王 鋒

(甘肅新陸港科技有限公司，蘭州 730050)

隨著人工智能技術(shù)及汽車電子化技術(shù)的發(fā)展，車輛自動(dòng)駕駛技術(shù)越發(fā)成熟，并推動(dòng)了自動(dòng)駕駛車輛的快速發(fā)展，為緩解交通擁堵帶來了新的研究方向。一方面，自動(dòng)駕駛車輛在路徑選擇上更加可控，能根據(jù)系統(tǒng)算法受中央統(tǒng)一調(diào)控；另一方面，由于機(jī)器的反應(yīng)時(shí)間更短，且自動(dòng)駕駛車輛可以同智能基礎(chǔ)設(shè)施之間進(jìn)行信息傳遞，提高道路通行能力[1]。在道路交通網(wǎng)絡(luò)普及的過程中，自動(dòng)駕駛車輛會(huì)同現(xiàn)有的人工駕駛車輛共存在交通系統(tǒng)內(nèi)，因此研究自動(dòng)駕駛車輛對(duì)自動(dòng)-人工混合交通系統(tǒng)出行效率的影響，有利于深入了解自動(dòng)駕駛車輛對(duì)傳統(tǒng)道路交通系統(tǒng)的作用。

在現(xiàn)有研究中，國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要從微觀和宏觀兩方面針對(duì)自動(dòng)-人工混合交通系統(tǒng)展開討論。

從微觀角度來看，已有研究主要采用跟馳模型、元胞自動(dòng)機(jī)模型、深度學(xué)習(xí)等[2，3]多種研究方法，從多個(gè)角度來揭示混合交通系統(tǒng)內(nèi)各因素之間的相互作用，如Peng等[4]考慮無(wú)信號(hào)控制的交叉口場(chǎng)景，利用少量具有通信功能的自動(dòng)駕駛汽車之間的協(xié)同控制，同時(shí)對(duì)人工駕駛車輛進(jìn)行引導(dǎo)，達(dá)到提高混合交通系統(tǒng)出行效率的目的；侯培國(guó)等[5]結(jié)合跟馳模型和元胞自動(dòng)機(jī)理論，對(duì)傳統(tǒng)人工駕駛與自動(dòng)駕駛車輛的混合交通場(chǎng)景進(jìn)行了建模分析，結(jié)果表明自動(dòng)駕駛車輛比例的增加有利于緩解交通流局部擁堵；Ding等[6]根據(jù)車輛的真實(shí)跟馳數(shù)據(jù)，針對(duì)包括了人工駕駛車輛在內(nèi)的混合交通系統(tǒng)，構(gòu)建了一種改進(jìn)的Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型實(shí)現(xiàn)協(xié)同跟車；郝威等[7]考慮車輛的跟隨行為，給出了不同出行需求和自動(dòng)駕駛滲透率下的車輛管理策略，并將其擴(kuò)展到多車道場(chǎng)景；張林青等[8]利用交通仿真軟件對(duì)混合交通系統(tǒng)進(jìn)行了模擬研究，結(jié)果表明自動(dòng)駕駛車輛比例在平峰和高峰狀態(tài)下對(duì)路網(wǎng)交通效率具有不同的影響。

在宏觀方面，相關(guān)學(xué)者更關(guān)注混合交通系統(tǒng)內(nèi)的交通分布狀態(tài)，以期通過確定不同的交通流分配準(zhǔn)則來實(shí)現(xiàn)交通流量的均衡分配，如郭宇奇等[9]基于動(dòng)態(tài)圖混雜自動(dòng)機(jī)與改進(jìn)的元胞傳輸模型相結(jié)合的方法，構(gòu)建了宏觀交通流模型來討論交通路網(wǎng)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)的影響；張傳琪等[10]針對(duì)不同車輛類型設(shè)計(jì)了不同的成本函數(shù)，并通過獎(jiǎng)勵(lì)機(jī)制鼓勵(lì)出行者乘坐自動(dòng)駕駛車輛以降低交通擁堵；Sala等[11]針對(duì)高速公路這一場(chǎng)景構(gòu)建了一個(gè)廣義宏觀模型估計(jì)車輛排隊(duì)長(zhǎng)度，對(duì)混合交通系統(tǒng)進(jìn)行規(guī)劃管理；劉詩(shī)序等[12]對(duì)自動(dòng)駕駛環(huán)境下車輛的路徑選擇和停車選擇方案進(jìn)行了研究，同時(shí)對(duì)車輛載人狀態(tài)和空載狀態(tài)下交通流之間的相互影響進(jìn)行了闡述分析。

綜上可知，現(xiàn)有研究較少?gòu)暮暧^層面對(duì)混合交通系統(tǒng)進(jìn)行分析，且不同車輛類型的路徑選擇機(jī)制，以及自動(dòng)駕駛車輛比例增加對(duì)混合交通系統(tǒng)的影響也鮮有文獻(xiàn)具體闡述。因此，本文針對(duì)自動(dòng)-人工混合交通系統(tǒng)，把從出發(fā)點(diǎn)到目的地考慮為固定出行需求，再對(duì)車輛的宏觀出行行為進(jìn)行研究分析。

1 問題描述

為闡述自動(dòng)駕駛車輛加入城市交通網(wǎng)絡(luò)后對(duì)現(xiàn)有人工駕駛車輛出行者路徑選擇的影響，以及對(duì)整個(gè)混合交通系統(tǒng)的宏觀作用，本文以自動(dòng)駕駛車輛和人工駕駛車輛為研究對(duì)象，探討不同自動(dòng)駕駛車輛比例對(duì)混合交通系統(tǒng)出行效率的作用。在自動(dòng)-人工混合交通系統(tǒng)內(nèi)，自動(dòng)駕駛車輛受中央統(tǒng)一調(diào)控，以系統(tǒng)最優(yōu)原則進(jìn)行路徑選擇；人工駕駛車輛則由出行者進(jìn)行控制，以用戶均衡原則進(jìn)行路徑選擇。本文假設(shè)單起訖點(diǎn)(origin-destination，OD)間的出行需求是已知并固定的，且在交通網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中同時(shí)存在自動(dòng)駕駛車輛和人工駕駛車輛兩類出行者。

2 模型建立

2.1 道路網(wǎng)絡(luò)表示

本文用G(N,A)表示由有限個(gè)節(jié)點(diǎn)組成的交通網(wǎng)絡(luò)，其中N表示節(jié)點(diǎn)集合，A表示有向線段集合。a為路網(wǎng)中的一條有向線段，xs為路段a上的交通流量，a∈A。W表示OD對(duì)集合，w∈W。Krs為OD對(duì)w間的可行路徑集合，k為一條具體的可行路徑且k∈Kw。fw,k為OD對(duì)w間路徑k上的交通流量。自動(dòng)駕駛車輛出行者和人工駕駛車輛出行者的出行需求分別表示為

對(duì)w間的總出行需求為

路段a上的交通流量為自動(dòng)駕駛車輛及人工駕駛車輛兩類出行者的路段流量之和，其計(jì)算公式為

(1)

OD對(duì)w間路徑k上的交通流量為自動(dòng)駕駛車輛及人工駕駛車輛兩類出行者的徑流量之和，其計(jì)算公式為

(2)

2.2 人工駕駛車輛模型

人工駕駛車輛由出行者進(jìn)行操控，在出行過程中，該類出行者一般以個(gè)人出行時(shí)間最短為路徑選擇原則，路段a上的出行時(shí)間與該路段上的交通流量xa有關(guān)。式(3)為美國(guó)聯(lián)邦公路局(Bureau of Public Road，BPR)建議計(jì)算路段出行時(shí)間的函數(shù)：

(3)

人工駕駛車輛的用戶均衡模型如下：

(1) 目標(biāo)函數(shù)為

(4)

(2) 約束條件為

(5)

(6)

(7)

2.3 自動(dòng)駕駛車輛模型

自動(dòng)駕駛車輛由中央系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)控，以系統(tǒng)最優(yōu)原則進(jìn)行路徑選擇，該原則下路段a上的出行成本以邊際成本計(jì)算，其計(jì)算公式為

(8)

自動(dòng)駕駛車輛的系統(tǒng)最優(yōu)模型如下：

(1) 目標(biāo)函數(shù)為

(9)

(2) 約束條件為

(10)

(11)

(12)

3 數(shù)值仿真與實(shí)驗(yàn)

仿真路網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，路網(wǎng)基本屬性如表1所示。由圖1可知，節(jié)點(diǎn)1、節(jié)點(diǎn)4為起訖點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)2、節(jié)點(diǎn)3表示途經(jīng)路段的節(jié)點(diǎn)，路段上標(biāo)注的數(shù)字分別為路段編號(hào)、零流阻抗以及路段通行能力。OD對(duì)1～4的總交通需求量為3 000 veh·h-1。

圖1 仿真路網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

表1 路網(wǎng)基本屬性

不同自動(dòng)駕駛車輛比例下的路段流量如表2所示，由表2可知自動(dòng)駕駛車輛比例分別為10%、50%、90%下不同類別出行者在各個(gè)路段上的流量分布情況。當(dāng)自動(dòng)駕駛車輛比例為10%時(shí)，自動(dòng)駕駛車輛出行者全部分布在路段1、路段3和路段5，即路徑2，人工駕駛車輛出行者則主要分布在路徑1和路徑3；當(dāng)自動(dòng)駕駛車輛比例為50%時(shí)，自動(dòng)駕駛車輛出行者的數(shù)量增加，該類出行者主要分布在路徑2和路徑3，而人工駕駛車輛出行者繼續(xù)分布在路徑1和路徑3；當(dāng)自動(dòng)駕駛車輛比例增加至90%時(shí)，人工駕駛車輛出行者的數(shù)量減少，并僅分布在路徑1，而自動(dòng)駕駛車輛出行者則分布在所有路徑上。

表2 不同自動(dòng)駕駛車輛比例下的路段流量

自動(dòng)駕駛車輛比例對(duì)人均出行時(shí)間的影響如圖2所示。由圖2可知，隨著自動(dòng)駕駛車輛比例的增加，人工駕駛車輛出行者及總體出行者的人均出行時(shí)間整體呈下降的趨勢(shì)，而自動(dòng)駕駛車輛出行者的人均出行時(shí)間呈突增與降低交替出現(xiàn)的趨勢(shì)。在混合交通系統(tǒng)內(nèi)，自動(dòng)駕駛車輛以系統(tǒng)最優(yōu)原則進(jìn)行路徑選擇，通過犧牲部分該類出行者的時(shí)間使系統(tǒng)出行效率更高，因此對(duì)于該類出行者來說，自動(dòng)駕駛車輛比例的增加并不能使人均出行時(shí)間持續(xù)降低。對(duì)人工駕駛車輛出行者及總體出行者來說，自動(dòng)駕駛車輛出行者在混合交通系統(tǒng)內(nèi)的占比越高，系統(tǒng)的出行效率越高，相應(yīng)的人均出行時(shí)間就越低。但當(dāng)自動(dòng)駕駛車輛比例超過60%之后，人工駕駛車輛出行者及總體出行者的人均出行時(shí)間基本不再發(fā)生顯著變化。

圖2 自動(dòng)駕駛車輛比例對(duì)人均出行時(shí)間的影響

自動(dòng)駕駛車輛比例對(duì)路徑流量的影響如圖3所示。由圖3可知，路徑3的流量在自動(dòng)駕駛車輛比例由10%增加至20%時(shí)有較大的降低，之后隨著自動(dòng)駕駛車輛比例的增加呈細(xì)微變化；隨著自動(dòng)駕駛車輛比例的增加，路徑1的流量在逐漸降低之后呈穩(wěn)定狀態(tài)，而路徑2的流量在逐漸增加之后呈穩(wěn)定狀態(tài)。

圖3 自動(dòng)駕駛車輛比例對(duì)路徑流量的影響

自動(dòng)駕駛車輛比例對(duì)總體出行時(shí)間的影響是指隨著其比例的增加，路徑1上的流量逐漸向路 徑2 轉(zhuǎn)移，即路段2上的流量分散到路段3和路 段5，路網(wǎng)中流量分布狀態(tài)發(fā)生變化，出行時(shí)間進(jìn)而發(fā)生改變。

為保證結(jié)果的無(wú)偏性，設(shè)定自動(dòng)駕駛車輛比例為50%，再改變系統(tǒng)內(nèi)的輸入?yún)?shù)總出行需求，出行需求對(duì)人均出行時(shí)間的影響如圖4所示。隨著系統(tǒng)內(nèi)總出行需求的增加，人均出行時(shí)間呈指數(shù)增長(zhǎng)；在總出行需求不超過2 000 veh·h-1時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)的人均出行時(shí)間不超過20 min，此時(shí)交通網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)處于暢通狀態(tài)；當(dāng)總出行需求為3 000 veh·h-1時(shí)，人均出行時(shí)間約為30 min，此時(shí)交通網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)處于暢通向擁堵轉(zhuǎn)換的過渡階段；當(dāng)總出行需求超過3 000 veh·h-1時(shí)，人均出行時(shí)間顯著增加，超過60 min，此時(shí)交通網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)處于擁堵狀態(tài)。

圖4 出行需求對(duì)人均出行時(shí)間的影響

4 結(jié)論

為探究自動(dòng)駕駛車輛進(jìn)入城市交通網(wǎng)絡(luò)后給人工駕駛車輛和交通系統(tǒng)帶來的影響，本文以自動(dòng)駕駛車輛和人工駕駛車輛為研究對(duì)象，構(gòu)建了自動(dòng)-人工混合交通網(wǎng)絡(luò)均衡模型，并通過數(shù)值仿真試驗(yàn)驗(yàn)證了該模型的正確性和有效性，得出以下結(jié)論：

(1) 在混合交通系統(tǒng)內(nèi)，人工駕駛車輛出行者和總體出行者的人均出行時(shí)間整體上是隨自動(dòng)駕駛車輛比例的增加而減少的，而自動(dòng)駕駛車輛出行者的人均出行時(shí)間不隨自動(dòng)駕駛車輛比例的增加而持續(xù)減少。

(2) 自動(dòng)駕駛車輛比例的變化會(huì)影響路網(wǎng)中交通流的分配，進(jìn)而改變混合交通路網(wǎng)中的各路段、路徑上的流量分布狀態(tài)，最終達(dá)到優(yōu)化路網(wǎng)出行效率的目的。

(3) 在固定的自動(dòng)駕駛車輛比例下，不同出行需求對(duì)應(yīng)著交通路網(wǎng)中的不同路況狀態(tài)，人均出行時(shí)間與系統(tǒng)內(nèi)的總出行需求呈正相關(guān)。

綜上所述，在混合交通網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，自動(dòng)駕駛車輛能提升整個(gè)交通系統(tǒng)的出行效率。建議未來道路交通網(wǎng)絡(luò)發(fā)展自動(dòng)駕駛車輛時(shí)，在道路較為擁堵的狀態(tài)下進(jìn)行更系統(tǒng)的研究，綜合考慮自動(dòng)駕駛車輛比例這一因素對(duì)混合交通系統(tǒng)的影響，并以實(shí)際路網(wǎng)進(jìn)行驗(yàn)證和分析。