面向無人駕駛車輛的“華容道”智慧停車系統設計

翁 忻,楊星宇,李春怡,謝 倩

(江蘇大學汽車與交通工程學院,江蘇 鎮江 212013)

近年來人工智能快速發展,備受世人矚目的無人駕駛車輛即將成為交通出行的主流工具之一,它以計算機、現代車輛產業技術為基礎,以數字化、智能化為依托實現自動化駕駛,為新時代汽車領域發展帶來新的機遇,也成為未來車輛全新形態代表。無人駕駛車輛的出現在一定程度上會逐漸取代汽車的私有性,這可以有效減少資源浪費、改善環境惡化以及噪音過大的困擾[1]。并達到降低城市擁堵和改變城市交通運轉模式的目的。

我國的智能汽車發展,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《中國制造2025》中制定物聯網汽車發展路線[2];2016年4月,在《裝備制造業標準化和質量提升規劃》中明確提出開展智能網聯汽車標準化工作[3];2017年4月,在《汽車產業中長期發展規劃》中,中國政府指出要加大技術研發,協調制定相關法律法規,推動寬帶網絡基礎設施建設和多產業共建智能網聯汽車[4];2018年1月,在《智能汽車創新發展戰略征求意見稿》中,指出到2020年,中國標準智能汽車的技術創新生態路網設施法規標準產品監管和信息安全體系框架基本完成[5];2020年4月,在《2020智能網聯汽車標準化工作要點》中,中國政府針對駕駛輔助系統、無人駕駛、信息安全、功能安全、汽車網聯功能與應用領域等特點,有計劃有重點部署標準研究與制定工作[6];2021年8月,在《汽車駕駛自動化分級》(推薦性國家標準)中,中國政府明確無人駕駛分級的國家標準,為后續無人駕駛相關法律法規提供了可參考目標和理論支撐[7]。

汽車產業的如此巨大的變革必然帶來許多新的課題,比如無人駕駛汽車的停車場最優布局問題。無人駕駛汽車的機動性較高,往往在放下一位乘客后就會用來運送另一位乘客。當沒有乘客需求時會產生一些空閑時間,如果無人駕駛汽車在道路上停留或者巡航,那么勢必會造成道路的堵塞,甚至引發交通事故。因此需要有適合無人駕駛汽車的停車場,以方便乘客需要用車時可以盡快乘車。當前無人駕駛車輛停車場研究主要存在以下不足:(1)國內外學者主要集中在無人駕駛技術的研究,而對無人駕駛車輛配套的相關靜態交通設施研究較少;(2)已有文獻從停車位搜索延誤、停車排隊時間、停車場利潤等角度對普通停車場優化布局做了大量研究,但受人工停車的局限性缺乏考慮停車場的最大密度問題;(3)停車布局優化通常采用數學規劃理論建模,而基于圖論和“華容道”路徑行駛特征的停車場布局分析可以更好地刻畫停車場最優停車分布。

因此方案根據車輛最小橫向凈距和停車加減速距離特征分別設計了最大密度和最優移動的無人駕駛車輛停車場,以提高停車場使用效率,并借助C#面向對象功能,對無人駕駛車輛停車場進行設計,從而優化靜態交通系統。研究思路如圖1所示。

圖1 停車系統設計思路圖

1 關鍵技術

1.1 無人駕駛車輛停車特性研究

為了能夠使此停車場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,n代表列的格子數,為了便于研究,文中每個車位占用兩個格子)規格的停車場后,運用“華容道”路徑行駛特征和圖論給出最大密度和最優移動的停車場容量設計。對于特殊形狀的停車場,均可以被分為若干個m×n規模停車場的組合。

根據車輛停車最小橫向凈距和停車加減速距離特征(如公式1),車輛在移動過程中無法做到平移,同時在轉彎時需要足夠的轉彎半徑。設計了如下三種汽車移動的基本情況(所有復雜的移動均建立在這三種基本情況上),并應用在后續計算過程中。

(1)

(2)

式中:h為最小橫凈距,m;Rs為曲線內側行駛軌跡的半徑,m;Wd為行車軌跡至路面邊緣寬度,m;θ為視距線所對的圓心角,(°);s為停車加減速距離,m;v1為停車初速度,m/s;v2為停車末速度,m/s;tA為停車啟動時間,s;tB為停車穩定時間,s;vs為停車平均加速度,m/s2。

圖2(a)為最基本的移動情況,僅需要一個空格即可完成汽車前后移動;圖2(b)為汽車轉彎移動,因為汽車轉彎需要轉彎半徑,所以需要更多的空間,經過計算需要四個空格才能完成移動;圖2(c)為汽車的錯位平移移動,根據公式(2),同樣需要四個空格才能完成該種運動。

圖2 車輛停車行駛空間需求分析

1.2 基于最大密度的停車場容量設計

對于最大密度式停車場容量設計,汽車駛出被限制,只能按順序先進后出、后進先出。該停車場適用于停車場中均為公共使用的無人駕駛車輛,車輛屬于企業管理部門。

對于最大密度式停車場容量設計,即一定規格的停車場最多能停多少車。讓每一輛車從出入口駛入后即停在不影響下一輛車駛入的地方,既定規模停車場大部分空間可以被停滿車而不用考慮下一輛汽車的駛入問題。針對m×n不同規模的停車場(m、n奇偶與大小不同),停車場在大部分區域布滿停車位后,剩余空間均為這五種典型場景。

圖片左下角為停車場出入口,考慮到汽車的移動情況,所以總會存在停車場仍有空間但汽車無法駛入的情況。圖3(a)對應停車場規模:m、n均為奇數且m,n≥5;圖3(b)對應停車場規模:m、n均為奇數且m、n中任意一個等于3;圖3(c)對應停車場規模:m為偶數,n為奇數且m≥4,n>2;圖3(d)對應停車場規模:m為奇數,n為偶數且m>4,n≥2;圖3(e)對應停車場規模:m、n均為偶數且m≥4,n≥2。

圖3 典型場景下最大密度式停車(先進后出)容量設計

進而推導出停車場規模較大情況下的最大密度式停車場容量公式為

(3)

其停車場最大停車密度分別為:(m×n-1)/(m×n)、(m×n-2)/(m×n)。

1.3 基于最優移動的停車場容量設計

最優移動式停車場容量設計的目的是:在停車場里所有車都不離開停車場的情況下,僅利用停車場剩余空間移動其他無人駕駛車輛,從而實現停車場內任意一輛車均可以駛出。該方案對無人駕駛車輛私有和公有均適用。同時,無人駕駛車輛在停車場里的運動必須嚴格遵從1.1節所述的移動情況。運用數學思維中的“華容道”路徑行駛和圖論分析最優移動式無人駕駛車輛停車,同樣針對m×n不同規模的停車場,停車場在大部分區域布滿停車位后,剩余空間均為這四種典型場景。

為了讓任意汽車均可以駛出停車場,所以與最大密度式停車場相比,最優移動式停車場的無法停車空間要求更高。圖4(a)對應停車場規模:m、n均為奇數且m,n≥3;圖4(b)對應停車場規模:m為偶數,n為奇數且m≥4,n>2;圖4(c)對應停車場規模:m為奇數,n為偶數且m>4,n≥2;圖4(d)對應停車場規模:m、n均為偶數且m≥4,n≥2。

圖4 典型場景下最優移動式(任意車輛進出)停車場容量設計

進一步可以推導出停車場規模較大情況下的最優移動式停車場容量公式為

其他

(4)

其停車場最大停車密度分別為:(m×n-5)/(m×n)、(m×n-6)/(m×n)。

2 具體實施過程

2.1 停車場容量及駛出路徑案例分析

以7×7大小的停車場為例,根據式(4),最優移動式停車場容量為:(m×n-5)/2=(7×7-5)/2=22輛(即圖5中左上角第一幅),最大容量分析過程如下。

圖5 最優移動式停車場容量設計與車輛(暗色車)駛出方法

步驟1:考慮最優移動式停車,首先在完全不影響下一輛車駛入并且不影響汽車最大停車數量的空間停滿車,如圖5第一幅右邊兩排停車所示(其中停在離出入口最遠的暗色小車下文統稱“暗色車”)。

步驟2:剩下的空間里留有一個符合3×3規格停車場的典型形式(圖5第一幅圖左下角正方形色塊區域),在剩下的空間考慮汽車的移動情況,并停滿車,如圖5第一幅左上角6輛豎直停放車輛所示。

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

通過利用圖5第一幅左下角正方形色塊區域中剩余的三個車位空間,移動其他無人駕駛車輛,可實現停車場內任意一輛車駛離,該方案具體車輛進出方式(暗色車駛離)見圖5所示。其中圖5中的第五幅至第六幅車位變換過程如圖6所示。

圖6 第五幅至第六幅車位(圖5中)變換過程

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

2.2 基于C#的無人駕駛車輛最優布局下的停車場設計系統

面對不同規格的停車場建造,需要考慮不同的典型情況然后加以計算,過程比較繁瑣,于是本項目考慮運用編程簡化問題。利用C#面向對象功能編程得到一個可用于快速計算兩種情況下的最大停車數量與密度的計算系統。

該系統頁面簡潔,使用方便。使用時,首先需要注冊得到一個賬號,登陸完成即可進入系統界面,如圖7(a)所示。該系統擁有最大密度式停車場容量、最優移動式停車場容量、多出入口、特殊情況、預計耗時分析等功能,如圖7(b)所示。對最大密度式和最優移動式停車場僅需輸入停車場m、n的數值即可得到兩種情況對應的最大停車數量與密度,如圖7(c)所示。同時該系統配有停車典型情況進出方式的視頻,如圖7(d)所示。

圖7 無人駕駛車輛最優布局下的停車場設計系統

3 方案先進性

最大密度式和最優移動式無人駕駛停車場停車可有效利用現有靜態交通系統設施資源,圖8分析了所設計停車場與傳統停車場的停車密度,可以發現隨著停車場規模增加,本項目設計停車場停車密度可達到80%以上,而傳統停車場停車密度僅為40%左右。

圖8 共場所 不同方案下的停車場停車密度分析

4 特色與成果

“華容道”方案的特色是綜合運用圖論和計算機應用技術設計無人駕駛車輛最優布局下的停車場,提高未來無人駕駛車輛停車場使用效率。創新點主要體現在以下兩個方面:

(1)在理論上,運用“華容道”路徑行駛方法和圖論優化技術,提出了最大密度式和最優移動式無人駕駛車輛停車場容量設計理論,有效提高停車場停車密度。其中最大密度式停車場車輛先進后出,主要用于無人駕駛車輛為公共使用的情況,而最優移動式停車場中任意一輛車輛均可以駛出,對于無人駕駛車輛為私人擁有和公共使用均適用。

(2)在應用上,運用C#開發無人駕駛車輛最優布局下的停車場設計系統,該系統可以集成在已有停車導航、共享停車預約等相關系統中。設計系統擁有最大密度式停車場容量、最優移動式停車場容量、多出入口、特殊情況、預計耗時分析等功能,能夠對無人駕駛停車場進行停車布局優化,未來可與停車場管理電腦、數據管理系統、移動停車收費終端共同組成云平臺。

該停車系統無需駕駛員手動停車,通過中央集成控制器,車輛可以自動完成停車、駛離、繳費等動作,能夠提高停車場的利用率以及人們的出行效率,減少因尋找停車位帶來的交通堵塞,節約能源,也在一定程度上緩解了城市的停車壓力。

5 結束語

“華容道”方案設計的最大密度式和最優移動式無人駕駛停車場可應用在如今科技大力發展的無人駕駛汽車領域,可滿足未來土地資源集約情況下的停車需要。其中最大密度式停車場可以保障公共使用的無人駕駛車輛最大密度停放,最優移動式停車場可以使私人使用的無人駕駛車輛最大容量地停放。所開發的系統簡單易使用,可以方便集成在已有停車系統中。研究能夠為當前智慧交通領域提供新的規劃思路和優化方法。未來將結合經濟性和時間效益,針對停車場內存在建筑承重柱、充電樁等障礙物以及有人駕駛車輛與無人駕駛車輛混合式停車場的情況進行深入研究。