自动驾驶对交通流的影响.pdf

自动驾驶模式对交通流的影响自动驾驶模式对交通流的影响交通运输部公路科学研究院（RIOH）国家智能交通系统工程技术研究中心（ITSC）侯德藻博士/研究员1自动驾驶介绍2自动驾驶模式对交通流的影响3案例分析自动驾驶自动驾驶触手可及触手可及TESLAGOOGLENissanUBERGMEasyMile图森图森Audi A8FORD阿波龙阿波龙OttoNURO自动驾驶定义自动驾驶定义自动驾驶汽车在普通汽车的基础上增加了先进的传感器（雷达、摄像）、控制器、执行器等装置，通过车载传感系统和通信终端实现车与X（人、车、路、云等）智能信息交换，使汽车具备智能的环境感知能力，能够自动地分析汽车行驶的安全及危险状态，使汽车按照人的意志到达目的地，最终实现替代人操作的目的。智能驾驶智能驾驶（L1L5，以及其他应用于L0的智能辅助驾驶系统技术）无人驾驶无人驾驶（L4和L5）自动驾驶自动驾驶（L1L5，不包括预警提示、短暂干预的辅助驾驶系统等技术）技术层层递进，内涵技术层层递进，内涵层层缩小层层缩小 L0:L5是 SAE（国际汽车工程学会）J3016文件提出的五级自动驾驶分级方案是当前被普遍采用接受的标准自动驾驶 Automated Driving自动驾驶汽车-Automated Vehicle智能网联汽车 Intelligent Connected Vehicle 工信部智能汽车 Intelligent Vehicle 发改委自动驾驶计划自动驾驶计划 自动驾驶业务（自动驾驶业务（McKinseyMcKinsey与波士顿咨询公司估计）：与波士顿咨询公司估计）：20252025年可以产生年可以产生2000 2000 亿至亿至1.9 1.9 万亿美元的产值万亿美元的产值20252025年全球渗透率将达到年全球渗透率将达到7%7%-13%13%，相关市值约为，相关市值约为420420亿美元亿美元 商业量产商业量产目前：目前：TeslaTesla、奥迪、奥迪A8A8，waymowaymo20202020年：丰田、日产、大众、宝马、奔驰、通用、现代、起亚年：丰田、日产、大众、宝马、奔驰、通用、现代、起亚20212021年：沃尔沃、福特年：沃尔沃、福特 自动驾驶市场和规模（思迈咨询公司和自动驾驶市场和规模（思迈咨询公司和IEEEIEEE学会预测）：学会预测）：20252025年：全球销量达到年：全球销量达到2323万辆万辆20352035年：全球销量年：全球销量11801180万辆，北美、中国和西欧将成为自动驾驶的三大主要市场，占比将万辆，北美、中国和西欧将成为自动驾驶的三大主要市场，占比将分别达到分别达到29%29%、24%24%和和20%20%（约（约350350、280280和和240240万辆）万辆）20402040年：全球年：全球75%75%的汽车都将被自动驾驶汽车取代的汽车都将被自动驾驶汽车取代自动驾驶愿景自动驾驶愿景NATURENATURE：无人车：无人车20202020年广泛使用，并将彻底年广泛使用，并将彻底颠覆我们的出行模式：颠覆我们的出行模式：更安全更安全更绿色，编队油耗更绿色，编队油耗降低降低10%10%车辆共享，将最少车辆共享，将最少节省节省8 8亿个停车位亿个停车位 M.Mitchell Waldrop.Autonomous vehicles:No drivers required.NATURE,2015,518(7537).1自动驾驶介绍2自动驾驶模式对交通流的影响3案例分析自动驾驶自动驾驶不是一蹴而就不是一蹴而就 自动驾驶逐步应用过程中必然出现传统车辆与不同等级自动驾驶车辆混行的场景自动驾驶逐步应用过程中必然出现传统车辆与不同等级自动驾驶车辆混行的场景 自动驾驶汽车的一些行车规则和人类驾驶员的行车习惯存在差异自动驾驶汽车的一些行车规则和人类驾驶员的行车习惯存在差异以waymo无人车路测问题为例不能丁字口左转被有人车追尾无法判断对向车辆转向意图而驻车无法汇入车流自动驾驶自动驾驶以车为主技术路线以车为主技术路线谷歌谷歌 自主驾驶、无网联自主驾驶、无网联特斯拉特斯拉 自主驾驶、有网联自主驾驶、有网联优步优步/沃尔沃沃尔沃 城市自主驾驶、有网联、共享车城市自主驾驶、有网联、共享车特点及缺陷特点及缺陷 需要中等或强人工智能，大规模实现可能需要到需要中等或强人工智能，大规模实现可能需要到20352035年年 极端聪明的车极端聪明的车，车是一切的主宰，车是一切的主宰 道路等基础设施对自动驾驶不起作用或只是起辅助作用道路等基础设施对自动驾驶不起作用或只是起辅助作用 激光雷达、视频、毫米波雷达、超声波雷达等激光雷达、视频、毫米波雷达、超声波雷达等感知感知设备和设备和计算计算决策系统决策系统费用是车价格的数倍，系统很费用是车价格的数倍，系统很昂贵昂贵 目前的安全性、可靠度很差目前的安全性、可靠度很差自动驾驶自动驾驶车路协同优势车路协同优势通过雷达通过雷达、视频等先进的视频等先进的车车、路感知设备路感知设备对道路交通环对道路交通环境进行境进行实时高精度感知实时高精度感知按照约定的通信协议和数据交互标准按照约定的通信协议和数据交互标准，实现实现路车路车I I2 2X X和和车车路路V V2 2X X通讯及信息交换通讯及信息交换形成智能化交通管理形成智能化交通管理、智能化动态信息服务以及智能化动态信息服务以及自动驾自动驾驶驶/智能网联智能网联的车路协同的车路协同系统系统自动驾驶自动驾驶一体化集成一体化集成以车为主的方法以车为主的方法ITIT企业、车企、企业、车企、运营企业运营企业以路（基础设施）以路（基础设施）为主的方法为主的方法交通行业交通行业智能交通系统终极形式自动驾驶车路协同系统自动驾驶自动驾驶一体化集成缩短自动驾驶实现时间一体化集成缩短自动驾驶实现时间2050弱人工智能时间进度自动驾驶级别2020201720252030L2(PA)L3(CA)L4(HA)L5(FA)L1(DA)中人工智能强人工智能人工智能层级一体化以车为主弱人工智能中人工智能强人工智能超人工智能以路为主 冉斌.智能网联交通技术发展现状及趋势J.汽车安全与节能学报,2018,9(2).自动驾驶自动驾驶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.自动驾驶技术配合专用道大幅减少驾驶反应时间和降低减少驾驶反应时间和降低行车间距行车间距，进而提升道路通行能力。7200480024000.5 0.751.5人工驾驶反应时间（反应时间（s s）自动驾驶自动驾驶+专用道通行能力通行能力(pcupcu/h)/h)车头间距（车头间距（m m）13.9 20.841.7速度速度=100km/h=100km/h通行能力通行能力(辆辆/小时小时)=反应时间反应时间(秒秒)不同反应时间对应的车头间距不同反应时间对应的车头间距自动驾驶自动驾驶提升道路通行能力提升道路通行能力若车速=100km/h时：C自动驾驶=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自动驾驶技术在速度不变的情况下降低车间距，即增大交通流密降低车间距，即增大交通流密度度，从而显著增加道路通行能力。阴影部分表示单阴影部分表示单车道通行能力车道通行能力42 24 42 24 车头间距车头间距(m)(m)自动驾驶自动驾驶改善交通安全改善交通安全0100002000030000400002015 2020 2025 2030 2035 2040 2045 2050 2055死亡人数死亡人数年份年份NHTSA(NHTSA(美国公路交通安全管理美国公路交通安全管理局局)对自动驾驶和智能网联交通对自动驾驶和智能网联交通技术的应用进行评估：技术的应用进行评估：随着自动驾驶车辆比例的提随着自动驾驶车辆比例的提升，可以有效升，可以有效减少减少因道路交因道路交通事故导致的通事故导致的死亡人数死亡人数。到。到20502050年，死亡人数约减少为年，死亡人数约减少为目前的目前的50%50%，每年减少约，每年减少约1700017000人。人。因道路交通事故产生的经济因道路交通事故产生的经济损失每年减少约损失每年减少约19001900亿亿美元。美元。美国公路交通安全管理局关于交通事故死亡的定义：在公共道路上涉及机动车交通事故，在30天内死亡。每起死亡交通事故的社会费用：9.1百万美元。1自动驾驶介绍2自动驾驶模式对交通流的影响3仿真结果分析及评价仿真一：多车协同驾驶混成控制仿真一：多车协同驾驶混成控制MATLABMATLAB仿真仿真采用MATLAB工具和设计的混成控制算法让车辆能根据道路动态，自适应的选择合适的协作状态进行协同驾驶，在保障道路交通安全的情况下，提高道路通行效率。仿真一：多车协同驾驶混成控制仿真一：多车协同驾驶混成控制MATLABMATLAB仿真仿真自由巡航：实现车车交互下的单车自由巡航控制自由巡航模型预测控制器车辆模型人工势场模型约束条件组队巡航：实现多车的组队巡航控制组队控制模型预测控制器车辆模型组队人工势场模型约束条件组队车距保持分布式协同驾驶混成自动机：实现车辆协同驾驶过程中不同连续状态之间的切换控制合并拆分车辆运动约束环境交互状态实现多控制目标约束车辆运动约束环境交互状态实现多控制目标约束保持车距控制器组件实现功能控制器组件实现功能环境事件描述车辆状态定义状态切换事件系统状态集事件触发规则车队状态切换规则状态切换规则技术方法：技术方法：人工势场人工势场APFAPF 模型预测控制模型预测控制MPCMPC 混成自动机混成自动机Hybrid Hybrid automatonautomaton仿真一：多车协同驾驶混成控制仿真一：多车协同驾驶混成控制MATLABMATLAB仿真仿真 自由巡航oAcar=Ucarx(0)rcarrvAvKS=L-sL+szcarrcarrrUpvApvKSv=()(0)0(0)Ip1d1yL+sLoxp2d2d3p3carvmnDAe=22exp2oAcar=UcarxL-spL+spzp1d1yLxp2d2d3p3o-spL+sp 组队巡航人工势场模型：人工势场模型：环境车辆势场环境车辆势场仿真一：多车协同驾驶混成控制仿真一：多车协同驾驶混成控制MATLABMATLAB仿真仿真人工势场模型：人工势场模型：道路势场道路势场 方向势场方向势场A左车道本车道右车道URl2l3l1l4ozy车道线势场示意图lane ilanermnrlane idk iUiroadedgelikdiroadedge=2,22,()*exp2()*()mnmnirli=mnrsx=+方向势场道路势场仿真一：多车协同驾驶混成控制仿真一：多车协同驾驶混成控制MATLABMATLAB仿真仿真模型预测控制器：模型预测控制器：目标函数目标函数 约束条件约束条件()()12222111()()1CPPNNNAPFvQRPiiiJ kUkie kiu ki=+25259.4/9.4/ss&约束条件人工势场目标速度偏差控制增量松弛因子2201.1*4.9/1/desvvm svm s&()()()()222111122211()()|PPPCPNNNAPFyxdQWWiiiNNvRPiiJ kUieieiSe iu ki t=+人工势场目标速度偏差控制增量松弛因子跟踪轨迹偏差组队巡航自由巡航仿真一：多车协同驾驶混成控制仿真一：多车协同驾驶混成控制MATLABMATLAB仿真仿真混成自动机模型：混成自动机模型：逻辑条件逻辑条件 条件动作条件动作H=(QD，Var，Con，Event，Edge，Act，Inv，Init)其中，Q为离散状态的有限集合，这里Q=Q1，Q2，Q3；其中Q1为自由巡航状态，Q2为组队巡航状态，Q3为紧急避险状态。Var为系统的状态向量，Var=x，y，v，Con为系统控制向量集，Event为状态迁移事件，Event=Merge，Split，即组队与分离，在本文所设计的车辆协同驾驶系统中这里的迁移事件作为子状态机存在，后文将详细说明f,Conv=Q1Q2minCruisevConJ=minFollowvConJ=Q3MergeMax(APF(Carpredict)APFsafeminminvvCon=Max(APF(Carpredict)APFsafeSplit:platoon=pltnIDSplit:platoon=HostIDplatoon=pltnIDplatoon=HostID仿真一：多车协同驾驶混成控制仿真一：多车协同驾驶混成控制MATLABMATLAB仿真仿真Car5Car6Car1Car4Car2Car8Car3Car7Car15Car9Car12Car10Car14Car11Car13(a)后方被控车辆分布示意图(b)前方障碍车辆分布示意图仿真一：多车协同驾驶混成控制仿真一：多车协同驾驶混成控制MATLABMATLAB仿真仿真S1：自由巡航禁止组队S2：组队巡航允许组队领航车跟随车障碍车仿真一：多车协同驾驶混成控制仿真一：多车协同驾驶混成控制MATLABMATLAB仿真仿真S1工况：车辆速度轨迹S2工况：车辆速度轨迹具备自动驾驶及智能网联功能的车辆通过相互协作，可以在更短的时间内（如具备自动驾驶及智能网联功能的车辆通过相互协作，可以在更短的时间内（如S2S2中中60s60s）通过障碍区，并能保证各个车辆速度变化较小，从而在保证交通安全的同时提升道路通过障碍区，并能保证各个车辆速度变化较小，从而在保证交通安全的同时提升道路通行能力。通行能力。仿真二：多车编队对交通流的影响仿真二：多车编队对交通流的影响采用Vissim COM服务进行车辆编队策略的开发，实现车联网及自动驾驶情景下的仿真。但目前存在仿真速度过慢的问题，因此，仿真过程中设置的步长为1秒，未来考虑采用VISSIM EDM外部驾驶员模型的方法进行开发改进，提高仿真速度，减小时间步长。仿真二：多车编队对交通流的影响仿真二：多车编队对交通流的影响11tntnttvvn=1endstartstartttttendstartvvtt=ntvt时刻车辆n的速度tnt时刻系统的车辆数tvt时刻系统的平均车速startt数据记录的开始时间endt数据记录的结束时间v系统的平均速度效率指标：效率指标：仿真二：多车编队对交通流的影响仿真二：多车编队对交通流的影响能耗指标：能耗指标：21()2rDifs mamgCAcd v=+由牛顿第二定律推导的能耗计算公式：空阻系数的计算方法：101()(1)DDiDDiccdccd=+Aerodynamics of Road Vehicles,ASE International,2016 仿真二：多车编队对交通流的影响仿真二：多车编队对交通流的影响高装配率低装配率研究不同联网货车比例下的系统效率和能耗效果。仿真二：多车编队对交通流的影响仿真二：多车编队对交通流的影响系统运行效率随着联网货车比例的增加而逐步增大，随着输入流量的增加而逐步降低。当联网货车比例为100%时，无论系统输入流量的大小，系统效率均要高于无专用道情况。当系统输入流量为2000veh/h/lane，即超过道路通行能力时，只要联网货车比例高于20%，系统效率就高于无专用道情况；当系统输入流量为1500veh/h/lane，即接近道路通行能力时，只要联网货车比例高于40%，系统效率就高于无专用道情况。仿真二：多车编队对交通流的影响仿真二：多车编队对交通流的影响无论哪种流量情况下，普通汽车的运行效率均要低于无货车专用道的情况，但随着流量的增加，效率降低的差距越来越小，当流量达到2000veh/h/lane时，100%联网货车方案的运行效率与无专用道情况下的普通汽车运行效率基本一致。由于设置了专供货车行驶的专用车道，货车的运行效率较无专用道情况下要显著提高，只要是联网货车比例高于20%，不管是在何种流量下，货车的运行效率均要高于无专用道情况。仿真二：多车编队对交通流的影响仿真二：多车编队对交通流的影响系统的能耗效率随着联网货车比例的提高而下降。除了1500veh/h/lane流量的情况外，其它流量比例下，系统能耗均要低于无专用道的情况，即使是1500veh/h/lane的情况，联网货车比例高于60%时，系统能耗也要低于无专用道的情况。Fuel-efficient仿真二：多车编队对交通流的影响仿真二：多车编队对交通流的影响普通汽车、货车的能耗效率趋势与系统总体的能耗效率趋势基本一致。谢 谢