基于車路協(xié)同的高速公路入口匝道車輛匯入引導(dǎo)方法*

張存保 李勁松 黃傳明 夏銀霞

(武漢理工大學(xué)智能交通系統(tǒng)研究中心1) 武漢 430063) (武漢市公安局交通管理局2) 武漢 430022)

基于車路協(xié)同的高速公路入口匝道車輛匯入引導(dǎo)方法*

張存保1)李勁松2)黃傳明2)夏銀霞1)

(武漢理工大學(xué)智能交通系統(tǒng)研究中心1)武漢 430063) (武漢市公安局交通管理局2)武漢 430022)

為提高高速公路入口匝道區(qū)域交通安全和通行效率，提出了基于車路協(xié)同的高速公路入口匝道車輛匯入引導(dǎo)方法和模型.根據(jù)車路協(xié)同系統(tǒng)獲取的各車輛實(shí)時(shí)位置和速度信息，在主線外側(cè)車道上搜尋合適的匝道車輛匯入間隙，或通過調(diào)節(jié)主線外側(cè)車道的車速形成合適的匯入間隙，在此基礎(chǔ)上確定匝道車輛匯入時(shí)間、匯入位置、匯入車速等，并引導(dǎo)匝道車輛順利匯入主線.利用Vissim交通仿真軟件的COM接口，編程實(shí)現(xiàn)了車路協(xié)同環(huán)境下高速公路入口匝道車輛匯入引導(dǎo)功能，并針對主線和匝道流量分別處于低峰、平峰和高峰的情況進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn).結(jié)果表明，與無車輛匯入引導(dǎo)情況相比，在主線交通流量處于低峰、平峰、高峰三種情況下，該方法可使入口匝道交通延誤分別降低15.6%,20.9%和19.2%，并使交通沖突數(shù)分別降低17.9%,23.5%和32.3%，可有效改善高速公路入口匝道區(qū)域交通運(yùn)行狀況.

交通工程；匯入引導(dǎo)；入口匝道；車路協(xié)同系統(tǒng)；高速公路

0 引 言

針對高速公路匝道區(qū)域交通安全問題，國內(nèi)外學(xué)者開展了大量研究.李嘉等[1]對匝道和變速車道的設(shè)計(jì)進(jìn)行了安全性分析，提出高速公路出入口設(shè)計(jì)中應(yīng)注意行車速度、匝道平面線形、匝道縱面線形等因素.Mccartt等[2-3]對匝道區(qū)域交通事故特性進(jìn)行了分析，并對加/減速車道長度與事故率關(guān)系進(jìn)行了研究.Lord等[4-5]以事故統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，建立了互通式立交匝道與加/減速車道事故的預(yù)測方法及模型.李志斌等[6]針對高速公路入口匝道路段，建立了追尾事故風(fēng)險(xiǎn)的量化預(yù)測模型，并提出了減少事故發(fā)生概率的可變限速控制策略.楊鵬飛[7]針對匝道車輛匯入主線時(shí)容易與后方車輛發(fā)生碰撞事故的問題，提出了一種匝道車輛匯入安全性提示系統(tǒng).

車路協(xié)同系統(tǒng)是指基于無線通信、傳感探測等技術(shù)獲取車輛和道路信息，通過車車、車路通信進(jìn)行信息交互和共享，實(shí)現(xiàn)車輛與基礎(chǔ)設(shè)施之間智能協(xié)同與配合，達(dá)到優(yōu)化利用系統(tǒng)資源、提高道路交通安全、緩解交通擁堵的目標(biāo)[8].車路協(xié)同系統(tǒng)能全方位獲取車輛個(gè)體的時(shí)空狀態(tài)信息，為改善高速公路匝道區(qū)域交通安全和通行效率提供了技術(shù)基礎(chǔ)和支持條件.金立生等[9-10]分析了高速公路合流區(qū)交通事故特征，運(yùn)用車路協(xié)同技術(shù)建立了入口匝道合流區(qū)車輛安全預(yù)警方法和模型.楊曉芳等[11]利用車車通信環(huán)境下獲得的周邊車輛運(yùn)行狀態(tài)信息，提出了入口匝道合流影響區(qū)車輛決策機(jī)制模型，提高了合流區(qū)的通行能力.Park等[12]針對車路協(xié)同環(huán)境，提出通過高速公路主線車輛換道來為匝道車輛提供更多的可匯入間隙，并建立了主線車輛換道模型.王云鵬等[13]提出了車路協(xié)同環(huán)境下自動駕駛車輛在入口匝道處的安全匯入方法和模型.Hayat等[14]研究并建立了車路協(xié)同環(huán)境下匝道匯入車輛安全輔助駕駛系統(tǒng)，降低了高速公路入口匝道區(qū)域的車輛匯入沖突.

綜上所述，現(xiàn)有研究大多是為合流區(qū)車輛提供安全預(yù)警和換道提示，或者以自動駕駛車輛為研究對象，在面向駕駛員的入口匝道車輛匯入引導(dǎo)方面的研究較少.為此，本文在充分利用車路協(xié)同系統(tǒng)獲取的車輛個(gè)體實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)信息基礎(chǔ)上，建立高速公路入口匝道車輛匯入引導(dǎo)方法和模型，為提高入口匝道區(qū)域交通安全性和通行效率提供技術(shù)基礎(chǔ).

1 車路協(xié)同環(huán)境下入口匝道車輛匯入引導(dǎo)的基本思路

充分利用車路協(xié)同系統(tǒng)獲取的各車輛實(shí)時(shí)位置和速度信息，在入口匝道區(qū)域較大范圍內(nèi)搜索最佳的匯入間隙和匯入位置，并引導(dǎo)匝道車輛順利匯入主線外側(cè)車道，可有效提高入口匝道區(qū)域交通安全和通行效率.

入口匝道車輛匯入引導(dǎo)的關(guān)鍵問題是找到最佳的匯入間隙，并確定匯入點(diǎn)位置和匯入引導(dǎo)速度.為此，將匝道入口上游部分路段至加速車道末端作為監(jiān)測區(qū)域(監(jiān)測區(qū)域長度通常為1 000～1 200 m)，首先在監(jiān)控區(qū)域內(nèi)的主線外側(cè)車道上，尋找滿足最小安全匯入間隙的空檔(根據(jù)實(shí)際高速公路觀測數(shù)據(jù)，小汽車的最小安全匯入間隙可取為4.0 s，大中型車輛的最小安全匯入間隙可取為4.9 s).若找到滿足要求的目標(biāo)間隙且匝道車輛經(jīng)過速度調(diào)整后能安全匯入上述目標(biāo)間隙，則確定匯入時(shí)間、匯入位置、匯入車速并引導(dǎo)匝道車輛順利匯入主線.若主線外側(cè)車道上未找到合適的匯入間隙，則依次將匝道車輛當(dāng)前位置對應(yīng)的主線外側(cè)車道空檔及其后續(xù)空檔作為目標(biāo)間隙，判斷能否通過降低目標(biāo)間隙的后車速度(車速不小于最低限速)，使目標(biāo)間隙滿足最小安全匯入間隙要求且匝道車輛經(jīng)過速度調(diào)整后能安全匯入此目標(biāo)間隙.若能，則確定匯入時(shí)間、匯入位置、主線車輛引導(dǎo)速度、匝道車輛引導(dǎo)車速等，并同時(shí)對主線車輛和匝道車輛進(jìn)行引導(dǎo)以順利完成匯入過程.若仍未找到合適的匯入間隙，則以1 s為周期實(shí)時(shí)更新各車輛運(yùn)行狀態(tài)信息，并按照上述過程重新搜索，直至找到合適的目標(biāo)間隙為止，見圖1.

圖1 基于車路協(xié)同的高速公路入口匝道車輛匯入引導(dǎo)示意圖

按照上述基本思路，確定了車路協(xié)同環(huán)境下入口匝道車輛匯入引導(dǎo)的工作流程，見圖2.

圖2 基于車路協(xié)同的入口匝道車輛匯入引導(dǎo)的工作流程

2 車路協(xié)同環(huán)境下入口匝道車輛匯入引導(dǎo)方法和模型

2.1 基于主線外側(cè)車道目標(biāo)間隙搜索的匝道車輛匯入引導(dǎo)方法和模型

對于實(shí)際高速公路來說，主線外側(cè)車道任意車輛A，B和匝道車輛R均處于動態(tài)行駛狀態(tài).在當(dāng)前時(shí)刻t，各車輛與監(jiān)測區(qū)起點(diǎn)的距離分別為XA(t)，XB(t)，XR(t)，在t+Δt時(shí)刻各車輛與監(jiān)測區(qū)起點(diǎn)的距離分別為XA(t+Δt)，XB(t+Δt)，XR(t+Δt)，見圖3.

圖3 高速公路主線和匝道車輛行駛狀態(tài)示意圖

在主線外側(cè)車道搜索目標(biāo)間隙的詳細(xì)步驟如下.

步驟1 根據(jù)當(dāng)前時(shí)刻主線外側(cè)車道上各車輛的位置和速度，計(jì)算各車輛間的車頭時(shí)距.即

(1)

式中：TAB為車輛A，B間的車頭時(shí)距；vB(t)為當(dāng)前時(shí)刻后車B的速度.

對于高速公路外側(cè)車道上最靠前的車輛，則計(jì)算其到達(dá)監(jiān)測區(qū)域終點(diǎn)的時(shí)間間隔；對于外側(cè)車道上最靠后的車輛，則用其與監(jiān)測區(qū)域起點(diǎn)的距離除以路段限速值作為該空檔對應(yīng)的時(shí)間間隔.

步驟2 逐個(gè)判斷外側(cè)車道上各空檔是否滿足最小安全匯入間隙T0要求.若滿足，則將其作為候選的目標(biāo)間隙.

步驟3 按照從監(jiān)測區(qū)域下游至上游的方向，依次判斷匝道車輛R能否安全匯入候選的目標(biāo)間隙，并確定匯入引導(dǎo)方案.

對于任一候選目標(biāo)間隙，若匝道車輛R以加速度aR勻加速行駛(車速不超過限速值vmax)，在到達(dá)加速車道末端之前，判斷其是否可超越候選目標(biāo)間隙的后車B一段安全距離D0(通?？扇?0～100 m)，若是，則車輛R經(jīng)加速后能順利匯入該目標(biāo)間隙.否則，車輛R無法匯入該目標(biāo)間隙.

假定當(dāng)前時(shí)刻為t，匝道車輛R匯入主線時(shí)刻為t+Δt，則t+Δt時(shí)刻車輛A，B，R距離監(jiān)測區(qū)域起點(diǎn)的距離分別為

XA(t+Δt)=XA(t)+vA(t)·Δt

(2)

XB(t+Δt)=XB(t)+vB(t)·Δt

(3)

XR(t+Δt)=XR(t)+vR(t)·Δt+aR·Δt2/2

if (vR(t)+aR·Δt)≤vmax

(4)

或

vmax·[Δt-(vmax-vR(t))/aR]

if (vR(t)+aR·Δt)>vmax

(5)

t+Δt時(shí)刻車輛R的速度為

vR(t+Δt)=min(vR(t)+aR·Δt,vmax)

(6)

令XR(t+Δt)≥XB(t+Δt)+D0，兩邊取等號并求解方程可得

if (vR(t)+aR·Δt)≤vmax

(7)

或

if (vR(t)+aR·Δt)>vmax

(8)

由式(7)～(8)可知，Δt的值與車輛R的加速度aR密切相關(guān)，由于aR并非定值，使得方程解Δt值也不唯一.為降低匝道車輛延誤，將aR取為較大的加速度值1.2 m/s2，帶入式(7)～(8)中得到Δt值，并檢驗(yàn)是否滿足如下約束條件：

XB(t+Δt)+D0≤XR(t+Δt)

(9)

XR(t+Δt)

(10)

若滿足上述約束條件，表明車輛R能在加速車道上完成加速并順利匯入主線目標(biāo)間隙，此時(shí)Δt值即為可行解.當(dāng)方程的兩個(gè)解均為可行解時(shí)，為提高匝道車輛匯入效率，選擇Δt值較小的可行解而舍棄Δt值較大的可行解.若未找到可行解，則以0.1 m/s2為單位逐步減小車輛R加速度aR值，重新計(jì)算方程解，直至找到滿足要求的可行解為止.

至此，將匯入時(shí)間、匯入點(diǎn)位置、匯入引導(dǎo)車速等信息發(fā)送給匝道車輛R，同時(shí)提示主線車輛A和B有匝道車輛匯入請保持當(dāng)前車速行駛，從而實(shí)現(xiàn)匝道車道R安全、高效匯入目標(biāo)間隙.若最終未找到滿足要求的可行解，則采用調(diào)節(jié)主線外側(cè)車道上車輛速度的方式來形成目標(biāo)間隙.

2.2 基于主線車速調(diào)節(jié)的匝道車輛匯入引導(dǎo)方法和模型

步驟1 調(diào)節(jié)主線外側(cè)車道的車輛速度，形成滿足最小安全匯入間隙的空檔.依次將匝道車輛當(dāng)前位置對應(yīng)的主線外側(cè)車道空檔及其上游空檔作為目標(biāo)間隙，判斷能否通過降低目標(biāo)間隙的后車速度(車速不小于最低限速值vmin，以保證主線車輛的通行效率),使目標(biāo)間隙滿足最小安全匯入間隙要求.

首先選定匝道車輛當(dāng)前位置對應(yīng)的主線外側(cè)車道空檔，假設(shè)該空檔的前車A保持當(dāng)前行駛速度，后車B以舒適減速度aB減速行駛(減速度值通常取為1.5 m/s2)，在前車A到達(dá)加速車道末端時(shí)，判斷車輛A和B的車頭時(shí)距TAB是否滿足最小安全匯入間隙要求.前車A到達(dá)加速車道末端所需要的時(shí)間t1為

(1)

前車A到達(dá)加速車道末端時(shí)，后車B的速度及其與監(jiān)測區(qū)域起點(diǎn)的距離為

vB(t+t1)=max(vB(t)-aB·t1,vmin)(12)

if (vB(t)-aB·t1)≥vmin

(13)

或

vmin·[t1-(vB(t)-vmin)/aR]

if (vB(t)-aB·t1)

(14)

車輛A和B的車頭時(shí)距

(15)

判斷TAB≥T0是否成立.若成立，則將該空檔作為候選的目標(biāo)間隙，并進(jìn)入步驟2判斷匝道車輛R能否順利匯入此目標(biāo)間隙.若能，則引導(dǎo)車輛R安全匯入此目標(biāo)間隙；若不能，則將上游緊鄰該目標(biāo)間隙的空檔作為新的目標(biāo)間隙，重復(fù)上述分析過程.依此類推，直至主線外側(cè)車道上所有空檔都搜索完畢為止.

步驟2 判斷車輛R是否能匯入候選目標(biāo)間隙并確定匯入引導(dǎo)方案

對于任一候選目標(biāo)間隙，分別對目標(biāo)間隙的前車A、后車B和匝道車輛R的行駛狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測.假定當(dāng)前時(shí)刻為t，匝道車輛R匯入主線時(shí)刻為t+Δt，則t+Δt時(shí)刻車輛A，B距離監(jiān)測區(qū)域起點(diǎn)距離及車輛B的速度分別為

XA(t+Δt)=XA(t)+vA(t)·Δt

(16)

XB(t+Δt)=XB(t)+vB(t)·Δt-aB·Δt2/2

if (vB(t)-aB·Δt)≥vmin

(17)

或

vmin·[Δt-(vB(t)-vmin)/aB]

if (vB(t)-aB·Δt)

(18)

vB(t+Δt)=max(vB(t)-aB·Δt,vmin)

(19)

t+Δt時(shí)刻車輛R的速度及其與監(jiān)測區(qū)起點(diǎn)的距離分別為

vR(t+Δt)=min(vR(t)+aR·Δt,vmax)(20)

XR(t+Δt)=XR(t)+vR(t)·Δt+aR·Δt2/2

if (vR(t)+aR·Δt)≤vmax

(21)

或

vmax·[Δt-(vmax-vR(t))/aR]

if (vR(t)+aR·Δt)>vmax

(22)

令XR≥XB+D0，兩邊取等號并求解方程，即可得到Δt值.需要說明的是，由于XB(t+Δt)，XR(t+Δt)各有兩個(gè)計(jì)算公式，共有四種組合，寫出方程解的一般表達(dá)式較為繁瑣.由于Δt值不會太大，可采用遍歷搜索方法進(jìn)行求解.將aR取為較大的加速度值1.2 m/s2，將Δt按從小到大順序依次設(shè)定為1，2，3，…，60 s，帶入上述方程式，分別計(jì)算XA(t+Δt)，XB(t+Δt)，XR(t+Δt)的值，并判斷是否滿足下列條件：

XB(t+Δt)+D0≤XR(t+Δt)

(23)

XR(t+Δt)

(24)

若滿足上述條件，表明車輛R能在加速車道上完成加速并順利匯入目標(biāo)間隙，則當(dāng)前Δt值即為可行解，并停止搜索.若不滿足上述條件，則以0.1 m/s2為單位逐步減少aR值，重新搜索Δt的解，直至找到滿足要求的可行解為止.

至此，將匯入時(shí)間、匯入點(diǎn)位置、匯入引導(dǎo)速度等信息發(fā)送給主線車輛A和B，以及匝道車輛R，實(shí)現(xiàn)匝道車道安全、高效匯入主線外側(cè)車道.

3 仿真實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)方案

以武漢市繞城高速公路一個(gè)入口匝道為對象，運(yùn)用VISSIM仿真軟件對基于車路協(xié)同的入口匝道車輛匯入引導(dǎo)方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證.該路段主線為雙向4車道，限速100 km/h，入口匝道加速車道長度為190 m.為全面分析本文方法在不同的主線流量和入口匝道流量下的效果，將主線流量和匝道流量分別按照高峰、平峰和低峰等情況進(jìn)行組合，并分別對無匝道車輛匯入引導(dǎo)和有匝道車輛匯入引導(dǎo)兩種場景開展仿真實(shí)驗(yàn)，每種流量組合的仿真時(shí)間為3 600 s.利用Vissim軟件的COM接口函數(shù)，編程實(shí)現(xiàn)車輛ID、車輛位置、車輛速度等數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集，以及車速引導(dǎo)、車道變換引導(dǎo)等功能，從而準(zhǔn)確模擬車路協(xié)同環(huán)境下匝道車輛匯入引導(dǎo)過程.

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

針對主線流量和匝道流量的多種組合方案，將交通沖突數(shù)和延誤分別作為評價(jià)交通安全和通行效率的指標(biāo)，通過仿真實(shí)驗(yàn)得到有、無匝道車輛匯入引導(dǎo)情況下各評價(jià)指標(biāo)的結(jié)果，見表1～2.

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知：

1) 高速公路主線流量和入口匝道流量對匝道區(qū)域延誤和交通沖突有明顯影響.無論是否采取匝道車輛匯入引導(dǎo)措施，隨著主線流量的增加，匝道車輛匯入難度隨之增大，使得交通延誤和交通沖突數(shù)均會明顯增加.同樣地，在主線流量不變的情況下，隨著入口匝道流量的增大，匝道匯入車輛對主線的擾動隨之增加，并表現(xiàn)為交通延誤和交通沖突數(shù)的增長.當(dāng)主線和入口匝道均為高峰流量時(shí)，匝道區(qū)域交通延誤和交通沖突數(shù)均達(dá)到較大值.

表1 高速公路主線車輛和匝道車輛平均延誤

表2 不同流量下高速公路入口匝道區(qū)域交通沖突數(shù)

2) 基于車路協(xié)同的入口匝道車輛匯入引導(dǎo)方法可有效提高匝道區(qū)域交通安全和通行效率.與無匝道車輛匯入引導(dǎo)方式相比，在主線交通流量處于低峰、平峰、高峰三種情況下，本文方法可使入口匝道交通延誤分別降低15.6%，20.9%和19.2%，并使交通沖突數(shù)分別降低17.9%，23.5%和32.3%.

3) 高速公路主線和匝道流量大小對本文方法的效果有一定影響.當(dāng)主線和入口匝道均處于低峰流量時(shí)，因匝道車輛在無引導(dǎo)情況下也很容易找到匯入間隙，本文方法的效果不夠明顯；隨著主線和匝道流量的增加，本文方法在降低延誤和交通沖突數(shù)兩方面的效果均不斷提升.當(dāng)主線和匝道均為高峰流量時(shí)，本文方法在降低延誤方面的效果有限，但可顯著降低交通沖突數(shù)量，其降幅達(dá)到36.4%.

4 結(jié) 束 語

為改善高速公路入口匝道區(qū)域交通安全和通行效率，提出了基于車路協(xié)同的入口匝道車輛匯入引導(dǎo)方法，并建立了匝道車輛匯入時(shí)間、匯入位置、匯入車速等的計(jì)算方法和模型，實(shí)現(xiàn)了入口匝道車輛與主線車輛的實(shí)時(shí)交互和協(xié)同通行.在現(xiàn)有Vissim微觀仿真軟件基礎(chǔ)上，利用其COM接口，編程實(shí)現(xiàn)了車路協(xié)同環(huán)境下高速公路入口匝道車輛匯入引導(dǎo)功能模塊，在此基礎(chǔ)上開展了仿真實(shí)現(xiàn).結(jié)果表明，與無匝道車輛匯入引導(dǎo)相比，本文方法可明顯降低入口匝道區(qū)域交通延誤和交通沖突數(shù)量.

本文未考慮入口匝道車輛匯入引導(dǎo)信息作用下駕駛員個(gè)體行為特性，同時(shí)，對入口匝道區(qū)域主線車輛從外側(cè)車道變換至內(nèi)側(cè)車道的情況也未做充分考慮.上述問題將在后續(xù)工作中做進(jìn)一步研究，并對車路協(xié)同環(huán)境下入口匝道車輛匯入引導(dǎo)方法和模型加以修改完善.

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The Method of Vehicle Merging Guidance at Freeway On-ramp Based on Cooperative Vehicle Infrastructure System

ZHANG Cunbao1)LI Jinsong2)HUANG Chuanming2)XIA Yinxia1)

(IntelligentTransportationSystemResearchCenter,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430063,China)1)(WuhanTrafficManagementBureau,Wuhan430022,China)2)

In order to improve the traffic safety and efficiency of freeway on-ramp area, the merging guidance method and models for on-ramp vehicle based on the Cooperative Vehicle Infrastructure System (CVIS) are put forward. According to the vehicles’ location and speed data collected by CVIS, the merging gap for on-ramp vehicle is selected from gaps on freeway near-side lane, or the merging gap was created by adjusting the speed of vehicle on near-side lane. After that, the merging time, merging point and merging speed are calculated, and the on-ramp vehicle is guided to merge into freeway mainline smoothly. The merging guidance program for freeway on-ramp vehicle based on CVIS are developed using the COM interface of Vissim, and the simulation experiments are carried out by setting the mainline and on-ramp traffic flow as low volume, medium volume and high volume, separately. Compared with the case without on-ramp vehicle, the results show that the proposed method can decrease the delay of on-ramp vehicles by 15.6%, 20.9% and 19.2% for low volume, medium volume and high volume, respectively, and decrease the traffic conflicts by 17.9%, 23.5% and 32.3%, respectively. The proposed method improves the traffic status of freeway on-ramp area effectively.

traffic engineering; merging guidance; on-ramp; cooperative vehicle infrastructure system; freeway

2017-05-17

*國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51578432)、武漢市青年科技晨光計(jì)劃項(xiàng)目(2016070204010124)、云南省交通廳科技計(jì)劃項(xiàng)目(2016A05)資助

U491.31

10.3963/j.issn.2095-3844.2017.04.001

張存保(1976—)：男，博士，副研究員，主要研究領(lǐng)域?yàn)榻煌ㄐ畔⒐こ碳翱刂?、交通安?/p>