智能网联下的多车协同换道策略探讨

赵聪　赵江南　惠万馨　肇衍　刘胜佳

摘  要：隨着经济的发展，我国的智能化建设的发展也有了提高。自动驾驶是汽车与交通领域的颠覆性技术，正引发学术界和工业界开展广泛且深入的研究。单车自动驾驶的实现面临不可逾越的技术瓶颈，而基于新一代信息与通信技术的智能网联汽车（intelligentandconnectedvehicles，ICVs）能有效解决其技术难题，并产生新的汽车交通系统形态。研发和应用智能网联汽车系统，不仅需要常规车路协同和车联网信息服务技术，还必须探索实现人、车、路、云的深度融合和系统重构，以面向各种场景进行复杂系统的融合感知、决策与控制。

关键词：智能网联;多车协同换道;策略探讨

引言

为提高换道安全性、稳定性和换道效率，本文中提出一种智能网联条件下多车协同安全换道策略。通过建立基于激励模型的换道收益函数进行协同换道可行性判断。基于模型预测控制建立协同换道多目标优化控制函数，实现换道过程的分布式控制。提出一个两阶段协同换道框架，将换道过程分为稀疏纵向距离阶段和换道阶段，以解决由于避撞约束的高维度和车辆运动学的非线性造成的最优控制函数难以求解的问题。

1智能网联汽车云控系统架构

本文中提出的智能网联汽车云控系统是以云控平台为核心、面向智能网联汽车与交通的一体化优化系统。云控系统由云控平台、路侧基础设施、网联式智能汽车、通信网与资源平台组成。通信网连接人车路云各节点，网联式智能汽车、路侧基础设施和资源平台与云控平台相连。（1）云控平台。云控平台是构建车路云标准通信与实时计算环境、实时融合车路云数据、进而统一协调运行智能网联驾驶与智能交通应用（简称“协同应用”）、支撑云控系统进行车辆及其交通运行性能优化的云平台，由云控基础平台与协同应用组成。云控基础平台为协同应用提供通信链路、交通全要素实时数据与应用实时运行环境。云控平台根据车辆与交通运行优化需求，对云控基础平台和协同应用进行统一调控与管理。为更好支撑对实时性和服务力度有不同要求的协同应用，云控基础平台具有边缘云、区域云与中心云3级架构，逻辑统一，物理分散，实现协同应用的按需动态运行。边缘云（含边缘计算节点）通常服务街或区，主要运行实时协同应用;区域云通常服务市或省，主要运行准实时协同应用;中心云服务全国，运行非实时应用。上一级云协调下一级云，其服务实时性逐级降低，服务力度依次增大。重点针对以下4方面问题。为打破目前车路云形成信息孤岛的困境，云控系统使用统一的标准化机制进行车路云通信，以实现高效广泛互联与高性能传输。云控平台利用软件定义网络与网络功能虚拟化等先进技术，对通信需求与网络状态进行实时监控与预测，实现云控平台与通信网上通信过程的动态调控，以提升通信效率与可靠性。需求，云控平台统一利用网联式智能汽车与路侧基础设施的感知能力和资源平台的数据，通过各级云上的实时感知信息分级融合，构建全域交通全要素的高精度实时数字映射即数字孪生digitaltwin，以高精度动态地图形式，为广泛的协同应用提供运行所需的各类实时数据。为应对高并发下协同应用所调控物理对象的行为相互冲突的问题，云控平台构建多目标多任务协同的应用整体编排框架，对协同应用运行方式与行为进行整体规划，保障其性能的充分利用，提升云控系统，优化车辆与交通运行的性能。为协调高并发下协同应用争抢计算资源的问题，云控平台建立统一计算编排框架，根据协同应用与场景，基于虚拟化、容器与微服务等技术，对系统计算资源使用进行统一优化配置，实现协同应用高并发地按需实时运行，保障协同应用服务于车辆与交通运行优化的安全性与预期性能。（2）路侧基础设施路侧基础设施是布置在道路附近的实现人车路互联互通、融合感知、局部辅助定位等功能的设备集合。通过优化设计而布置的路侧传感器支撑云控系统对混合交通的融合感知。路侧通信设备增强云控系统的通信覆盖范围与可靠性，构建前端的闭环反馈链路。（3）通信网云控系统集成异构通信网络，基于标准化通信机制，实现系统中人、车、路、云的广泛互联通信，利用5G、软件定义网络等先进通信技术实现高性能与高可控性。（4）网联式智能汽车网联式智能汽车连接云控基础平台、路侧基础设施与其他车辆，共享车端数据，接收协同应用的输出并做出响应。网联式智能汽车是云控系统的数据源与受控对象。云控系统不仅直接提升网联式智能汽车的行驶性能，还利用网联式智能汽车对其所处混合交通的行为进行优化。

2随时间实时变化的模块化铁路网拓扑结构

随时间实时变化又被称之为“时变”，而关于“时变铁路路网拓扑结构”的研究，就是为了更好地满足冶金企业内部铁路实际的变化，更好地克服传统进路控制方法应用中出现的“必须重构”缺点，同时也为了实现实时动态优化的列车进路。列车排列优化进路时，列车面对的铁路路网不可避免会受到其他列车的影响，也就说列车面对的铁路路网随着其他列车的不断行走而发生实时变化，并且不同的优化时刻，同一列车的可用铁路路网拓扑结构也不会相同。也就是，铁路路网拓扑结构对于某一具体列车来讲，具有随时间变化而变化的特征，即“时变铁路路网拓扑结构”。

3多车协同进路实时优化控制策略

1）将数组全部清空，并在时间间隔Δt内，搜素铁路路网中正在运输的物资，并依次将它们运输优先级记录清晰。2）时间间隔Δt内，其他“新”运输物资的优先级也要记录清晰。3）搜索可运行区域，并对时间间隔Δt内的所有运输物资进行进路预搜索，如若进路路径存在交集，则直接转达4）;反之，如若进路路径不存在交集，则给予行车凭证。4）进路路径中出现交集的每一个运输物资，都要严格结合进路控制评价函数计算函数值，然后通过比较，确定应该进行5）。5）对于满足条件，都要求取差值，记录差值的最大值，基于此通过比较，确定接下来应当如何。结合多车协同进路实时优化控制策略可以了解到，其进队列车安全局域之外的进路进行了多车实时协同优化，所以能够保障控制策略的安全性。

结语

（1）在车路协同系统的基本交互信息保障条件下，分析了当前多车道换道模型在该系统下的局限性和扩展性。（2）结合未来车辆间可能交互的基础信息，引入威胁度对车辆间关系进行数学描述，同时利用此威胁度函数，提出具有道路局部区域车辆运行状态全局优化思想的协同换道规则STCA-S模型。数值模拟结果表明，本文模型能提供受阻车辆更为灵活的换道条件，能改善交通流的速度、流量等性能参数，表现出更优的道路扩容能力，提高了道路的利用效率。（3）由于本文的研究对象为理想交通环境内的标准化车辆，而实际交通环境更为复杂，同时车路协同技术尚未广泛应用，缺乏实测数据，所以结合实际交通中的车辆性能、驾驶人状态和通信延迟等实际问题进行实证分析和研究，将是未来工作的主要问题和方向。

参考文献

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[2] 张昱，徐洪泽，陈建强，张鹿宁.冶金企业内部铁路进路控制优化策略研究[J].计算机工程与应用，2015（17）：250-254.

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