基于车路协同的交叉口冲突消除算法

徐建军 刘阳训 沈伟杰

摘 要：文章提出了无信号交叉口车辆冲突消解策略，利用车路协同中车车与车路相互通讯功能，设计了基于信息交互的车辆冲突消解算法。通过将车辆的冲突消解转化为车辆的相对距离问题，计算出为避免碰撞避让车辆所需的行驶速度。

关键词：车路协同；冲突消解算法；化解冲突

中图分类号：D631.5 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）14-0028-02

Abstract： In this paper， a vehicle conflict resolution strategy at signalized intersection is proposed， and a vehicle conflict resolution algorithm based on information interaction is designed by using the function of vehicle-vehicle and vehicle-road communication in vehicle-road coordination. By solving the conflict of the vehicle into the relative distance of the vehicle， the speed needed to avoid collision and avoid the vehicle is calculated.

Keywords： vehicle-road coordination； conflict resolution algorithm； conflict resolution

道路交叉口是道路交通的重要枢纽，交叉口事故的频发，一直危害着广大群众，如何提高道路交叉口的安全通行问题已经成为了道路安全通行研究中的重中之重。

在现有的交叉口冲突消除算法中，基于动态博弈论的消除算法是利用重复博弈理论，将驾驶员实际驾驶过程中的操作行为考虑在内[1，2]，但在交叉口车辆较多的情况下，该算法可能失效[3]；基于占先度的冲突消除算法是根据车辆所在位置的优先通行状况进行决策[4]，这种算法只对车辆的优先通行模式进行阐述，并没有给出具体的消除算法及策略；根据插车间隙提出的可接受间隙模型是根据车辆的行驶速度、目的、车辆的动力性能等提出，但会引起车辆发生碰撞[5]。基于资源锁的冲突表算法是在车辆进入交叉口前提前预测道路交通冲突情况，提前控制车辆减速，但该方法所定义的交叉口冲突相对模糊，不适用在车辆较多的交叉口路段[6]。以上几种算法，适用性均不强。

车路协同技术可以实现车车之间实时的信息交换，是未来智能交通的发展方向，本文基于车路协同技术，提出了一种基于信息交互的交叉冲突消解算法。

在实际行驶过程中，车辆间应保持一定安全距离，这样既能够降低事故发生概率，又能在紧急情况时，给驾驶员足够的反应时间。但若安全距离过大，则容易造成道路交通资源的浪费，从而降低道路交叉口通行率。因此，车辆间的安全距离应保持在一定范围内，不宜过大也不宜过小。现在，许多学者已经提出了车辆行驶安全距离模型，其主要有根据对车辆的制动过程进行分析而得出[7]、对驾驶员驾驶安全分析得出的、根据驾驶员以及乘客的驾驶体验或者舒适度得出等。本文将车辆对角线距离设定为直径，并以车辆的质心作为圆心画圆，将该圆圈范围内为车辆的安全范围。利用车路协同系统实现车车相互通讯，系统能够实时获取车辆的行驶方向、目的、速度和位移等讯息；通过避撞策略，计算出安全通过交叉口时，辅路车辆所需的行驶速度并进行调速，避免交叉冲突。

现以车辆1为原点，设立车辆通行坐标图。

如图1所示，以车辆1为原点，车辆2在图示位置以速度V2行驶，车辆1延图示方向，以速度V1行驶，则两车速度矢量分别为：

（1）

（2）

那么车辆1和2的速度矢量差则为：

（3）

车辆2以 的速度及方向行驶，现作两条与车辆2安全圆相切的直线，并且平行于 ，延伸至与X轴相交；若车辆1的安全圆范围未与两直线相交，则说明，两车按当前速度方向行驶不会发生碰撞；若车辆1的安全圆范围与两直线相交，则说明，两车将会发生碰撞，需要控制策略进行策划。

如图2所示，连接两车质心，设该直线为L12，则L12与X轴夹角为？准，L12与两车安全圆范围切线的夹角为？兹，且？兹=arcsin（2R/L12），那么可得出？琢=？准+？兹，？茁=？准-？兹，车辆1与车辆2的速度矢量差与X轴的夹角为？棕，tan？棕=|v2sin？渍r/（v2cos？渍r-v1）|。

要想两车不发生碰撞，则必须满足：

tan？棕？叟tan？琢或者tan？棕？燮tan？茁 （4）

若车辆1拥有优先通行权利，则为避免发生碰撞，应对车辆2进行调速，因此，由上式两车不发生碰撞条件可知：

（5）

或者

（6）

若？棕？叟？茁，则式子可简化为：

因此，车辆2调速所需速度为：

若？棕？燮？茁，则式子可简化为：

（9）

若車辆2拥有优先通行权利，则车辆1所需的避撞速度为：

若？棕？叟？琢：

（10）

若？棕？燮？茁：

（11）

在实际交叉口道路中存在着多辆车辆，在实际行驶过程中，还需考虑驾驶员的驾驶体验，车辆的加减速度不应过大，因此，应当保证？驻？淄尽量为最小。

想要从根本上消除道路交叉口碰撞冲突，则需利用先进的技术措施；本文结合车路协同系统，提出了基于信息交互的交叉口冲突消解策略，该算法有效的消除了交叉口车辆的冲突，提高了交叉口车辆通行的安全性。

参考文献：

[1]Liu xiaoming， Zheng shuhui. Study of Vehicle-cross Action Model for Unsignalized Intersection Based on Dynamic Game.Mechanic Automation and Control Engineering（MACE），2010：1297-130.

[2]刘小明，王飞跃.基于Agent的无灯控交叉路口插车仿真研究[J].计算机仿真，2004，21（1）：105-108.

[3]Yang Rongji. Dynamic Cooperation： A Paradigm on Cutting-edge of Game Theory [M]，China Market Press，2007.

[4]肖永剑，杨建国，王兆安.基于占先度的驾驶员冲突避碰决策模型[J].交通运输工程学报，2009，9（5）：116-120.

[5]高海龙，王炜，常玉林，等.无信号交叉口临界间隙的理论计算模型[J].中国公路学报，2001，14（2）：78-80.

[6]孙一飞，杨明，杨汝清.基于冲突表的多智能车路口协调算法及其仿真实现[J].计算机应用研究，2007.

[7]易大江.组合导航中的鲁棒滤波研究[D].长沙：国防科学技术大学，2008：31-32.