面向無(wú)人駕駛車(chē)輛的“華容道”智慧停車(chē)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

翁 忻,楊星宇,李春怡,謝 倩

(江蘇大學(xué)汽車(chē)與交通工程學(xué)院,江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

近年來(lái)人工智能快速發(fā)展,備受世人矚目的無(wú)人駕駛車(chē)輛即將成為交通出行的主流工具之一,它以計(jì)算機(jī)、現(xiàn)代車(chē)輛產(chǎn)業(yè)技術(shù)為基礎(chǔ),以數(shù)字化、智能化為依托實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化駕駛,為新時(shí)代汽車(chē)領(lǐng)域發(fā)展帶來(lái)新的機(jī)遇,也成為未來(lái)車(chē)輛全新形態(tài)代表。無(wú)人駕駛車(chē)輛的出現(xiàn)在一定程度上會(huì)逐漸取代汽車(chē)的私有性,這可以有效減少資源浪費(fèi)、改善環(huán)境惡化以及噪音過(guò)大的困擾[1]。并達(dá)到降低城市擁堵和改變城市交通運(yùn)轉(zhuǎn)模式的目的。

我國(guó)的智能汽車(chē)發(fā)展,雖然起步較晚但卻能迎頭趕上,得益于政府的大力支持。2015年5月,在《中國(guó)制造2025》中制定物聯(lián)網(wǎng)汽車(chē)發(fā)展路線[2];2016年4月,在《裝備制造業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化和質(zhì)量提升規(guī)劃》中明確提出開(kāi)展智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)標(biāo)準(zhǔn)化工作[3];2017年4月,在《汽車(chē)產(chǎn)業(yè)中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃》中,中國(guó)政府指出要加大技術(shù)研發(fā),協(xié)調(diào)制定相關(guān)法律法規(guī),推動(dòng)寬帶網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和多產(chǎn)業(yè)共建智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)[4];2018年1月,在《智能汽車(chē)創(chuàng)新發(fā)展戰(zhàn)略征求意見(jiàn)稿》中,指出到2020年,中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)智能汽車(chē)的技術(shù)創(chuàng)新生態(tài)路網(wǎng)設(shè)施法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品監(jiān)管和信息安全體系框架基本完成[5];2020年4月,在《2020智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)標(biāo)準(zhǔn)化工作要點(diǎn)》中,中國(guó)政府針對(duì)駕駛輔助系統(tǒng)、無(wú)人駕駛、信息安全、功能安全、汽車(chē)網(wǎng)聯(lián)功能與應(yīng)用領(lǐng)域等特點(diǎn),有計(jì)劃有重點(diǎn)部署標(biāo)準(zhǔn)研究與制定工作[6];2021年8月,在《汽車(chē)駕駛自動(dòng)化分級(jí)》(推薦性國(guó)家標(biāo)準(zhǔn))中,中國(guó)政府明確無(wú)人駕駛分級(jí)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),為后續(xù)無(wú)人駕駛相關(guān)法律法規(guī)提供了可參考目標(biāo)和理論支撐[7]。

汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的如此巨大的變革必然帶來(lái)許多新的課題,比如無(wú)人駕駛汽車(chē)的停車(chē)場(chǎng)最優(yōu)布局問(wèn)題。無(wú)人駕駛汽車(chē)的機(jī)動(dòng)性較高,往往在放下一位乘客后就會(huì)用來(lái)運(yùn)送另一位乘客。當(dāng)沒(méi)有乘客需求時(shí)會(huì)產(chǎn)生一些空閑時(shí)間,如果無(wú)人駕駛汽車(chē)在道路上停留或者巡航,那么勢(shì)必會(huì)造成道路的堵塞,甚至引發(fā)交通事故。因此需要有適合無(wú)人駕駛汽車(chē)的停車(chē)場(chǎng),以方便乘客需要用車(chē)時(shí)可以盡快乘車(chē)。當(dāng)前無(wú)人駕駛車(chē)輛停車(chē)場(chǎng)研究主要存在以下不足:(1)國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要集中在無(wú)人駕駛技術(shù)的研究,而對(duì)無(wú)人駕駛車(chē)輛配套的相關(guān)靜態(tài)交通設(shè)施研究較少;(2)已有文獻(xiàn)從停車(chē)位搜索延誤、停車(chē)排隊(duì)時(shí)間、停車(chē)場(chǎng)利潤(rùn)等角度對(duì)普通停車(chē)場(chǎng)優(yōu)化布局做了大量研究,但受人工停車(chē)的局限性缺乏考慮停車(chē)場(chǎng)的最大密度問(wèn)題;(3)停車(chē)布局優(yōu)化通常采用數(shù)學(xué)規(guī)劃理論建模,而基于圖論和“華容道”路徑行駛特征的停車(chē)場(chǎng)布局分析可以更好地刻畫(huà)停車(chē)場(chǎng)最優(yōu)停車(chē)分布。

因此方案根據(jù)車(chē)輛最小橫向凈距和停車(chē)加減速距離特征分別設(shè)計(jì)了最大密度和最優(yōu)移動(dòng)的無(wú)人駕駛車(chē)輛停車(chē)場(chǎng),以提高停車(chē)場(chǎng)使用效率,并借助C#面向?qū)ο蠊δ?對(duì)無(wú)人駕駛車(chē)輛停車(chē)場(chǎng)進(jìn)行設(shè)計(jì),從而優(yōu)化靜態(tài)交通系統(tǒng)。研究思路如圖1所示。

圖1 停車(chē)系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路圖

1 關(guān)鍵技術(shù)

1.1 無(wú)人駕駛車(chē)輛停車(chē)特性研究

為了能夠使此停車(chē)場(chǎng)密度足夠大并且建造成本足夠低,任意輸入m×n(m代表行的格子數(shù),n代表列的格子數(shù),為了便于研究,文中每個(gè)車(chē)位占用兩個(gè)格子)規(guī)格的停車(chē)場(chǎng)后,運(yùn)用“華容道”路徑行駛特征和圖論給出最大密度和最優(yōu)移動(dòng)的停車(chē)場(chǎng)容量設(shè)計(jì)。對(duì)于特殊形狀的停車(chē)場(chǎng),均可以被分為若干個(gè)m×n規(guī)模停車(chē)場(chǎng)的組合。

根據(jù)車(chē)輛停車(chē)最小橫向凈距和停車(chē)加減速距離特征(如公式1),車(chē)輛在移動(dòng)過(guò)程中無(wú)法做到平移,同時(shí)在轉(zhuǎn)彎時(shí)需要足夠的轉(zhuǎn)彎半徑。設(shè)計(jì)了如下三種汽車(chē)移動(dòng)的基本情況(所有復(fù)雜的移動(dòng)均建立在這三種基本情況上),并應(yīng)用在后續(xù)計(jì)算過(guò)程中。

(1)

(2)

式中:h為最小橫凈距,m;Rs為曲線內(nèi)側(cè)行駛軌跡的半徑,m;Wd為行車(chē)軌跡至路面邊緣寬度,m;θ為視距線所對(duì)的圓心角,(°);s為停車(chē)加減速距離,m;v1為停車(chē)初速度,m/s;v2為停車(chē)末速度,m/s;tA為停車(chē)啟動(dòng)時(shí)間,s;tB為停車(chē)穩(wěn)定時(shí)間,s;vs為停車(chē)平均加速度,m/s2。

圖2(a)為最基本的移動(dòng)情況,僅需要一個(gè)空格即可完成汽車(chē)前后移動(dòng);圖2(b)為汽車(chē)轉(zhuǎn)彎移動(dòng),因?yàn)槠?chē)轉(zhuǎn)彎需要轉(zhuǎn)彎半徑,所以需要更多的空間,經(jīng)過(guò)計(jì)算需要四個(gè)空格才能完成移動(dòng);圖2(c)為汽車(chē)的錯(cuò)位平移移動(dòng),根據(jù)公式(2),同樣需要四個(gè)空格才能完成該種運(yùn)動(dòng)。

圖2 車(chē)輛停車(chē)行駛空間需求分析

1.2 基于最大密度的停車(chē)場(chǎng)容量設(shè)計(jì)

對(duì)于最大密度式停車(chē)場(chǎng)容量設(shè)計(jì),汽車(chē)駛出被限制,只能按順序先進(jìn)后出、后進(jìn)先出。該停車(chē)場(chǎng)適用于停車(chē)場(chǎng)中均為公共使用的無(wú)人駕駛車(chē)輛,車(chē)輛屬于企業(yè)管理部門(mén)。

對(duì)于最大密度式停車(chē)場(chǎng)容量設(shè)計(jì),即一定規(guī)格的停車(chē)場(chǎng)最多能停多少車(chē)。讓每一輛車(chē)從出入口駛?cè)牒蠹赐Ｔ诓挥绊懴乱惠v車(chē)駛?cè)氲牡胤?既定規(guī)模停車(chē)場(chǎng)大部分空間可以被停滿車(chē)而不用考慮下一輛汽車(chē)的駛?cè)雴?wèn)題。針對(duì)m×n不同規(guī)模的停車(chē)場(chǎng)(m、n奇偶與大小不同),停車(chē)場(chǎng)在大部分區(qū)域布滿停車(chē)位后,剩余空間均為這五種典型場(chǎng)景。

圖片左下角為停車(chē)場(chǎng)出入口,考慮到汽車(chē)的移動(dòng)情況,所以總會(huì)存在停車(chē)場(chǎng)仍有空間但汽車(chē)無(wú)法駛?cè)氲那闆r。圖3(a)對(duì)應(yīng)停車(chē)場(chǎng)規(guī)模:m、n均為奇數(shù)且m,n≥5;圖3(b)對(duì)應(yīng)停車(chē)場(chǎng)規(guī)模:m、n均為奇數(shù)且m、n中任意一個(gè)等于3;圖3(c)對(duì)應(yīng)停車(chē)場(chǎng)規(guī)模:m為偶數(shù),n為奇數(shù)且m≥4,n>2;圖3(d)對(duì)應(yīng)停車(chē)場(chǎng)規(guī)模:m為奇數(shù),n為偶數(shù)且m>4,n≥2;圖3(e)對(duì)應(yīng)停車(chē)場(chǎng)規(guī)模:m、n均為偶數(shù)且m≥4,n≥2。

圖3 典型場(chǎng)景下最大密度式停車(chē)(先進(jìn)后出)容量設(shè)計(jì)

進(jìn)而推導(dǎo)出停車(chē)場(chǎng)規(guī)模較大情況下的最大密度式停車(chē)場(chǎng)容量公式為

(3)

其停車(chē)場(chǎng)最大停車(chē)密度分別為:(m×n-1)/(m×n)、(m×n-2)/(m×n)。

1.3 基于最優(yōu)移動(dòng)的停車(chē)場(chǎng)容量設(shè)計(jì)

最優(yōu)移動(dòng)式停車(chē)場(chǎng)容量設(shè)計(jì)的目的是:在停車(chē)場(chǎng)里所有車(chē)都不離開(kāi)停車(chē)場(chǎng)的情況下,僅利用停車(chē)場(chǎng)剩余空間移動(dòng)其他無(wú)人駕駛車(chē)輛,從而實(shí)現(xiàn)停車(chē)場(chǎng)內(nèi)任意一輛車(chē)均可以駛出。該方案對(duì)無(wú)人駕駛車(chē)輛私有和公有均適用。同時(shí),無(wú)人駕駛車(chē)輛在停車(chē)場(chǎng)里的運(yùn)動(dòng)必須嚴(yán)格遵從1.1節(jié)所述的移動(dòng)情況。運(yùn)用數(shù)學(xué)思維中的“華容道”路徑行駛和圖論分析最優(yōu)移動(dòng)式無(wú)人駕駛車(chē)輛停車(chē),同樣針對(duì)m×n不同規(guī)模的停車(chē)場(chǎng),停車(chē)場(chǎng)在大部分區(qū)域布滿停車(chē)位后,剩余空間均為這四種典型場(chǎng)景。

為了讓任意汽車(chē)均可以駛出停車(chē)場(chǎng),所以與最大密度式停車(chē)場(chǎng)相比,最優(yōu)移動(dòng)式停車(chē)場(chǎng)的無(wú)法停車(chē)空間要求更高。圖4(a)對(duì)應(yīng)停車(chē)場(chǎng)規(guī)模:m、n均為奇數(shù)且m,n≥3;圖4(b)對(duì)應(yīng)停車(chē)場(chǎng)規(guī)模:m為偶數(shù),n為奇數(shù)且m≥4,n>2;圖4(c)對(duì)應(yīng)停車(chē)場(chǎng)規(guī)模:m為奇數(shù),n為偶數(shù)且m>4,n≥2;圖4(d)對(duì)應(yīng)停車(chē)場(chǎng)規(guī)模:m、n均為偶數(shù)且m≥4,n≥2。

圖4 典型場(chǎng)景下最優(yōu)移動(dòng)式(任意車(chē)輛進(jìn)出)停車(chē)場(chǎng)容量設(shè)計(jì)

進(jìn)一步可以推導(dǎo)出停車(chē)場(chǎng)規(guī)模較大情況下的最優(yōu)移動(dòng)式停車(chē)場(chǎng)容量公式為

其他

(4)

其停車(chē)場(chǎng)最大停車(chē)密度分別為:(m×n-5)/(m×n)、(m×n-6)/(m×n)。

2 具體實(shí)施過(guò)程

2.1 停車(chē)場(chǎng)容量及駛出路徑案例分析

以7×7大小的停車(chē)場(chǎng)為例,根據(jù)式(4),最優(yōu)移動(dòng)式停車(chē)場(chǎng)容量為:(m×n-5)/2=(7×7-5)/2=22輛(即圖5中左上角第一幅),最大容量分析過(guò)程如下。

圖5 最優(yōu)移動(dòng)式停車(chē)場(chǎng)容量設(shè)計(jì)與車(chē)輛(暗色車(chē))駛出方法

步驟1:考慮最優(yōu)移動(dòng)式停車(chē),首先在完全不影響下一輛車(chē)駛?cè)氩⑶也挥绊懫?chē)最大停車(chē)數(shù)量的空間停滿車(chē),如圖5第一幅右邊兩排停車(chē)所示(其中停在離出入口最遠(yuǎn)的暗色小車(chē)下文統(tǒng)稱“暗色車(chē)”)。

步驟2:剩下的空間里留有一個(gè)符合3×3規(guī)格停車(chē)場(chǎng)的典型形式(圖5第一幅圖左下角正方形色塊區(qū)域),在剩下的空間考慮汽車(chē)的移動(dòng)情況,并停滿車(chē),如圖5第一幅左上角6輛豎直停放車(chē)輛所示。

步驟3:將典型形式3×3規(guī)格停車(chē)場(chǎng)(圖4a)填入剩余空間,如圖5第一幅左下角正方形色塊區(qū)域所示。

通過(guò)利用圖5第一幅左下角正方形色塊區(qū)域中剩余的三個(gè)車(chē)位空間,移動(dòng)其他無(wú)人駕駛車(chē)輛,可實(shí)現(xiàn)停車(chē)場(chǎng)內(nèi)任意一輛車(chē)駛離,該方案具體車(chē)輛進(jìn)出方式(暗色車(chē)駛離)見(jiàn)圖5所示。其中圖5中的第五幅至第六幅車(chē)位變換過(guò)程如圖6所示。

圖6 第五幅至第六幅車(chē)位(圖5中)變換過(guò)程

根據(jù)公式(3),最大密度式停車(chē)場(chǎng)容量為:(m×n-1)/2=(7×7-1)/2=24輛,該停車(chē)場(chǎng)車(chē)輛布局方法和步驟和上述分析類(lèi)似,其左下角布局為典型形式3×3(圖3b)。

2.2 基于C#的無(wú)人駕駛車(chē)輛最優(yōu)布局下的停車(chē)場(chǎng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)

面對(duì)不同規(guī)格的停車(chē)場(chǎng)建造,需要考慮不同的典型情況然后加以計(jì)算,過(guò)程比較繁瑣,于是本項(xiàng)目考慮運(yùn)用編程簡(jiǎn)化問(wèn)題。利用C#面向?qū)ο蠊δ芫幊痰玫揭粋€(gè)可用于快速計(jì)算兩種情況下的最大停車(chē)數(shù)量與密度的計(jì)算系統(tǒng)。

該系統(tǒng)頁(yè)面簡(jiǎn)潔,使用方便。使用時(shí),首先需要注冊(cè)得到一個(gè)賬號(hào),登陸完成即可進(jìn)入系統(tǒng)界面,如圖7(a)所示。該系統(tǒng)擁有最大密度式停車(chē)場(chǎng)容量、最優(yōu)移動(dòng)式停車(chē)場(chǎng)容量、多出入口、特殊情況、預(yù)計(jì)耗時(shí)分析等功能,如圖7(b)所示。對(duì)最大密度式和最優(yōu)移動(dòng)式停車(chē)場(chǎng)僅需輸入停車(chē)場(chǎng)m、n的數(shù)值即可得到兩種情況對(duì)應(yīng)的最大停車(chē)數(shù)量與密度,如圖7(c)所示。同時(shí)該系統(tǒng)配有停車(chē)典型情況進(jìn)出方式的視頻,如圖7(d)所示。

圖7 無(wú)人駕駛車(chē)輛最優(yōu)布局下的停車(chē)場(chǎng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)

3 方案先進(jìn)性

最大密度式和最優(yōu)移動(dòng)式無(wú)人駕駛停車(chē)場(chǎng)停車(chē)可有效利用現(xiàn)有靜態(tài)交通系統(tǒng)設(shè)施資源,圖8分析了所設(shè)計(jì)停車(chē)場(chǎng)與傳統(tǒng)停車(chē)場(chǎng)的停車(chē)密度,可以發(fā)現(xiàn)隨著停車(chē)場(chǎng)規(guī)模增加,本項(xiàng)目設(shè)計(jì)停車(chē)場(chǎng)停車(chē)密度可達(dá)到80%以上,而傳統(tǒng)停車(chē)場(chǎng)停車(chē)密度僅為40%左右。

圖8 共場(chǎng)所 不同方案下的停車(chē)場(chǎng)停車(chē)密度分析

4 特色與成果

“華容道”方案的特色是綜合運(yùn)用圖論和計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)設(shè)計(jì)無(wú)人駕駛車(chē)輛最優(yōu)布局下的停車(chē)場(chǎng),提高未來(lái)無(wú)人駕駛車(chē)輛停車(chē)場(chǎng)使用效率。創(chuàng)新點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面:

(1)在理論上,運(yùn)用“華容道”路徑行駛方法和圖論優(yōu)化技術(shù),提出了最大密度式和最優(yōu)移動(dòng)式無(wú)人駕駛車(chē)輛停車(chē)場(chǎng)容量設(shè)計(jì)理論,有效提高停車(chē)場(chǎng)停車(chē)密度。其中最大密度式停車(chē)場(chǎng)車(chē)輛先進(jìn)后出,主要用于無(wú)人駕駛車(chē)輛為公共使用的情況,而最優(yōu)移動(dòng)式停車(chē)場(chǎng)中任意一輛車(chē)輛均可以駛出,對(duì)于無(wú)人駕駛車(chē)輛為私人擁有和公共使用均適用。

(2)在應(yīng)用上,運(yùn)用C#開(kāi)發(fā)無(wú)人駕駛車(chē)輛最優(yōu)布局下的停車(chē)場(chǎng)設(shè)計(jì)系統(tǒng),該系統(tǒng)可以集成在已有停車(chē)導(dǎo)航、共享停車(chē)預(yù)約等相關(guān)系統(tǒng)中。設(shè)計(jì)系統(tǒng)擁有最大密度式停車(chē)場(chǎng)容量、最優(yōu)移動(dòng)式停車(chē)場(chǎng)容量、多出入口、特殊情況、預(yù)計(jì)耗時(shí)分析等功能,能夠?qū)o(wú)人駕駛停車(chē)場(chǎng)進(jìn)行停車(chē)布局優(yōu)化,未來(lái)可與停車(chē)場(chǎng)管理電腦、數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)、移動(dòng)停車(chē)收費(fèi)終端共同組成云平臺(tái)。

該停車(chē)系統(tǒng)無(wú)需駕駛員手動(dòng)停車(chē),通過(guò)中央集成控制器,車(chē)輛可以自動(dòng)完成停車(chē)、駛離、繳費(fèi)等動(dòng)作,能夠提高停車(chē)場(chǎng)的利用率以及人們的出行效率,減少因?qū)ふ彝＼?chē)位帶來(lái)的交通堵塞,節(jié)約能源,也在一定程度上緩解了城市的停車(chē)壓力。

5 結(jié)束語(yǔ)

“華容道”方案設(shè)計(jì)的最大密度式和最優(yōu)移動(dòng)式無(wú)人駕駛停車(chē)場(chǎng)可應(yīng)用在如今科技大力發(fā)展的無(wú)人駕駛汽車(chē)領(lǐng)域,可滿足未來(lái)土地資源集約情況下的停車(chē)需要。其中最大密度式停車(chē)場(chǎng)可以保障公共使用的無(wú)人駕駛車(chē)輛最大密度停放,最優(yōu)移動(dòng)式停車(chē)場(chǎng)可以使私人使用的無(wú)人駕駛車(chē)輛最大容量地停放。所開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)簡(jiǎn)單易使用,可以方便集成在已有停車(chē)系統(tǒng)中。研究能夠?yàn)楫?dāng)前智慧交通領(lǐng)域提供新的規(guī)劃思路和優(yōu)化方法。未來(lái)將結(jié)合經(jīng)濟(jì)性和時(shí)間效益,針對(duì)停車(chē)場(chǎng)內(nèi)存在建筑承重柱、充電樁等障礙物以及有人駕駛車(chē)輛與無(wú)人駕駛車(chē)輛混合式停車(chē)場(chǎng)的情況進(jìn)行深入研究。