CN115440060A - 一种基于车路协同的动态车道管理方法和*** - Google Patents

一种基于车路协同的动态车道管理方法和*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于车路协同的动态车道管理方法和***，该方法包括获取驶入待切换车道最后一辆车的速度信息，控制车道切换控制单本发明公开了一种基于车路协同的动态车道管理方法和***，该方法包括获取车辆所在路段各类交通信息数据并根据采集信息数据搭建相关交通流数学模型，从而得到各个时间段各路段各方向的车流密度数据根据车道切换的判定条件进行判定所需切换方向的车道，云端管理平台发送指令控制路侧智能设备进行车道方向元进行车道切换，使道路分割灯光线跟随该车的行驶情况进行灯光颜色的变换，避免相邻对向车道上车辆提前驶入待切换车道，完成车道方向切换后将信息推送给驾驶员，进行下一步变道驾驶操作。

Description

一种基于车路协同的动态车道管理方法和***
技术领域
本发明属于紧固设备技术领域，更具体地，涉及一种基于车路协同的动态车道管理方法和***。
背景技术
随着经济与科技的发展，人们的生活水平不断提高，汽车作为最主要的交通工具步入了千家万户，在城市道路中，交通拥堵、交通事故等交通问题频发，因此，各类汽车安全和城市交通问题随之也越来越受到重视。近年来，5G、车联网、大数据、云计算以及道路电子技术飞速发展，其中，车路协同V2X(Vehicle to Everything，车载单元与其他设备通讯)通信技术的发展最为迅猛。车路协同作为未来智能交通***的重要研究和发展方向，是现在专家学者等研究的热点，引起了人们的巨大关注。车路协同***是以先进的无线通信技术为基础，通过车辆与车辆之间的信息交互、车辆与道路基础设施之间的信息共享，使得交通资源得到最优配置，来提高车辆出行安全和缓解交通拥堵为目标的交通***，其关键便是实现人、车、路一体化的协调发展，构建安全畅通、绿色高效、经济便捷的现代化交通体系。
专利CN113345239A公开了一种动态车道切换控制方法、装置、电子设备及存储介质，其方法包括：获取当前进口道中动态车道的初始排队长度和初始排队累积速度；动态车道包括目标车道以及可变导向车道，第一方向为可变导向车道当前通行方向，第二方向为可变导向车道切换后的通行方向；目标车道通行方向为第一方向或第二方向；获取可变导向车道预切换后的进口道中动态车道的切换排队长度和切换排队累积速度；根据初始排队长度、初始排队累积速度、切换排队长度和切换排队累积速度确定是否要切换可变导向车道的通行方向；当要切换时，控制可变导向车道通行方向从第一方向至第二方向。
该专利虽然给出了明确的条件，但未公开道路方向动态切换的执行方法，未给出车道方向动态切换时，如何保证正在行驶车辆的安全方法，不能保障形成安全，甚至在切换车道时会导致相向行驶的车辆碰撞造成交通事故，使道路更加拥堵。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供一种基于车路协同的动态车道管理方法，包括如下步骤：实时获取车辆所在路段的道路环境信息数据和车辆上传采样数据；根据采集信息数据搭建相关交通流数学模型，对采集信息数据进行修正和分析，从而得到各个时间段各路段各方向的车流密度数据；根据车道切换的判定条件进行判定所需切换方向的车道，云端管理平台发送指令控制路侧智能设备进行车道方向切换；路侧智能设备根据车载网联终端上传数据，获取驶入待切换车道最后一辆车的速度信息，控制车道切换控制单元进行车道切换，使道路分割灯光线跟随该车的行驶情况进行灯光颜色的变换，避免相邻对向车道上车辆提前驶入待切换车道；完成车道方向切换后，将完成切换信息上传给云端管理平台，云端管理平台将该信息推送给即将进入该路段的车辆，通过HMI展示给驾驶员，进行下一步变道驾驶操作。
进一步地，所述根据车道切换的判定条件进行判定所需切换方向的车道，包括如下执行步骤：获取行驶方向为A的车流密度ρA及车道数量为m，单个车道的车流密度为
Figure BDA0003773027530000021
获取行驶方向为B的车流密度ρB及车道数量n，单个车道的车流密度为
Figure BDA0003773027530000022
满足条件
Figure BDA0003773027530000023
则增加行驶方向为A的车道，减少行驶方向为B的车道；满足条件
Figure BDA0003773027530000024
则增加行驶方向为B的车道，减少行驶方向为A的车道。
进一步地，所述从而得到各个时间段各路段各方向的车流密度数据，包括如下步骤：
获取单位时间T内通过观测点的车数量N，得到交通流流量q，其表达公式如下：
Figure BDA0003773027530000031
获取平均通行速度v，其通过调和平均速度求出，其表达公式如下：
Figure BDA0003773027530000032
上述式中，vi为第i辆车的速度；
通过交通流流量q与平均速度v可求出车道上的车流密度ρ，其表达公式如下：
Figure BDA0003773027530000033
进一步地，所述车辆上传采样数据通过插值处理，以确保数据采样同步，并降低数据采样周期。
进一步地，所述车辆上传的采样数据包括GPS定位装置采集的经纬度坐标数据，该数据插值处理包括如下步骤：获取标定插值前GPS定位装置采集的经纬度坐标分别为L0和B0；获取插值时间间隔Δt，车辆行驶速度v，车辆航向角
Figure BDA0003773027530000034
以及同一经度下纬度增加一度的距离l，从而求出经纬度坐标的插值偏移量，插值偏移量表达公式如下：
Figure BDA0003773027530000041
根据插值偏移量求出插值后的经度坐标L和纬度坐标B，表达公式如下：
Figure BDA0003773027530000042
进一步地，述云端管理平台发送指令控制路侧智能设备进行车道方向切换包括以下步骤：确定需换向的车道对应的交通指示灯转为红色，禁止车辆继续驶入还未换向的车道；根据车辆的GPS惯导等定位装置识别出进入该车道的最后一辆车；根据车载网联终端上传的最后一辆车的速度信息，路侧智能设备控制道路分割灯光线上的指示灯跟随该车的行驶情况进行灯光颜色的变换，即在该车辆行驶过后，其所在车道与对向车道之间的道路分割灯光线指示灯变为绿色，对向车道的车辆可进行换道进入该车道，其与相邻的同向车道之间的道路分割灯光线指示灯变为红色，禁止后续的同向车辆驶入该车道。
按照本发明的另一个方面，还提供一种基于车路协同的动态车道管理***，包括车辆、道路智能平台和云端管理平台，三者之间通过信息交互将信息进行共享，其中：所述车辆包括车载网联终端、人机交互设备、车载传感器、GPS惯导定位装置；所述道路智能平台包括车道、车道切换控制单元、路侧智能设备及路侧传感器；所述云端管理平台包括信息采集功能模块、信息处理功能模块和信息记录储存功能模块。
进一步地，所述车道切换控制单元包括道路分割灯光线，其与路侧智能设备通信相连；所述道路分割灯光线包括道路分割线和多个离散设于道路分割线上的指示灯，所述指示灯预埋于道路分割线处，其与路面平齐，可发出红、绿两色灯光指导车道方向切换。
按照本发明的另一个方面，还提供一种电子设备，其特征在于，包括：至少一个处理器、至少一个存储器和通信接口；其中，所述处理器、存储器和通信接口相互间进行通信；所述存储器存储有可被所述处理器执行的程序指令，所述处理器调用所述程序指令，以执行本发明的基于车路协同的动态车道管理方法。
按照本发明的另一个方面，还提供一种非暂态计算机可读存储介质，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令使所述计算机执行本发明的基于车路协同的动态车道管理方法。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
(1)本发明的一种基于车路协同的动态车道管理方法，给出了车道方向动态切换的执行方案，缓解了交通拥堵的同时，控制车道切换控制单元进行车道切换，使道路分割灯光线上的指示灯跟随者该车的行驶情况进行灯光颜色的变换，避免相邻对向车道上车辆提前驶入待切换车道，保障车辆道路行驶的安全畅通。
(2)本发明的一种基于车路协同的动态车道管理方法，通过对车辆上传的采样信息数据进行插值法处理，确保不同传感器的数据同步采样并降低数据采样周期，避免了不同传感器因采样频率不相同而导致获取的车辆行驶状态信息存在较大的时间延迟。
附图说明
图1为本发明实施例中一种基于车路协同的动态车道管理***的架构图；
图2为本发明实施例中车道和道路分割灯光线的结构示意图；
图3为本发明实施例中道路分割灯光线跟随车辆进行颜色变换从而动态切换车道方向的示意图；
图4本发明实施例中车道方向安全切换的流程示意图；
图5本发明实施例中车路协同的动态车道管理***的工作流程示意图；
图6为本发明实施例中一种基于车路协同的动态车道管理方法的流程示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，本发明提供一种基于车路协同的动态车道管理***，包括车辆、道路智能平台和云端管理平台，所述车辆包括车载网联终端、人机交互设备(Human-MachineInterface，HMI)、车载传感器、GPS惯导定位装置；所述道路智能平台包括车道、车道切换控制单元、路侧智能设备及路侧传感器；所述云端管理平台包括信息采集功能模块、信息处理功能模块和信息记录储存功能模块。通过车辆、道路智能平台和云端管理平台上设有的功能单元，可实现三者之间的信息交互，将信息进行共享，进而实现多个路段的成一体化管理，使得交通资源得到最优配置。
其中，所述车辆的车载网联终端具备和其他车辆、路侧智能设备以及云平台进行数据交互以及环境信息处理的能力，然后根据处理后的信息判断是否发出预警、发出何种预警和提供相应的驾驶建议并转发给人机交互设备(Human-Machine Interface，HMI)；HMI用于显示或播报预警信息和相应的驾驶建议；车载传感器用于感知本车周围的交通环境信息并将感知到的环境信息发送给车载网联终端；GPS惯导定位装置用于获取本车的位置和行驶方向信息并发送给车载网联终端。
所述道路智能平台的车道供车辆在其上面进行有序安全通行；车道切换控制单元用于控制车道行驶方向或其他物理结构的变化以保证车辆通行安全和提高道路通行效率；路侧智能设备用于与车辆和云端管理平台进行数据交互；路侧传感器用于感知本路段道路环境信息并将感知到的环境信息发送给路侧智能设备，所述道路环境信息为所在路段的水位、风向及风力等级、降雨及降雨等级、雾及路面可见度、温度等环境信息，将相应传感器检测信息发送给路侧智能设备上传至云端管理平台进行处理后，对此路段车辆进行广播预警。
所述云端管理平台的信息采集功能模块用于接收车载网联终端和路侧智能设备上传的车辆行驶状态和道路环境信息并为***应用功能提供输入；信息处理功能模块用于将采集到的数据进行统一处理，根据获取的数据搭建相应的交通流数学模型，根据数学模型对采集的信息进行修正和分析；信息记录储存功能模块用于分析处理后有价值的数据和数学模型存储记录为***功能提供输入。
为进行计算模拟，定义如下有关交通流流量及平均速度的数学模型从而获取车流密度数据：
交通流流量指单位时间T内通过观测点的车数量N，用以下公式表示：
Figure BDA0003773027530000071
平均通行速度v以调和平均速度为准，用下式表示：
Figure BDA0003773027530000072
上述式中，vi为第i辆车的速度；
车道上车流密度ρ可通过交通流流量与平均速度算出：
Figure BDA0003773027530000073
本发明的管理***进行初阶段运行时，车辆、道路智能平台和云端管理平台三者所包含的各功能单元及模块运行正常，三者之间互联建立数据连接通道进行数据通信。由于V2X车载设备单元的数据发送取决于自身定位***，当定位失效时，V2X车载设备单元不向外广播消息，其发送频率和定位数据更新频率通过相同，这造成不同传感器的采样频率并不相同，从而会导致获取的车辆行驶状态信息存在较大的时间延迟，因此若采样的数据并不在同一时间点和延迟比较大时，那么获取的信息是毫无意义的。由于GPS惯导定位装置采样频率低，因此需要GPS惯导定位装置所采集的车辆状态信息参数进行插值处理，以确保不同传感器的数据同步采样并降低数据采样周期。
标定插值前GPS惯导定位装置采集的经纬度坐标分别为L0和B0，插值后的经纬度坐标为L和B，则有以下插值公式：
Figure BDA0003773027530000081
其中ΔL与ΔB分别表示经纬度坐标的插值偏移量，计算公式为：
Figure BDA0003773027530000082
其中，v表示车辆行驶速度，Δt表示插值时间间隔，
Figure BDA0003773027530000083
表示车辆航向角，l表示同一经度下纬度增加一度的距离。
同理，GPS惯导定位装置采集的其余参数以相同的计算原理来进行插值处理，最终确保所有车载传感器上的数据采集时间上的同步并降低了采样周期，从而达到各模型的输入要求。
完成各车辆的采样数据同步后，车辆通过车载网联终端实时上传车辆位置、行驶方向、速度、加速度和行驶路径等行驶状态信息给云端管理***，路侧传感器感知本路段道路环境信息并将感知到的环境信息通过路侧智能设备上传给云端管理***。云端管理***实时获取各路段的车辆行驶状况，对获取到的道路信息进行统一处理，搭建交通流数学模型便可获取各个时间段各路段各方向的交通流量，根据交通流量动态调节各路段各车道各时间段内的行驶方向。当车道允许的行驶方向发生变换时，云端管理***将控制指令发送给路侧智能设备，路侧智能设备控制车道切换控制单元改变车道行驶方向，完成切换之后，将车道切换完成的信息上传给云端管理平台，云端管理平台将该信息推送给即将进入该路段的车辆，车辆通过搭载HMI展示给驾驶员。
所述云端管理***在获取道路信息后，可依据如下车道切换判定条件，进行车道方向的动态切换：获取行驶方向为A的车流密度ρA及车道数量为m，单个车道的车流密度为
Figure BDA0003773027530000091
获取行驶方向为B的车流密度ρB及车道数量n，单个车道的车流密度为
Figure BDA0003773027530000092
满足条件
Figure BDA0003773027530000093
则增加行驶方向为A的车道，减少行驶方向为B的车道；满足条件
Figure BDA0003773027530000094
则增加行驶方向为B的车道，减少行驶方向为A的车道。
如图3所示，为确保车道方向动态切换时，对向车辆能安全行驶，所述车道切换控制单元包括道路分割灯光线，其与路侧智能设备通信相连，由路侧智能设备控制变换指示灯光颜色，进行变换车道行驶方向。所述道路分割灯光线包括道路分割线和多个离散设于道路分割线上的指示灯，所述指示灯预埋于道路分割线处，其与路面平齐，避免对车辆换道产生干扰，其可发出红、绿两色灯光，当发出红色灯光时，处于道路分割灯光线两侧车道上的车辆禁止相互间换道；当发出绿色灯光时，处于道路分割灯光线两侧车道上的车辆可在保证安全通行的条件下相互间进行换道。进一步地，如图4所示，为避免发出绿色灯光时，道路分割灯光线上两侧车道存在的对向车辆因换道产生交通事故，云端管理平台下发车道行驶方向变换指令时，确定需换向的车道对应的交通指示灯转为红色，禁止车辆继续驶入还未换向的车道，根据车辆的GPS惯导等定位装置识别出进入该车道的最后一辆车，根据车载网联终端上传的最后一辆车的速度信息，路侧智能设备控制道路分割灯光线上的指示灯跟随该车的行驶情况进行灯光颜色的变换，即在该车辆行驶过后，其所在车道与对向车道之间的道路分割灯光线指示灯变为绿色，对向车道的车辆可进行换道进入该车道，其与相邻的同向车道之间的道路分割灯光线指示灯变为红色，禁止后续的同向车辆驶入该车道，从而避免了对向车辆因换道产生交通事故，同时也避免了对向车辆等待车道换向等待时间，提高了通行效率。
如图5-6所示，本发明还提供一种基于车路协同的动态车道管理方法，包括如下步骤：
S100：实时获取车辆所在路段的道路环境信息数据和车辆上传采样数据；
S200：根据采集信息数据搭建相关交通流数学模型，对采集信息数据进行修正和分析，从而得到各个时间段各路段各方向的车流密度数据；
S300：根据车道切换判定条件，云端管理平台发送指令控制路侧智能设备进行车道方向切换；
S400：路侧智能设备根据车载网联终端上传数据，获取驶入待切换车道最后一辆车的速度信息，控制车道切换控制单元进行车道切换，使道路分割灯光线上的指示灯跟随者该车的行驶情况进行灯光颜色的变换，避免相邻对向车道上车辆提前驶入待切换车道；
S500：完成车道方向切换后，将完成切换信息上传给云端管理平台，云端管理平台将该信息推送给即将进入该路段的车辆，通过HMI展示给驾驶员，进行下一步变道驾驶操作。
本发明实施例中，基于上述车路协同的动态车道管理方法，本发明还提供一种电子设备，所述电子设备包括至少一个处理器、至少一个存储器和通信接口，其中所述处理器、存储器和通信接口相互间进行通信；所述存储器存储有可被所述处理器执行的程序指令，所述处理器调用所述程序指令，用于进行车道切换方向的动态调节。
相应地，本发明实施例还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其特征在于，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，所述程序或指令被处理器执行时，能够实现上述各方法实施例提供的方法步骤或功能。
本发明提供的一种基于车路协同的动态车道管理方法，给出了车道方向动态切换的执行方案，缓解了交通拥堵的同时，控制车道切换控制单元进行车道切换，使道路分割灯光线上的指示灯跟随者该车的行驶情况进行灯光颜色的变换，避免相邻对向车道上车辆提前驶入待切换车道，保障车辆道路行驶的安全畅通。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于车路协同的动态车道管理方法，其特征在于，包括如下步骤：
实时获取车辆所在路段的道路环境信息数据和车辆上传采样数据；根据采集信息数据搭建相关交通流数学模型，对采集信息数据进行修正和分析，从而得到各个时间段各路段各方向的车流密度数据；
根据车道切换的判定条件进行判定所需切换方向的车道，云端管理平台发送指令控制路侧智能设备进行车道方向切换；
路侧智能设备根据车载网联终端上传数据，获取驶入待切换车道最后一辆车的速度信息，控制车道切换控制单元进行车道切换，使道路分割灯光线跟随该车的行驶情况进行灯光颜色的变换，避免相邻对向车道上车辆提前驶入待切换车道；
完成车道方向切换后，将完成切换信息上传给云端管理平台，云端管理平台将该信息推送给即将进入该路段的车辆，通过人机交互设备展示给驾驶员，进行下一步变道驾驶操作。
2.根据权利要求1所述的一种基于车路协同的动态车道管理方法，其特征在于，所述根据车道切换的判定条件进行判定所需切换方向的车道，包括如下执行步骤：
获取行驶方向为A的车流密度ρA及车道数量为m，单个车道的车流密度为
Figure FDA0003773027520000011
获取行驶方向为B的车流密度ρB及车道数量n，单个车道的车流密度为
Figure FDA0003773027520000012
满足条件
Figure FDA0003773027520000013
则增加行驶方向为A的车道，减少行驶方向为B的车道；
满足条件
Figure FDA0003773027520000021
则增加行驶方向为B的车道，减少行驶方向为A的车道。
3.根据权利要求2所述的一种基于车路协同的动态车道管理方法，其特征在于，所述从而得到各个时间段各路段各方向的车流密度数据，包括如下步骤：
获取单位时间T内通过观测点的车数量N，得到交通流流量q，其表达公式如下：
Figure FDA0003773027520000022
获取平均通行速度v，其通过调和平均速度求出，其表达公式如下：
Figure FDA0003773027520000023
上述式中，vi为第i辆车的速度；
通过交通流流量q与平均速度v可求出车道上的车流密度ρ，其表达公式如下：
Figure FDA0003773027520000024
4.根据权利要求1所述的一种基于车路协同的动态车道管理方法，其特征在于，所述车辆上传的采样数据通过插值处理，以确保数据采样同步，并降低数据采样周期。
5.根据权利要求4所述的一种基于车路协同的动态车道管理方法，其特征在于，所述车辆上传的采样数据包括GPS定位装置采集的经纬度坐标数据，该数据插值处理包括如下步骤：
获取标定插值前GPS定位装置采集的经纬度坐标分别为L0和B0；
获取插值时间间隔Δt，车辆行驶速度v，车辆航向角
Figure FDA0003773027520000025
以及同一经度下纬度增加一度的距离l，从而求出经纬度坐标的插值偏移量，插值偏移量表达公式如下：
Figure FDA0003773027520000031
根据插值偏移量求出插值后的经度坐标L和纬度坐标B，表达公式如下：
Figure FDA0003773027520000032
6.根据权利要求1所述的一种基于车路协同的动态车道管理方法，其特征在于，所述云端管理平台发送指令控制路侧智能设备进行车道方向切换包括以下步骤：
确定需换向的车道对应的交通指示灯转为红色，禁止车辆继续驶入还未换向的车道；
根据车辆的GPS惯导等定位装置识别出进入该车道的最后一辆车；
根据车载网联终端上传的最后一辆车的速度信息，路侧智能设备控制道路分割灯光线上的指示灯跟随该车的行驶情况进行灯光颜色的变换，即在该车辆行驶过后，其所在车道与对向车道之间的道路分割灯光线指示灯变为绿色，对向车道的车辆可进行换道进入该车道，其与相邻的同向车道之间的道路分割灯光线指示灯变为红色，禁止后续的同向车辆驶入该车道。
7.一种基于车路协同的动态车道管理***，其特征在于，包括车辆、道路智能平台和云端管理平台，三者之间通过信息交互将信息进行共享，其中：
所述车辆包括车载网联终端、人机交互设备、车载传感器、GPS惯导定位装置；
所述道路智能平台包括车道、车道切换控制单元、路侧智能设备及路侧传感器；
所述云端管理平台包括信息采集功能模块、信息处理功能模块和信息记录储存功能模块。
8.根据权利要求7所述的一种基于车路协同的动态车道管理***，其特征在于，所述车道切换控制单元包括道路分割灯光线，其与路侧智能设备通信相连；
所述道路分割灯光线包括道路分割线和多个离散设于道路分割线上的指示灯，所述指示灯预埋于道路分割线处，其与路面平齐，可发出红、绿两色灯光指导车道方向切换。
9.一种电子设备，其特征在于，包括：
至少一个处理器、至少一个存储器和通信接口；其中，
所述处理器、存储器和通信接口相互间进行通信；
所述存储器存储有可被所述处理器执行的程序指令，所述处理器调用所述程序指令，以执行权利要求1至7中任一项权利要求所述的基于车路协同的动态车道管理方法。
10.一种非暂态计算机可读存储介质，其特征在于，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令使所述计算机执行权利要求1至7中任一项权利要求所述的基于车路协同的动态车道管理方法。
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