智能網聯下的多車協同換道策略探討

趙聰　趙江南　惠萬馨　肇衍　劉勝佳

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

關鍵詞：智能網聯;多車協同換道;策略探討

引言

為提高換道安全性、穩定性和換道效率，本文中提出一種智能網聯條件下多車協同安全換道策略。通過建立基于激勵模型的換道收益函數進行協同換道可行性判斷。基于模型預測控制建立協同換道多目標優化控制函數，實現換道過程的分布式控制。提出一個兩階段協同換道框架，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控制函數難以求解的問題。

1智能網聯汽車云控系統架構

本文中提出的智能網聯汽車云控系統是以云控平臺為核心、面向智能網聯汽車與交通的一體化優化系統。云控系統由云控平臺、路側基礎設施、網聯式智能汽車、通信網與資源平臺組成。通信網連接人車路云各節點，網聯式智能汽車、路側基礎設施和資源平臺與云控平臺相連。（1）云控平臺。云控平臺是構建車路云標準通信與實時計算環境、實時融合車路云數據、進而統一協調運行智能網聯駕駛與智能交通應用（簡稱“協同應用”）、支撐云控系統進行車輛及其交通運行性能優化的云平臺，由云控基礎平臺與協同應用組成。云控基礎平臺為協同應用提供通信鏈路、交通全要素實時數據與應用實時運行環境。云控平臺根據車輛與交通運行優化需求，對云控基礎平臺和協同應用進行統一調控與管理。為更好支撐對實時性和服務力度有不同要求的協同應用，云控基礎平臺具有邊緣云、區域云與中心云3級架構，邏輯統一，物理分散，實現協同應用的按需動態運行。邊緣云（含邊緣計算節點）通常服務街或區，主要運行實時協同應用;區域云通常服務市或省，主要運行準實時協同應用;中心云服務全國，運行非實時應用。上一級云協調下一級云，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，云控系統使用統一的標準化機制進行車路云通信，以實現高效廣泛互聯與高性能傳輸。云控平臺利用軟件定義網絡與網絡功能虛擬化等先進技術，對通信需求與網絡狀態進行實時監控與預測，實現云控平臺與通信網上通信過程的動態調控，以提升通信效率與可靠性。需求，云控平臺統一利用網聯式智能汽車與路側基礎設施的感知能力和資源平臺的數據，通過各級云上的實時感知信息分級融合，構建全域交通全要素的高精度實時數字映射即數字孿生digitaltwin，以高精度動態地圖形式，為廣泛的協同應用提供運行所需的各類實時數據。為應對高并發下協同應用所調控物理對象的行為相互沖突的問題，云控平臺構建多目標多任務協同的應用整體編排框架，對協同應用運行方式與行為進行整體規劃，保障其性能的充分利用，提升云控系統，優化車輛與交通運行的性能。為協調高并發下協同應用爭搶計算資源的問題，云控平臺建立統一計算編排框架，根據協同應用與場景，基于虛擬化、容器與微服務等技術，對系統計算資源使用進行統一優化配置，實現協同應用高并發地按需實時運行，保障協同應用服務于車輛與交通運行優化的安全性與預期性能。（2）路側基礎設施路側基礎設施是布置在道路附近的實現人車路互聯互通、融合感知、局部輔助定位等功能的設備集合。通過優化設計而布置的路側傳感器支撐云控系統對混合交通的融合感知。路側通信設備增強云控系統的通信覆蓋范圍與可靠性，構建前端的閉環反饋鏈路。（3）通信網云控系統集成異構通信網絡，基于標準化通信機制，實現系統中人、車、路、云的廣泛互聯通信，利用5G、軟件定義網絡等先進通信技術實現高性能與高可控性。（4）網聯式智能汽車網聯式智能汽車連接云控基礎平臺、路側基礎設施與其他車輛，共享車端數據，接收協同應用的輸出并做出響應。網聯式智能汽車是云控系統的數據源與受控對象。云控系統不僅直接提升網聯式智能汽車的行駛性能，還利用網聯式智能汽車對其所處混合交通的行為進行優化。

2隨時間實時變化的模塊化鐵路網拓撲結構

隨時間實時變化又被稱之為“時變”，而關于“時變鐵路路網拓撲結構”的研究，就是為了更好地滿足冶金企業內部鐵路實際的變化，更好地克服傳統進路控制方法應用中出現的“必須重構”缺點，同時也為了實現實時動態優化的列車進路。列車排列優化進路時，列車面對的鐵路路網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隨著其他列車的不斷行走而發生實時變化，并且不同的優化時刻，同一列車的可用鐵路路網拓撲結構也不會相同。也就是，鐵路路網拓撲結構對于某一具體列車來講，具有隨時間變化而變化的特征，即“時變鐵路路網拓撲結構”。

3多車協同進路實時優化控制策略

1）將數組全部清空，并在時間間隔Δt內，搜素鐵路路網中正在運輸的物資，并依次將它們運輸優先級記錄清晰。2）時間間隔Δt內，其他“新”運輸物資的優先級也要記錄清晰。3）搜索可運行區域，并對時間間隔Δt內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）進路路徑中出現交集的每一個運輸物資，都要嚴格結合進路控制評價函數計算函數值，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。結合多車協同進路實時優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同優化，所以能夠保障控制策略的安全性。

結語

（1）在車路協同系統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下的局限性和擴展性。（2）結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系進行數學描述，同時利用此威脅度函數，提出具有道路局部區域車輛運行狀態全局優化思想的協同換道規則STCA-S模型。數值模擬結果表明，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，表現出更優的道路擴容能力，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境內的標準化車輛，而實際交通環境更為復雜，同時車路協同技術尚未廣泛應用，缺乏實測數據，所以結合實際交通中的車輛性能、駕駛人狀態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。

參考文獻

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