一种引入虚拟车道的城市快速路车辆换道仿真实验方法

技术领域

本发明属于智能交通管理与控制技术领域，特别涉及一种引入虚拟车道的城市快速路车辆换道仿真实验方法。

背景技术

据统计，我国每年由车辆换道引起的交通事故约占总交通事故的4％-10％，由换道造成的交通延误约占总交通事故所引起延误时间的10％，换道显著降低了道路通行效率且带来了严重的交通安全隐患。

然而，在对车辆换道的现有研究中，通常假设整个换道过程在一个时间步内完成，忽略了车辆转向的具体过程，但该过程也可能给后方车辆带来安全隐患。在实际过程中，可能出现车辆能够满足换道动机和安全条件，并且已经开始转向操作时，由于驾驶员的主观因素影响，而做出放弃换道的决定，此时，车辆已经转向，因此不可避免地对后方来车造成影响，然而此种情况被现有研究所忽略。这种影响在城市快速路的车辆换道过程中尤为突出。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种引入虚拟车道的城市快速路车辆换道仿真实验方法，解决在研究车辆换道过程中“忽略车辆换道转向具体过程”对道路通行能力影响的问题，细化车辆换道时间步，更贴近实际换道过程。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种引入虚拟车道的城市快速路车辆换道仿真实验方法，包括以下步骤：

1)、判断当前车辆是否满足换道条件和换道需求；

2)、确定换道具体过程：换道具体过程包括换道车辆靠近目标车道、换道车辆车头驶入目标车道和换道车辆车尾驶入目标车道或换道失败返回原车道，对应于模型中的换道过程、加速过程、确定性减速过程、随机减速过程和位置更新过程；

3)、定义车辆换道过程中虚拟车道与实际车道的对应关系：

4)、定义车辆的横向安全区域和虚拟车道的整体换道规则：

5)、明确虚拟车道的三个参数：

车辆横向安全空间：左右相邻两条车道中与车辆所在位置平行的空间；

当前车道前车距：车辆所在车道及其横向安全空间所在三条车道中前车距的最小值；

目标车道前车距：车辆所在车道的相邻实际车道前车距中的最大值；

6)、确定虚拟车道的仿真边界条件和纵向位置更新规则：

7)、确定引入虚拟车道的城市快速路车辆换道仿真实验方法：借助MATLAB进行多次仿真实验并与实际道路车辆的流量密度数据拟合。

本发明通过在研究城市快速路的车辆换道模型中引入了虚拟车道的概念，通过定义虚拟车道的相关参数，区分虚拟车道与实际车道的差异，明确虚拟车道的仿真边界条件和纵向位置更新规则，构建引入虚拟车道的车辆换道仿真模型，从而确定了引入虚拟车道的城市快速路车辆换道仿真实验方法，更贴近实际道路换道驾驶行为，对预估道路设计通行能力具有重要意义。

进一步优化，所述步骤1)中判断车辆是否满足换道条件、换道需求，具体条件为：①当前车道不能满足驾驶员对速度的需求，②相邻车道有更宽阔的行驶空间，③相邻车道后方空档满足安全条件；

位于实际车道车辆需要同时满足①、②和③三个条件才能实施换道，而位于虚拟车道的车辆只需要满足条件③即可实施换道。

进一步优化，所述步骤2)确定换道具体过程，具体为，

所述步骤2)确定换道具体过程，具体为：

2.1)、换道过程，满足换道条件的车辆向其目标方向横向移动一个元胞:i为车道编号，

2.2)、加速过程，车辆在加速过程的状态演化可表示为：

2.3)、确定性减速过程，车辆在确定性减速过程的状态演化可表示为：

2.4)、随机减速过程：第n辆车在t+1时刻会以一定的概率P

2.5)、位置更新过程：在上述所有步骤都完成后，按照下式更新第n辆车在t+1时刻的位置：

进一步优化，所述步骤3)定义了三条虚拟车道与换道的过程相对应，具体为，①模型中车辆位于靠近驶出车道的虚拟车道时，对应实际中车辆偏离原车道道路中心线到驶入目标车道之前的阶段。②模型中车辆位于中间虚拟车道时，对应实际中车辆驶入目标车道到靠近目标车道道路中心线之间的阶段。③模型中车辆位于靠近目标车道的虚拟车道时，对应实际中车辆靠近目标车道道路中心线到平行道路中心线行驶的阶段；

进一步优化，所述步骤4)定义了横向安全距离和虚拟车道的换道规则，具体为，4.1)每个车的横向安全区域是包括其自身所在车道在内的三个车道，换道时要求自身横向安全区域不与其他车辆安全区域重叠，车辆的横向安全距离也是车辆对其他车辆的影响范围，比如说，车辆换道至第一个虚拟车道，对原车道后车来说原车道仍然有车辆，而车辆换道至中间虚拟车道，原车道后车则不受其影响；

4.2)两侧车道只有一个可能换道方向，而中间车道则有两个可能换道方向，需要判断最优换道方向。其中，实际车道需要满足前车阻碍条件、旁道更优条件以及横向安全条件才可以进行换道。

除此之外，在虚拟车道时，跟驰模型中的减速规则所用到的前车速度和前车车距，是指其目标车道前车的数据。当车辆在中间实际车道向某一方向换道时，换道车辆需要考虑目标方向一侧所有车道中的前车。跟驰函数中要有目标车道，而虚拟车道没有目标车道，每次只是判断两边空间情况，继续选择下一步换道方向。

进一步优化，所述步骤5)明确虚拟车道的三个参数，具体为，

车辆横向安全空间：相邻车道中与车辆所在位置平行的空间。当前车道前车距：车辆所在车道及其横向安全空间所在车道中前车距最小值。目标车道前车距：车辆所在车道相邻实际车道前车距中的最大值。

进一步优化，所述步骤6)确定虚拟车道的仿真边界条件和纵向位置更新规则，具体为，6.1)虚拟车道的边界条件：实际车道和虚拟车道均采用周期边界条件，即若一辆车从右边边界驶出，其左边边界对应位置有相同车辆驶入，保证道路上车辆数目守恒。

6.2)换道更新顺序：传统模型中采用左道优先的换道更新顺序，后车速度更新先于前车，后车依据前车没更新前速度更新完速度，可能出现下一时间步两车位置重合或后车位置前于前车的情况。本模型换道采用随机顺序更新，则不会出现这种情况，与实际过程更为符合。

进一步优化，所述步骤7)确定引入虚拟车道的城市快速路车辆换道仿真实验方法，具体为，借助MATLAB进行多次仿真实验并与实际道路车辆的流量密度数据拟合。表明引入虚拟车道增加了道路空间分配能力，对交通量有调节作用，更接近实际行车换道情况，可根据具体道路条件设置相关参数，更加精确的预估道路设计通行能力，对设计经济实用、布局合理的城市快速路具有重要意义。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：

本发明提供的一种引入虚拟车道的城市快速路车辆换道仿真实验方法，将城市快速路上车辆换道过程分成三个阶段，分别定义三条车道与之一一对应，实现了对换道过程的细化分析，与实际驾驶行为更为贴近，从而确定引入虚拟车道的城市快速路车辆换道研究方案；因此，能解决在研究车辆换道过程中“忽略车辆换道转向具体过程”对道路通行能力影响的问题，对预估道路设计通行能力具有重要参考价值。

附图说明

图1是本发明所述引入虚拟车道的城市快速路车辆换道仿真实验方法的流程图；

图2是本发明步骤3)中虚拟车道与实际车道的示意图；

图3是本发明步骤4)横向安全区域的示意图；

图4是本发明步骤5)中虚拟车道三个参数示意图；

图5是本发明的车辆换道运行流程图；

图6是本发明在较小密度时与实际的拟合情况；

图7是本发明在较大密度时与实际的拟合情况。

具体实施方式

下面结合说明书附图，对本发明作进一步的说明。

本发明提供一种引入虚拟车道的城市快速路车辆换道仿真实验方法，如图1所示，包括以下步骤：

1)判断车辆是否满足换道条件、产生换道需求，具体为，①当前车道不能满足驾驶员对速度的需求，②相邻车道有更优的行驶空间，③相邻车道后方空档满足安全条件；位于实际车道车辆需要同时满足①、②、③三个条件才会实施换道，位于虚拟车道的车辆只需要满足条件③即可实施换道。

2)确定换道具体过程，具体为：

2.1)换道过程,满足换道条件的车辆向其目标方向横向移动一个元胞。i为车道编号，

2.2)加速过程，车辆在加速过程的状态演化可表示为：

2.3)确定性减速过程，车辆在确定性减速过程的状态演化可表示为：

2.4)随机减速过程，第n辆车在t+1时刻会以一定的概率P

2.5)位置更新过程，在上述所有步骤都完成后，按照下式更新第n辆车在t+1时刻的位置：

3)定义了三条虚拟车道与换道的个过程相对应，如图2所示，具体为，

以实际三车道的为例，其中，1、5、9车道为实际车道，2、3、4、6、7、8为引入的虚拟车道，①模型中车辆位于靠近驶出车道的虚拟车道时，对应实际中车辆偏离原车道道路中心线到驶入目标车道之前的阶段。②模型中车辆位于中间虚拟车道时，对应实际中车辆驶入目标车道到靠近目标车道道路中心线之间的阶段。③模型中车辆位于靠近目标车道的虚拟车道时，对应实际中车辆靠近目标车道道路中心线到平行道路中心线行驶的阶段；

4)定义了横向安全距离和虚拟车道的换道规则，如图3所示，具体为，

4.1)每个车的横向安全区域是包括其自身所在车道在内的三个车道，如图中实际5车道的安全区域为4、5、6三条车道，换道时要求自身横向安全区域不与其他车辆安全区域重叠，车辆的横向安全距离也是车辆对其他车辆的影响范围，比如说，车辆换道至第一个虚拟车道，对原车道后车来说原车道仍然有车辆，而车辆换道至中间虚拟车道，原车道后车则不受其影响；

4.2)两侧车道只有一个可能换道方向，如图中1和9车道，而中间车道(图中2-8车道)则有两个可能换道方向，需要判断最优换道方向。其中，实际车道需要满足前车阻碍条件、旁道更优条件以及横向安全条件才可以进行换道。

除此之外，在虚拟车道时，跟驰模型中的减速规则所用到的前车速度和前车车距，是指其目标车道前车的数据。当车辆在中间实际车道，向某一方向换道，那么换道车辆需要考虑目标方向一侧所有车道中的前车。跟驰函数中要有目标车道，而虚拟车道没有目标车道，每次只是判断两边空间情况，继续选择下一步换道方向。

5)明确虚拟车道的三个参数，如图4所示，具体为，

车辆横向安全空间：相邻车道中与车辆所在位置平行的空间。当前车道前车距：车辆所在车道及其横向安全空间所在车道中前车距最小值。目标车道前车距：车辆所在车道相邻实际车道前车距中的最大值；

6)确定虚拟车道的仿真边界条件和纵向位置更新规则，具体为，

6.1)虚拟车道的边界条件

模型采用周期边界条件，即若一辆车从右边边界驶出，其左边边界对应位置有相同车辆驶入，保证道路上车辆数目守恒。

6.2)换道更新顺序

在元胞自动机模型中，模型更新顺序有同步更新和异步更新，车辆的纵向位置更新分为空间顺序和随机顺序，经过不同模型和更新顺序的组合，仿真时采用从前向后，同列快车优先的异步更新顺序更符合实际情况。如图5所示，实际车道和虚拟车道采用相同的纵向位置更新规则：p-slowdown为慢化概率，empty-front为前车距。

V(t+1)＝min(V(t)，V-max)；V(t+1)＝min(V(t+1)，empty-front)

If rand＜＝p-slowdown

V(t+1)＝max(V(t)-1，0)

End

X(t+1)＝X(t)+V(t+1)

7)、确定引入虚拟车道的城市快速路车辆换道仿真实验方法，具体为，

借助MATLAB进行多次仿真实验并与实际道路车辆的流量密度数据拟合。表明引入虚拟车道增加了道路空间分配能力，对交通量有调节作用，更接近实际行车换道情况，可根据具体道路条件设置相关参数，更加精确的预估道路设计通行能力，对设计经济实用、布局合理的城市快速路具有重要意义。

实施例：

通过两个实例对本发明引入虚拟车道的城市快速路车辆换道仿真实验方法给出进一步说明，为了得到具有代表性的城市快速路的通行能力，本实例在车流密度较大和较小两种情况下分别对城市快速路的道路实际流量密度进行拟合，下面根据本发明引入虚拟车道的城市快速路车辆换道仿真实验方法的具体步骤，获得城市快速路的设计通行能力。

车辆密度较小时以金水桥路段为例，所用数据的一部分如表1所示(实际采样25250个数据点)，对应的数据拟合如图6所示。

表1:车辆密度较小时采集的数据

车辆密度较大时以长安立交路段为例，所用数据的一部分如表2所示(实际采样5969个数据点)，对应的数据拟合如图7所示。

表2:车辆密度较大时采集的数据

进行MATLAB仿真时，具体参数设置如下：

S1：判断车辆是否满足换道条件、产生换道需求；

需要满足当前车道不能满足驾驶员对速度的需求、相邻车道有更宽阔的行驶空间以及相邻车道后方空档满足安全条件三个要求时，车辆产生换道请求。考虑车辆行驶的实际情况，设置满足换道条件的换道概率为0.8。

S2：确定换道具体过程；

换道车辆靠近目标车道、换道车辆车头驶入目标车道和换道车辆车尾驶入目标车道或换道失败返回原车道，对应于模型中的换道过程、加速过程、确定性减速过程、随机减速过程和位置更新过程；

i为车道编号，

S21：加速过程，

车辆在加速过程的状态演化可表示为：

S22：确定性减速过程，

车辆在确定性减速过程的状态演化可表示为：

S23：随机减速过程，第n辆车在t+1时刻会以一定的概率P

S24：位置更新过程，在上述所有步骤都完成后，按照下式更新第n辆车在t+1时刻的位置：

S3：定义了三条虚拟车道与换道的三个过程相对应；

如图2，当车辆从实际车道5向实际车道1换道时，①模型中车辆位于靠近驶出车道的虚拟车道即车道4时，对应实际中车辆偏离原车道道路中心线到驶入目标车道之前的阶段。②模型中车辆位于中间虚拟车道即车道3时，对应实际中车辆驶入目标车道到靠近目标车道道路中心线之间的阶段。③模型中车辆位于靠近目标车道的虚拟车道即车道2时，对应实际中车辆靠近目标车道道路中心线到平行于道路中心线行驶的阶段；

S4：定义了横向安全区域和虚拟车道的整体换道规则；

如图3所示，每个车的横向安全区域是包括其自身所在车道在内的三个车道，位于实际车道5的车辆的横向安全区域为4、5、6三条车道对应的区域，即仿真中对应于3个元胞；换道时要求换道车辆自身横向安全区域不与其他车辆安全区域重叠，同时两侧车道只有一个可能换道方向，即车道1和9上的车只能向中间换道，而中间车道2-8均有两个可能换道方向，需要判断最优换道方向；即

S5：明确虚拟车道的三个概念；

如图4所示，车辆横向安全空间：相邻两条车道中与车辆所在位置平行的空间；当前车道前车距：车辆所在车道及其横向安全空间所在车道在内的三条车道中前车距的最小值。以车道5上的车辆为例，其当前车道前车距为4、5、6三条车道上的与前车距的最小值，图中所示为3；目标车道前车距：车辆所在车道两条相邻实际车道前车距中的最大值；以车道5上的车辆为例，到车道1的前车距为2，到车道9的前车距为6，所以目标车道前车距为6。

S6：确定虚拟车道的仿真边界条件和纵向位置更新规则；

模型采用周期边界条件，即若一辆车从右边边界驶出，其左边边界对应位置有相同车辆驶入，保证道路上车辆数目守恒。在元胞自动机模型中，模型更新顺序有同步更新和异步更新，车辆的纵向位置更新分为空间顺序和随机顺序，经过不同模型和更新顺序的组合，仿真时采用从前向后，同列快车优先的异步更新顺序更符合实际情况。

S7：确定引入虚拟车道的城市快速路车辆换道仿真实验方法

借助MATLAB进行仿真实验并与实际道路车辆处于较小密度和较大密度两种情况下的流量密度数据拟合，如图6和7所示。

本发明的创新点在于，提供一种引入虚拟车道的城市快速路车辆换道仿真实验方法，能解决在研究车辆换道过程中“忽略车辆换道转向具体过程”对道路通行能力影响的问题，细化车辆换道时间步，更贴近实际换道过程，可直接根据给定道路条件设置相关参数，更加精确的预估道路设计通行能力，对设计经济实用、布局合理的城市快速路具有重要意义。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。