基于車路協同的高速公路入口匝道車輛匯入引導方法*

張存保 李勁松 黃傳明 夏銀霞

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

基于車路協同的高速公路入口匝道車輛匯入引導方法*

張存保1)李勁松2)黃傳明2)夏銀霞1)

(武漢理工大學智能交通系統研究中心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域交通安全和通行效率，提出了基于車路協同的高速公路入口匝道車輛匯入引導方法和模型.根據車路協同系統獲取的各車輛實時位置和速度信息，在主線外側車道上搜尋合適的匝道車輛匯入間隙，或通過調節主線外側車道的車速形成合適的匯入間隙，在此基礎上確定匝道車輛匯入時間、匯入位置、匯入車速等，并引導匝道車輛順利匯入主線.利用Vissim交通仿真軟件的COM接口，編程實現了車路協同環境下高速公路入口匝道車輛匯入引導功能，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行了仿真實驗.結果表明，與無車輛匯入引導情況相比，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域交通運行狀況.

交通工程；匯入引導；入口匝道；車路協同系統；高速公路

0 引 言

針對高速公路匝道區域交通安全問題，國內外學者開展了大量研究.李嘉等[1]對匝道和變速車道的設計進行了安全性分析，提出高速公路出入口設計中應注意行車速度、匝道平面線形、匝道縱面線形等因素.Mccartt等[2-3]對匝道區域交通事故特性進行了分析，并對加/減速車道長度與事故率關系進行了研究.Lord等[4-5]以事故統計數據為基礎，建立了互通式立交匝道與加/減速車道事故的預測方法及模型.李志斌等[6]針對高速公路入口匝道路段，建立了追尾事故風險的量化預測模型，并提出了減少事故發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容易與后方車輛發生碰撞事故的問題，提出了一種匝道車輛匯入安全性提示系統.

車路協同系統是指基于無線通信、傳感探測等技術獲取車輛和道路信息，通過車車、車路通信進行信息交互和共享，實現車輛與基礎設施之間智能協同與配合，達到優化利用系統資源、提高道路交通安全、緩解交通擁堵的目標[8].車路協同系統能全方位獲取車輛個體的時空狀態信息，為改善高速公路匝道區域交通安全和通行效率提供了技術基礎和支持條件.金立生等[9-10]分析了高速公路合流區交通事故特征，運用車路協同技術建立了入口匝道合流區車輛安全預警方法和模型.楊曉芳等[11]利用車車通信環境下獲得的周邊車輛運行狀態信息，提出了入口匝道合流影響區車輛決策機制模型，提高了合流區的通行能力.Park等[12]針對車路協同環境，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]提出了車路協同環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同環境下匝道匯入車輛安全輔助駕駛系統，降低了高速公路入口匝道區域的車輛匯入沖突.

綜上所述，現有研究大多是為合流區車輛提供安全預警和換道提示，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方面的研究較少.為此，本文在充分利用車路協同系統獲取的車輛個體實時運行狀態信息基礎上，建立高速公路入口匝道車輛匯入引導方法和模型，為提高入口匝道區域交通安全性和通行效率提供技術基礎.

1 車路協同環境下入口匝道車輛匯入引導的基本思路

充分利用車路協同系統獲取的各車輛實時位置和速度信息，在入口匝道區域較大范圍內搜索最佳的匯入間隙和匯入位置，并引導匝道車輛順利匯入主線外側車道，可有效提高入口匝道區域交通安全和通行效率.

入口匝道車輛匯入引導的關鍵問題是找到最佳的匯入間隙，并確定匯入點位置和匯入引導速度.為此，將匝道入口上游部分路段至加速車道末端作為監測區域(監測區域長度通常為1 000～1 200 m)，首先在監控區域內的主線外側車道上，尋找滿足最小安全匯入間隙的空檔(根據實際高速公路觀測數據，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間隙且匝道車輛經過速度調整后能安全匯入上述目標間隙，則確定匯入時間、匯入位置、匯入車速并引導匝道車輛順利匯入主線.若主線外側車道上未找到合適的匯入間隙，則依次將匝道車輛當前位置對應的主線外側車道空檔及其后續空檔作為目標間隙，判斷能否通過降低目標間隙的后車速度(車速不小于最低限速)，使目標間隙滿足最小安全匯入間隙要求且匝道車輛經過速度調整后能安全匯入此目標間隙.若能，則確定匯入時間、匯入位置、主線車輛引導速度、匝道車輛引導車速等，并同時對主線車輛和匝道車輛進行引導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為周期實時更新各車輛運行狀態信息，并按照上述過程重新搜索，直至找到合適的目標間隙為止，見圖1.

圖1 基于車路協同的高速公路入口匝道車輛匯入引導示意圖

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

圖2 基于車路協同的入口匝道車輛匯入引導的工作流程

2 車路協同環境下入口匝道車輛匯入引導方法和模型

2.1 基于主線外側車道目標間隙搜索的匝道車輛匯入引導方法和模型

對于實際高速公路來說，主線外側車道任意車輛A，B和匝道車輛R均處于動態行駛狀態.在當前時刻t，各車輛與監測區起點的距離分別為XA(t)，XB(t)，XR(t)，在t+Δt時刻各車輛與監測區起點的距離分別為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示意圖

在主線外側車道搜索目標間隙的詳細步驟如下.

步驟1 根據當前時刻主線外側車道上各車輛的位置和速度，計算各車輛間的車頭時距.即

(1)

式中：TAB為車輛A，B間的車頭時距；vB(t)為當前時刻后車B的速度.

對于高速公路外側車道上最靠前的車輛，則計算其到達監測區域終點的時間間隔；對于外側車道上最靠后的車輛，則用其與監測區域起點的距離除以路段限速值作為該空檔對應的時間間隔.

步驟2 逐個判斷外側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間隙.

步驟3 按照從監測區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間隙，并確定匯入引導方案.

對于任一候選目標間隙，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)，在到達加速車道末端之前，判斷其是否可超越候選目標間隙的后車B一段安全距離D0(通?？扇?0～100 m)，若是，則車輛R經加速后能順利匯入該目標間隙.否則，車輛R無法匯入該目標間隙.

假定當前時刻為t，匝道車輛R匯入主線時刻為t+Δt，則t+Δt時刻車輛A，B，R距離監測區域起點的距離分別為

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，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間隙，此時Δt值即為可行解.當方程的兩個解均為可行解時，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，重新計算方程解，直至找到滿足要求的可行解為止.

至此，將匯入時間、匯入點位置、匯入引導車速等信息發送給匝道車輛R，同時提示主線車輛A和B有匝道車輛匯入請保持當前車速行駛，從而實現匝道車道R安全、高效匯入目標間隙.若最終未找到滿足要求的可行解，則采用調節主線外側車道上車輛速度的方式來形成目標間隙.

2.2 基于主線車速調節的匝道車輛匯入引導方法和模型

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

首先選定匝道車輛當前位置對應的主線外側車道空檔，假設該空檔的前車A保持當前行駛速度，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到達加速車道末端時，判斷車輛A和B的車頭時距TAB是否滿足最小安全匯入間隙要求.前車A到達加速車道末端所需要的時間t1為

(1)

前車A到達加速車道末端時，后車B的速度及其與監測區域起點的距離為

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間隙，并進入步驟2判斷匝道車輛R能否順利匯入此目標間隙.若能，則引導車輛R安全匯入此目標間隙；若不能，則將上游緊鄰該目標間隙的空檔作為新的目標間隙，重復上述分析過程.依此類推，直至主線外側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間隙并確定匯入引導方案

對于任一候選目標間隙，分別對目標間隙的前車A、后車B和匝道車輛R的行駛狀態進行預測.假定當前時刻為t，匝道車輛R匯入主線時刻為t+Δt，則t+Δt時刻車輛A，B距離監測區域起點距離及車輛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時刻車輛R的速度及其與監測區起點的距離分別為

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)各有兩個計算公式，共有四種組合，寫出方程解的一般表達式較為繁瑣.由于Δt值不會太大，可采用遍歷搜索方法進行求解.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定為1，2，3，…，60 s，帶入上述方程式，分別計算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間隙，則當前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，將匯入時間、匯入點位置、匯入引導速度等信息發送給主線車輛A和B，以及匝道車輛R，實現匝道車道安全、高效匯入主線外側車道.

3 仿真實驗

3.1 實驗方案

以武漢市繞城高速公路一個入口匝道為對象，運用VISSIM仿真軟件對基于車路協同的入口匝道車輛匯入引導方法進行實驗驗證.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行組合，并分別對無匝道車輛匯入引導和有匝道車輛匯入引導兩種場景開展仿真實驗，每種流量組合的仿真時間為3 600 s.利用Vissim軟件的COM接口函數，編程實現車輛ID、車輛位置、車輛速度等數據的實時采集，以及車速引導、車道變換引導等功能，從而準確模擬車路協同環境下匝道車輛匯入引導過程.

3.2 實驗結果及分析

針對主線流量和匝道流量的多種組合方案，將交通沖突數和延誤分別作為評價交通安全和通行效率的指標，通過仿真實驗得到有、無匝道車輛匯入引導情況下各評價指標的結果，見表1～2.

從實驗結果可知：

1) 高速公路主線流量和入口匝道流量對匝道區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，并表現為交通延誤和交通沖突數的增長.當主線和入口匝道均為高峰流量時，匝道區域交通延誤和交通沖突數均達到較大值.

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域交通沖突數

2) 基于車路協同的入口匝道車輛匯入引導方法可有效提高匝道區域交通安全和通行效率.與無匝道車輛匯入引導方式相比，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.當主線和入口匝道均處于低峰流量時，因匝道車輛在無引導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兩方面的效果均不斷提升.當主線和匝道均為高峰流量時，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量，其降幅達到36.4%.

4 結 束 語

為改善高速公路入口匝道區域交通安全和通行效率，提出了基于車路協同的入口匝道車輛匯入引導方法，并建立了匝道車輛匯入時間、匯入位置、匯入車速等的計算方法和模型，實現了入口匝道車輛與主線車輛的實時交互和協同通行.在現有Vissim微觀仿真軟件基礎上，利用其COM接口，編程實現了車路協同環境下高速公路入口匝道車輛匯入引導功能模塊，在此基礎上開展了仿真實現.結果表明，與無匝道車輛匯入引導相比，本文方法可明顯降低入口匝道區域交通延誤和交通沖突數量.

本文未考慮入口匝道車輛匯入引導信息作用下駕駛員個體行為特性，同時，對入口匝道區域主線車輛從外側車道變換至內側車道的情況也未做充分考慮.上述問題將在后續工作中做進一步研究，并對車路協同環境下入口匝道車輛匯入引導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

*國家自然科學基金項目(51578432)、武漢市青年科技晨光計劃項目(2016070204010124)、云南省交通廳科技計劃項目(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，主要研究領域為交通信息工程及控制、交通安全