郭 迎，宋曉鵬，梁睿琳

（1.長安大學(xué)，陜西西安 710064；2.浙江數(shù)智交院科技股份有限公司，浙江杭州 310031）

車輛隊(duì)列技術(shù)通過在車輛上安裝傳感器、雷達(dá)以及車載通信單元，使得車輛之間能夠相互感應(yīng)或通信，進(jìn)而通過特定控制策略使多車輛排成一列，并保持一定的安全距離。該技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)多車輛以相對較高的平均速度以及較短的跟馳間距安全行駛，提高了交通安全性與交通效率[1]。但車載無線通信的可靠性與許多不確定的因素有關(guān)，例如電磁波的多徑效應(yīng)、交通流密度、電子噪聲、建筑遮擋、隧道和綠色植被等，并且當(dāng)存在通信延遲時(shí)，車輛隊(duì)列的速度及間距誤差將沿著隊(duì)列下游的方向放大，造成車輛隊(duì)列的性能急劇下降[2]。

實(shí)車測試環(huán)境下的無線信道易受外界各種無線電信號干擾的影響，目前的仿真是國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)對于車輛隊(duì)列性能的測試評估的重要技術(shù)手段。一些研究人員已經(jīng)意識到通信延遲對車輛隊(duì)列穩(wěn)定性的影響，一部分研究人員通過改變網(wǎng)絡(luò)配置來抑制通信延遲，從而達(dá)到提高車輛隊(duì)列穩(wěn)定性的目的。文獻(xiàn)[3]提出了一種通過使用領(lǐng)導(dǎo)車輛和跟隨車輛的預(yù)期信息來減輕車輛隊(duì)列之間通信延遲的策略。文獻(xiàn)[4]設(shè)計(jì)了一種策略，通過提供靈活的Ad-hoc 鏈接來減輕各種流量情況下的通信延遲。一部分研究人員通過設(shè)計(jì)更有效的隊(duì)列控制器或跟車控制策略，例如文獻(xiàn)[5]將車輛隊(duì)列當(dāng)作受時(shí)變異構(gòu)通信延遲影響的動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)，提出了一種緩解車輛隊(duì)列穩(wěn)定性問題的共識策略。還有基于圖論推導(dǎo)了分布式控制協(xié)議，例如文獻(xiàn)[6]在考慮時(shí)變通信延遲的基礎(chǔ)上，提出了一種跟車控制策略，推導(dǎo)并證明了在頻域內(nèi)保證局部穩(wěn)定性的充分必要條件以及保證串行穩(wěn)定性的充分條件。此外，文獻(xiàn)[7-9]為了處理通信和寄生延遲，將車輛隊(duì)列建模為在各種時(shí)變網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湎碌亩嘀匮舆t線性系統(tǒng)，研究了內(nèi)部穩(wěn)定性和串行穩(wěn)定性，提出了一種自適應(yīng)控制法和一種共識方法，旨在減輕通信延遲的影響。

通過對不可靠通信條件下的車輛隊(duì)列穩(wěn)定性的研究分析發(fā)現(xiàn)，目前研究人員在設(shè)計(jì)車輛編隊(duì)行駛策略過程中，已經(jīng)考慮到了通信延遲對于車輛隊(duì)列穩(wěn)定性的影響，但是始終缺少對車輛延遲環(huán)境下車輛隊(duì)列穩(wěn)定性表現(xiàn)的系統(tǒng)研究。針對上述問題，文中選取協(xié)同式自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)(Cooperative Adaptive Cruise Control System，CACC)[16]作為車輛隊(duì)列縱向控制策略，首先提出了一系列用于分析車輛隊(duì)列狀態(tài)的測試評價(jià)指標(biāo)，包括速度、速度誤差、間距誤差以及實(shí)時(shí)車頭時(shí)距等，然后在構(gòu)建的仿真平臺上，以“正弦振蕩”為典型測試場景，仿真測試分析了在不同通信延遲環(huán)境下的車輛隊(duì)列的穩(wěn)定性。

1 網(wǎng)聯(lián)汽車CACC控制策略分析

CACC 模式下工作的同質(zhì)性車輛隊(duì)列如圖1 所示，其中di(t)是車輛i與其前一輛車i-1 之間的距離。di+1(t)是車輛i+1 與其前一輛車i之間的距離；vi+1(t)、vi(t)和vi-1(t)分別是車輛i+1、i和i-1 的速度；vi(t)?td+Gmin是車輛i和之前的車輛i-1 之間的期望間距[10]。

圖1 同質(zhì)性CACC車輛隊(duì)列示意圖

為了簡化研究，文中使用單前繼跟隨（Single Predecessor Following,SPF）拓?fù)涓S車輛通過無線通信接收前方車輛的加速度信息，但僅識別并使用其最近的前方車輛的加速度[11]。盡管在實(shí)際情況中通信延遲是變化的，但是對于小范圍內(nèi)的同質(zhì)性車隊(duì)而言，文中認(rèn)為車輛之間信道傳輸?shù)耐ㄐ叛舆t是相同的，即通信延遲的變化是整體的變化。

基于通用線性CACC 控制策略，文中選定恒定時(shí)距（Constant Time Gap,CTG）策略來討論通信延遲邊界[12]。引入通信延遲的控制策略如式（1）所示。需要注意的是，文中僅考慮前車加速度的通信延遲，并假設(shè)相對速度和間距等雷達(dá)探測信息不存在延時(shí)情況，基于上述假設(shè)可以集中討論車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下無線信道的通信延遲對車輛隊(duì)列穩(wěn)定性的影響。

其中，ka是前車的加速度增益，kv是前方車輛i-1 與當(dāng)前車輛i速度之差的增益，ks是前方車輛i-1與當(dāng)前車輛i間距與期望間距之差的增益，Δ 是通信延遲項(xiàng)，di(t)是前方車輛i-1 與當(dāng)前車輛i的間距，Gmin是車輛安全靜止距離，td是CTG 策略當(dāng)中定義的車頭時(shí)距參數(shù)。CTG 控制策略的參數(shù)選取應(yīng)滿足車輛隊(duì)列穩(wěn)定性的要求。

2 仿真測試平臺搭建

文中選用Plexe[13]仿真平臺進(jìn)行車輛隊(duì)列穩(wěn)定性的仿真測試與分析，并在該平臺上進(jìn)行二次開發(fā)，加入了采用CTG 策略的CACC 控制器，并進(jìn)行了充分的調(diào)試以滿足實(shí)驗(yàn)要求。Plexe 實(shí)際上是Veins[14]項(xiàng)目的擴(kuò)展，目的是能夠進(jìn)行逼真的車輛隊(duì)列仿真，同時(shí)Plexe 具有逼真的車輛動(dòng)力學(xué)特性和多種巡航控制模型，可以分析車輛控制系統(tǒng)、大型交通流、混合交通流、車聯(lián)網(wǎng)協(xié)議性能和車輛協(xié)同測試。Veins 依賴于兩個(gè)模擬器，即基于事件的網(wǎng)絡(luò)模擬器OMNeT++和道路交通模擬器SUMO。Veins 提供了一個(gè)Python 程序，以通過TCP 套接字連接將OMNeT++和SUMO 關(guān)聯(lián)起來，從而對其進(jìn)行擴(kuò)展，以提供用于車輛間通信仿真的綜合模型套件。

2.1 仿真環(huán)境及網(wǎng)絡(luò)參數(shù)配置

文中選用的仿真環(huán)境是Plexe 2.1（基于Veins 4.7 拓展）、OMNeT++5.1.1 和SUMO 0.32.0，DSRC 設(shè)備的MAC 和PHY 層均基于IEEE 802.11p 標(biāo)準(zhǔn)，工作在5.89 千兆赫頻段，帶寬為10 MHz，數(shù)據(jù)傳輸速率設(shè)置為廣播的最大值（IEEE 802.11p 中為6 Mbit/s），傳輸功率設(shè)置為100 mW，接收器靈敏度設(shè)置為-94 dBm。為了更好地模擬真實(shí)路網(wǎng)環(huán)境下的無線信道環(huán)境，使用弗里斯自由空間路徑損耗傳播（FPSL）模型，其中指數(shù)α的值設(shè)為2.0，信標(biāo)的大小設(shè)置為200 字節(jié)，信標(biāo)的發(fā)送頻率設(shè)置為10 Hz，信標(biāo)的優(yōu)先級設(shè)為3。表1 匯總了仿真中所有的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)置細(xì)節(jié)。

表1 網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)置

2.2 測試評價(jià)指標(biāo)

為了仿真分析不可靠通信條件下的車輛隊(duì)列穩(wěn)定性及通信延遲邊界，需要對仿真測試結(jié)果進(jìn)行記錄和分析。文中選取了一系列測試評價(jià)的指標(biāo)，這些指標(biāo)包括最基礎(chǔ)的每輛車的速度，以及與車輛隊(duì)列穩(wěn)定性密切相關(guān)的速度誤差、間距誤差和實(shí)時(shí)車頭時(shí)距。其中，速度誤差是指前方車輛與后方車輛之間的速度差；間距誤差是指實(shí)際跟馳間距與期望間距之差；實(shí)時(shí)車頭時(shí)距是指車輛隊(duì)列在行進(jìn)過程中的動(dòng)態(tài)車頭時(shí)距。

1）速度。速度是車輛隊(duì)列運(yùn)行狀態(tài)最直觀的體現(xiàn)，通過觀察車輛隊(duì)列中每一輛車的實(shí)時(shí)速度變化，可以大致觀測出車輛隊(duì)列跟馳的效果優(yōu)劣，但速度與車輛隊(duì)列的穩(wěn)定性之間沒有直接的聯(lián)系，因此還需要其他的評價(jià)指標(biāo)。

2）速度誤差(Speed Error,SPEE)。SPEE 定義如式（2）所示，車輛i的速度誤差意為當(dāng)前車輛的期望車速（在車輛隊(duì)列中即最近前車的車速）與其車速之差。若速度誤差沿著車輛隊(duì)列下游遞減/收斂，認(rèn)為該車輛隊(duì)列的狀態(tài)是穩(wěn)定的；相反，若速度誤差沿著車輛隊(duì)列下游遞增，則認(rèn)為該車輛隊(duì)列的狀態(tài)是不穩(wěn)定的。

3）間距誤差(Spacing Error,SPCE)。SPCE 定義如式（3）所示，車輛i的間距誤差意為當(dāng)前車輛與最近前車的距離減去期望間距。若間距誤差沿著車輛隊(duì)列下游遞減/收斂，則認(rèn)為該車輛隊(duì)列的狀態(tài)是穩(wěn)定的；相反，若間距誤差沿著車輛隊(duì)列下游遞增，則認(rèn)為該車輛隊(duì)列的狀態(tài)是不穩(wěn)定的。

4）實(shí)時(shí)車頭時(shí)距。此處實(shí)時(shí)車頭時(shí)距是仿真過程中動(dòng)態(tài)變化的車頭時(shí)距，不難發(fā)現(xiàn)，實(shí)時(shí)的車頭時(shí)距會在文中設(shè)置的期望車頭時(shí)距上下振蕩，其振幅的大小也反映了車輛隊(duì)列穩(wěn)定性的優(yōu)劣，振幅越小表示穩(wěn)定性越好。

3 測試場景構(gòu)建

在仿真驗(yàn)證中設(shè)置了“正弦振蕩”場景。該場景是車輛在高速公路上成群行駛時(shí)的典型場景，如圖2所示。構(gòu)建一個(gè)由一輛頭部車輛與五輛其他車輛組成的車輛隊(duì)列，在高速公路上的一個(gè)車道內(nèi)行駛，并且六輛車的配置完全相同。在“正弦振蕩”場景中，對車輛隊(duì)列頭部車輛進(jìn)行速度配置，包括加速、巡航和制動(dòng)過程。

圖2 “正弦振蕩”場景示例

在表1 中網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)置的基礎(chǔ)上，表2 新增了用于評估車輛隊(duì)列穩(wěn)定性的仿真參數(shù)，將執(zhí)行器遲滯設(shè)置為0.5 s[15]，期望車頭時(shí)距設(shè)置為1 s，并根據(jù)前文建立的通信延遲邊界模型，將CTG 控制策略參數(shù)ka、kv和ks分別設(shè)置為0.6、0.4 和0.2，頭部車輛的正弦振蕩頻率為0.04 Hz，振幅為10 km/h。

表2 仿真參數(shù)設(shè)置

在上述場景中進(jìn)行仿真，首先頭部車輛先以30 km/h 的速度巡航，并在第10 s 時(shí)開始進(jìn)行正弦振蕩，正弦振蕩頻率為0.04 Hz，研究表明，0.04 Hz 的干擾頻率是運(yùn)輸流中的典型頻率，正弦振蕩的振幅為10 km/h，并一直保持到80 s 仿真結(jié)束。頭部車輛的速度和加速度曲線如圖3 所示。

圖3 “正弦振蕩”場景中領(lǐng)導(dǎo)車輛的速度和加速度曲線

4 仿真測試與分析

根據(jù)前文提出的測試評價(jià)指標(biāo)，對車輛隊(duì)列在“正弦振蕩”過程中的速度、速度誤差、間距誤差以及實(shí)時(shí)車頭時(shí)距結(jié)果進(jìn)行分析，為了更加直觀地展示實(shí)驗(yàn)結(jié)果，選取了通信延遲在0 s（即沒有延時(shí)）、0.2 s、0.5 s 的結(jié)果進(jìn)行分析。

4.1 行車速度分析

如圖4(a)所示，可以觀察到在沒有通信延遲的情況下，后續(xù)車輛的速度能夠被限制在車輛隊(duì)列上游的速度以內(nèi)，并且當(dāng)通信延遲達(dá)到0.2 s 時(shí)，仍然可以很好地限制后續(xù)車輛的速度，如圖4(b)所示。然而，如圖4(c)所示，當(dāng)通信延遲較高時(shí)，不能很好地限制后續(xù)車輛的速度。值得一提的是，在圖4(c)所示的速度數(shù)據(jù)的第一個(gè)峰值處，車輛隊(duì)列的穩(wěn)定性很明顯受到了干擾，但在接下來車輛速度在第二高峰和第三高峰處又得到了限制，這是因?yàn)閗v和ks項(xiàng)減輕了由前車造成的速度干擾。因此，后續(xù)車輛速度能夠被控制在第二峰值處，但是這并不能表明車輛隊(duì)列處于穩(wěn)定狀態(tài)，因?yàn)樵诘谝粋€(gè)峰值處的速度放大足以引起車輛隊(duì)列的不穩(wěn)定，從而產(chǎn)生碰撞事故，此時(shí)車輛隊(duì)列處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

圖4 不同通信延遲條件下車輛隊(duì)列的速度

4.2 速度誤差分析

車輛隊(duì)列的速度誤差信息如圖5 所示，其中通信延遲分別為0 s、0.2 s、0.5 s。

圖5 不同通信延遲條件下車輛隊(duì)列的速度誤差

如圖5 所示，速度誤差的變化清晰地反映出了車輛隊(duì)列的穩(wěn)定性隨著通信延遲的增加而惡化的情況。出于與上述相同的原因，以速度誤差曲線的第一個(gè)峰值區(qū)進(jìn)行分析，能夠明顯觀察到，當(dāng)無線傳輸信道沒有通信延遲或只存在相對較小的延時(shí)時(shí)，后續(xù)車輛的速度誤差會受到限制，如圖5(a)和5(b)所示。但是，當(dāng)通信延遲較高時(shí)，不能繼續(xù)限制后續(xù)車輛的速度誤差，即速度誤差項(xiàng)會沿著車輛隊(duì)列下游放大，如圖5(c)所示，此時(shí)車輛隊(duì)列處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

4.3 間距誤差分析

車輛隊(duì)列的間距誤差信息如圖6 所示，其中通信延遲分別為0 s、0.2 s、0.5 s。

圖6 不同通信延遲條件下車輛隊(duì)列的間距誤差

如圖6 所示，間距誤差的結(jié)果比速度誤差更清晰地反映了車輛隊(duì)列穩(wěn)定性隨著通信延遲的增加而惡化的情況，這是由于間距誤差是速度誤差積分的原因。可以觀察到，當(dāng)通信延遲較低時(shí)，車輛隊(duì)列的間隔誤差很小并且會在向下游傳播時(shí)受到限制，如圖6(a)和6(b)所示，這表明了車輛隊(duì)列具有良好的穩(wěn)定性。但是，當(dāng)通信延遲到達(dá)其邊界時(shí)，首先能夠明顯觀察到，間隔誤差的大小會顯著增加；其次，與上述原因相同，在第一個(gè)波谷時(shí)，車輛隊(duì)列的間距誤差會沿著下游放大，如圖6(c)所示，此時(shí)車輛隊(duì)列處于不穩(wěn)定狀態(tài)，這表明較高的通信延遲不僅破壞了車輛隊(duì)列的穩(wěn)定性，而且還會威脅到交通安全。

4.4 實(shí)時(shí)車頭時(shí)距分析

車輛隊(duì)列的實(shí)時(shí)車頭時(shí)距信息如圖7 所示，其中通信延遲分別為0 s、0.2 s、0.5 s。

圖7 不同通信延遲條件下車輛隊(duì)列的實(shí)時(shí)車頭時(shí)距

如圖7 所示，從實(shí)時(shí)車頭時(shí)距的變化中也能夠得出與間距誤差相似的結(jié)論。當(dāng)通信延遲較低時(shí)，實(shí)時(shí)車頭時(shí)距的振蕩小且能夠沿車輛隊(duì)列下游收斂，但是當(dāng)通信延遲較高時(shí)，實(shí)時(shí)車頭時(shí)距的振蕩會顯著增大且在第一個(gè)波谷區(qū)域能夠觀察到振蕩會沿著車輛隊(duì)列下游放大，此時(shí)車輛隊(duì)列處于不穩(wěn)定狀態(tài)[16-20]。

5 結(jié)束語

智能網(wǎng)聯(lián)汽車是以C-V2X/DSRC 等車聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)與自動(dòng)駕駛技術(shù)融合落地應(yīng)用的重要著力點(diǎn)，是全球創(chuàng)新熱點(diǎn)和未來發(fā)展制高點(diǎn)。在眾多典型應(yīng)用中，智能網(wǎng)聯(lián)汽車隊(duì)列行駛被認(rèn)為是最具代表的應(yīng)用場景之一，預(yù)期將最快進(jìn)行部署、應(yīng)用。然而，基于V2X 技術(shù)構(gòu)建的智能網(wǎng)聯(lián)汽車隊(duì)列極易受電磁波的多徑效應(yīng)、交通流密度、電子噪聲、建筑遮擋、隧道和綠色植被等各種因素造成的通信延遲影響。文中針對上述問題，選取CACC 作為車輛隊(duì)列縱向控制策略，提出了一系列用于分析車輛隊(duì)列狀態(tài)的測試評價(jià)指標(biāo)，然后在構(gòu)建的基于Plexe 仿真平臺上，以“正弦振蕩”為典型測試場景，仿真測試分析了在不同通信延遲環(huán)境下的車輛隊(duì)列穩(wěn)定性。仿真測試結(jié)果表明，通信延遲會在速度、速度誤差、間距誤差以及實(shí)時(shí)車頭時(shí)距等方面對智能網(wǎng)聯(lián)汽車隊(duì)列造成顯著影響。