基于跟馳理論的自動(dòng)巡航控制

李增輝

摘要：交通擁堵和交通安全已經(jīng)成了現(xiàn)代交通問題的重中之重了。近些年來，隨著自動(dòng)駕駛技術(shù)的發(fā)展，有望解決傳統(tǒng)交通流中車輛跟馳問題。本文首先回顧了跟馳理論的發(fā)展歷程，分析了傳統(tǒng)線路跟馳模型并且提出了傳統(tǒng)跟馳模型的不足與未來發(fā)展方向。本文在查閱相關(guān)的文獻(xiàn)和資料的基礎(chǔ)上提出了基于自動(dòng)駕駛模型（IDM）下的自適應(yīng)巡航控制（ACC）跟馳模型，以及模型參數(shù)取值。關(guān)鍵詞：跟馳理論；IDM模型；自適應(yīng)巡航控制 引言在引起交通流的不穩(wěn)定因素中，駕駛?cè)藢?duì)交通環(huán)境以及與周邊車輛行駛狀態(tài)的反應(yīng)能力和判斷能力的局限性是重要因素，也是誘發(fā)交通擁堵和交通安全問題的原因之一。近些年來，自動(dòng)駕駛技術(shù)的發(fā)展有望改變傳統(tǒng)的交通流特性，也是緩解交通擁堵和提高交通安全的有效途徑。自適應(yīng)巡航控制（Adaptive Cruise Control，ACC）是自動(dòng)駕駛技術(shù)交通流研究中一類重要的縱向跟馳技術(shù)。智能駕駛跟馳模型（Intelligent Driver Model，IDM）是能夠描述車輛從自由流到擁堵流不同交通流狀態(tài)下的狀態(tài)。兩種模型的結(jié)合，有望從微觀車輛層面優(yōu)化交通流問題。1 跟馳理論發(fā)展歷程跟馳理論最早研究于20世紀(jì)50年代，Reushel和Pipes從運(yùn)動(dòng)學(xué)的角度對(duì)隊(duì)列中形式的車流進(jìn)行了分析。20世紀(jì)60年代美國通用汽車通過大量的研究，在刺激-反應(yīng)的基礎(chǔ)上提出了GM模型，該模型建立了跟馳車加速度與前后車相對(duì)速度之間的關(guān)系模型，并通過在實(shí)驗(yàn)獲取的數(shù)據(jù)來標(biāo)定和驗(yàn)證理論模型。此后Herman以GM模型為基礎(chǔ)研究了交通流中局部穩(wěn)定和漸進(jìn)穩(wěn)定性問題論了次鄰近前導(dǎo)車的影響以及跟馳行為的穩(wěn)定性統(tǒng)計(jì)理論，同時(shí)還提出采用加速度干擾（Acceleration Noise）來刻畫駕駛?cè)?車輛-道路系統(tǒng)的運(yùn)行特性。同一時(shí)期Kometani也提出了相應(yīng)的理論模型。這一系列的理論是的GM模型成為最經(jīng)典的跟馳模型，也奠定了跟馳模型在交通理論中核心地位。2 基于IDM的ACC車輛跟馳模型2.1 ACC概述ACC是一種通過車載測量設(shè)備獲得與前車的實(shí)時(shí)車間距離及速度等信息，并應(yīng)用加速度優(yōu)化算法控制車輛與前車保持穩(wěn)定車間時(shí)距行駛的車輛縱向跟馳控制技術(shù)，可視為自動(dòng)駕駛汽車技術(shù)的重要組成部分。ACC控制系統(tǒng)的研究起源于20世紀(jì)60年，經(jīng)過30多年的研究，在90年代初由美國、歐洲等國家率先進(jìn)入實(shí)用化階段。2.2 IDM模型概述IDM模型主要用于描述單車輛的位置和速度，在21世紀(jì)初期，Helbing等人提出了一個(gè)只需少數(shù)有明確意義的參數(shù)的模型——智能駕駛模型（Intelligent Driver Model，IDM），IDM模型時(shí)目前最簡單、完整、無事故、最符合且易于標(biāo)定，能夠統(tǒng)一模型形式描述不同交通流狀態(tài)下，所有單車道的跟馳行為。2.3 基于IDM的ACC跟馳模型ACC車輛跟馳模型要求保持穩(wěn)定的車間時(shí)距，而IDM恰好滿足車間時(shí)距這一物理參數(shù)，因此IDM模型描述ACC車輛跟馳模型得到學(xué)術(shù)界的普遍認(rèn)可。基于IDM的ACC車輛跟馳模型為：式中：ai為車輛i的加速度；Vi為車輛i的速度；△Vi為車輛i與前車的速度差；V0為自由流速度；S1為期望車間距離；s為實(shí)際車間距離；S0為靜止安全間距；T為安全車頭時(shí)距；a為最大加速度；b為舒適減速度； 為速度冪系數(shù)，其值由模型參數(shù)標(biāo)定獲得，一般取值為4。上述模型中。一般情況下只需要改變IDM模型中安全車頭時(shí)距T，即可實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)車輛跟馳模型和ACC車輛跟馳模型之間的轉(zhuǎn)換。這類ACC跟馳模型一般取值參考如下表所示：雖然IDM模型考慮了駕駛?cè)嗽谳^精確感知前方車輛行駛狀態(tài)下的智能駕駛行為，然而，其本質(zhì)建模思想仍然是將能夠體現(xiàn)智能駕駛的傳統(tǒng)駕駛?cè)祟惐葹锳CC 上層自動(dòng)控制系統(tǒng)，而忽略了二者之間跟馳行為的差異。3 結(jié)語本文首先回顧了跟馳理論的發(fā)展歷程，并且簡單的對(duì)IDM模型和ACC進(jìn)行了介紹，在此基礎(chǔ)上提出了基于自動(dòng)駕駛模型（IDM）下的自適應(yīng)巡航控制（ACC）跟馳模型，以及模型參數(shù)取值。此外，我國的交通環(huán)境、交通流構(gòu)成、駕駛員心理特性等方面都與國外有著較大差異，而我國在跟馳模型方研究還較薄弱，缺乏跟馳模型的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。希望本文能為從事這方面研究的人員能提供一定借鑒，從基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)出發(fā)，發(fā)展、完善適合于我國交通流的跟馳模型。參考文獻(xiàn)[1]何民，劉小明，榮建.交通流跟馳模型研究進(jìn)展[J].人類工效學(xué)，2000（02）：46-50.[2]王殿海，金盛.車輛跟馳行為建模的回顧與展望[J].中國公路學(xué)報(bào)，2012，25（01）：115-127.[3]秦嚴(yán)嚴(yán)，王昊，王煒，NI Dai-heng.自適應(yīng)巡航控制車輛跟馳模型綜述[J].交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào)，2017，17（03）：121-130.[4]NEWELL G F.Memoirs on Highway Traffic Flow Theory in the 1950s[J].Operations Research，2002，50（1）：173-178.[5]王嘉宇，李澤州，張家偉，涂輝招.高速公路平直路段霧霾天氣下的IDM跟馳模型分析[J].交通運(yùn)輸研究，2015，1（01）：86-91+98.