單車道人機(jī)駕駛混合交通流建模與仿真

胡月豪

(貴州交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院,貴州 貴陽(yáng)550000)

自動(dòng)駕駛汽車（以下簡(jiǎn)稱為自動(dòng)駕駛）也稱輪式移動(dòng)機(jī)器人，相關(guān)科學(xué)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，加快了由高級(jí)輔助駕駛向全自動(dòng)駕駛的轉(zhuǎn)變進(jìn)程。

Petros Ioannou等[1]（1997）的研究表明半自動(dòng)/全自動(dòng)車輛可以降低由快速加減速造成的擾動(dòng)并防止“slinky effects”的傳播，同時(shí)指出自動(dòng)駕駛對(duì)油耗和污染有著積極的作用；Arnab Bose等[2]（1999）分析了當(dāng)?shù)缆翻h(huán)境中半自動(dòng)和手動(dòng)汽車在同車道行駛時(shí)對(duì)交通流狀態(tài)的影響；Sunan Huang等[3]（2000）模擬手動(dòng)/自動(dòng)車輛同時(shí)上路的情況，對(duì)混合交通做了性能評(píng)估；陳時(shí)東等[4]（2009）建立由兩種車長(zhǎng)、能以不同最大速度行駛且具有自動(dòng)巡航功能的單車道混合交通流模型，分析了不同變量下的交通流特征，研究了速度期望因子和混合比例系數(shù)對(duì)交通流的影響；邱小平等[5]（2016）引入Gipps安全距離規(guī)則改進(jìn)NaSch模型，建立了基于安全距離的手動(dòng)-自動(dòng)駕駛混合交通流CA模型，研究了自動(dòng)駕駛對(duì)道路交通流的影響。

本文建立了單車道人機(jī)駕駛混合交通流環(huán)境下的CA模型。通過對(duì)交通流基本圖與時(shí)空演化圖的分析，以期揭示自動(dòng)駕駛運(yùn)動(dòng)特性，及人類對(duì)自動(dòng)駕駛的應(yīng)激對(duì)交通系統(tǒng)運(yùn)行效率的影響。

1 模型的建立

1.1 基本假設(shè)

本文所指自動(dòng)駕駛是指無人工干預(yù)條件下通過傳感設(shè)備、信息技術(shù)等實(shí)現(xiàn)的全自動(dòng)駕駛。為便于對(duì)人類做出提示，自動(dòng)駕駛車輛可通過顏色、外觀等被辨識(shí)。并假設(shè)在單車道交通流環(huán)境下當(dāng)人工駕駛前車為自動(dòng)駕駛時(shí)，出于對(duì)其超出人類的“專注與敏捷”的顧忌，人類駕駛員會(huì)選擇增大安全間距，這是模型建立的前提條件。

1.2 安全距離的定義

車頭時(shí)距（Time Headway,TH）代表前后兩車前端通過同一地點(diǎn)的時(shí)間差。一般可用前后車的車頭間距比上后車速度來計(jì)算，如圖1所示。最短車頭時(shí)距代表駕駛員選擇車頭時(shí)距下限，是維持行駛安全的最小距離，當(dāng)?shù)缆飞洗嬖谧詣?dòng)駕駛和人工駕駛兩種類型車輛時(shí)，后者通常會(huì)根據(jù)前方車輛的類型而選擇恰當(dāng)?shù)淖疃誊囶^時(shí)距，這一假設(shè)考慮了前車屬性對(duì)人工駕駛駕駛員安全駕駛而產(chǎn)生的心理影響。

圖1 人工駕駛安全距離示意圖

式中，安全距離據(jù)固定車頭時(shí)距來評(píng)價(jià)駕駛安全性，同式（1）：

2.2 交通流特性分析

2.2.1 流量與速度分析

由于自動(dòng)駕駛車輛和人工駕駛車輛無論在駕駛特性方面或自身性能上都千差萬(wàn)別，探究人機(jī)駕駛混合交通流中兩種屬性車輛的混合比例參數(shù)對(duì)單車道交通流產(chǎn)生的影響。

圖2是模擬得到不同混合比例下單車道人機(jī)駕駛混合交通流的流量-密度關(guān)系圖a和速度-密度關(guān)系圖b。圖中，r表示人工駕駛占總車輛數(shù)的比例，選取了6組混合比例進(jìn)行仿真，人工駕駛的隨機(jī)減速概率均為P=0.175 ，安全距離差值di=1（3.750 m）。

由圖2分析，隨人工駕駛比例增加，道路通行能力降低。在r=0即道路上全為自動(dòng)駕駛時(shí)其平均速度能達(dá)最大值vmax，最大流量相對(duì)r=1時(shí)增加了0.680 倍。原因是自動(dòng)駕駛反應(yīng)時(shí)間短，其加減速機(jī)制優(yōu)于人工駕駛，行駛過程中沒有隨機(jī)慢化導(dǎo)致降速的情況，故大幅提高了道路通行能力，使得整體流量、速度較為明顯提升。人機(jī)駕駛混合交通流中人工駕駛的加速機(jī)制和隨機(jī)減速機(jī)制是制約車輛提速的因素之一。當(dāng)前車為自動(dòng)駕駛時(shí)，駕駛員因心理因素及安全考慮會(huì)增加其行車距離，這也制約了正常加速，降低了通行能力。

圖3給出了同密度ρ=0.2 （約54 veh/km）不同混合比例r下的時(shí)空演化斑點(diǎn)圖,由1600個(gè)格點(diǎn)2000個(gè)時(shí)步的演化過程。橫軸表示車輛位置，從左至右行進(jìn)；縱軸表示時(shí)間，自上而下演化。黑點(diǎn)表示車輛占據(jù)，白點(diǎn)表示空格。灰色區(qū)域車輛自由運(yùn)動(dòng)，行駛暢通；黑色區(qū)域車輛停止運(yùn)動(dòng)集聚到一起，出現(xiàn)局部擁堵。由圖3-a可知，在r=0車道上只有自動(dòng)駕駛，車輛以相對(duì)穩(wěn)定的車速行駛，車輛位移是均勻的，車流處于暢通狀態(tài)，有短時(shí)時(shí)走時(shí)停現(xiàn)象但并未發(fā)生局部擁堵。比較圖3a-d發(fā)現(xiàn)，隨著r增大，堵塞區(qū)域增多，堵塞帶逐漸延長(zhǎng)。在r=1時(shí)車道上僅有人工駕駛，如圖3-d所示，可以清晰的看見由堵塞相與運(yùn)動(dòng)相形成相分離現(xiàn)象，交通流處于亞穩(wěn)定狀態(tài)。仿真結(jié)果表明，減少人工駕駛而增加自動(dòng)駕駛比例，可以有效的調(diào)節(jié)交通運(yùn)行效率，提高車流的平均速度，增加交通流量，減少擁堵。

圖3 不同混合比例下的時(shí)空演化斑點(diǎn)圖

2.2.2 車頭間距分析

車頭間距指在同一車相鄰兩車頭端部間的瞬時(shí)距離。車頭間距與交通流三參數(shù)有密切關(guān)系，車頭間距因交通流狀態(tài)的差異，將表現(xiàn)不同特性。

為深入研究車頭間距對(duì)人機(jī)駕駛混合交通流的影響，從相鄰兩車屬性組合4種情景進(jìn)行對(duì)比。由于模型中車頭間距和速度均以元胞數(shù)（cells）度量，故在圖4中同時(shí)表示車頭間距和后車速度的變化。圖4選取了一次模擬中同一起始時(shí)刻（ρ=0.150、r=0.200 、P=0.200 ），初始車頭間距和速度相同的4種情景，實(shí)線為兩車車頭間距，虛線為后車速度。對(duì)比發(fā)現(xiàn)前后車屬性不同，其速度的變化有明顯差別。當(dāng)后車為自動(dòng)駕駛時(shí)，能較好的結(jié)合車頭間距及時(shí)調(diào)整車速，不至于使車頭間距波動(dòng)過大，圖中表現(xiàn)為二者變化趨勢(shì)緊密貼合，如圖4-a、4-b；當(dāng)后車為人工駕駛時(shí)，因不能及時(shí)調(diào)控車速，甚至當(dāng)前車為自動(dòng)駕駛時(shí)由于人類駕駛員對(duì)自動(dòng)駕駛的“顧忌”，形成前后車速度差，造成車頭間距過大如圖4-c。兩者貼合度不高，在周期性邊界條件下，過大的車頭間距對(duì)后續(xù)車輛速度更新會(huì)產(chǎn)生影響，進(jìn)而干擾整個(gè)道路，造成阻塞。

圖4 同一時(shí)刻起始的四類車序車頭間距和速度對(duì)比圖a～d

3 結(jié)論

基于元胞自動(dòng)機(jī)及跟馳理論，本文提出了單車道人機(jī)混合駕駛交通流下的自動(dòng)駕駛模型和人工駕駛模型。模型數(shù)值模擬結(jié)果表明，自動(dòng)駕駛憑借超乎人類專注與敏捷優(yōu)勢(shì)，固然能夠提高交通系統(tǒng)的運(yùn)行效率，但即使對(duì)于單車道這一最簡(jiǎn)單的交通系統(tǒng)，在人機(jī)駕駛混合條件下，假設(shè)人類在駕駛中由生理局限以及對(duì)自動(dòng)駕駛謹(jǐn)慎心理仍會(huì)導(dǎo)致混合交通流的不穩(wěn)定，這一現(xiàn)象對(duì)現(xiàn)實(shí)中更為復(fù)雜的交通環(huán)境的影響值得進(jìn)一步探究。