國(guó)際觀察 | 對(duì)于混合駕駛交通狀態(tài)下新型交通基礎(chǔ)設(shè)施研究的解讀與思考——以歐洲為例
引言
根據(jù)清華大學(xué)教授李克強(qiáng)在2020世界智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)大會(huì)上發(fā)布的《智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)技術(shù)路線圖2.0》可知，至2025年，我國(guó)PA（部分自動(dòng)駕駛）、CA（有條件自動(dòng)駕駛）級(jí)智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)銷(xiāo)量占當(dāng)年汽車(chē)總銷(xiāo)量的比例將超過(guò)50%，C-V2X終端新車(chē)裝配率達(dá)50%。隨著自動(dòng)駕駛技術(shù)和汽車(chē)的逐漸普及，會(huì)出現(xiàn)自動(dòng)駕駛汽車(chē)、網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)、人工駕駛汽車(chē)共存的混合駕駛交通狀態(tài)，該狀態(tài)將帶來(lái)人工和自動(dòng)駕駛汽車(chē)相互影響逐漸增大、交通參與者的不確定行為降低整體交互質(zhì)量、道路使用者對(duì)某特定自動(dòng)駕駛車(chē)輛的預(yù)判失誤等一系列問(wèn)題，從而進(jìn)一步影響道路交通效率和安全水平。
因此，為應(yīng)對(duì)未來(lái)不同程度的混合駕駛交通狀態(tài)，亟待開(kāi)展新型道路基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)計(jì)和部署、通過(guò)網(wǎng)聯(lián)交通管控來(lái)保持或提升交通安全和效率等課題研究。本文對(duì)歐洲INFRAMIX項(xiàng)目中混合駕駛交通狀態(tài)下新型基礎(chǔ)設(shè)施和新型管控策略的設(shè)計(jì)、升級(jí)、驗(yàn)證評(píng)估等一系列研究進(jìn)行解讀，為我國(guó)自動(dòng)駕駛產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供參考。
01 INFRAMIX項(xiàng)目概述
INFRAMIX（Road INFRAstructure ready for MIXed vehicle traffic flows project facts）項(xiàng)目針對(duì)不同比例自動(dòng)駕駛汽車(chē)、網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)、人工駕駛汽車(chē)的混合駕駛交通狀態(tài)下，對(duì)高等級(jí)公路的道路基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行研究，選取動(dòng)態(tài)車(chē)道分配、道路施工區(qū)域和交通瓶頸三個(gè)典型交通情景，提出新型交通管控策略、新型物理和數(shù)字交通基礎(chǔ)設(shè)施元素，并在奧地利和西班牙高速公路上進(jìn)行實(shí)地測(cè)試，通過(guò)協(xié)同仿真和混合測(cè)試（Hybrid testing，真實(shí)場(chǎng)景和仿真結(jié)合），對(duì)新型基礎(chǔ)設(shè)施升級(jí)方案進(jìn)行評(píng)估，并提出基礎(chǔ)設(shè)施分類(lèi)方案、安全績(jī)效標(biāo)準(zhǔn)和全自動(dòng)運(yùn)輸系統(tǒng)路線圖等建議，為混合駕駛交通狀態(tài)下新型基礎(chǔ)設(shè)施的應(yīng)用做準(zhǔn)備。
INFRAMIX項(xiàng)目始于2017年6月，于2020年5月正式結(jié)題，持續(xù)4年時(shí)間，獲歐盟Horizon 2020研究與創(chuàng)新計(jì)劃資助，資金500萬(wàn)歐元，由奧地利AustriaTech公司聯(lián)合寶馬、西門(mén)子、TOMTOM等十余家單位共同完成。
圖1?1 INFRAMIX項(xiàng)目總體框架
圖1?2 項(xiàng)目參與單位地理位置分布
02 混合駕駛交通狀態(tài)三種典型情景
為保障混合駕駛交通狀態(tài)效率與安全，項(xiàng)目采用自下而上的方法，選取高速公路上三個(gè)典型交通情景，針對(duì)性的對(duì)不同情景下的交通基礎(chǔ)設(shè)施提升和新型交通管控策略制定進(jìn)行研究和效果評(píng)估，其研究成果可以轉(zhuǎn)移到城市道路中使用。
三個(gè)典型情景分別是動(dòng)態(tài)車(chē)道分配、道路施工區(qū)、交通瓶頸。動(dòng)態(tài)車(chē)道分配是指綜合考慮自動(dòng)駕駛滲透率、交通構(gòu)成（貨車(chē)、重型車(chē)占比）等因素，對(duì)自動(dòng)駕駛專(zhuān)用車(chē)道進(jìn)行動(dòng)態(tài)分配，保障道路通行能力和安全。道路施工區(qū)是指經(jīng)過(guò)基礎(chǔ)設(shè)施向車(chē)輛提供擴(kuò)展信息，如通過(guò)更新車(chē)載高清地圖（包括臨時(shí)的黃色車(chē)道）、附加交通標(biāo)志、現(xiàn)場(chǎng)參考點(diǎn)等信息，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛汽車(chē)的精準(zhǔn)定位、面向特定區(qū)域的新型交通管制措施等。交通瓶頸是指對(duì)涉及動(dòng)態(tài)限速、動(dòng)態(tài)車(chē)道分配、匯入匝道輔助計(jì)量等各種控制措施的實(shí)時(shí)控制器進(jìn)行研究，以達(dá)到管理交通瓶頸處的混合駕駛交通情況并避免交通流量下降的目的。
a.動(dòng)態(tài)車(chē)道分配
b.道路施工區(qū)
c.交通瓶頸
圖2?1 三種典型混合駕駛交通情景
03 用例研究
針對(duì)三種典型交通情景，以保障混合駕駛交通狀態(tài)下交通效率和安全為核心，項(xiàng)目梳理了自動(dòng)駕駛汽車(chē)信息支持、混合駕駛交通狀況控制策略等不同層次問(wèn)題，細(xì)化了情景用例及具體條件，對(duì)新型交通管控策略、新型物理或電子交通基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行設(shè)計(jì)、升級(jí)、驗(yàn)證測(cè)試和效果評(píng)估。
表3?1 三種典型混合駕駛交通情景及用例
3.1 動(dòng)態(tài)車(chē)道分配用例
3.1.1 自動(dòng)駕駛動(dòng)態(tài)滲透率下的實(shí)時(shí)車(chē)道分配
為保障混合駕駛交通情況下交通安全，為自動(dòng)駕駛汽車(chē)永久性的分配專(zhuān)用車(chē)道，可能成為自動(dòng)駕駛汽車(chē)在高速上行駛的一般形式。本用例主要通過(guò)特定時(shí)間段內(nèi)允許不同組的自動(dòng)駕駛汽車(chē)使用專(zhuān)用車(chē)道，來(lái)動(dòng)態(tài)控制交通流量，并對(duì)特定車(chē)輛組被允許行駛的時(shí)間段、V2I通信方式、專(zhuān)用車(chē)道限速要求等問(wèn)題進(jìn)行研究。
圖3?1 自動(dòng)駕駛的永久車(chē)道，實(shí)時(shí)分配給不同的自動(dòng)車(chē)輛組
3.1.2 以極端天氣條件為例的特殊交通場(chǎng)景
不利天氣情況對(duì)自動(dòng)駕駛汽車(chē)會(huì)產(chǎn)生一定的影響，如在極端惡劣天氣下，可能出現(xiàn)無(wú)法檢測(cè)車(chē)道標(biāo)記、交通標(biāo)志或產(chǎn)生影響其他交通車(chē)輛意識(shí)的情況，一般可見(jiàn)度降低時(shí)，車(chē)輛自動(dòng)化程度也應(yīng)隨之降低。該用例針對(duì)不利天氣情況下的交通場(chǎng)景進(jìn)行設(shè)計(jì)，研究特殊交通場(chǎng)景下如何通過(guò)基礎(chǔ)設(shè)施和交通管理來(lái)減少特殊天氣對(duì)自動(dòng)駕駛的干擾，以保持交通流的穩(wěn)定運(yùn)行。
3.1.3 非適當(dāng)用戶駛?cè)胱詣?dòng)駕駛專(zhuān)用道
對(duì)于人工駕駛或低于所在自動(dòng)駕駛專(zhuān)用車(chē)道上車(chē)輛自動(dòng)化水平的汽車(chē)，即不允許行駛在自動(dòng)駕駛專(zhuān)用道上的車(chē)輛，本文統(tǒng)稱為“非適當(dāng)用戶”。非適當(dāng)用戶駛?cè)胱詣?dòng)駕駛專(zhuān)用道，會(huì)對(duì)自動(dòng)駕駛專(zhuān)用道交通產(chǎn)生一定的干擾。該用例對(duì)非適當(dāng)用戶已在專(zhuān)用車(chē)道上行駛和駛?cè)雽?zhuān)用車(chē)道兩種情況進(jìn)行研究，并對(duì)通過(guò)非適當(dāng)用戶發(fā)生時(shí)有無(wú)及時(shí)通信和控制策略的交通量對(duì)比進(jìn)行評(píng)估。
非適當(dāng)用戶已經(jīng)在專(zhuān)用車(chē)道上
交通管控中心分配車(chē)道時(shí)，該車(chē)道存在非適當(dāng)用戶；應(yīng)正確指示非適當(dāng)用戶離開(kāi)；通知自動(dòng)駕駛汽車(chē)與該用戶保持距離或超車(chē)。
非適當(dāng)用戶進(jìn)入專(zhuān)用車(chē)道
非適當(dāng)用戶未獲知或忽略了專(zhuān)用車(chē)道，或者非適當(dāng)用戶因?yàn)楣收媳仨毻Ｖ剐旭偟惹闆r，自動(dòng)駕駛汽車(chē)及時(shí)反應(yīng)以減輕對(duì)交通的負(fù)面影響。
圖3?2 非適當(dāng)用戶在自動(dòng)駕駛專(zhuān)用道上行駛
3.2 道路施工區(qū)用例
3.2.1 單車(chē)道封閉（短期施工）
通過(guò)對(duì)施工占道路段的V2X通信、視覺(jué)標(biāo)志等基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行改造和升級(jí)，從安全性和社會(huì)接受度角度對(duì)通信效率等進(jìn)行評(píng)估，以安全且高效的方式引導(dǎo)混合駕駛交通流通過(guò)道路施工區(qū)域，并從用戶對(duì)引導(dǎo)信息的響應(yīng)率、通行能力變化量、自動(dòng)駕駛汽車(chē)自動(dòng)化降級(jí)量等方面對(duì)整體用例效果進(jìn)行評(píng)估。用例結(jié)果可擴(kuò)展至發(fā)生交通異常事件，如遇到障礙物、拋錨車(chē)輛等情況。
圖3?3 混合駕駛交通狀態(tài)下的單個(gè)車(chē)道施工（短期施工）
3.2.2 新車(chē)道設(shè)計(jì)（長(zhǎng)期施工）
針對(duì)覆蓋一個(gè)以上車(chē)道的施工路段的混合駕駛交通，研究V2X通信、可變視覺(jué)標(biāo)志及物理元素等，從安全性和社會(huì)接受度方面評(píng)估通信效率，重點(diǎn)關(guān)注用于描述新車(chē)道的視覺(jué)標(biāo)志和輔助自動(dòng)駕駛汽車(chē)準(zhǔn)確跟蹤新車(chē)道的應(yīng)用程序，確保所有類(lèi)型的車(chē)輛及時(shí)且充分地了解道路施工區(qū)域，并及時(shí)采取相應(yīng)的行動(dòng)。
圖3?4 混合駕駛交通狀態(tài)下多個(gè)車(chē)道施工（長(zhǎng)期施工）
3.3 交通瓶頸用例
3.3.1 路面凹陷處自動(dòng)駕駛汽車(chē)實(shí)時(shí)自適應(yīng)駕駛行為
用例根據(jù)交通管理需求，利用路側(cè)基礎(chǔ)設(shè)施和網(wǎng)聯(lián)車(chē)輛通信的方式，調(diào)整自動(dòng)駕駛汽車(chē)的縱向駕駛行為，進(jìn)而提高交通效率。具體過(guò)程為：管控中心接收當(dāng)前交通狀況的實(shí)時(shí)測(cè)量（或估計(jì)值），并向自動(dòng)駕駛汽車(chē)駕駛員建議（或直接強(qiáng)加）適當(dāng)?shù)能?chē)頭時(shí)距和車(chē)輛加速度，以此來(lái)提升路面凹陷處的通行效率。車(chē)頭時(shí)距建議同時(shí)可提供給具有網(wǎng)聯(lián)設(shè)備ACC（L2級(jí)別）的人工駕駛汽車(chē)，此用例是對(duì)于未分配自動(dòng)駕駛專(zhuān)用道的情況。
圖3?5 自動(dòng)駕駛汽車(chē)縱向駕駛行為隨交通管理需求調(diào)整
3.3.2 瓶頸處網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)的換道建議
根據(jù)主要交通流的實(shí)時(shí)信息，交通管控中心采取必要的車(chē)道變更措施，確保當(dāng)接近交通瓶頸時(shí)，實(shí)現(xiàn)預(yù)先制定的車(chē)道分配，從而提高瓶頸容量。該控制策略可降低交通流對(duì)網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)普及率、駕駛員合規(guī)性等未知因素的敏感性。
圖3?6 瓶頸處的網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)換道建議
3.3.3 瓶頸處流量控制和單車(chē)控制
針對(duì)上游交通繁忙、下游靜態(tài)容量限制的交通瓶頸問(wèn)題，通過(guò)宏觀（以相同的方式告知所有車(chē)輛一般信息）和微觀（為單個(gè)車(chē)輛識(shí)別并提供具體建議（僅適用于網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)））兩種方式向車(chē)輛傳遞管控策略信息，以達(dá)到通過(guò)上游流量控制和換道建議改善瓶頸交通的目的。其中宏觀層面是主流交通流控制策略，微觀層面是單車(chē)控制策略。
主流交通流控制（MTFC）
控制現(xiàn)有車(chē)道上的交通流。通過(guò)VMS向所有車(chē)輛提供龍門(mén)架信息，沒(méi)有龍門(mén)架情況下，向所有網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)發(fā)送同一限速值。
單車(chē)控制
控制網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)的換道行為。向所有網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)（包括傳統(tǒng)人工駕駛汽車(chē)和自動(dòng)駕駛汽車(chē)）提供每輛車(chē)的換道建議和限速建議信息。
圖3?7 瓶頸處流量控制和單車(chē)控制
04 測(cè)試驗(yàn)證
項(xiàng)目選取奧地利和西班牙兩個(gè)測(cè)試站點(diǎn)進(jìn)行建模，采用現(xiàn)實(shí)和仿真協(xié)同的混合評(píng)估方法對(duì)交通基礎(chǔ)設(shè)施和管理策略進(jìn)行評(píng)估。其中奧地利測(cè)試點(diǎn)主要側(cè)重于混合駕駛交通狀態(tài)下的安全評(píng)估，西班牙測(cè)試點(diǎn)側(cè)重于混合駕駛交通狀態(tài)下的效率評(píng)估。
4.1 奧地利測(cè)試站點(diǎn)
奧地利測(cè)試站點(diǎn)包括Laßnitzhöhe和格拉茨市之間20公里的A2高速公路。測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)配備了龍門(mén)架、移動(dòng)VMS、道路施工警告設(shè)備、ITS-G5 RSU、攝像機(jī)、單車(chē)計(jì)數(shù)器、環(huán)境傳感器和雷達(dá)檢測(cè)。該測(cè)試點(diǎn)對(duì)新開(kāi)發(fā)的視覺(jué)信息、ITS-G5短程通信、蜂窩通信以及與交通控制中心的實(shí)時(shí)通信進(jìn)行測(cè)試。
a. 動(dòng)態(tài)車(chē)道分（極端天氣）
b. 交通瓶頸（速度限制、換道建議等）
c.施工區(qū)域（短時(shí)施工、長(zhǎng)時(shí)施工）
圖4-1 奧地利測(cè)試點(diǎn)
4.2 西班牙測(cè)試站點(diǎn)
西班牙測(cè)試點(diǎn)位于地中海走廊沿線，在巴塞羅那和西班牙/法國(guó)邊境之間，長(zhǎng)20公里，有四個(gè)主要交叉路口和一條180m的隧道，高速公路寬4*3.5m，中間渠化寬為5m。測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)的平均每日交通量（ADT）估計(jì)為每天30000輛車(chē)，默認(rèn)速度限制為120公里/小時(shí)。用于對(duì)交通基礎(chǔ)設(shè)施和ITS升級(jí)服務(wù)進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證，ITS升級(jí)服務(wù)旨在輔助自動(dòng)駕駛汽車(chē)設(shè)計(jì)，并為不同情景下的混合駕駛交通提供管控能力。
a.西班牙測(cè)試點(diǎn)情景布置圖
b.測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)原理圖設(shè)計(jì)和功能支持
圖4-2 西班牙測(cè)試點(diǎn)
4.3 結(jié)果分析
通過(guò)亞微觀仿真和混合駕駛交通測(cè)試分析，結(jié)果總體認(rèn)為，針對(duì)網(wǎng)聯(lián)和自動(dòng)駕駛汽車(chē)的速度建議在安全性方面具有積極意義，而換道建議通常會(huì)影響交通效率，并帶來(lái)危險(xiǎn)的交通狀況（如降低TTC（Time to Collision,碰撞時(shí)間））。需指出，項(xiàng)目分析結(jié)論需要更多的模擬來(lái)提供足夠有代表性的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。
發(fā)達(dá)的交通管控器可以提高交通效率。通過(guò)可變信息標(biāo)志向人工駕駛、網(wǎng)聯(lián)/自動(dòng)駕駛車(chē)輛提供限速建議，將延遲時(shí)間減少了10％至15％。依托通信和自動(dòng)化，可通過(guò)其他流量控制策略，進(jìn)一步提高流量效率。如項(xiàng)目試驗(yàn)中通過(guò)交通管控使用車(chē)頭時(shí)距自適應(yīng)控制器，與無(wú)控制狀態(tài)相比，效率可以提高50％。
采用控制器提高效率情況下，仍需時(shí)刻考慮交通安全問(wèn)題。INFRAMIX項(xiàng)目進(jìn)行的所有微觀評(píng)估始終包括交通安全分析，分析結(jié)果表明，與實(shí)際發(fā)生的事故本身相比，事故碰撞時(shí)間（TTC）分析提出的事故風(fēng)險(xiǎn)更大，且交通效率的提高總是伴隨著TTC的輕微惡化。這種惡化平均小于1%，且擁塞少、速度快的交通系統(tǒng)自然會(huì)伴隨著較小的TTC值（即使在安全間距同樣大但速度更高情況下）是客觀存在的?？紤]控制機(jī)制原理，這種在交通安全方面潛在的輕微惡化是可以接受的，并且在交通效率方面也取得了很大的改善。
05 對(duì)國(guó)內(nèi)智能網(wǎng)聯(lián)設(shè)施發(fā)展的經(jīng)驗(yàn)借鑒
1.混合駕駛交通基礎(chǔ)設(shè)施場(chǎng)景研究。國(guó)內(nèi)自動(dòng)駕駛道路測(cè)試或示范應(yīng)用場(chǎng)景大多從車(chē)輛自動(dòng)駕駛功能測(cè)試方面進(jìn)行探索，缺乏從道路交通側(cè)對(duì)自動(dòng)駕駛汽車(chē)進(jìn)行交通效率和安全的影響分析，應(yīng)充分考慮未來(lái)道路交通發(fā)展?fàn)顟B(tài)，加快開(kāi)展混合駕駛交通狀態(tài)下，如何通過(guò)交通基礎(chǔ)設(shè)施升級(jí)，保障道路交通效率、實(shí)現(xiàn)安全和服務(wù)等方面研究。
2.混合駕駛交通基礎(chǔ)設(shè)施視覺(jué)元素設(shè)計(jì)。在混合駕駛交通狀態(tài)下，道路視覺(jué)標(biāo)志的設(shè)計(jì)應(yīng)主要針對(duì)傳統(tǒng)人工駕駛汽車(chē)和網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)（非自動(dòng)駕駛），而不是自動(dòng)駕駛汽車(chē)，這是因?yàn)閷?duì)于自動(dòng)駕駛汽車(chē)而言，所有信息將以數(shù)字方式提供，對(duì)于其他車(chē)輛，視覺(jué)信息至關(guān)重要，因?yàn)轳{駛員做出正確決定的主要信息來(lái)源主要基于視覺(jué)信息。
3.混合駕駛交通狀態(tài)下路側(cè)設(shè)備布設(shè)需求研究。面對(duì)國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀的路側(cè)設(shè)施布設(shè)需求密度大，基礎(chǔ)設(shè)施投資較高的問(wèn)題，可嘗試通過(guò)仿真工具，對(duì)一部分有通信能力的車(chē)輛（網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)滲透率達(dá)到15%-20%）提供速度建議，通過(guò)這些車(chē)輛因其適應(yīng)的速度特性而影響整個(gè)交通的方式，對(duì)實(shí)際道路路側(cè)設(shè)備布設(shè)需求進(jìn)行研究。
4.探索通過(guò)網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)來(lái)提升交通效率的其他可能。由于與駕駛員相比，ADAS功能的距離行為增加，對(duì)于混合駕駛交通，增加自動(dòng)車(chē)輛的普及率會(huì)降低交通效率。利用ACC時(shí)差自適應(yīng)控制器可以在短時(shí)間內(nèi)減小關(guān)鍵區(qū)域的車(chē)頭間距，以有效解決此問(wèn)題，且在無(wú)控制情況下，即使在RSU覆蓋率較低的情況下，通行效率也可以提高約50％。基于此，道路上越來(lái)越多的網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)提供了提高交通效率的其他可能性，需盡快開(kāi)展相關(guān)研究。
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撰寫(xiě)：趙盼明
審核：劉軾介、常煥
審定：毛應(yīng)萍