载运工具跟驰关系的确定与行为调整实施方法

摘要

载运工具跟驰关系的确定与行为调整实施方法，该发明属于载运工具追踪运行控制技术领域，具体涉及到动态运输环境中和当前技术条件下基于绝对和相对制动模式的车辆跟驰关系计算问题，提出了确定跟驰关系的计算方法，并将车辆追踪运行状态细分为非跟驰状态、临界跟驰状态、绝对制动条件下安全跟驰状态、绝对制动条件下非安全跟驰状态、相对制动条件下安全跟驰状态、相对制动条件下非安全跟驰状态共6个子状态，然后根据具体状态确定并进行后车行为调整方案的实施，以实现安全、高效和平稳（舒适）追踪运行的目的。

说明书

技术领域

本发明属于交通运输系统载运工具跟驰控制技术领域，具体涉及到同一线路、同一方向载运工具追踪运行过程中跟驰关系的确定原则和确定方法，以及如何利用载运工具之间是否具有跟驰关系，细分车辆跟驰状态，并在车辆跟驰系统运行过程中根据具体跟驰状态，进行载运工具跟驰行为的调整，以实现其安全、高效和平稳（舒适）运行的目的。

背景技术

载运工具跟驰运行，在铁路、公路、甚至航空、航天等交通运输领域司空见惯（为论述方便，本申请均以“车辆”表述“载运工具”）。“同一线路、同一运行方向的相邻车辆之间即存在“跟驰关系”，而无论其间距是怎样的”，这样的前提条件显得过于宽泛，不利于载运工具在安全性、高效性和平稳（舒适）性方面得到更好地控制。例如：1995年Bando等提出的最优速度模型（Optimal Velocity Model,OVM）会出现过高的加速度和不切实际的减速度；为了消除上述问题，1998年Helbing和Tilch将速差控制引入跟驰系统，建立了GFM（Generalized Force Model）模型，2001年Jiang等又建立了前后车的全速差模型（Full Velocity Difference Model,FVDM）来克服GFM模型在时滞、交通流相变和阻塞演化方面的缺陷；Zhao and Gao于2005年将“加速度差”引入FVDM模型建立了能够描述紧急情况下驾驶员行为的FVADM模型，可以有效避免追尾事故和FVDM模型中的不切实际的减速度；Okumura，Tadaki和Gong等学者提出了一个非对称全速差跟驰模型（Asymmetric Full Velocity Difference Car-following Model）以避免GFM和FVDM模型中可能出现的车辆冲突，但它可能会导致一个情形发生------即使实际车距非常小后车也不减速。Peng等几位学者与2011年对速差控制进行了改进，提出一种最优速差模型（Optimal Velocity Difference Model，OVDM），旨在消除负速度问题，但对前、后车之间无速差的情形仍然无能为力，如果前、后车的加速度差为0，加速度控制同样起不到任何作用。针对上述问题，很多学者尝试从车距控制和时隙（Time Gap）控制来解决这个问题。Somda和Cormerais利用相对制动模式计算安全车距，以作为后车行为调整的依据；Kesting等运用智能驾驶模型来描述车辆的自适应巡航控制（AdaptiveCruise Control，ACC）,但对如何科学地动态标定时隙则语焉不详；考虑到时隙对行车组织的重要性，Lin对装备有自适应巡航系统的车辆驾驶性能做了非常有益的讨论，毫无疑问，时隙越大后车跟驰运行的安全裕量越大，但行车效率也会随之降低；Lu和Madanat针对卡车，基于停车距离和安全风险评估，提出了具有建设性的跟驰车距。理论上来讲，时隙控制可以在某种程度上实现跟驰车距的控制，但是没有更多地关注实际跟驰车距的长度对后车跟驰行为的影响。显然，若车距太长或太短（譬如无穷大或无穷小），后车以“安全”、“高效”行车为目的的行为调整就极可能失去平稳性或舒适性，从而造成旅客不舒服或货物遭受损坏。从这个意义上来说，必须将前、后车的跟驰行为，根据车辆性能、运行状态，限定在某一特定的时空范围内，并在这个范围内对车辆跟驰行为实施控制，并始终以最佳的行为调整方式，使得前、后车辆构成的跟驰系统始终处于这个特定的时空范围内。

Traffic flow theory认为跟驰行为发生在两车头间距为0-100m或0-125m的范围内，Weidman则认为车头间距小于等于150m时车辆处于跟驰状态，这与载运工具高速运行时的制动距离相比显然过小，不仅限制后车性能的发挥，而且难以避免冲突事件的发生。美国《道路通行能力手册》规定当车头时距小于等于5s时车辆处于跟驰状态，Paker采用了6s作为判定车辆跟驰状态的标准。Parker和Chishaki等认为,车辆处于跟驰状态的基本条件是前车车速低于后车的期望车速,通过判断前车速度是否小于后随车的期望车速来判定车辆是否处于跟驰状态，经实践验证与实际有较大出入。何民、荣建和任福田提出利用相对速度绝对值随车头时距变化的规律定量地判定车辆行驶状态的新方法，验证了美国《道路通行能力手册》规定的跟驰状态判定标准。杨小宝和张宁在此基础上提出一种“利用前后车速度的相关系数随车头时距变化的规律来确定车辆跟驰状态的临界值”的改进方法。以车头时距确定跟驰关系存在的主要问题在于根据当前车辆跟驰速度情况确定判定跟驰状态是否存在的车头时距标准，忽视了车辆性能的充分发挥和主动建立跟驰关系有助于提高线路通过能力的客观现实，因此有必要根据车辆性能所决定的其跟驰能力，以及智能化赋予车辆安全运行并提高跟驰效率的自主性和积极性，来确定跟驰关系存在的时空边界。

显然，只有具有跟驰关系的车辆跟驰系统，才能通过后车安全、高效和平稳（舒适）的行为调整，重新建立一个新的安全、高效跟驰稳态；不具有跟驰关系的车辆跟驰系统，只能通过后车非平稳（舒适）的行为调整方式来建立这个安全、高效跟驰稳态，或者限于车辆性能完全无法建立一个新的安全、高效跟驰稳态。由于车辆跟驰系统的时、空范围，在车辆性能、运行状态确定条件下，可以通过数学或工程计算相互转换而得，故本申请以“车距”计算来阐述载运工具跟驰关系和跟驰类型的确定方法，载运工具跟驰行为调整实施方案也正是在此基础上提出，以其更强的针对性实现最佳的跟驰效果。

发明内容

本发明的目的是为了克服当前载运工具跟驰控制领域存在的“跟驰关系的界定”过于宽泛的缺陷，在确定跟驰关系时对“车辆跟驰能力和智能化赋予车辆建立跟驰关系的主动性”重视不够的弊端，提供一种新的确定载运工具跟驰关系的有效方法，以及载运工具追踪运行过程中一种行为调整的实施方案。

本发明思路：以前、后车辆的性能、运行状态为约束条件，根据车辆在不同技术条件下所采取的制动模式，首先确定前、后车辆之间是否存在跟驰关系以及跟驰的类型，细分车辆追踪运行状态后，再以此为依据决定后车应采取的控制方式，是自由行驶还是相应的跟驰控制。自由行驶条件下，尽管当前追踪运行状态下前、后车不存在跟驰关系，但应根据追踪运行状态的动态变化，实时判断前、后车辆之间是否存在跟驰关系，及时调整后车行为的控制方式。

给出的技术方案：

一种载运工具跟驰关系的确定与行为调整实施方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：根据动态运输环境中当前技术条件下所行采取的制动模式，计算当前追踪运行状态下判断车辆跟驰关系的临界值L_{Absolute_Boundary}或L_{Relative_Boundary}：其中：L_{Absolute_Boundary}是绝对制动模式下的跟驰关系临界值，乃是根据车辆绝对制动模式，以车辆性能为约束条件计算出而得，用以判断当前追踪运行状态下前、后车辆是否存在跟驰关系；L_{Relative_Boundary}是相对制动模式下的跟驰关系临界值，乃是根据车辆相对制动模式，以车辆性能为约束条件，考虑最不利跟驰情形，计算出的当前追踪运行状态下前、后车辆跟驰关系的判断依据。

步骤2：后车根据自身所采取的制动模式，在当前追踪运行状态下，基于前、后车是否存在跟驰关系的准确判断，进而细分车辆追踪运行状态为非跟驰状态、临界跟驰状态、绝对制动条件下安全跟驰状态、绝对制动条件下非安全跟驰状态、相对制动条件下安全跟驰状态、相对制动条件下非安全跟驰状态，共6个子状态，进而以具体跟驰状态为依据对自身行为采取相应的控制措施，以达到安全、高效和平稳（舒适）运行的目的。具体说，后车在追踪前车运行过程中，对实际车距L_Actual和跟驰关系临界值L_{Absolute_Boundary}或L_{Relative_Boundary}进行实时比较分析，若实际车距小于或等于跟驰关系的临界值，前、后车之间具有相应的跟驰关系，根据具体跟驰情况按所述的临界跟驰状态、绝对制动条件下安全跟驰状态、绝对制动条件下非安全跟驰状态、相对制动条件下安全跟驰状态、相对制动条件下非安全跟驰状态来处理，后车的行为调整必须考虑前车行为和车距的约束，以实现安全、高效和平稳（舒适）运行。

步骤3：转步骤1，后车循环往复地根据所能采取的制动模式，以及实际车距与跟驰关系临界值的比较分析结果，进行跟驰关系的判断，进而采取相应的行为调整措施。

进一步说明所述步骤1中，绝对制动模式下车辆跟驰关系及其类型的计算方法

前、后车辆绝对跟驰关系的临界值计算，见式（1）所示

$>L_{\mathrm{Absolute}\_\mathrm{Boundary}}=\frac{{\left(\max \left(v_f\left(\mathrm{ter}\min \mathrm{al}\right)\right)\right)}^2}{1.26}+L---\left(1\right)$>

其中：L_{Absolute_Boundary}为当前追踪运行状态和绝对制动模式下前、后车辆跟驰关系的临界值，假定L_Actual为实际车距，L_Actual>L_{Absolute_Boundary}时，前、后车之间不存在跟驰关系，后车以自由行驶为主，同时实时检测与前车的跟驰关系，并根据新的检测结果进行相应的行为优化，L_Actual L_{Absolute_Boundary}时，前、后车之间存在绝对跟驰关系，后车必须在前车行为和车距的约束下，以安全、高效追踪运行为目的，不断优化自身行为，同时确保行为调整过程中的平稳性或舒适性；v_f(terminal)是后车行为调整结束时的末速度,其最大取值满足以下条件：

max(v_f(terminal))=min(v_{line_max,}v_{vehicle_max})  (2)

这里，v_{line_max}是线路允许的最大速度，v_{vehicle_max}是车辆最大允许速度；L是附加的安全裕量。

进一步说明，所述步骤1中，相对制动模式下车辆跟驰关系及其类型的计算方法

前、后车辆相对跟驰关系的临界值计算，见式（3）所示

L_{Relative_Boundary}=L_{Absolute_Boundary} L_p  (3)

其中：L_{Relative_Boundary}为当前追踪运行状态和相对制动模式下前、后车辆跟驰关系的临界值，L_Actual>L_{Relative_Boundary}时，前、后车之间不存在相对跟驰关系，后车以自由行驶为主，同时实时检测与前车的跟驰关系，并根据新的检测结果进行相应的行为优化，L_Actual L_{Relative_Boundary}时，前、后车之间存在相对跟驰关系，后车必须在前车行为和车距的约束下，以安全、高效追踪运行为目的，不断优化自身行为，同时确保行为调整过程中的平稳性或舒适性；L_p为前车在当前运行速度下采取相应的控制策略所行使的距离，一般以最不利条件下的安全行车为第一考量，故前车的控制策略取为紧急制动时的控制策略。

进一步说明，所述步骤2，具体实施步骤如下：

a)首先，获取动态运输环境中当前技术条件下后车所采取的制动模式；

b)然后，运用相应的跟驰关系计算方法，对实际车距L_Actual和跟驰关系的临界值L_{Absolute_Boundary}或L_{Relative_Boundary}进行比较分析，确定与前车之间是否存在跟驰关系；

c)后车根据与前车之间存在跟驰关系与否，以及跟驰关系的类型，以安全、高效和平稳（舒适）运行为优化目标，确定自身行为调整应采取的最佳控制措施；

d)后车实施最佳控制措施，调整自身行为；

e)后车行为调整过程中，转步骤a)继续循环执行，以根据瞬息万变的车辆追踪运行状态，实现后车行为动态、实时调整。

本发明“载运工具跟驰关系的确定与行为调整实施方法”，正是以上述跟驰关系及其类型的实时计算为基础，一方面根据车辆所能采取的制动模式，确定相同线路同一方向的相邻车辆是否存在跟驰关系，另一方面根据跟驰类型进一步细分车辆追踪运行状态，再依据具体状态对车辆行为实施相应的控制，与现有跟驰控制方法相比，增强了车辆行为调整的针对性，从而提高行为调整质量，更好地实现安全、高效和平稳（舒适）运行。

附图说明

图1.安全跟驰车距的计算。

图2.L_{Absolute_Boundary} L随max(v_f(terminal))变化的拟合曲线。

图3.跟驰关系计算的工程应用。图中，v_p和v_f分别为前、后车的速度，L_{Absolut_Safe}、L_{Relative_Safe}分别为前、后车当前追踪运行状态下绝对和相对制动模式下的安全车距，L_Actual为实际车距。

具体实施方式

车辆同一线路、同一方向追踪运行过程中，前、后车之间的跟驰关系一直处在动态的变化中，后车的行为调整始终基于跟驰关系的实时计算。本发明通过跟驰关系的计算，将车辆追踪运行状态划分为6个子状态，分别为非跟驰状态、临界跟驰状态、绝对制动条件下安全跟驰状态、绝对制动条件下非安全跟驰状态、相对制动条件下安全跟驰状态、相对制动条件下非安全跟驰状态，从而可以有针对性地确定不同状态下后车的行为优化目标，避免了不同状态共有同一优化目标造成的缺陷，提高了后车行为调整的科学性，更有利于后车在追踪运行过程中通过自身平稳（舒适）的行为调整实现安全、高效运行。

下面结合附图对本发明技术方案作进一步详细说明。

步骤1：获取动态运输环境中当前技术条件下后车所采取的制动模式。

车辆跟驰过程中可采取绝对制动和相对制动两种模式，但必须根据动态运输环境和当前技术条件加以合理选择。前者后车不考虑前车的运行状态和控制策略，以前车尾部所在位置为追踪运行的目标点，即L_p=0（见图1所示），必要时调整自身的行为达到安全、高效追踪运行；后者后车需要考虑前车当前运行状态下采取相应控制策略所行驶的距离，L_p0（见图1所示），因而在线路运能的利用方面要优于前者，但后车必须能够实时获取前车的信息。

步骤2：运用相应的跟驰关系计算方法，对实际车距L_Actual和跟驰关系的临界值L_{Absolute_Boundary}或L_{Relative_Boundary}进行比较分析，确定与前车之间是否存在跟驰关系及跟驰关系的类型。

1）绝对制动模式下车辆跟驰关系的计算方法

前、后车辆绝对跟驰关系的临界值计算见式（4）所示

$>L_{\mathrm{Absolute}\_\mathrm{Boundary}}=\frac{{\left(\max \left(v_f\left(\mathrm{ter}\min \mathrm{al}\right)\right)\right)}^2}{1.26}+L---\left(4\right)$>

其中：L_{Absolute_Boundary}为当前追踪运行状态和绝对制动模式下前、后车辆跟驰关系的临界值，L_Actual>L_{Absolute_Boundary}时，前、后车之间不存在跟驰关系，后车以自由行驶为主，同时实时检测与前车的跟驰关系，并根据新的检测结果进行相应的行为优化，L_Actual L_{Absolute_Boundary}时，前、后车之间存在绝对跟驰关系，后车必须在前车行为和车距的约束下，以安全、高效追踪运行为目的，不断优化自身行为，同时确保行为调整过程中的平稳性或舒适性；v_f(terminal)是后车行为调整结束时的末速度,其最大取值满足以下条件：

max(v_f(terminal))=min(v_{line_max,}v_{vehicle_max})  (5)

这里，v_{line_max}是线路允许的最大速度，v_{vehicle_max}是车辆最大允许速度；L是附加的安全裕量。

图2给出了L_{Absolute_Boundary} L随max(v_f(terminal))变化的拟合曲线，根据该曲线的拟合函数和L的值，即可得到绝对制动模式下车辆跟驰关系的临界值。

2）相对制动模式下车辆跟驰关系的计算方法

前、后车辆相对跟驰关系的临界值计算见式（6）所示

L_{Relative_Boundary}＝L_{Absolute_Boundary} L_p  (6)

其中：L_{Relative_Boundary}为当前追踪运行状态和相对制动模式下前、后车辆跟驰关系的临界值，L_Actual>L_{Relative_Boundary}时，前、后车之间不存在相对跟驰关系，后车以自由行驶为主，同时实时检测与前车的跟驰关系，并根据新的检测结果进行相应的行为优化，L_Actual L_{Relative_Boundary}时，前、后车之间存在相对跟驰关系，后车必须在前车行为和车距的约束下，以安全、高效追踪运行为目的，不断优化自身行为，同时确保行为调整过程中的平稳性或舒适性；L_p为前车在当前运行速度下采取相应的控制策略所行使的距离，一般以最不利条件下的安全行车为第一考量，故前车的控制策略取为紧急制动时的控制策略。

步骤3：后车根据与前车之间存在跟驰关系与否，以及跟驰关系的类型和具体的追踪运行状态，以安全、高效和平稳（舒适）运行为优化目标，确定自身行为调整应采取的最佳控制措施。

图3描述了跟驰关系计算方法的工程应用。通过跟驰关系的计算，将车辆追踪运行状态细分为非跟驰状态、临界跟驰状态、绝对制动条件下安全跟驰状态、绝对制动条件下非安全跟驰状态、相对制动条件下安全跟驰状态、相对制动条件下非安全跟驰状态，共6个子状态，从而可以分别采取相应的行为优化措施，有效避免了不同追踪运行状态共有一个行为优化目标造成的在安全性、高效性和平稳（舒适）性综合最优上的不足。

步骤4：后车实施最佳控制措施，调整自身行为；

步骤5：后车行为调整过程中，转步骤1继续循环执行，以根据瞬息万变的车辆追踪运行状态，实现后车行为动态、实时调整。