CN114187771B - 基于协同式自适应巡航控制的公交车驾驶控制方法及*** - Google Patents

基于协同式自适应巡航控制的公交车驾驶控制方法及*** Download PDF

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CN114187771B CN202111500936.7A CN202111500936A CN114187771B CN 114187771 B CN114187771 B CN 114187771B CN 202111500936 A CN202111500936 A CN 202111500936A CN 114187771 B CN114187771 B CN 114187771B
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Abstract

本发明提供了一种基于协同式自适应巡航控制的公交车驾驶控制方法及***,包括:判断公交车辆是否处在协同式自适应巡航控制车队中;如果公交车辆处在车队中,根据公交车辆在车队中的位置确定驾驶模式;如果公交车辆不在车队中,判断公交车辆与其前方相邻公交车辆的时间间隔,如果时间间隔大于预设值,则公交车辆以自适应巡航控制模式巡航;当时间间隔小于预设值时,公交车辆切换到协同式自适应巡航控制模式;本发明在判断公交车是否在CACC车队中的基础上,确定公交车的巡航模式,将传统的公交控制与CACC相结合,不仅能改善单条公交线路的服务性能,而且可以协调优化同一路段上多条线路公交车辆的***服务性能。

Description

基于协同式自适应巡航控制的公交车驾驶控制方法及***
技术领域
本发明属于公交车运行调度技术领域,尤其涉及一种基于协同式自适应巡航控制的公交车驾驶控制方法及***。
背景技术
公交车辆自动驾驶技术应用是实现公交优先策略的重要研究方向;传统人工驾驶的公交车辆存在高峰时间交叉口通行效率低、到站时间不均衡以及燃油经济性差等问题;针对这一问题,发明人前期研究了基于多目标优化的公交运行区间速度优化控制方法,将公交运行目标根据重要性分为准点性和燃油经济性两个层级,通过多目标优化模型得出公交运行区间优化速度。
发明人发现,对于单一的公交线路,速度控制和驻站控制可以调整车速和车头时距,从而缓解了串车或大间隔到站现象;然而,如果多条公交线路在同一路段上共用一条公交专用道,这种传统的公交控制可能会受到其他公交线路车辆的干扰,影响了公共交通***运行效率和服务水平。
发明内容
本发明为了解决上述问题,提出了一种基于协同式自适应巡航控制的公交车驾驶控制方法及***,本发明将传统的公交控制与协同式自适应巡航控制(CooperativeAdaptive Cruise Control,CACC)相结合,不仅能改善单条公交线路的服务性能,而且可以协调优化同一路段上多条线路公交车辆的***服务性能。
为了实现上述目的,本发明是通过如下的技术方案来实现:
第一方面,本发明提供了一种基于协同式自适应巡航控制的公交车驾驶控制方法,包括:
判断公交车辆是否处在协同式自适应巡航控制车队中;
如果公交车辆处在车队中,根据公交车辆在车队中的位置确定驾驶模式;如果公交车辆不在车队中,判断公交车辆与其前方相邻公交车辆的时间间隔,如果时间间隔大于预设值,则公交车辆以自适应巡航控制模式巡航;当时间间隔小于预设值时,公交车辆切换到协同式自适应巡航控制模式。
进一步的,协同式自适应巡航控制车队的形成,由前方车队的长度和当前公交车辆保持准点性所需的驻站时间决定。
进一步的,如果车队长度超过预设车辆,则后方公交车辆无法加入车队;当公交车辆期望速度高于前方车队时,在自适应巡航控制模式下换道超越车队;
当下游站点的相应期望驻站控制时间超过最大允许驻站时间时,当前公交车辆换道,在自适应巡航控制模式下以期望速度行驶。
进一步的,在交叉口处,车队与在红灯时间到达的公交车辆分解,计算车队中每辆公交车到达交叉口的时间为:
Figure BDA0003401595530000021
其中,ti为车队中每辆公交车在下游交叉口i的到达时间,Li为交叉口i的位置,L1为公交车辆在t1,1时刻的位置,V*为期望速度,
Figure BDA0003401595530000022
为车队速度。
进一步的,根据公交车辆在车队中的位置确定驾驶模式时,车队中头车执行自适应巡航控制模式,后方公交车辆执行协同式自适应巡航控制跟驰模式。
进一步的,协同式自适应巡航控制模式下,根据期望速度和当前速度之间的差异调整实时加速度:
a(k)=kg·[V*-v(k-1)]
其中,k为时间步长;kg为速度偏差和加速度之间的恒定反馈增益,V*为期望速度,v为当前速度。
进一步的,利用时间间隔误差及导数确定公交车辆实时速度:
Figure BDA0003401595530000031
其中,kp和kd为控制系数,ek为当前公交车辆与前方公交车辆的时间间隔误差,
Figure BDA0003401595530000032
是时间间隔误差的导数。
第二方面,本发明还提供了一种基于协同式自适应巡航控制的公交车驾驶控制***,包括判断模块和控制模块;
所述判断模块,被配置为:判断公交车辆是否处在协同式自适应巡航控制车队中;
所述控制模块,被配置为:如果公交车辆处在车队中,根据公交车辆在车队中的位置确定驾驶模式;如果公交车辆不在车队中,判断公交车辆与其前方相邻公交车辆的时间间隔,如果时间间隔大于预设值,则公交车辆以自适应巡航控制模式巡航;当时间间隔小于预设值时,公交车辆切换到协同式自适应巡航控制模式。但是否形成CACC车队将取决于前方车队的长度和当前车辆保持准点性所需的驻站时间。
第三方面,本发明还提供了一种计算机可读存储介质,其上存储有计算机程序,该程序被处理器执行时实现了第一方面所述的基于协同式自适应巡航控制的公交车驾驶控制方法的步骤。
第四方面,本发明还提供了一种电子设备,包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序,所述处理器执行所述程序时实现了第一方面所述的基于协同式自适应巡航控制的公交车驾驶控制方法的步骤。
与现有技术相比,本发明的有益效果为:
1.本发明在判断公交车是否在CACC车队中的基础上,确定公交车的巡航模式,将传统的公交控制与CACC相结合,不仅能改善单条公交线路的服务性能,而且可以协调优化同一路段上多条线路公交车辆的***服务性能;
2.本发明中,CACC车队形成时,将前方车队的长度和当前公交车保持准点性所需的驻站时间因素作为确定因素,有效的提高了公共交通***运行效率和服务水平;
3.本发明在线路层面,基于CACC的公交控制***动态优化了各个公交车辆的期望速度,以确保其服务水平,在路段层面,基于CACC的公交控制***通过调节CACC车队内的车头时距以协调运行速度;同时,在线路层和路段层之间,基于CACC的公交控制***进行CACC车队的形成、组队或解队决策;通过将传统的公交控制与CACC相结合,解决了多条公交线路在同一路段上共用一条公交专用道时,公交控制可能会受到其他公交线路车辆的干扰的问题;
4.本发明协同式自适应巡航控制与公共交通结合,发挥CACC技术在提高道路通行能力、节约燃油消耗和提高安全性等方面的优势,从***的角度,协同优化公共交通运行服务整体性能;
5.本发明可以应用于城市道路公共交通***单线路运行和多线路协同运行的多种场景,考虑了公交车辆交叉口、站点以及区间运行等多种运行状况,将速度控制与驻站控制相结合,协同优化公交***整体的准点性、燃油经济性等性能指标,可以有效提高公共交通***运行效率和服务水平。
附图说明
构成本实施例的一部分的说明书附图用来提供对本实施例的进一步理解,本实施例的示意性实施例及其说明用于解释本实施例,并不构成对本实施例的不当限定。
图1为本发明实施例1的CACC的公交控制思路;
图2为本发明实施例1的基于CACC的公交车队组队条件及驾驶模式判断框架;
图3为本发明实施例1的公交运行时间-距离图;
图4为本发明实施例1的判断车辆不在CACC车队时的控制流程图;
图5为本发明实施例1的判断车辆在CACC车队时的控制流程图。
具体实施方式:
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出,以下详细说明都是例示性的,旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明,本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
实施例1:
本实施例提供了一种基于协同式自适应巡航控制的公交车驾驶控制方法,包括:
判断公交车辆是否处在协同式自适应巡航控制车队中;
如果公交车辆处在车队中,根据公交车辆在车队中的位置确定驾驶模式;如果公交车辆不在车队中,判断公交车辆与其前方相邻公交车辆的时间间隔,如果时间间隔大于预设值,则公交车辆以自适应巡航控制模式巡航;当时间间隔小于预设值时,公交车辆切换到协同式自适应巡航控制模式;
如图1和图2所示,本实施例中的整体思路为,在线路层面,基于CACC的公交控制***动态优化了各个公交车辆的期望速度,以确保其服务水平;在路段层面,基于CACC的公交控制***通过调节CACC车队内的车头时距以协调运行速度;同时在线路层和路段层之间,基于CACC的公交控制***进行CACC车队的形成、组队或解队决策。
在本实施例中,对单车速度优化具体为:
单车速度优化方法,采用基于多目标规划中分层序列法提出的公交运行速度实时控制,将多目标按其重要性分类并求解;具体的,将公交运行目标分为准点性和燃油经济性,并设定准点性目标是最重要目标,燃油经济性是次重要目标,针对最重要目标(即准点性)求出最优解集,在最优解集的基础上再对次重要目标(即燃油经济性)求最优解;具体实现程序为:首先,根据公交车辆上配备的车载单元采集到的实时位置数据及当前时间,结合公交到站准时性区域判断模型确定当前公交车辆是否可准时到达车站:若其位于准点区域,则在优先满足准点性要求的基础上,根据燃油经济性优化公交运行速度,得到最优公交运行建议速度值;若其位于早点或晚点区域,则在优先保证到站偏差时间最小的基础上,通过燃油经济性进行优化,得到公交运行建议速度。
在本实施例中,假设公交沿线的站点数为m,当前站点s-1(1,…,m-1)与下游相邻站点s(s=2,…,m)之间的路段上存在信号交叉口;假设两站点之间存在n(n≥0)个交叉口,则有n+1个路段和n+2个节点;V为期望速度集,Vi表示路段i(i=1,…,n+1)上的期望速度,单位为米/秒;当公交车辆位于准点到达区间内时,表示无论车速如何变化,都能准时到达下游公交车站;此时通过最小化总油耗(TFC)来优化整个路段上的区间期望速度:
Figure BDA0003401595530000071
其中,FC(Vi)为路段i上的燃油消耗量,单位为毫升/秒。
相反,当公交车辆处于早点或晚点区域时,速度调节难以满足准点到站的需求,只能最小化到站时间偏差;对于这类公交车,不论燃油经济性如何,应保证准点性,即最大限度地减少到站时间偏差;首先将早点和晚点车辆的期望速度分别设置为Vmin和Vmax,使得到站时间尽可能接近时刻表;接下来,依次估计公交车到达下游交叉口的时间;如果车辆在红灯时间内到达交叉口i(i=1,…,n),应通过最大限度地降低路段的燃油消耗来调整期望速度;作为次重要目标,可以优化燃油经济性:
minFC(Vi) (2)
为计算最优期望速度V*,采用公交运行速度上下限(Vmin≤Vi≤Vmax)作为约束条件,求解目标函数(1)和(2);此外,理想速度V*是公共汽车需要加速或减速才能达到的目标速度。一组V可以确定一个特定的公交车辆速度轨迹v;考虑到信号配时,本实施例中提出了一种由期望速度V*计算车辆速度轨迹v*的算法,具体为:首先,定义三种轨迹:1)在两个连续的节点之间,公交车加速或减速,保持期望速度通过下游交叉口;2)公交车达到并保持期望速度,减速到下游交叉口停车;3)公交车达到并保持期望速度,然后减速到下游交叉口,并以非零速度通过交叉口;然后,利用第一种轨迹估计交叉口的到达时间,如果公交车辆在绿灯相位内到达交叉口,速度轨迹可确定为第一种轨迹;否则,进入下一步;接下来,用第二种轨迹估计到达时间,如果在红灯相位内,将其确定为速度轨迹;否则,选择第三种轨迹;对于第三种轨迹,到达时间就是绿灯的开始时间。
在本实施例中,图3所示,展示了如何使用时间-距离图确定到达时间范围;假设公交车辆在t1,1时刻位于L1处,预计于ts,n+2.到达下游站点Ln+2处;此处,ts,n+2可以是从时刻表中提取的到达时刻,也可以是从同一路线上的前一班车的理想车头时距计算得出的到达时刻;在本实施例中,ts,n+2定义为时刻,在应用中也可定义为准时到站时间段;在站点L1和Ln+2之间存在交叉口Li,车辆到达交叉口的时间范围可以由准时性下限tlb和准时性区域上限tub分为三个到达时间范围:准点区域[tlb,tub]、早点区域(-∞,tlb)和晚点区域(tub,+∞);判断当前时刻tc所在的准点性时间范围:
Figure BDA0003401595530000081
Figure BDA0003401595530000082
其中,交叉口准点区间的下限在周期p(p=1,2,…)内,准点区间上限在周期q(q=1,2,…)内;tg为绿灯相位的开始时间,tr为红灯相位的开始时间。
本实施例中,采用了基于车辆比功率(VSP)的燃油消耗模型,如下所示:
Figure BDA0003401595530000083
其中,FCph为车辆在阶段ph(ph=1,…,PH)的燃油消耗,
Figure BDA0003401595530000091
Figure BDA0003401595530000092
单位mL/s,ERb是VSP区间b的瞬时燃油消耗率,ERb=ER0×NERb,单位mL/s;ER0是VSP区间的平均燃油消耗率,对公交车辆而言ER0=1.69mL/s;NERb是VSP区间的标准化燃油消耗率b(b=1,…,b),单位mL/s:
Figure BDA0003401595530000093
本实施例中,公共汽车VSP模型为:
VSP=1.1av+0.09199v+0.000168v3 (7)
式中,VSP为每辆车牵引单位质量所需的发动机瞬时功率,单位为千瓦/吨(kW/t);a是加速度,单位米/秒平方(m/s2);v是车速,单位m/s。
本实施例中,CACC控制中,速度控制和车辆时间间隔控制为:
在基于CACC的公交控制***中,本实施例中,采用公式(8)中的巡航模型来调节公交车辆在速度控制模式下的速度轨迹;巡航模型根据期望速度和当前速度之间的差异调整实时加速度,从而使实际速度可以尽可能接近期望速度。
a(k)=kg·[V*-v(k-1)] (8)
其中,k是时间步长;kg是速度偏差和加速度之间的恒定反馈增益,在本实施例中,kg可以设置为0.3到0.4s-1
车辆时间间隔控制模式下,本实施例中,采用如公式(9)的跟车模型控制,以恒定的时间间隔运行;下列方程中的一阶模型利用时间间隔误差及导数确定公交车辆实时速度。
Figure BDA0003401595530000094
其中,kp和kd为控制系数(kp=0.45和kd=0.25);ek是与前方公交车辆的时间间隔误差,
Figure BDA0003401595530000101
xr-1是前一辆车的实时位置,xr和vr分别是当前车辆的实时位置(m)和速度(m/s);/>
Figure BDA0003401595530000102
是期望时间间隔。
在本实施例中,CACC车队形成、组队和解队机制具体为:在本实施例中,CACC车队可以依靠Ad-hoc集群形成的,当一辆公交车在运行时,它不断地从各种智能网联车辆(CAV)设备获取车辆和交通信息,并按一定的周期时间更新车辆适合的驾驶模式;如果车辆处在CACC车队中,则需要它在车队中的位置来确定驾驶模式;车队中头车执行自适应巡航控制(ACC)模式,后方车辆执行CACC跟驰模式;相反,如图4所示,如果公交车辆不在CACC车队中,则需要该车辆与前方相邻车辆的时间间隔来确定它的后续行为;如果时间间隔大于预设值,则公交车辆继续以ACC模式巡航,当时间间隔小于预设值时,公交车辆可以切换到CACC模式,本实施例中,所述预设值可以设置为2秒;需要说明的是,是否形成CACC车队将取决于前方车队的长度和当前车辆保持准点性所需的驻站时间。
在本实施例中,如图4所示,随着CACC车队变长,其操作变得更加复杂,对其他交通的干扰也会变得更严重;最大车队长度受机动车辆间基于无线的数据传输(vehicle-to-vehicle communication,V2V)通信范围、车辆长度、车队中车头时距和实际交通环境的限制;在本实施例中,最大车队长度设定为四辆公交车,如果当前CACC车队长度超过四辆,则后方车辆无法加入CACC车队,且当车辆期望速度高于前方车队时要求驾驶员在ACC模式下换道超越该车队。
如图4所示,对于不同的公交车辆,即使是接连行驶,也会根据自己的准时状况确定不同的期望速度,如果一个晚点的公交车辆加入低于其自身期望速度的低速车队,它将比时刻表确定的到站时间延误更多,相比之下,当公交车辆加入高速车队后提前到达前方公交车站时,它可以在站点驻站,直到预定的发车时间;但考虑到乘客的乘坐体验,驻站停留时间不能过长;因此,期望驻站控制时间也是CACC车队形成的关键因素,当新的车辆加入CACC车队时,车队期望速度取V*和车队运行速度
Figure BDA0003401595530000111
两者之间的较大值,由于车辆在加速和减速阶段的行程时间较短;因此,以匀速行驶预测行程时间,当下游站点的相应期望驻站控制时间超过最大允许驻站时间时,将要求驾驶员手动换道,并在ACC模式下以期望速度行驶以满足准时性需求,否则,公交车辆将加入CACC车队并切换到CACC跟随模式。
Figure BDA0003401595530000112
其中,tholding是公交车辆在下游站点n+2的潜在停留时间。
在现有的公交信号优先控制研究中,车辆检测器一般设置在交叉口停车线前方100米处;本实施例中,考虑到交叉口前的公交运行速度、解队时间和换道时间,在交叉口上游100m处设置一个车辆检测器;利用公式(11)计算CACC车队中的每辆公交车到达交叉口的时间,CACC车队需要与在红灯时间到达的公交车辆分解,保证其前面的公交车辆在绿灯时间通过交叉口;此外,要求驾驶员按照公交线路需求接管公交车辆的转向控制。
Figure BDA0003401595530000113
其中,ti是车队中每辆公交车在下游交叉口i的到达时间。
实施例2:
本实施例提供了一种基于协同式自适应巡航控制的公交车驾驶控制***,包括判断模块和控制模块;
所述判断模块,被配置为:判断公交车辆是否处在协同式自适应巡航控制车队中;
所述控制模块,被配置为:如果公交车辆处在车队中,根据公交车辆在车队中的位置确定驾驶模式;如果公交车辆不在车队中,判断公交车辆与其前方相邻公交车辆的时间间隔,如果时间间隔大于预设值,则公交车辆以自适应巡航控制模式巡航;当时间间隔小于预设值时,公交车辆切换到协同式自适应巡航控制模式。
实施例3:
本实施例提供了一种计算机可读存储介质,其上存储有计算机程序,该程序被处理器执行时实现了实施例1所述的基于协同式自适应巡航控制的公交车驾驶控制方法的步骤。
实施例4:
本实施例提供了一种电子设备,包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序,所述处理器执行所述程序时实现了实施例1所述的基于协同式自适应巡航控制的公交车驾驶控制方法的步骤。
以上所述仅为本实施例的优选实施例而已,并不用于限制本实施例,对于本领域的技术人员来说,本实施例可以有各种更改和变化。凡在本实施例的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本实施例的保护范围之内。

Claims (9)

1.基于协同式自适应巡航控制的公交车驾驶控制方法,其特征在于,包括:
判断公交车辆是否处在协同式自适应巡航控制车队中;
如果公交车辆处在车队中,根据公交车辆在车队中的位置确定驾驶模式;如果公交车辆不在车队中,判断公交车辆与其前方相邻公交车辆的时间间隔,如果时间间隔大于预设值,则公交车辆以自适应巡航控制模式巡航;当时间间隔小于预设值时,公交车辆切换到协同式自适应巡航控制模式;
计算协同式自适应巡航控制车队中的每辆公交车到达交叉口的时间,协同式自适应巡航控制车队与在红灯时间到达的公交车辆分解;
如果车队长度超过预设车辆,则后方公交车辆无法加入车队;当公交车辆期望速度高于前方车队时,在自适应巡航控制模式下换道超越车队;当下游站点的相应期望驻站控制时间超过最大允许驻站时间时,当前公交车辆换道,在自适应巡航控制模式下以期望速度行驶;
基于协同式自适应巡航控制的公交控制***通过调节协同式自适应巡航控制车队内的车头时距以协调运行速度;同时,在线路层和路段层之间,基于协同式自适应巡航控制的公交控制***进行协同式自适应巡航控制车队的形成、组队或解队决策;通过将传统的公交控制与协同式自适应巡航控制相结合,解决多条公交线路在同一路段上共用一条公交专用道时,公交控制受到其他公交线路车辆的干扰的问题。
2.如权利要求1所述的基于协同式自适应巡航控制的公交车驾驶控制方法,其特征在于,协同式自适应巡航控制车队的形成,由前方车队的长度和当前公交车辆保持准点性所需的驻站时间决定。
3.如权利要求1所述的基于协同式自适应巡航控制的公交车驾驶控制方法,其特征在于,计算车队中每辆公交车到达交叉口的时间为:
Figure FDA0004250789450000021
其中,ti为车队中每辆公交车在下游交叉口i的到达时间,Li为交叉口i的位置,L1为公交车辆在t1,1时刻的位置,V*为期望速度,Vs *为车队运行速度。
4.如权利要求1所述的基于协同式自适应巡航控制的公交车驾驶控制方法,其特征在于,根据公交车辆在车队中的位置确定驾驶模式时,车队中头车执行自适应巡航控制模式,后方公交车辆执行协同式自适应巡航控制跟驰模式。
5.如权利要求1所述的基于协同式自适应巡航控制的公交车驾驶控制方法,其特征在于,协同式自适应巡航控制模式下,根据期望速度和当前速度之间的差异调整实时加速度:
a(k)=g·[V*-(k-1)]
其中,k为时间步长;kg为速度偏差和加速度之间的恒定反馈增益,V*为期望速度,v为当前速度。
6.如权利要求5所述的基于协同式自适应巡航控制的公交车驾驶控制方法,其特征在于,利用时间间隔误差及导数确定公交车辆实时速度:
Figure FDA0004250789450000031
其中,kp和kd为控制系数,ek为当前公交车辆与前方公交车辆的时间间隔误差,
Figure FDA0004250789450000032
是时间间隔误差的导数。
7.基于协同式自适应巡航控制的公交车驾驶控制***,其特征在于,包括判断模块和控制模块;
所述判断模块,被配置为:判断公交车辆是否处在协同式自适应巡航控制车队中;
所述控制模块,被配置为:如果公交车辆处在车队中,根据公交车辆在车队中的位置确定驾驶模式;如果公交车辆不在车队中,判断公交车辆与其前方相邻公交车辆的时间间隔,如果时间间隔大于预设值,则公交车辆以自适应巡航控制模式巡航;当时间间隔小于预设值时,公交车辆切换到协同式自适应巡航控制模式;
计算协同式自适应巡航控制车队中的每辆公交车到达交叉口的时间,协同式自适应巡航控制车队与在红灯时间到达的公交车辆分解;
如果车队长度超过预设车辆,则后方公交车辆无法加入车队;当公交车辆期望速度高于前方车队时,在自适应巡航控制模式下换道超越车队;当下游站点的相应期望驻站控制时间超过最大允许驻站时间时,当前公交车辆换道,在自适应巡航控制模式下以期望速度行驶;
基于协同式自适应巡航控制的公交控制***通过调节协同式自适应巡航控制车队内的车头时距以协调运行速度;同时,在线路层和路段层之间,基于协同式自适应巡航控制的公交控制***进行协同式自适应巡航控制车队的形成、组队或解队决策;通过将传统的公交控制与协同式自适应巡航控制相结合,解决多条公交线路在同一路段上共用一条公交专用道时,公交控制受到其他公交线路车辆的干扰的问题。
8.一种计算机可读存储介质,其上存储有计算机程序,其特征在于,该程序被处理器执行时实现了如权利要求1-6任一项所述的基于协同式自适应巡航控制的公交车驾驶控制方法的步骤。
9.一种电子设备,包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序,其特征在于,所述处理器执行所述程序时实现了如权利要求1-6任一项所述的基于协同式自适应巡航控制的公交车驾驶控制方法的步骤。
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