交通運輸部公路科學研究院：自動駕駛模式對交通流的影響（34頁）.pdf

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1、自動駕駛模式對交通流的影響自動駕駛模式對交通流的影響交通運輸部公路科學研究院（RIOH）國家智能交通系統工程技術研究中心（ITSC）侯德藻博士/研究員1自動駕駛介紹2自動駕駛模式對交通流的影響3案例分析自動駕駛自動駕駛觸手可及觸手可及TESLAGOOGLENissanUBERGMEasyMile圖森圖森Audi A8FORD阿波龍阿波龍OttoNURO自動駕駛定義自動駕駛定義自動駕駛汽車在普通汽車的基礎上增加了先進的傳感器（雷達、攝像）、控制器、執行器等裝置，通過車載傳感系統和通信終端實現車與X（人、車、路、云等）智能信息交換，使汽車具備智能的環境感知能力，能夠自動地分析汽車行駛的安全及危險狀

2、態，使汽車按照人的意志到達目的地，最終實現替代人操作的目的。智能駕駛智能駕駛（L1L5，以及其他應用于L0的智能輔助駕駛系統技術）無人駕駛無人駕駛（L4和L5）自動駕駛自動駕駛（L1L5，不包括預警提示、短暫干預的輔助駕駛系統等技術）技術層層遞進，內涵技術層層遞進，內涵層層縮小層層縮小 L0:L5是 SAE（國際汽車工程學會）J3016文件提出的五級自動駕駛分級方案是當前被普遍采用接受的標準自動駕駛 Automated Driving自動駕駛汽車-Automated Vehicle智能網聯汽車 Intelligent Connected Vehicle 工信部智能汽車 Intelligent

3、Vehicle 發改委自動駕駛計劃自動駕駛計劃 自動駕駛業務（自動駕駛業務（McKinseyMcKinsey與波士頓咨詢公司估計）：與波士頓咨詢公司估計）：20252025年可以產生年可以產生2000 2000 億至億至1.9 1.9 萬億美元的產值萬億美元的產值20252025年全球滲透率將達到年全球滲透率將達到7%7%-13%13%，相關市值約為，相關市值約為420420億美元億美元 商業量產商業量產目前：目前：TeslaTesla、奧迪、奧迪A8A8，waymowaymo20202020年：豐田、日產、大眾、寶馬、奔馳、通用、現代、起亞年：豐田、日產、大眾、寶馬、奔馳、通用、現代、起亞2

4、0212021年：沃爾沃、福特年：沃爾沃、福特 自動駕駛市場和規模（思邁咨詢公司和自動駕駛市場和規模（思邁咨詢公司和IEEEIEEE學會預測）：學會預測）：20252025年：全球銷量達到年：全球銷量達到2323萬輛萬輛20352035年：全球銷量年：全球銷量11801180萬輛，北美、中國和西歐將成為自動駕駛的三大主要市場，占比將萬輛，北美、中國和西歐將成為自動駕駛的三大主要市場，占比將分別達到分別達到29%29%、24%24%和和20%20%（約（約350350、280280和和240240萬輛）萬輛）20402040年：全球年：全球75%75%的汽車都將被自動駕駛汽車取代的汽車都將被自動

5、駕駛汽車取代自動駕駛愿景自動駕駛愿景NATURENATURE：無人車：無人車20202020年廣泛使用，并將徹底年廣泛使用，并將徹底顛覆我們的出行模式：顛覆我們的出行模式：更安全更安全更綠色，編隊油耗更綠色，編隊油耗降低降低10%10%車輛共享，將最少車輛共享，將最少節省節省8 8億個停車位億個停車位 M.Mitchell Waldrop.Autonomous vehicles:No drivers required.NATURE,2015,518(7537).1自動駕駛介紹2自動駕駛模式對交通流的影響3案例分析自動駕駛自動駕駛不是一蹴而就不是一蹴而就 自動駕駛逐步應用過程中必然出現傳統車輛與

6、不同等級自動駕駛車輛混行的場景自動駕駛逐步應用過程中必然出現傳統車輛與不同等級自動駕駛車輛混行的場景 自動駕駛汽車的一些行車規則和人類駕駛員的行車習慣存在差異自動駕駛汽車的一些行車規則和人類駕駛員的行車習慣存在差異以waymo無人車路測問題為例不能丁字口左轉被有人車追尾無法判斷對向車輛轉向意圖而駐車無法匯入車流自動駕駛自動駕駛以車為主技術路線以車為主技術路線谷歌谷歌 自主駕駛、無網聯自主駕駛、無網聯特斯拉特斯拉 自主駕駛、有網聯自主駕駛、有網聯優步優步/沃爾沃沃爾沃 城市自主駕駛、有網聯、共享車城市自主駕駛、有網聯、共享車特點及缺陷特點及缺陷 需要中等或強人工智能，大規模實現可能需要到需要中等

7、或強人工智能，大規模實現可能需要到20352035年年 極端聰明的車極端聰明的車，車是一切的主宰，車是一切的主宰 道路等基礎設施對自動駕駛不起作用或只是起輔助作用道路等基礎設施對自動駕駛不起作用或只是起輔助作用 激光雷達、視頻、毫米波雷達、超聲波雷達等激光雷達、視頻、毫米波雷達、超聲波雷達等感知感知設備和設備和計算計算決策系統決策系統費用是車價格的數倍，系統很費用是車價格的數倍，系統很昂貴昂貴 目前的安全性、可靠度很差目前的安全性、可靠度很差自動駕駛自動駕駛車路協同優勢車路協同優勢通過雷達通過雷達、視頻等先進的視頻等先進的車車、路感知設備路感知設備對道路交通環對道路交通環境進行境進行實時高精度

8、感知實時高精度感知按照約定的通信協議和數據交互標準按照約定的通信協議和數據交互標準，實現實現路車路車I I2 2X X和和車車路路V V2 2X X通訊及信息交換通訊及信息交換形成智能化交通管理形成智能化交通管理、智能化動態信息服務以及智能化動態信息服務以及自動駕自動駕駛駛/智能網聯智能網聯的車路協同的車路協同系統系統自動駕駛自動駕駛一體化集成一體化集成以車為主的方法以車為主的方法ITIT企業、車企、企業、車企、運營企業運營企業以路（基礎設施）以路（基礎設施）為主的方法為主的方法交通行業交通行業智能交通系統終極形式自動駕駛車路協同系統自動駕駛自動駕駛一體化集成縮短自動駕駛實現時間一體化集成縮短

9、自動駕駛實現時間2050弱人工智能時間進度自動駕駛級別2020201720252030L2(PA)L3(CA)L4(HA)L5(FA)L1(DA)中人工智能強人工智能人工智能層級一體化以車為主弱人工智能中人工智能強人工智能超人工智能以路為主 冉斌.智能網聯交通技術發展現狀及趨勢J.汽車安全與節能學報,2018,9(2).自動駕駛自動駕駛提升道路通行能力提升道路通行能力 B.Ran,and H-S.Jacob Tsao.Traffic flow analysis for an automated highway system.”,1996.自動駕駛技術配合專用道大幅減少駕駛反應時間和降低減少駕駛

10、反應時間和降低行車間距行車間距，進而提升道路通行能力。7200480024000.5 0.751.5人工駕駛反應時間（反應時間（s s）自動駕駛自動駕駛+專用道通行能力通行能力(pcupcu/h)/h)車頭間距（車頭間距（m m）13.9 20.841.7速度速度=100km/h=100km/h通行能力通行能力(輛輛/小時小時)=反應時間反應時間(秒秒)不同反應時間對應的車頭間距不同反應時間對應的車頭間距自動駕駛自動駕駛提升道路通行能力提升道路通行能力若車速=100km/h時：C自動駕駛=C原始+C增加=4200(pcu/h)通行能力基本翻倍通行能力基本翻倍速度速度(km/h(km/h)密度密

11、度(pcupcu/km)/km)速度速度=100km/h=100km/h原始流量C=2400增加流量C=180010002442120自動駕駛技術在速度不變的情況下降低車間距，即增大交通流密降低車間距，即增大交通流密度度，從而顯著增加道路通行能力。陰影部分表示單陰影部分表示單車道通行能力車道通行能力42 24 42 24 車頭間距車頭間距(m)(m)自動駕駛自動駕駛改善交通安全改善交通安全0100002000030000400002015 2020 2025 2030 2035 2040 2045 2050 2055死亡人數死亡人數年份年份NHTSA(NHTSA(美國公路交通安全管理美國公路交

12、通安全管理局局)對自動駕駛和智能網聯交通對自動駕駛和智能網聯交通技術的應用進行評估：技術的應用進行評估：隨著自動駕駛車輛比例的提隨著自動駕駛車輛比例的提升，可以有效升，可以有效減少減少因道路交因道路交通事故導致的通事故導致的死亡人數死亡人數。到。到20502050年，死亡人數約減少為年，死亡人數約減少為目前的目前的50%50%，每年減少約，每年減少約1700017000人。人。因道路交通事故產生的經濟因道路交通事故產生的經濟損失每年減少約損失每年減少約19001900億億美元。美元。美國公路交通安全管理局關于交通事故死亡的定義：在公共道路上涉及機動車交通事故，在30天內死亡。每起死亡交通事故的

13、社會費用：9.1百萬美元。1自動駕駛介紹2自動駕駛模式對交通流的影響3仿真結果分析及評價仿真一：多車協同駕駛混成控制仿真一：多車協同駕駛混成控制MATLABMATLAB仿真仿真采用MATLAB工具和設計的混成控制算法讓車輛能根據道路動態，自適應的選擇合適的協作狀態進行協同駕駛，在保障道路交通安全的情況下，提高道路通行效率。仿真一：多車協同駕駛混成控制仿真一：多車協同駕駛混成控制MATLABMATLAB仿真仿真自由巡航：實現車車交互下的單車自由巡航控制自由巡航模型預測控制器車輛模型人工勢場模型約束條件組隊巡航：實現多車的組隊巡航控制組隊控制模型預測控制器車輛模型組隊人工勢場模型約束條件組隊車距保

14、持分布式協同駕駛混成自動機：實現車輛協同駕駛過程中不同連續狀態之間的切換控制合并拆分車輛運動約束環境交互狀態實現多控制目標約束車輛運動約束環境交互狀態實現多控制目標約束保持車距控制器組件實現功能控制器組件實現功能環境事件描述車輛狀態定義狀態切換事件系統狀態集事件觸發規則車隊狀態切換規則狀態切換規則技術方法：技術方法：人工勢場人工勢場APFAPF 模型預測控制模型預測控制MPCMPC 混成自動機混成自動機Hybrid Hybrid automatonautomaton仿真一：多車協同駕駛混成控制仿真一：多車協同駕駛混成控制MATLABMATLAB仿真仿真 自由巡航oAcar=Ucarx(0)rc

15、arrvAvKS=L-sL+szcarrcarrrUpvApvKSv=()(0)0(0)Ip1d1yL+sLoxp2d2d3p3carvmnDAe=22exp2oAcar=UcarxL-spL+spzp1d1yLxp2d2d3p3o-spL+sp 組隊巡航人工勢場模型：人工勢場模型：環境車輛勢場環境車輛勢場仿真一：多車協同駕駛混成控制仿真一：多車協同駕駛混成控制MATLABMATLAB仿真仿真人工勢場模型：人工勢場模型：道路勢場道路勢場 方向勢場方向勢場A左車道本車道右車道URl2l3l1l4ozy車道線勢場示意圖lane ilanermnrlane idk iUiroadedgelikdir

16、oadedge=2,22,()*exp2()*()mnmnirli=mnrsx=+方向勢場道路勢場仿真一：多車協同駕駛混成控制仿真一：多車協同駕駛混成控制MATLABMATLAB仿真仿真模型預測控制器：模型預測控制器：目標函數目標函數 約束條件約束條件()()12222111()()1CPPNNNAPFvQRPiiiJ kUkie kiu ki=+25259.4/9.4/ss&約束條件人工勢場目標速度偏差控制增量松弛因子2201.1*4.9/1/desvvm svm s&()()()()222111122211()()|PPPCPNNNAPFyxdQWWiiiNNvRPiiJ kUieieiS

17、e iu ki t=+人工勢場目標速度偏差控制增量松弛因子跟蹤軌跡偏差組隊巡航自由巡航仿真一：多車協同駕駛混成控制仿真一：多車協同駕駛混成控制MATLABMATLAB仿真仿真混成自動機模型：混成自動機模型：邏輯條件邏輯條件 條件動作條件動作H=(QD，Var，Con，Event，Edge，Act，Inv，Init)其中，Q為離散狀態的有限集合，這里Q=Q1，Q2，Q3；其中Q1為自由巡航狀態，Q2為組隊巡航狀態，Q3為緊急避險狀態。Var為系統的狀態向量，Var=x，y，v，Con為系統控制向量集，Event為狀態遷移事件，Event=Merge，Split，即組隊與分離，在本文所設計的車輛協

18、同駕駛系統中這里的遷移事件作為子狀態機存在，后文將詳細說明f,Conv=Q1Q2minCruisevConJ=minFollowvConJ=Q3MergeMax(APF(Carpredict)APFsafeminminvvCon=Max(APF(Carpredict)APFsafeSplit:platoon=pltnIDSplit:platoon=HostIDplatoon=pltnIDplatoon=HostID仿真一：多車協同駕駛混成控制仿真一：多車協同駕駛混成控制MATLABMATLAB仿真仿真Car5Car6Car1Car4Car2Car8Car3Car7Car15Car9Car12C

19、ar10Car14Car11Car13(a)后方被控車輛分布示意圖(b)前方障礙車輛分布示意圖仿真一：多車協同駕駛混成控制仿真一：多車協同駕駛混成控制MATLABMATLAB仿真仿真S1：自由巡航禁止組隊S2：組隊巡航允許組隊領航車跟隨車障礙車仿真一：多車協同駕駛混成控制仿真一：多車協同駕駛混成控制MATLABMATLAB仿真仿真S1工況：車輛速度軌跡S2工況：車輛速度軌跡具備自動駕駛及智能網聯功能的車輛通過相互協作，可以在更短的時間內（如具備自動駕駛及智能網聯功能的車輛通過相互協作，可以在更短的時間內（如S2S2中中60s60s）通過障礙區，并能保證各個車輛速度變化較小，從而在保證交通安全的

20、同時提升道路通過障礙區，并能保證各個車輛速度變化較小，從而在保證交通安全的同時提升道路通行能力。通行能力。仿真二：多車編隊對交通流的影響仿真二：多車編隊對交通流的影響采用Vissim COM服務進行車輛編隊策略的開發，實現車聯網及自動駕駛情景下的仿真。但目前存在仿真速度過慢的問題，因此，仿真過程中設置的步長為1秒，未來考慮采用VISSIM EDM外部駕駛員模型的方法進行開發改進，提高仿真速度，減小時間步長。仿真二：多車編隊對交通流的影響仿真二：多車編隊對交通流的影響11tntnttvvn=1endstartstartttttendstartvvtt=ntvt時刻車輛n的速度tnt時刻系統的車輛

21、數tvt時刻系統的平均車速startt數據記錄的開始時間endt數據記錄的結束時間v系統的平均速度效率指標：效率指標：仿真二：多車編隊對交通流的影響仿真二：多車編隊對交通流的影響能耗指標：能耗指標：21()2rDifs mamgCAcd v=+由牛頓第二定律推導的能耗計算公式：空阻系數的計算方法：101()(1)DDiDDiccdccd=+Aerodynamics of Road Vehicles,ASE International,2016 仿真二：多車編隊對交通流的影響仿真二：多車編隊對交通流的影響高裝配率低裝配率研究不同聯網貨車比例下的系統效率和能耗效果。仿真二：多車編隊對交通流的影響仿

22、真二：多車編隊對交通流的影響系統運行效率隨著聯網貨車比例的增加而逐步增大，隨著輸入流量的增加而逐步降低。當聯網貨車比例為100%時，無論系統輸入流量的大小，系統效率均要高于無專用道情況。當系統輸入流量為2000veh/h/lane，即超過道路通行能力時，只要聯網貨車比例高于20%，系統效率就高于無專用道情況；當系統輸入流量為1500veh/h/lane，即接近道路通行能力時，只要聯網貨車比例高于40%，系統效率就高于無專用道情況。仿真二：多車編隊對交通流的影響仿真二：多車編隊對交通流的影響無論哪種流量情況下，普通汽車的運行效率均要低于無貨車專用道的情況，但隨著流量的增加，效率降低的差距越來越小

23、，當流量達到2000veh/h/lane時，100%聯網貨車方案的運行效率與無專用道情況下的普通汽車運行效率基本一致。由于設置了專供貨車行駛的專用車道，貨車的運行效率較無專用道情況下要顯著提高，只要是聯網貨車比例高于20%，不管是在何種流量下，貨車的運行效率均要高于無專用道情況。仿真二：多車編隊對交通流的影響仿真二：多車編隊對交通流的影響系統的能耗效率隨著聯網貨車比例的提高而下降。除了1500veh/h/lane流量的情況外，其它流量比例下，系統能耗均要低于無專用道的情況，即使是1500veh/h/lane的情況，聯網貨車比例高于60%時，系統能耗也要低于無專用道的情況。Fuel-efficient仿真二：多車編隊對交通流的影響仿真二：多車編隊對交通流的影響普通汽車、貨車的能耗效率趨勢與系統總體的能耗效率趨勢基本一致。謝 謝