适用于混合交通流的动态协作合流控制方法及系统

技术领域

本发明属于智能交通系统、匝道合流控制技术领域，具体涉及一种适用于混合交通流的动态协作合流控制方法及系统。

背景技术

随着城市化和工业化的快速发展，交通流量日益增加，交通拥堵问题日趋严峻。特别是在高速公路、城市快速路等道路上，匝道合流区域成为拥堵的高发区域。在这些区域，主线和匝道的交通流需要在有限的空间内合并，而不合理的合流会导致交通流的不稳定，进一步引发拥堵、交通事故等一系列问题。传统的交通管理模式，如简单的交通信号控制或可变限速控制，已经不能满足高速公路交通日益增长和复杂化的需求。因此，实现对匝道合流区域更为精细、智能的控制技术成为了一项迫切的任务。

匝道合流控制技术是近年来交通信息化、智能化的一个重要突破点。该技术主要通过实时数据采集和先进的数据分析算法，实现对匝道和主道交通流的精准诊断和预测。它能够对合流区域内各车道的车速、车流量、车辆间距等多维度信息进行综合分析，然后通过优化模型确定合适的车道变更、速度调整等控制策略。因此，深入研究匝道合流控制技术，不仅能推动高速公路交通管理向更高级别的信息化、智能化发展，也将对缓解交通拥堵、提高道路运输效率和安全性等方面产生深远影响。

在智能交通管理系统中，各种优化模型经常被用来进行匝道合流控制。但是，目前尚无方法能够从宏观与微观交通流层面出发，来解决交通流量动态变化的混合交通流合流问题。

发明内容

本发明的目的，在于提供一种适用于混合交通流的动态协作合流控制方法及系统，结合宏观交通流理论与微观车辆控制，同时对主线和匝道车辆的行为进行优化，能够适应流量动态变化的混合交通流场景，保证高效安全的匝道合流，从而提高交通性能和安全并减少尾气排放，实现更加高效、安全和可持续的交通运行。

为了达成上述目的，本发明的解决方案是：

一种适用于混合交通流的动态协作合流控制方法，包括如下步骤：

步骤一，利用交通流基本图理论，根据主线与匝道交通流信息确定目标控制状态；

根据待规划主线车辆的数量、类型与位置分布，结合目标状态的交通流参数，确定需要参与协同的智能网联汽车并称之为合作车辆，形成最优编队方案；

步骤二，根据所述目标控制状态和所述最优编队方案，明确合作车辆的控制时间及其所形成间隙的始末时间，并在控制时间到达时向合作车辆发送减速指令，主线的交通流形成被分割开的车队和可供匝道车辆利用的间隙；

步骤三，针对每一辆匝道车辆，根据已经规划好的合作车辆分布和控制时间，确定其汇入主线的合适间隙，并为其规划行驶的速度。

上述步骤一中，确定目标控制状态，包括，

根据所述主线与匝道交通流信息，确定所述目标控制状态的理想车头时距和限界车头时距；

根据所述目标控制状态的理想车头时距和限界车头时距，利用IDM模型衍生出的基本图描述交通流基本关系，确定交通流目标控制状态。

上述步骤一中，形成最优编队方案，包括，

根据待规划主线车辆的数量、类型与位置分布，随机选择检测到的智能网联汽车作为所述合作车辆，得到编队方案的初始群体；

根据所述编队方案的初始群体，建立编队优化模型计算个体适应度，并对所有可能编队方案进行选择、交叉和变异运算，迭代一定次数后确定所述最优编队方案。

上述步骤二中，明确合作车辆的控制时间及其所形成间隙的始末时间，包括，

假设未加控制时交通流状态处于A状态，所述合作车辆减速时后车随之减速并转变为C状态，根据交通波理论确定由A状态转换为C状态所需的时间，其具体公式如下：

推出：

式中：t

定义周期为合作车辆形成的间隙和车队以状态C通过汇入点的所需时间，根据所述协作车辆在合并点的到达时间，推导出间隙到达汇入点的时间与该周期的结束时间，其具体公式如下：

式中：t

上述步骤三包括，

获取所述每一辆匝道车辆前车所汇入的间隙信息，包括间隙始末时间、当前间隙内汇入车辆数；

根据所述当前间隙内汇入车辆数，判断当前周期是否已有合流车辆：

若当前周期已有合流车辆，则根据所述间隙始末时间，判断当前周期的剩余间隙能否满足当前车辆的汇入需求，若是令车辆紧跟前车到达汇入点，否则读取下个周期的信息并继续根据所述当前间隙内汇入车辆数，判断当前周期是否已有合流车辆；

若当前周期没有合流车辆，则根据所述间隙始末时间，判断车辆能否与间隙同时到达汇入点，若是令车辆与间隙同时到达，否则令车辆以最大速度运动尽快到达汇入点。

一种适用于混合交通流的动态协作合流控制系统，包括，

目标控制状态确定模块，被配置为利用交通流基本图理论，根据主线与匝道交通流信息确定目标控制状态；

最优编队方案形成模块，被配置为根据待规划主线车辆的数量、类型与位置分布，结合目标状态的交通流参数，确定需要参与协同的智能网联汽车并称之为合作车辆，形成最优编队方案；

减速指令发送模块，被配置为根据所述目标控制状态确定模块确定的目标控制状态和所述最优编队方案形成模块形成的最优编队方案，明确合作车辆的控制时间及其所形成间隙的始末时间，并在控制时间到达时向合作车辆发送减速指令，从而使主线的交通流形成被分割开的车队和可供匝道车辆利用的间隙；以及，

速度规划模块，被配置为根据已经规划好的合作车辆分布和控制时间，确定每一辆匝道车辆汇入主线的合适间隙，并为其规划行驶的速度。

上述目标控制状态确定模块被配置为确定目标控制状态，包括，

根据所述主线与匝道交通流信息，确定所述目标控制状态的理想车头时距和限界车头时距；

根据所述目标控制状态的理想车头时距和限界车头时距，利用IDM模型衍生出的基本图描述交通流基本关系，确定交通流目标控制状态。

上述最优编队方案形成模块被配置为形成最优编队方案，包括，

根据待规划主线车辆的数量、类型与位置分布，随机选择检测到的智能网联汽车作为所述合作车辆，得到编队方案的初始群体；

根据所述编队方案的初始群体，建立编队优化模型计算个体适应度，并对所有可能编队方案进行选择、交叉和变异运算，迭代一定次数后确定所述最优编队方案。

上述减速指令发送模块明确合作车辆的控制时间及其所形成间隙的始末时间，包括，

假设未加控制时交通流状态处于A状态，所述合作车辆减速时后车随之减速并转变为C状态，根据交通波理论确定由A状态转换为C状态所需的时间，其具体公式如下：

推出：

式中：t

定义周期为合作车辆形成的间隙和车队以状态C通过汇入点的所需时间，根据所述协作车辆在合并点的到达时间，推导出间隙到达汇入点的时间与该周期的结束时间，其具体公式如下：

式中：t

上述速度规划模块，被配置为根据已经规划好的合作车辆分布和控制时间，确定每一辆匝道车辆汇入主线的合适间隙，并为其规划行驶的速度，包括，

获取所述每一辆匝道车辆前车所汇入的间隙信息，包括间隙始末时间、当前间隙内汇入车辆数；

根据所述当前间隙内汇入车辆数，判断当前周期是否已有合流车辆：

若当前周期已有合流车辆，则根据所述间隙始末时间，判断当前周期的剩余间隙能否满足当前车辆的汇入需求，若是令车辆紧跟前车到达汇入点，否则读取下个周期的信息并继续根据所述当前间隙内汇入车辆数，判断当前周期是否已有合流车辆；

若当前周期没有合流车辆，则根据所述间隙始末时间，判断车辆能否与间隙同时到达汇入点，若是令车辆与间隙同时到达，否则令车辆以最大速度运动尽快到达汇入点。

采用上述方案后，本发明相比现有技术，具有如下有益效果：

第一，本发明的适用于混合交通流的动态协作合流控制方法及系统，综合考虑了主线和匝道车辆的全局行为，借助宏观交通流理论来优化合流控制方案，确保交通流的平稳流动。同时，本发明结合了上层次序确定与下层控制，其中，上层次序确定包括整体的交通流规划和控制状态的确定，而下层控制则涉及每辆车辆的具体行动和速度控制。通过这种宏观与微观、主线与匝道间的高效协同，本发明不仅实现了交通流的平稳合流，还显著提升了整个交通系统的运行效率。

第二，本发明的适用于混合交通流的动态协作合流控制方法及系统，具备动态调整控制方案的能力，可以根据实时或近实时的交通流量数据灵活地调整控制方案。具体来说，当交通流量较小时，本发明能够减少不必要的汇入间隙。当交通流量增加，尤其是在高峰时段，本发明能够及时地为匝道车辆创造足够的汇入间隙，以确保合流过程的高效性和安全性。这种动态调整能力不仅大大提高了合流策略的适应性和实用性，也能在不同的交通场景和条件下实现更为精细和人性化的交通管理。

附图说明

图1是本发明实施例的流程图；

图2是本发明实施例的信息采集示意图；

图3是本发明实施例的确定目标控制状态示意图；

图4是本发明实施例的主线时空信息示意图；

图5是本发明实施例的确定匝道车辆汇入主线的合适间隙流程示意图。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的技术方案及有益效果进行详细说明。

如图1所示，本发明实施例提供一种适用于混合交通流的动态协作合流控制方法，包括以下步骤：

S1，利用交通流基本图理论，根据主线与匝道交通流信息确定目标控制状态；

S2，根据待规划主线车辆的数量、类型与位置分布，结合目标状态的交通流参数，确定需要参与协同的智能网联汽车(CAVs)并称之为合作车辆，形成最优编队方案；

S3，根据所述目标控制状态和所述最优编队方案，进一步明确合作车辆的控制时间及其所形成间隙的始末时间，并在控制时间到达时向合作车辆发送减速指令，主线的交通流形成被分割开的车队和可供匝道车辆利用的间隙；

S4，针对每一辆匝道车辆，根据已经规划好的合作车辆分布和控制时间，确定其汇入主线的合适间隙，并进一步为其规划行驶的速度以实现不停车汇入。

所述步骤S1中，确定目标控制状态的过程包括以下步骤：

S11，根据所述主线与匝道交通流信息，确定所述目标控制状态的理想车头时距和限界车头时距；

S12，根据所述目标控制状态的理想车头时距和限界车头时距，利用IDM模型衍生出的基本图描述交通流基本关系，确定目标控制交通流状态。

所述步骤S2中，形成最优编队方案的过程包括以下步骤：

S21，根据所述待规划主线车辆的数量、类型与位置分布，随机选择检测到的智能网联汽车作为所述合作车辆，得到编队方案的初始群体；

S22，根据所述编队方案的初始群体，建立编队优化模型计算个体适应度，并对所有可能编队方案进行选择、交叉和变异运算，迭代一定次数后确定所述最优编队方案。

所述步骤S3中，明确合作车辆的控制时间及其所形成间隙的始末时间的过程包括以下步骤：

S31，假设未加控制时交通流状态处于A状态，所述合作车辆减速时后车随之减速并转变为C状态，根据交通波理论确定由A状态转换为C状态所需的时间，其具体公式如下：

推出：

式中：t

S32，定义周期为合作车辆形成的间隙和车队以状态C通过汇入点的所需时间，根据所述协作车辆在合并点的到达时间，可以推导出间隙到达汇入点的时间与该周期的结束时间，其具体公式如下：

式中：t

如图5所示，所述步骤S4具体包括以下分步骤S41至S44：

S41，获取所述匝道车辆前车所汇入的间隙信息，如间隙始末时间、当前间隙内汇入车辆数；

S42，根据所述当前间隙内汇入车辆数，判断当前周期是否已有合流车辆，若是转至分步骤S43，否则转至分步骤S44；

S43，根据所述间隙始末时间，判断当前周期的剩余间隙能否满足当前车辆的汇入需求，若是令车辆紧跟前车到达汇入点，否则读取下个周期的信息并回到分步骤S42；

S44，根据所述间隙始末时间，判断车辆能否与间隙同时到达汇入点，若是令车辆与间隙同时到达，否则令车辆以最大速度运动尽快到达汇入点。

本发明实施例还提供一种适用于混合交通流的动态协作合流控制系统，包括：

目标控制状态确定模块，被配置为利用交通流基本图理论，根据主线与匝道交通流信息确定目标控制状态；

最优编队方案形成模块，被配置为根据待规划主线车辆的数量、类型与位置分布，结合目标状态的交通流参数，确定需要参与协同的智能网联汽车并称之为合作车辆，形成最优编队方案；

减速指令发送模块，被配置为根据所述目标控制状态确定模块确定的目标控制状态和所述最优编队方案形成模块形成的最优编队方案，明确合作车辆的控制时间及其所形成间隙的始末时间，并在控制时间到达时向合作车辆发送减速指令，从而使主线的交通流形成被分割开的车队和可供匝道车辆利用的间隙；以及，

速度规划模块，被配置为根据已经规划好的合作车辆分布和控制时间，确定每一辆匝道车辆汇入主线的合适间隙，并为其规划行驶的速度。

在本发明的一个可选实施例中，如图2所示，本发明采用放置在道路上的检测器来检测主线和匝道的交通流状态信息。具体而言，匝道检测器A用于监控入口匝道车流，主线安装两个检测器：检测器B1用于测量主线交通流量并记录相应的宏观状态A，检测器B2用于识别待规划车辆的类型和位置。

在本发明的一个可选实施例中，如图3所示，步骤S1利用交通流基本图理论，根据主线与匝道交通流信息确定目标控制状态。广义交通流基本图中密度-流量曲线上的每个点都描述了一个交通状态，点与原点连线的斜率描述了当前交通状态下车辆的总速度。假设未加控制时交通流状态处于A状态。当合作车辆减速时，合作车辆的后车也会随之减速，从而实现由A状态向C状态的转变。在C状态下，车辆以更高的密度k

在本发明的一个可选实施例中，如图4所示，步骤S3根据所述目标控制状态和所述最优编队方案，进一步明确合作车辆的控制时间及其所形成间隙的始末时间，并在控制时间到达时向合作车辆发送减速指令，主线的交通流形成被分割开的车队和可供匝道车辆利用的间隙。当合作车辆减速时，在主线上的间隙形成区域内形成一个车队。这个过程迭代地应用于控制其他合作车辆减速，循环地产生间隙供入口匝道车辆利用。因此，干线上的时空信息分为两类：被占用的时空区(即被车队占用的区域)和未被占用的时空区(即被间隙占用的区域)。这些信息可以类比为交通灯的相位，占领区代表红色相位，未占领区代表绿色相位。接下来，控制中心捕获这两类信息并将其编码为时间序列，然后将其传输给入口匝道上的所有车辆。

本发明实施例的适用于混合交通流的动态协作合流控制方法及系统，结合宏观交通流理论与微观控制同时优化主线与匝道车辆的行为以实现高效合流，能够适应动态变化的交通流量。对于匝道合流控制具有较好性能，能够显著提高主线与匝道的通行效率并降低事故风险和尾气排放，推动高速公路交通管理向更高级别的信息化、智能化发展。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。本发明实施例中的方案可以采用各种计算机语言实现，例如，面向对象的程序设计语言Java和直译式脚本语言JavaScript等。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。