無(wú)人機(jī)-智能車(chē)隊(duì)協(xié)同路徑實(shí)時(shí)規(guī)劃研究

謝博宇，李茂青，岳麗麗，陳啟香

1.蘭州交通大學(xué) 自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院，蘭州 730070

2.寶雞文理學(xué)院 電子電氣工程學(xué)院，陜西 寶雞 721000

1 引言

隨著經(jīng)濟(jì)、科技的不斷發(fā)展和進(jìn)步，智能交通系統(tǒng)的發(fā)展為路徑規(guī)劃問(wèn)題中道路交通信息的獲取提供了新的思路和方法。路徑規(guī)劃問(wèn)題是根據(jù)出行需求，在車(chē)輛導(dǎo)航系統(tǒng)中根據(jù)OD點(diǎn)信息，系統(tǒng)規(guī)劃出一條最佳的路徑。

路徑規(guī)劃問(wèn)題首先要獲得道路信息，然后根據(jù)道路信息使用不同的算法得到出行時(shí)間最少的路徑。在得到每條道路的行駛時(shí)間后，選擇一種合適的算法來(lái)搜尋出一條最優(yōu)路徑。在當(dāng)前的研究算法中，常用的有Dijkstra算法、A*算法、蟻群算法等。文獻(xiàn)[1-2]建立新的模型，如曹慧等[1]建立了隨機(jī)時(shí)變路網(wǎng)環(huán)境下穩(wěn)健路徑模型。文獻(xiàn)[3-5]改進(jìn)了算法，如Zhang 等[3]首先采用動(dòng)態(tài)鄰接節(jié)點(diǎn)關(guān)系矩陣和動(dòng)態(tài)鄰接節(jié)點(diǎn)權(quán)重矩陣改進(jìn)Dijkstra 算法。另外，Kammoun 等[6]提出了基于蟻群行為的自適應(yīng)車(chē)輛導(dǎo)航系統(tǒng)，提出一種基于多智能體的體系結(jié)構(gòu)，通過(guò)改進(jìn)的蟻群算法規(guī)劃出一條最佳的路徑。

在最新的成果當(dāng)中，開(kāi)始提出在車(chē)聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的路徑規(guī)劃問(wèn)題。通過(guò)路旁檢測(cè)設(shè)備獲取到的信息更準(zhǔn)確、更實(shí)時(shí)，將這種方式稱之為路測(cè)工作模式。王龐偉等[7]提出基于車(chē)路協(xié)同系統(tǒng)的區(qū)域?qū)崟r(shí)路徑規(guī)劃，根據(jù)在交叉口前排隊(duì)車(chē)輛的數(shù)目，按照排隊(duì)車(chē)輛消散時(shí)間來(lái)計(jì)算時(shí)間。但是該方法只考慮信號(hào)燈處于紅燈狀態(tài)時(shí)的情況。而沒(méi)有考慮多次排隊(duì)情況，以及車(chē)輛左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)情況。吳黎兵等[8]提出了一種車(chē)聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的城市車(chē)輛協(xié)同選路方法，根據(jù)車(chē)輛到達(dá)路口時(shí)道路的狀態(tài)來(lái)分別計(jì)算每條路上的權(quán)值，以此來(lái)計(jì)算出一條最佳的路徑。該方法只給出車(chē)輛直行時(shí)的計(jì)算公式，而且沒(méi)有考慮不同車(chē)道的交叉口延時(shí)時(shí)間。盡管目前國(guó)家提倡智能交通系統(tǒng)的建設(shè)和使用，未來(lái)也會(huì)大規(guī)模建設(shè)。但是由于目前大部分城市還沒(méi)有普及智能交通系統(tǒng)或者由于設(shè)備故障或者設(shè)備之間通信信號(hào)中斷等情況而導(dǎo)致接收不到道路信息。

在無(wú)人車(chē)避障繞行的路徑規(guī)劃研究中，為解決無(wú)人車(chē)環(huán)境感知有限的問(wèn)題，使無(wú)人機(jī)-無(wú)人車(chē)協(xié)同工作來(lái)解決，它是通過(guò)無(wú)人機(jī)的大范圍環(huán)境感知能力為無(wú)人車(chē)提供導(dǎo)航信息[9-10]。席阿行等[11]利用SURF 算法建立了UGV 可執(zhí)行的地圖，提出優(yōu)化的A*算法優(yōu)化了所有的拐點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)證明可以有效地避開(kāi)障礙物，找到一條全局路徑規(guī)劃。胡秋霞等[12]以無(wú)人機(jī)與無(wú)人車(chē)協(xié)同為背景，提出一種改進(jìn)的人工勢(shì)場(chǎng)法，解決了局部極小點(diǎn)問(wèn)題。杜仕剛等[13]針對(duì)無(wú)人機(jī)拍攝遮擋問(wèn)題，使用圖像拼接技術(shù)構(gòu)建全局地圖，使用車(chē)輛傳感器感知環(huán)境構(gòu)建局部地圖，最后采用A*算法計(jì)算出路徑。在文獻(xiàn)[11-15]以及現(xiàn)有無(wú)人機(jī)與無(wú)人車(chē)協(xié)同路徑規(guī)劃算法中，多數(shù)研究是理論基礎(chǔ)研究，它們能夠在空曠地上避開(kāi)障礙物，自行規(guī)劃出一條從起點(diǎn)到目標(biāo)點(diǎn)的最優(yōu)路徑。而現(xiàn)有文獻(xiàn)很少應(yīng)用在道路交通中，即根據(jù)城市中的可供行駛道路選擇一條使駕駛員能夠最快到達(dá)目的地的道路。

王云鵬等[14]在專利中提出一種基于無(wú)人機(jī)感知的無(wú)人駕駛車(chē)輛路徑規(guī)劃方法，主要是通過(guò)無(wú)人機(jī)獲取路網(wǎng)模型，根據(jù)無(wú)人飛行器的GPS信息，來(lái)進(jìn)行匹配運(yùn)算，得到無(wú)人車(chē)的位置。應(yīng)用C 空間算法和Dijstra 算法相結(jié)合，該專利提出一種在電子地圖中選擇一條權(quán)值為道路長(zhǎng)度和車(chē)輛占道比相結(jié)合最小的一條路徑的思路，它沒(méi)有考慮整體時(shí)間用時(shí)情況，也沒(méi)說(shuō)明如何實(shí)施。同時(shí)根據(jù)全局規(guī)劃選出一條最短路后，使用人工勢(shì)場(chǎng)法避開(kāi)道路上其他車(chē)輛。

由此提出無(wú)人機(jī)-智能車(chē)隊(duì)協(xié)同系統(tǒng)，該系統(tǒng)有兩種計(jì)算路徑的模式，即路測(cè)模式和機(jī)測(cè)模式。它們分別利用路旁檢測(cè)設(shè)備或無(wú)人機(jī)檢測(cè)的信息進(jìn)行路徑規(guī)劃。在兩方面進(jìn)行了改進(jìn)：一是在路測(cè)模式當(dāng)中，根據(jù)從智能交通系統(tǒng)中獲得到的排隊(duì)長(zhǎng)度和信號(hào)燈的顯示，改進(jìn)文獻(xiàn)[9-10]為考慮車(chē)輛到達(dá)路口時(shí)多種信號(hào)燈顯示情況、在不同車(chē)道行駛以及多次排隊(duì)情況，計(jì)算出一條行駛時(shí)間最短的路徑；二是提出機(jī)測(cè)模式，由無(wú)人機(jī)拍攝視頻，經(jīng)過(guò)圖像處理得到在交叉口前的車(chē)輛排隊(duì)長(zhǎng)度，并改進(jìn)文獻(xiàn)[16]根據(jù)道路長(zhǎng)度和車(chē)輛占道比來(lái)選擇路徑的思路，同時(shí)考慮車(chē)輛在不同車(chē)道上行駛以及多次排隊(duì)情況計(jì)算出一條行駛時(shí)間最短的路徑。

2 無(wú)人機(jī)-智能車(chē)隊(duì)協(xié)同系統(tǒng)

無(wú)人機(jī)-智能車(chē)隊(duì)協(xié)同系統(tǒng)是基于車(chē)輛導(dǎo)航系統(tǒng)所改進(jìn)的，該系統(tǒng)將車(chē)輛導(dǎo)航系統(tǒng)和無(wú)人機(jī)相結(jié)合。如圖1所示為系統(tǒng)的總體示意圖。系統(tǒng)分為4個(gè)子系統(tǒng)，即智能車(chē)隊(duì)、路旁設(shè)備、交通指揮中心以及無(wú)人機(jī)子系統(tǒng)。

如圖2 所示為系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖。在無(wú)人機(jī)-智能車(chē)隊(duì)協(xié)同系統(tǒng)中，車(chē)輛有兩種計(jì)算路徑模式。路測(cè)模式是由路旁設(shè)備采集信息，并經(jīng)過(guò)交通指揮中心處理最終發(fā)給車(chē)輛。在該模式中，車(chē)輛根據(jù)在交叉口前的排隊(duì)長(zhǎng)隊(duì)以及進(jìn)入道路時(shí)的交通燈顯示來(lái)計(jì)算時(shí)間。機(jī)測(cè)模式是車(chē)輛和無(wú)人機(jī)協(xié)同工作。由無(wú)人機(jī)拍攝視頻，并將視頻傳遞給車(chē)輛，由車(chē)輛經(jīng)過(guò)圖像處理得到信息。同時(shí)由車(chē)輛控制無(wú)人機(jī)，包括飛行路線、飛行姿態(tài)、無(wú)人機(jī)上的攝像裝置。在此模式中，目前只根據(jù)排隊(duì)長(zhǎng)度來(lái)計(jì)算時(shí)間。

圖2 系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖

如圖3所示為車(chē)輛從接收信息、傳遞信息到規(guī)劃最優(yōu)路徑的系統(tǒng)工作流程圖。

車(chē)輛進(jìn)入某路段時(shí)，默認(rèn)模式是路測(cè)模式。系統(tǒng)會(huì)判斷是否能通過(guò)路旁設(shè)備接收到至汽車(chē)位置相鄰2 個(gè)交叉口及路段上的信息，當(dāng)接收不到時(shí)，提示“路測(cè)模式無(wú)法工作”。系統(tǒng)會(huì)進(jìn)入機(jī)測(cè)模式，此時(shí)車(chē)輛和無(wú)人機(jī)協(xié)同工作。車(chē)輛派遣無(wú)人機(jī)去道路上拍攝視頻并傳回車(chē)輛對(duì)視頻做處理得到需要的信息。在該算法中，考慮到無(wú)人機(jī)飛行時(shí)間、圖像采集及道路背景識(shí)別的時(shí)間，無(wú)人機(jī)會(huì)比車(chē)輛提前飛行至目的地進(jìn)行拍攝。無(wú)人機(jī)可以拍攝出方圓800 m范圍，包含4個(gè)交叉口的范圍，即車(chē)輛每走兩個(gè)交叉路口會(huì)計(jì)算接下來(lái)所走道路的時(shí)間，規(guī)劃一次路徑。當(dāng)車(chē)輛拍攝完一個(gè)路口的視頻后，會(huì)繼續(xù)往前拍攝視頻，來(lái)保證數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性要求。

圖3 系統(tǒng)工作流程

由于無(wú)人機(jī)飛行時(shí)間一般在20～30 min，針對(duì)發(fā)生長(zhǎng)時(shí)間工作電量不足的現(xiàn)象，設(shè)置兩架無(wú)人機(jī)，一臺(tái)主用一臺(tái)備用，同時(shí)在車(chē)上設(shè)置充電裝置，無(wú)人機(jī)可隨時(shí)充電。如果無(wú)人機(jī)由于信號(hào)遮擋或者通信距離過(guò)長(zhǎng)導(dǎo)致無(wú)人機(jī)丟失信號(hào)。通過(guò)在備用無(wú)人機(jī)上架設(shè)信號(hào)中繼設(shè)備，在丟失信號(hào)附近區(qū)域飛行，通過(guò)信號(hào)中繼設(shè)備實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)與車(chē)輛之間信號(hào)實(shí)時(shí)傳輸。對(duì)于特殊情況，如無(wú)人機(jī)拍攝完成準(zhǔn)備返航時(shí)突發(fā)事故等導(dǎo)致該區(qū)域交通狀態(tài)突發(fā)變化，無(wú)人機(jī)需要重新采集數(shù)據(jù)進(jìn)行路徑規(guī)劃，然后返航。

2.1 智能車(chē)隊(duì)

在智能車(chē)隊(duì)中，車(chē)車(chē)之間要有車(chē)車(chē)協(xié)同控制，同時(shí)要保持隊(duì)列行駛。在車(chē)隊(duì)中只有領(lǐng)航者才可以接收到無(wú)人機(jī)發(fā)來(lái)的視頻，其余跟隨者由領(lǐng)航者傳輸數(shù)據(jù)。在機(jī)測(cè)模式中，無(wú)人機(jī)將拍攝的視頻通過(guò)無(wú)線通信模塊傳輸?shù)綀D像處理模塊進(jìn)行圖像處理，并將處理后的數(shù)據(jù)再次通過(guò)通信模塊傳輸?shù)铰窂揭?guī)劃模塊進(jìn)行路徑規(guī)劃。車(chē)輛會(huì)根據(jù)接收到的無(wú)人機(jī)信息通過(guò)無(wú)人機(jī)控制模塊控制無(wú)人機(jī)飛行，包括飛行路線、飛行姿態(tài)、無(wú)人機(jī)上的攝像裝置。

2.2 路旁設(shè)備和交通指揮中心

路旁設(shè)備一般固定安裝在道路旁，用于采集交通信息。一般有環(huán)型感應(yīng)線圈檢測(cè)器、超聲波檢測(cè)器、紅外線檢測(cè)器、微波雷達(dá)檢測(cè)器、視頻圖像車(chē)輛檢測(cè)器這幾種。由于所研究?jī)?nèi)容，需要得到在交叉口前的排隊(duì)長(zhǎng)度信息，對(duì)比幾種檢測(cè)器，使用視頻圖像車(chē)輛檢測(cè)器進(jìn)行檢測(cè)。

交通指揮中心用于接收路旁設(shè)備采集到的信息，并將信息處理成需要的數(shù)據(jù)。將處理后的視頻通過(guò)無(wú)線傳輸發(fā)送到車(chē)輛上用于路徑規(guī)劃。

2.3 無(wú)人機(jī)系統(tǒng)

無(wú)人機(jī)系統(tǒng)是由若干個(gè)相互聯(lián)系、作用、依存的組成部分結(jié)合而成的且具有完成指定任務(wù)的有機(jī)整體。在無(wú)人機(jī)系統(tǒng)中共有4 個(gè)分系統(tǒng)，即飛行器平臺(tái)分系統(tǒng)、測(cè)控與信息傳輸分系統(tǒng)、無(wú)人機(jī)定位信息分系統(tǒng)以及圖像采集分系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，圖像采集模塊用于對(duì)道路視頻進(jìn)行拍攝，并通過(guò)機(jī)載信息傳輸模塊將視頻傳輸至智能車(chē)隊(duì)中的領(lǐng)航者。同時(shí)，車(chē)輛會(huì)根據(jù)無(wú)人機(jī)飛行狀態(tài)通過(guò)地面信息傳輸模塊將控制命令傳輸給無(wú)人機(jī)。

3 基于無(wú)人機(jī)-智能車(chē)隊(duì)協(xié)同系統(tǒng)的路徑規(guī)劃方法

如圖4 所示，為城市道路示意圖，研究對(duì)象為最常見(jiàn)的6車(chē)道路段，包含直行、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)道。

圖4 城市道路示意圖

交叉口選用四相位信號(hào)設(shè)計(jì)方案，即每個(gè)進(jìn)口方向都設(shè)置左轉(zhuǎn)專用車(chē)道，同時(shí)右轉(zhuǎn)路口為自由右轉(zhuǎn)。如圖5所示為交叉口的相位放行示意圖。

圖5 四相位放行示意圖

在此設(shè)計(jì)方案中，把一個(gè)信號(hào)周期分為3 個(gè)階段，即綠燈直行、綠燈左轉(zhuǎn)和紅燈，忽略黃燈時(shí)間。周期為C=tSL+tLL +tH，其中綠燈直行所占時(shí)間為tSL，綠燈左轉(zhuǎn)所占時(shí)間為tLL，紅燈所占時(shí)間為tH。右轉(zhuǎn)為自由右轉(zhuǎn)，所占時(shí)間為tRL =C。為方便閱讀，將主要變量列出，如表1所示。

表1 變量含義列表

基于所提出的路徑規(guī)劃方法，需要經(jīng)過(guò)獲取信息、計(jì)算路阻權(quán)值、規(guī)劃最優(yōu)路徑3個(gè)步驟。獲取信息方式前文已介紹，現(xiàn)介紹后兩個(gè)步驟。

3.1 道路權(quán)值的計(jì)算

3.1.1 交叉口前運(yùn)動(dòng)狀態(tài)分析

車(chē)輛從不同車(chē)道由靜止到通過(guò)交叉口，所需時(shí)間有不同的計(jì)算結(jié)果。

車(chē)輛在交叉口行駛的最大速度為vi。根據(jù)某省道路交通管理?xiàng)l例實(shí)施辦法中第三十條關(guān)于車(chē)輛通過(guò)交叉路口時(shí)的規(guī)定：在有交通信號(hào)或交通標(biāo)志控制的交叉路口，機(jī)動(dòng)車(chē)時(shí)速不準(zhǔn)超過(guò)30 km/h。故假設(shè)車(chē)輛在交叉口行駛速度為30 km/h（8.33 m/s），為計(jì)算方便，將此值設(shè)為8 m/s，即vi=8 m/s。

車(chē)輛在交叉口前從啟動(dòng)到通過(guò)交叉口，運(yùn)動(dòng)過(guò)程是先從零做勻加速運(yùn)動(dòng)，加速到vi，即8 m/s。然后以8 m/s的速度做勻速運(yùn)動(dòng)。但是在右轉(zhuǎn)道，若使用變速運(yùn)動(dòng)計(jì)算，在計(jì)算權(quán)值時(shí)計(jì)算過(guò)程過(guò)于繁雜，故將變速運(yùn)動(dòng)近似為勻速運(yùn)動(dòng)。假設(shè)路口距離為30 m，右轉(zhuǎn)時(shí)通過(guò)一半路口，即15 m。則車(chē)輛通過(guò)一個(gè)交叉口時(shí)間約為3 s，故勻速度約為15/3=5 m/s。

由于右轉(zhuǎn)路口為自由右轉(zhuǎn)，在計(jì)算時(shí)為符合實(shí)際道路情形，需要考慮禮讓行人的情形，將行人所造成的阻礙通過(guò)時(shí)間設(shè)為tp。如圖6所示，為車(chē)輛右轉(zhuǎn)時(shí)等待行人情景。假設(shè)車(chē)輛以東西方向行駛，車(chē)輛等待行人分為兩種情形，情形一信號(hào)燈處于綠燈直行和左轉(zhuǎn)這段時(shí)間內(nèi)，車(chē)輛需要等待時(shí)間tp1；情形二信號(hào)燈處于紅燈狀態(tài)，車(chē)輛右轉(zhuǎn)需要等待時(shí)間tp2后才可以繼續(xù)行駛。有研究指出駕駛員主觀合理等待時(shí)間約為16 s[15]。

圖6 車(chē)輛右轉(zhuǎn)時(shí)等待行人情景

3.1.2 計(jì)算關(guān)鍵值

（1）計(jì)算sS、sL、sR，這三個(gè)變量分別是直行、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)時(shí)可通過(guò)最遠(yuǎn)排隊(duì)車(chē)輛到交叉口的距離，這個(gè)值用于劃分車(chē)輛的排隊(duì)次數(shù)。

①sS和sL

由3.1.1 小節(jié)知車(chē)輛在直行和左轉(zhuǎn)道時(shí)，先做加速運(yùn)動(dòng)后做勻速運(yùn)動(dòng)，故sS、sL計(jì)算過(guò)程為這兩部分的距離之和。由vi=v0+at=8 可知?jiǎng)蚣铀龠\(yùn)動(dòng)時(shí)間為t加=距離為勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)間為則直行時(shí)可通過(guò)最遠(yuǎn)排隊(duì)車(chē)輛到交叉口的距離sS為：

左轉(zhuǎn)時(shí)可通過(guò)最遠(yuǎn)排隊(duì)車(chē)輛到交叉口的距離sL為：

②sR

由圖6 所示的車(chē)輛右轉(zhuǎn)時(shí)等待行人情景可知，車(chē)輛需要等待兩個(gè)行人時(shí)間，可將一個(gè)周期分為4 個(gè)時(shí)間段。即等待tp1、車(chē)輛行駛、等待tp2、車(chē)輛行駛。sR的值因此情況復(fù)雜，為省略篇幅，在此不詳細(xì)介紹，具體見(jiàn)后文。

（2）計(jì)算車(chē)輛在交叉口前從停止到通過(guò)交叉口的時(shí)間，即交叉口延誤時(shí)間。同理按照不同車(chē)道劃分，依據(jù)3.1.1節(jié)來(lái)計(jì)算。直行和左轉(zhuǎn)時(shí)間為：

右轉(zhuǎn)時(shí)間為：

3.1.3 權(quán)值計(jì)算

將權(quán)值設(shè)為車(chē)輛從進(jìn)入道路到分別從直行道、左轉(zhuǎn)道、右轉(zhuǎn)道離開(kāi)的通過(guò)時(shí)間，即ts,tl,tr。

由前文介紹，系統(tǒng)有機(jī)測(cè)和路測(cè)兩種計(jì)算模式。當(dāng)全部使用路旁設(shè)備得到信息時(shí)，能夠得到車(chē)輛抵達(dá)路口時(shí)的信號(hào)顯示時(shí)刻t0和在交叉口前的排隊(duì)長(zhǎng)度d。當(dāng)使用無(wú)人機(jī)獲取信息時(shí)，目前僅能夠得到排隊(duì)長(zhǎng)度d。t0值計(jì)算公式如下。

計(jì)算車(chē)輛抵達(dá)路口時(shí)的信號(hào)顯示時(shí)刻t0：

其中是車(chē)輛進(jìn)入道路時(shí)的信號(hào)顯示時(shí)刻，為前一段路所行駛的時(shí)間。由于t0的值在一個(gè)周期之內(nèi)，故需和周期C取余。

當(dāng)僅使用無(wú)人機(jī)獲取信息時(shí)，在公式中假設(shè)t0=0。

根據(jù)在交叉口前一個(gè)進(jìn)口的直行、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)三車(chē)道，把在交叉口前的排隊(duì)長(zhǎng)度分別記為dS、dL、dR。

計(jì)算從進(jìn)入一條道路到離開(kāi)交叉口的時(shí)間分為以下兩個(gè)步驟。

步驟1得到所需要的數(shù)據(jù)。包括車(chē)輛抵達(dá)路口時(shí)的信號(hào)顯示時(shí)刻t0和在交叉口前的排隊(duì)長(zhǎng)度d。

步驟2計(jì)算ts、tl、tr。首先根據(jù)t0值進(jìn)行劃分，判斷此時(shí)車(chē)輛處于的時(shí)刻。接下來(lái)根據(jù)車(chē)輛到達(dá)交叉口的時(shí)間來(lái)劃分區(qū)間，選擇計(jì)算公式。

1）從直行道離開(kāi)的通過(guò)時(shí)間ts

（1）0 ≤t0＜tSG

① 0 ≤dS ＜sS

注1由于公式冗長(zhǎng)，為方便排版，將公式中C的倍數(shù)，比如mC寫(xiě)為Cm,(m+1)C寫(xiě)為Cm+1，全文公式同理。

②n?sS≤dS ＜(n+1)?sS(n=1,2,3,…)

2）從左轉(zhuǎn)道離開(kāi)的通過(guò)時(shí)間tl

3）從右轉(zhuǎn)道離開(kāi)的通過(guò)時(shí)間tr

由于車(chē)輛需要等待兩個(gè)行人時(shí)間，故將一個(gè)周期分為4 個(gè)時(shí)間段。在每個(gè)時(shí)間段內(nèi)dR的取值范圍均不同，即車(chē)輛排隊(duì)次數(shù)的計(jì)算公式不同。由于篇幅限制，將每個(gè)時(shí)間段的計(jì)算順序給出。

經(jīng)過(guò)上述步驟即可得到道路權(quán)值。

3.2 道路模型

由于車(chē)輛在交叉口行駛時(shí)，需要考慮直行、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)三種情形，一般研究提出的路網(wǎng)模型反映不出車(chē)輛左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)的情形。同時(shí)，還要能夠表示出交叉口的轉(zhuǎn)向限制、單向交通、掉頭等情況。故使用對(duì)偶圖法來(lái)建立路網(wǎng)的數(shù)據(jù)模型，其實(shí)質(zhì)是將基于節(jié)點(diǎn)的圖轉(zhuǎn)化為基于邊的圖。如圖7（a）所示為一簡(jiǎn)單的十字路口，圖7（b）是該道路的節(jié)點(diǎn)-路段表示，圖7（c）是該道路的路段-鏈表示。

圖7 路網(wǎng)模型

3.3 最優(yōu)路徑選取

根據(jù)計(jì)算出來(lái)的權(quán)值，經(jīng)過(guò)計(jì)算即可得到最優(yōu)路徑。根據(jù)3.1 節(jié)所述的方法得到權(quán)值后，使用迪杰斯特拉（Dijkstra）算法即可規(guī)劃出一條最優(yōu)的路徑。

4 仿真分析

4.1 仿真場(chǎng)景設(shè)置

如圖8所示，用一個(gè)簡(jiǎn)單路網(wǎng)來(lái)闡述算法的實(shí)現(xiàn)過(guò)程。

此路網(wǎng)是由9 個(gè)交叉口，6 條主干路構(gòu)成的12 條雙向6車(chē)道。把每個(gè)交叉口從①～⑨進(jìn)行標(biāo)號(hào)，設(shè)一對(duì)起屹點(diǎn)，記為OD。算例設(shè)置如下：

（1）每條道路的長(zhǎng)度如圖8中標(biāo)記所示。假設(shè)交叉口長(zhǎng)度相等，為li=40 m。

圖8 算例路網(wǎng)

（2）交叉口信號(hào)配時(shí)。表2為所選區(qū)域每個(gè)交叉口的信號(hào)配時(shí)，每個(gè)交叉口均為四顯示。

表2 信號(hào)交叉口信號(hào)配時(shí) s

（3）車(chē)輛加速度a。表3所示為不同類型轎車(chē)動(dòng)力參數(shù)，表中分別為最高車(chē)速、從0 加速到100 km/h 的時(shí)間以及加速度。

表3 不同類型轎車(chē)動(dòng)力參數(shù)

由表3可知車(chē)輛加速度在2～4 m/s2之間，為均衡不同車(chē)輛的類型，取加速度a=3 m/s2。

（4）道路最高速度。表4 為《城市道路工程設(shè)計(jì)規(guī)范（2016年修訂版）》中規(guī)定的各級(jí)道路的設(shè)計(jì)速度，由此確定道路的速度。

表4 各級(jí)道路的設(shè)計(jì)速度

示例道路均為主干路，故由表4可得道路設(shè)計(jì)速度為60 km/h、50 km/h、40 km/h，為方便計(jì)算，選取道路速度v=50 km/h。

4.2 不同場(chǎng)景下的應(yīng)用

首先將舉例城市道路轉(zhuǎn)換為道路數(shù)據(jù)模型。其次假設(shè)工作模式為路測(cè)模式，即信息完全由路旁設(shè)備獲得，根據(jù)不同場(chǎng)景下的路況進(jìn)行仿真。假設(shè)由路旁設(shè)備得到某時(shí)刻的交叉口信號(hào)顯示已知，根據(jù)該例起屹點(diǎn)行駛方向設(shè)置。在南北方向，路口①68 s，②34 s，③76 s，⑤ 45 s，⑥67 s，⑧32 s，⑨24 s；東西方向，路口④40 s，⑤ 39 s，⑥ 12 s，⑦ 52 s，⑧ 47 s，⑨ 64 s。

然后通過(guò)設(shè)置不同的排隊(duì)長(zhǎng)度來(lái)實(shí)現(xiàn)不同場(chǎng)景下的仿真。

（1）道路狀況良好，不存在擁堵情況

在交叉口前均設(shè)置很少的排隊(duì)車(chē)輛，來(lái)實(shí)現(xiàn)仿真。具體數(shù)據(jù)為，在每條道路前的直行車(chē)道排隊(duì)長(zhǎng)度分別為：10、35、20、17、18、17、25、34、15、19、14、26、24、23、27、23、15、34、15、35、18、21、35、16、10、0 m；左轉(zhuǎn)車(chē)道排隊(duì)長(zhǎng)度分別為：28、20、13、16、25、13、24、22、45、22、23、22、10、12、14、14、28、20、23、18、12、12、13、14、0、0 m；右轉(zhuǎn)車(chē)道排隊(duì)長(zhǎng)度分別為：10、25、10、10、13、10、24、34、12、32、24、58、56、34、30、23、42、10、45、50、29、50、76、87、0、0 m。仿真結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 不存在擁堵情況下的路線結(jié)果

由圖8所知，在表5中，序號(hào)1、2、6三條路線行駛過(guò)程當(dāng)中會(huì)經(jīng)歷3 個(gè)直行路口、1 個(gè)左轉(zhuǎn)路口、1 個(gè)右轉(zhuǎn)路口；序號(hào)2、3、4 三條路線行駛過(guò)程當(dāng)中會(huì)經(jīng)歷1 個(gè)直行路口、2個(gè)左轉(zhuǎn)路口、2個(gè)右轉(zhuǎn)路口。由表5可以得出，車(chē)輛在行駛過(guò)程中，遇到左轉(zhuǎn)路口少的情況下，行駛時(shí)間會(huì)變短。當(dāng)左轉(zhuǎn)路口一樣多的情況下，可以很好地找出最短的一條路徑。

（2）道路狀況很差，全部路段均存在擁堵情況

由《交通工程學(xué)》建議的服務(wù)水平分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)中車(chē)輛排隊(duì)長(zhǎng)度＞100 m，即為擁堵路段。故在每條道路前的排隊(duì)長(zhǎng)度具體數(shù)據(jù)為，直行車(chē)道：200、510、240、395、310、275、435、244、409、319、294、457、324、356、352、232、386、244、326、254、218、450、245、430、30、0 m；左轉(zhuǎn)車(chē)道：230、288、290、185、273、245、276、232、341、186、185、228、216、229、330、199、258、231、283、148、149、380、216、294、30、0 m；右轉(zhuǎn)車(chē)道：195、208、269、254、208、178、202、169、219、170、170、259、209、238、214、175、202、163、199、157、181、340、178、227、25、0 m。仿真結(jié)果見(jiàn)表6。

由上文得出遇到左轉(zhuǎn)少的情況，行駛時(shí)間會(huì)變短。但是在表6 中，可以看出路線6 的時(shí)間會(huì)由第一變?yōu)榈诹?，這是由在交叉口前的排隊(duì)車(chē)輛數(shù)所決定的。其選擇路線的結(jié)果如圖8所示，在圖中由紅色線表示。

表6 大量在擁堵情況下的路線結(jié)果

（3）在某些直行路口有大量排隊(duì)車(chē)輛

假設(shè)當(dāng)直行道路存在大量排隊(duì)的車(chē)輛，所提算法可以繞過(guò)這些排隊(duì)長(zhǎng)度很長(zhǎng)的路口。具體數(shù)據(jù)為，在每條道路前的直行車(chē)道排隊(duì)長(zhǎng)度分別為：100、350、100、274、50、175、435、344、215、219、214、186、224、223、352、232、300、344、153、354、318、241、345、216、21、0 m；左轉(zhuǎn)車(chē)道排隊(duì)長(zhǎng)度分別為：232、288、93、185、34、248、100、132、153、180、180、142、104、123、200、200、58、233、223、153、153、212、213、194、21、0 m；右轉(zhuǎn)車(chē)道排隊(duì)長(zhǎng)度分別為：195、258、30、187、67、180、160、170、104、102、171、58、156、195、100、178、142、120、145、150、129、150、176、187、20、0 m。仿真結(jié)果見(jiàn)表7。

表7 在某些直行路口有大量排隊(duì)車(chē)輛的路線結(jié)果

由表1 可以看出，在仿真（1）和（2）中序號(hào)為5 的路線的行駛時(shí)間排名第五和第三，但是在此次仿真中排名第一。由此證明可以根據(jù)交叉口的排隊(duì)車(chē)輛長(zhǎng)度來(lái)選擇路線，可以很好地避開(kāi)那些擁堵的路口。

（4）道路中偶發(fā)交通事故

在（1）的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，進(jìn)行本次仿真。如果1到4的路段（即1-4）發(fā)生交通事故，車(chē)輛會(huì)選擇繞開(kāi)此路徑，而走另外的路線，此時(shí)車(chē)輛選擇O →①→②→⑤→⑥→⑨→D 這條路。如果1到4和5到6（即1-4和5-6）兩條路同時(shí)發(fā)生交通事故，則車(chē)輛會(huì)選擇O →①→②→⑤→⑧→⑨→D 這條路。

對(duì)于（4）所述，只是提供了一種解決偶發(fā)交通事故的思路，具體情形還沒(méi)有具體考慮。

5 結(jié)束語(yǔ)

重點(diǎn)研究了基于無(wú)人機(jī)-智能車(chē)隊(duì)協(xié)同系統(tǒng)下的實(shí)時(shí)路徑?jīng)Q策方法，針對(duì)現(xiàn)有的基于智能交通系統(tǒng)下的路徑?jīng)Q策方法無(wú)法完全保障道路數(shù)據(jù)的獲取，提出兩種工作模式，即路測(cè)模式和機(jī)測(cè)模式。將現(xiàn)有文獻(xiàn)中考慮單一信號(hào)燈和單一車(chē)道擴(kuò)展為車(chē)輛考慮在不同車(chē)道上的行駛時(shí)間以及在交叉口的延誤時(shí)間，同時(shí)考慮多次排隊(duì)情況，動(dòng)態(tài)計(jì)算行駛時(shí)間并得到一條用時(shí)最少的路徑。如果缺乏路測(cè)信息，使路測(cè)模式無(wú)法工作時(shí)，通過(guò)機(jī)測(cè)模式下無(wú)人機(jī)和智能車(chē)隊(duì)形成協(xié)同工作，獲得車(chē)輛排隊(duì)長(zhǎng)度信息。系統(tǒng)里利用機(jī)測(cè)模式考慮車(chē)輛在不同車(chē)道上行駛以及多次排隊(duì)情況計(jì)算出一條行駛時(shí)間最短的路徑。實(shí)驗(yàn)證明了所提方法的有效性。接下來(lái)計(jì)劃是無(wú)人機(jī)獲取視頻后，通過(guò)視頻處理技術(shù)得到信號(hào)燈的顯示及和信號(hào)燈的當(dāng)前時(shí)刻。