一种基于编队的单点无信号交叉口智能调度方法与系统

1.本发明属于智能交通领域，涉及一种基于编队的单点无信号交叉口智能调度方法与系统。


背景技术：

2.在城市路网中，无信号交叉口是道路交叉口重要的组成部分，在车流量较小时，无信号交叉口能有较高的通行效率，但随着车流量的逐步增加，无信号交叉口反而会通行混乱导致较低的通行效率，同时无信号交叉口发生车辆事故的概率要远高于其他交叉口。因此，解决无信号交叉口车辆的行车安全和效率问题己迫在眉睫。
3.而当前，无线通信和互联网等技术的发展与进步，推动了以车车通信(v2v)、车路通信(v2i)等为基础的车路协同系统(cvis)的发展。车车、车路之间能够传递更为丰富的道路环境等信息，使得车路协作、多车协作控制成为可能。许多学者将上述技术运用到对无信号交叉口的调度上来，比如通过车车协同，进行多车分布式协调控制，对交叉口来车进行协同调度，但调度算法较为复杂，有一定概率出现多车计算结果不一致的问题，从而导致交通事故，所以不稳定；也有通过集中式方式，在交叉口构建调度系统，通过v2i获取路口所有车辆信息，综合车辆信息，统一对路口车辆进行调度。通过构建中心调度系统的集中式方式一般情况会更加稳定和高效，但是当车流量较高时，车辆会与调度系统建立频繁的通信，在调度协调过程当中会出现信息紊乱或消息时延过程等情况，反而使交通通行效率降低，且不利于车辆安全通过路口。
4.因此，亟需一种能提高车辆通行效率和安全性，降低通信和计算消耗的无信号交叉口智能调度方法。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于编队的单点无信号交叉口智能调度方法与系统，该方法将编队的思想运用到无信号交叉口的智能路侧调度系统中，用集中式方式以编队为单位进行统一调度，当车辆驶入路口的特定区域，基于动态博弈算法进行编队组队和编队控制，编队中仅由头车与智能路侧调度系统交互，接受其调度，随后通过编队轨迹预测模型对各个方向的编队进行冲突判断和预测，同时确定优先级顺序，通过速度引导算法对编队进行速度引导，消解冲突并且避免停车等候，直到编队中所有车辆通过路口便解散编队。该方法将车辆编队的一致性、高效性运用到无信号交叉口调度中，提高车辆通行效率和安全性，降低通信和计算消耗。
6.为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
7.方案1：一种基于编队的单点无信号交叉口智能调度方法，具体包括以下步骤：
8.s1：智能路侧调度系统获取目标无信号交叉口范围内车辆信息和车道地理信息，筛选出即将进入交叉口的车辆；
9.所述车辆信息包括车辆速度、加速度、航向角以及位置信息；所述车道地理信息包
括各个方向的进口车道、出口车道以及碰撞点的地理位置信息；所述进口车道划分为编队区、速度引导区以及交叉口中心区；所述出口车道包括编队解散区；
10.s2：基于重复动态博弈算法构建车辆编队控制模型，对进入编队区且有共同行驶意图的车辆进行编队组队和编队控制，并以编队第一辆车为头车，其余车辆为从车，且仅由编队头车接收智能路侧调度系统的调度信息，减少智能路侧调度系统的通信以及计算负荷，随后进入速度引导区；
11.s3：智能路侧调度系统轮询路口各个方向进入速度引导区的编队信息，基于编队轨迹冲突预测模型对各个方向编队进行冲突判断和预测，同时确定通行优先级；
12.s4：根据通行优先级大小确定编队通行顺序，同时智能路侧调度系统基于速度引导算法计算出路口各方向编队的引导速度，引导车辆通行，消解碰撞冲突同时避免停车等候；
13.s5：编队驶出速度引导区进入交叉口中心区，在进入交叉口中心区前，判断前一优先级编队是否已经完全通过，若通过则保持原速度通行，反之，停车等候，等待其通过后再通行；
14.s6：编队所有车辆驶入解散区后，头车发起解散请求，编队内部车辆依次离队。
15.进一步，步骤s1中，碰撞点由路口不同方向驶来的编队路线交叉形成，将有冲突的路线以及碰撞点地理位置提前存储，供步骤s3进行冲突预测。所述碰撞点的地理位置为：交叉路口南方向的直行与西方向的直行碰撞点；南方向的左转和东方向的左转碰撞点；南方向的左转和西方向的直行碰撞点；南方向的左转和北方向的直行碰撞点，其余东、北、西方向碰撞点以交叉路口中心分别对以上碰撞点做90
°
、180
°
、270
°
得到。
16.进一步，步骤s2中，所述基于重复动态博弈算法构建车辆编队控制模型，具体包括：首先用矩阵理论确定编队内部的通信拓扑结构，确定车辆间的通信连接方式，其次基于重复动态博弈算法进行编队实时运动控制，使编队内车辆速度、间距趋于一个安全的范围。
17.进一步，步骤s2中，所述编队内部的通信拓扑结构表示为其中，编队中车辆数为n，矩阵中每个元素为a
ij
，当a
ij
＝1表示车辆i能给车辆j发送状态信息；a
ij
＝0则不能发送信息；i，j＝1,2,...,n，其中i，j＝1表示此车为头车，其余为从车。
18.进一步，步骤s2中，所述基于重复动态博弈算法进行编队实时运动控制，具体包括：将车辆间速度趋于一个有限范围内，使车与车之间保持相同的较小的安全距离，增加一致性，同时避免碰撞；所述重复动态博弈算法以编队中后车与前车的加速度作为博弈输出策略，博弈模型以安全收益、速度收益以及加速度收益作为动态博弈收益指标；然后根据收益指标确定博弈对象的总体收益函数并进行收益的归一化处理；再通过逆序归纳法计算出编队中各车辆最优输出策略。
19.进一步，步骤s3中，所述基于编队轨迹冲突预测模型对各个方向编队进行冲突判断，具体包括以下步骤：
20.s301：智能路侧系统通过v2x通信轮询路口各方向速度引导区的编队信息，编队信
息包括：编队行驶意图、编队车辆数、编队车间距、编队行驶速度、编队行驶加速度、编队头车与尾车位置信息以及编队历史优先级；
21.s302：当有编队ci进入车道l(l≤n，n为进口车道总数)的速度引导区，以南方向进口道k(k≤n)开始，通过步骤s1获取到的编队信息判断车道k是否存在编队，若存在，执行步骤s303，若不存在执行步骤s306；
22.s303：通过编队信息中的行驶意图信息判断两者路线是否存在交叉，若存在，通过执行步骤s304进一步计算是否发生冲突，反之执行步骤s306；
23.s304：通过两编队行驶意图判断冲突类型，获取到对应冲突点位置，通过编队信息中速度，加速度以及位置信息，通过运动学理论结合冲突点几何位置计算出各编队头车前端以及尾车末端驶过冲突点的时刻，形成冲突点时间占用区间t
oi
＝[t
fi
,t
ei
]，若两编队时间占用区间存在交集则会发生冲突，执行步骤s305，反之执行步骤s306；
[0024]
s305：通过优先级判断模型计算出各编队通行优先级，若编队ci优先级较高，直接执行步骤s306，反之通过速度引导算法给出编队ci建议车速，并通过v2x下发至编队ci再执行步骤s306；
[0025]
s306：以逆时针顺序继续判断下一车道，直至k＝n，即判断完所有车道。
[0026]
进一步，步骤s4中，根据通行优先级大小确定编队通行顺序，具体是：基于编队长度、编队头车到达冲突点时间、紧急系数、历史优先级并综合考虑转弯让直行的原则确定；以上述五大因素确定通行优先级表达式：pi＝α1ta+α2rv+α3n+α4em+α5s，其中α1～α5为权重系数；ta为编队头车到达冲突点的时间；rv为历史优先级影响参数，历史优先级越低，其值越大；n为车辆编队的车辆数；em为紧急参数；s为转弯让直行影响参数，若不存在转弯让直行的场景其值为0，若为转弯编队其值为负，若为直行编队，其值为正。
[0027]
进一步，步骤s4中，基于速度引导算法计算出路口各方向编队的引导速度，具体包括：速度引导算法基于编队碰撞临界状态确定编队车辆在速度引导区的速度范围，以此为编队的建议速度，消解冲突且减少停车等待时间；编队基于通行优先级大小通行，高优先级的编队加速或匀速通行，较低优先级的编队减速通行，高先级编队的速度v
l
范围为其中ttc为碰撞时间，d为到冲突点的距离，v
max
为最大速度，当存在转弯时，v
max
＝{vr∩v
t
}，不存在转弯时，v
max
＝vr，其中vr为道路限速，v
t
为发生翻转的临界速度；低优先级范围vh为0≤vh(t)≤{v
max
∩vc}，其中vc为与前一优先级编队最后一辆车发生碰撞的临界速度。
[0028]
方案2：一种基于编队的单点无信号交叉口智能调度系统，包括智能路侧调度系统和车载编队控制系统；所述智能路侧调度系统包含路侧单元(rsu)以及智能路侧计算控制单元；所述车载编队控制系统包含车载单元(obu)以及智能车端计算控制单元；
[0029]
所述车载单元设置在车辆上，所述路侧单部署在路侧，两者都具备v2x通讯功能；所述车载单元用于将车辆以及编队数据通过所述路侧单元上传至所述智能路侧计算控制单元计算；所述智能车端计算控制单元用于对车辆的控制以及基于重复动态博弈算法进行编队组队和编队运动控制；所述智能路侧计算控制单元通过获取路口车辆编队信息，基于编队轨迹冲突预测模型、优先级判定方法以及速度引导算法统一对路口编队车辆进行实时调度。
[0030]
本发明的有益效果在于：
[0031]
1)本发明将车辆编队融入到无信号交口调度系统中，将车辆编队的一致性、高效性结合智能路侧调度系统集中的特点以编队为单位对车辆进行统一调度，使车辆间距离在较小且安全的范围内，使其更加紧凑，会大大提高道路空间的利用率以及车辆通行的效率，同时，交叉口路侧系统只需与路口编队的头车进行交互，而不必与路口中每辆车交互，成倍地减少了路侧系统的通信压力以及计算压力。
[0032]
2)本发明基于车车重复动态博弈的算法对编队进行控制，由于编队行驶是一个动态的过程，过程中的轨迹参数一直在改变，而该算法会通过相关车辆的实时数据进行重复动态博弈，每一次博弈输出都是该时刻的最高收益，由此重复博弈使收益始终稳定于某一最高收益。
[0033]
3)本发明基于编队轨迹的冲突预测模型以及优先级序列判定模型对各个方向编队进行通行序列的计算，将以往的分析到停止线的时间转换到具体的碰撞点时间，更加合理和具备精确性；同时通过实时获取路口速度引导区的编队信息，使用该模型对各方向来车进行冲突的预测以及通行优先级的确立，更具实时性。
[0034]
4)本发明通过速度引导算法对速度引导区的车辆给出建议速度来进行速度引导，根据路口实时状况以及各方向编队信息，并结合碰撞冲突的位置以及碰撞时间，通过该算法对冲突进行消解，同时减少通行车辆停车等候，提高舒适度。
[0035]
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
[0036]
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
[0037]
图1为本发明中基于编队的单点无信号交叉口智能调度系统架构图；
[0038]
图2为本发明中基于编队的单点无信号交叉口智能调度方法流程图；
[0039]
图3为本发明实施例中路口车道分区图；
[0040]
图4为本发明实施例中路口中心区碰撞点位置图；
[0041]
图5为本发明实施例中路口碰撞冲突预测流程图；
[0042]
图6为本发明实施例中优先级判定参数。
具体实施方式
[0043]
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0044]
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
[0045]
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
[0046]
请参阅图1～图6，如图1所示，本发明提供一种基于编队的单点无信号交叉口智能调度系统总体架构，包括智能路侧调度系统和车载编队控制系统，智能路侧调度系统包含路侧单元(rsu)、路侧感知设备以及智能路侧计算控制单元；车载编队控制系统包含车载单元(obu)、车载感知设备以及智能车载计算控制单元。obu、rsu都具备v2x通讯功能，可以建立车辆和路侧的通信。车载感知设备可以包括车辆端的摄像头、gnss卫星定位传感器等定位传感器或测距传感器；路侧感知设备可以包括设置于交叉路口区域内路端摄像头、激光雷达以及毫米波雷达。车载计算控制单元通过车载感知设备以及基于动态博弈算法进行编队组队和编队控制；智能路侧计算控制单元通过获取路口车辆编队信息，基于编队轨迹冲突预测模型、优先级判定方法以及速度引导算法统一对路口编队车辆进行实时调度。
[0047]
如图2所示，本发明提供了一种基于编队的单点无信号交叉口智能调度方法，具体包括以下步骤：
[0048]
步骤s1：智能路侧调度系统获取交叉路口范围内车辆信息以及相关地理信息。
[0049]
智能路侧调度系统通过v2x通信获取路口规定范围内车辆信息，所述车辆信息包括车辆速度、加速度以及经纬度；智能路侧调度系统提前对地理信息进行划分和存储，所述地理信息包括各个方向的进口车道、出口车道以及碰撞点的地理位置信息。如图3所示，进口车道单个方向至少包括两个进口车道，并对进口车道进行编号，以南方向进口车道最左侧车道从1开始逆时针开始逐步加一，同时进口车道被划分为编队区、速度引导区以及交叉口中心区，出口车道划分为编队解散区。
[0050]
如上所述，编队区是车辆进行编队组队、编队协同控制的区域；速度引导区是车辆编队进行速度动态调节的区域，避免在交叉口发生碰撞，同时避免停车等候；交叉口中心区是车辆可能发生碰撞的重要区域；编队解散区是编队整体通过交叉路口后编队解散的区域。
[0051]
优选地，交叉口碰撞点位于交叉口中心区域，如图4所示，碰撞点由路口不同方向驶来的编队路线交叉形成，将有冲突的路线以及碰撞点地理位置提前存储，碰撞点具体位置为：交叉路口南方向的直行与西方向的直行碰撞点；南方向的左转和东方向的左转碰撞点；南方向的左转和西方向的直行碰撞点；南方向的左转和北方向的直行碰撞点，其余东、北、西方向碰撞点以交叉路口中心分别对以上碰撞点做90
°
、180
°
、270
°
得到，对以上碰撞点表示为cp(1,3)、cp(1,6)、cp(1,7)、cp(1,8)
…
，其中cp(x1,x2)表示车道x1和车道x2存在的碰撞点。
[0052]
步骤s2：基于重复动态博弈算法构建车辆编队控制模型，对进入编队区的车辆进行编队组队和编队控制，并以编队第一辆车为头车，其余车辆为从车，仅由编队头车接受智能路侧调度系统调度。
[0053]
在编队组队过程中，由先进入编队区的车辆通过车载obu发起广播，发送编队组队命令，并发送自身速度、加速度、位置信息以及路口欲行驶方向，该车辆周围具有相同行驶方向的车辆接收组队命令，加入到车辆编队中，在编队中，发起组队命令的车辆为编队头车，具有领航作用，同时实时更新编队数据，包括编队的长度、速度、加速度、位置信息以及是否存在紧急车辆等，且仅由编队头车接收路侧调度系统的调度和引导。
[0054]
编队组队完毕后，基于重复动态博弈算法对车辆编队进行实时控制，首先用矩阵理论确定编队内部的通信拓扑结构，确定车辆间的通信连接方式，其矩阵表达式为：其中，编队中车辆数为n,矩阵中每个元素为a
ij
，当a
ij
＝1表示车辆i可以给车辆j发送状态信息；a
ij
＝0则不能发送信息；i，j＝1,2,....n，其中i，j＝1表示此车为头车，其余为从车。
[0055]
其次，基于重复动态博弈算法进行编队实时运动控制。在编队实际跟驰驾驶过程中，对编队中任意两两相邻车辆进行实时控制，最终达到对编队整体的控制。车辆通过v2v通信以及车载感知设备不限于车载激光雷达等方式获取周围车辆的加速度、速度、车间距离，基于动态博弈把相邻两车作为博弈对象，其博弈的目的是达到一个相对稳定的跟驰状态，即在保证安全距离情况下两车相对速度差为零的跟驰状态。两车都为了获取自身最高的收益从而产生博弈对局，将每辆后车与前车的加速度作为博弈策略的动态重复博弈，对编队中多辆车进行个体间的动态运动协调，使车辆间速度趋于一个有限范围内，使车车之间保持相同范围内较小的安全距离，其中安全收益、速度收益以及加速度收益为动态博弈收益指标。安全收益为：其中i为第i次博弈，δdi为第i次博弈安全收益，δsi为第i次博弈时两车的实际距离，表示第i次博弈时两车协同安全距离，其计算表达式为：d
safe
＝2+s-s1，其中δs表示最小安全距离补偿；其次速度收益为：为：其中j为车辆序号，为车辆j第i次博弈的速度收益，为车辆j第i次博弈车辆速度，为车辆第i次博弈的加速度，δt表示重复动态博弈间隔时间δt＝τ；最后加速度收益为：其中表示j所属车辆第i次博弈的车辆加速度收益为车辆第i次博弈的加速度。
[0056]
对上述安全收益、速度收益以及加速度收益构建的最终的收益指标归一化函数
为：其中前后车辆加速度范围分别为其中前后车辆加速度范围分别为针对重复动态博弈的编队实时运动控制的安全收益、速度收益以及加速度收益确定具体的收益指标函数为：其中为车辆j的第i次博弈的收益；f(*)为各个收益的归一化函数；α、β、γ分别表示安全、速度和舒适度的权重系数。
[0057]
由于收益指标存在正负，因此使用归一化函数：其中x
*
为归一化后的收益值；x为原始收益值；μ为博弈收益x的期望；σ为x的标准差。然后根据归一化函数对重复动态博弈建模，其中博弈对局人为为编队中任意前后两车，两车之间对应的离散策略集合为：
[0058][0059][0060][0061]
其中，表示编队中编号为m的车在时刻i的加速度值，表示其在博弈期间的加速、匀速、减速驾驶行为的具体数值，具体化驾驶行为；代表m车的博弈对象即m车的后车在时刻i的加速度值。在动态博弈中，博弈存在先后顺序,当发起博弈对局后，在确定双方的博弈策略以及收益函数后，根据逆推归纳法原理，两车之间的前车选择自己的策略s
m,i
，以策略s
m,i
为基础推断其后车可能选取基于策略s
m,i
的最优策略在后车的决策节点处，前车通过逆序归纳法基于后车的最优策略的最大收益逆推前车的最大收益然后后车基于前车的最优收益策略，计算自身的最优输出策略。
[0062]
步骤s3：智能路侧调度系统获取路口各个方向进入所述速度引导区的编队信息，基于编队轨迹冲突预测模型对各个方向编队进行冲突判断和预测。
[0063]
轨迹冲突预测模型根据路口范围内所有车道编队的信息，同时根据运动学模型对其轨迹进行预测和判断，确定可能的冲突点位置，然后分别计算对冲突点的时间占用区间，查看区间交集的情况。若有交集，则表示存在轨迹冲突，需要进一步确定通行优先级，反之，不存在冲突，按照原速度不变继续通行。由于需要对四个方向来车统一预测，因此使用图5所示的轮询预测方法，具体步骤如下：
[0064]
步骤s301：智能路侧调度系统轮询获取各个方向车道车辆编队信息。
[0065]
其中，编队信息包括编队行驶意图、编队车辆数、编队车间距、编队行驶速度、编队行驶加速度、编队头车与尾车位置信息以及编队历史优先级，可通过该信息确定编队所在车道编号，以及和其对应的可能的冲突点位置。
[0066]
步骤s302：当编队进入到车道的速度引导区，判断其余车道是否存在编队车辆。
[0067]
当编队ci进入车道l(l为整数，l≤n，n为车道总数)的速度引导区时，所述智能路侧调度系统判断其他车道k(k为整数，k≤n)的所述速度引导区是否存在编队车辆，若存在，执行步骤s303，若不存在执行步骤s306；
[0068]
步骤s303：通过编队信息中的行驶意图信息，结合冲突信息判断两者路线是否存在交叉，若存在，通过执行步骤s304进一步计算是否发生冲突，反之执行步骤s306；
[0069]
步骤s304：通过两编队行驶意图判断冲突类型，获取到对应冲突点位置，通过编队信息中速度，加速度以及位置信息，通过运动学理论结合冲突点几何位置计算出各编队头车前端以及尾车末端驶过冲突点的时刻，形成冲突点时间占用区间t
oi
＝[t
fi
,t
ei
]，若两编队时间占用区间存在交集则会发生冲突，执行步骤s305，反之执行步骤s306；
[0070]
步骤s305：通过优先级判断模型计算出各编队通行优先级，若编队ci优先级较高，直接执行步骤s306，反之通过速度引导算法给出编队ci建议车速，并通过v2x下发至编队ci再执行步骤s306；
[0071]
步骤s306：以逆时针顺序继续判断下一车道，直至k＝n，即判断完所有车道。
[0072]
上述步骤s304碰撞点的时间占用区间通过v2x通信获取编队的位置信息、速度、加速度、编队长度，航向角等信息。到碰撞点的距离计算公式为：d＝ds+dc,其中ds为编队头车到停止线的距离，由编队位置信息和车道信息计算得出；dc为车辆到碰撞点的路径距离。时间占用区间中tf计算公式为：其中d表示编队头车到碰撞点的位移，v0表示车辆初始速度，a表示加速度。时间占用区间中te计算公式为：其中l
p
为编队长度。通过计算得到对碰撞点的时间占用区间，当表示不存在冲突，继续判断下一车道，若则需要通过优先级计算方法判断优先级大小，若编队ci优先级大于编队cj，继续判断下一车道，当所有车道中编队ci都是最大，则编队ci以当前速度安全通过，反之通过速度引导算法给出编队ci建议车速，然后再继续检测下一车道，最终形成优先级顺序，以此顺序通行。
[0073]
步骤s4：对存在冲突的编队进行优先级的确定，以此作为通行先后顺序，同时基于速度引导算法计算出各个方向进入速度引导区编队的引导速度，消解冲突同时避免停车等候。
[0074]
对存在冲突的编队进行优先级的确定。通行优先级判定参数如图6所示，通行优先级判断模型基于编队长度、编队头车到达冲突点时间、紧急系数、历史优先级并综合考虑转弯让直行的原则确定。以上述五大因素确定通行优先级表达式：pi＝1ta+α2rv+3n+α4em+5s，其中α1～α5为权重系数；ta为编队头车到达冲突点的时间；rv为历史优先级影响参数，历史优先级越低，其值越大；n为车辆编队的车辆数；em为紧急参数；s为转弯让直行影响参数，若不存在转弯让直行的场景其值为0，若为转弯编队其值为负，若为直行编队，其值为正。
[0075]
车辆编队通行的顺序以通行优先级为依据，最高优先级的编队以当前速度匀速通过，次优先级的编队通过速度引导算法减速通过。所述速度引导算法，当车辆编队与车辆编队之间不存在冲突，则编队双方以当前车速匀速通过交叉路口；若存在冲突则根据其优先级顺序，前一优先级编队的速度v
l
范围为其中ttc为碰撞时间，d为到冲突点的距离，v
max
为最大速度，当存在转弯时，v
max
＝{vr∩v
t
}，不存在转弯时，v
max
＝vr，其中vr为道路限速，为发生侧翻时的最小速度，其中fn为最大路面附着力r为转弯半径、m为汽车质量。次优先级范围vh为0≤vh(t)≤{v
max
∩vc}，其中vc为前一优先级编队最后
一辆车发生碰撞的临界速度。
[0076]
步骤s5：在编队头车进入交叉口中心区之前，判断前一优先级编队是否通过，若通过，则保持原速度通过交叉口中心，反之，停车等待其通过后再通行，以此作为编队安全通行的最后一道屏障。
[0077]
智能路侧调度系统会实时更新路口编队通行的顺序和状态，当某一编队完全通过路口后，会将该编队的编队信息删除，当编队头车即将进入交叉口中心区时，通过v2x通信，获取前一优先级编队状态，若获取不到前一优先级状态，便可确定前一优先级编队已经通过路口，只需保持原速度通过所述交叉口中心；若获取到前一优先级状态，便减速停车等候，直到获取不到前一优先级编队状态后再顺序通行。
[0078]
步骤s6：编队所有车辆驶入解散区后，所述头车发起解散请求，编队内部车辆依次离队。当编队车辆尾车进入编队解散区，智能路侧调度系统将该编队的编队信息删除，同时编队头车广播解散车队请求，跟随车收到解散车队请求后依次退出编队，变为自由车，当所有车辆均退出编队，头车也变为自由车，编队解散完毕。
[0079]
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

技术特征：
1.一种基于编队的单点无信号交叉口智能调度方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：s1：智能路侧调度系统获取目标无信号交叉口范围内车辆信息和车道地理信息，筛选出即将进入交叉口的车辆；所述车辆信息包括车辆速度、加速度、航向角以及位置信息；所述车道地理信息包括各个方向的进口车道、出口车道以及碰撞点的地理位置信息；所述进口车道划分为编队区、速度引导区以及交叉口中心区；所述出口车道包括编队解散区；s2：基于重复动态博弈算法构建车辆编队控制模型，对进入编队区且有共同行驶意图的车辆进行编队组队和编队控制，并以编队第一辆车为头车，其余车辆为从车，且仅由编队头车接收智能路侧调度系统的调度信息，减少智能路侧调度系统的通信以及计算负荷，随后进入速度引导区；s3：智能路侧调度系统轮询路口各个方向进入速度引导区的编队信息，基于编队轨迹冲突预测模型对各个方向编队进行冲突判断和预测，同时确定通行优先级；s4：根据通行优先级大小确定编队通行顺序，同时智能路侧调度系统基于速度引导算法计算出路口各方向编队的引导速度，引导车辆通行，消解碰撞冲突同时避免停车等候；s5：编队驶出速度引导区进入交叉口中心区，在进入交叉口中心区前，判断前一优先级编队是否已经完全通过，若通过则保持原速度通行，反之，停车等候，等待其通过后再通行；s6：编队所有车辆驶入解散区后，头车发起解散请求，编队内部车辆依次离队。2.根据权利要求1所述的基于编队的单点无信号交叉口智能调度方法，其特征在于，步骤s1中，所述碰撞点的地理位置为：交叉路口南方向的直行与西方向的直行碰撞点；南方向的左转和东方向的左转碰撞点；南方向的左转和西方向的直行碰撞点；南方向的左转和北方向的直行碰撞点，其余东、北、西方向碰撞点以交叉路口中心分别对以上碰撞点做90
°
、180
°
、270
°
得到。3.根据权利要求1所述的基于编队的单点无信号交叉口智能调度方法，其特征在于，步骤s2中，所述基于重复动态博弈算法构建车辆编队控制模型，具体包括：首先用矩阵理论确定编队内部的通信拓扑结构，确定车辆间的通信连接方式，其次基于重复动态博弈算法进行编队实时运动控制，使编队内车辆速度、间距趋于一个安全的范围。4.根据权利要求3所述的基于编队的单点无信号交叉口智能调度方法，其特征在于，步骤s2中，所述编队内部的通信拓扑结构表示为其中，编队中车辆数为n，矩阵中每个元素为a
ij
，当a
ij
＝1表示车辆i能给车辆j发送状态信息；a
ij
＝0则不能发送信息；i，j＝1,2,...,n，其中i，j＝1表示此车为头车，其余为从车。5.根据权利要求3所述的基于编队的单点无信号交叉口智能调度方法，其特征在于，步骤s2中，所述基于重复动态博弈算法进行编队实时运动控制，具体包括：将车辆间速度趋于一个有限范围内，使车与车之间保持相同的较小的安全距离，增加一致性，同时避免碰撞；所述重复动态博弈算法以编队中后车与前车的加速度作为博弈输出策略，博弈模型以安全收益、速度收益以及加速度收益作为动态博弈收益指标；然后根据收益指标确定博弈对象
的总体收益函数并进行收益的归一化处理；再通过逆序归纳法计算出编队中各车辆最优输出策略。6.根据权利要求1所述的基于编队的单点无信号交叉口智能调度方法，其特征在于，步骤s3中，所述基于编队轨迹冲突预测模型对各个方向编队进行冲突判断，具体包括以下步骤：s301：智能路侧系统通过v2x通信轮询路口各方向速度引导区的编队信息，编队信息包括：编队行驶意图、编队车辆数、编队车间距、编队行驶速度、编队行驶加速度、编队头车与尾车位置信息以及编队历史优先级；s302：当有编队c
i
进入车道l的速度引导区，以南方向进口道k开始，通过步骤s1获取到的编队信息判断车道k是否存在编队，若存在，执行步骤s303，若不存在执行步骤s306；其中，l≤n，l≤n，n为进口车道总数；s303：通过编队信息中的行驶意图信息判断两者路线是否存在交叉，若存在，通过执行步骤s304进一步计算是否发生冲突，反之执行步骤s306；s304：通过两编队行驶意图判断冲突类型，获取到对应冲突点位置，通过编队信息中速度，加速度以及位置信息，通过运动学理论结合冲突点几何位置计算出各编队头车前端以及尾车末端驶过冲突点的时刻，形成冲突点时间占用区间t
oi
＝[t
fi
,t
ei
]，若两编队时间占用区间存在交集则会发生冲突，执行步骤s305，反之执行步骤s306；s305：通过优先级判断模型计算出各编队通行优先级，若编队c
i
优先级较高，直接执行步骤s306，反之通过速度引导算法给出编队c
i
建议车速，并通过v2x下发至编队c
i
再执行步骤s306；s306：以逆时针顺序继续判断下一车道，直至k＝n，即判断完所有车道。7.根据权利要求1所述的基于编队的单点无信号交叉口智能调度方法，其特征在于，步骤s4中，根据通行优先级大小确定编队通行顺序，具体是：基于编队长度、编队头车到达冲突点时间、紧急系数、历史优先级并综合考虑转弯让直行的原则确定；以上述五大因素确定通行优先级表达式：p
i
＝α1ta+α2rv+α3n+α4e
m
+α5s，其中α1～α5为权重系数；ta为编队头车到达冲突点的时间；rv为历史优先级影响参数，历史优先级越低，其值越大；n为车辆编队的车辆数；e
m
为紧急参数；s为转弯让直行影响参数，若不存在转弯让直行的场景其值为0，若为转弯编队其值为负，若为直行编队，其值为正。8.根据权利要求1所述的基于编队的单点无信号交叉口智能调度方法，其特征在于，步骤s4中，基于速度引导算法计算出路口各方向编队的引导速度，具体包括：速度引导算法基于编队碰撞临界状态确定编队车辆在速度引导区的速度范围，以此为编队的建议速度，消解冲突且减少停车等待时间；编队基于通行优先级大小通行，高优先级的编队加速或匀速通行，较低优先级的编队减速通行，高先级编队的速度v
l
范围为其中ttc为碰撞时间，d为到冲突点的距离，v
max
为最大速度，当存在转弯时，v
max
＝{v
r
∩v
t
}，不存在转弯时，v
max
＝v
r
，其中v
r
为道路限速，v
t
为发生翻转的临界速度；低优先级范围v
h
为0≤v
h
(t)≤{v
max
∩v
c
}，其中v
c
为与前一优先级编队最后一辆车发生碰撞的临界速度。9.适用于权利要求1～8中任意一项所述方法的基于编队的单点无信号交叉口智能调度系统，其特征在于，该系统包括智能路侧调度系统和车载编队控制系统；所述智能路侧调
度系统包含路侧单元以及智能路侧计算控制单元；所述车载编队控制系统包含车载单元以及智能车端计算控制单元；所述车载单元设置在车辆上，所述路侧单部署在路侧，两者都具备v2x通讯功能；所述车载单元用于将车辆以及编队数据通过所述路侧单元上传至所述智能路侧计算控制单元计算；所述智能车端计算控制单元用于对车辆的控制以及基于重复动态博弈算法进行编队组队和编队运动控制；所述智能路侧计算控制单元通过获取路口车辆编队信息，基于编队轨迹冲突预测模型、优先级判定方法以及速度引导算法统一对路口编队车辆进行实时调度。

技术总结
本发明涉及一种基于编队的单点无信号交叉口智能调度方法与系统，属于智能交通领域。本发明将编队的思想运用到无信号交叉口的智能路侧调度系统中，用集中式方式以编队为单位进行统一调度，当车辆驶入路口的特定区域，基于重复动态博弈算法进行编队组队和编队控制，编队中仅由头车与智能路侧调度系统交互，接受其调度，随后通过编队轨迹预测模型对各个方向的编队进行冲突判断和预测，同时确定优先级顺序，通过速度引导算法对编队进行速度引导，消解冲突并且避免停车等候，直到编队中所有车辆通过路口便解散编队。本发明将车辆编队的一致性、高效性运用到无信号交叉口调度中，提高车辆通行效率和安全性，降低通信和计算消耗。降低通信和计算消耗。降低通信和计算消耗。


技术研发人员：蒋建春 马万路 曾素华 余浩 杨金言
受保护的技术使用者：重庆邮电大学
技术研发日：2022.12.27
技术公布日：2023/5/16