CN115083176A - 一种基于多任务并行控制的网联自动车群串联排列实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多任务并行控制的网联自动车群串联排列实现方法，在纯网联自动驾驶环境下，基于车联网控制中心获取网联自动车群及其路段初始状态信息，多线并行控制不同转向车辆的机动直到所有车辆完成各阶段任务达到目标串联排列状态，基于车辆动力学性能计算各任务前后所有控制间隔的用时长度，及所有车辆在各控制间隔内的运行轨迹，融合所有控制间隔内的车辆轨迹形成从初始状态到最终目标状态的网联自动车群完整运行轨迹，从而最大化利用交叉口车道资源，提高交叉口通行能力。

Description

一种基于多任务并行控制的网联自动车群串联排列实现方法

技术领域

本发明涉及一种基于多任务并行控制的网联自动车群串联排列实现方法，在纯网联自动驾驶环境下多线并行控制各网联自动车完成各阶段任务直至形成串联排列，得到的车辆全过程运动轨迹可用于自动驾驶车辆规划，属于智慧交通技术领域。

背景技术

在智慧交通领域，汽车作为交通出行的重要载体，是交通***当中的核心环节；汽车的智能化和网联化是未来发展的重要方向；推进汽车的智能化和网联化发展，对于解决能源消耗、环境污染和交通拥堵等问题都具有重要意义；网联自动驾驶车辆融合车联网技术和自动驾驶技术，可实现车与其他智能体的交换共享，为交通出行者和管理者带来巨大方便。

在现有交通出行规则下，在交叉口处排队的车辆只能利用各自转向车道通过交叉口，即不同转向车辆并联排列；在此背景下，一些新型的交叉口管控模式如串联排列被提出，并被验证可提高交叉口通行效率；但是由于人工驾驶车辆的随机性，此种模式实现较为困难。网联自动车具备复杂的环境感知、智能决策和协同控制等功能，通过精准控制车辆轨迹可以有效减少超速、闯红灯、酒驾等违法行为；在未来网联自动车逐步应用的趋势下，通过车联网技术和自动驾驶技术的联合支持，新型交叉口管控模式的实现具备了很大的可能性。在此背景下，本发明对纯网联自动车流环境下的车辆轨迹控制方法进行了研究。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于多任务并行控制的网联自动车群串联排列实现方法。

本发明的核心思想是，在纯网联自动驾驶环境下，基于车联网控制中心获取网联自动车群及其路段初始状态信息，多线并行控制不同转向车辆的机动直到所有车辆完成各阶段任务达到目标串联排列状态，基于车辆动力学性能计算各任务前后所有控制间隔的用时长度，及所有车辆在各控制间隔内的运行轨迹，融合所有控制间隔内的车辆轨迹形成从初始状态到最终目标状态的网联自动车群完整运行轨迹。

本发明采用的技术方案如下：

一种基于多任务并行控制的网联自动车群串联排列实现方法，包括如下步骤：

S1针对三车道及以上路段，车联网控制中心实时沟通路段上网联自动车，确定当前网联自动车群作为控制目标，获取道路信息及车辆初始状态，包括车道与车辆总数、各车辆转向与位置分布，确定网联自动车群初始分布状态与目标分布状态；在初始分布状态下，所有车辆横向对齐，纵向保持间距D₀，不同转向对应车辆用车A、车B和车C分别表示；目标分布状态是指同一转向车辆占据所有车道，不同转向车辆前后分离；

S2根据获取的道路信息及车辆初始状态确定各转向分离专用道，其中每个转向至少具有一条转向分离专用道；

S3界定虚拟预留行R₀及各转向子队列的数目；所述虚拟预留行R₀是完成不同转向车辆换道至对应车道后，在当前状态第一行前增加空行为车A和车B预留行驶空间；所述转向子队列是由目标分布状态下各车道中同一转向的车辆构成的队列；

S4确定各阶段控制任务，包括：

任务1：依据各转向子队列的数目确定每个车道协同换道后的应有车辆数，不同转向车辆之间纵向分离以确保所有车A能换道至L_A分离专用道，所有车B能换道至L_B分离专用道，所有车C能换道至L_C分离专用道；

任务2：不同转向车辆协同换道至对应分离专用道，并划分各转向子队列；所有车辆完成协同换道后在当前行前增加R₀行虚拟预留行；

任务3：所有车A沿L_A分离专用道同时前进至第一排所有车A子队列头车到达第一行，不同排紧密排列，同一排子队列头车对齐，且各子队列车A紧密排列；

任务4：完成所有车A的车道调度；

任务5：所有满足以右侧车道为目标换道车道的车B子队列和已在目标车道的车B子队列所有车B沿L_B分离专用道同时前进，至第一排所有车B子队列头车位于第(R_A+1)行，不同排紧密排列，同一排子队列头车对齐，且各子队列车A紧密排列；

任务6：循环运行1)-2)至任务5中所有满足条件的车B子队列换道至目标车道且从第(R_A+1)行起紧密排列：1)L_B分离专用道当前最前排车B子队列同时换道至目标车道；2)L_B分离专用道剩下满足任务5条件的车B子队列车B同时前进相同距离至最前排车B子队列头车位于第(R_A+1)行；

任务7：每一排位于L_B分离专用道上的车B子队列中位于最前方的车B所在行标记为该排的对齐行，除任务5中满足条件的车B子队列外的所有车B沿L_B分离专用道同时前进至同一排子队列头车行驶至该排的对齐行，且各子队列车B紧密排列；

任务8：对于任务7中所有同一排车B子队列,当其中一排对齐行及其后方的该排车B子队列对应换道目标车道上没有其他转向车辆时，该排车B子队列即可同时换道至目标车道，换道完成后的子队列所有车B沿当前车道同时前进至头车位于第(R_A+1)行，且各子队列车B紧密排列；

任务9：第一排车C子队列的所有车C沿L_C分离专用道同时前进至各队列头车位于第(R_A+R_B+1)行，且各子队列车C紧密排列；

任务10：每一排位于L_C分离专用道上的车C子队列中位于最前方的车C所在行标记为该排的对齐行，除任务9中车C子队列外的所有车C沿L_C分离专用道同时前进至同一排子队列头车行驶至该排的对齐行，且各子队列车C紧密排列；

任务11：对于任务10中所有同一排车C子队列，当其中一排对齐行及其后方的该排车C子队列对应换道目标车道上没有其他转向车辆时，该排车C子队列即可同时换道至目标车道，换道完成后的子队列所有车C沿当前车道同时前进至头车位于第(R_A+R_B+1)行，且各子队列车C紧密排列；

S5并行控制各任务进行直至达到目标分布状态；

S6完成所有任务融合形成全过程轨迹。

进一步地，所述S2确定各转向分离专用道的方法为：基于车道数和车辆数确定不同转向车辆分离专用道，其中，路段车道数为N_L，车A、车B和车C的车辆数分别为N_A、N_B和N_C，车A、车B和车C从左到右依此选择N_LA、N_LB和N_LC条车道作为分离专用道，N_LA、N_LB和N_LC的确定方法如下：1)若N_L\3＝0，N_LA＝N_LB＝N_LB＝N_L/3，N_L\3表示取余数；2)若N_L\3＝1，首先令

然后确定i，其中，车辆数最大的转向i＝1，其他转向i＝0，若多个转向车辆数一样大，则按车A、车B和车C先后优先级确定优先级高的转向i＝1，其他转向i＝0；3)若N_L\3＝2，首先令

然后确定i，其中，车辆数最小的转向i＝0，其他转向i＝1；若多个转向车辆数一样小，则按车C、车B和车A先后优先级确定优先级高的转向i＝0，其他转向i＝1，

表示向下取整。

进一步地，所述S3中，虚拟预留行的计算过程为：分别计算在目标分布状态下，车A、车B、车C占据全部车道所需要的行数

其中，

表示向上取整，从前至后逐个遍历当前状态寻找第一个车C所在行L₁，则需要增加的空行数为R₀＝R_A+R_B-L₁+1，若R₀＜0，则无需增加虚拟预留行。对于各转向车辆，在各自分离专用道上从前到后从右到左确定各排各转向子队列A_i、B_i和C_i包含车辆，其中i代表从右到左各车道，i＝1，...，N_L；同一排子队列应尽可能占据对应分离专用道左侧车道。

进一步地，所述S5并行控制各任务进行的方法为：任务1、任务2按顺序执行，任务3、任务4按顺序执行，任务5、任务6按顺序执行，任务7、任务8按顺序执行，任务10、任务11按顺序执行，任务2执行完后，任务3、任务5、任务7、任务9与任务10并行执行，若在任务执行过程中后方车辆与前方车辆相遇，则后方车辆紧密跟随前方车辆直至完成任务。

进一步地，所述S6完成所有任务融合形成全过程轨迹的方法为：

记录各车辆的实时位置坐标，基于车辆运动学模型计算各任务完成需要时间及行驶轨迹，汇总形成从初始状态到目标状态完整的网联自动车群运行轨迹；达到串联排列所需总时间T＝t₁+t₂+max{t₃+t₄，t₅+t₆，t₇+t₈，t₉，t₁₀+t₁₁}，其中t₁，t₂，t₃，t₄，t₅，t₆，t₇，t₈，t₉，t₁₀，t₁₁分别表示各任务的完成时间。

进一步地，所述S4任务1中，不同转向车辆之间纵向分离规则包括以下步骤：

S411确定分离过程需遵循的原则：1)若同一行中不同转向车辆已位于对应前进车道或可同时换道至对应前进车道，则无需纵向分离；2)在纵向分离过程中三种转向车辆前进优先级从高到低为车A、车B、车C；3)若转向相同，在不阻碍换道的情况下，左侧车辆的前进优先级大于右侧车辆的前进优先级；

S412从后往前逐个遍历所有行，每一行中优先级高的转向车辆前进直至每一行中所有车辆不相互阻碍其换道至对应前进车道，车辆每前进一行，当前车辆所在行前的所有车辆需前进一行；统计所有车辆的前进步数，然后同时移动以实现纵向分离；

S413当遍历完所有行后，对于各转向车辆，统计当前状态下换道后分离专用道各车道对应的换道车辆数，若一车道当前状态下换道后对应的换道车辆数少于对应协同换道后的应有车辆数，重复运行步骤1)-2)，直到所有车道上的换道车辆数等于对应协同换道后的应有车辆数；1)从前到后遍历每一行，对于各转向车辆，标记转向车辆数目与转向车辆分离专用道数量相等的行为特征行；2)特征行最右侧车辆及其前方所有车辆前进一行。

进一步地，所述S4任务2中，换道规则包括以下步骤：

S421对于各转向车辆，将转向车辆数目与转向车辆分离专用道数目相等的行标记为N_S1，剩余自由换道车辆所在行标记为N_S2，其中，剩余自由换道车辆是分离专用道协同换道后的应有车辆数扣除N_S1后的车辆；

S422对于各转向车辆，N_S1所在行车辆协同换道至对应分离专用道，从后往前遍历N_S2所在行，N_S2所在行自由换道车辆优先换道至对应分离专用道左侧车道直到该车道车辆满足子队列划分；统计所有车辆的换道目标车道，然后同时移动以实现协同换道。

进一步地，所述S4任务4中，车A的调度包括以下步骤：

S441分离专用道L_A上首排车A子队列的所有车A同时向右换道至边缘车道或与其他车辆紧密排列；

S442在S441完成更换一个车道后分离专用道L_A剩余所有车A子队列即可同时前进直至第一行起紧密排列；

S443重复S441和S442直至所有车A子队列都位于第(R_A+1)行前。

进一步地，所述并行控制过程中的车辆运动学模型如下：

车辆的运动包括横向运动和纵向运动；对于横向运动车辆换道单车横向更换一车道的时间固定为T_c；车辆纵向运动为车辆前进过程，包括匀速保持状态和加速前进状态；匀速保持状态指：所有车辆的初始纵向速度为V₀，在横向换道状态或无加速前进状态时的车辆纵向速度都为V₀。加速前进状态指：车辆前进以实现对齐或紧密排列等目标时，初始纵向速度和结束纵向速度都为V₀，假设所有自动车同质，其最大速度为V_max，且加减速时一直保持最大纵向加速度为a_max和最大纵向减速度-a_max。

本发明的有益效果为：通过对路段上不同转向网联自动车进行多任务并行控制，可以使网联自动车群达到串联排列状态，从而最大化利用交叉口车道资源，提高交叉口通行能力。

附图说明

图1网联自动车群分布状态

图2多任务并行控制网络图

图3网联自动车群分布状态变化过程

图4网联自动车群完整运行轨迹图

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

一种基于多任务并行控制的网联自动车群串联排列实现方法，包括如下步骤：

S1确定网联自动车群初始分布状态与目标分布状态

针对三车道及以上路段，车联网控制中心实时沟通路段上网联自动车，确定当前网联自动车群作为控制目标，获取道路信息及车辆初始状态，包括车道与车辆总数、各车辆转向与位置分布等。在初始分布状态下，所有车辆横向对齐即成行排列，纵向保持间距D₀，网联自动车群分布状态标记了所有车辆在路段上的相对位置，从前到后遍历各分布状态即从当前状态第一行遍历至当前状态最后一行，不同转向对应车辆可用车A、车B和车C分别表示，其实际代表转向可根据实际情况选择左转、直行、右转三种；初始分布状态即车联网中心获取的按照上述排列分布的网联自动车群状态；目标分布状态即串联状态指同一转向车辆占据所有车道，不同转向车辆前后分离。

以一四车道路段为例，网联自动车群初始分布状态如图1所示，字母A、B、C分别表示转向车1、转向车2、转向车3，其代表转向可根据实际情况选择，空位表示没有车辆占据。目标分布状态即串联状态指同一转向车辆占据所有车道，不同转向车辆前后分离，即目标状态为转向车1、转向车2和转向车3的串联排列，如图1目标分布状态中车A、车B和车C的串联排列。

μ2确定各转向分离专用道

分离专用道用于不同转向车辆之间的分离，在分离完成后不同转向车辆均可占据，其中每个转向至少具有一条转向分离专用道。

在一种优选实施方式中，基于车道数和车辆数确定不同转向车辆分离专用道，具体地，路段车道数为N_L，车A、车B和车C的车辆数分别为N_A、N_B和N_C，车A、车B和车C从左到右依此选择N_LA、N_LB和N_LC条车道作为分离专用道，标记为L_A、L_B和L_C，N_LA、N_LB和N_LC的确定方法如下：

1)若N_L\3＝0，N_LA＝N_LB＝N_LB＝N_L/3；其中，N_L\3表示取余数，/是除号；

2)若N_L\3＝1，首先令

然后确定i，其中，车辆数最大的转向i＝1，其他转向i＝0，若多个转向车辆数一样大，则按车A、车B和车C先后优先级确定优先级高的转向i＝1，其他转向i＝0；

3)若N_L\3＝2，首先令

然后确定i，其中，车辆数最小的转向i＝0，其他转向i＝1；若多个转向车辆数一样小，则按车C、车B和车A先后优先级确定优先级高的转向i＝0，其他转向i＝1。

S3界定虚拟预留行及各转向子队列数目

虚拟预留行是在完成不同转向车辆换道至对应车道后，在当前状态第一行前增加空行为车A和车B预留行驶空间，其中增加行数计算过程为：分别计算车A、车B、车C占据全部车道所需要的行数

其中，

表示向上取整，从前至后逐个遍历当前状态寻找第一个车C所在行L₁，则需要增加的空行数为R₀＝R_A+R_B-L₁+1，若R₀＜0，则无需增加虚拟预留行。

所述转向子队列是由目标分布状态中各车道中同一转向的车辆构成；如图1所示，车A子队列A₁是指目标分布状态中位于车道1的车A队列，包含2辆。同一排子队列应尽可能占据对应分离专用道左侧车道；子队列A_i、B_i和C_i代表最后需换道至车道i的车A子队列、车B子队列和车C子队列，其对应转向车辆数目分别为A_in、B_in和C_in，其确定方法相同，以A_in为例：计算N_A\N_L＝R，令

其中，当i＝1，...，R时j＝1，当i＝R+1，...，N_L时j＝0；

表示向上取整。依次确定各转向车辆子队列Ai、Bi和Ci包含车辆数目，其中i＝1，...，N_L。

S4确定各阶段控制任务

任务1：依据各转向子队列的数目确定每个车道协同换道后的应有车辆数，对于各分离专用道，在各自分离专用道上从右到左从前到后(右前-左前-右后-左后)确定各排各转向子队列A_i、B_i和C_i，并依据步骤S3确定的各转向子队列数目统计各车道的车辆数目即为协同换道后的应有车辆数，如图3所示，状态③是每个车道协同换道后的状态。然后不同转向车辆之间纵向分离以确保所有车A能换道至LA分离专用道，所有车B能换道至L_B分离专用道，所有车C能换道至L_C分离专用道；作为一种实施方式，该任务包括以下步骤：

S411确定分离过程需遵循的原则：1)若同一行中不同转向车辆已位于对应前进车道或可同时换道至对应前进车道，则无需纵向分离；2)在纵向分离过程中三种转向车辆前进优先级从高到低为车A、车B、车C；3)若转向相同，在不阻碍换道的情况下，左侧车辆的前进优先级大于右侧车辆的前进优先级；

S412从后往前逐个遍历所有行，每一行中优先级高的转向车辆前进直至每一行中所有车辆不相互阻碍其换道至对应前进车道，车辆每前进一行，当前车辆所在行前的所有车辆需前进一行；统计所有车辆的前进步数，然后同时移动以实现纵向分离；

S413当遍历完所有行后，对于各转向车辆，统计当前状态下换道后分离专用道各车道对应的换道车辆数，若一车道当前状态下换道后对应的换道车辆数少于对应协同换道后的应有车辆数，重复运行步骤1)-2)，直到所有车道上的换道车辆数等于对应协同换道后的应有车辆数；1)从前到后遍历每一行，对于各转向车辆，标记转向车辆数目与转向车辆分离专用道数量相等的行为特征行；2)特征行最右侧车及其前方所有车辆前进一行。

任务2：不同转向车辆协同换道至对应分离专用道，并划分各转向子队列；其中，对于各转向车辆，在各自分离专用道上从右到左从前到后(右前-左前-右后-左后)确定各排各转向子队列A_i、B_i和C_i包含的车辆，其中i代表从右到左各车道，i＝1，...，N_L；所有车辆完成协同换道后在当前行前增加R₀行虚拟预留行；其中，换道规则包括以下步骤：

S421对于各转向车辆，将转向车辆数目与转向车辆分离专用道数目相等的行标记为N_S1，剩余自由换道车辆所在行标记为N_S2，其中，剩余自由换道车辆是分离专用道协同换道后的应有车辆数扣除N_S1后的车辆；

S422对于各转向车辆，N_S1所在行车辆协同换道至对应分离专用道，从后往前遍历N_S2所在行，N_S2所在行自由换道车辆优先换道至对应分离专用道左侧车道直到该车道车辆满足子队列划分；统计所有车辆的换道目标车道，然后同时移动以实现协同换道。

任务3：所有车A沿L_A分离专用道同时前进至第一排所有车A子队列头车到达第一行，不同排紧密排列，同一排子队列头车对齐，且各子队列车A紧密排列；

任务4：完成所有车A的车道调度；车A的调度包括以下步骤：

S441分离专用道L_A上首排车A子队列的所有车A同时向右换道至边缘车道或与其他车辆紧密排列；

S442在S441完成更换一个车道后分离专用道L_A剩余所有车A子队列即可同时前进直至第一行起紧密排列；

S443重复S441和S442直至所有车A子队列都位于第(R_A+1)行前。

任务5：所有满足以右侧车道为目标换道车道的车B子队列和已在目标车道的车B子队列所有车B沿L_B分离专用道同时前进，不同排紧密排列，同一排子队列头车对齐，且各子队列车A紧密排列；

任务6：循环运行1)-2)至任务5中所有满足条件的车B子队列换道至目标车道且从第(R_A+1)行起紧密排列：1)L_B分离专用道当前最前排车B子队列同时换道至目标车道；2)L_B分离专用道剩下满足任务5条件的车B子队列车B同时前进相同距离至最前排车B子队列头车位于第(R_A+1)行；

任务7：每一排位于L_B分离专用道上的车B子队列中位于最前方的车B所在行标记为该排的对齐行，除任务5中满足条件的车B子队列外的所有车B沿L_B分离专用道同时前进至同一排子队列头车行驶至该排的对齐行，且各子队列车B紧密排列；其中，分离专用道各车道均将各子队列按照从前往后的顺序划分为第一排子队列，第二排子队列...，顺序相同的为同一排，如图3状态③中所示，其中第一排位于L_B分离专用道上的车B子队列包括B₁、B₂。

任务8：对于任务7中所有同一排车B子队列，当其中一排对齐行及其后方的该排车B子队列对应换道目标车道上没有其他转向车辆时，该排车B子队列即可同时换道至目标车道，换道完成后的子队列所有车B沿当前车道同时前进至头车位于第(R_A+1)行，且各子队列车B紧密排列；

任务9：第一排车C子队列的所有车C沿L_C分离专用道同时前进至各队列头车位于第(R_A+R_B+1)行，且各子队列车C紧密排列；

任务10：每一排位于L_C分离专用道上的车C子队列中位于最前方的车C所在行标记为该排的对齐行，除任务9中车C子队列外的所有车C沿L_C分离专用道同时前进至同一排子队列头车行驶至该排的对齐行，且各子队列车C紧密排列；

任务11：对于任务10中所有同一排车C子队列，当其中一排对齐行及其后方的该排车C子队列对应换道目标车道上没有其他转向车辆时，该排车C子队列即可同时换道至目标车道，换道完成后的子队列所有车C沿当前车道同时前进至头车位于第(R_A+R_B+1)行，且各子队列车C紧密排列；

S5并行控制各任务进行直至达到目标分布状态

网联自动车群初始分布状态界定为状态①，②-⑦为中间状态，目标分布状态界定为状态⑧；

其中任务1、任务2按顺序执行，任务3、任务4按顺序执行，任务5、任务6按顺序执行，任务7、任务8按顺序执行，任务10、任务11按顺序执行，任务2执行完后，任务3、任务5、任务7、任务9、任务10并行执行，多任务并行控制网络图如图2所示，由于部分任务同时进行，若在任务执行过程中后方车辆与前方车辆相遇，则后方车辆紧密跟随前方车辆直至完成任务。

S6完成所有任务融合形成全过程轨迹

记录各车辆的实时位置坐标，基于车辆运动学模型计算各任务完成需要时间及行驶轨迹，汇总形成从初始状态到目标状态完整的网联自动车群运行轨迹；达到串联排列所需总时间T＝t₁+t₂+max{t₃+t₄，t₅+t₆，t₇+t₈，t₉，t₁₀+t₁₁}。其中t₁，t₂，t₃，t₄，t₅，t₆，t₇，t₈，t₉，t₁₀，t₁₁分别表示各任务的完成时间。

其中，车辆的运动学模型如下：

车辆的运动包括横向运动和纵向运动；

对于横向运动车辆换道，为了降低计算复杂度，单车横向更换一车道的时间固定为T_c；

车辆纵向运动为车辆前进过程，包括匀速保持状态和加速前进状态；匀速保持状态指：所有车辆的初始纵向速度为V₀，在横向换道状态或无加速前进状态时的车辆的纵向速度都为V₀。加速前进状态指：车辆前进以实现对齐或紧密排列等目标时，初始纵向速度和结束纵向速度都为V₀，假设所有自动车同质，其最大速度为V_max，且加减速时一直保持最大纵向加速度为a_max和最大纵向减速度-a_max。

则对于一网联自动车纵向前进过程，根据位置坐标计算实际运动距离为D，其可能经历两类加减速过程：1)若D较小，车辆尚未到达最大速度V_max便开始减速，直到恢复V₀；2)若D较大，车辆在到达最大速度V_max后以最大速度V_max匀速运行一段时间后再开始减速，直到恢复V₀；计算到达目标位置所需的时间T_D，计算方法如下式：

下面以一四车道路段为例，基于多任务并行控制网络图控制网联自动车群达到串联排列，具体步骤如下：

S1确定网联自动车群初始分布状态与目标分布状态

车联网控制中心确定当前网联自动车群作为控制目标，获取道路信息及车辆初始状态，包括车道与车辆总数、各车辆转向与位置分布等，如图3状态①所示。字母A、B、C分别表示左转、直行、右转，所有车辆横向对齐，纵向保持间距D₀＝12m。目标分布状态如图3状态⑧所示：所有左转车在所有直行车和右转车的前方，所有直行车在所有右转车的前方，且各自紧密排列。

S2确定各转向分离专用道

路段车道数为N_L＝4，车A、车B和车C的车辆数分别为N_A＝6、N_B＝9和N_C＝5；计算N_LA＝1、N_LB＝2和N_LC＝1，车A、车B和车C从左到右依此选择N_LA、N_LB和N_LC条车道作为分离专用道，标记为L_A、L_B和L_C；

S3界定虚拟预留行及各转向子队列数目

计算R_A＝2，R_B＝3，R_C＝2，L₁＝1，则R₀＝5，计算A₁＝2，A₂＝2，A₃＝1，A₄＝1，B₁＝3，B₂＝2，B₃＝2，B₄＝2，C₁＝2，C₂＝1，C₃＝1，C₄＝1，确定各转向车辆子队列；

S4-S6确定各阶段控制任务，并行控制各任务进行直至达到目标分布状态，计算各任务所需时间形成全过程轨迹：

将初始分布状态最后一辆车所在位置记为纵向原点，将路段最左侧车道边缘记为横向原点。车道宽度设为3.5m，假设车辆行驶在各车道中线，其横向位置分别为1.75m，5.25m，8.75m，12.25m。记录各车辆任务前后坐标；

本例中各项参数设置如下：初始速度V₀＝2m/s，路段最大速度V_max＝20m/s，最大加速度为3m/s²，最大减速度为-3m/s²，换道时间T_c＝2s。

各任务运行过程如下：

任务1：不同转向车辆之间纵向分离，分离后状态如图3状态②所示，此过程车辆最远相对前进距离D＝7D₀，基于车辆运动学模型计算可得t₁＝10.58s；

任务2：不同转向车辆换道至对应分离专用道，且划分各转向子队列，完成换道后在当前行前增加5行空行，任务2完成后状态如图3状态③所示，其中加黑车辆为各子队列头车，车辆最多更换三次车道，基于车辆运动学模型计算可得t₂＝3*T_C＝6s；

任务3：所有车A沿L_A前进车道同时前进至第一排车A子队列头车到达第一行，不同排紧密排列，同一排队列头车对齐，且各子队列车A紧密排列；此过程车辆最远相对前进距离D＝9D₀，基于车辆运动学模型计算可得t₃＝12s；

任务4：完成所有车A的车道调度：1)A₁子队列的所有车A同时向右更换3个车道；2)在1)完成更换1个车道后分离专用道L_A剩余所有车A子队列同时前进直至第一行起紧密排列；3)A₂子队列的所有车A同时向右更换2个车道；4)在3)完成更换一个车道后分离专用道L_A剩余所有车A子队列同时前进直至第一行起紧密排列；5)A₃子队列的所有车A同时向右更换1个车道；6)在5)完成后剩余所有车A子队列同时前进直至第一行起紧密排列；此过程车辆三次前进分别为2D₀、2D₀、D₀，同时需耗费3次更换1次车道的时间，基于车辆运动学模型计算可得t₄＝5.66×2+4+2×3＝21.32s；

任务5：所有满足以右侧车道为目标换道车道的车B子队列和已在目标车道的车B子队列(B₁、B₂)所有车B沿L_B分离专用道同时前进，至各子队列头车位于第3行，且各子队列车B紧密排列；此过程车辆最远相对前进距离D＝10D₀，基于车辆运动学模型计算可得t₅＝12.67s；

任务6：第一排车B子队列的所有车B同时向右更换1个车道，计算可得t₆＝2s；

任务7：每一排位于L_B分离专用道上的车B子队列中位于最前方的车B所在行标记为该排的对齐行(即B₃的头车位置)，B₃、B₄的所有车B沿L_B分离专用道同时前进至同一排子队列头车头车行驶至该排的对齐行，且各子队列车B紧密排列；此过程车辆最远相对前进距离D＝4D₀，基于车辆运动学模型计算可得t₇＝8s；

任务8：最左侧车A超越B₄队列需耗时t₈₁＝5.66s，然后B₃，B₄子队列同时更换一个车道，耗时t₈₂＝2s，换道完成后的子队列所有车B沿当前车道同时前进至头车位于第3行，且各子队列车B紧密排列，需前进D₂＝9D₀，耗时t₈₃＝12s，则t₈＝t₈₁+t₈₂+t₈₃＝19.66s；；

任务9：第一排车C子队列的所有车C沿L_C分离专用道同时前进至各队列头车位于第6行，且各子队列车C紧密排列，由于C₁队列两辆车已分别位于第6、7行，则t₉＝0s；

任务10：除第一排车C子队列外的所有车C沿L_C分离专用道同时前进至同一排子队列头车行驶至该排的对齐行，且各子队列车C紧密排列；由于C₂，C₃，C₄队列仅有一辆车且已位于要求位置，则t₁₀＝0s；

任务11：对于C₄队列，左侧车B超越其头车所在行需耗时t_c41＝8s，然后C₄队列同时向左更换3个车道，耗时t_c42＝6s，换道完成后的子队列所有车C沿当前车道同时前进至头车位于第6行，且各子队列车C紧密排列，需前进8D₀，耗时t_c43＝11.31s，则t_c4＝t_c41+t_c42+t_c43＝25.31s；对于C₃队列，左侧B₃，B₄队列完成紧密排列和换道耗时t_c31＝8+2＝10s，然后左侧车B超越其头车所在行需耗时t_c32＝4s，然后C₃队列同时向左更换2个车道，耗时t_c33＝4s，换道完成后的子队列所有车C沿当前车道同时前进至头车位于第6行，且各子队列车C紧密排列，需前进6D₀，耗时t_c34＝9.80s，则t_c4＝t_c31+t_c32+t_c33+t_c34＝27.8s；对于C₂队列，左侧B₃，B₄队列完成紧密排列和换道耗时t_c21＝8+2＝10s，然后左侧车B超越其头车所在行需耗时t_c22＝5.66s，然后C₂队列同时向左更换1个车道，耗时t_c23＝2s，换道完成后的子队列所有车C沿当前车道同时前进至头车位于第6行，且各子队列车C紧密排列，需前进4D₀，耗时t_c24＝8s，则t_c2＝t_c21+t_c22+t_c23+t_c24＝25.66s；则任务11完成最大时间t₁₁＝max{t_c2，t_c3，t_c4}＝27.8s；

达到串联排列所需总时间T＝10.58+6+{12+21.32，12.67+2，8+19.66，0，0+27.8}＝49.9s，最大到达距离X＝16D₀+T*V₀＝291.8m，

记录各车辆任务前后的相对位置坐标，汇总形成从初始状态到目标状态完整的网联自动车群运行轨迹，如图4所示，其中t为累计消耗时间，纵向位置x对应着车辆的前进方向，横向位置y对应着车辆的换道方向。每一条连续曲线代表图3中的某一网联自动车从初始时刻到完成目标排列的行驶轨迹，图4包含图3中所有网联自动车的全程运行轨迹。

本发明未尽事宜为公知技术。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于多任务并行控制的网联自动车群串联排列实现方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1针对三车道及以上路段，车联网控制中心实时沟通路段上网联自动车，确定当前网联自动车群作为控制目标，获取道路信息及车辆初始状态，包括车道与车辆总数、各车辆转向与位置分布，确定网联自动车群初始分布状态与目标分布状态；在初始分布状态下，所有车辆横向对齐，纵向保持间距D₀，不同转向对应车辆用车A、车B和车C分别表示；目标分布状态是指同一转向车辆占据所有车道，不同转向车辆前后分离；

S2根据获取的道路信息及车辆初始状态确定各转向分离专用道，其中每个转向至少具有一条转向分离专用道；

S3界定虚拟预留行R₀及各转向子队列的数目；所述虚拟预留行R₀是完成不同转向车辆换道至对应车道后，在当前状态第一行前增加空行为车A和车B预留行驶空间；所述转向子队列是由目标分布状态下各车道中同一转向的车辆构成的队列；

S4确定各阶段控制任务，包括：

任务1：依据各转向子队列的数目确定每个车道协同换道后的应有车辆数，不同转向车辆之间纵向分离以确保所有车A能换道至L_A分离专用道，所有车B能换道至L_B分离专用道，所有车C能换道至L_C分离专用道；

任务2：不同转向车辆协同换道至对应分离专用道，并划分各转向子队列；所有车辆完成协同换道后在当前行前增加R₀行虚拟预留行；

任务3：所有车A沿L_A分离专用道同时前进至第一排所有车A子队列头车到达第一行，不同排紧密排列，同一排子队列头车对齐，且各子队列车A紧密排列；

任务4：完成所有车A的车道调度；

任务5：所有满足以右侧车道为目标换道车道的车B子队列和已在目标车道的车B子队列所有车B沿L_B分离专用道同时前进，至第一排所有车B子队列头车位于第(R_A+1)行，不同排紧密排列，同一排子队列头车对齐，且各子队列车A紧密排列；

任务6：循环运行1)-2)至任务5中所有满足条件的车B子队列换道至目标车道且从第(R_A+1)行起紧密排列：1)L_B分离专用道当前最前排车B子队列同时换道至目标车道；2)L_B分离专用道剩下满足任务5条件的车B子队列车B同时前进相同距离至最前排车B子队列头车位于第(R_A+1)行；

任务7：每一排位于L_B分离专用道上的车B子队列中位于最前方的车B所在行标记为该排的对齐行，除任务5中满足条件的车B子队列外的所有车B沿L_B分离专用道同时前进至同一排子队列头车行驶至该排的对齐行，且各子队列车B紧密排列；

任务8：对于任务7中所有同一排车B子队列,当其中一排对齐行及其后方的该排车B子队列对应换道目标车道上没有其他转向车辆时，该排车B子队列即可同时换道至目标车道，换道完成后的子队列所有车B沿当前车道同时前进至头车位于第(R_A+1)行，且各子队列车B紧密排列；

任务9：第一排车C子队列的所有车C沿L_C分离专用道同时前进至各队列头车位于第(R_A+R_B+1)行，且各子队列车C紧密排列；

任务10：每一排位于L_C分离专用道上的车C子队列中位于最前方的车C所在行标记为该排的对齐行，除任务9中车C子队列外的所有车C沿L_C分离专用道同时前进至同一排子队列头车行驶至该排的对齐行，且各子队列车C紧密排列；

任务11：对于任务10中所有同一排车C子队列,当其中一排对齐行及其后方的该排车C子队列对应换道目标车道上没有其他转向车辆时，该排车C子队列即可同时换道至目标车道，换道完成后的子队列所有车C沿当前车道同时前进至头车位于第(R_A+R_B+1)行，且各子队列车C紧密排列；

S5并行控制各任务进行直至达到目标分布状态；

S6完成所有任务融合形成全过程轨迹。

2.根据权利要求1所述的基于多任务并行控制的网联自动车群串联排列实现方法，其特征在于，所述S2确定各转向分离专用道的方法为：基于车道数和车辆数确定不同转向车辆分离专用道，其中，路段车道数为N_L，车A、车B和车C的车辆数分别为N_A、N_B和N_C，车A、车B和车C从左到右依此选择N_LA、N_LB和N_LC条车道作为分离专用道，N_LA、N_LB和N_LC的确定方法如下：1)若N_L\3＝0，N_LA＝N_LB＝N_LB＝N_L/3，N_L\3表示取余数；2)若N_L\3＝1，首先令

然后确定i，其中，车辆数最大的转向i＝1，其他转向i＝0，若多个转向车辆数一样大，则按车A、车B和车C先后优先级确定优先级高的转向i＝1，其他转向i＝0；3)若N_L\3＝2，首先令

然后确定i，其中，车辆数最小的转向i＝0，其他转向i＝1；若多个转向车辆数一样小，则按车C、车B和车A先后优先级确定优先级高的转向i＝0，其他转向i＝1；

表示向下取整。

3.根据权利要求1所述的基于多任务并行控制的网联自动车群串联排列实现方法，其特征在于，所述S3中，虚拟预留行的计算过程为：分别计算在目标分布状态下，车A、车B、车C占据全部车道所需要的行数

其中，

表示向上取整，从前至后逐个遍历当前状态寻找第一个车C所在行L₁，则需要增加的空行数为R₀＝R_A+R_B-L₁+1，若R₀＜0，则无需增加虚拟预留行；对于各转向车辆，在各自分离专用道上从右到左从前到后(右前-左前-右后-左后)确定各排各转向子队列A_i、B_i和C_i包含的车辆，其中i代表从右到左各车道，i＝1,...,N_L；同一排子队列应尽可能占据对应分离专用道左侧车道。

4.根据权利要求1所述的基于多任务并行控制的网联自动车群串联排列实现方法，其特征在于，所述S5并行控制各任务进行的方法为：任务1、任务2按顺序执行，任务3、任务4按顺序执行，任务5、任务6按顺序执行，任务7、任务8按顺序执行，任务10、任务11按顺序执行，任务2执行完后，任务3、任务5、任务7、任务9与任务10并行执行，若在任务执行过程中后方车辆与前方车辆相遇，则后方车辆紧密跟随前方车辆直至完成任务。

5.根据权利要求1所述的基于多任务并行控制的网联自动车群串联排列实现方法，其特征在于，所述S6完成所有任务融合形成全过程轨迹的方法为：

记录各车辆的实时位置坐标，基于车辆运动学模型计算各任务完成需要时间及行驶轨迹，汇总形成从初始状态到目标状态完整的网联自动车群运行轨迹；达到串联排列所需总时间T＝t₁+t₂+max{t₃+t₄,t₅+t₆,t₇+t₈,t₉,t₁₀+t₁₁}，其中t₁,t₂,t₃,t₄,t₅,t₆,t₇,t₈,t₉,t₁₀,t₁₁分别表示各任务的完成时间。

6.根据权利要求1所述的基于多任务并行控制的网联自动车群串联排列实现方法，其特征在于，所述S4任务1中，不同转向车辆之间纵向分离规则包括以下步骤：

S411确定分离过程需遵循的原则：1)若同一行中不同转向车辆已位于对应前进车道或可同时换道至对应前进车道，则无需纵向分离；2)在纵向分离过程中三种转向车辆前进优先级从高到低为车A、车B、车C；3)若转向相同，在不阻碍换道的情况下，左侧车辆的前进优先级大于右侧车辆的前进优先级；

S412从后往前逐个遍历所有行，每一行中优先级高的转向车辆前进直至每一行中所有车辆不相互阻碍其换道至对应前进车道，车辆每前进一行，当前车辆所在行前的所有车辆需前进一行；统计所有车辆的前进步数，然后同时移动以实现纵向分离；

S413当遍历完所有行后，对于各转向车辆，统计当前状态下换道后分离专用道各车道对应的换道车辆数，若一车道当前状态下换道后对应的换道车辆数少于对应协同换道后的应有车辆数，重复运行步骤1)-2)，直到所有车道上的换道车辆数等于对应协同换道后的应有车辆数；1)从前到后遍历每一行，对于各转向车辆，标记转向车辆数目与转向车辆分离专用道数量相等的行为特征行；2)特征行最右侧车辆及其前方所有车辆前进一行。

7.根据权利要求1所述的基于多任务并行控制的网联自动车群串联排列实现方法，其特征在于，所述S4任务2中，换道规则包括以下步骤：

S421对于各转向车辆，将转向车辆数目与转向车辆分离专用道数目相等的行标记为N_S1，剩余自由换道车辆所在行标记为N_S2，其中，剩余自由换道车辆是分离专用道协同换道后的应有车辆数扣除N_S1后的车辆；

S422对于各转向车辆，N_S1所在行车辆协同换道至对应分离专用道，从后往前遍历N_S2所在行，N_S2所在行自由换道车辆优先换道至对应分离专用道左侧车道直到该车道车辆满足子队列划分；统计所有车辆的换道目标车道，然后同时移动以实现协同换道。

8.根据权利要求1所述的基于多任务并行控制的网联自动车群串联排列实现方法，其特征在于，所述S4任务4中，车A的调度包括以下步骤：

S441分离专用道L_A上首排车A子队列的所有车A同时向右换道至边缘车道或与其他车辆紧密排列；

S442在S441完成更换一个车道后分离专用道L_A剩余所有车A子队列即可同时前进直至第一行起紧密排列；

S443重复S441和S442直至所有车A子队列都位于第(R_A+1)行前。

9.根据权利要求1所述的基于多任务并行控制的网联自动车群串联排列实现方法，其特征在于，所述并行控制过程中的车辆运动学模型如下：

车辆的运动包括横向运动和纵向运动；对于横向运动车辆换道单车横向更换一车道的时间固定为T_c；车辆纵向运动为车辆前进过程，包括匀速保持状态和加速前进状态；匀速保持状态指：所有车辆的初始纵向速度为V₀，在横向换道状态或无加速前进状态时的车辆纵向速度都为V₀。加速前进状态指：车辆前进以实现对齐或紧密排列等目标时，初始纵向速度和结束纵向速度都为V₀，假设所有自动车同质，其最大速度为V_max，且加减速时一直保持最大纵向加速度为a_max和最大纵向减速度-a_max。

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