示为(x_m，y_m)与(x_n，y_n)，同侧相邻接驳点的距离满足公式(2)的约束：

由上所述步骤2，则具体为以下步骤：

步骤21：设置0号接驳点作为虚拟始发车站，当自动驾驶接驳车的数量为1时，接驳车从始发站出发到达路段内的第一个接驳点，则设置第一个接驳点的停靠点为S_i；设置b_m，n，p为二元变量，表示判断第p辆车从m到n通过的路径是否为接驳车所经过路径，是则b_m，n，p＝1，否则b_m，n，p＝0；b_m，n，p满足公式(3)的约束：

此外，设置2M+1号点为虚拟终点车站，在完成所有过街需求后清空路段内的所有自动驾驶接驳车辆，即所有自动驾驶接驳车完成行人过街需求后，从路段内最后一个停靠站E_i出发，必须到达2M+1号终点车站停泊，需满足公式(4)的约束条件；

如果该路段的自动驾驶接驳车数量增加到2辆，其与第1辆的始发车站相同，从0号开始；第2辆车先到达路段内不同于第1辆车的停靠站，满足公式(5)的约束：

步骤22：设置b_m，n，p为二元变量，表示判断第p辆车从m到n通过的路径是否为接驳车经过路径，并且满足公式(6)的约束：

公式(6)表示自动驾驶接驳车要到达路段中所有接驳点位，能够为行人过街提供服务；

二元变量b_m，n，p还应满足公式(7)的约束：

公式(7)中对每个接驳点位的到达与离开车辆进行约束，使其不会在接驳点位内一直停靠，保证整个***的流量守恒；

根据所述步骤3，包含如下步骤：

步骤31：在行人过街自动驾驶接驳车从0号始发站出发，到达第一个接驳站S_i后开始计时；为确保行人过街自动驾驶接驳车的顺利运行，需对整个路段所有运行的接驳车的行驶时刻施加限制；其中第p辆行人过街接驳车到达m节点的时刻可以用k_m，p表示，而离开m节点的时刻则用l_m，p来表示，如公式(8)所示：

公式(8)中F_m表示行人过街自动驾驶接驳车在节点m的停靠时间，包含乘客上下车的时间，t_u，t_d则代表单位乘客上下车所需时间，单位：秒/人，P_m表示为在m点上车的乘客数，K_m则为在m点下车的乘客数，满足公式(9)-(10)的要求：

公式(10)表示接驳车到达n点的时间减去到达m的时间至少大于等于接驳车在节点m的停靠时间加m点和n点之间的行车时间以及车辆的固定时间损失；a_m，n，p则代表m点和n点之间的行车时间，b_m，n，p为二元变量，t_l代表在接驳点因车辆加减速产生的时间损失，X是一个极大的正数，确保公式在运算过程中顺利施加约束；

步骤32：对与路段运行中的自动驾驶接驳车的运载乘客数进行约束，设置g_min，m与g_max，m分别代表第p辆车在准备离开节点m的限制最小载客量与限制最大载客量：

公式(11)-(12)中，l_m表示在m节点的行人过街需求量，其在不同的停靠点位分别记录为正数和负数代表这一点位的上车与下车人数；R_p表示行人过街自动驾驶接驳车的核载容量；

第p辆自动驾驶接驳车在准备离开m点的实际载客量设为g_m，p，满足公式(13)约束：

所述步骤4，包含如下步骤：

步骤41：在所有行人过街接驳车的完成行人需求的前提下，建立行人过街自动驾驶接驳车的行驶时间函数S，如公式(14)所示：

获得行人过街接驳车的行驶时间后，以路段内接驳车运行总时间最短为目标，建立目标函数，如公式(15)所示：

2.根据权利要求1所述一种自动驾驶行人接驳车行驶路径与路段过街控制方法，其特征在于，所述步骤5，包含如下步骤：

步骤51：在路段内每个接驳站的来车上游方向设置信号灯与相应的停车线，停车线可为直线或斜线，但不能与接驳车的路径冲突，获得优化后的接驳车路径后，行人过街自动驾驶接驳车按照规划的路径运行；当接驳车在运行中需要过街运送行人时，接驳车在此站点上、下客完并关闭车门后，向路内交通设施发送过街请求，路段信号灯变为红灯且过往的车辆在停车线前停车，接驳车按照既定的运行路径过街；

步骤52：当自动驾驶接驳车完成过街到达下一站点后，信号灯调整为绿灯，路段内其余过往车辆正常通行。

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