网联条件下快速路合流区换道建模及控制策略研究

作     者：谢柏洋 

作者单位：重庆交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：向红艳

授予年度：2024年

学科分类：08[工学] 0838[工学-公安技术] 

主      题：快速路 匝道合流区 网联自动车 元胞自动机 换道 

摘      要：近年来,通信技术和感知技术的不断发展推动了车辆智能化和网联化的发展,网联状态下自动驾驶车辆和人工驾驶车辆组成的新型混合交通流将成为新的研究趋势。本文以网联自动驾驶车辆(Connected and Automated Vehicle,CAV)与网联人工驾驶车辆(Connected and Human-Driven Vehicle,CHV)混行的交通流为研究对象,旨在缓解快速路合流区的交通拥堵。主要内容如下: 首先,对快速路合流区的道路特征以及混合交通流的特点进行了分析。从宏观角度分析了不同交通流量下主线车流和匝道车流的相互作用,发现交通量及交通冲突是快速路合流区拥堵的主要原因。从微观角度对匝道车、慢车道前车和慢车道后车的三车构型模式下车辆的动态进行分析,发现混合车流中CAV和CHV的协作合流能够减少主线车流和匝道车流的交通冲突,但协作方式也会对主线后续车流产生影响,从而增加交通拥堵的风险。 其次,在双态-安全速度模型(TSM)中,根据网联条件下CAV能够及时获取前后车辆信息的特点,建立了快速路合流区混合车流的跟随规则。随后建立了快速路合流区混合车流的换道规则:1)考虑快速路合流区车辆运行速度较快的特点,在弹性安全换道模型(F-STCA)基础上,增加换道车辆与其目标车道前车的安全距离作为安全条件;2)根据快速路不同区段车辆的换道特点,将快速路合流区上下游设置为自由换道区,合流区设置为强制换道区。在自由换道区中建立了自由换道规则;在强制换道区中建立强制换道规则,并增加了匝道车与慢车道上后车为CAV的协同换道规则。 然后,在考虑通行能力和交通冲突的基础上,提出了快速路合流区上游网联车辆从主线慢车道主动换道至快车道的控制策略。控制策略包含以下几个方面:1)根据主线快车道、慢车道和匝道车流量计算主动换道车辆数,并确定主动换道控制区的长度;2)考虑主动换道区中所有车辆的状态,建立主动换道车辆的状态集;3)考虑实际的交通条件和CHV是否遵从换道指令,对车辆主动换道状态集进行了优化。 最后,根据建立的混合车流元胞自动机模型,对所提出的主动换道控制策略进行模拟仿真。选取平均速度、平均延误和碰撞时间来评价策略的效果。结果表明:1)在改善合流区交通效率方面,使用主动换道策略后,车辆的平均速度最大提高了14.17%,平均延误最大降低了39.09%。2)在改善交通安全方面,使用主动换道策略后,交通冲突TTC小于2s的频率最大减少了15.51%。