一种多车辆网络的协调控制方法

1.本发明涉及车联网体系下网联车辆的智能控制技术领域，具体是一种多车辆网络的协调控制方法。


背景技术：

2.交通运输活动的日益频繁和交通堵塞对社会经济问题产生了重大影响。作为交通运输系统的瓶颈之一，公路匝道合并不仅导致巨大的经济和交通成本，而且对增加大气污染物排放和碰撞风险也有副作用。车联网和自动化技术的发展为解决上述问题提供了机会。利用车辆对车辆和车辆对基础设施之间的实时信息传输能力，可以开发更先进、更高效的交通管理系统，减少交通拥堵和空气污染物排放，提高安全性。智能网联车辆通过信息共享和车辆协调来提高安全性和效率。
3.目前，协调和控制智能网联车辆来提高交通效率，减少能源消耗的方法通常可以分为两类：基于规则和基于优化的方法。基于规则的方法主要是一种基于“先进先出”规则的无信号匝道口车辆协调算法，虽然“先进先出”规则可以提高通行效率，但是会使乘客的舒适度大幅度降低。
4.以上背景技术内容的公开仅用于辅助理解本发明的构思及技术方案，其并不必然属于本专利申请的现有技术，在没有明确的证据表明上述内容在本专利申请的申请日已经公开的情况下，上述背景技术不应当用于评价本技术的新颖性和创造性。


技术实现要素：

5.本公开的目的之一是提供一种能够克服现有技术中至少一个缺陷的多车辆网络的协调控制方法。
6.为解决上述技术问题，本技术实施例公开了如下技术方案：
7.一种多车辆网络的协调控制方法，其中，多车辆网络包括多个个体车辆，所述多个个体车辆均为智能网联车辆，所述合流区由单车道主路、单车道匝道、加速路段以及渐变段组成；对于每个个体车辆执行以下步骤：
8.s1：在个体车辆到达断面2时，赋予个体车辆一个车辆编号i，所述断面2为单车道匝道与加速路段交界处；
9.s2:控制单车道匝道内的个体车辆在断面2位置时的速度、加速度、安全车头时距在规定的第一范围值内，控制单车道主路内的个体车辆在断面2位置时的速度、加速度、安全车头时距在规定的第二范围值内；
10.s3:控制个体车辆在第二区域内的运动符合下列方程:
[0011][0012][0013]
[0014]
其中：ai(t)为个体车辆的加/减速度；pi(t)为个体车辆的位置；vi(t)为个体车辆的速度；ui(t)-控制输入，所述控制输入为对个体车辆的速度、加速度、安全车头时距中至少一种的控制；t为时间；i为个体车辆编号；所述第二区域为断面2到断面3之间的区域；
[0015]
控制个体车辆在第二区域内的速度、加速度以及控制输入满足设定的约束：
[0016]
vi(t)∈[v
min
,v
max
]
[0017]ai
(t)∈[a
min
,a
max
]
[0018]
ui(t)∈[u
min
,u
max
]
[0019]
其中：v
min
、v
max
为设定的个体车辆最小速度、个体车辆最大速度；a
min
、a
max
为设定的个体车辆最大减速度、个体车辆最大加速度；u
min
、u
max
为设定的最大控制输入、最小控制输入；
[0020]
s4：控制个体车辆到达断面3时的速度、加速度在设定范围值内；
[0021]
s5:确定第1个体车辆到达断面3的时间；
[0022]
s6：确定个体车辆最优通行顺序：
[0023]
通过以下目标成本公式计算个体车辆的目标成本：
[0024][0025]
其中：m1、m2为权重参数；为个体车辆i在理想情况下到达断面3的最短时间；为个体车辆i到达断面2的时刻；为个体车辆i到达断面3的时刻；t
hd
为安全车头时距；
[0026]
顺序确定方法为：假设某连续两辆车的到达时间tm、tn，tn＝tm+t
hd
,tn》tm，同时这两辆车限定为单车道主路上抵达断面2的is车与单车道匝道上后继抵达断面2的i
t
车，当个体车辆is选择tm作为其到达断面3的时间，个体车辆i
t
选择tn作为其到达断面3的时间，即个体车辆i
t
晚于个体车辆is到达断面3，此时个体车辆is的目标成本为个体车辆i
t
的目标成本为当个体车辆is选择tn作为其到达断面3的时间，个体车辆i
t
选择tm作为其到达断面3的时间，此时个体车辆is的目标成本为个体车辆i
t
的目标成本为当时，选择个体车辆i
t
晚于个体车辆is到达断面3作为实际通行顺序，当时，选择个体车辆i
t
早于个体车辆is到达断面3作为实际通行顺序，当序，当时，随机安排个体车辆i
t
、个体车辆is的通行顺序；
[0027]
将个体车辆i
t
和个体车辆is中第二个到达断面3的个体车辆与下一个与其不在同一单车道的个体车辆使用所述顺序确定方法确定通行顺序，依次类推确定所有车辆的通行顺序；
[0028]
s7：使多个个体车辆按照确定的所有车辆的通行顺序依次抵达断面3。
[0029]
本技术实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：使用本发明的多车辆网络的协调控制方法确定的车辆通行顺序，不需要单车道主路上的个体
车辆减速配合辅路上的个体车辆通行然后再加速至目标状态，与先进先出序列相比具有相同甚至更高的通行效率，与此同时乘客的舒适度成本大幅降低，有效地提高了乘客的乘坐体验。
附图说明
[0030]
图1为合流区各断面及区域的划分图；
[0031]
图2为合作博弈序列车辆的位移变化图；
[0032]
图3为合作博弈序列车辆的速度变化图；
[0033]
图4为先进先出序列车辆的位移变化图；
[0034]
图5为先进先出序列车辆的速度变化图
[0035]
图6为两种序列车辆的舒适度成本曲线图；
[0036]
图7为两种序列车辆的延迟成本曲线图；
[0037]
图8为两种序列车辆的目标成本曲线图。
具体实施方式
[0038]
现在将详细提及本发明的具体实施方案。尽管结合这些具体的实施方案描述本发明，但应认识到不打算限制本发明到这些具体实施方案。相反，这些实施方案意欲覆盖可包括在由权利要求限定的发明精神和范围内的替代、改变或等价实施方案。在下面的描述中，阐述了大量具体细节以便提供对本发明的全面理解。本发明可在没有部分或全部这些具体细节的情况下被实施。在其它情况下，为了不使本发明不必要地模糊，没有详细描述熟知的操作。
[0039]
当与本说明书和附加权利要求中的“包括”、“方法包括”、或类似语言联合使用时，单数形式“某”、“某个”、“该”包括复数引用，除非上下文另外清楚指明。除非另外定义，本文中使用的所有技术和科学术语具有本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
[0040]
一种多车辆网络的协调控制方法，其中，多车辆网络包括多个个体车辆，所述多个个体车辆均为智能网联车辆，所述合流区由单车道主路、单车道匝道、加速路段以及渐变段组成；如图1所示，使用4个的断面划分合流区并将各断面之间的区域依次标记为第一区域(area1)、第二区域(area2)、第三区域(area3)，对于每个个体车辆执行以下步骤：
[0041]
s1：在个体车辆到达断面2时，赋予个体车辆一个车辆编号i，所述断面2为单车道匝道与加速路段交界处；
[0042]
s2:控制单车道匝道内的个体车辆在断面2位置时的速度、加速度、安全车头时距在规定的第一范围值内，控制单车道主路内的个体车辆在断面2位置时的速度、加速度、安全车头时距在规定的第二范围值内；
[0043]
s3:控制个体车辆在第二区域(即area2区域)内的运动符合下列方程:
[0044][0045][0046]
[0047]
其中：ai(t)为个体车辆的加/减速度；pi(t)为个体车辆的位置；vi(t)为个体车辆的速度；ui(t)-控制输入，所述控制输入为对个体车辆的速度、加速度、安全车头时距中至少一种的控制；t为时间；i为个体车辆编号；所述第二区域为断面2到断面3之间的区域；
[0048]
控制个体车辆在第二区域内的速度、加速度以及控制输入满足设定的约束：
[0049]
vi(t)∈[v
min
,v
max
]
[0050]ai
(t)∈[a
min
,a
max
]
[0051]
ui(t)∈[u
min
,u
max
]
[0052]
其中：v
min
、v
max
为设定的个体车辆最小速度、个体车辆最大速度；a
min
、a
max
为设定的个体车辆最大减速度、个体车辆最大加速度；u
min
、u
max
为设定的最大控制输入、最小控制输入；
[0053]
s4：控制个体车辆到达断面3时的速度、加速度在设定范围值内；
[0054]
s5:确定第1个体车辆到达断面3的时间；
[0055]
s6：确定个体车辆最优通行顺序：
[0056]
通过以下目标成本公式计算个体车辆的目标成本：
[0057][0058]
其中：m1、m2为权重参数；为个体车辆i在理想情况下到达断面3的最短时间；为个体车辆i到达断面2的时刻；为个体车辆i到达断面3的时刻；目标成本公式舒适度成本函数和延迟成本组合而成，延迟成本选取为个体车辆从断面2到达断面3的实际通行时间与个体车辆在理想情况下从断面2到达断面3的最短通行时间的差值即间与个体车辆在理想情况下从断面2到达断面3的最短通行时间的差值即t
hd
为安全车头时距；
[0059]
顺序确定方法为：假设某连续两辆车的到达时间tm、tn，tn＝tm+t
hd
,tn》tm，同时这两辆车限定为单车道主路上抵达断面2的is车与单车道匝道上后继抵达断面2的i
t
车，当个体车辆is选择tm作为其到达断面3的时间，个体车辆i
t
选择tn作为其到达断面3的时间，即个体车辆i
t
晚于个体车辆is到达断面3，此时个体车辆is的目标成本为个体车辆i
t
的目标成本为当个体车辆is选择tn作为其到达断面3的时间，个体车辆i
t
选择tm作为其到达断面3的时间，此时个体车辆is的目标成本为个体车辆i
t
的目标成本为
[0060]
下面引入合作博弈理论对个体车辆is和个体车辆i
t
的目标成本之和进行分析，分析参与者可能选择的通行顺序(即策略)以及对应的损益。
[0061]
第一种情况，当个体车辆is到达时间为tm时，其在第二区域内的目标成本为此时个体车辆i
t
到达时间为tn，其目标成本为第二种情况，当个体车辆is到达时间为tn时，其对应的目标成本时，其对应的目标成本此时个体车辆i
t
到
达时间为tm，其对应的目标成本，其对应的目标成本此外还有两种情况，也就是个体车辆is和个体车辆i
t
同时选择tm或tn作为其到达断面3的时间，但这时将发生冲突，因此设定此时其成本为无限大,因此不作为可选择的通行顺序；
[0062]
当时，选择个体车辆i
t
晚于个体车辆is到达断面3作为实际通行顺序，当时，选择个体车辆i
t
早于个体车辆is到达断面3作为实际通行顺序，当时，随机安排个体车辆i
t
、个体车辆is的通行顺序；即两个个体车辆目标成本之和中最小的通行顺序即为两车选择合作时的最优策略；
[0063]
将个体车辆i
t
和个体车辆is中第二个到达断面3的个体车辆与下一个与其不在同一单车道的个体车辆使用所述顺序确定方法确定通行顺序，依次类推确定所有车辆的通行顺序；
[0064]
其中需要说明的是，个体车辆i的延迟由个体车辆i的从断面2到断面3的实际通行时间与理想状态下从断面2到断面3的最短通行时间决定。其中个体车辆i的实际通行时间可以由到达断面3的序列的时间确定，即个体车辆i在理想状态下的最短通行时间由步骤2和步骤3提供的速度、加速度以及第二区域的长度确定。在该理想状态下，个体车辆先以最大加速度a
max
加速到第二区域内的最高限制速度v
max
然后保持匀速直至到达断面3。此时，个体车辆i的最短通行时间个体车辆i的延迟为的延迟为
[0065]
s7：使多个个体车辆按照确定的所有车辆的通行顺序依次抵达断面3。
[0066]
实施例：
[0067]
以武汉市某二环集散车道与单车道匝道形成的合流区为对象建立整体的研究场景，选择合流区中加速路段为具体的研究区域开展研究。以matlab为仿真软件，对14辆单车道主路上的个体车辆和6辆单车道匝道个体车辆进行模拟。首先是车辆的模拟，由于车辆速度一般在一定范围内波动，因此设定到达断面2时的单车道主路个体车辆速度70
±
4km/h，加速度0
±
0.2m/s2，车头时距2.5
±
0.5s；到达断面2时的单车道匝道个体车辆速度40
±
3km/h，加速度0
±
0.2m/s2，车头时距4
±
1s，设置研究区域的第二区域的长度l＝300m，最高速度限制为70+7km/h，考虑到乘客的舒适体验，最大加速度设置为3m/s2，个体车辆的最小安全车头时距thd＝2s，权重参数取m1＝m2＝0.5，同时设置到达断面3时个体车辆的目标状态为速度60km/h，加速度0。根据上述设定模拟出的到达断面2的个体车辆的信息如下表所示：
[0068]
表1：到达断面2的车辆信息表
[0069]
[0070][0071]
由于头车可以在限制内以任何它期望的时间到达断面3，而所有车辆的最优通行顺序的确定需要头车(即第1个到达断面3的个体车辆)的到达时间，因此设定头车以-1m/s2的加速度减速至目标车速然后匀速，此时头车到达断面3的时间为17.87s。头车的运动设定后，应用顺序确定方法(即合作博弈理论)得到每次博弈中最小总成本(即两个个体车辆的目标成本之和的最小值)对应的通行顺序及损益(即相应目标成本之和的值)如下表所示：
[0072]
表2：各次博弈中最小总成本对应的通行顺序及损益表
[0073]
策略(b先，c后)(d先，c后)(f先，c后)(c先，g后)损益4.19575.07745.66116.3884策略(g先，e后)(i先，e后)(k先，e后)(l先，e后)损益6.96667.71768.85269.9719策略(m先，e后)(e先，o后)(o先，h后)(q先，h后)损益10.634411.102711.690412.5352策略(r先，h后)(h先，s后)(s先，j后)(t先，j后)损益13.056814.206714.552715.3295
[0074]
由表2得到到达断面3的车辆通行顺序依次为a-b-d-f-c-g-i-k-l-m-e-o-q-r-h-s-t-j-n-p。由于设定的头车的运动不符合车辆运动方程假设，除头车外，该通行顺序中的其余车辆在第二区域内的位移时间变化图及速度时间变化图如图2和图3所示。
[0075]
图2和图3中单车道匝道车辆位置曲线与单车道主路车辆位置曲线相交，此时，后进入加速路段的在单车道主路上的个体车辆正好与先进入加速路段的单车道匝道上的个体车辆的位移相同，由于处在不同车道，因此不会发生碰撞；同时同车道的个体车辆位置曲
线并没有相交而是保持一定间隔，代表个体车辆之间仍存在一定间距，也未发生碰撞。
[0076]
为了验证使用本发明的多车辆网络的协调控制方法确定的通行顺序(又称合作博弈序列)的效果，选择相同最优时间序列下的先进先出序列作对比对象。先进先出序列下，车辆严格按照到达断面2的到达时间先后顺序决定到达断面3的顺序。在设定相同的头车状态后，其余个体车辆在第二区域内的位移时间变化图及速度时间变化图如图4和图5所示。
[0077]
两种通行顺序的各项成本的对比如图6和图7和图8所示。
[0078]
实验结果表明，参照图6和图7和图8，与先进先出序列相比，采用本发明的多车辆网络的协调控制方法得到的通行顺序达到目标状态，车辆网络整体付出的成本减少：车辆的延迟相同，但个体车辆的舒适度成本大幅减少，约78.38％。因为先进先出序列中，优先通行权由进入第二区域的时间决定，因此单车道主路上的个体车辆需要减速配合辅路上个体车辆通行然后加速至目标状态，而采用本发明的多车辆网络的协调控制方法的通行顺序中，优先通行权由运行至目标状态付出的成本较小的通行顺序获得。
[0079]
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换。而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

技术特征：
1.一种多车辆网络的协调控制方法，其特征在于：多车辆网络包括多个个体车辆，所述多个个体车辆均为智能网联车辆，所述合流区由单车道主路、单车道匝道、加速路段以及渐变段组成；对于每个个体车辆执行以下步骤：s1：在个体车辆到达断面2时，赋予个体车辆一个车辆编号i，所述断面2为单车道匝道与加速路段交界处；s2:控制单车道匝道内的个体车辆在断面2位置时的速度、加速度、安全车头时距在规定的第一范围值内，控制单车道主路内的个体车辆在断面2位置时的速度、加速度、安全车头时距在规定的第二范围值内；s3:控制个体车辆在第二区域内的运动符合下列方程:s3:控制个体车辆在第二区域内的运动符合下列方程:s3:控制个体车辆在第二区域内的运动符合下列方程:其中：a
i
(t)为个体车辆的加/减速度；p
i
(t)为个体车辆的位置；v
i
(t)为个体车辆的速度；u
i
(t)-控制输入，所述控制输入为对个体车辆的速度、加速度、安全车头时距中至少一种的控制；t为时间；i为个体车辆编号；所述第二区域为断面2到断面3之间的区域；控制个体车辆在第二区域内的速度、加速度以及控制输入满足设定的约束：v
i
(t)∈[v
min
,v
max
]a
i
(t)∈[a
min
,a
max
]u
i
(t)∈[u
min
,u
max
]其中：v
min
、v
max
为设定的个体车辆最小速度、个体车辆最大速度；a
min
、a
max
为设定的个体车辆最大减速度、个体车辆最大加速度；u
min
、u
max
为设定的最大控制输入、最小控制输入；s4：控制个体车辆到达断面3时的速度、加速度在设定范围值内；s5：确定第1个体车辆到达断面3的时间；s6：确定个体车辆最优通行顺序：通过以下目标成本公式计算个体车辆的目标成本：其中：m1、m2为权重参数；为个体车辆i在理想情况下到达断面3的最短时间；为个体车辆i到达断面2的时刻；为个体车辆i到达断面3的时刻；t
hd
为安全车头时距；顺序确定方法为：假设某连续两辆车的到达时间t
m
、t
n
，t
n
＝t
m
+t
hd
,t
n
>t
m
，同时这两辆车限定为单车道主路上抵达断面2的i
s
车与单车道匝道上后继抵达断面2的i
t
车，当个体车辆i
s
选择t
m
作为其到达断面3的时间，个体车辆i
t
选择t
n
作为其到达断面3的时间，即个体车辆i
t
晚于个体车辆i
s
到达断面3，此时个体车辆i
s
的目标成本为个体车辆i
t
的目标成本为
当个体车辆i
s
选择t
n
作为其到达断面3的时间，个体车辆i
t
选择t
m
作为其到达断面3的时间，此时个体车辆i
s
的目标成本为个体车辆i
t
的目标成本为当时，选择个体车辆i
t
晚于个体车辆i
s
到达断面3作为实际通行顺序，当时，选择个体车辆i
t
早于个体车辆i
s
到达断面3作为实际通行顺序，当序，当时，随机安排个体车辆i
t
、个体车辆i
s
的通行顺序；将个体车辆i
t
和个体车辆i
s
中第二个到达断面3的个体车辆与下一个与其不在同一单车道的个体车辆使用所述顺序确定方法确定通行顺序，依次类推确定所有车辆的通行顺序；s7：使多个个体车辆按照确定的所有车辆的通行顺序依次抵达断面3。

技术总结
本发明公开了一种多车辆网络的协调控制方法，属于车联网体系下网联车辆的智能控制技术领域，其中，多车辆网络包括多个个体车辆，所述多个个体车辆均为智能网联车辆；对于每个个体车辆执行以下步骤：S1：在个体车辆到达断面2时，赋予个体车辆一个车辆编号i；S2:对单车道匝道、单车道主路内的个体车辆的运行进行控制输入；S3:对个体车辆在第二区域的运行进行控制输入使其运动符合设定的方程；S4：对个体车辆到达断面3时的运行进行控制输入；S5:确定头车到达断面3的时间；S6：确定个体车辆最优通行顺序S7：使多个个体车辆按照确定的所有车辆的通行顺序依次抵达断面3；本发明能够在不降低通行效率的情况下，大幅改善乘客的乘坐体验。大幅改善乘客的乘坐体验。大幅改善乘客的乘坐体验。


技术研发人员：黄镓法 柳祖鹏 王道斌
受保护的技术使用者：武汉科技大学
技术研发日：2023.02.28
技术公布日：2023/7/11