基于自動駕駛下的車道規(guī)劃對交通擁堵的改善

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。本文通過引入自動駕駛模型來改善交通擁堵的狀況，進(jìn)而在自動駕駛的基礎(chǔ)上進(jìn)行車道規(guī)劃，從而最大限度地提高道路容量。模擬和計算自動駕駛模型后，計算出平衡點存在。結(jié)果數(shù)據(jù)表明隨著自動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%時增量速度低，平衡點為75%。根據(jù)計算結(jié)果，發(fā)現(xiàn)車道的總量也可以影響交通熔爐，因此開辟自動駕駛的專用車道是十分必要的

[關(guān)鍵詞]自動駕駛，交通容量，平衡點，車道數(shù)

中圖分類號：U491 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：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)計容量，司機(jī)在交通高峰時段經(jīng)歷長時間的延誤。5號，90號和405號州際公路以及520號國道在這個問題上顯得尤為明顯。自動駕駛車己經(jīng)作為增加公路能力而不用拓寬車道的方案提出，但是在這一點上，人們并未很好的理解自動駕駛車與現(xiàn)有交通工具的關(guān)系，因此該論文主要研究自動駕駛對美國交通擁堵狀況的改善。

二.自動駕駛模型

2.1 模型的建立

首先，定義需要駕駛員手動操作的車輛為“人工駕駛”，而對不需要人工參與，只需裝有車輛信息收發(fā)裝置就可得到自動控制的車輛，稱為“自動駕駛”。運(yùn)用元胞自動機(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。對于“人工駕駛”而言，即有

對于“自動駕駛”

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

式中代表第輛車的“實際速度”，其計算方法與類似，如此迭代下去，如果前方一直沒有“人工駕駛”車輛，計算就在第輛車終止，此時有此外，無論是“人工駕駛”還是“自動駕駛”，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“自動駕駛”的隨機(jī)慢化概率，為“人工駕駛”的速度

“自動駕駛”以進(jìn)行

為“自動駕駛”的隨機(jī)慢化概率，為“自動駕駛”的速度

因為“自動駕駛”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 相對流量，自動駕駛車輛比例，相對密度的關(guān)系

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

當(dāng)取視野.時

圖2 不同自動駕駛汽車比例下相對密度和相對流量的關(guān)系

如圖，顯示了車輛密度分別為0.1至0.9時的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（比如圖中小于0.75），系統(tǒng)自動駕駛汽車比例越大，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，隨著系統(tǒng)自動駕駛汽車比例的增大，車流量會一直增大，沒有最大值平臺期，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)，對應(yīng)有最優(yōu)的自動駕駛汽車比例，表示其剛好能使系統(tǒng)達(dá)到最大車流量，且再增加自動駕駛汽車比例對整個系統(tǒng)流量也沒有改善。而當(dāng)系統(tǒng)車輛密度更高時，自動駕駛汽車比例就會越大越好，直至全部為自動駕駛車時達(dá)到最大交通流量。所以，在對實際的交通系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計時，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)計有針對性的最優(yōu)策略。

三.基于自動駕駛條件下的車道規(guī)劃

由上述模型計算及仿真結(jié)果可知：當(dāng)時，隨著車流量隨著相對密度的增加而增加；當(dāng)時，隨著相對密度的增加，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)該為對原有車道數(shù)與無人駕駛車輛比例和相對密度的乘積向下取整求得，因為當(dāng)相對密度為時，此時車輛密度最大，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

引入自動駕駛后，美國大西雅圖地區(qū)的交通擁堵狀況確實能夠得到顯著改善，隨著自動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%時增量速度低，平衡點為75%，因此為了最大限度地緩解交通擁堵，公路上的自動駕駛汽車的比例設(shè)置為75%最合適。若公路上的自動駕駛汽車比例超過75%，要想進(jìn)一步提高道路容量，可以采取開辟自動駕駛專用車道的措施。

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