面向新型混合交通流的快速路合流区通行能力建模

面向人类驾驶和具备协同自适应巡航功能的网联自动驾驶组成的新型混合交通流,考虑道路交通特性、道路结构以及匝道汇入前主线交通状态等因素的交互作用机理,基于概率统计理论解析网联自动驾驶渗透率和编队长度间的耦合关系,进一步基于间隙接受理论分析匝道汇入交通对合流区通行能力的折减效应,建立快速路合流区通行能力模型,定量描述不同道路条件下合流区通行能力如何随网联自动驾驶渗透率和编队长度变化。模型中的道路交通特性、道路结构及匝道汇入前部分交通状态参数根据实际道路交通环境标定,提升了模型的通用性与可迁移性。搭建内嵌车辆动力学模块的Vissim仿真平台进行模型评估,结果表明,模型精度在80%以上,且在不同网联自动驾驶渗透率和编队长度条件下皆表现良好。      

Gap metering for active traffic control at freeway merging sections

Freeway merging sections are critical segments that can recurrently activate peak-hour traffic congestion. This article proposes a novel vehicular gap control method as a new Active Traffic Management (ATM) strategy to be added to the existing Intelligent Transportation System (ITS) toolboxes for freeway merge control. The proposed strategy, “Gap Metering,” can be considered a non-stopping mainline version of ramp metering. It utilizes signals advising mainline through vehicles to yield sufficient gaps for merging vehicles. Detailed system design and control methods are proposed and implemented in VISSIM (please spell out the abbreviation of VISSIM for this first instance), a microsimulation software package. Different driver behavior sets with different standstill headway values are created to allow switching between gap-metered vehicles and regular vehicles. We evaluate the proposed system through two VISSIM models built and calibrated, respectively, for both the I-894 corridor in Milwaukee, WI, and the Riverside Drive segment on I-35 northbound in Austin, TX. Both corridors experience severe morning peak-hour congestion. We use the I-894 corridor for testing the system design parameters and use the I-35 corridor to conduct a comparison with the ramp metering strategies. The I-894 results indicate an average of 10–20% network delay reduction among all scenarios. We then tested the scenario on the I-35 corridor and compared with the ALINEAR ramp metering. Gap metering strategies alone or combined with ramp metering can, respectively, reduce 17% and 27% more total delay than ramp metering only control at 20% compliance rate.     

Connected variable speed limits control and car-following control with vehicle-infrastructure communication to resolve stop-and-go waves

The vision of intelligent vehicles traveling in road networks has prompted numerous concepts to control future traffic flow, one of which is the in-vehicle actuation of traffic control commands. The key of this concept is using intelligent vehicles as actuators for traffic control systems. Under this concept, we design and test a control system that connects a traffic controller with in-vehicle controllers via vehicle-to-infrastructure communication. The link-level traffic controller regulates traffic speeds through variable speed limits (VSL) gantries to resolve stop-and-go waves, while intelligent vehicles control accelerations through vehicle propulsion and brake systems to optimize their local situations. It is assumed that each intelligent vehicle receives VSL commands from the traffic controller and uses them as variable parameters for the local vehicle controller. Feasibility and effectiveness of the connected control paradigm are tested with simulation on a two-lane freeway stretch with intelligent vehicles randomly distributed among human-driven vehicles. Simulation shows that the connected VSL and vehicle control system improves traffic efficiency and sustainability; that is, total time spent in the network and average fuel consumption rate are reduced compared to (uncontrolled and controlled) scenarios with 100% human drivers and to uncontrolled scenarios with the same intelligent vehicle penetration rates.     

网联车辆并线预测与巡航控制的研究

为检测旁车道车辆驾驶员的并线意图,提升网联车辆巡航跟车的主动安全性,提出了一种基于NAR神经网络学习的迭代循环预测算法。NAR神经网络的训练样本由实际交通环境中的车辆并线数据获得,通过训练的网络预测未来一段时间内旁车的横向行驶轨迹,并根据划定的监控区域计算旁车的切入概率。同时,提出了一种考虑并线概率的跟车距离策略,并应用到网联车辆CACC系统中。结果表明,所提出的并线预测算法能精确计算出旁车的横向换道轨迹,所提出的跟车策略可提升车辆的跟车安全性。     

智能网联车辆交通流优化对交通安全的改善

为改善常规驾驶车辆交通流追尾碰撞交通安全状况,提出智能网联车辆（Connected and Automated Vehicles,CAV）与常规车辆构成的混合交通流车队稳定性优化控制方法。基于全速度差模型,应用集成速度与加速度的多前车反馈构建CAV跟驰模型,考虑CAV混合交通流车辆空间分布的随机性,将各类型局部车队稳定性作为优化目标,以局部车队头车速度扰动为系统输入,以尾车速度扰动为系统输出,应用经典控制理论领域的传递函数法推导局部车队稳定性约束条件;分析关于平衡态速度与CAV反馈系数的车队稳定域,以各类型局部车队能够在任意平衡态速度下均稳定为控制目标,对CAV反馈系数输出进行优化控制;设计高速公路上匝道交通瓶颈数值仿真试验,在不同CAV比例等多种条件下,分析CAV混合交通流优化控制对交通流车辆追尾碰撞风险的影响。研究结果表明：CAV混合交通流优化控制可降低车辆追尾碰撞风险,在碰撞时间阈值小于2 s时,100%比例的CAV交通流可将交通流的车辆追尾碰撞风险降低85.81%以上;在碰撞时间阈值大于2 s时,追尾碰撞风险可降低48.22%～78.80%。所提优化控制方法可有效降低CAV车队优化控制的复杂性,为大规模CAV背景下的混合交通流优化控制以及车辆追尾碰撞交通安全提升策略提供直接理论参考。     

基于交通安全的高速公路出口区域限速确定方法研究

高速公路出口区域分流车辆常因不能充分减速高速驶入匝道，而引发追尾事故。文中应用微观仿真软件Vissim模拟沪蓉高速公路宜昌至恩施方向野山关出口处交通流状况，提出了一种改善出口处行车安全的分段限速方式，并对几种限速措施的效果进行了评价。     

高速公路限速策略优化方法与评价模型

为解决限制速度值确定不合理、限速方式不适用以及限速区间长度设置不恰当等问题, 对驾驶人行驶体验以及限速管理可信度的负面影响, 优化了高速公路限速区间最小长度、限制速度值、限速区间划分的确定方法, 进而提出了以安全车速与通行效率为依据的高速公路限速区间优化与评价模型。依据驾驶人视认距离、限速标志设置前置距离和驾驶人心理稳定距离, 标定计算模型中的限速区间最小长度。以行驶速度是否易发生突变为标准, 采用不定长法将不同路段划分为6种组合类型, 建立基于不同组合路段的限速预测模型。采用有序聚类分析法中基于划分和层次的分析方法, 以满足限速区间最小长度和交通延误最小2个方面为目标进行优化限速区间的划分。同时, 选取交通冲突率作为表征交通安全的指标, 选取交通延误时间作为表征交通效率的指标, 建立评价指标模型; 最后通过对比分析优化前后的指标来验证限速区间优化方法的有效性。以某山区高速公路为对象应用VISSIM开展限速优化仿真实验, 结果表明: 优化后安全评价模型参数值比原方案降低了约29.49%, 效率评价模型参数值比原方案提高了约21.90%, 优化后的高速公路整体安全性以及通行效率均得到提高。所提出的高速公路限速区间确定方法以速度突变为基准, 结合路段的属性及指标特点, 能够优化限速区间长度的制定和区间的划分。      

车路协同无信号交叉口的矩形冲突检测及消解

针对车路协同环境下的冲突问题，建立了以系统反应时间代替驾驶员反应时间的自动驾驶车辆制动距离模型，以此作为安全距离改进了矩形冲突检测模型，并根据轨迹优化的研究思路，提出了以矩形冲突检测模型为基础的冲突消解算法，对非通行优先权车辆进行速度引导，避免车辆冲突。在车联网开源框架 Veins 的基础上，将交通仿真器 SUMO和网络仿真器 OMNeT++双向耦合，并对冲突检测模型与消解模型进行验证。仿真结果显示，该冲突检测及消解模型具有可行性，与传统无信号交叉口四路停车让行规则相比，模型中的速度引导方案能减少合流冲突车辆 8.6%的平均行驶时间，减少交叉冲突车辆 8.3%的平均行驶时间；合流冲突和交叉冲突中车辆的平均速度分别提高了61.4%和105.0%。在实际应用中，冲突消解模型可以为不同速度范围内的自动驾驶车辆提供速度参考，降低无信号交叉口车辆发生碰撞的概率，提高无信号交叉口的通行效率。     

高速公路施工区信号汇入控制研究

为减少高速公路施工区由于车道封闭而形成的局部瓶颈路段,使得行驶车辆安全平稳通过施工区,在国内外高速公路施工区汇入控制策略研究的基础上,结合交通流理论对信号汇入控制进行分析和优化,并利用交通仿真技术对比分析常规汇入控制和信号汇入控制效果,研究发现信号汇入控制可以显著提高施工区单位时间的交通通过量,降低每辆车的平均延误和平...     

Hierarchical distributed coordination strategy of connected and automated vehicles at multiple intersections

In this paper, we present a hierarchical distributed coordination strategy for connected and automated vehicles (CAVs) that are travelling through multiple unsignalized intersections. The control strategy focuses on the improvement of vehicle fuel efficiency and system mobility. In presence of wireless communication among the involved CAVs and the intersection controllers, our coordination strategy focuses on leading the CAVs travel through a road network without conventional traffic light control and ensuring collision avoidance at the intersection areas. We propose a three-layered coordination strategy in this paper. First, we evaluate the road desired average velocity considering both upstream and downstream traffic to speed up the traffic density balance. Second, the intersection controllers optimally assign reference velocity to each vehicle based on the minimization of velocity deviation from its current velocity and collision avoidance at the intersections. Finally, fast model predictive control (F-MPC) is applied for each vehicle to track their reference velocity in a computationally efficient manner. Two simulation scenarios with different difficulty levels have been implemented on a two-interconnected intersection network. Simulation results indicate the feasibility and scalability of the proposed method, as well as vehicle fuel efficiency and system mobility improvement.     

Assessing the Potential Impacts of Connected Vehicles: Mobility,Environmental, and Safety Perspectives

The connected vehicle is a rapidly emerging paradigm aimed at deploying and developing a fully connected transportation system that enables data exchange among vehicles, infrastructure, and mobile devices to improve mobility, enhance safety, and reduce the adverse environmental impacts of the transportation systems. This study focuses on micromodeling and quantitatively assessing the potential impacts of the connected vehicle (CV) on mobility, safety, and the environment. To assess the benefits of CVs, a modeling framework is developed based on traffic microsimulation for a real network located in the city of Toronto, Canada, to mimic communication between enabled vehicles. In this study, we examine the effects of providing real-time routing guidance and advisory warning messages to CVs. In addition, to take into account the rerouting in nonconnected vehicles (non-CVs) in response to varying sources of information such as apps, global positioning systems (GPS), variable message signs (VMS), or simply seeing the traffic back up, the impact of fraction of non-CV vehicles was also considered and evaluated. Therefore, vehicles in this model are divided into; uninformed/unfamiliar not connected (non-CV), informed/familiar but not connected (non-CV) that get updates infrequently every 5 minutes or so (non-CV), and connected vehicles that receive information more frequently (CV). The results demonstrate the potential of connected vehicles to improve mobility, enhance safety, and reduce greenhouse gas emissions (GHGs) at the network-wide level. The results also show quantitatively how the market penetration of connected vehicles proportionally affects the performance of the traffic network. While the presented results are pertinent to the specifics of the road network modeled and cannot be generalized, the quantitative figures provide researchers and practitioners with ideas of what to expect from vehicle connectivity concerning mobility, safety, and environmental improvements.     

隧道与互通出口小净距路段换道可靠性研究

为分析高速公路隧道与互通出口小净距路段在不同交通流状况下的车辆驶出概率,提出了基于交通仿真的安全换道概率模型。首先,采用VISSIM标定仿真模型并进行正交试验,获取小净距路段在不同净距长度、交通量、驶出比例、大型车比例下的交通数据,在此基础上确定瞬时交通流密度及相应车流平均速度的计算方法,构建相应的分布模型,通过K均值聚类算法研究不同速度下的瞬时交通流密度大小和出现概率;同时引入可靠度方法并利用微分法来构建车辆安全换道概率模型,综合考虑车速、车流密度、目标车道临界可插入间隙等因素的不确定性,应用蒙特卡罗仿真法搭建求解概率模型的算法,并通过MATLAB对模型进行求解;针对分流车初始位置的不同,分别得到了不同交通量、大型车比例、净距长度下的换道驶出成功率,进而研究不同交通流状况组合下的净距长度。结果表明：交通量、大型车比例、净距长度对净距路段内侧车道车辆换道驶出成功率有显著性影响,研究结果可为规范的进一步完善提供参考。     

车-车协同下无人驾驶车辆的换道汇入控制方法

多车协同驾驶是智能车路系统领域的研究热点之一,可有效降低道路交通控制管理的复杂程度,减少环境污染的同时保障道路交通安全。基于多车协同驾驶控制结构,提出了一种无人驾驶车辆换道汇入的驾驶模型及策略,系统分析了多车协同运行状态的稳定条件。在综合分析无人驾驶车辆换道汇入的协作准则、安全性评估后,基于高阶多项式方法,结合车辆运行特性,通过引入乘坐舒适性的指标函数,设计得到无人驾驶车辆换道汇入的有效运动轨迹。通过研究汇入车辆与车队中汇入点前、后各车辆的运动关系,详细分析车辆发生碰撞的类型和影响因素,给出避免碰撞的条件准则,从而确保无人驾驶车辆汇入过程中多车行驶的安全性和稳定性。基于车辆运动学建立车辆位置误差模型,结合系统大范围渐进稳定的条件,选取线速度和角速度作为输入,应用李雅普诺夫稳定性理论和Backstepping非线性控制算法,设计了无人驾驶车辆换道汇入后的路径跟踪控制器。仿真试验和实车试验结果表明：所设计的换道汇入路径是可行、安全的,控制器具有良好的跟踪效果,纵向和横向的距离误差在15 cm以内,方向偏差的相对误差在10%以内。研究结果为智能车路系统中的多车状态变迁与协同驾驶研究提供了参考,可服务于未来道路交通安全设计和评价。     

路段上集群智能网联汽车的车队形成机制

智能网联汽车是解决城市交通问题的关键技术之一,对于未来城市智能交通体系建设有着关键作用。集群的智能网联汽车已经具备了涌现的基本条件,设计科学合理的交互规则,可以实现车辆的自组织,分布式涌现控制。以微观仿真软件VISSIM及C2X模块为研究平台,修改驾驶模型参数,在C2X模块中编程实现3条交互规则:速度一致、尽量靠近、避免碰撞,在仿真软件中构建单车道仿真模型,运行仿真实验,统计车辆在路段上不同距离形成车队情况,利用车头时距分布的熵值来衡量车流的有序性。仿真结果表明,车辆在运行至50s后初步形成车队,随着时间的增加,形成的车队越稳定,车流熵值在路段上随距离增加而减小,说明形成车队后更加有序,在路段上呈现出涌现现象。     

考虑高速公路运行风险的雨天可变限速方法

为保证雨天环境下高速公路行驶安全，降低道路整体运行风险，结合雨天风险特征，开展考虑运行风险的雨天可变限速研究。首先应用随机森林模型，标定雨天环境下高速公路动静态风险因素的特征重要度，并结合熵值理论，建立高速公路风险模型、计算风险系数、划分风险等级;之后，以空域自适应算法中可变限速推演变化规律为基础，考虑大、小型车的行驶特征，结合预期风险、雨天停车视距、水膜厚度等因素，优化可变限速模型，细化大、小型车辆的初始控制值，进而提出不同降雨强度、不同能见度下的可变限速推荐值；在此基础上，利用驾驶模拟实景仿真系统、心理生理检测设备、微观交通流仿真软件，开展可变限速系统控制值合理性及驾驶人行车适应性与交通流运行状态的实证分析。研究结果表明：随着能见度降低和降雨量增大，在可变限速控制下，驾驶人呈现出交感神经兴奋性减弱、副交感神经兴奋性增强、心理紧张度降低的状态，其平均心率、心率变异性高频值、心率变异性低频值、心率变异性差异值分别由74.13、0.121、0.643、2.37变为78.23、0.192、0.567、2.01，驾驶人对限速方案的适应性良好；同时，可变限速可保证道路整体通行效率，不会造成交通流风险震动，在小型车、大型车限速分别为80、60 km·h^-1和小型车限速60 km·h^-1、大型车禁止驶入场景下，碰撞时间均值、中值大于未限速场景，各车道的行车安全性均能得到保障;提出的雨天可变限速控制方法合理，且具有一定工程适应性，能为异常天气高速公路宏观车流主动防控提供理论支撑。     

Optimizing multi-agent based urban traffic signal control system

Agent-based approach is a popular tool for modelling and developing large-scale distributed systems such as urban traffic control system with dynamic traffic flows. This study proposes a multi-agent-based approach to optimize urban traffic network signal control, which utilizes a mathematical programming method to optimize the signal timing plans at intersections. To improve the overall network efficiency, we develop an online agent-based signal coordination scheme, underpinned by the communication among different intersection control agents. In addition, the initial coordination scheme that pre-adjusts the offsets between the intersections is developed based on the historical demand information. Comparison and sensitivity analysis are conducted to evaluate the performance of the proposed method on a customized traffic simulation platform using MATLAB and VISSIM. Simulation results indicate that the proposed method can effectively avoid network oversaturation and thus reduces average travel delay and improves average vehicle speed, as compared to rule-based multi-agent signal control methods.     

高速公路货车交通事故分析

根据国内某典型重载高速公路近几年交通事故的统计,分析大货车与高速公路交通事故之间的统计关系,并就载重货车交通对高速公路运营安全性的影响进行了研究。结果表明,事故的发生与车辆的实际操纵性能有关,超载、不同车型之间运行车速的显著差异、行车注意力不集中和疲劳驾驶等是造成货车交通事故的主要原因。从工程、交通管理等角度对提高高速公路运营安全水平提出了相应的改进措施。     

全设置连续流交叉口信号配时及延误模型

为了解决连续流交叉口车辆多次停车问题，提出了各流向车辆在所遇第2条停车线处不用停车的优化控制策略。通过协调主预信号配时，调整信号控制相位相序方案，促使车辆直接通过所遇第2条停车线，使得左转车辆停车次数由3次减少到2次或者1次，直行车辆停车次数由2次减少到1次。分析各流向车辆到达-驶离图式，构建左转车流在所遇第3条停车线处的延误计算模型，结合Webster经典模型，给出连续流交叉口整体延误计算模型，其计算结果与VISSIM仿真结果基本一致。推导给出车辆不二次停车、车车不冲突以及连续流交叉口自身交通组织等因素所需满足的约束条件，以交叉口车均延误最小化为优化目标，构建连续流交叉口主预信号协调配时优化控制模型，并设计了4种交通场景以验证不同情况下的效益改善情况。研究结果表明：通过信号协调减少1次停车，能够降低50%以上的车均延误和车均停车次数；根据各转向交通量所占比例选择合适的车道分配方案有助于提升连续流交叉口通行效率；在2种策略下交叉口车均停车次数分别为0.88~1.05、0.59~0.77，与已有控制策略约2次车均停车次数相比，明显降低了连续流交叉口车辆停车次数。研究成果可为连续流交叉口控制提供新的视角，对交叉口通行效率的提升效果也更加显著。     

网联环境下高速公路辅助驾驶车辆编队评估

为评估智能网联环境下高速公路辅助驾驶车辆编队的效果，首先基于V2X （Vehicle to Everything）和智能驾驶人模型（Intelligent Driver Model，IDM）对网联环境下的车辆跟驰行为进行建模，并对其进行参数校准；其次从安全性评价指标和通行效率两方面构建编队效果评价体系；然后通过VISSIM和VBA联合仿真，改变编队的车道、交通流量、网联车渗透率等变量进行试验。仿真结果表明，网联环境下车辆辅助驾驶编队在不同层面对于安全性与效率性都有提升；最后以不同期望速度在网联环境和非网联环境下分别进行实车辅助驾驶编队试验，以验证评价指标体系以及仿真试验的有效性。其中，实车试验结果显示，期望速度为70 km·h^-1时，网联环境下的辅助驾驶编队通行效率比非网联环境提升56%，90 km·h^-1时提升37.2%，110 km·h^-1时提升39.8%。通过与仿真试验结果对比，表明网联环境下车辆辅助驾驶编队对交通流安全性有一定程度的提升。     

车路协同下避让紧急车辆协同换道策略

为加快紧急车辆抵达事故现场的速度，同时减少紧急车辆优先权对其他车辆的影响，运用车路协同系统，提出避让紧急车辆协同换道策略，通过调整紧急车辆下游车辆位置，实现紧急车辆高效通过路段。以紧急车辆前车（DV）及其相邻目标车道车辆为控制对象，根据相邻车道车辆间距与车车通信范围，搜索DV可换道空间间隙集。以交通流整体恢复稳定时间最小为目标，确定DV换道轨迹和相邻车道协作车辆的速度变化，引导车辆完成协同合流，既能保障车辆安全换道，还能降低换道造成的速度振荡传递。同时，为快速恢复DV换道造成的目标车道车辆速度波动，对上游车辆（UV）采取先进先出规则的换道控制策略。所提协同避让紧急车辆的策略考虑了车辆协同换道对交通流的整体影响，并在原有换道策略的基础上提出了减少速度波动传递的控制方法。案例分析结果表明:采用上下游协同换道策略最短换道时间为6s，此时紧急车辆距前车78.66 m时发送避让信号。同时研究发现，恢复交通流速度稳定所需的时间为29 s，比未采用上下游协同换道策略降低了34%。