基于CAVs混合交通流的车道动态分配的高速公路通行能力协同调控方法技术

本发明专利技术公开了基于CAVs混合交通流的车道动态分配的高速公路通行能力协同调控方法，在网联自动驾驶车辆CAVs具有一定的市场渗透率的情况下，在高速公路上设置网联自动驾驶车辆专用车道，通过多因素的约束，建立整数非线性的车道动态分配模型；动态调整车道路权的分配以及车辆的行驶数据，输出高速公路的通行能力的变化曲线，选择优化解，反馈给交通控制平台，及时动态调整高速公路车道分配方案和车辆行驶数据管控，实现高速公路通行能力协同调控。本发明专利技术通过合理布设CAVs专用车道以分离混合交通流，同时考虑道路服务水平及合流区对道路的影响，使得高速公路基本路段设计通行能力满足实际交通需求，达到提高通行效率和交通安全的目的。

【技术实现步骤摘要】
基于CAVs混合交通流的车道动态分配的高速公路通行能力协同调控方法
本专利技术属于智能交通的
，涉及基于CAVs混合交通流的车道动态分配的高速公路通行能力协同调控方法。
技术介绍
近年，网联自动驾驶车辆(ConnectedandAutomatedvehicles，CAVs)已经陆续从试验场驶入实际道路，单一CAVs交通流可以提高高速公路的通行效率、安全性、燃料利用率已成为共识，但是CAVs的普及并非一蹴而就，期间需要经历一段较长时间的CAVs与HMVs混行的混合交通流(HMVsandCAVs)阶段。混合交通流特性及其安全性尚不明晰，目前大多数关于混合交通流特性的研究是基于仿真实验或数值模型表现的，存在的缺点是不易表征车辆行驶的随机性，结果往往过于乐观。由于实际数据的缺乏，目前尚不清楚混合交通流中的CAVs如何影响高速公路通行能力，尤其是合流区路段。受经典成功的传统车道管理如高占有率车道、公交专用车道、高占有率收费车道和货车专用车道等通过分离不同类型的车辆来提高道路通行效率和安全性的启发，近年来，已有基于车道管理的CAVs车道管理方法的研究进展，主要从路网和车道两个层面对CAVs专用车道的部署展开研究与分析。在路网层面，大部分研究以交通流理论为基础建立解析模型，往往只考虑主线理想最大通行能力流，也忽略了合流影响，该类方法过于理想化，忽略了交通条件和环境，得到的结果往往过于乐观。在车道层面，主要考虑CAVs渗透率、道路通行能力、CAVs技术(车头时距，编队强度等)对专用车道布设的影响。目前，基于车道管理(ML)的CAVs车道管理方法主要通过建立分析模型或者仿真分析CAVs对专用车道布设的影响。其中，分析模型主要是基于CAVs技术对专用车道展开研究的，但是割裂了MPRs、路网与车道之间的复杂关系。仿真分析方法可以得到CAVs专用车道部署对交通流的影响，但是缺乏合理的理论解释和系统的车道部署方案，不能为交通规划提供理论支撑。还有研究通过建立混合交通流基本图揭示CAVs的渗透率(MPRs)和交通需求对设置专用车道的利弊，再通过数值模型确定最佳车道数以获得最佳通行效率，但是仍然是基于理想状态建立的模型，大多围绕道路最大通行能力展开研究，忽略了实际交通条件对通行能力的影响，难以贴近实际状况。并且以往大多数研究忽略了匝道交通流，直接以主线交通流作为研究对象，实际情况下，匝道交通流是高速公路不可或缺的一部分，直接影响着高速公路的运行效率，匝道延误和拥堵会严重影响高速公路的服务水平。综上，目前关于高速公路CAVs管理车道的研究相对较少，且处于初级探索阶段。现有技术中尚没有将CAVs的渗透率(MPRs)、CAVs车道管理(路网和车道)、交通状况的随机性等复杂状况综合起来建立的CAVs混合交通流的车道动态分配的高速公路通行能力协同调控方法。因此，为了拓展混合交通流车道管理策略，弥补解析模型结果过于乐观的缺陷，需要提出一种CAVs混合交通流的车道动态分配的高速公路通行能力协同调控方法，通过合理布设CAVs专用车道以分离混合交通流，同时考虑道路服务水平及合流区对道路的影响，使得高速公路基本路段设计通行能力满足实际交通需求，达到提高通行效率和交通安全的目的，为未来的高速公路混合交通流管理提供重要的技术指导，也可以为高速公路理论通行能力计算提供理论基础。
技术实现思路
为了达到上述目的，本专利技术提供一种基于CAVs混合交通流的车道动态分配的高速公路通行能力协同调控方法，通过合理布设CAVs专用车道以分离混合交通流，同时考虑道路服务水平及合流区对道路的影响，使得高速公路基本路段设计通行能力满足实际交通需求，达到提高通行效率和交通安全的目的，为未来的高速公路混合交通流管理提供重要的技术指导，也可以为高速公路理论通行能力计算提供理论基础，解决了现有技术中存在的问题。本专利技术所采用的技术方案是，基于CAVs混合交通流的车道动态分配的高速公路通行能力协同调控方法，在网联自动驾驶车辆CAVs具有一定的市场渗透率的情况下，在高速公路上设置网联自动驾驶车辆专用车道，包括以下步骤：步骤1：采集数据：基于车联网系统，采集高速公路主线和匝道的车道信息和车道上的车辆行驶信息；所述车道信息包括：车道的类型、数量和车道的基本通行能力；车道的类型包括CAVs专用车道、通用车道；步骤2：基于步骤1采集的数据以及高速公路服务水平、车道饱和度的约束，建立整数非线性的车道动态分配模型；步骤3：高速公路通行能力协同调控：步骤31：根据当前主线和匝道的车道信息和车道上的车辆行驶信息，输入整数非线性的车道动态分配模型，输出高速公路的总通行能力；步骤32：监控高速公路通行能力的变化，根据车道信息和车道上的车辆行驶信息，动态调整车道路权的分配，以及基于车联网系统调整车辆的行驶数据，输出高速公路的通行能力的变化曲线，选择优化解，反馈给交通控制平台，及时动态调整高速公路车道分配方案和车辆行驶数据管控，实现高速公路通行能力协同调控；其中，步骤2中，所述整数非线性的车道动态分配模型为：s.t：lA+lh＝L(2)；Qramp≥dr(3)；QA≤(V/CA)B·CA(4)；QH≤(V/CH)B·CH(5)；lA、lh∈N*(6)；式中，ML表示车道管理；Q*表示高速公路的总通行能力；max表示最大值；lA表示CAVs专用车道总数；QA表示CAVs专用车道的交通量；lh表示通用车道总数；QH表示通用车道的交通量；Qramp表示匝道通行能力；L表示高速公路车道总数；dr表示匝道交通需求；(V/CA)B表示服务水平为B级时，CAVs专用车道的饱和度；(V/CH)B表示服务水平为B级时，通用车道的饱和度；CA表示CAVs专用车道基本通行能力；CH表示通用车道基本通行能力；N*表示正整数。进一步地，步骤1中，车辆行驶信息为CAVs车辆、HMVs车辆种类及其数量及其运行数据，包括：车辆当前时刻速度v，最小停车间距s0，安全车头时距T，自由流速度v0，车长l，匝道车辆可穿越最小间隙tc，匝道车辆跟车时距tg。进一步地，整数非线性的车道动态分配模型，采取的路权分配方法为：CAVs车辆优先在CAVs车道行驶，当CAVs专用车道饱和度达到SB时，将CAVs分配到通用车道，SB表示服务水平为B级时的CAVs专用车道饱和度。进一步地，CAVs专用车道的交通量QA为：QA(lA，p，d，SB)＝min(pd，SBlACA)；式中，p表示CAVs总渗透率，d表示主线混合交通流需求，SB表示服务水平为B级时的CAVs专用车道饱和度。进一步地，通用车道的交通量QH为：QH＝min(d-QA，(L-lA)Cmix)：式中，Cmix为通用车道基本通行能力，d表示主线混合交通流需求。更进一步地，通用车道基本通行能力Cmix为：；式中，v为车辆当前时刻速度；ph表示人工驾驶车辆的比例；s0为最小停车间距；T本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于CAVs混合交通流的车道动态分配的高速公路通行能力协同调控方法，在网联自动驾驶车辆CAVs具有一定的市场渗透率的情况下，在高速公路上设置网联自动驾驶车辆专用车道，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤1：采集数据：基于车联网系统，采集高速公路主线和匝道的车道信息和车道上的车辆行驶信息；所述车道信息包括：车道的类型、数量和车道的基本通行能力；车道的类型包括CAVs专用车道、通用车道；/n步骤2：基于步骤1采集的数据以及高速公路服务水平、车道饱和度的约束，建立整数非线性的车道动态分配模型；/n步骤3：高速公路通行能力协同调控：/n步骤31：根据当前主线和匝道的车道信息和车道上的车辆行驶信息，输入整数非线性的车道动态分配模型，输出高速公路的总通行能力；/n步骤32：监控高速公路通行能力的变化，根据车道信息和车道上的车辆行驶信息，动态调整车道路权的分配，以及基于车联网系统调整车辆的行驶数据，输出高速公路的通行能力的变化曲线，选择优化解，反馈给交通控制平台，及时动态调整高速公路车道分配方案和车辆行驶数据管控，实现高速公路通行能力协同调控；/n其中，步骤2中，所述整数非线性的车道动态分配模型为：/n...

【技术特征摘要】
1.基于CAVs混合交通流的车道动态分配的高速公路通行能力协同调控方法，在网联自动驾驶车辆CAVs具有一定的市场渗透率的情况下，在高速公路上设置网联自动驾驶车辆专用车道，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：采集数据：基于车联网系统，采集高速公路主线和匝道的车道信息和车道上的车辆行驶信息；所述车道信息包括：车道的类型、数量和车道的基本通行能力；车道的类型包括CAVs专用车道、通用车道；
步骤2：基于步骤1采集的数据以及高速公路服务水平、车道饱和度的约束，建立整数非线性的车道动态分配模型；
步骤3：高速公路通行能力协同调控：
步骤31：根据当前主线和匝道的车道信息和车道上的车辆行驶信息，输入整数非线性的车道动态分配模型，输出高速公路的总通行能力；
步骤32：监控高速公路通行能力的变化，根据车道信息和车道上的车辆行驶信息，动态调整车道路权的分配，以及基于车联网系统调整车辆的行驶数据，输出高速公路的通行能力的变化曲线，选择优化解，反馈给交通控制平台，及时动态调整高速公路车道分配方案和车辆行驶数据管控，实现高速公路通行能力协同调控；
其中，步骤2中，所述整数非线性的车道动态分配模型为：



s.t：lA+lh＝L(2)；
Qramp≥dr(3)；
QA≤(V/CA)B·CA(4)；
QH≤(V/CH)B·CH(5)；
lA、lh∈N*(6)；
式中，ML表示车道管理；Q*表示高速公路的总通行能力；max表示最大值；lA表示CAVs专用车道总数；QA表示CAVs专用车道的交通量；lh表示通用车道总数；QH表示通用车道的交通量；Qramp表示匝道通行能力；L表示高速公路车道总数；dr表示匝道交通需求；(V/CA)B表示服务水平为B级时，CAVs专用车道的饱和度；(V/CH)B表示服务水平为B级时，通用车道的饱和度；CA表示CAVs专用车道基本通行能力；CH表示通用车道基本通行能力；N*表示正整数。


2.根据权利要求1所述的基于CAVs混合交通流的车道动态分配的高速公路通行能力协同调控方法，其特征在于，步骤1中，所述车辆行驶信息为CAVs车辆、HMVs车辆种类及其数量及其运行数据，包括：车辆当前时刻速度v，最小停车间距s0，安全车头时距T，自由流速度v0，车长l，匝道车辆可穿越最小间隙tc，匝道车辆跟车时距tg。


3.根据权利要求1所述的基于CAVs混合交通流的车道动态分配的高速公路通行能力协同调控方法，其特征在于，所述整数非线性的车道动态分配模型，采取的路权分配方法为：CAVs车辆优先在CAVs车道行驶，当CAVs专用车道饱和度达到SB时，将CAV...

【专利技术属性】
技术研发人员：郝威，张兆磊，刘理，田大新，王正武，胡林，龙科军，吴伟，李焱，
申请(专利权)人：长沙理工大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43