CN117912264A - 网联交通环境下路段交通流优化组织方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种网联交通环境下路段交通流优化组织方法，包括如下步骤：步骤一：探测上游路段各车道车辆到达信息，对驶入车辆实施分车道速度诱导；步骤二：实施车辆第一次变道，完成从进入车道向目标车道的转换；步骤三：实施车辆第二次变道，均衡车道组内各条车道上的交通流量；步骤四：结合前方交叉口的信号控制方案，对不同车辆制定不同的跟驰策略；步骤五：路段空间功能区的划分。本发明适用于完备的网联道路交通环境，在人机混合驾驶环境下应用前景十分广泛。

Description

网联交通环境下路段交通流优化组织方法

技术领域

本发明属于交通工程领域，是一种网联交通环境下对路段交通流的跟驰、变道行为进行组织优化并动态划分相邻交叉口间路段功能区的方法，以提升人机混合驾驶交通流的通行效率和道路空间资源的利用率。

背景技术

随着自动驾驶和车联网技术的逐渐成熟，道路交通正迈入人机混合驾驶的时代。在未来相当长的一段时间里，道路上的交通流将由自动驾驶车辆和人工驾驶车辆混合组成，人机混合驾驶使得路况变得更加复杂，当前仅面向人工驾驶环境的交通管理与控制方法将无法适应这一新形势下的需求。

网联交通环境下，利用现代通信与网络技术可实时获取所有联网车辆的位置、速度、加速度和转向需求等信息，实现人与车、车与车、车与路之间的信息交换与共享，驾驶员能更好地应对前方路段各种未知交通状况。同时，通过操控智能网联汽车的行驶轨迹和诱导网联人工驾驶汽车的变道、跟驰等行为，能有效避免车辆间的冲突、提升道路空间资源的利用、预防和缓解交通拥堵的发生。此外，合理规划路网内相邻交叉口间路段空间的功能分区，将不同驾驶行为整合在不同功能分区内完成，有助于提升人机混合驾驶环境下交通流运行的流畅性和安全性、提高交叉口进口车道的饱和流率(因变道、插队等驾驶行为在进入交叉口范围前已完成)，进而提升交通节点(交叉口)的通行能力和路网的交通容量。

基于此，提出一种网联交通环境下路段交通流优化组织方法，对路段交通流的跟驰、变道行为进行组织优化并动态划分相邻交叉口间路段空间的功能区，提升路段空间资源的利用效率。

发明内容

本发明为解决上述问题，提出一种网联交通环境下路段交通流优化组织方法。

本发明涉及一种网联交通环境下路段交通流优化组织方法，包括如下步骤：

步骤一：探测上游路段各车道车辆到达信息，对驶入车辆实施分车道速度诱导；

步骤二：实施车辆第一次变道，完成从进入车道向目标车道的转换；

步骤三：实施车辆第二次变道，均衡车道组内各条车道上的交通流量；

步骤四：结合前方交叉口的信号控制方案，对不同车辆制定不同的跟驰策略；

步骤五：路段空间功能区的划分。

进一步地，步骤一中，探测从上游交叉口准备驶入路段的全部网联车辆，采集其运行状态，对路段上n条车道由外向内进行排序，记为k₁,k₂,k₃,k₄,…,k_n，将k₁和k_n车道上的车辆队列记为队列组A₁，设计诱导目标车速v₁，其余车道上的车辆队列记为队列组A₂，设计诱导目标车速为v₂。

当队列组A₁的头车以车速v_cross驶入路段时，诱导车速至目标车速，然后以目标车速匀速行驶，其余车辆跟驰前车行驶。与队列组A₁不同，当队列组A₂的全部车辆均以车速v_cross驶入路段时，才诱导车速至目标车速，然后按照目标车速匀速行驶，其余车辆跟驰前车行驶。当两个队列组的车速均达到目标车速后，队列组A₁和A₂在纵向空间上错位排列，如图2所示。为了实现车辆变道区长度最短，以速度差最大构建目标函数，确定队列组A₁和A₂的诱导目标车速：

w＝max|v₁-v₂|

v₁＝a₁t₁+v_cross,v₂＝a₂t₂+v_cross

v_min≤v₁≤v_max,v_min≤v₂≤v_max

a_dec,max≤a₁≤a_acc,max,a_dec,max≤a₂≤a_acc,max

式中，w—诱导车速的目标函数；v₁—队列组A₁的诱导目标车速；v₂—队列组A₂的诱导目标车速；t₁—队列组A₁由v_cross加速至v₁所需时间；t₂—队列组A₂由v_cross变速至v₂所需时间；v_max—路段最大行驶速度；v_min—路段最小行驶速度；v_cross—通过交叉口的安全车速；a₁—队列组A₁头车加速度；a₂—队列组A₂头车加速度；a_acc,max—车辆最大加速度；a_dec,max—车辆最大减速度。

同时，为了给车辆变道创造足够的空间，选取队列组A₁和A₂的头车在纵向空间错位开始变道：

式中，x_i—k_i车道上的车队长度；—队列组A₁中的最大队列长度；/>—队列组A₂中的最大队列长度；/>—变道开始时队列组A₁的头车所行驶的距离；/>—变道开始时队列组A₂的头车所行驶的距离。

进一步地，步骤二中，获取各车辆在下一交叉口的转向信息，当队列组A₁和A₂的头车在纵向空间错位时，实时扫描队列组在纵向空间已完成错位排列和未完成错位排列的车辆，提示已完成错位排列且未驶入目标车道的车辆开始向相邻车道变道，未完成错位排列的车辆等待队列组进一步错位后再进行变道。已错位排列但未驶入路段的车辆必须在驶入路段后才能变道。当队列组在纵向空间上完全错位后，队列组A₁和A₂中驶入路段的各车辆完成第一次变道，未驶入路段的车辆在驶入路段后立即开始变道，如图3所示。

进一步地，步骤三中，以车道组内各车道交通流量均衡为目标调整各车道上的车辆数。首先，确定车道组内各车道的目标车辆数；然后，识别高于目标车辆数的车道；最后，对每一条识别出的车道，从车辆队尾开始向前扫描，将过多的车辆通过第二次变道调整至目标车道，直至各车道交通流量均衡为止。具体调整方法如下：

设第一次变道结束后车道组l中第q条车道上存在Q_l,q辆进口道排队车辆和Z_l,q辆到达车辆，车道组l中各车道的目标车辆数计算如下：

N_l,q＝Q_l,q+Z_l,q

式中，b_l—车道组l中的车道条数；Q_l,q—第一次变道结束后车道组l中第q条车道上的进口道排队车辆数；Z_l,q—第一次变道结束后车道组l中第q条车道上的到达车辆数；N_l,q—车道组l中第q条车道上的车辆总数；N_l—车道组l中的车辆总数；m_l,q—车道组l中第q条车道的目标车辆数。

当N_l,q>m_l,q时，将该车道识别为车辆数量高于目标车辆数的车道，所有车道记为一个车道集合B_l，共有条。当N_l,q<m_l,q时，将该车道识别为车辆数量少于目标车辆数的车道，所有车道记为一个车道集合C_l，共有/>条。当N_l,q＝m_l,q时，将该车道识别为车辆数量等于目标车辆数的车道，所有车道记为一个车道集合D_l，共有/>条。各车道集合的车道数量关系如下：

同时，计算车道集合B_l中各车道上多的车辆数和车道集合C_l中各车道上少的车辆数，如下式所示：

式中，—车道集合B_l中第i条车道上的车辆总数；/>—车道集合C_l中第j条车道上的车辆总数；/>—车道集合B_l中第i条车道的目标车辆数；/>—车道集合C_l中第j条车道的目标车辆数；/>—车道集合B_l中第i条车道上多的车辆数；/>—车道集合C_l中第j条车道上少的车辆数。

利用车道组内各条车道上交通量的方差来度量车道组内各车道交通流量分布的均衡性，方差越小表示车道组中各车道车辆分配越均衡。其中，V_p,i,j是一个0-1决策变量，当V_p,i,j＝1时，表示车道集合B_l中第i条车道上从车辆队尾开始向前的第p辆车被分配到车道集合C_l中第j条车道上，当V_p,i,j＝0时，表示车道集合B_l中第i条车道上从车辆队尾开始向前的第p辆车没有被分配到车道集合C_l中第j条车道上。基于此，车辆分配的目标函数如下：

式中，—车道集合D_l中第u条车道上的车辆总数；/>—车道组l中所有车道车辆数的算术平均数；/>—车道集合B_l中第i条车道上分配到车道集合C_l中第j条车道上的车辆总数。

其中，V_p,i,j取1或者0，如下式所示：

此外，车道集合B_l中各条车道上多余车辆的分配必须保证每辆车都会分配到车道集合C_l中车道上，且只可以分配到一条车道上：

进一步地，步骤四中，车辆离开变道区驶入速度调整区时，结合前方交叉口的信号控制方案，判断车辆离开速度调整区后能否顺利通过交叉口，以此针对每辆车制定不同的跟驰策略。

车辆能够通过交叉口的条件如下：

(1)剩余绿灯时间大于清空前方所有车辆的时间；

(2)清空前方所有车辆后所剩绿灯时间至少大于一个饱和车头时距；

(3)车辆通过加减速行为足以跟驰至前一辆车。

条件(1)的判断公式如下：

式中，g_clear,l,q,i—清空第二次变道后车道组l第q条车道中第i辆到达车辆前方的所有车辆所需的绿灯时间；g_remain,l,q,i—第二次变道后车道组l第q条车道中第i辆到达车辆抵达速度调整区时的剩余绿灯时间；γ₁—决策变量，等于1表示条件满足，等于0表示条件不满足。

条件(2)的判断公式如下：

式中，—第二次变道后车道组l第q条车道中第i辆到达车辆通过停止线的饱和车头时距；γ₂—决策变量，等于1表示条件满足，等于0表示条件不满足。

条件(3)的判断公式如下：

式中，s_max,l,q,i—第二次变道后车道组l第q条车道中第i辆到达车辆在剩余绿灯时间内以饱和车头时距通过停止线为目标所能行驶的最大距离；x_s—车辆在抵达速度调整区时距离停止线的距离；—第二次变道后车道组l第q条车道中第i辆到达车辆的饱和车头间距；γ₃—决策变量，等于1表示车辆性能足以支持车辆在剩余绿灯时间内通过交叉口，等于0表示车辆在极限情况下也不足以通过交叉口。

当γ₁+γ₂+γ₃＝3时，判定该车辆可以通过交叉口，否则判定该车辆无法通过交叉口。可以通过交叉口的车辆，在速度调整区采取相应加减速的方式跟驰至前方车队，并以饱和车头时距通过交叉口；无法通过交叉口的车辆，调整车速为v_cross，匀速行驶至距目标车道排队队尾的位置减速停车等待。

进一步地，步骤五中，按照车辆在不同区域采取不同的驾驶行为将路段L划分为车辆变道区、速度调整区和跟驰整队区，如图4所示。路段L总长度由三部分组成：

L＝L₁+L₂+L₃

式中，L—相邻交叉口间路段总长；L₁—车辆变道区长度；L₂—速度调整区长度；L₃—跟驰整队区长度。

(1)车辆变道区长度

车辆变道区长度等于队列组A₁头车从驶入路段开始到队列组A₁与A₂完全错位排列时所行驶的距离：

—队列组A₁的头车在达到诱导目标车速后匀速行驶至队列组A₁与A₂完全错位排列时所用的时间。

(2)速度调整区长度

速度调整区的长度由路段总长度减去跟驰整队区长度和车辆变道区的长度之和确定，且其长度必须满足最大车速足以减速至安全通行交叉口车速的约束。其计算公式如下：

L₂＝L-L₁-L₃

式中，a_dec—车辆期望减速度。

(3)跟驰整队区长度

跟驰整队区需满足最大排队车辆数的停车需求，由交叉口信号配时方案及车道饱和车头时距共同确定，计算如下：

L₃＝max{d₁,d₂,d₃,…,d_u}

式中，d_l,q—满足车道组l第q条车道上最大排队车辆数停车需求的区域长度；u—该进口道车道组总数；d_l—满足车道组l最大排队车辆数停车需求的区域长度；g_l—车道组l所对应相位的绿灯时间；I_l,q—车道组l第q条车道上车辆的启动损失时间；—车道组l第q条车道的饱和车头时距；l_safe—停车排队时相邻车辆的安全距离；l_veh—车身长度。

有益效果

本发明提供一种网联交通环境下路段交通流优化组织方法，利用网联车的通信和实时数据共享能力对从上游交叉口驶入路段的车辆实施分车道速度诱导，将两侧车道上的车辆队列与中间车道上的车辆队列在纵向空间上错位排列，为车辆快速完成变道创造条件。同时，构建人机混合驾驶环境下车辆分配模型，均衡车道组内各条车道上的交通流量，并结合前方交叉口的信号控制方案对不同车辆制定不同的跟驰策略。此外，本发明以路段总长度为约束，用单车道最大诱导速度和进口车道最大排队长度将路段动态划分为车辆变道区、速度调整区和跟驰整队区，有助于将不同驾驶行为整合在不同功能分区内完成，可提升人机混合驾驶环境下交通流运行的流畅性和安全性，提高路段及相邻交叉口通行能力9％以上。本发明适用于完备网联交通环境，具有十分广泛的应用前景。

附图说明

图1为本发明实施的流程图。

图2为本发明分车道速度诱导示意图。

图3为本发明纵向空间错位排列变道示意图。

图4为本发明交叉口间路段空间功能区划分示意图。

具体实施方式

以下对本发明实施方式进行具体说明。

本发明提供一种网联交通环境下路段交通流优化组织方法，流程概述如下：

首先，对从上游交叉口驶入路段的车辆实施分车道速度诱导，将两侧车道上的车辆队列与中间车道上的车辆队列在纵向空间上错位排列，为车辆快速完成变道创造条件；

其次，纵向空间错位排列的车辆开始第一次变道，完成从进入车道向目标车道的转换；

然后，构建人机混合驾驶环境下车辆分配模型，实施车辆第二次变道，均衡车道组内各条车道上的交通流量；

接着，结合前方交叉口的信号控制方案，判断车辆能否顺利通过交叉口，对不同车辆制定不同的跟驰策略；

最后，以路段总长度为约束，用单车道最大诱导速度和进口车道最大排队长度将路段动态划分为车辆变道区、速度调整区和跟驰整队区。

所述的一种网联交通环境下路段交通流优化组织方法，优化流程图见图1，优化步骤如下：

步骤一：探测上游路段各车道车辆到达信息，对驶入车辆实施分车道速度诱导

探测从上游交叉口准备驶入路段的全部网联车辆，采集其运行状态，对路段上n条车道由外向内进行排序，记为k₁,k₂,k₃,k₄,…,k_n，将k₁和k_n车道上的车辆队列记为队列组A₁，设计诱导目标车速v₁，其余车道上的车辆队列记为队列组A₂，设计诱导目标车速为v₂。

当队列组A₁的头车以车速v_cross驶入路段时，诱导车速至目标车速，然后以目标车速匀速行驶，其余车辆跟驰前车行驶。与队列组A₁不同，当队列组A₂的全部车辆均以车速v_cross驶入路段时，才诱导车速至目标车速，然后按照目标车速匀速行驶，其余车辆跟驰前车行驶。当两个队列组的车速均达到目标车速后，队列组A₁和A₂在纵向空间上错位排列，如图2所示。为了实现车辆变道区长度最短，以速度差最大构建目标函数，确定队列组A₁和A₂的诱导目标车速：

w＝max|v₁-v₂|

v₁＝a₁t₁+v_cross,v₂＝a₂t₂+v_cross

v_min≤v₁≤v_max,v_min≤v₂≤v_max

a_dec,max≤a₁≤a_acc,max,a_dec,max≤a₂≤a_acc,max

式中，w—诱导车速的目标函数；v₁—队列组A₁的诱导目标车速；v₂—队列组A₂的诱导目标车速；t₁—队列组A₁由v_cross加速至v₁所需时间；t₂—队列组A₂由v_cross变速至v₂所需时间；v_max—路段最大行驶速度；v_min—路段最小行驶速度；v_cross—通过交叉口的安全车速；a₁—队列组A₁头车加速度；a₂—队列组A₂头车加速度；a_acc,max—车辆最大加速度；a_dec,max—车辆最大减速度。

同时，为了给车辆变道创造足够的空间，选取队列组A₁和A₂的头车在纵向空间错位开始变道：

式中，x_i—k_i车道上的车队长度；x_A1—队列组A₁中的最大队列长度；—队列组A₂中的最大队列长度；/>—变道开始时队列组A₁的头车所行驶的距离；/>—变道开始时队列组A₂的头车所行驶的距离。

若图2所示的上游交叉口驶入路段的车辆总数量及车队长度如表1所示，路段最大行驶速度为60km/h，最小行驶速度为30km/h，安全通行交叉口的车速为11m/s，车辆最大加速度为4m/s²，最大减速度为4m/s²。此时，满足约束条件的分车道速度诱导结果为：队列组A₁的头车在驶入路段时，以加速度4m/s²加速1.42s后达到诱导目标车速16.67m/s，匀速行驶3.66s后队列组A₁和A₂的头车在纵向空间错位约24.75m，车辆开始变道，再匀速行驶4.37s后队列组A₁和A₂在纵向空间错位约49.5m。队列组A₂的诱导目标车速为11m/s，在匀速行驶5.08s后，纵向空间错位约24.75m，车辆开始变道，再匀速行驶4.37s后纵向空间完全错位。此时，目标函数取最大值w＝5.67。

表1车辆总数量及车队长度

步骤二：实施车辆第一次变道，完成从进入车道向目标车道的转换

获取各车辆在下一交叉口的转向信息，当队列组A₁和A₂的头车在纵向空间错位时，实时扫描队列组在纵向空间已完成错位排列和未完成错位排列的车辆，提示已完成错位排列且未驶入目标车道的车辆开始向相邻车道变道，未完成错位排列的车辆等待队列组进一步错位后再进行变道。已错位排列但未驶入路段的车辆必须在驶入路段后才能变道。当队列组在纵向空间上完全错位后，队列组A₁和A₂中驶入路段的各车辆完成第一次变道，未驶入路段的车辆在驶入路段后立即开始变道，如图3所示。

若图3内路段车辆的转向信息如表2所示，当队列组A₁的头车进入路段80.59m时，队列组A₂的头车进入路段55.84m，此时错位排列的车辆向相邻目标车道变道，例如k₁车道上第1辆、第3辆和第4辆车变道至k₂车道。随着队列组A₁和A₂的头车在纵向空间上进一步错位，其余变道车辆逐步变道至相邻目标车道。当队列组A₁的头车进入路段153.38m时，队列组A₂的头车进入路段103.88m，队列组A₁和A₂在纵向空间完全错位，由于此时队列组A₁与A₂均已进入路段，因此所有变道车辆完成第一次变道，累计实际变道车辆数为13pcu。

表2车辆转向信息

步骤三：实施车辆第二次变道，均衡车道组内各条车道上的交通流量

以车道组内各车道交通流量均衡为目标调整各车道上的车辆数。首先，确定车道组内各车道的目标车辆数；然后，识别高于目标车辆数的车道；最后，对每一条识别出的车道，从车辆队尾开始向前扫描，将过多的车辆通过第二次变道调整至目标车道，直至各车道交通流量均衡为止。具体调整方法如下：

设第一次变道结束后车道组l中第q条车道上存在Q_l,q辆进口道排队车辆和Z_l,q辆到达车辆，车道组l中各车道的目标车辆数计算如下：

N_l,q＝Q_l,q+Z_l,q

式中，b_l—车道组l中的车道条数；Q_l,q—第一次变道结束后车道组l中第q条车道上的进口道排队车辆数；Z_l,q—第一次变道结束后车道组l中第q条车道上的到达车辆数；N_l,q—车道组l中第q条车道上的车辆总数；N_l—车道组l中的车辆总数；m_l,q—车道组l中第q条车道的目标车辆数。

当N_l,q>m_l,q时，将该车道识别为车辆数量高于目标车辆数的车道，所有车道记为一个车道集合B_l，共有条。当N_l,q<m_l,q时，将该车道识别为车辆数量少于目标车辆数的车道，所有车道记为一个车道集合C_l，共有/>条。当N_l,q＝m_l,q时，将该车道识别为车辆数量等于目标车辆数的车道，所有车道记为一个车道集合D_l，共有/>条。各车道集合的车道数量关系如下：

同时，计算车道集合B_l中各车道上多的车辆数和车道集合C_l中各车道上少的车辆数，如下式所示：

式中，—车道集合B_l中第i条车道上的车辆总数；/>—车道集合C_l中第j条车道上的车辆总数；/>—车道集合B_l中第i条车道的目标车辆数；/>—车道集合C_l中第j条车道的目标车辆数；/>—车道集合B_l中第i条车道上多的车辆数；/>—车道集合C_l中第j条车道上少的车辆数。

利用车道组内各条车道上交通量的方差来度量车道组内各车道交通流量分布的均衡性，方差越小表示车道组中各车道车辆分配越均衡。其中，V_p,i,j是一个0-1决策变量，当V_p,i,j＝1时，表示车道集合B_l中第i条车道上从车辆队尾开始向前的第p辆车被分配到车道集合C_l中第j条车道上，当V_p,i,j＝0时，表示车道集合B_l中第i条车道上从车辆队尾开始向前的第p辆车没有被分配到车道集合C_l中第j条车道上。基于此，车辆分配的目标函数如下：

式中，—车道集合D_l中第u条车道上的车辆总数；/>—车道组l中所有车道车辆数的算术平均数；/>—车道集合B_l中第i条车道上分配到车道集合C_l中第j条车道上的车辆总数。

其中，V_p,i,j只能取1或者0，如下式所示：

此外，车道集合B_l中各条车道上多余车辆的分配必须保证每辆车都会分配到车道集合C_l中车道上，且只可以分配到一条车道上：

若交叉口及路段车道分布如图4所示，直行车道组包含2条车道，左转及右转车道组仅包含1条车道。由步骤二得出直行车道组由外向内的第1条和第2条车道上路段车辆数分别为8pcu和11pcu，假设车辆排队车辆数分别为3pcu和4pcu，则车道上车辆总数分别为11pcu和15pcu，因此直行车道组内2条车道交通流量未达到均衡。根据上述规则可知直行车道组中第1条车道与2车道上的目标车辆数均为13pcu，其中第2条车道上车辆数高于目标车辆数，第1条车道上车辆数少于目标车辆数。因此，车辆二次变道优化结果为：从第2条直行车道的车队队尾向前扫描2pcu变道至第1条直行车道，此时车辆分配的目标函数取最小值0。

步骤四：结合前方交叉口的信号控制方案，对不同车辆制定不同的跟驰策略

车辆离开变道区驶入速度调整区时，结合前方交叉口的信号控制方案，判断车辆离开速度调整区后能否顺利通过交叉口，以此针对每辆车制定不同的跟驰策略。

车辆能够通过交叉口的条件如下：

(1)剩余绿灯时间大于清空前方所有车辆的时间；

(2)清空前方所有车辆后所剩绿灯时间至少大于一个饱和车头时距；

(3)车辆通过加减速行为足以跟驰至前一辆车。

条件(1)的判断公式如下：

式中，g_clear,l,q,i—清空第二次变道后车道组l第q条车道中第i辆到达车辆前方的所有车辆所需的绿灯时间；g_remain,l,q,i—第二次变道后车道组l第q条车道中第i辆到达车辆抵达速度调整区时的剩余绿灯时间；γ₁—决策变量，等于1表示条件满足，等于0表示条件不满足。

条件(2)的判断公式如下：

式中，—第二次变道后车道组l第q条车道中第i辆到达车辆通过停止线的饱和车头时距；γ₂—决策变量，等于1表示条件满足，等于0表示条件不满足。

条件(3)的判断公式如下：

式中，s_max,l,q,i—第二次变道后车道组l第q条车道中第i辆到达车辆在剩余绿灯时间内以饱和车头时距通过停止线为目标所能行驶的最大距离；x_s—车辆在抵达速度调整区时距离停止线的距离；—第二次变道后车道组l第q条车道中第i辆到达车辆的饱和车头间距；γ₃—决策变量，等于1表示车辆性能足以支持车辆在剩余绿灯时间内通过交叉口，等于0表示车辆在极限情况下也不足以通过交叉口。

当γ₁+γ₂+γ₃＝3时，判定该车辆可以通过交叉口，否则判定该车辆无法通过交叉口。可以通过交叉口的车辆，在速度调整区采取相应加减速的方式跟驰至前方车队，并以饱和车头时距通过交叉口；无法通过交叉口的车辆，调整车速为v_cross，匀速行驶至距目标车道排队队尾的位置减速停车等待。

以表3所示的二次变道后直行车道组中各车道到达车辆的CAV与CHV分布为例，假设当直行车道组头车进入速度调整区时直行剩余绿灯时间为19s，距离停止线距离为246.62m，CAV-CAV和CHV-CAV饱和车头时距为1s，CHV-CHV和CAV-CHV饱和车头时距为2s，车辆期望减速度为2.5m/s²，第一条车道上进口道处有3辆车，第二条车道上进口道处有4辆车，则每个到达车辆抵达速度调整区时剩余绿灯时间及清空前方车队时间分布如表4所示，每辆车在剩余绿灯时间内所能行驶的最大距离如表5所示。

根据上述规则，各车辆跟驰策略如下：向第1条直行车道上前7辆和第2条直行车道上前6辆到达车辆发送跟驰通过交叉口的指令，诱导其跟驰前方车队，以速度11m/s通过进口道停止线。对其余车辆发送停车排队指令，诱导其速度为11m/s，匀速行驶至距目标车道排队队尾24.2m的位置减速停车等待。

表3直行车道组到达车辆种类分布

表4剩余绿灯时间及清空前方车队时间分布(s)

表5剩余绿灯时间内行驶最大距离(m)

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步骤五：路段空间功能区的划分

按照车辆在不同区域采取不同的驾驶行为将路段L划分为车辆变道区、速度调整区和跟驰整队区，如图4所示。路段L总长度由三部分组成：

L＝L₁+L₂+L₃

式中，L—相邻交叉口间路段总长；L₁—车辆变道区长度；L₂—速度调整区长度；L₃—跟驰整队区长度。

(1)车辆变道区长度

车辆变道区长度等于队列组A₁头车从驶入路段开始到队列组A₁与A₂完全错位排列时所行驶的距离：

—队列组A₁的头车在达到诱导目标车速后匀速行驶至队列组A₁与A₂完全错位排列时所用的时间。

(2)速度调整区长度

速度调整区的长度由路段总长度减去跟驰整队区长度和车辆变道区的长度之和确定，且其长度必须满足最大车速足以减速至安全通行交叉口车速的约束。其计算公式如下：

L₂＝L-L₁-L₃

式中，a_dec—车辆期望减速度。

(3)跟驰整队区长度

跟驰整队区需满足最大排队车辆数的停车需求，由交叉口信号配时方案及车道饱和车头时距共同确定，计算如下：

L₃＝max{d₁,d₂,d₃,…,d_u}

式中，d_l,q—满足车道组l第q条车道上最大排队车辆数停车需求的区域长度；u—该进口道车道组总数；d_l—满足车道组l最大排队车辆数停车需求的区域长度；g_l—车道组l所对应相位的绿灯时间；I_l,q—车道组l第q条车道上车辆的启动损失时间；—车道组l第q条车道的饱和车头时距；l_safe—停车排队时相邻车辆的安全距离；l_veh—车身长度。

若图4所示的路段长度L＝400m，假设跟驰整队区最长时需满足的车道为直行车道组的第2条车道，绿灯时间为25s，总启动损失时间为3s，车身长度为4m，停车排队时相邻安全车距为0.5m，则满足约束条件的路段空间功能区划分结果为：车辆变道区长度为153.38m，速度调整区长度为156.42m，跟驰整队区长度为90.2m。

本发明的上述内容仅为本发明的较佳实施例，并非用于限制本发明的实施方案，本领域普通技术人员根据本发明的主要构思和精神，可以十分方便地进行相应的变通或修改，故本发明的保护范围应以权利要求书所要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种网联交通环境下路段交通流优化组织方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：探测上游路段各车道车辆到达信息，对驶入车辆实施分车道速度诱导；

步骤二：实施车辆第一次变道，完成从进入车道向目标车道的转换；

步骤三：实施车辆第二次变道，均衡车道组内各条车道上的交通流量；

步骤四：结合前方交叉口的信号控制方案，对不同车辆制定不同的跟驰策略；

步骤五：路段空间功能区的划分。

2.根据权利要求1所述的网联交通环境下路段交通流优化组织方法，其特征在于，步骤一中，探测从上游交叉口准备驶入路段的全部网联车辆，采集其运行状态，对路段上n条车道由外向内进行排序，记为k₁,k₂,k₃,k₄,…,k_n，将k₁和k_n车道上的车辆队列记为队列组A₁，设计诱导目标车速v₁，其余车道上的车辆队列记为队列组A₂，设计诱导目标车速为v₂。

当队列组A₁的头车以车速v_cross驶入路段时，诱导车速至目标车速，然后以目标车速匀速行驶，其余车辆跟驰前车行驶。与队列组A₁不同，当队列组A₂的全部车辆均以车速v_cross驶入路段时，才诱导车速至目标车速，然后按照目标车速匀速行驶，其余车辆跟驰前车行驶。当两个队列组的车速均达到目标车速后，队列组A₁和A₂在纵向空间上错位排列，如图2所示。为了实现车辆变道区长度最短，以速度差最大构建目标函数，确定队列组A₁和A₂的诱导目标车速：

w＝max|v₁-v₂|

v₁＝a₁t₁+v_cross,v₂＝a₂t₂+v_cross

v_min≤v₁≤v_max,v_min≤v₂≤v_max

a_dec,max≤a₁≤a_acc,max,a_dec,max≤a₂≤a_acc,max

式中，w—诱导车速的目标函数；v₁—队列组A₁的诱导目标车速；v₂—队列组A₂的诱导目标车速；t₁—队列组A₁由v_cross加速至v₁所需时间；t₂—队列组A₂由v_cross变速至v₂所需时间；v_max—路段最大行驶速度；v_min—路段最小行驶速度；v_cross—通过交叉口的安全车速；a₁—队列组A₁头车加速度；a₂—队列组A₂头车加速度；a_acc,max—车辆最大加速度；a_dec,max—车辆最大减速度。

同时，为了给车辆变道创造足够的空间，选取队列组A₁和A₂的头车在纵向空间错位开始变道：

式中，x_i—k_i车道上的车队长度；—队列组A₁中的最大队列长度；/>—队列组A₂中的最大队列长度；/>—变道开始时队列组A₁的头车所行驶的距离；/>—变道开始时队列组A₂的头车所行驶的距离。

3.根据权利要求1所述的网联交通环境下路段交通流优化组织方法，其特征在于，步骤二中，获取各车辆在下一交叉口的转向信息，当队列组A₁和A₂的头车在纵向空间错位时，实时扫描队列组在纵向空间已完成错位排列和未完成错位排列的车辆，提示已完成错位排列且未驶入目标车道的车辆开始向相邻车道变道，未完成错位排列的车辆等待队列组进一步错位后再进行变道。已错位排列但未驶入路段的车辆必须在驶入路段后才能变道。当队列组在纵向空间上完全错位后，队列组A₁和A₂中驶入路段的各车辆完成第一次变道，未驶入路段的车辆在驶入路段后立即开始变道，如图3所示。

4.根据权利要求1所述的网联交通环境下路段交通流优化组织方法，其特征在于，步骤三中，以车道组内各车道交通流量均衡为目标调整各车道上的车辆数。首先，确定车道组内各车道的目标车辆数；然后，识别高于目标车辆数的车道；最后，对每一条识别出的车道，从车辆队尾开始向前扫描，将过多的车辆通过第二次变道调整至目标车道，直至各车道交通流量均衡为止。

具体调整方法如下：设第一次变道结束后车道组l中第q条车道上存在Q_l,q辆进口道排队车辆和Z_l,q辆到达车辆，车道组l中各车道的目标车辆数计算如下：

N_l,q＝Q_l,q+Z_l,q

式中，b_l—车道组l中的车道条数；Q_l,q—第一次变道结束后车道组l中第q条车道上的进口道排队车辆数；Z_l,q—第一次变道结束后车道组l中第q条车道上的到达车辆数；N_l,q—车道组l中第q条车道上的车辆总数；N_l—车道组l中的车辆总数；m_l,q—车道组l中第q条车道的目标车辆数。

当N_l,q>m_l,q时，将该车道识别为车辆数量高于目标车辆数的车道，所有车道记为一个车道集合B_l，共有条。当N_l,q<m_l,q时，将该车道识别为车辆数量少于目标车辆数的车道，所有车道记为一个车道集合C_l，共有/>条。当N_l,q＝m_l,q时，将该车道识别为车辆数量等于目标车辆数的车道，所有车道记为一个车道集合D_l，共有/>条。各车道集合的车道数量关系如下：

同时，计算车道集合B_l中各车道上多的车辆数和车道集合C_l中各车道上少的车辆数，如下式所示：

式中，—车道集合B_l中第i条车道上的车辆总数；/>—车道集合C_l中第j条车道上的车辆总数；/>—车道集合B_l中第i条车道的目标车辆数；/>—车道集合C_l中第j条车道的目标车辆数；/>—车道集合B_l中第i条车道上多的车辆数；/>—车道集合C_l中第j条车道上少的车辆数。

利用车道组内各条车道上交通量的方差来度量车道组内各车道交通流量分布的均衡性，方差越小表示车道组中各车道车辆分配越均衡。其中，V_p,i,j是一个0-1决策变量，当V_p,i,j＝1时，表示车道集合B_l中第i条车道上从车辆队尾开始向前的第p辆车被分配到车道集合C_l中第j条车道上，当V_p,i,j＝0时，表示车道集合B_l中第i条车道上从车辆队尾开始向前的第p辆车没有被分配到车道集合C_l中第j条车道上。基于此，车辆分配的目标函数如下：

式中，—车道集合D_l中第u条车道上的车辆总数；/>—车道组l中所有车道车辆数的算术平均数；/>—车道集合B_l中第i条车道上分配到车道集合C_l中第j条车道上的车辆总数。

其中，V_p,i,j只能取1或者0，如下式所示：

此外，车道集合B_l中各条车道上多余车辆的分配必须保证每辆车都会分配到车道集合C_l中车道上，且只可以分配到一条车道上：

。

5.根据权利要求1所述的网联交通环境下路段交通流优化组织方法，其特征在于，步骤四中，车辆离开变道区驶入速度调整区时，结合前方交叉口的信号控制方案，判断车辆离开速度调整区后能否顺利通过交叉口，以此针对每辆车制定不同的跟驰策略。

车辆能够通过交叉口的条件如下：

(1)剩余绿灯时间大于清空前方所有车辆的时间；

(2)清空前方所有车辆后所剩绿灯时间至少大于一个饱和车头时距；

(3)车辆通过加减速行为足以跟驰至前一辆车。

条件(1)的判断公式如下：

式中，g_clear,l,q,i—清空第二次变道后车道组l第q条车道中第i辆到达车辆前方的所有车辆所需的绿灯时间；g_remain,l,q,i—第二次变道后车道组l第q条车道中第i辆到达车辆抵达速度调整区时的剩余绿灯时间；γ₁—决策变量，等于1表示条件满足，等于0表示条件不满足。

条件(2)的判断公式如下：

式中，—第二次变道后车道组l第q条车道中第i辆到达车辆通过停止线的饱和车头时距；γ₂—决策变量，等于1表示条件满足，等于0表示条件不满足。

条件(3)的判断公式如下：

式中，s_max,l,q,i—第二次变道后车道组l第q条车道中第i辆到达车辆在剩余绿灯时间内以饱和车头时距通过停止线为目标所能行驶的最大距离；x_s—车辆在抵达速度调整区时距离停止线的距离；—第二次变道后车道组l第q条车道中第i辆到达车辆的饱和车头间距；γ₃—决策变量，等于1表示车辆性能足以支持车辆在剩余绿灯时间内通过交叉口，等于0表示车辆在极限情况下也不足以通过交叉口。

当γ₁+γ₂+γ₃＝3时，判定该车辆可以通过交叉口，否则判定该车辆无法通过交叉口。可以通过交叉口的车辆，在速度调整区采取相应加减速的方式跟驰至前方车队，并以饱和车头时距通过交叉口；无法通过交叉口的车辆，调整车速为v_cross，匀速行驶至距目标车道排队队尾的位置减速停车等待。

6.根据权利要求1所述的网联交通环境下路段交通流优化组织方法，其特征在于，步骤五中，按照车辆在不同区域采取不同的驾驶行为将路段L划分为车辆变道区、速度调整区和跟驰整队区，如图4所示。路段L总长度由三部分组成：

L＝L₁+L₂+L₃

式中，L—相邻交叉口间路段总长；L₁—车辆变道区长度；L₂—速度调整区长度；L₃—跟驰整队区长度。

(1)车辆变道区长度

车辆变道区长度等于队列组A₁头车从驶入路段开始到队列组A₁与A₂完全错位排列时所行驶的距离：

—队列组A₁的头车在达到诱导目标车速后匀速行驶至队列组A₁与A₂完全错位排列时所用的时间。

(2)速度调整区长度

速度调整区的长度由路段总长度减去跟驰整队区长度和车辆变道区的长度之和确定，且其长度必须满足最大车速足以减速至安全通行交叉口车速的约束。其计算公式如下：

L₂＝L-L₁-L₃

式中，a_dec—车辆期望减速度。

(3)跟驰整队区长度

跟驰整队区需满足最大排队车辆数的停车需求，由交叉口信号配时方案及车道饱和车头时距共同确定，计算如下：

L₃＝max{d₁,d₂,d₃,…,d_u}

式中，d_l,q—满足车道组l第q条车道上最大排队车辆数停车需求的区域长度；u—该进口道车道组总数；d_l—满足车道组l最大排队车辆数停车需求的区域长度；g_l—车道组l所对应相位的绿灯时间；I_l,q—车道组l第q条车道上车辆的启动损失时间；—车道组l第q条车道的饱和车头时距；l_safe—停车排队时相邻车辆的安全距离；l_veh—车身长度。