一种面向间歇式公交车道的预约交叉口公交优先方法
阅读说明：本技术 一种面向间歇式公交车道的预约交叉口公交优先方法 (Bus priority method for reserved intersection facing intermittent bus lane ) 是由 易洪波 刘昱岗 郑帅 李佳励 唐李莹 于 2021-09-23 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种面向间歇式公交车道的预约交叉口公交优先方法,包括：常规交叉口内部矩形；每条进口道的一小段缓冲路段；进口道设置两种车道,普通行车道与间歇式公交车道。当公交车辆申请经过交叉口时,清空公交车辆前方车道段,被清空的车辆变道进入普通行车道。当公交车辆前方车道段清空后,各车辆依据交叉口中央计算枢纽分配的通行时间窗经过交叉口。此时由于公交车辆前方并无社会车辆,可大大降低公交车辆经过交叉口所产生的延误,甚至达到无延误。当公交车离开交叉口后,间歇式公交车道允许被社会车辆使用,避免了车道空间资源的浪费。(The invention discloses an appointed intersection bus priority method facing an intermittent bus lane, which comprises the following steps: a regular intersection is internally rectangular; a small buffer section of each entry way; the entrance lane is provided with two lanes, namely a common traffic lane and an intermittent bus lane. When the bus applies for passing through the intersection, the lane section in front of the bus is emptied, and the emptied bus is changed into a common traffic lane. And after the lane section in front of the bus is emptied, each bus calculates the passing time window distributed by the junction according to the center of the intersection and passes through the intersection. At the moment, because no social vehicle exists in front of the bus, the delay of the bus passing through the intersection can be greatly reduced, and even no delay is achieved. After the bus leaves the intersection, the intermittent bus lane is allowed to be used by the social vehicles, and waste of lane space resources is avoided.)
技术领域
本发明属于城市交通管理与控制技术领域，具体的说是涉及一种面向间歇式公交车道的预约交叉口公交优先方法。
背景技术
在现有背景下，目前的交叉口公交优先控制方法将会越来越难以适应未来的交通环境。其主要原因包括：
1、随着自动驾驶技术的成熟，交叉口的组织形式、控制方法都将迎来巨大改变，在此背景下，传统的交叉口控制方法可能面临淘汰，而现有的交叉口公交优先控制方法更加难以适用。
2、现有的公交优先方法主要采用给予空间上的路权，即采用公交专用道的方式。在未来的发展环境下，城市道路上的交通需求将会越来越大，公交专用道对社会车辆的负面影响将会越来越显著。
因此，需要对现状的交叉口公交优先控制方法进行改进，克服现有技术的瓶颈，提供全自动驾驶环境下的公交优先控制方法，适应未来交通发展趋势。
发明内容
本发明的目的是针对未来交通发展趋势，提供一种全自动驾驶环境下的面向间歇式公交车道的预约交叉口公交优先控制方法。本发明的控制方法具有如下特点：一，能够适用于全自动驾驶环境，即道路所有车辆均为自动驾驶车辆的交通环境；二，将公交专用道设置为间歇式公交车道，既能保证公交车优先路权，又能保证车道空间得到充分利用。
针对本发明中的预约交叉口以及间歇式公交车道的解释如下：
预约交叉口是一种针对道路上所有车辆均为自动驾驶车辆的情形，无需采用交通信号灯控制的交叉口形式。每一个预约交叉口都配备中央计算枢纽，车辆需要经过预约交叉口之前提前向中央计算枢纽提交申请，中央计算枢纽根据所有车辆的申请最优化地安排所有车辆经过交叉口的时间窗口，各车辆根据中央计算枢纽分配的时间窗口调整行驶路径与速度等参数，从而保证所有车辆能够顺利通过预约交叉口。
间歇式公交车道是常规公交专用道的一种改进形式，通过车联网技术以及自动驾驶技术实现特定车道上公交车行驶方向前方一定距离内没有社会车辆行驶，这一段距离被称为清除距离。间歇式公交车道的应用能够保证公交车在交叉口处的优先路权，也能保证公交专用道的空闲路段得到充分利用。
本发明的技术方案是：
一种面向间歇式公交车道的预约交叉口公交优先方法，在交叉口汇聚的多条进口道每条均包含间歇式公交车道，即交叉口的每一条进口道均包括普通行车道和间歇式公交车道，从每一条进口道到达交叉口范围边界的车辆分为两种，一种是自动驾驶的社会车辆，另一种是自动驾驶的公交车辆；公交优先方法包括：
判断间歇式公交车道上是否有公交车需求，若是，则执行步骤S1，否则执行步骤S2；
S1、根据公交车辆前方的交通状态计算所需的清除距离，此时间歇式公交车道上，以公交车辆最前端为起点，以清除距离为长度的公交车前方一段车道被称为清除车道段，清除车道段内的社会车辆需驶入普通行车道，清除车道段内的社会车辆清空后，各车辆依据交叉口中央计算枢纽分配的通行时间窗经过交叉口；
S2、社会车辆驶入间歇式公交车道，同时向交叉口的中央计算枢纽申请通过交叉口的时间窗，然后根据所获批的时间窗调整形式参数，在其时间窗内通过交叉口；
步骤S1和步骤S2中，各车辆在交叉口内部的行驶轨迹以及时间窗的模型为：
其中，d表示交叉口进口方向，其中d∈{e,w,s,n}，e,w,s,n分别表示交叉口的东、西、南、北进口方向；D表示交叉口出口方向，其中D∈{E,W,S,N}，E,W,S,N分别表示交叉口的东、西、南、北出口方向；i表示进口道的第i条车道，i∈{1，2，…，m}，m表示交叉口进出口的最大车道数；j表示出口道的第j条车道，j∈{m+1，m+2，…，2m}，车道编号规则见附图3；k表示车辆编号；di表示d方向进口道的第i条车道；Dj表示D方向出口道的第j条车道；di→Dj表示车辆从d方向进口道的第i条车道驶向D方向出口道的第j条车道，在di→Dj中，d≠D；表示路径di→Dj上第k辆车实际驶入交叉口的时刻，表示路径di→Dj上第k辆车理论到达交叉口的时刻，表示路径di→Dj上第k辆车的延误。
模型的约束条件如下：
(p-1)lg≤x≤plg
(q-1)lg≤y≤qlg
Γ(k1,k2)×(Tk1+τk1-Tk2)×(Tk1-Tk2-τk2)≥0
其中，p∈{1,2,……,2mlr/lg}，q∈{1,2,……,2mlr/lg}，lr表示车道宽度，lg表示网格边长，pq表示从下往上第p行从左往右第q列所对应的网格，x和y分别表示网格pq对应的横坐标，k1和k2分别表示任意两辆车的编号；Tk1和Tk2表示车辆k1和k2通过交叉口的时间窗的起点，τk1和τk2表示车辆k1和k2通过交叉口的时间窗的长度；Γ(k1,k2)表示车辆k1和k2通过交叉口时的轨迹是否有重叠，附图4表示车辆所占网格示意图以及车辆轨迹重叠示意图，Gk1和Gk2分别表示车辆k1和k2通过交叉口的轨迹所经过的网格的集合，kb表示为公交车的车辆编号，表示公交车kb前方车辆，表示kb与之间的距离，lQC表示清除距离。
通过模型求解得到每辆车经过进入交叉口的时刻、交叉口的时间窗长度以及每辆车在交叉口内的车道级行驶轨迹。然后每辆车根据模型所分配的以上参数自动调整其运行轨迹并通过交叉口。由于通行规则的设定以及约束条件在模型中的效用，能够保证公交车辆在进入交叉口之前处于前方无车辆的状态，即公交车辆在本车道的队列中处于第一的位置，此时公交车辆在本车道的申请处于最高优先级，从而公交车辆能够获得尽可能早的通过交叉口的时间窗，从而实现交叉口处的公交优先通行。
与现有技术相比，本发明的优点和效果为：
本发明基于全自动驾驶环境进行考虑，符合未来交通的发展趋势，也能够实现交叉口通行能力最优；
本发明采用间歇式公交车道实现交叉口处的公交优先，在保障公交优先的同时充分利用了车道空间。
附图说明
图1表示本发明所涉及的间歇式公交车道。
图2表示本发明的实施例。
图3表示本发明的建模分析示意图。
图4表示本发明的交叉口内部车辆轨迹重叠示意图。
具体实施方式
下面将结合附图实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，以便本领域的技术人员能够更好地理解本发明。
本发明提出的一种面向间歇式公交车道的预约交叉口公交优先方法，公交优先方法由四条设置了间歇式公交车道的道路相交汇而构成，交汇处称之为交叉口内部范围。
本发明所述公交优先控制方法的交叉口设置前提如下：
本发明所述交叉口内部范围包含常规交叉口内部矩形11与每条进口道的一小段缓冲路段9。
以一条进口道为例，在交叉口内部范围边界7的上游存在两种车道，一种为普通行车道2，另一种为间歇式公交车道6。从该进口道到达交叉口内部范围边界7的车辆分为两种，一种是自动驾驶的社会车辆1、3，另一种是自动驾驶的公交车辆4。
公交优先控制方法如下：
当间歇式公交车道6上没有公交车需求时，社会车辆可以驶入间歇式公交车道6，同时向交叉口的中央计算枢纽申请通过交叉口的时间窗，然后根据所获批的时间窗调整形式参数，在其时间窗内通过交叉口。中央计算枢纽可保证流线冲突的社会车辆之间的时间窗不发生重叠，从而保证交通安全。
当本发明所述交叉口的某一条进口道的上游的间歇式公交车道6上有公交车需求时，根据公交车辆前方的交通状态计算所需的清除距离8。此时间歇式公交车道6上，以公交车辆最前端为起点，以清除距离8为长度的公交车前方一段车道被称为清除车道段5。清除车道段5内的社会车辆3需驶入普通行车道2，
清除车道段5清空后可保证公交车辆(4)能够申请最优的通行时间窗，从而保证公交车辆在交叉口处的优先通行权。
本发明控制方法求解模型，即计算各车辆在交叉口内部的行驶轨迹以及时间窗的模型如下：
模型的目标函数为总延误最少：
其中，d表示交叉口进口方向，其中d∈{e,w,s,n}，e,w,s,n分别表示交叉口的东、西、南、北进口方向；D表示交叉口出口方向，其中D∈{E,W,S,N}，E,W,S,N分别表示交叉口的东、西、南、北出口方向；i表示进口道的第i条车道，i∈{1，2，…，m}，m表示交叉口进出口的最大车道数；j表示出口道的第j条车道，j∈{m+1，m+2，…，2m}；k表示车辆编号；di表示d方向进口道的第i条车道；Dj表示D方向出口道的第j条车道；di→Dj表示车辆从d方向进口道的第i条车道驶向D方向出口道的第j条车道，在di→Dj中，d≠D；表示路径di→Dj上第k辆车实际驶入交叉口的时刻，表示路径di→Dj上第k辆车理论到达交叉口的时刻，表示路径di→Dj上第k辆车的延误。
模型的约束条件及推导如下：
将交叉口内部区域从交叉口每个方向进口道的最右侧开始对车道编号，将交叉口内部空间离散化，划分为若干个网格，车道的宽度是网格边长的整数倍。网格的编号沿坐标轴正方向依次是1,2,……,2mlr/lg，其中lr表示车道宽度，lg表示网格边长。以交叉口内部空间的左下角为原点建立直角坐标系，网格pq对应的坐标范围为：
(p-1)lg≤x≤plg
(q-1)lg≤y≤qlg
其中，网格pq表示从下往上第p行，p∈{1,2,……,2mlr/lg}，从左往右第q列所对应的网格，q∈{1,2,……,2mlr/lg}，x和y分别表示网格pq对应的横坐标。
Γ(k1,k2)×(Tk1+τk1-Tk2)×(Tk1-Tk2-τk2)≥0
其中，遵循以下规则：
其中Gk1和Gk2分别表示车辆k1和k2通过交叉口的轨迹所经过的网格的集合。
为保证公交车前方的清除车道段内不存在车辆，还应当满足以下约束：
其中，kb表示为公交车的车辆编号，表示公交车kb前方车辆，表示kb与之间的距离，lQC表示清除距离。
实施例
图2所示交叉口为一预约交叉口，图1所示为图2交叉口中的西进口道。
1、当图1中公交车辆(4)申请经过交叉口时，公交车前方需进行车道清空，清空长度为清除距离5。
2、此时车辆CV1需要离开间歇式公交车道6，因此车辆CVI变道进入普通行车道2。
3、公交车辆(4)后方无后续的公交车辆，因此公交车辆(4)后方的车道段允许社会车辆驶入，因此车辆CV3驶入间歇式公交车道6，能够尽快通过交叉口，减少其通过交叉口的延误。
4、当公交车辆(4)前方车道段清空后，各车辆依据交叉口中央计算枢纽分配的通行时间窗经过交叉口。此时由于公交车辆(4)前方并无社会车辆，可大大降低公交车辆(4)经过交叉口所产生的延误，甚至达到无延误。
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