梅亞飛++賀子鵬++李一銘

[摘 要]由于道路的數(shù)量限制，交通容量有限，使用自駕駛技術(shù)來改善美國許多地區(qū)，甚至全世界的交通擁堵變得越來越重要。本文通過引入自動(dòng)駕駛模型來改善交通擁堵的狀況，進(jìn)而在自動(dòng)駕駛的基礎(chǔ)上進(jìn)行車道規(guī)劃，從而最大限度地提高道路容量。模擬和計(jì)算自動(dòng)駕駛模型后，計(jì)算出平衡點(diǎn)存在。結(jié)果數(shù)據(jù)表明隨著自動(dòng)駕駛汽車比例的增加，交通數(shù)量顯著增加，直到比例達(dá)到75%，當(dāng)比例大于75%時(shí)增量速度低，平衡點(diǎn)為75%。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，發(fā)現(xiàn)車道的總量也可以影響交通熔爐，因此開辟自動(dòng)駕駛的專用車道是十分必要的

[關(guān)鍵詞]自動(dòng)駕駛，交通容量，平衡點(diǎn)，車道數(shù)

中圖分類號(hào)：U491 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2017）05-0218-01

一.研究背景

當(dāng)今，美國許多地區(qū)由于道路的數(shù)量限制，交通容量有限。例如，在大西雅圖地區(qū)，由于交通量超過道路網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)容量，司機(jī)在交通高峰時(shí)段經(jīng)歷長時(shí)間的延誤。5號(hào)，90號(hào)和405號(hào)州際公路以及520號(hào)國道在這個(gè)問題上顯得尤為明顯。自動(dòng)駕駛車己經(jīng)作為增加公路能力而不用拓寬車道的方案提出，但是在這一點(diǎn)上，人們并未很好的理解自動(dòng)駕駛車與現(xiàn)有交通工具的關(guān)系，因此該論文主要研究自動(dòng)駕駛對(duì)美國交通擁堵狀況的改善。

二.自動(dòng)駕駛模型

2.1 模型的建立

首先，定義需要駕駛員手動(dòng)操作的車輛為“人工駕駛”，而對(duì)不需要人工參與，只需裝有車輛信息收發(fā)裝置就可得到自動(dòng)控制的車輛，稱為“自動(dòng)駕駛”。運(yùn)用元胞自動(dòng)機(jī)理論，車輛的速度限定在取0至之間（包括兩者）的整數(shù)值，其中表示車輛允許達(dá)到的最大速度。

進(jìn)而，假設(shè)“自動(dòng)駕駛”由于人工操作誤差的限制，只能優(yōu)化前方一定范圍內(nèi)的車輛，故將前方可用來優(yōu)化的車輛的數(shù)目稱為此智能車的合作范圍，表示“自動(dòng)駕駛”只能用其前方輛車的信息來做自身的速度優(yōu)化。這樣對(duì)于“人工駕駛”來說，其視野等效等于0。另外，車頭距為兩相鄰車之間的空的元胞數(shù)，對(duì)任意第輛車來說，有

最后，結(jié)合NaSch模型和Velocity Effect（VE）模型，提出一種新的車輛速度優(yōu)化更新規(guī)則。對(duì)于“人工駕駛”而言，即有

對(duì)于“自動(dòng)駕駛”

其中表示第輛車視野為時(shí)應(yīng)有的優(yōu)化更新速度。如果實(shí)際上第輛車是“人工駕駛”，那么就有；如果實(shí)際上第輛車還是“自動(dòng)駕駛”時(shí)，那么可以取

式中代表第輛車的“實(shí)際速度”，其計(jì)算方法與類似，如此迭代下去，如果前方一直沒有“人工駕駛”車輛，計(jì)算就在第輛車終止，此時(shí)有此外，無論是“人工駕駛”還是“自動(dòng)駕駛”，其位置更新表達(dá)式是相同的，都為

2.2 考慮隨機(jī)慢化過程的影響

“人工駕駛”以進(jìn)行

為“自動(dòng)駕駛”的隨機(jī)慢化概率，為“人工駕駛”的速度

“自動(dòng)駕駛”以進(jìn)行

為“自動(dòng)駕駛”的隨機(jī)慢化概率，為“自動(dòng)駕駛”的速度

因?yàn)椤白詣?dòng)駕駛”的反應(yīng)比“人工駕駛”更加敏捷，故

2.3 仿真及結(jié)果分析

圖1 相對(duì)流量，自動(dòng)駕駛車輛比例，相對(duì)密度的關(guān)系

為了便于計(jì)算，進(jìn)行歸一化處理，是相對(duì)密度，是相對(duì)流量。我們可以看到當(dāng)很小時(shí)，隨著自動(dòng)駕駛汽車比例的增加，影響很小。當(dāng)比例增加時(shí)，顯著增加

當(dāng)取視野.時(shí)

圖2 不同自動(dòng)駕駛汽車比例下相對(duì)密度和相對(duì)流量的關(guān)系

如圖，顯示了車輛密度分別為0.1至0.9時(shí)的9種不同情形。從圖中可以看出，不論車輛密度取值如何，系統(tǒng)車流量與自動(dòng)駕駛汽車比例都是呈正相關(guān)關(guān)系。并且在車輛密度小于一定閾值時(shí)（比如圖中小于0.75），系統(tǒng)自動(dòng)駕駛汽車比例越大，車流量就增加越大，當(dāng)達(dá)到最大值后保持不變。而當(dāng)車輛密度大于一定閾值時(shí)，隨著系統(tǒng)自動(dòng)駕駛汽車比例的增大，車流量會(huì)一直增大，沒有最大值平臺(tái)期，且車流量與系統(tǒng)車輛密度有負(fù)相關(guān)關(guān)系。結(jié)果表明，道路交通系統(tǒng)中的車輛密度在一定取值范圍內(nèi)，對(duì)應(yīng)有最優(yōu)的自動(dòng)駕駛汽車比例，表示其剛好能使系統(tǒng)達(dá)到最大車流量，且再增加自動(dòng)駕駛汽車比例對(duì)整個(gè)系統(tǒng)流量也沒有改善。而當(dāng)系統(tǒng)車輛密度更高時(shí)，自動(dòng)駕駛汽車比例就會(huì)越大越好，直至全部為自動(dòng)駕駛車時(shí)達(dá)到最大交通流量。所以，在對(duì)實(shí)際的交通系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，要準(zhǔn)確把握其狀態(tài)參數(shù)，比如道路中平均車輛密度等，這樣才能根據(jù)不同的情況設(shè)計(jì)有針對(duì)性的最優(yōu)策略。

三.基于自動(dòng)駕駛條件下的車道規(guī)劃

由上述模型計(jì)算及仿真結(jié)果可知：當(dāng)時(shí)，隨著車流量隨著相對(duì)密度的增加而增加；當(dāng)時(shí)，隨著相對(duì)密度的增加，日平均流量增加不明顯。因此，如果想進(jìn)一步提高車流量，則需要考慮開辟專門的車道給自動(dòng)駕駛車輛行駛

3.1 前提條件

開辟專用車道的前提：（）

3.2 表達(dá)式

需要開辟的車道數(shù)的表達(dá)式為

其中為需要開辟的車道數(shù)，應(yīng)該為對(duì)原有車道數(shù)與無人駕駛車輛比例和相對(duì)密度的乘積向下取整求得，因?yàn)楫?dāng)相對(duì)密度為時(shí)，此時(shí)車輛密度最大，需要把無人駕駛車輛放置于新開辟的專用車道上才能擴(kuò)大道路容量。

四.結(jié)論

引入自動(dòng)駕駛后，美國大西雅圖地區(qū)的交通擁堵狀況確實(shí)能夠得到顯著改善，隨著自動(dòng)駕駛汽車比例的增加，交通流量顯著增加，直到比例達(dá)到75%，當(dāng)比例大于75%時(shí)增量速度低，平衡點(diǎn)為75%，因此為了最大限度地緩解交通擁堵，公路上的自動(dòng)駕駛汽車的比例設(shè)置為75%最合適。若公路上的自動(dòng)駕駛汽車比例超過75%，要想進(jìn)一步提高道路容量，可以采取開辟自動(dòng)駕駛專用車道的措施。

參考文獻(xiàn)

[1] 邱小平，馬麗娜，周小霞等.基于安全距離的手動(dòng)-自動(dòng)駕駛混合交通流研究[J].交通運(yùn)輸系統(tǒng)工程與信息，2016，16（4）：101-108，124.DOI：10.3969/j.issn.1009-6744.2016.04.015.

[2] 宮曉燕，湯淑明，王知學(xué)等.高速公路交通流建模綜述[J].交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào)，2002，2（1）：74-79.DOI：10.3321/j.issn：1671-1637.2002.01.016.

[3] 劉泓.交通仿真系統(tǒng)的并行計(jì)算、智能優(yōu)化和混雜模型研究[D].浙江大學(xué)，2006.