投放不同比例无人驾驶汽车对道路通行的影响

何世宇+孔凡备+徐翔宇+门晓君

摘 要：针对引入无人驾驶汽车来缓解道路通行的可行性问题，本文建立了基于元胞自动机的实际通行能力模型。首先以车流量、基本通行力、车速、道路交织系数为模型参数，在此模型的基础上，考虑无人驾驶汽车所占比例对道路通行能力的影响，引入跟驰时间和安全避让系数对模型进行修正，构建了实际通行能力的动态模型。

关键词：无人驾驶汽车；元胞自动机；实际通行能力；动态模型；

1基于元胞自动机的实际通行能力动态模型

1.1实际通行能力模型

1.1.1基本通行能力

基本通行能力即基本通行量，指的是单位时间内通过道路断面的最大车辆数，又称理论通行能力。单车道的基本通行能力为单位时间内通过该车道的最大车流量，与车辆间的安全距离有关。行驶车辆间的安全距离为：

s（t）=d1+d2+d3+d4 （1）

上式中：d1 车辆间的安全车距；d2 车辆平均长；d3 车辆的制动距离；d4 司机在反应时间内车辆行驶。

1.1.2平均车流量

车流量指的是单位时间内通过某路段的汽车数量，而平均车流量可以反映出各个时间段通过该道路的车辆平均数目，从而更好地对道路通行情况进行评判。其计算公式为：

（2）

2.无人驾驶汽车对道路通行的影响

2.1跟驰时间

假设无人驾驶车在车辆密度大且车辆间距小的道路条件下行驶，那么无人驾驶车的行驶状况势必会受到一定的制约，考虑到汽车的整体运行情况，为确保行车安全，驾驶员通常会采取制动措施来控制合理车速。此时，司机的反应越快，车辆行驶受到的条件约束就越小，而对于无人驾驶汽车来说，由于其内部采用智能计算机控制系统、外部采用智能传感器，因此无人驾驶汽车的制动反应时间与普通汽车相比更短。

2.2安全规避系数

对于普通的有人驾驶汽车，其行驶状况在很大程度上受到司机主观因素的影响。例如司机自身的驾驶技术和情绪波动会对车辆行驶速度产生较大的影响，在车辆密度大的车道上就很容易发生交通事故，导致交通拥堵从而影响道路的通行情况。然而对于无人驾驶汽车，采用智能计算机系统和外部传感器控制车辆，能更好的进行障碍规避，识别红绿灯，变换车道，控制车速以及调整前后车间距，大大提高了行车安全性。

3.实例分析

修改行驶在公路上的无人驾驶汽车的比例，将元胞自动机仿真模拟得到的结果带入实际实际通行能力模型中，可以分别得到5号、90号和405号洲际公路以及520号国道通行能力随无人驾驶车所占比例的变化拟合图，拟合结果见下图：

由图3可以直观清晰地看出，对于5号洲际公路，当无人驾驶车所占比例为10%时，该公路的实际通行能力值为750pcu/h，比例为50%时，实际通行能力增加到1500pcu/h，90%时达到1950pcu/h。经分析发现无人驾驶车所占比例从10%增加到50%的过程中，该公路的实际通行能力呈上升趋势并且在30%时，实际通行能力存在一个变化明显的临界点，但是所占比例从50%增加到90%的过程中，实际通行能力增加到85%后逐渐趋于平衡即85%为其平衡点。

对于90号洲际公路，与5号类似，当无人驾驶车所占比例为10%时，该公路的实际通行能力值为650pcu/h，比例为50%时，实际通行能力增加到1050pcu/h，90%时达到1250pcu/h。对图象作进一步研究可以发现，无人驾驶车所占比例从10%增加到50%的过程中，该公路的实际通行能力呈上升趋势并且在30%时，实际通行能力存在一个变化明显的临界点，然而从50%增加到90%的过程中，实际通行能力增加到74%后逐渐趋于平衡即74%为其平衡点。

由图4（a） 可以看出，当无人驾驶车所占比例为10%时，该公路的实际通行能力值为1600pcu/h，比例为50%时，实际通行能力增加到2500pcu/h，90%时达到2900pcu/h。同样的可以看出无人驾驶车所占比例从10%增加到50%的过程中，该公路的实际通行能力呈上升趋势并且在14%时，实际通行能力存在一个变化明显的临界点，但是所占比例从50%增加到90%的过程中，实际通行能力增加到78%后逐渐趋于平衡即78%为其平衡点。

根据图4（b） 可以发现，当无人驾驶车所占比例为10%时，该公路的实际通行能力值为1550pcu/h，比例为50%时，实际通行能力增加到1850pcu/h，90%时达到1900pcu/h。经分析发现无人驾驶车所占比例从10%增加到50%的过程中，该公路的实际通行能力呈上升趋势并且在32%时，实际通行能力存在一个变化明显的临界点，但是所占比例从50%增加到90%的过程，实际通行能力增加到78%后逐渐趋于平衡即70%为其平衡点。

4.结论

研究不同比例无人驾驶汽车在道路中投放的目的是提供一个能缓解道路通行压力的策略，减少道路交通安全事故的发生。本文运用基于元胞自动机的实际通行能力模型，仿真美国西雅图4条高速公路的道路状况，计算在不同比例无人驾驶汽车投放的情况下，道路通行能力的变化并分析得出四条公路的最佳投放比例分别为：85%、74%、78%、70%。

参考文献：

[1] 张军华，黄凤婵，黄敏. 道路交通通行能力均衡性研究[J]. 武汉工程大学学报

[2] 李陆浩. 面向无人驾驶汽车的车道级导航研究[D].吉林大学，2014.

[3] 武历颖. 无人驾驶汽车环境信息提取及運动决策方法研究[D].长安大学，2016.