[发明专利]一种自动驾驶环境下交叉口行人过街摆渡车行驶通道的设置方法

权利要求书

1.一种自动驾驶环境下交叉口行人过街摆渡车行驶通道的设置方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

步骤1：确定交叉口的基本信息，包括交叉口的大小、车道数及车道宽度，确定行人过街摆渡车的信息、包括：车辆大小、车辆的容量、车辆的运行参数，确定行人过街摆渡车的停靠位置的数量和大小，并规定行驶区域，设置行人过街摆渡车在交叉口区域的行驶通道；

步骤2：在交叉口内部建立直角坐标系，在步骤1确定的行驶通道下，通过确定路径的边界方程来确定停靠节点之间行人过街摆渡车的行驶路径方程；

步骤3：根据交叉口和行人摆渡车基本信息，计算行人过街摆渡车在各行驶路径上的行驶时间；

步骤4：根据行人过街需求量、行人过街摆渡车在各行驶路径上的行驶时间，确定每辆行人过街摆渡车在交叉口的具体控制方案；

所述步骤1中，包含如下步骤：

步骤11：对交叉口进口车道、出口车道进行编号，表示O方向第i条进口车道，其中O表示交叉口的进口方向，O＝{E、W、S、N}，其中E、W、S、N分别表示东、西、南、北四个方向，i∈m，表示D方向第j条出口车道，其中D表示交叉口的出口方向，D＝{E、W、S、N}，j∈m，m表示O、D方向的车道总数，用分别表示车道和的宽度，单位为米；

行人过街摆渡车的容量，用C表示，单位为人/辆；行人过街摆渡车开关门的时间用F表示，单位为秒，单位人数上车、下车时间分别用δ_t和δ_t′表示，单位为秒，行人摆渡车停靠点的长和宽分别用a和b表示，车辆的长和宽分别用a′和b′表示，单位均为米，行人摆渡车的理论最大行驶速度用v表示，单位为米每秒，摆渡车运行的加速度和减速度分别用a⁺和a^-表示，单位为米每二次方秒；

步骤12：行人过街摆渡车在交叉口的东北、东南、西北、西南四个角落停靠，分别用E-N、E-S、W-N、W-S表示，其中每个位置包含3个停靠点，行人过街摆渡车在停靠点出发或到达，每个停靠点最多可停靠1辆行人过街摆渡车；出发节点的集合用O_p表示，其中O_p＝{1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12}，终止节点集合的用D_p表示，其中D_p＝{13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24}，为避免行人过街摆渡车相互之间不必要的冲突，当行人过街摆渡车从1、4、7、10停靠点出发时，行人过街摆渡车只在1、4、7、10、13、14、15、16节点组成的白色区域运行；从2、5、8、11停靠点出发时，只在2、5、8、11、17、18、19、20节点组成的灰色区域运行；从3、6、9、12停靠点出发时，只在3、6、9、12、21、22、23、24节点组成的灰色区域运行，此外，行人过街摆渡车可以在同一个角落的三个停靠点之间相互运行；节点1、2、3、16、19、22位于交叉口的西北角落，其中节点1、节点2、节点3依次是由北向西的第一、第二、第三个停靠点，节点1和节点16、节点2和节点19、节点3和节点22在同一个位置，分别表示出发节点和到达节点；节点4、5、6、13、20、23位于交叉口的东北角落，其中节点4、节点5、节点6依次是由北向东的第一、第二、第三个停靠点，节点4和节点13、节点5和节点20、节点6和节点23在同一个位置，分别表示出发节点和到达节点；节点7、8、9、14、17、24位于交叉口的东南角落，其中节点7、节点8、节点9依次是由南向东的第一、第二、第三个停靠点，节点7和节点14、节点8和节点17、节点9和节点24在同一个位置，分别表示出发节点和到达节点；节点10、11、12、15、18、21位于交叉口的西南角落，其中节点10、节点11、节点12依次是由南向西的第一、第二、第三个停靠点，节点10和节点15、节点11和节点18、节点12和节点21在同一个位置，分别表示出发节点和到达节点；

所述步骤2中，包含如下步骤：

步骤21：以交叉口中心点为原点，在交叉口内部建立直角坐标系，根据各方向车道宽度确定坐标轴的刻度，规定行人摆渡车向x、y轴正方向行驶时，路径的左边边界为外边界，右边边界为内边界，ε为二元变量，当边界为外边界时，ε＝1，当边界为内边界时，ε＝0；在东西方向上，节点1→节点13表示节点1到节点13的路径；节点1→节点13、节点4→节点16的路径，在交叉口区域运行路径的边界方程如公式(1)所示：

ξ_p,q表示节点p到节点q路径上，节点p与最外侧车道的距离，其中p∈O_p,q∈D_q，单位为米，

节点2→节点20、节点5→节点19的路径，在交叉口区域运行路径的边界方程如公式(2)所示：

节点3→节点23、节点6→节点22的路径，在交叉口区域运行路径的下边界方程如公式(3)所示：

节点7→节点15、节点10→节点14的路径，在交叉口区域运行路径的边界方程如公式(4)所示：

节点8→节点18、节点11→节点17的路径，在交叉口区域运行路径的边界方程如公式(5)所示：

节点9→节点21、节点12→节点24的路径，在交叉口区域运行路径的边界方程如公式(6)所示：

步骤22：在南北方向上，节点1→节点15、10→节点16的路径，在交叉口区域运行路径的边界方程如公式(7)所示：

节点2→节点18、节点11→节点19的路径，在交叉口区域运行路径的边界方程如公式(8)所示：

节点3→节点21、节点12→节点22的路径，在交叉口区域运行路径的边界方程如公式(9)所示：

节点4→节点14、节点7→节点13的路径，在交叉口区域运行路径的边界方程如公式(10)所示：

节点5→节点17、节点8→节点20的路径，在交叉口区域运行路径的边界方程如公式(11)所示：

节点6→节点24、节点9→节点23的路径，在交叉口区域运行路径的边界方程如公式(12)所示：

步骤23：行人过街摆渡车可以在交叉口对角线行驶，节点1→节点14、节点7→节点16的路径，驶入点和驶出点的坐标分别如公式(13)、(14)所示：

节点2→节点17、节点8→节点19的路径，驶入点和驶出点的坐标分别如公式(15)、(16)所示：

节点3→节点24、节点9→节点22的路径，驶入点和驶出点的坐标分别如公式(17)、(18)所示：

节点4→节点15、节点10→节点13的路径，驶入点和驶出点的坐标分别如公式(19)、(20)所示：

节点5→节点18、节点11→节点20的路径，驶入点和驶出点的坐标分别如公式(21)、(22)所示：

节点6→节点21、节点12→节点23的路径，驶入点和驶出点的坐标分别如公式(23)、(24)所示：

通过点斜式方程确定路径边界方程，分别相应的中间变量x₁、y₁、x₂、y₂代入公式(25)，可求得对应的路径边界方程：

式中，x₁、y₁、x₂、y₂均为中间变量；

包含如下步骤：

步骤31：从出发节点p到终止节点q的距离用L_p,q表示，当行驶路径与坐标轴平行时，用公式(26)计算节点之间的距离：

当p∈{1,2,3}，q∈{13,20,23}或p∈{4,5,6},q∈{16,19,22}时，式(26)中O和D取N方向；当p∈{1,2,3},q∈{15,18,21}或p∈{10,11,12},q∈{16,19,22}时，公式(26)中O和D取W方向；当p∈{4，5，6}，q∈{14，17,24}或p∈{7，8,9},q∈{13,20,23}时，公式(26)中O和D取E方向；当p∈{10，11，12},q∈{14,17,24}或p∈{7,8,9},q∈{15,18,21}时，公式(26)中O和D取S方向；

行人过街摆渡车可以在交叉口对角线行驶，当路径为时，即p∈{1,2,3},q∈{14,17,24}或p∈{7,8,9},q∈{16,19,22}时，通过公式(27)计算斜线距离：

当路径为斜线时，即p∈{4,5,6},q∈{15,18,21}或p∈{10，11,12}，q∈{13，20，23}时，通过公式(28)计算斜线的距离：

步骤32：当行人过街摆渡车出发节点p到终止节点q的距离L_p，q较小时，行人过街摆渡车实际行驶的最大速度达不到预定的匀速行驶速度，这种情况下没有匀速行驶阶段，行人过街摆渡车在节点i和节点j之间的行驶距离L_ij由两部分组成，如公式(29)所示；

公式(29)中，l₁表示匀加速行驶的距离，由公式(30)计算；l₂表示匀减速行驶的距离，由公式(31)计算；

公式(30)和(31)中，a⁺、a^-分别表示行人过街摆渡车匀加速阶段、减速阶段的加速度大小，单位为米每二次方秒，t₁表示匀加速阶段花费的时间，t₂表示匀减速阶段花费的时间，单位为米每秒；v^-表示行人摆渡车实际行驶的最大速度，单位为米每秒，由公式(32)计算；

v^-＝a⁺·t₁ (32)

在没有匀速行驶的情况下，行人过街摆渡车在节点p和q之间行驶的时间用t_p,q表示，由公式(33)计算；

步骤33：当有匀速行驶阶段时，行人过街摆渡车在节点p和q之间的行驶距离L_p,q由三阶段组成，即匀加速阶段、匀速阶段和匀减速阶段，如公式(34)所示；

公式中l₃、l₄和l₅分别表示匀加速阶段、匀速阶段和匀减速阶段行驶的距离，分别由公式(35)-(37)计算；

l₄＝v·t₄ (36)

公式(35)-(37)中，t₃、t₄和t₅分别表示行驶l₃、l₄和l₅距离所用的时间，单位为秒；v表示规定的最大匀速，由公式(38)和(39)表示；

v＝a⁺·t₃ (38)

v＝a^-·t₅ (39)

在有匀速行驶阶段的情况下，行人过街摆渡车在节点p和q之间行驶的时间用t_p,q表示，由公式(40)计算；

所述步骤4：根据行人过街需求量、行人过街摆渡车在各行驶路径上的行驶时间，确定每辆行人过街摆渡车在交叉口的具体行驶路径的方法，包括如下步骤：

步骤41：行人过街摆渡车从节点p到q的路径用r_p,q表示，r_p,q为二元决策变量，r_p,q∈{0,1}，当r_p,q＝1表示在该路径通行，否则未在该路径上通行，r_p,q满足公式(41)约束：

行人过街摆渡车到达节点p的时刻用T_p表示，离开节点p的时刻用t_p表示，当行人过街摆渡车从到达节点p到离开节点p的时刻，由公式(42)计算：

t_p＝T_p+F+d_q·δ_t+d′_q·δ′_t (42)

公式(42)中F表示行人过街摆渡车开关门的时间，d_q、d′_q分别表示在节点p处上客、下客人数，δ_t、δ′_t分别表示单位人数上、下摆渡车的时间，单位为秒；

当行人过街摆渡车从节点p出发到达节点q，到达节点q的时刻由公式(43)计算：

行人过街摆渡车离开节点p时的载客人数用L_p表示，当行人过街摆渡车从节点p出发到达节点q时，载客量L_q由公式(44)计算：

考虑到行人过街摆渡车的容量大小，L_p的上下限由公式(45)确定；

C表示行人过街摆渡车的容量，单位为人/辆；

步骤42：以所有过街行人的总延误最小为目标建立目标函数，如公式(46)所示，公式中T_D表示过街行人的总延误；

式中T₀表示行人过街摆渡车运营前开始上客的时刻，取值为0s。