一種車流擁堵中車輛群自主協(xié)同調度的智能疏導方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明設及智能交通領域，特別設及一種車流擁堵中車輛群自主協(xié)同調度的智能 疏導方法。
【背景技術】
[0002] 近年來，交通堵塞是我國大中城市中普遍存在的難題，特別是局部的、短暫的行車 擁堵發(fā)生頻率非常高，對城市交通整體運行效率影響很大。在道路交通領域中一般將道路 狀況分為:正常通行、擁擠、事故堵塞、施工等四類，其中，道路因為事故和施工等完全堵塞， 車輛必須繞道行駛，運是一類交通堵塞的問題，必須由現(xiàn)場人員指揮或交通管制來解決;另 一類是由正常行駛變?yōu)閾頂D或部分堵塞的情況，如某路段車道數(shù)減少、車流高峰期擁擠行 駛、慢車占快車道或交通事故占用了部分車道，車流可緩慢通行，運一類交通擁堵問題無論 在高速公路還是城市街道或路口都頻繁發(fā)生，車輛一般不會繞道通行或沒有可選道路，只 能等待通過擁堵的路段，在運類情況下，司機由于不能及時了解擁堵車流的通行狀況，常出 于焦慮或急迫屯、態(tài)的原因，不斷發(fā)生變道、搶道、插隊等行為，使得局部車流混亂，不僅降低 了擁堵車流整體的通行效率，而且?guī)Я私煌ㄊ鹿孰[患，加重道路擁堵程度。針對此類交通擁 堵問題，本專利提出了 一種車流疏導的解決方法及其實現(xiàn)技術。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術的缺點與不足，提供一種車流擁堵中車輛群自主 協(xié)同調度的智能疏導方法，建立一類智能車載終端無線組網(wǎng)與行車信息處理的系統(tǒng)，在車 輛擁堵情況下車輛間基于無線數(shù)據(jù)交互實現(xiàn)自主疏導，提高車輛群的通行效率和安全性。
[0004] 本發(fā)明的目的通過W下的技術方案實現(xiàn)：
[0005] -種車流擁堵中車輛群自主協(xié)同調度的智能疏導方法，包含W下步驟：
[0006] S1、建立擁堵情形下車輛跟馳模型與車流的動態(tài)結構模型，給出擁堵車流通行效 率的最優(yōu)指標函數(shù)及其計算方法；
[0007] S2、采用車載無線終端獲取本車及整個車道的行車狀況數(shù)據(jù)，根據(jù)單輛車和車流 的狀態(tài)模型確定該車輛位置信息和最優(yōu)行車指令，通過人機界面展現(xiàn)或語音接口播報給駕 駛員。
[000引所述步驟S1，具體為：
[0009] 車流在某一時刻t由于某種原因在一個距離為L(t)的路段形成擁堵，N(t)輛車聚 集并緩慢通過該擁堵路段，車輛數(shù)目N(t)隨著前車通過擁堵段和后面車輛不斷加入而變 化，N( t) ^0表示擁堵消散過程；
[0010] 車輛按照通行車道分成k隊，其中k=l，2，···，對應擁堵車流可通行的車道數(shù)目，第 η輛車在t時刻的車速用一組向量表示巧(勺二W 1'", (?)，Vnf(t)、Vrd(t)、Vnr(t) 分別表示第η輛車向前、向左、向右Ξ個方向的速度大小（單位:m/s)，其中n = l，2,3,…，N (t)，按照車流前行的逆方向排序；
[0011]第。輛車在t時刻與相鄰車輛之間的距離用向量方。W二屯,的fi,,r州表 示，dnf、dnl、dnr分別表示第η輛車與前車、左邊車、右邊車之間的距離(單位:m)，當其中一個 方向無車時，可將車距取為無窮大；設每輛車安全行駛時與相鄰車輛的最小距離為 .息.= A。/· &。1 .bw，其中hnf、hnl、hnr分別為每輛車安全行駛時與前車、左邊車、右邊車的最 小距離；
[0012] 將交通流處理為分散的粒子組成，W單個車輛作為描述對象，通過研究單個車輛 的前后作用來了解交通流的特性;從力學觀點來看，它實際上是一種質點系動力學模型，假 設車隊中的每一輛車必須與前車保持一定的間距W免發(fā)生碰撞，后車的加速或減速取決于 前車;考慮車輛對刺激的反應滯后效應W及車輛運動的隨機性，每輛車的速度變化規(guī)律可 W通過如下類型的微分方程來描述：
[0013]
[0014] 其中，τ是車輛反應滯后時間；
[0015] 實測數(shù)據(jù)表明，駕駛員對前方車距變化會發(fā)生延遲的反應從而采用不同的車速和 調整車道，對整個車流產(chǎn)生小擾動，小擾動沿車流上游傳播，經(jīng)過一定程度的放大后，引起 楊行車輛的不穩(wěn)定，運個不穩(wěn)定性造成交通"擠壓"，導致局部區(qū)域車輛密集，擁堵情形由此 形成；
[0016] 擁堵車流的最大向前行駛速度由每隊排在最前面的車輛速度vif，V2f，…，Vkf決 定，設第n輛車位于第m列車隊中，前進速度定義為vnf(t)=αn(t)vmf(t)，其中m=l,2,…,k，0 <an(t)含1;擁堵車流中各車輛總是希望W最大的速度行駛，同時不希望發(fā)生碰撞或潛在 的危險最小化，但是并非每輛車都能W最理想的狀態(tài)行駛，因此，根據(jù)車輛行駛狀態(tài)參數(shù)建 立車輛在擁堵情況下車速擇優(yōu)指標，從而根據(jù)擁堵車流的情況提前選擇行進車道，使得整 個擁堵車群有序通過堵塞路段；由W上公式可得，車流前行速度最快指標為：
從而得出車輛運行最佳速度公式和車距信息Vnf(t)=αn(t)Vkf(t)，
其中dnf〉hnf，dnl〉hnl，dnr〉hnr ;同時為保證整個車流能W最 快速度通過堵塞，各隊車流速度應盡可能相等，即公平行駛指巧
[0017] 在車流擁堵時車輛聚集的結構模型，采用鄰接矩陣A表示，即矩陣A中行和列的序 號i，j表示車輛編號，i J = 1，2，3，…，N(t)，元素值取0和1，第(i，j)個元素的值為1表示第i 輛車與第j輛車前后相鄰，否則元素值為0,其中對角線上的元素默認為1，表示每輛車自身 相鄰，車輛單向鄰接的鄰接矩陣為：
[001 引
[0019] 該矩陣能夠完整表示了車輛聚集時前后跟隨的結構狀態(tài)，基于鄰接矩陣的邏輯運 算，得到車輛群跟隨關系的可達矩陣，車輛都是W鄰接的前車向后車單向傳遞信息，建立基 于ZigBee的車輛擁堵時動態(tài)無線組網(wǎng)，相鄰車輛之間建立通信聯(lián)系，從而動態(tài)計算某一時 刻車輛擁堵狀態(tài)。
[0020] 所述基于Zi濁ee的車輛擁堵時動態(tài)無線組網(wǎng)，具體通過W下步驟建立：
[0021 ] 1)當車流逐漸發(fā)生擁堵時，車距變小，到達無線網(wǎng)絡通訊范圍內(nèi)，車輛上的zigbee 模塊自動進行組網(wǎng)；不同于傳統(tǒng)的Ad hoc網(wǎng)絡，本專利采用鏈式網(wǎng)絡結構，即只實現(xiàn)在同一 車道上前后車輛間的定向定位通信，而與左右方向車輛無通信，W確保前方信息傳遞的純 粹性。
[0022] 2)車輛位置數(shù)據(jù)經(jīng)過計算處理，分析得出車輛所在車道前方路況，最終得出車輛 最優(yōu)行車道、是否需要變道和改變車速等信息，指導駕駛員選擇正確的車道和車速，盡量避 免交通混亂造成嚴重交通堵塞，達到自行疏通交通的效果。
[0023] 所述基于ZigBee的車輛擁堵時動態(tài)無線組網(wǎng)，其Zi濁ee協(xié)議在物理層兼容高可靠 的短距離無線通信協(xié)議IE邸802.11.5"ZigBee協(xié)議是一種短距離無線傳感器網(wǎng)絡的控制協(xié) 議，主要用于傳輸控制信息，數(shù)據(jù)量相對來說比較小，但是其可靠性高，ZigBee聯(lián)盟在制定 Zi濁ee規(guī)范時已經(jīng)考慮到數(shù)據(jù)傳輸過程中的內(nèi)在的不確定性，采取了一些措施來提高數(shù)據(jù) 傳輸?shù)目煽啃?，包?在物理層兼容高可靠的短距離無線通信協(xié)議IEEE802.il.5。同時使用 0QPSK和DSSS技術;使用CSMA-CA技術來解決數(shù)據(jù)沖突問題;使用16-bits CRC來確保數(shù)據(jù)的 正確性;使用帶應答的數(shù)據(jù)傳輸方式來確保數(shù)據(jù)正確的傳輸目的地址;采用星形網(wǎng)絡盡量 保證數(shù)據(jù)可W沿著不同的傳輸路徑從源地址到達目的地址。同時，ZigBee無線傳感網(wǎng)絡具 有成本低、功耗低等特點。
[0024] 本發(fā)明建立了面向車輛擁堵疏導的車載終端人機接口技術：
[0025] 人機接口技術主要解決對駕駛員的引導作用。本專利主要研究基于Zi濁ee的智能 車載終端，選用ARM微處理器與獨立的射頻忍片相結合的方案完成終端的數(shù)據(jù)采集與收發(fā)。 本車載終端設備的設計，實現(xiàn)的功能包括：
[00%] 1)車載終端不僅能夠通過串口與車輛上的動點進行通訊，并且通過車載Zigbee無 線通信模塊間的數(shù)據(jù)交換，實現(xiàn)與前車車輛的通訊。
[0027] 2)車載終端具有友好的圖形界面，便于人機交互，并且能夠通過有關設備快速實 時地獲取當前車輛狀態(tài)W及環(huán)境參數(shù)。
[00%] 3)車載終端可實現(xiàn)語音播報功能，給駕駛員提供正確有用的建議信息。
[0029] 所述車流擁堵中車輛群