基于元胞自动机的强制换道模型研究

介绍了元胞自动机的原理及其在换道模型建立中的应用。用模糊控制原理模拟车道变换过程中的判断过程,分析现有的模糊控制强制换道模型的不足之处,考虑到实际交通情况的多样性,提出了更为细致的基于元胞自动机的强制换道模型,并验证了新模型更能符合现实情形。     

不完全车联网环境下元胞自动机换道模型研究

随着车联网技术的不断发展,自动驾驶车辆加入交通流中的可能性逐步增大,进而形成新的混合交通流.在综合考虑自动驾驶车辆对于较大范围内交通信息实时感知能力以及车辆间信息交互对于换道的影响,提出了自动驾驶车辆关注区间的概念,设计了不完全联网环境下新型混合交通流元胞自动机换道模型,通过改变自动驾驶车辆比例、自动驾驶车辆关注区间大小、交通流密度等参数进行数值模拟.结果表明:新型混合交通流元胞自动机换道模型,能够帮助提高交通流平均速度15%左右,改善道路通行效率.     

基于快慢车辆主动换道特性的双车道元胞自动机模型研究

针对现实中车辆的主动换道的交通现象，在典型的对称双车道元胞自动机（STCA）模型的基础上，分别考虑快车和慢车不同的主动换道行为，建立了一种新的对称双车道元胞自动机模型，并对该模型进行了数值模拟。由于快慢车辆主动换道特性的引入，有效地抑制了2种慢车堵塞的形成，增加了混合交通流中间密度区域的流量。模拟结果显示，新模型中车流的相分离受慢车影响较小，符合Knospe提出的换道原则；局部密度区域的车辆换道率的增加使堵塞难以长时间存在，提高了道路的通行能力。     

基于元胞自动机交通流模型的车辆换道规则

将元胞自动机模型应用于周期性边界条件下的高速公路交通的换道规则模拟,并对不同条件下交通流的平均速度和流量进行仿真.基于驾驶员的性格差异,提出了更灵活的弹性换道规则,并探讨了不同换道规则对交通流流量等参数的影响.在计算机仿真过程中,通过变换交通流密度,得出了与不同换道规则对应的交通流基本图.结果表明:相对于以前的模型,遵循2种新规则的模型均可不同程度地改善道路的通行能力,提高道路资源的利用效能;从安全性角度进行对比分析,可得出较优的换道规则.     

考虑频繁换道倾向的交通流元胞自动机模型

为揭示频繁换道对交通流的影响,构建一种考虑频繁换道倾向的元胞自动机模型。对NGSIM车辆轨迹数据进行提取、统计分析,研究车辆速度、车头间距对车辆换道倾向的影响;改进换道概率函数刻画上述影响,并定义驾驶行为倾向函数表征频繁换道对目标车道紧邻后车的影响,构建考虑频繁换道倾向的双车道元胞自动机STCA-FLC模型。结果表明:STCA-FLC模型较STCA模型在车流密度小于13辆/km时,车辆平均速度、流量最大分别提高约6.67%、3.02%;在车流密度大于13辆/km时,车辆平均速度、流量最大分别降低约9.48%、14.91%。     

城市路网交通流元胞自动机模型研究

研究城市路网交通流的动态特性,揭示交通拥堵、环境污染和交通事故的产生原因和规律,能为城市交通问题的解决提供理论依据.元胞自动机模型是研究城市路网交通流动态特性的一个有效工具,能够再现许多重要的交通流特征.从路段模型、交叉口模型和路网模型3个方面总结和评述了国内外各种典型交通流元胞自动机模型.在现有模型的基础上,通过对车辆起讫点分布、路径选择行为、双向通行多车道路段车辆换道规则、不同控制交叉口的车辆更新规则以及网络拓扑结构等方面进行改进,可以提高元胞自动机模型在城市路网交通流仿真中的真实性.     

基于有限状态自动机的车道变换模型

为了解决车道变换模型中采用Gipps换道框架计算效率不高的问题,提出了一种车辆行驶的有限状态自动机框架,该框架能够容纳选择性换道和强制性换道,使驾驶员从当前状态出发进行局部决策.同时提出了基于临界距离的强制性换道需求产生条件和基于前方交通状态的选择性换道需求产生条件,推导了基于前后临界空当的换道安全条件,开发了交通仿真软件,并在二车道道路上对模型进行了验证.结果表明:该模型能够再现真实的交通流宏观特性和换道行为微观特性.     

基于改进PFV策略的双车道连续元胞自动机模型

根据道路实际情况,提出考虑多车信息的改进PFV策略,并进行参数标定;将跟驰策略和换道规则相结合,建立双车道连续元胞自动机模型,采用周期边界式条件进行模型仿真,比较不同密度下双车道交通流变化情况和车辆换道行为,通过仿真结果的时空图显示车辆换道造成的系统速度延迟,通过比较双车道系统的交通流密度-交通流量、交通流密度-行驶速...     

基于驾驶行为的城市道路车辆主观换道模型研究

车辆换道行为因其运行环境复杂,所涉及的交通因素众多,容易引起交通冲突,从而降低道路交通系统的安全性.对车辆换道行为的动态特性及其对车流运行的影响机理进行建模与研究,对提高交通系统的运行效率有重要意义.基于城市道路车辆换道行为的特征,改进了元胞自动机模型细化车辆换道过程;考虑驾驶员特性、车辆类型的影响,采用模糊推理理论描述驾驶员的换道决策,进而建立了城市道路驾驶员主观换道模型.通过将实测交通流数据与仿真输出数据进行对比,验证模型的有效性.结果表明,所建立的模型输出结果与实测数据的误差较小,说明模型具有一定的有效性.     

用元胞自动机模型分析货运车辆对高速公路交通安全的影响

在NS模型的基础上，提出了一个高速公路双车道元胞自动机模型，考虑车辆超车换道行为，并设定发生交通事故的条件，以分析与衡量货运车辆对高速公路交通安全的影响。通过向交通流中混入不同比例的货运车辆，模拟了各种比例下的交通流运行状况，分析了货运车辆与平均速度、换道率、事故率等指标之间的关系。模拟结果表明，货运车辆会对高速公路交通流产生扰动作用，影响行车安全：随着货运车辆比例增大，交通流平均速度减小，换道率和事故率上升。     

基于BP神经网络的智能车辆换道决策模型研究

为了正确刻画智能网联环境下的车辆换道行为,提出基于BP神经网络的车辆换道决策模型.分析了交通流中车辆换道行为,以HighD自然驾驶数据集为数据来源,筛选出1 900组车辆换道和未换道信息作为模型的训练与验证,利用高斯滤波方法拟合目标车辆换道轨迹和横向位移轨迹,选择影响车辆换道决策的7个参数作为模型输入,建立BP神经网络...     

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%。      

减速频次催生换道意图下自动驾驶车辆自适应换道模型

科学、合理、拟人化的换道控制是实现自动驾驶车辆安全高效行驶的重要保障,已有研究主要考虑相邻车道速度差、换道间隙等要素对车辆换道控制的影响,并未考虑车辆频繁加减速导致乘车体验差而催生换道意图这一重要现象。针对该问题,设计以抗干扰能力为基础的自动驾驶车辆自适应换道调控方法,其调控过程主要包括：采用智能驾驶人模型控制自动驾驶车辆纵向驾驶行为,以减速频次为指标度量自动驾驶车辆的抗干扰能力,并将抗干扰能力引入到自动驾驶车辆换道决策过程中,模拟自动驾驶车辆因频繁加减速导致乘车体验差而产生换道意图的现象,在此基础上,提出车辆换道控制模型。然后,以智慧高速为背景,利用Netlogo构建多种自动驾驶车辆运行场景,测试所构建的自适应换道调控方法。研究结果表明：智能驾驶人模型的选用能够合理体现自动驾驶车辆换道行为对交通流的运行影响;相比于低密度车流（≤30 veh）,在中高密度车流情况下（≥40 veh）,自动驾驶车辆维持原有车道运行的能力较弱、换道频率较高,且过高[80次·（5 min）^-1]或过低[10次·（5 min）^-1]的抗干扰能力临界值会导致自动驾驶车辆运行速度降低至10 km·h^-1,因此可以根据不同车流密度条件对自动驾驶车辆的最大抗干扰能力进行设置和调整,从而保证自动驾驶车辆的运行效率,这也从侧面证明了所提自适应换道调控方法的科学性与合理性。研究结果对于提高自动驾驶车辆换道控制的合理自主性具有重要意义,该结果进一步完善了自动驾驶车辆换道模型库,能够为自动驾驶自适应换道调控提供理论和技术支撑。     

人机混驾交通流交织区换道模型切换控制策略

因交织区的强制换道存在紧迫性, 车辆换道行为在交织区后半段会出现因换道意愿强烈而产生的激进换道行为, 这种微观的换道行为将给交通流带来一定影响; 在人机混驾情形下, 不同类型换道切换控制模型同样可能影响交织区通行能力。在分析人机混驾交通流交织区换道行为特性的基础上, 将换道类型分为保守型换道和激进型换道; 在可接受安全间隙模型的基础上结合自动驾驶车辆间的协同行为, 构建自动驾驶车辆在保守状态下的协同换道模型; 以及在激进型状态下考虑目标车道后车类型影响下, 构建激进型换道模型。通过分析津保立交桥实地调研轨迹数据和NGSIM中US-101交织路段轨迹数据, 分别拟合了保守型、激进型换道模型切换点分布函数; 考虑不同车辆驾驶行为特性及其相互作用, 提出人机混驾条件下换道模型切换控制逻辑决策。以SUMO仿真软件搭建实验平台, 考虑人工驾驶车辆换道模型切换点分布特性, 以优化最大流率、交织区整体车辆运行速度、换道车辆速度等为目标, 确定不同自动驾驶车辆渗透率下自动驾驶车辆的最佳保守型-激进型换道模型切换点。仿真结果显示: 在交织区长度为250 m, 自动驾驶渗透率分别为0.2, 0.5, 0.8时, 自动驾驶换道模型切换点分别在180, 80, 50 m处达到最佳, 即随着自动驾驶渗透率的提高, 换道切换点最佳位置将向交织区入口处逐渐移动, 且在自动驾驶渗透率较低时这种换道切换点的变化较为明显; 在较高渗透率下, 由于协同换道出现频率增高, 自动驾驶强制性换道行为比例降低, 换道模型切换点对交织区通行能力的影响逐渐变小。本项研究对人机混驾条件下高速公路交织区自动驾驶车辆的换道控制提供决策依据      

基于hp自适应伪谱法的智能汽车紧急变道轨迹规划与优化

为了提高智能汽车紧急变道轨迹规划的实时性和适应性，将紧急变道过程分为初始阶段和跟踪阶段，初始阶段的轨迹由优秀驾驶人紧急变道模型产生，跟踪阶段的轨迹采用Sigmoid函数规划出紧急避让路径。首先通过聚类分析处理优秀驾驶人转向操作的实车试验数据，拟合得出紧急变道过程中的方向盘转角随时间的关系（即驾驶人紧急变道模型），作为智能汽车在紧急变道初始阶段不同速度下车辆控制的输入量。然后通过建立与求解约束方程，满足避撞约束、侧向位移约束以及最大侧向加速度约束，得出Sigmoid函数表达式，作为智能汽车在紧急变道过程跟踪阶段的参考路径。最后利用hp自适应伪谱法加入切换点的物理量约束，逼近全局正交多项式的状态量和控制量，自动调整和处理2个阶段的切换点位置和衔接问题，以最小变道距离为目标对跟踪阶段的变道轨迹进行优化。运用PreScan与MATLAB对4种不同工况下的紧急变道轨迹规划进行联合仿真。结果表明：提出的轨迹规划与优化方法在满足各项约束的情况下成功避开障碍物，同时缩短了需要优化的轨迹，优化时间都小于0.9 s，并且与基于多项式函数轨迹规划方法相比，该方法能够以距障碍物较远的距离避开障碍物，在不同的车辆速度、道路曲率和障碍物宽度的复杂工况下具有更好的适应性。     

通行能力仿真中的换道模型研究

道路通行能力是在饱和交通流下得到的,而目前交通微观仿真中缺少分析饱和流状况下的换道模型,从分析饱和流下换道行为的特性出发,建立了饱和流率下的换道模型。该模型在需求判断中用累积的速度优势代替了传统模型的瞬间速度优势,避免了仿真中车辆在短时间内频繁换道的现象;在可行性检测中加入了前后间距不足时司机的减速行为,与传统模型相比该模型能更好地反映拥挤流下的换道行为,更适合于道路通行能力的仿真。     

基于线性路径跟踪控制的换道避撞控制策略研究

为实现车辆自主避撞，改善道路交通安全状况，提出一种基于线性路径跟踪控制的换道避撞控制策略。为实时确定制动和换道时机，获取跟车状态下自车和前车车速、加速度、相对距离以及驾驶人制动反应时间计算制动安全距离和换道安全距离，并在此基础上分别引入制动危险系数B和换道危险系数S评估制动与换道风险，使得车辆发生追尾碰撞的危险程度和主动干预阈值更直观。根据车辆期望横向加速度和期望横向位移的变化特性，采用5次多项式法规划符合驾驶人换道避撞特性的避撞路径。为保证换道避撞过程中驾驶人的安全舒适，采用最大横向加速度约束换道避撞轨迹。为实现对换道避撞路径的线性跟踪控制，保证车辆的操纵稳定性和横摆稳定性，基于车辆稳态动力学模型建立前馈控制，结合线性反馈控制消除换道路径的位置和横摆角偏差，修正参考路径实现直车道场景追尾避撞控制。仿真和实车交叉验证试验表明：根据车辆期望横向加速度和期望横向位移建立的符合驾驶人换道避撞特性的五次多项式换道路径与驾驶人实际换道避撞路径基本吻合，结合碰撞时间和车间时距的制动避撞控制策略能够在保证车辆行驶安全舒适性的同时有效避免车辆追尾碰撞，减少交通事故的发生。     

协同自适应巡航控制车辆占比对下匝道分流区混合交通流安全性的影响分析

在人工驾驶车辆、自适应巡航控制（ACC）车辆和协同自适应巡航控制（CACC）车辆的行车行为特征分析的基础上，运用跟驰模型和换道模型分别构建人工驾驶车辆、ACC车辆及CACC车辆在下匝道分流区混合交通流仿真环境，解析CACC车辆占比对混合交通流安全性的影响。选取全速度差模型、ACC跟驰模型、CACC跟驰模型分别作为人工驾驶车辆、ACC车辆、CACC车辆的纵向跟驰模型，利用随意换道模型、强制换道模型分别构建下匝道分流主线段、远近端区的横向换道模型。基于碰撞时间（TTC）、暴露碰撞时间（TET）、整合碰撞时间（TIT）等参数构建交通流安全性评价指标。利用MATLAB进行数值模拟，仿真分析不同CACC车辆占比下的混合交通流安全性。结果表明:CACC车辆占比为40%~50%时，混合交通流安全性恶化最严重，TET和TIT分别增加约68%和89%，车辆速度离散系数为0.9以上；通过在下匝道分流区设置远端强制换道区（设置长度≤ 1 000 m），可有效降低混合交通流的追尾碰撞风险。      

基于注意力Seq2Seq网络的高速公路交织区车辆变道轨迹预测

针对交通状态复杂的高速公路交织区域，经验丰富的驾驶人能够通过正确地推断周围车辆的未来运动进行及时的车道变换，这对于实现安全高效的自动驾驶至关重要，然而目前的自动驾驶车辆往往缺乏这种预测能力。为此，基于深度学习理论，提出了一种结合注意力机制和编-解码器结构的交织区车辆强制性变道轨迹预测方法，利用Next Generation Simulation（NGSIM）数据集提取车辆变道过程中的关键特征，并引入碰撞时间（Time to Collision，TTC）和避免碰撞减速度（Deceleration Rate to Avoid a Crash，DRAC）2种风险指标，将变道车辆及其周围车辆视为一个整体状态单元，同时补全状态单元内部不同车辆在横向和纵向上的时空状态特征，从而更有效地刻画车辆间的动态交互行为；然后将不同观测车辆的连续窗口序列输入基于长短期记忆网络（Long Short-term Memory，LSTM）的编-解码器，预测交织区车辆变道的未来运动轨迹，通过添加软注意力模块，使模型能够集中聚焦于影响车辆在不同时刻下位置变化的关键信息，再现了真实交通场景下车辆的变道行为。试验验证表明：基于注意力机制的编-解码器模型与当前流行的卷积长短期记忆网络、极限梯度提升树等模型相比具有更高的轨迹预测精度，在长时域的变道轨迹拟合上有显著的优越性，为辅助和自动驾驶领域的发展提供了新思路。     

基于二次规划的智能车辆动态换道轨迹规划研究

为实现智能车辆的自主换道操作并满足安全性、舒适性和实时性等约束条件,提出一种针对动态交通环境的换道轨迹规划模型。该模型由道路平面曲线表征模块、路径生成模块以及速度曲线生成模块组成。首先,在道路平面曲线表征模块中,模型基于实时获取的周边道路信息,利用切比雪夫多项式插值法回归拟合出连续可导的道路平面曲线函数,用以保证模型在各种道路平面线形上的普适性。然后,在路径生成模块中,根据换道车辆初始时刻的运动状态,建立一系列多项式方程,并利用牛顿迭代法求解方程未知参数,以此生成连接初始位置和目标位置的换道路径,用以保证换道轨迹的平滑性。最后,在速度曲线生成模块中,以满足防碰撞约束、跟驰加速度约束以及车辆运动状态约束为目标,构建二次规划模型,生成沿着换道路径的车辆速度曲线,用以保证换道轨迹的安全性和舒适性。此外,考虑到周边动态的交通环境,车辆系统在每个时间步内会循环调用提出的模型实时更新换道轨迹,直至车辆到达目标位置。仿真试验结果表明：应用提出的换道轨迹规划模型,车辆能够有效避免与周边动态车辆发生碰撞,成功完成换道;基于二次规划框架,模型优化求解时间明显缩短,满足轨迹规划的实时性和有效性要求。