一种自动驾驶环境下交叉口行人过街摆渡车行驶通道的设置方法

技术领域

本发明属于智能交通控制领域，涉及城市道路针对自动驾驶环境下行人过街的交通管控技术领域，更具体地说，涉及一种自动驾驶环境下交叉口行人过街摆渡车行驶通道的设置方法。

背景技术

随着5G通信、毫米波雷达及高精地图等技术的发展，为自动驾驶车辆在交叉口控制提供技术支持，自动驾驶技术是未来交通发展的趋势。自动驾驶技术的不断发展，城市平面交叉口的管理方法会随之发生改变。如IEEE Trans.Intelligent Vehicles(第3卷第2期，2018年1月)、Transportation Research Part C-Emerging Technologies(第103卷，2019年6月)、中国公路学报(第32卷第12期，2019年12月)等许多研究均表明，自动驾驶交叉口可无需信号灯控制，交通控制的对象将直接面向车辆，每辆车可以通过制定专属的通行方案，避免在交叉口发生冲突，相互穿插地通过交叉口，能较大程度降低车辆在交叉口的延误，极大程度上改变了现有的交叉口管理模式。

在自动驾驶环境下，由于上述改变，交叉口不再为过街行人安排信号灯、设置行人过街相位确保行人过街安全。按现有的让行规则，过街行人与自动驾驶车辆之间的冲突很多，且冲突点较为随机，很难实现安全、有效地交叉口管理。为了规范交叉口过街行人的通行秩序，减少冲突点，保障通行安全，本发明通过在交叉口各角落设置行人过街摆渡车停靠点，在交叉口各角落放置行人过街摆渡车，在行人过街之前，将每个角落的行人先集中在行人过街摆渡车上，通过行人过街摆渡车统一运送到目的地，实现行人的安全过街。如何控制行人过街摆渡车在交叉口内部的通行，是本发明需要解决的问题。

本发明通过建立行人过街摆渡车的行驶通道，当行人过街摆渡车从停靠点出发时，确定在交叉口区域运行路径的内外边界方程，根据摆渡车的速度、加速度以及路径的长度计算在路径上的运行时间，严格控制摆渡车按照此行驶方案在交叉口区域行驶，能最大限度的减少运行时的相互干扰，本发明的核心内容是制定行人过街摆渡车的行驶通道，并且控制行人过街摆渡车交叉口内部，在该通道内通行。

经过现有技术的文献检索发现，目前针对交叉口行人过街的研究主要针对两个方面，①无信号交叉口行人过街与车辆冲突的预测和识别，确保行人过街安全；②在信号交叉口通过行人过街相位等的优化，挖崛交叉口的通行能力。目前针对自动驾驶环境下交叉口行人过街摆渡车的设置方法的相关研究很少，没有在交叉口安排行人过街摆渡车、设置摆渡车行驶规则，并通过严格的数学方程，确定行驶方案的研究。

发明内容

技术问题：针对现有研究的不足，本发明的目的是提供一种自动驾驶环境下交叉口行人过街摆渡车行驶通道的设置方法，从自动驾驶环境下交叉口行人过街安全性考虑，在交叉口各角落设置行人过街摆渡车，并确定行驶通道及行驶方案，确保行人过街安全。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明的方法，包括如下步骤：

步骤1：确定交叉口的基本信息，包括交叉口的大小、车道数及车道宽度，确定行人过街摆渡车的信息、包括：车辆大小、车辆的容量、车辆的运行参数，确定行人过街摆渡车的停靠位置的数量和大小，并规定行驶区域，设置行人过街摆渡车在交叉口区域的行驶通道。

步骤2：在交叉口内部建立直角坐标系，在步骤1确定的行驶通道下，通过确定路径的边界方程来确定停靠节点之间行人过街摆渡车的行驶路径方程；

步骤3：根据交叉口和行人摆渡车基本信息，计算行人过街摆渡车在各行驶路径上的行驶时间；

步骤4：根据行人过街需求量、行人过街摆渡车在各行驶路径上的行驶时间，确定每辆行人过街摆渡车在交叉口的具体控制方案；

所述步骤1，包括如下步骤：

步骤11：对交叉口进口车道、出口车道进行编号，

行人过街摆渡车的容量，用C表示，单位为人/辆；行人过街摆渡车开关门的时间用F表示，单位为秒，单位人数上车、下车时间分别用δ

步骤12：行人过街摆渡车在交叉口的东北、东南、西北、西南四个角落停靠，分别用E-N、E-S、W-N、W-S表示，其中每个位置包含3个停靠点，行人过街摆渡车在停靠点出发或到达，每个停靠点最多可停靠1辆行人过街摆渡车。出发节点的集合用O

所述步骤2，在交叉口内部建立直角坐标系，在步骤1确定的行驶通道下，通过边界方程确定停靠节点之间行人过街摆渡车的行驶路径方程，包括如下步骤：

步骤21：以交叉口中心点为原点，在交叉口内部建立直角坐标系，根据各方向车道宽度确定坐标轴的刻度。规定行人摆渡车向x、y轴正方向行驶时，路径的左边边界为外边界，右边边界为内边界。ε为二元变量，当边界为外边界时，ε＝1，当边界为内边界时，ε＝0。在东西方向上，1→13表示节点1到节点13的路径；节点1→节点13、节点4→节点16的路径，在交叉口区域运行路径的边界方程如公式(1)所示：

ξ

节点2→节点20、节点5→节点19的路径，在交叉口区域运行路径的边界方程如公式(2)所示：

节点3→节点23、节点6→节点22的路径，在交叉口区域运行路径的下边界方程如公式(3)所示：

节点7→节点15、节点10→节点14的路径，在交叉口区域运行路径的边界方程如公式(4)所示：

节点8→节点18、节点11→节点17的路径，在交叉口区域运行路径的边界方程如公式(5)所示：

节点9→节点21、节点12→节点24的路径，在交叉口区域运行路径的边界方程如公式(6)所示：

步骤22：在南北方向上，节点1→节点15、节点10→节点16的路径，在交叉口区域运行路径的边界方程如公式(7)所示：

节点2→节点18、节点11→节点19的路径，在交叉口区域运行路径的边界方程如公式(8)所示：

节点3→节点21、节点12→节点22的路径，在交叉口区域运行路径的边界方程如公式(9)所示：

节点4→节点14、节点7→节点13的路径，在交叉口区域运行路径的边界方程如公式(10)所示：

节点5→节点17、节点8→节点20的路径，在交叉口区域运行路径的边界方程如公式(11)所示：

节点6→节点24、节点9→节点23的路径，在交叉口区域运行路径的边界方程如公式(12)所示：

步骤23：行人过街摆渡车可以在交叉口对角线行驶，节点1→节点14、节点7→节点16的路径，驶入点和驶出点的坐标分别如公式(13)、(14)所示：

节点2→节点17、节点8→节点19的路径，驶入点和驶出点的坐标分别如公式(15)、(16)所示：

节点3→节点24、节点9→节点22的路径，驶入点和驶出点的坐标分别如公式(17)、(18)所示：

节点4→节点15、节点10→节点13的路径，驶入点和驶出点的坐标分别如公式(19)、(20)所示：

节点5→节点18、节点11→节点20的路径，驶入点和驶出点的坐标分别如公式(21)、(22)所示：

节点6→节点21、节点12→节点23的路径，驶入点和驶出点的坐标分别如公式(23)、(24)所示：

通过点斜式方程确定路径边界方程，分别相应的中间变量x

式中，x

所述步骤3，根据交叉口和行人摆渡车基本数据，计算行人过街摆渡车在交叉口内部的控制方案，包括如下步骤：

步骤31：从出发节点p到终止节点q的距离用L

当p∈{1,2,3},q∈{13,20,23}或p∈{4,5,6},q∈{16,19,22}时，式(26)中O和D取N方向；当p∈{1,2,3},q∈{15,18,21}或p∈{10,11,12},q∈{16,19,22}时，公式(26)中O和D取W方向；当p∈{4,5,6},q∈{14,17,24}或p∈{7,8,9},q∈{13,20,23}时，公式(26)中O和D取E方向；当p∈{10,11,12},q∈{14,17,24}或p∈{7,8,9},q∈{15,18,21}时，公式(26)中O和D取S方向。

行人过街摆渡车可以在交叉口对角线行驶，当路径为

当路径为斜线

步骤32：当行人过街摆渡车出发节点p到终止节点q的距离L

公式(29)中，l

公式(30)和(31)中，a

v

在没有匀速行驶的情况下，行人过街摆渡车在节点p和q之间行驶的时间用t

步骤33：当有匀速行驶阶段时，行人过街摆渡车在节点p和q之间的行驶距离L

公式中l

l

公式(35)-(37)中，t

v＝a

v＝a

在有匀速行驶阶段的情况下，行人过街摆渡车在节点p和q之间行驶的时间用t

所述步骤4：根据行人过街需求量、行人过街摆渡车在各行驶路径上的行驶时间，确定每辆行人过街摆渡车在交叉口的具体行驶路径的方法，包括如下步骤：

步骤41：行人过街摆渡车从节点p到q的路径用r

行人过街摆渡车到达节点p的时刻用T

t

公式(42)中F表示行人过街摆渡车开关门的时间，d

当行人过街摆渡车从节点p出发到达节点q，到达节点q的时刻由公式(43)计算：

行人过街摆渡车离开节点p时的载客人数用L

考虑到行人过街摆渡车的容量大小，L

C表示行人过街摆渡车的容量，单位为人/辆；

步骤42：以所有过街行人的总延误最小为目标建立目标函数，如公式(46)所示，公式中T

通过公式(1)-(45)以及公式(46)的目标函数，可以计算得到在不同行人过街需求下，每辆行人过街摆渡车的控制方案。

有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：

本发明方法针对自动驾驶环境下无信号控制交叉口，提出一种自动驾驶环境下交叉口行人过街摆渡车行驶通道的设置方法，通过在交叉口各角落设置停靠点，设置行驶通道，根据停靠点的大小确定行人过街摆渡车路径的宽度，通过确定路径的上边界和下边界确定路径方程，能有效模拟行人过街摆渡车在实地交叉口的通行情况。本发明方法具有很好的普适性，能面向不同大小、不同车道数的交叉口，确定任意两节点之间的路径方程，能有效保障自动驾驶环境下交叉口行人过街的安全。

附图说明

图1为本发明方法的流程图；

图2为行驶规则示意图；

图3为步骤32描述的v-t图；

图4为步骤33描述的v-t图；

图5为步骤41行人过街摆渡车运行的时间节点示意图；

图6为本发明方法的研究对象交叉口示意图；

具体实施方式

结合附图1～6和实施例，对本发明技术方案详细说明如下：

一种自动驾驶环境下交叉口行人过街摆渡车行驶通道的设置方法，所述步骤如下：

步骤1：确定交叉口的基本信息，包括交叉口的大小、车道数及车道宽度，确定行人过街摆渡车的信息、包括：车辆大小、车辆的容量、车辆的运行参数，确定行人过街摆渡车的停靠位置的数量和大小，并规定行驶区域，设置行人过街摆渡车在交叉口区域的行驶通道；

步骤2：在交叉口内部建立直角坐标系，在步骤1确定的行驶通道下，通过边界方程确定停靠节点之间行人过街摆渡车的行驶轨迹方程；

步骤3：根据交叉口和行人摆渡车基本数据，计算行人过街摆渡车在各行驶轨迹上的行驶时间；

步骤4：根据行人过街需求量、行人过街摆渡车在各行驶轨迹上的行驶时间，确定每辆行人过街摆渡车在交叉口的具体行驶路径。

实施例中步骤1所述的确定交叉口信息、行人过街摆渡车信息，作为模型的输入条件，并且规定行人过街摆渡车的行驶区域，设置行人过街摆渡车在交叉口区域的行驶通道，步骤2在该通道下确定每辆车的行驶轨迹方程，再通过步骤3计算行人过街摆渡车在通道内各行驶轨迹上的行驶时间，最后步骤4，根据行人过街的需求确定行人过街摆渡车具体的行驶方案；

步骤11中所述，确定交叉口的基本信息，包括交叉口的大小、车道数及车道宽度，确定行人过街摆渡车的信息、包括：大小、容量、运行参数，确定行人过街摆渡车的停靠位置并规定行驶区域，本发明实施例选取双向两车道的正交十字交叉口，交叉口的基本信息为，交叉口的进出口车道的车道数均为2，即步骤1中m＝2，车道宽度均设置为3m，

根据步骤12，设置行人过街摆渡车在交叉口区域的行驶通道，当行人过街摆渡车从1、4、7、10停靠点出发时，行人过街摆渡车只在1、4、7、10、13、14、15、16节点组成的白色区域运行；从2、5、8、11停靠点出发时，只在2、5、8、11、17、18、19、20节点组成的灰色区域运行；从3、6、9、12停靠点出发时，只在3、6、9、12、21、22、23、24节点组成的灰色区域运行，此外，行人过街摆渡车可以在同一个位置的三个停靠点之间运行；

根据步骤21，以交叉口中心点为原点，在交叉口内部建立直角坐标系，在实施例交叉口中，行人过街摆渡车停靠点到交叉口最外侧车道的距离，ξ

根据步骤21的公式(1)～(6)，在实施例中，可以计算出节点之间路径的内外边界方程，如表1表示节点对应路径的外边界方程：

表1

根据步骤22的公式(7)～(12)，在实施例中，可以计算出节点之间路径的内外边界方程，如表2表示节点对应路径的外边界方程：

表2

根据步骤23的公式(13)～(24)，在实施例中，可以计算出节点之间路径的内外边界方程，如表3表示节点对应路径的外边界方程：

表3

根据步骤31的公式(26)～(28)，计算从出发节点p到终止节点q的距离L

根据步骤32和步骤33，计算行人过街摆渡车在L

行人过街摆渡车以规定的速度和加速度行驶，可以计算出所有从出发点到对应终点的时间L

L

L

L

L

L

L

根据步骤4，当某一时刻从交叉口的西北角出发到东北角、东南角、西南角各有4、7、4位行人；从东北角出发到西北角、东南角、西南角分别有8、7、3位行人；从东南角出发到西北角、东北角、西南角各有5、2、5位行人；从西南角出发到西北角、东北角、东南角分别有8、9、2位行人时。计算得该辆行人过街摆渡车的在交叉口各角落停靠点间的行驶路径及在每个节点的上下客人数，行人过街摆渡车具体的控制方案如表4所示。

表4行人过街摆渡车具体的控制方案表

本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。