一种客货分离高速公路自动驾驶专用道时空布局方法与流程

1.本发明属于智能交通的技术领域，具体地涉及一种客货分离高速公路自动驾驶专用道时空布局方法。


背景技术：

2.随着我国经济的发展，高速公路通车里程不断增加，高速公路交通量增长迅速。在目前高速公路交通流组成中，部分高速公路货车所占比例较大，且呈现增长趋势。大部分高速公路平均交通量中载货车比例在25％以上，高的可达60％。但由于客货车辆自身的机动性能差异，载重货车在动力性能方面远落后于小客车，混行交通流就暴露出其不合理性，在高速公路上自由行驶的载货车(60-90km/h)与高速行驶的小轿车(100-140km/h)形成明显的速度差。这种速度差大的交通流不仅容易在交通干道形成交通拥堵源，而且客货速度差别的范围愈大，则超车就愈多，容易造成高速行驶车辆追尾事故，从而引发偶发性交通拥堵，致使客货车同时处于低速行驶状态极大地降低了通行效率，严重影响到高速公路道路通行能力和运输效率。因此，近年来国内外开展了客货分离的高速公路建设，客车和货车分线行驶，消除了货车对客车的影响，降低了行驶车辆间的速度差异，显著提升了高速公路交通安全水平。
3.另外，随着5g、云计算、大数据、物联网等新技术的发展，自动驾驶产业迎来了盛大机遇，产业链上下游各方争相布局谋划、研究测试、试点示范。随着自动驾驶车辆的逐渐增多，在未来一定时间内将持续存在自动驾驶车辆与人工驾驶车辆混行的状态，为了行驶安全和效率的需求，亟需回答“建不建自动驾驶专用车道”和“建多少条自动驾驶专用车道”的问题。因此，如何针对自动驾驶车辆提高道路的利用效率成为本领域技术人员急需解决的技术问题。本发明的对象是客货分离高速公路，客货分线行驶消除了货车对客车的影响，在自动驾驶专用道布局优化时，仅针对货车道或客车道进行，因此，无需关注货车与客车之间的影响，重点考虑自动驾驶车辆的渗透率、自动驾驶车辆与人工驾驶车辆的行驶特征差异等因素。
4.本发明面向客货分离高速公路，提供客货分离高速公路自动驾驶专用道时空布局方法，兼顾了交通管理者高效、便捷管理需求，且有效解决了静态设置自动驾驶专用道造成的道路空间资源浪费问题，在有效保障自动驾驶车辆的行驶安全的同时，可有效提升高速公路通行效率，显著降低排放与油耗。


技术实现要素：

5.本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种客货分离高速公路自动驾驶专用道时空布局方法,其能够在有效保障自动驾驶车辆行驶安全的同时，提升高速公路的利用率和通行效率，有效解决静态自动驾驶专用道设置造成的道路空间资源的浪费问题。
6.本发明的技术解决方案是：这种客货分离高速公路自动驾驶专用道时空布局方
法，包括以下步骤：
7.(1)高速公路通道拓扑图提取；
8.(2)od交通需求分级标准确定；
9.(3)备选自动驾驶专用道布局方案确定；
10.(4)高速公路路段阻抗函数构建；
11.(5)基于用户均衡分配的自动驾驶专用道布局方案比选；
12.(6)自动驾驶专用道优化布局方案确定。
13.本发明通过高速公路通道拓扑图提取，od交通需求分级标准确定，备选自动驾驶专用道布局方案确定，高速公路路段阻抗函数构建，基于用户均衡分配的自动驾驶专用道布局方案比选，自动驾驶专用道优化布局方案确定，能够在有效保障自动驾驶车辆行驶安全的同时，有效提升高速公路的利用率和通行效率。
附图说明
14.图1是根据本发明的客货分离高速公路自动驾驶专用道时空布局方法的流程图。
15.图2示出了高速公路通道拓扑提取示意图。
具体实施方式
16.如图1所示，这种客货分离高速公路自动驾驶专用道时空布局方法，包括以下步骤：
17.(1)高速公路通道拓扑图提取；
18.(2)od交通需求分级标准确定；
19.(3)备选自动驾驶专用道布局方案确定；
20.(4)高速公路路段阻抗函数构建；
21.(5)基于用户均衡分配的自动驾驶专用道布局方案比选；
22.(6)自动驾驶专用道优化布局方案确定。
23.本发明通过高速公路通道拓扑图提取，od交通需求分级标准确定，备选自动驾驶专用道布局方案确定，高速公路路段阻抗函数构建，基于用户均衡分配的自动驾驶专用道布局方案比选，自动驾驶专用道优化布局方案确定，能够在有效保障自动驾驶车辆行驶安全的同时，有效提升高速公路的利用率和通行效率。
24.优选地，所述步骤(1)中，将高速公路通道单方向按车流方向抽象成有向图，将高速公路通道的起点、终点以及中间经过的收费站、互通枢纽等抽象为有向图的节点，则两个节点之间的连线为高速公路路段。
25.优选地，所述步骤(2)中，
26.根据标准jtg b01-2014，当高速公路路段流量与路段通行能力之比小于等于0.55时，交通流处于自由流状态；当高速公路路段流量与路段通行能力之比大于0.55且小于等于0.9时，交通流处于稳定流状态；
27.当高速公路路段流量与路段通行能力之比大于0.9时，交通流处于拥堵流状态；
具体计算公式如下：
[0028][0029]
(2.1)低需求阈值确定方法
[0030]
当同一时间周期内，高速公路通道中有10％以上路段的时，则将该时间周期对应的od小时交通需求定义为低需求阈值；
[0031]
或者当存在某一个路段在连续3个时间周期内，该路段的均大于0.55
[0032]
时，则将出现的第一个时间周期所对应的od小时交通需求定义为低需求阈值；
[0033]
(2.2)中需求阈值确定方法
[0034]
当存在同一时间周期内高速公路通道中有10％以上路段的时，则将该时间周期对应的od小时交通需求定义为中需求阈值；
[0035]
或者当存在某一个路段在连续3个时间周期内，该路段的均大于0.9
[0036]
时，则将出现的第一个时间周期所对应的od小时交通需求定义为中需求阈值；
[0037]
(2.3)高需求阈值确定方法
[0038]
当存在同一时间周期内高速公路通道中有10％以上路段的则将该时间周期对应的od小时交通需求定义为高需求阈值；
[0039]
或者当存在某一个路段在连续3个时间周期内，该路段的均大于1.0，则将出现的第一个时间周期所对应的od小时交通需求定义为高需求阈值。
[0040]
优选地，所述步骤(3)中，假设客货分离高速公路单向有n个车道，当自动驾驶车辆渗透率小于100％时，则每个路段对应的自动驾驶专用道布局方案为n种，可以选择设0条、1条、
…
、n-1条专用道；基于交通冲突理论，为了尽可能减少换道引起的交通冲突频率，选择内侧车道作为自动驾驶专用道。
[0041]
优选地，所述步骤(3)中，在同一交通运行状态对应的时间段内，各路段对应的自动驾驶专用道布局方案一样。
[0042]
优选地，所述步骤(4)包括以下分步骤：
[0043]
(4.1)车辆安全车头时距确定
[0044]
设自动驾驶车辆渗透率为p，则人工驾驶车辆比例为1-p。设自动驾驶车辆跟驰自动驾驶车辆的安全车头时距为tc，自动驾驶车辆跟驰人工驾驶车辆的安全车头时距为t
ch
，人工驾驶车辆跟驰自动驾驶车辆的安全车头时距为t
hc
，人工驾驶车辆跟驰人工驾驶车辆的
安全车头时距为th，
[0045]
当自动驾驶车跟驰自动驾驶车(c-c)时，两车之间基本可实现驾驶行为的同步变化，自动驾驶车辆之间的安全车头时距tc很小，
[0046]
当前车为人工驾驶车，后车为自动驾驶车(c-h)时，该跟驰模型下的车辆安全车头时距比人工驾驶车要小，但比自动驾驶车跟驰自动驾驶车下的车辆安全车头时距要大，tc＜t
ch
＜th[0047]
当前车为自动驾驶车，后车为人工驾驶车(h-c)时，h-c跟驰模式的车辆安全车头时距必须考虑驾驶员的反应时间，其取值比c-c和c-h跟驰模式下的安全车头时距要大，tc＜t
ch
＜t
hc
，
[0048]
当人工驾驶车辆跟驰人工驾驶车辆(h-h)时，该跟驰模式下的安全车头时距与h-c跟驰模式一样，th＝t
hc
。
[0049]
综上可得，tc＜t
ch
＜t
hc
＝th[0050]
根据自动驾驶车辆渗透率，得c-c的概率为p2,c-h的概率为p(1-p),h-c的概率为(1-p)p,h-h的概率为(1-p)2。
[0051]
(4.2)不设置自动驾驶专用道时路段阻抗函数构建阻抗函数通常用于交通分配中，其表示路段阻抗随道路流量的变化关系，其表达式如下：
[0052][0053]
式中，ta为路段a流量为xa的阻抗值，这里为路段行程时间；为路段的自由流行程时间；xa为路段a的流量；ca为路段a的通行能力；α和β为阻抗函数的校准参数，取值为α＝0.15和β＝4，
[0054]
由(1)得到，不设置自动驾驶专用道，自动驾驶车辆与人工驾驶车辆混行时，高速公路的通行能力cm计算公式如下：
[0055][0056]
将th＝t
hc
带入上式，可得
[0057][0058]
因此，将cm带入公式(1)得到不设置自动驾驶专用道的混合交通流阻抗函数t
m，a
为
[0059][0060]
式中，v
m，a
表示路段a混合交通流条件下的流量；
[0061]
(4.3)设置自动驾驶专用道时路段阻抗函数构建设置自动驾驶专用道条件下，可视为将高速公路路段划分为自动驾驶车道路段和人工驾驶车道路段，
[0062]
根据上述(1)得到的跟驰车头时距，自动驾驶专用道路段的通行能力cc的计算公式为：
[0063][0064]
将cc带入公式(1)得到自动驾驶专用道的路段阻抗函数t
c，a
为
[0065][0066]
式中，v
c，a
表示自动驾驶车道路段a的流量
[0067]
根据上述(1)得到的跟驰车头时距，得人工驾驶车道路段的通行能力ch的计算公式为：
[0068][0069]
将ch带入公式(1)得到人工驾驶车道路段的阻抗函数t
h，a
为
[0070][0071]
式中，v
h，a
表示人工驾驶车道路段a的流量。
[0072]
优选地，所述步骤(5)中，分别针对不同等级的od交通需求，基于用户均衡分配模型，利用上述步骤(4)构建的高速公路混行路段阻抗函数、自动驾驶专用道阻抗函数和人工驾驶车道路段阻抗函数，分别计算得到该高速公路通道中车辆总的行程时间
[0073]
得到自动驾驶与人工驾驶车辆混行条件下的高速公路通道车辆总行程时间ttm为:
[0074][0075]
得到设置自动驾驶专用道条件下，第i种设置方案的高速公路通道车辆总行程时间为:
[0076][0077]
经过上述计算后，筛选出可行的自动驾驶专用道布局方案；若则第i种自动驾驶专用道设置方案可行，因此得到可行设置方案集合i。
[0078]
优选地，所述步骤(6)中，若布局方案中，高速公路通道所有车辆的总行程时间越小，则对应的自动驾驶专用道设置方案越优，因此，得到最优的设置方案i
*
：
[0079][0080]
若对于任意的i，设置自动驾驶专用道的方案均使得车辆总的行程时间增加，则该情况不应设置自动驾驶专用道。
[0081]
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案的保护范围。

技术特征：
1.一种客货分离高速公路自动驾驶专用道时空布局方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：(1)高速公路通道拓扑图提取；(2)od交通需求分级标准确定；(3)备选自动驾驶专用道布局方案确定；(4)高速公路路段阻抗函数构建；(5)基于用户均衡分配的自动驾驶专用道布局方案比选；(6)自动驾驶专用道优化布局方案确定。2.根据权利要求1所述的客货分离高速公路自动驾驶专用道时空布局方法，其特征在于：所述步骤(1)中，将高速公路通道单方向按车流方向抽象成有向图，将高速公路通道的起点、终点以及中间经过的收费站、互通枢纽等抽象为有向图的节点，则两个节点之间的连线为高速公路路段。3.根据权利要求2所述的客货分离高速公路自动驾驶专用道时空布局方法，其特征在于：所述步骤(2)中，根据标准jtg b01-2014，当高速公路路段流量与路段通行能力之比小于等于0.55时，交通流处于自由流状态；当高速公路路段流量与路段通行能力之比大于0.55且小于等于0.9时，交通流处于稳定流状态；当高速公路路段流量与路段通行能力之比大于0.9时，交通流处于拥堵流状态；具体计算公式如下：路段l
k
的交通流状态为(2.1)低需求阈值确定方法当同一时间周期内，高速公路通道中有10％以上路段的时，则将该时间周期对应的od小时交通需求定义为低需求阈值；或者当存在某一个路段在连续3个时间周期内，该路段的均大于0.55时，则将出现的第一个时间周期所对应的od小时交通需求定义为低需求阈值；(2.2)中需求阈值确定方法当存在同一时间周期内高速公路通道中有10％以上路段的时，则将该时间周期对应的od小时交通需求定义为中需求阈值；或者当存在某一个路段在连续3个时间周期内，该路段的均大于0.9时，则将出现的第一个时间周期所对应的od小时交通需求定义为中需求阈值；(2.3)高需求阈值确定方法
当存在同一时间周期内高速公路通道中有10％以上路段的则将该时间周期对应的od小时交通需求定义为高需求阈值；或者当存在某一个路段在连续3个时间周期内，该路段的均大于1.0，则将出现的第一个时间周期所对应的od小时交通需求定义为高需求阈值。4.根据权利要求3所述的客货分离高速公路自动驾驶专用道时空布局方法，其特征在于：所述步骤(3)中，假设客货分离高速公路单向有n个车道，当自动驾驶车辆渗透率小于100％时，则每个路段对应的自动驾驶专用道布局方案为n种，可以选择设0条、1条、
…
、n-1条专用道；基于交通冲突理论，为了尽可能减少换道引起的交通冲突频率，选择内侧车道作为自动驾驶专用道。5.根据权利要求4所述的客货分离高速公路自动驾驶专用道时空布局方法，其特征在于：所述步骤(3)中，在同一交通运行状态对应的时间段内，各路段对应的自动驾驶专用道布局方案一样。6.根据权利要求5所述的客货分离高速公路自动驾驶专用道时空布局方法，其特征在于：所述步骤(4)包括以下分步骤：(4.1)车辆安全车头时距确定设自动驾驶车辆渗透率为p，则人工驾驶车辆比例为1-p；设自动驾驶车辆跟驰自动驾驶车辆的安全车头时距为t
c
，自动驾驶车辆跟驰人工驾驶车辆的安全车头时距为t
ch
，人工驾驶车辆跟驰自动驾驶车辆的安全车头时距为t
hc
，人工驾驶车辆跟驰人工驾驶车辆的安全车头时距为t
h
，当自动驾驶车跟驰自动驾驶车(c-c)时，两车之间基本可实现驾驶行为的同步变化，自动驾驶车辆之间的安全车头时距t
c
很小，当前车为人工驾驶车，后车为自动驾驶车(c-h)时，该跟驰模型下的车辆安全车头时距比人工驾驶车要小，但比自动驾驶车跟驰自动驾驶车下的车辆安全车头时距要大，t
c
＜t
ch
＜t
h
当前车为自动驾驶车，后车为人工驾驶车(h-c)时，h-c跟驰模式的车辆安全车头时距必须考虑驾驶员的反应时间，其取值比c-c和c-h跟驰模式下的安全车头时距要大，t
c
＜t
ch
＜t
hc
，当人工驾驶车辆跟驰人工驾驶车辆(h-h)时，该跟驰模式下的安全车头时距与h-c跟驰模式一样，t
h
＝t
hc
；综上可得，t
c
＜t
ch
＜t
hc
＝t
h
根据自动驾驶车辆渗透率，得c-c的概率为p2，c-h的概率为p(1-p)，h-c的概率为(1-p)p，h-h的概率为(1-p)2；(4.2)不设置自动驾驶专用道时路段阻抗函数构建阻抗函数通常用于交通分配中，其表示路段阻抗随道路流量的变化关系，其表达式如下：式中，t
a
为路段a流量为x
a
的阻抗值，这里为路段行程时间；为路段a的自由流行程时
间；x
a
为路段a的流量；c
a
为路段a的通行能力；α和β为阻抗函数的校准参数，取值为α＝0.15和α＝4，由(1)得到，不设置自动驾驶专用道，自动驾驶车辆与人工驾驶车辆混行时，高速公路的通行能力c
m
计算公式如下：将t
h
＝t
hc
带入上式，可得因此，将c
m
带入公式(1)得到不设置自动驾驶专用道的混合交通流阻抗函数t
m，a
为式中，v
m，a
表示路段a混合交通流条件下的流量；(4.3)设置自动驾驶专用道时路段阻抗函数构建设置自动驾驶专用道条件下，可视为将高速公路路段划分为自动驾驶车道路段和人工驾驶车道路段，根据上述(1)得到的跟驰车头时距，自动驾驶专用道路段的通行能力c
c
的计算公式为：将c
c
带入公式(1)得到自动驾驶专用道的路段阻抗函数t
c，a
为式中，v
c，a
表示自动驾驶车道路段a的流量根据上述(1)得到的跟驰车头时距，得人工驾驶车道路段的通行能力c
h
的计算公式为：将c
h
带入公式(1)得到人工驾驶车道路段的阻抗函数t
h，a
为式中，v
h，a
表示人工驾驶车道路段a的流量。7.根据权利要求6所述的客货分离高速公路自动驾驶专用道时空布局方法，其特征在于：所述步骤(5)中，分别针对不同等级的od交通需求，基于用户均衡分配模型，利用上述步骤(4)构建的高速公路混行路段阻抗函数、自动驾驶专用道阻抗函数和人工驾驶车道路段阻抗函数，分别计算得到该高速公路通道中车辆总的行程时间得到自动驾驶与人工驾驶车辆混行条件下的高速公路通道车辆总行程时间tt
m
为：得到设置自动驾驶专用道条件下，第i种设置方案的高速公路通道车辆总行程时间
为：经过上述计算后，筛选出可行的自动驾驶专用道布局方案；若则第i种自动驾驶专用道设置方案可行，因此得到可行设置方案集合i。8.根据权利要求7所述的客货分离高速公路自动驾驶专用道时空布局方法，其特征在于：所述步骤(6)中，若布局方案中，高速公路通道所有车辆的总行程时间越小，则对应的自动驾驶专用道设置方案越优，因此，得到最优的设置方案i
*
：若对于任意的i，设置自动驾驶专用道的方案均使得车辆总的行程时间增加，则该情况不应设置自动驾驶专用道。

技术总结
客货分离高速公路自动驾驶专用道时空布局方法，能够在有效保障自动驾驶车辆行驶安全的同时，提升高速公路的利用率和通行效率，有效解决了静态设置自动驾驶专用道造成的道路空间资源浪费问题。包括以下步骤：(1)高速公路通道拓扑图提取；(2)OD交通需求分级标准确定；(3)备选自动驾驶专用道布局方案确定；(4)高速公路路段阻抗函数构建；(5)基于用户均衡分配的自动驾驶专用道布局方案比选；(6)自动驾驶专用道优化布局方案确定。专用道优化布局方案确定。专用道优化布局方案确定。


技术研发人员：牛树云 周新波 丁晓岩 穆明浩 甘泉 李茜瑶
受保护的技术使用者：交通运输部公路科学研究所
技术研发日：2023.03.10
技术公布日：2023/6/28