Preemptive Spatiotemporal Trajectory Adjustment for Heterogeneous Vehicles in Highway Merging Zones

📄 arXiv: 2509.25929v1 📥 PDF

作者: Yuan Li, Xiaoxue Xu, Xiang Dong, Junfeng Hao, Tao Li, Sana Ullaha, Chuangrui Huang, Junjie Niu, Ziyan Zhao, Ting Peng

分类: eess.SY, cs.RO

发布日期: 2025-09-30

💡 一句话要点

提出一种预判式时空轨迹调整方法，解决高速公路汇入区异构车辆的安全高效汇流问题。

🎯 匹配领域: 支柱八：物理动画 (Physics-based Animation)

关键词: 自动驾驶 高速公路汇流 时空轨迹规划 异构车辆 协同控制

📋 核心要点

  1. 现有高速汇入区方案存在驾驶员感知滞后、时空资源利用率低等问题，影响安全和效率。
  2. 提出预判式时空轨迹调整系统，核心在于协调时空资源，量化安全时空距离，并融合车辆类型和意图。
  3. 仿真结果表明，该策略能有效避免冲突和急刹车，显著提升驾驶稳定性和整体交通效率，平均延误改善率最高达90.24%。

📝 摘要（中文）

针对高速公路匝道汇流区域驾驶员感知滞后和时空资源利用率低的问题，本文基于预判式时空轨迹调整系统，从协调时空资源的角度出发，定量分析了轨迹预准备中安全时空距离的合理取值。通过引入双重定位误差和时空轨迹跟踪误差，分析了匝道车辆汇入主线所需的最小安全间隙。提出了一种融合车辆类型、驾驶意图和安全时空距离的自动驾驶异构车辆汇流控制策略，系统阐述了不同车辆类型下匝道目标车辆和主线协同车辆的具体汇流策略。通过多种交通流量和速度场景进行全组合仿真，通过比较时间-位置-速度图，定性分析了车辆运行特性和汇流的动态差异，并以平均速度和平均延误作为评价指标，定量评价了预判式协同汇流控制策略的性能优势。结果表明，主线和匝道车辆的最大平均延误改善率分别为90.24%和74.24%。所提出的策略能够有效避免潜在的车辆冲突和紧急制动行为，提高汇流区域的驾驶安全性，并在驾驶稳定性和整体交通效率优化方面表现出显著优势。

🔬 方法详解

问题定义：论文旨在解决高速公路匝道汇入区域，异构自动驾驶车辆在驾驶员感知滞后情况下，如何安全高效地汇入主线交通流的问题。现有方法通常依赖于车辆的实时感知和反应，容易导致反应滞后，时空资源利用率低，从而引发潜在的交通冲突和紧急制动等问题。

核心思路：论文的核心思路是采用预判式时空轨迹调整，通过提前规划车辆的轨迹，协调匝道车辆和主线车辆的时空资源，从而实现安全高效的汇流。这种方法的核心在于量化安全时空距离，并根据车辆类型和驾驶意图进行个性化的轨迹规划。

技术框架：该方法包含以下几个主要模块：1) 安全时空距离分析模块：通过考虑双重定位误差和时空轨迹跟踪误差，确定匝道车辆汇入主线所需的最小安全间隙。2) 汇流控制策略模块：根据车辆类型、驾驶意图和安全时空距离，制定匝道目标车辆和主线协同车辆的具体汇流策略。3) 轨迹规划与调整模块：基于汇流控制策略，对车辆的轨迹进行预先规划和实时调整，确保车辆在安全时空距离内完成汇流。

关键创新：该论文的关键创新在于：1) 提出了预判式时空轨迹调整的概念，将汇流问题转化为时空资源协调问题。2) 综合考虑了车辆类型、驾驶意图和安全时空距离，实现了个性化的汇流控制。3) 通过量化安全时空距离，为轨迹规划提供了理论依据。与现有方法相比，该方法能够更有效地利用时空资源，减少交通冲突和紧急制动。

关键设计：论文的关键设计包括：1) 安全时空距离的计算方法，综合考虑了定位误差和跟踪误差。2) 汇流控制策略的设计，针对不同车辆类型和驾驶意图，制定了不同的汇流方案。3) 轨迹规划算法，采用了能够保证车辆安全和舒适性的轨迹生成方法。具体的参数设置和损失函数等技术细节在论文中没有详细描述，属于未知信息。

📊 实验亮点

仿真结果表明，所提出的预判式协同汇流控制策略能够显著提升汇流区域的交通效率。主线车辆的平均延误改善率最高可达90.24%，匝道车辆的平均延误改善率最高可达74.24%。该策略能够有效避免潜在的车辆冲突和紧急制动行为，提高驾驶安全性，并在驾驶稳定性和整体交通效率优化方面表现出显著优势。

🎯 应用场景

该研究成果可应用于自动驾驶车辆在高速公路匝道汇入场景，提升汇流区域的交通安全性和通行效率。通过与智能交通系统结合，可以实现更高效的交通管理和控制，减少拥堵和事故发生，具有广阔的应用前景和实际价值。未来可进一步扩展到城市道路等更复杂的交通环境。

📄 摘要（原文）

Aiming at the problem of driver's perception lag and low utilization efficiency of space-time resources in expressway ramp confluence area, based on the preemptive spatiotemporal trajectory Adjustment system, from the perspective of coordinating spatiotemporal resources, the reasonable value of safe space-time distance in trajectory pre-preparation is quantitatively analyzed. The minimum safety gap required for ramp vehicles to merge into the mainline is analyzed by introducing double positioning error and spatiotemporal trajectory tracking error. A merging control strategy for autonomous driving heterogeneous vehicles is proposed, which integrates vehicle type, driving intention, and safety spatiotemporal distance. The specific confluence strategies of ramp target vehicles and mainline cooperative vehicles under different vehicle types are systematically expounded. A variety of traffic flow and speed scenarios are used for full combination simulation. By comparing the time-position-speed diagram, the vehicle operation characteristics and the dynamic difference of confluence are qualitatively analyzed, and the average speed and average delay are used as the evaluation indices to quantitatively evaluate the performance advantages of the preemptive cooperative confluence control strategy. The results show that the maximum average delay improvement rates of mainline and ramp vehicles are 90.24 % and 74.24 %, respectively. The proposed strategy can effectively avoid potential vehicle conflicts and emergency braking behaviors, improve driving safety in the confluence area, and show significant advantages in driving stability and overall traffic efficiency optimization.