一种异质交通流合流区换道时机判别及主动安全控制方法

1.本发明属于交通控制系统领域，具体涉及一种异质交通流合流区换道时机判别及主动安全控制方法。


背景技术：

2.随着自动驾驶技术和通信技术的快速发展，未来网联自动驾驶车辆（connected and autonomous vehicle, cav）在完成全面部署之前，将和人工驾驶车辆（human
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driven vehicles, hdv）长期并存，深入探索其异质交通流的跟驰和换道等微观交通行为特性和机理对提高混行交通系统的交通安全和通行效率至关重要。高速公路匝道合流固有的混沌性被认为是交通事故和拥堵的主要成因之一。在高速公路合流区这种复杂的交通系统中，不同类型车辆的换道行为较之跟驰行为对道路交通安全以及道路通行效率影响更为显著。目前跟驰行为已经有相对成熟的理论，而对于换道行为的研究则相对较少。
3.现有环境场的变量为车辆到道路边界与标线的横向距离，在不发生道路条件变化时能较好的描述环境设施与法律法规对车辆行为的限制。但合流区存在加速车道，加速车道是一段长约150m至200m的连接高速公路与匝道的车道，匝道合并车辆从匝道驶入高速公路，经加速车道加速后必须强制换道至主线车道。采用现有的环境场模型会增加未换道成功的车辆数，而未换道成功的匝道合并车辆只能在加速车道末端停车等待，避开高峰车流等待合并换道机会，此时车辆将承受较大的行车风险，与实际的换道情形不符。现有技术中针对早期换道的理论创新，在换道最小距离模型方面，例如中国专利cn 111338385 a公开了一种基于gru网络模型与gipps模型融合的车辆跟驰方法，普遍采用椭圆、gipps等换道最小距离模型、其临界安全距离或是定值、或是只考虑了速度，但是加速度、偏航角、质量、侧向碰撞等因素对真实的换道最小距离的影响也是至关重要的，忽略上述因素导致计算的换道最小距离不符合实际，严重降低了在不同速度、加速度等因素下车辆的行车安全性。
4.针对主动安全措施——合流区多车组合换道控制策略，在行车风险指标构建方面，例如，中国专利cn 102745194 b公开的一种高速公路汽车防追尾前车的自适应报警方法；中国专利cn 115447572 a公开的一种车辆紧急制动控制方法；中国专利cn 105243876 b公开的一种用于互通立交的交通冲突严重性分析方法，主要采用碰撞时间ttc、后侵入时间pet、避免碰撞减速度drac等指标衡量车辆行驶过程的风险，这些指标在一定程度上可以表征行车风险，但指标所使用的参数较为单一，且考虑的外在交通环境多为常规环境，安全指标的可解释性较弱。


技术实现要素：

5.为解决背景技术中存在的问题，本发明提供一种异质交通流合流区换道时机判别及主动安全控制方法。
6.本发明的技术方案如下：一种异质交通流合流区换道时机判别及主动安全控制方法，包括以下步骤：
步骤s1：获取道路上车辆的运行信息及驾驶员信息；运行信息包括cav车辆和hdv车辆的运动状态参数，具体为：cav车辆的速度、加速度、偏航角、质量、位置，hdv车辆的速度、质量、位置；驾驶员信息参数包括：驾驶员道路视野与能见度、驾驶员驾驶经验、驾驶员对cav行车环境与cav车辆的信任程度；步骤s2：利用以上信息构建车辆和环境的安全场模型，车辆安全场模型包括cav车辆安全场模型和hdv车辆安全场模型；环境安全场模型包括主线车道环境安全场模型和加速车道环境安全场模型，通过构建出的安全场模型得到cav车辆场场强、hdv车辆场场强、主线车道环境场场强、加速车道环境场场强；步骤s3：基于安全势场构建最小换道距离模型，包括以下三种：a：换道cav与自车车道前车的换道最小安全距离，公式为：；b：换道cav与目标车道前车的换道最小安全距离，公式为：；c：换道cav与目标车道后车的换道最小安全距离，公式为：；式中：,,,分别为车辆,,,换道结束时行驶的距离；,,,为车辆,,,的车辆长度；为车辆的宽度；与为车辆与在碰撞点后的车辆安全场范围；与为车辆与在碰撞点前的车辆安全场范围；为车辆的车辆安全场范围半径；为两车最小临界间距；为换道车辆与道路水平方向夹角，即车辆安全势场模型逆时针偏转航向角；步骤s4：基于安全势场构建行车安全指标，包括cav车辆场力、hdv车辆场力、势能以及行车风险指标；步骤s5：在合流区上游早期进行自由换道的时机判别；通过两个约束条件来进行换道控制：一是判断换道车辆是否分别满足与前车、目标车道后车、目标车道前车的换道最小安全距离；二是判断目标车道前后车是否存在cav车辆；步骤s6：根据合流区上游早期进行自由换道的时机判别结果进行主动安全控制；步骤s7：在合流区加速车道进行强制换道与合作换道的时机判别；通过两个约束条件来进行换道控制，一是判断换道车辆是否分别满足其与前车、目标车道后车、目标车道前车的换道最小安全距离；二是判断假设换道车辆在目标车道以相同状态行驶时的行车风险指数是否小于以相同状态直线行驶时车辆的行车风险指数；步骤s8：根据合流区加速车道进行强制换道与合作换道的时机判别结果进行主动
安全控制。
7.作为本发明的优选，所述加速车道环境安全场模型选取势场理论的排斥势构建，以定量表征道路条件变化中车道数目减少对车辆行车安全的影响，公式为：；式中：为道路标线与边界风险场的风险系数；为车辆到加速车道末端的矢量距离。
8.作为本发明的优选， 所述cav车辆场力公式为：；式中：为后车行驶速度，为待定系数，为前车的场强，为前车对后车造成的场力。
9.作为本发明的优选，所述hdv车辆场力公式为：；后车f所受安全场场强：；上式继续；整理可得：；上式继续；其中，，，；式中：为车辆速度，为两车伪距离在行驶方向的分量，、、为待定系数，、分别为前后车的质量、为前车场强、为前后跟驰两车车头间距、为前车车辆长度、为驾驶员心理承受度。
10.作为本发明的优选，选取安全场的势能与势能随时间的变化率代替场力表征车辆的行车风险，公式为：；式中：为车辆所受的场力值；为车辆指向场源的距离矢量，为车辆的速度；为车辆的速度；基于对场力公式的推导，构建针对环境安全场与车辆安全场的势能模型，公式为：
；式中， 为cav车辆所受的场力；为hdv车辆所受的场力；对于环境安全势场，场源对车辆产生场力的矢量距离为真实距离，而车辆安全势场，不同车辆对目标车辆的影响距离为伪距离。
11.作为本发明的优选，构建行车风险指标：；式中：为车辆在安全势场内所受安全势能之和；为车辆在安全势场内所受安全势能随时间的变化率；采用加权方式对环境安全势场与车辆安全势场综合描述，公式为：；式中：与分别为环境安全场与车辆安全场对车辆造成风险的权重因子，为环境场产生的势能加和，为车辆场产生的势能加和。
12.作为本发明的优选，合流区上游早期进行自由换道的主动安全控制方法如下：s6.1：当车辆进入合流区上游一定区域时，系统收集所有车辆运行信息和驾驶人的信息，根据主线车道车流分布和匝道车流情况确定主线车道靠近匝道一侧车道的换道车辆数；s6.2：根据车道车辆类型和车辆运行信息，确定cav换道车辆；s6.3：获取换道车辆及前方车辆、目标车道前车、目标车道后车的运行信息，判断目标车道前车及后车是否有cav车辆；s6.4：若目标车道前后车中存在cav车辆，则根据步骤s3确定换道车辆与前方车辆、目标车道前车、目标车道后车的最小换道距离；s6.5：计算换道车辆与前方车辆、目标车道前车、目标车道后车的实际距离，若实际距离分别大于以上三个最小换道距离，则控制该车辆进行换道，与目标车道cav车辆形成cav车队进行跟驰行驶；s6.6：若不满足换道约束条件，在下一时刻重新进行判断，当判断次数》2且仍未换道成功时，则放弃对该车辆的换道控制。
13.作为本发明的优选，合流区加速车道进行强制换道与合作换道的主动安全控制方法如下：s8.1：当匝道车辆进入加速车道时，系统收集该车辆及前方车辆、后方车辆、目标车道前车、目标车道后车的车辆运行信息及驾驶员信息；s8.2：根据步骤s3确定换道车辆与前方车辆、目标车道前车、目标车道后车的最小换道距离；s8.3：分别计算车辆到达目标合流位置的行车安全指以及车辆以相同运动状
态直线行驶的；s8.4：判断换道车辆与前方车辆、目标车道前车、目标车道后车的实际距离，若实际距离分别大于最小换道距离，并且，则控制车辆进行换道；s8.5：若换道车辆为cav车辆，根据dsi阈值进行速度控制或提供驾驶策略建议；若换道车辆为hdv车辆，根据dsi阈值对该hdv车辆的领先cav车辆或滞后cav车辆进行速度控制；s8.6：在不满足换道约束条件的情况下，若车辆为cav车辆，则根据dsi阈值对其进行速度控制或提供驾驶策略建议；若车辆为hdv车辆，则根据阈值对其领先或滞后的cav车辆进行速度控制，然后在下一时刻重新判断换道约束条件直到车辆换道成功。
14.本发明的有益效果如下：一、本发明将所确定的车辆场模型与表征道路边界与标线等要素的环境场模型相结合，形成了共同描述异质交通流行驶状态与安全性的安全场模型。根据行车安全场可以推导基于安全势场的跟驰模型与换道模型，为异质交通流下车辆的运动态势研究做好了理论基础；二、本发明首次增加了以纵向距离为变量的环境场模型，即加速车道环境安全势场模型，以完善行车环境安全场模型，真实地反映出了环境安全场对车辆运行情况的影响，与实际的换道情形相符合，另外cav车辆安全场模型、hdv车辆安全场模型以及主线车道环境安全场模型通过现有技术均可获得；三、本发明结合现有合流区等重点场景交通冲突矛盾复杂、换道合并策略单一、行车安全指标缺乏等问题，为将异质交通流安全场模型扩展至高速公路合流区换道场景，针对主动安全措施——合流区多车组合换道控制策略，综合道路环境和车辆运动状态因素，以安全势能及势能变化率等标量测度换道目标位置风险，构建了以行车安全指数换道安全评价指标为核心的多车组合换道控制策略，以此判断安全换道时机，优化换道后各车辆行驶速度。仿真实验表明，该策略在通行效率与安全效果方面均表现良好，加强了异质交通流安全场模型的可解释性，为合流区车辆换道提供决策支持；四、本发明为增强加速车道车辆行驶的安全性、提高换道成功率，在合流区选取以行车安全指数换道安全评价指标、换道最小安全距离为核心的多车组合换道控制策略，同时通过dsi阈值对cav车辆进行速度控制，提供驾驶策略建议；对hdv车辆目标车道的前后车进行速度控制，促成合作换道。仿真实验表明，该合作换道策略在通行效率与安全效果方面均表现良好，为合流区车辆换道提供决策支持。
附图说明
15.通过参考以下结合附图的说明，并且随着对本发明的更全面理解，本发明的其它目的及结果将更加明白及易于理解。在附图中：图1为本发明的流程图；图2为本发明中合流区上游早期的自由换道的逻辑框图；图3为本发明中合流区加速车道的强制换道与合作换道的逻辑框图；图4为本发明中加速车道环境安全场模型图；图5为sumo仿真分析实行早期换道与不实行早期换道在通行效率方面的对比图；
图6为sumo仿真分析四种控制方式下速度对比图；图7为sumo仿真分析四种控制方式下危险驾驶次数对比图；图8为sumo仿真分析p1控制方式的安全性图；图9为sumo仿真分析p2控制方式的安全性图；图10为sumo仿真分析p3控制方式的安全性图；图11为sumo仿真分析p4控制方式的安全性图；图12为本发明中最小换道距离模型车辆位置示意图。
具体实施方式
16.为使本领域技术人员能够更好的理解本发明的技术方案及其优点，下面结合附图对本技术进行详细描述，但并不用于限定本发明的保护范围。
17.以高速公路合流区主线车道及匝道所有车辆为研究对象一种异质交通流合流区换道时机判别及主动安全控制方法，参阅图1，包括以下步骤：步骤s1：获取道路上车辆的运行信息及驾驶员信息；运行信息包括cav车辆和hdv车辆的运动状态参数，具体为：cav车辆的速度、加速度、偏航角、质量、位置，hdv车辆的速度、质量、位置；驾驶员信息参数包括：驾驶员道路视野与能见度、驾驶员驾驶经验、驾驶员对cav行车环境与cav车辆的信任程度；步骤s2：利用以上信息构建车辆和环境的安全场模型，车辆安全场模型包括cav车辆安全场模型和hdv车辆安全场模型；环境安全场模型包括主线车道环境安全场模型和加速车道环境安全场模型，通过构建出的安全场模型得到cav车辆场场强、hdv车辆场场强、主线车道环境场场强、加速车道环境场场强；合流区存在加速车道，加速车道是一段长约150m至200m的连接高速公路与匝道的车道，匝道合并车辆从匝道驶入高速公路，经加速车道加速后必须强制换道至主线车道。未换道成功的匝道合并车辆只能在加速车道末端停车，避开高峰车流等待合并换道机会，此时车辆将承受较大的行车风险。因此，需要在合流区加速车道建立以纵向距离为变量的行车环境场。
18.针对合流区车道数目变化的问题，为加速车道建立沿车流行驶方向的环境场，选取势场理论的排斥势构建加速车道环境安全场模型，参阅图4，以定量表征道路条件变化中车道数目减少对车辆行车安全的影响，公式为：；式中：为道路标线与边界风险场的风险系数；为车辆到加速车道末端的矢量距离。
19.步骤s3：基于安全势场构建最小换道距离模型（参阅图12），包括以下三种：a：换道cav与自车车道前车的换道最小安全距离，公式为：；
b：换道cav与目标车道前车的换道最小安全距离，公式为：；c：换道cav与目标车道后车的换道最小安全距离，公式为：；式中：,,,分别为车辆,,,换道结束时行驶的距离；,,,为车辆,,,的车辆长度；为车辆的宽度；与为车辆与在碰撞点后的车辆安全场范围；与为车辆与在碰撞点前的车辆安全场范围；为车辆的车辆安全场范围半径；为两车最小临界间距；为换道车辆与道路水平方向夹角，即车辆安全势场模型逆时针偏转航向角；步骤s4：基于安全势场构建行车安全指标，包括cav车辆场力、hdv车辆场力、势能以及行车风险指标；进一步地，所述cav车辆场力公式为：；式中：为后车行驶速度，为待定系数，为前车的场强，为前车对后车造成的场力。
20.进一步地，所述hdv车辆场力公式为：；后车f所受安全场场强：；上式继续；整理可得：；上式继续；其中，，，；式中：为车辆速度，为两车伪距离在行驶方向的分量，、、为待定系数，、分别为前后车的质量、为前车场强、为前后跟驰两车车头间距、为前车车辆长度、为驾驶员心理承受度。
21.根据势场中势能与场力的转化关系可知，势能的梯度即为场力，但势能为一个标
量，其数值可以在一定程度上综合描述场所形成势能量大小，选取安全场的势能与势能随时间的变化率代替场力表征车辆的行车风险，公式为：；式中：为车辆所受的场力值；为车辆指向场源的距离矢量，为车辆的速度；为车辆的速度；基于对场力公式的推导，构建针对环境安全场与车辆安全场的势能模型，公式为：；式中， 为cav车辆所受的场力；为hdv车辆所受的场力；对于环境安全势场，场源对车辆产生场力的矢量距离为真实距离，而车辆安全势场，不同车辆对目标车辆的影响距离为伪距离。
22.构建行车风险指标：；式中：为车辆在安全势场内所受安全势能之和；为车辆在安全势场内所受安全势能随时间的变化率；采用加权方式对环境安全势场与车辆安全势场综合描述，公式为：；式中：与分别为环境安全场与车辆安全场对车辆造成风险的权重因子，为环境场产生的势能加和，为车辆场产生的势能加和。
23.步骤s5：在合流区上游早期进行自由换道的时机判别；通过两个约束条件来进行换道控制：一是判断换道车辆是否分别满足与前车、目标车道后车、目标车道前车的换道最小安全距离；二是判断目标车道前后车是否存在cav车辆；条件一使换道车辆安全行驶，换道过程不至于产生碰撞或者拥堵；条件二用来增强cav车辆的强度，从而使早期换道以强cav跟驰车队行驶，在为合流区加速车道车流让出换道空间的同时还能提高合流区上游的通行效率。当车辆行驶到交织区上游一定位置时，实行早期自由换道时机判别及主动安全控制；步骤s6：根据合流区上游早期进行自由换道的时机判别结果进行主动安全控制，参阅图2，方法如下：s6.1：当车辆进入合流区上游一定区域时，系统收集所有车辆运行信息和驾驶人的信息，根据主线车道车流分布和匝道车流情况确定主线车道靠近匝道一侧车道的换道车辆数；
s6.2：根据车道车辆类型和车辆运行信息，确定cav换道车辆；s6.3：获取换道车辆及前方车辆、目标车道前车、目标车道后车的运行信息，判断目标车道前车及后车是否有cav车辆；s6.4：若目标车道前后车中存在cav车辆，则根据步骤s3确定换道车辆与前方车辆、目标车道前车、目标车道后车的最小换道距离；s6.5：计算换道车辆与前方车辆、目标车道前车、目标车道后车的实际距离，若实际距离分别大于以上三个最小换道距离，则控制该车辆进行换道，与目标车道cav车辆形成cav车队进行跟驰行驶；s6.6：若不满足换道约束条件，在下一时刻重新进行判断，当判断次数》2且仍未换道成功时，则放弃对该车辆的换道控制；步骤s7：在合流区加速车道进行强制换道与合作换道的时机判别；通过两个约束条件来进行换道控制，一是判断换道车辆是否分别满足其与前车、目标车道后车、目标车道前车的换道最小安全距离；二是判断假设换道车辆在目标车道以相同状态行驶时的行车风险指数是否小于以相同状态直线行驶时车辆的行车风险指数；条件一二共同作用使换道车辆的换道过程足够安全，当匝道内车辆行驶到合流区加速车道时，开启合流区加速车辆换道时机判别及主动安全控制；步骤s8：根据合流区加速车道进行强制换道与合作换道的时机判别结果进行主动安全控制，参阅图3，方法如下：s8.1：当匝道车辆进入加速车道时，系统收集该车辆及前方车辆、后方车辆、目标车道前车、目标车道后车的车辆运行信息及驾驶员信息；s8.2：根据步骤s3确定换道车辆与前方车辆、目标车道前车、目标车道后车的最小换道距离；s8.3：分别计算车辆到达目标合流位置的行车安全指以及车辆以相同运动状态直线行驶的；s8.4：判断换道车辆与前方车辆、目标车道前车、目标车道后车的实际距离，若实际距离分别大于最小换道距离，并且，则控制车辆进行换道；s8.5：若换道车辆为cav车辆，根据dsi阈值进行速度控制或提供驾驶策略建议；若换道车辆为hdv车辆，根据dsi阈值对该hdv车辆的领先cav车辆或滞后cav车辆进行速度控制；s8.6：在不满足换道约束条件的情况下，若车辆为cav车辆，则根据阈值对其进行速度控制或提供驾驶策略建议；若车辆为hdv车辆，则根据dsi阈值对其领先或滞后的cav车辆进行速度控制，然后在下一时刻重新判断换道约束条件直到车辆换道成功。
24.参阅图5，实行早期换道与不实行早期换道在通行效率方面的对比图，展示了一次仿真中分别采取早期换道模型与默认换道模型中预设的换道比例时，随机选取的部分车辆在相同道路条件下分别产生的时间损失对比。经多次仿真统计，未考虑早期换道的仿真中车流量的平均延误为863.02s，实施早期换道的仿真中平均延误为722.16s，对延误的改善率为16.32%。这证明以增强cav队列强度为目标的早期换道模型既能有效提高换道车辆的行驶车速，缩减车辆的行程时间，又促进cav间跟驰以保持较强的稳定性，同时减少了整体交通流的运行延误时间，在不改变交通基础设施与施加信号控制的情况下对交通流的整体
通行效率有明显改善。
25.参阅图6、7，四种控制模式在危险驾驶（图7）和通行效率（图6）方面的对比图，p1：预合流区早期换道与合流区换道控制联合控制策略，p2：单一合流区换道控制策略，p3：sumo默认换道模型，p4：经典gipps换道模型代表强制换道；仿真实验对四种控制方式下换道行为对中间车道的时间平均速度与区间平均速度的影响进行了对比。p1控制策略下中间车道的平均速度最大，其次是仅施加合流区换道控制策略p2，p3与p4的平均速度相差不大。相比于sumo默认的换道模型p3，p1控制策略对于提升中间车道的通行速度最明显，时间平均速度提高了15.56%，区间平均速度提高了25.15%，说明结合早期换道的合流区联合控制策略对于合流区整体通行效率有显著改善；单独在合流区执行p2能在一定程度上改善中间车道的通行速度，时间平均速度提高了6.72%，区间平均速度提高了9.56%。强制换道p4在通行效率层面对速度影响不大，但其严重损害了车辆的行车安全性。
26.参阅图8-11，四种控制方式在安全性方面的对比图，ttc的临界阈值一般设为2.7s，若低于此临界值，车辆会被视为“危险且紧急”状态；图中展示了四种控制方式下匝道合流车辆的最小ttc值，实施p1控制方式时，有2辆车的最小ttc低于临界阈值；实施p2控制方式时，有3辆车的最小ttc低于临界阈值；实施p3控制方式时，有1辆车的最小ttc低于临界阈值；实施p4控制方式时，有10辆车的最小ttc低于临界阈值。该仿真实验说明本章的基于dsi的三车组合换道控制策略在提升匝道车辆的换道安全性方面有明显优势，相比于强制换道方式，该控制策略减少了低于ttc临界值的车辆数目，降低了潜在风险事故的发生，安全性与p3模式相当，通过上下文得知，在安全性相同的前提下，p1模式的通行效率要远高于p3模式。
27.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
28.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

技术特征：
1.一种异质交通流合流区换道时机判别及主动安全控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤s1：获取道路上车辆的运行信息及驾驶员信息；运行信息包括cav车辆和hdv车辆的运动状态参数，具体为：cav车辆的速度、加速度、偏航角、质量、位置，hdv车辆的速度、质量、位置；驾驶员信息参数包括：驾驶员道路视野与能见度、驾驶员驾驶经验、驾驶员对cav行车环境与cav车辆的信任程度；步骤s2：利用以上信息构建车辆和环境的安全场模型，车辆安全场模型包括cav车辆安全场模型和hdv车辆安全场模型；环境安全场模型包括主线车道环境安全场模型和加速车道环境安全场模型，通过构建出的安全场模型得到cav车辆场场强、hdv车辆场场强、主线车道环境场场强、加速车道环境场场强；步骤s3：基于安全势场构建最小换道距离模型，包括以下三种：a：换道cav与自车车道前车的换道最小安全距离，公式为：；b：换道cav与目标车道前车的换道最小安全距离，公式为：；c：换道cav与目标车道后车的换道最小安全距离，公式为：；式中：,,,分别为车辆,,,换道结束时行驶的距离；,,,为车辆,,,的车辆长度；为车辆的宽度；与为车辆与在碰撞点后的车辆安全场范围；与为车辆与在碰撞点前的车辆安全场范围；为车辆的车辆安全场范围半径；为两车最小临界间距；为换道车辆与道路水平方向夹角，即车辆安全势场模型逆时针偏转航向角；步骤s4：基于安全势场构建行车安全指标，包括cav车辆场力、hdv车辆场力、势能以及行车风险指标；步骤s5：在合流区上游早期进行自由换道的时机判别；通过两个约束条件来进行换道控制：一是判断换道车辆是否分别满足与前车、目标车道后车、目标车道前车的换道最小安全距离；二是判断目标车道前后车是否存在cav车辆；步骤s6：根据合流区上游早期进行自由换道的时机判别结果进行主动安全控制；步骤s7：在合流区加速车道进行强制换道与合作换道的时机判别；通过两个约束条件来进行换道控制，一是判断换道车辆是否分别满足其与前车、目标车道后车、目标车道前车的换道最小安全距离；二是判断假设换道车辆在目标车道以相同状态行驶时的行车风险指数是否小于以相同状态直线行驶时车辆的行车风险指数；
步骤s8：根据合流区加速车道进行强制换道与合作换道的时机判别结果进行主动安全控制。2.根据权利要求1所述的一种异质交通流合流区换道时机判别及主动安全控制方法，其特征在于，所述加速车道环境安全场模型选取势场理论的排斥势构建，以定量表征道路条件变化中车道数目减少对车辆行车安全的影响，公式为：；式中：为道路标线与边界风险场的风险系数；为车辆到加速车道末端的矢量距离。3.根据权利要求2所述的一种异质交通流合流区换道时机判别及主动安全控制方法，其特征在于， 所述cav车辆场力公式为：；式中：为后车行驶速度，为待定系数，为前车的场强，为前车对后车造成的场力。4.根据权利要求3所述的一种异质交通流合流区换道时机判别及主动安全控制方法，其特征在于，所述hdv车辆场力公式为：；后车f所受安全场场强：；上式继续；其中，；整理可得：；上式继续；其中，；式中：为车辆速度，为两车伪距离在行驶方向的分量，、、为待定系数，、分别为前后车的质量、为前车场强、为前后跟驰两车车头间距、为前车车辆长度、为驾驶员心理承受度。5.根据权利要求4所述的一种异质交通流合流区换道时机判别及主动安全控制方法，其特征在于，选取安全场的势能与势能随时间的变化率代替场力表征车辆的行车风险，公式为：；
式中：为车辆所受的场力值；为车辆指向场源的距离矢量，为车辆的速度；为车辆的速度；基于对场力公式的推导，构建针对环境安全场与车辆安全场的势能模型，公式为：；式中， 为cav车辆所受的场力；为hdv车辆所受的场力；对于环境安全势场，场源对车辆产生场力的矢量距离为真实距离，而车辆安全势场，不同车辆对目标车辆的影响距离为伪距离。6.根据权利要求5所述的一种异质交通流合流区换道时机判别及主动安全控制方法，其特征在于，构建行车风险指标：；式中：为车辆在安全势场内所受安全势能之和；为车辆在安全势场内所受安全势能随时间的变化率；采用加权方式对环境安全势场与车辆安全势场综合描述，公式为：；式中：与分别为环境安全场与车辆安全场对车辆造成风险的权重因子，为环境场产生的势能加和，为车辆场产生的势能加和。7.根据权利要求6所述的一种异质交通流合流区换道时机判别及主动安全控制方法，其特征在于，合流区上游早期进行自由换道的主动安全控制方法如下：s6.1：当车辆进入合流区上游一定区域时，系统收集所有车辆运行信息和驾驶人的信息，根据主线车道车流分布和匝道车流情况确定主线车道靠近匝道一侧车道的换道车辆数；s6.2：根据车道车辆类型和车辆运行信息，确定cav换道车辆；s6.3：获取换道车辆及前方车辆、目标车道前车、目标车道后车的运行信息，判断目标车道前车及后车是否有cav车辆；s6.4：若目标车道前后车中存在cav车辆，则根据步骤s3确定换道车辆与前方车辆、目标车道前车、目标车道后车的最小换道距离；s6.5：计算换道车辆与前方车辆、目标车道前车、目标车道后车的实际距离，若实际距离分别大于以上三个最小换道距离，则控制该车辆进行换道，与目标车道cav车辆形成cav车队进行跟驰行驶；s6.6：若不满足换道约束条件，在下一时刻重新进行判断，当判断次数>2且仍未换道成功时，则放弃对该车辆的换道控制。8.根据权利要求7所述的一种异质交通流合流区换道时机判别及主动安全控制方法，其特征在于，合流区加速车道进行强制换道与合作换道的主动安全控制方法如下：
s8.1：当匝道车辆进入加速车道时，系统收集该车辆及前方车辆、后方车辆、目标车道前车、目标车道后车的车辆运行信息及驾驶员信息；s8.2：根据步骤s3确定换道车辆与前方车辆、目标车道前车、目标车道后车的最小换道距离；s8.3：分别计算车辆到达目标合流位置的行车安全指以及车辆以相同运动状态直线行驶的；s8.4：判断换道车辆与前方车辆、目标车道前车、目标车道后车的实际距离，若实际距离分别大于最小换道距离，并且，则控制车辆进行换道；s8.5：若换道车辆为cav车辆，根据dsi阈值进行速度控制或提供驾驶策略建议；若换道车辆为hdv车辆，根据阈值对该hdv车辆的领先cav车辆或滞后cav车辆进行速度控制；s8.6：在不满足换道约束条件的情况下，若车辆为cav车辆，则根据dsi阈值对其进行速度控制或提供驾驶策略建议；若车辆为hdv车辆，则根据dsi阈值对其领先或滞后的cav车辆进行速度控制，然后在下一时刻重新判断换道约束条件直到车辆换道成功。

技术总结
本发明属于交通控制系统领域，具体提供一种异质交通流合流区换道时机判别及主动安全控制方法，包括以下步骤：获取道路上车辆的运行信息及驾驶员信息；构建安全场模型；构建基于安全势场的最小换道距离模型；构建基于安全势场的行车安全指标；合流区上游早期的自由换道；合流区加速车道的强制换道与合作换道。本发明结合现有合流区等重点场景交通冲突矛盾复杂、换道合并策略单一、行车安全指标缺乏等问题，综合道路环境和车辆运动状态因素，以安全势能及势能变化率等标量测度换道目标位置风险，构建了以行车安全指数换道安全评价指标为核心的多车组合换道控制策略，以此判断安全换道时机。换道时机。换道时机。


技术研发人员：孙宝凤 宋佳 王薇 马国栋 周户星
受保护的技术使用者：吉林大学
技术研发日：2023.05.19
技术公布日：2023/7/4