公路施工区自动车辆行驶轨迹优化方法

肖月红

黑龙江亿丰市政工程有限公司

【摘 要】近年来，随着公路事业的兴起和飞速发展，为了更好的改善公路施工区段车辆运行状态，建立科学有效的自动车辆行驶轨迹管理措施，通过科学的技术手段和方法，对其进行分析，形成一种集优化比例、可变更车道的综合性车道控制策略。本文从车道控制策略入手，分析了公路施工区自动车辆行驶轨迹优化要点。

【关键词】公路工程；交通工程；换道控制策略；轨迹优化

近年来，随着社会物资需求的提高和车辆数量的增多，交通流量逐渐增加，给交通运输事业的发展注入升级的同时也提出了新的挑战。公路维修、扩建、新建工程不断涌现，此时公路施工区成为交通事故频发的地区，为了更好控制这一区域的车辆行驶安全，采用了科学的车辆行驶轨迹优化措施十分必要，是降低公路事故发生率的重要举措。

一、公路施工区自动车辆行驶轨迹优化背景

经相关数据统计得出，公路施工区是交通事故频发的地区，也是交通效率下降的重点区域。经过研究发现，驾驶人员在进入施工区域之后，为了提高车辆行驶速度经常会采取各种不同的换到方式，不规则的换道过程不仅会影响到其他车辆的正常通行，还容易引发安全事故。为此，为了更好的改善公路施工段现存的各种问题，充分发挥公路交通的最大效益，不少学者和研究人员提出了主动交通管理措施，其中包含了匝道、控制变速行为等措施，能有效减少交通事故的发生，因此减少聘金路段车辆密度，增加车辆行驶间隙，从而环节换道干扰，提高了交通效率。

随着信息技术、物联网技术和互联网技术的飞速发展，新的匝道控制措施也就是在匝道处设置信号灯、远程控制等措施，对车辆行驶状态进行控制，用次改善交通流动特性。相关工作人士通过模拟研究发现，这种上网自动车辆控制措施有效加强了车辆强制换道过程中的安全性，提高了车辆性失效率，保证了交通运输安全。

但是在上述种种研究中，对交通流量分布、车辆运行参数、车辆行驶效率和车辆行驶轨迹的考虑比较少，没有深入的分析和优化。为此，文章结合公路环境信息，通过建立科学的交通流量控制系统和可变跟车时距离模型，将这些内容并入到车辆行驶轨迹、速度标准等表现之中，通过对施工区域车辆行驶状态进行可视化分析，有效控制车辆运行效率和行驶安全。

二、公路施工区自动车辆行驶轨迹优化

1、换道控制策略

在公路运输中，在临近施工区经常会因为过多车辆需要强制换道而导致交通效率下降、事故发生率上升。为此，结合交通流量分配控制规律和车辆行驶安全需要，综合考虑换道控制策略，确保运输安全。： ①在施工区上游对车辆进行交通流分配， 此时借助遗传算法通过遍历交通流状态并结合路边检测器识别是否存有换道冲突车辆对目标函数进行求解，以此得到区间换道比例，减少施工区封闭路段车辆的换道压力。 ②在施工区汇入部分对主线车辆进行可变跟车时距计算， 通过求解所设定的目标函数，在线计算与反馈可变跟车时距，在保证主线车辆行驶稳定的情况下， 为汇入车辆制造出汇入间隙，确保全局车辆行驶轨迹连续平稳。

2、交通流量分配

①在施工区上游对车辆进行交通流分配， 此时借助遗传算法通过遍历交通流状态并结合路边检测器识别是否存有换道冲突车辆对目标函数进行求解，以此得到区间换道比例，减少施工区封闭路段车辆的换道压力。 ②在施工区汇入部分对主线车辆进行可变跟车时距计算， 通过求解所设定的目标函数，在线计算与反馈可变跟车时距，在保证主线车辆行驶稳定的情况下， 为汇入车辆制造出汇入间隙，确保全局车辆行驶轨迹连续平稳域，将路段 m划分为 n个小路段，每个小路段旁设有路边检测器单元进行换道冲突识别。 在所提出的交通流分配理论中， 外车道车辆在接收到“指令”分配到内车道时， 此过程会导致外车道车辆为了换道而减速， 内车道车辆因外车道车辆汇入和道路密度的增多而行驶缓慢。 为了不因交通流分配而导致交通效率降低， 以内外车道车辆在总仿真时长内平均速度为目 标函数， 对施工区上游车辆进行交通流分配。在换道过程中， 一个安全换道间隙能够保证车辆安全平顺的换道至目标车道 。 为了不因过多的交通流分配导致冲突数上升， 每个小路段中车辆换道时， 目 标车道上的车辆间距需要满足最小安全距离， 当换道间隙过小时， 车辆继续行驶至下一小路段，此时需要综合考虑相关条件。

3、可变跟车时距

为优化施工区处车辆行驶速度和交通冲突， 提出了在施工区汇入部分的可变跟车时距模型。 因施工区处为车道减少路段， 其中存在因车辆强制汇入导致局部车辆行驶缓慢和冲突。 对此， 结合施工区汇入部分的车辆运行速度和冲突风险为目 标函数，得出不同时间段的主线车辆跟车时距， 以此在不影响交通效率下避免交通冲突。 研究表明， 车辆的速度离散性与冲突风险之间存有相关关系，即速度离散性越大表示冲突风险越大。

三、结论

1、建立了集合优化换道比例和可变跟车时距的高速公路施工区换道控制策略，以在线的方式求解线目标函数并进行实时控制，通过搭建Matlab/Vissim_COM的模拟仿真环境，分别通过分析速度标准差、运行效率和基于PET的冲突检测指标对优化前和优化后进行了评价，并且以车辆行驶轨迹作为表现形式。

2、结果表明，换道控制策略效果主要体现在仿真时间 800 s后，每条车道交通量输入为700 veh/h。采取措施前， 车辆从上游路段行驶到汇入路段形成车辆堆积， 表现为全局车辆在汇入路段“曝光”次数增多， 行驶速度下降， 冲突次数增加。 当采取措施后，此时汇入路段车辆连续“曝光”次数变少，全局平均速度明显提升，通过汇入路段可变跟车时距设置，汇入路段车辆堆积减少，冲突次数减少。

3、换道控制策略中提出了可变跟车时距相关理论，在未来的实际应用中，可以通过设置可变跟车时距的方法来确保车辆以较高速度安全交汇， 为高速公路施工区行驶安全提出建议。研究也存在一些不足，遗传算法和 CPLEX的计算和优化时间较长， 因此下一步会考虑到运用快速智能的算法应用到实车实验中。

参考文献

[1]李晓虎、麦乐、任杰、刘浩学、朱彤. 高速公路施工区自动车辆行驶轨迹优化方法[J]. 交通信息与安全, 2020, v.38;No.225(03):46-53.

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