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 自动驾驶介绍 2 3 自动驾驶——触手可及 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。 自动驾驶–Automated Driving自动驾驶汽车--Automated Vehicle智能网联汽车–IntelligentConnected Vehicle–工信部智能汽车–Intelligent Vehicle–发改委 自动驾驶计划 自动驾驶业务（McKinsey与波士顿咨询公司估计）： ➢2025年可以产生2000亿至1.9万亿美元的产值➢2025年全球渗透率将达到7%-13%，相关市值约为420亿美元 商业量产 ➢目前：Tesla、奥迪A8，waymo➢2020年：丰田、日产、大众、宝马、奔驰、通用、现代、起亚……➢2021年：沃尔沃、福特 自动驾驶市场和规模（思迈咨询公司和IEEE学会预测）： ➢2025年：全球销量达到23万辆➢2035年：全球销量1180万辆，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29%、24%和20%（约350、280和240万辆）➢2040年：全球75%的汽车都将被自动驾驶汽车取代 自动驾驶愿景 NATURE：无人车2020年广泛使用，并将彻底颠覆我们的出行模式： ➢更安全➢更绿色，编队油耗降低10%➢车辆共享，将最少节省8亿个停车位 1 自动驾驶模式对交通流的影响 2 案例分析 3 自动驾驶——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 自动驾驶—以车为主技术路线 •谷歌–自主驾驶、无网联•特斯拉–自主驾驶、有网联•优步/沃尔沃–城市自主驾驶、有网联、共享车 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2035年 •极端聪明的车，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 •激光雷达、视频、毫米波雷达、超声波雷达等感知设备和计算决策系统费用是车价格的数倍，系统很昂贵 •目前的安全性、可靠度很差 自动驾驶—车路协同优势 通过雷达、视频等先进的车、路感知设备对道路交通环境进行实时高精度感知按照约定的通信协议和数据交互标准，实现路车I2X和车路V2X通讯及信息交换形成智能化交通管理、智能化动态信息服务以及自动驾驶/智能网联的车路协同系统 自动驾驶——一体化集成 自动驾驶——一体化集成缩短自动驾驶实现时间 自动驾驶——提升道路通行能力 自动驾驶技术配合专用道大幅减少驾驶反应时间和降低行车间距，进而提升道路通行能力。 自动驾驶——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 自动驾驶技术在速度不变的情况下降低车间距，即增大交通流密度，从而显著增加道路通行能力。 自动驾驶——改善交通安全 NHTSA (美国公路交通安全管理局)对自动驾驶和智能网联交通技术的应用进行评估：•随着自动驾驶车辆比例的提 升，可以有效减少因道路交通事故导致的死亡人数。到2050年，死亡人数约减少为目前的50%，每年减少约17000人。 •因道路交通事故产生的经济损失每年减少约1900亿美元。 每起死亡交通事故的社会费用：9.1百万美元。 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。 1 自动驾驶模式对交通流的影响 2 仿真结果分析及评价 3 仿真一：多车协同驾驶混成控制MATLAB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MATLAB仿真 分布式协同驾驶混成自动机： 技术方法： 实现车辆协同驾驶过程中不同连续状态之间的切换控制 ➢人工势场APF➢模型预测控制MPC➢混成自动机Hybridautomaton 仿真一：多车协同驾驶混成控制MATLAB仿真 •组队巡航 人工势场模型： ➢环境车辆势场 仿真一：多车协同驾驶混成控制MATLAB仿真 人工势场模型： 道路势场 ➢道路势场 mnrsx= +方向势场 仿真一：多车协同驾驶混成控制MATLAB仿真 自由巡航 模型预测控制器： ➢目标函数 人工势场目标速度偏差控制增量松弛因子 约束条件 25259.4 /9.4 /ss− −&2201.1*4.9/1/desvvmsvms−& 仿真一：多车协同驾驶混成控制MATLAB仿真 混成自动机模型： ➢逻辑条件 ➢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，，}f Con为系统控制向量集，，,Conv= 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 仿真一：多车协同驾驶混成控制MATLAB仿真 仿真一：多车协同驾驶混成控制MATLAB仿真 仿真一：多车协同驾驶混成控制MATLAB仿真 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S2中60s）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。 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 效率指标： 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 仿真二：多车编队对交通流的影响 能耗指标： 21(())2rDifs mamgCAcd v=++由牛顿第二定律推导的能耗计算公式：c 空阻系数的计算方法：101()(1)DDiDDicdccd=−+ 仿真二：多车编队对交通流的影响 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 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 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 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。 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