胡月豪

(貴州交通職業(yè)技術(shù)學院,貴州 貴陽550000)

自動駕駛汽車（以下簡稱為自動駕駛）也稱輪式移動機器人，相關(guān)科學技術(shù)的蓬勃發(fā)展，加快了由高級輔助駕駛向全自動駕駛的轉(zhuǎn)變進程。

Petros Ioannou等[1]（1997）的研究表明半自動/全自動車輛可以降低由快速加減速造成的擾動并防止“slinky effects”的傳播，同時指出自動駕駛對油耗和污染有著積極的作用；Arnab Bose等[2]（1999）分析了當?shù)缆翻h(huán)境中半自動和手動汽車在同車道行駛時對交通流狀態(tài)的影響；Sunan Huang等[3]（2000）模擬手動/自動車輛同時上路的情況，對混合交通做了性能評估；陳時東等[4]（2009）建立由兩種車長、能以不同最大速度行駛且具有自動巡航功能的單車道混合交通流模型，分析了不同變量下的交通流特征，研究了速度期望因子和混合比例系數(shù)對交通流的影響；邱小平等[5]（2016）引入Gipps安全距離規(guī)則改進NaSch模型，建立了基于安全距離的手動-自動駕駛混合交通流CA模型，研究了自動駕駛對道路交通流的影響。

本文建立了單車道人機駕駛混合交通流環(huán)境下的CA模型。通過對交通流基本圖與時空演化圖的分析，以期揭示自動駕駛運動特性，及人類對自動駕駛的應激對交通系統(tǒng)運行效率的影響。

1 模型的建立

1.1 基本假設

本文所指自動駕駛是指無人工干預條件下通過傳感設備、信息技術(shù)等實現(xiàn)的全自動駕駛。為便于對人類做出提示，自動駕駛車輛可通過顏色、外觀等被辨識。并假設在單車道交通流環(huán)境下當人工駕駛前車為自動駕駛時，出于對其超出人類的“專注與敏捷”的顧忌，人類駕駛員會選擇增大安全間距，這是模型建立的前提條件。

1.2 安全距離的定義

車頭時距（Time Headway,TH）代表前后兩車前端通過同一地點的時間差。一般可用前后車的車頭間距比上后車速度來計算，如圖1所示。最短車頭時距代表駕駛員選擇車頭時距下限，是維持行駛安全的最小距離，當?shù)缆飞洗嬖谧詣玉{駛和人工駕駛兩種類型車輛時，后者通常會根據(jù)前方車輛的類型而選擇恰當?shù)淖疃誊囶^時距，這一假設考慮了前車屬性對人工駕駛駕駛員安全駕駛而產(chǎn)生的心理影響。

圖1 人工駕駛安全距離示意圖

式中，安全距離據(jù)固定車頭時距來評價駕駛安全性，同式（1）：

2.2 交通流特性分析

2.2.1 流量與速度分析

由于自動駕駛車輛和人工駕駛車輛無論在駕駛特性方面或自身性能上都千差萬別，探究人機駕駛混合交通流中兩種屬性車輛的混合比例參數(shù)對單車道交通流產(chǎn)生的影響。

圖2是模擬得到不同混合比例下單車道人機駕駛混合交通流的流量-密度關(guān)系圖a和速度-密度關(guān)系圖b。圖中，r表示人工駕駛占總車輛數(shù)的比例，選取了6組混合比例進行仿真，人工駕駛的隨機減速概率均為P=0.175 ，安全距離差值di=1（3.750 m）。

由圖2分析，隨人工駕駛比例增加，道路通行能力降低。在r=0即道路上全為自動駕駛時其平均速度能達最大值vmax，最大流量相對r=1時增加了0.680 倍。原因是自動駕駛反應時間短，其加減速機制優(yōu)于人工駕駛，行駛過程中沒有隨機慢化導致降速的情況，故大幅提高了道路通行能力，使得整體流量、速度較為明顯提升。人機駕駛混合交通流中人工駕駛的加速機制和隨機減速機制是制約車輛提速的因素之一。當前車為自動駕駛時，駕駛員因心理因素及安全考慮會增加其行車距離，這也制約了正常加速，降低了通行能力。

圖3給出了同密度ρ=0.2 （約54 veh/km）不同混合比例r下的時空演化斑點圖,由1600個格點2000個時步的演化過程。橫軸表示車輛位置，從左至右行進；縱軸表示時間，自上而下演化。黑點表示車輛占據(jù)，白點表示空格?；疑珔^(qū)域車輛自由運動，行駛暢通；黑色區(qū)域車輛停止運動集聚到一起，出現(xiàn)局部擁堵。由圖3-a可知，在r=0車道上只有自動駕駛，車輛以相對穩(wěn)定的車速行駛，車輛位移是均勻的，車流處于暢通狀態(tài)，有短時時走時?，F(xiàn)象但并未發(fā)生局部擁堵。比較圖3a-d發(fā)現(xiàn)，隨著r增大，堵塞區(qū)域增多，堵塞帶逐漸延長。在r=1時車道上僅有人工駕駛，如圖3-d所示，可以清晰的看見由堵塞相與運動相形成相分離現(xiàn)象，交通流處于亞穩(wěn)定狀態(tài)。仿真結(jié)果表明，減少人工駕駛而增加自動駕駛比例，可以有效的調(diào)節(jié)交通運行效率，提高車流的平均速度，增加交通流量，減少擁堵。

圖3 不同混合比例下的時空演化斑點圖

2.2.2 車頭間距分析

車頭間距指在同一車相鄰兩車頭端部間的瞬時距離。車頭間距與交通流三參數(shù)有密切關(guān)系，車頭間距因交通流狀態(tài)的差異，將表現(xiàn)不同特性。

為深入研究車頭間距對人機駕駛混合交通流的影響，從相鄰兩車屬性組合4種情景進行對比。由于模型中車頭間距和速度均以元胞數(shù)（cells）度量，故在圖4中同時表示車頭間距和后車速度的變化。圖4選取了一次模擬中同一起始時刻（ρ=0.150、r=0.200 、P=0.200 ），初始車頭間距和速度相同的4種情景，實線為兩車車頭間距，虛線為后車速度。對比發(fā)現(xiàn)前后車屬性不同，其速度的變化有明顯差別。當后車為自動駕駛時，能較好的結(jié)合車頭間距及時調(diào)整車速，不至于使車頭間距波動過大，圖中表現(xiàn)為二者變化趨勢緊密貼合，如圖4-a、4-b；當后車為人工駕駛時，因不能及時調(diào)控車速，甚至當前車為自動駕駛時由于人類駕駛員對自動駕駛的“顧忌”，形成前后車速度差，造成車頭間距過大如圖4-c。兩者貼合度不高，在周期性邊界條件下，過大的車頭間距對后續(xù)車輛速度更新會產(chǎn)生影響，進而干擾整個道路，造成阻塞。

圖4 同一時刻起始的四類車序車頭間距和速度對比圖a～d

3 結(jié)論

基于元胞自動機及跟馳理論，本文提出了單車道人機混合駕駛交通流下的自動駕駛模型和人工駕駛模型。模型數(shù)值模擬結(jié)果表明，自動駕駛憑借超乎人類專注與敏捷優(yōu)勢，固然能夠提高交通系統(tǒng)的運行效率，但即使對于單車道這一最簡單的交通系統(tǒng)，在人機駕駛混合條件下，假設人類在駕駛中由生理局限以及對自動駕駛謹慎心理仍會導致混合交通流的不穩(wěn)定，這一現(xiàn)象對現(xiàn)實中更為復雜的交通環(huán)境的影響值得進一步探究。