智能網(wǎng)聯(lián)下的多車協(xié)同換道策略探討

趙聰　趙江南　惠萬馨　肇衍　劉勝佳

摘? 要：隨著經(jīng)濟的發(fā)展，我國的智能化建設的發(fā)展也有了提高。自動駕駛是汽車與交通領域的顛覆性技術(shù)，正引發(fā)學術(shù)界和工業(yè)界開展廣泛且深入的研究。單車自動駕駛的實現(xiàn)面臨不可逾越的技術(shù)瓶頸，而基于新一代信息與通信技術(shù)的智能網(wǎng)聯(lián)汽車（intelligentandconnectedvehicles，ICVs）能有效解決其技術(shù)難題，并產(chǎn)生新的汽車交通系統(tǒng)形態(tài)。研發(fā)和應用智能網(wǎng)聯(lián)汽車系統(tǒng)，不僅需要常規(guī)車路協(xié)同和車聯(lián)網(wǎng)信息服務技術(shù)，還必須探索實現(xiàn)人、車、路、云的深度融合和系統(tǒng)重構(gòu)，以面向各種場景進行復雜系統(tǒng)的融合感知、決策與控制。

關(guān)鍵詞：智能網(wǎng)聯(lián);多車協(xié)同換道;策略探討

引言

為提高換道安全性、穩(wěn)定性和換道效率，本文中提出一種智能網(wǎng)聯(lián)條件下多車協(xié)同安全換道策略。通過建立基于激勵模型的換道收益函數(shù)進行協(xié)同換道可行性判斷?；谀Ｐ皖A測控制建立協(xié)同換道多目標優(yōu)化控制函數(shù)，實現(xiàn)換道過程的分布式控制。提出一個兩階段協(xié)同換道框架，將換道過程分為稀疏縱向距離階段和換道階段，以解決由于避撞約束的高維度和車輛運動學的非線性造成的最優(yōu)控制函數(shù)難以求解的問題。

1智能網(wǎng)聯(lián)汽車云控系統(tǒng)架構(gòu)

本文中提出的智能網(wǎng)聯(lián)汽車云控系統(tǒng)是以云控平臺為核心、面向智能網(wǎng)聯(lián)汽車與交通的一體化優(yōu)化系統(tǒng)。云控系統(tǒng)由云控平臺、路側(cè)基礎設施、網(wǎng)聯(lián)式智能汽車、通信網(wǎng)與資源平臺組成。通信網(wǎng)連接人車路云各節(jié)點，網(wǎng)聯(lián)式智能汽車、路側(cè)基礎設施和資源平臺與云控平臺相連。（1）云控平臺。云控平臺是構(gòu)建車路云標準通信與實時計算環(huán)境、實時融合車路云數(shù)據(jù)、進而統(tǒng)一協(xié)調(diào)運行智能網(wǎng)聯(lián)駕駛與智能交通應用（簡稱“協(xié)同應用”）、支撐云控系統(tǒng)進行車輛及其交通運行性能優(yōu)化的云平臺，由云控基礎平臺與協(xié)同應用組成。云控基礎平臺為協(xié)同應用提供通信鏈路、交通全要素實時數(shù)據(jù)與應用實時運行環(huán)境。云控平臺根據(jù)車輛與交通運行優(yōu)化需求，對云控基礎平臺和協(xié)同應用進行統(tǒng)一調(diào)控與管理。為更好支撐對實時性和服務力度有不同要求的協(xié)同應用，云控基礎平臺具有邊緣云、區(qū)域云與中心云3級架構(gòu)，邏輯統(tǒng)一，物理分散，實現(xiàn)協(xié)同應用的按需動態(tài)運行。邊緣云（含邊緣計算節(jié)點）通常服務街或區(qū)，主要運行實時協(xié)同應用;區(qū)域云通常服務市或省，主要運行準實時協(xié)同應用;中心云服務全國，運行非實時應用。上一級云協(xié)調(diào)下一級云，其服務實時性逐級降低，服務力度依次增大。重點針對以下4方面問題。為打破目前車路云形成信息孤島的困境，云控系統(tǒng)使用統(tǒng)一的標準化機制進行車路云通信，以實現(xiàn)高效廣泛互聯(lián)與高性能傳輸。云控平臺利用軟件定義網(wǎng)絡與網(wǎng)絡功能虛擬化等先進技術(shù)，對通信需求與網(wǎng)絡狀態(tài)進行實時監(jiān)控與預測，實現(xiàn)云控平臺與通信網(wǎng)上通信過程的動態(tài)調(diào)控，以提升通信效率與可靠性。需求，云控平臺統(tǒng)一利用網(wǎng)聯(lián)式智能汽車與路側(cè)基礎設施的感知能力和資源平臺的數(shù)據(jù)，通過各級云上的實時感知信息分級融合，構(gòu)建全域交通全要素的高精度實時數(shù)字映射即數(shù)字孿生digitaltwin，以高精度動態(tài)地圖形式，為廣泛的協(xié)同應用提供運行所需的各類實時數(shù)據(jù)。為應對高并發(fā)下協(xié)同應用所調(diào)控物理對象的行為相互沖突的問題，云控平臺構(gòu)建多目標多任務協(xié)同的應用整體編排框架，對協(xié)同應用運行方式與行為進行整體規(guī)劃，保障其性能的充分利用，提升云控系統(tǒng)，優(yōu)化車輛與交通運行的性能。為協(xié)調(diào)高并發(fā)下協(xié)同應用爭搶計算資源的問題，云控平臺建立統(tǒng)一計算編排框架，根據(jù)協(xié)同應用與場景，基于虛擬化、容器與微服務等技術(shù)，對系統(tǒng)計算資源使用進行統(tǒng)一優(yōu)化配置，實現(xiàn)協(xié)同應用高并發(fā)地按需實時運行，保障協(xié)同應用服務于車輛與交通運行優(yōu)化的安全性與預期性能。（2）路側(cè)基礎設施路側(cè)基礎設施是布置在道路附近的實現(xiàn)人車路互聯(lián)互通、融合感知、局部輔助定位等功能的設備集合。通過優(yōu)化設計而布置的路側(cè)傳感器支撐云控系統(tǒng)對混合交通的融合感知。路側(cè)通信設備增強云控系統(tǒng)的通信覆蓋范圍與可靠性，構(gòu)建前端的閉環(huán)反饋鏈路。（3）通信網(wǎng)云控系統(tǒng)集成異構(gòu)通信網(wǎng)絡，基于標準化通信機制，實現(xiàn)系統(tǒng)中人、車、路、云的廣泛互聯(lián)通信，利用5G、軟件定義網(wǎng)絡等先進通信技術(shù)實現(xiàn)高性能與高可控性。（4）網(wǎng)聯(lián)式智能汽車網(wǎng)聯(lián)式智能汽車連接云控基礎平臺、路側(cè)基礎設施與其他車輛，共享車端數(shù)據(jù)，接收協(xié)同應用的輸出并做出響應。網(wǎng)聯(lián)式智能汽車是云控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)源與受控對象。云控系統(tǒng)不僅直接提升網(wǎng)聯(lián)式智能汽車的行駛性能，還利用網(wǎng)聯(lián)式智能汽車對其所處混合交通的行為進行優(yōu)化。

2隨時間實時變化的模塊化鐵路網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)

隨時間實時變化又被稱之為“時變”，而關(guān)于“時變鐵路路網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)”的研究，就是為了更好地滿足冶金企業(yè)內(nèi)部鐵路實際的變化，更好地克服傳統(tǒng)進路控制方法應用中出現(xiàn)的“必須重構(gòu)”缺點，同時也為了實現(xiàn)實時動態(tài)優(yōu)化的列車進路。列車排列優(yōu)化進路時，列車面對的鐵路路網(wǎng)不可避免會受到其他列車的影響，也就說列車面對的鐵路路網(wǎng)隨著其他列車的不斷行走而發(fā)生實時變化，并且不同的優(yōu)化時刻，同一列車的可用鐵路路網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)也不會相同。也就是，鐵路路網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)對于某一具體列車來講，具有隨時間變化而變化的特征，即“時變鐵路路網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)”。

3多車協(xié)同進路實時優(yōu)化控制策略

1）將數(shù)組全部清空，并在時間間隔Δt內(nèi)，搜素鐵路路網(wǎng)中正在運輸?shù)奈镔Y，并依次將它們運輸優(yōu)先級記錄清晰。2）時間間隔Δt內(nèi)，其他“新”運輸物資的優(yōu)先級也要記錄清晰。3）搜索可運行區(qū)域，并對時間間隔Δt內(nèi)的所有運輸物資進行進路預搜索，如若進路路徑存在交集，則直接轉(zhuǎn)達4）;反之，如若進路路徑不存在交集，則給予行車憑證。4）進路路徑中出現(xiàn)交集的每一個運輸物資，都要嚴格結(jié)合進路控制評價函數(shù)計算函數(shù)值，然后通過比較，確定應該進行5）。5）對于滿足條件，都要求取差值，記錄差值的最大值，基于此通過比較，確定接下來應當如何。結(jié)合多車協(xié)同進路實時優(yōu)化控制策略可以了解到，其進隊列車安全局域之外的進路進行了多車實時協(xié)同優(yōu)化，所以能夠保障控制策略的安全性。

結(jié)語

（1）在車路協(xié)同系統(tǒng)的基本交互信息保障條件下，分析了當前多車道換道模型在該系統(tǒng)下的局限性和擴展性。（2）結(jié)合未來車輛間可能交互的基礎信息，引入威脅度對車輛間關(guān)系進行數(shù)學描述，同時利用此威脅度函數(shù)，提出具有道路局部區(qū)域車輛運行狀態(tài)全局優(yōu)化思想的協(xié)同換道規(guī)則STCA-S模型。數(shù)值模擬結(jié)果表明，本文模型能提供受阻車輛更為靈活的換道條件，能改善交通流的速度、流量等性能參數(shù)，表現(xiàn)出更優(yōu)的道路擴容能力，提高了道路的利用效率。（3）由于本文的研究對象為理想交通環(huán)境內(nèi)的標準化車輛，而實際交通環(huán)境更為復雜，同時車路協(xié)同技術(shù)尚未廣泛應用，缺乏實測數(shù)據(jù)，所以結(jié)合實際交通中的車輛性能、駕駛?cè)藸顟B(tài)和通信延遲等實際問題進行實證分析和研究，將是未來工作的主要問題和方向。

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