投放不同比例無人駕駛汽車對道路通行的影響

何世宇+孔凡備+徐翔宇+門曉君

摘 要：針對引入無人駕駛汽車來緩解道路通行的可行性問題，本文建立了基于元胞自動機的實際通行能力模型。首先以車流量、基本通行力、車速、道路交織系數(shù)為模型參數(shù)，在此模型的基礎(chǔ)上，考慮無人駕駛汽車所占比例對道路通行能力的影響，引入跟馳時間和安全避讓系數(shù)對模型進行修正，構(gòu)建了實際通行能力的動態(tài)模型。

關(guān)鍵詞：無人駕駛汽車；元胞自動機；實際通行能力；動態(tài)模型；

1基于元胞自動機的實際通行能力動態(tài)模型

1.1實際通行能力模型

1.1.1基本通行能力

基本通行能力即基本通行量，指的是單位時間內(nèi)通過道路斷面的最大車輛數(shù)，又稱理論通行能力。單車道的基本通行能力為單位時間內(nèi)通過該車道的最大車流量，與車輛間的安全距離有關(guān)。行駛車輛間的安全距離為：

s（t）=d1+d2+d3+d4 （1）

上式中：d1 車輛間的安全車距；d2 車輛平均長；d3 車輛的制動距離；d4 司機在反應(yīng)時間內(nèi)車輛行駛。

1.1.2平均車流量

車流量指的是單位時間內(nèi)通過某路段的汽車數(shù)量，而平均車流量可以反映出各個時間段通過該道路的車輛平均數(shù)目，從而更好地對道路通行情況進行評判。其計算公式為：

（2）

2.無人駕駛汽車對道路通行的影響

2.1跟馳時間

假設(shè)無人駕駛車在車輛密度大且車輛間距小的道路條件下行駛，那么無人駕駛車的行駛狀況勢必會受到一定的制約，考慮到汽車的整體運行情況，為確保行車安全，駕駛員通常會采取制動措施來控制合理車速。此時，司機的反應(yīng)越快，車輛行駛受到的條件約束就越小，而對于無人駕駛汽車來說，由于其內(nèi)部采用智能計算機控制系統(tǒng)、外部采用智能傳感器，因此無人駕駛汽車的制動反應(yīng)時間與普通汽車相比更短。

2.2安全規(guī)避系數(shù)

對于普通的有人駕駛汽車，其行駛狀況在很大程度上受到司機主觀因素的影響。例如司機自身的駕駛技術(shù)和情緒波動會對車輛行駛速度產(chǎn)生較大的影響，在車輛密度大的車道上就很容易發(fā)生交通事故，導(dǎo)致交通擁堵從而影響道路的通行情況。然而對于無人駕駛汽車，采用智能計算機系統(tǒng)和外部傳感器控制車輛，能更好的進行障礙規(guī)避，識別紅綠燈，變換車道，控制車速以及調(diào)整前后車間距，大大提高了行車安全性。

3.實例分析

修改行駛在公路上的無人駕駛汽車的比例，將元胞自動機仿真模擬得到的結(jié)果帶入實際實際通行能力模型中，可以分別得到5號、90號和405號洲際公路以及520號國道通行能力隨無人駕駛車所占比例的變化擬合圖，擬合結(jié)果見下圖：

由圖3可以直觀清晰地看出，對于5號洲際公路，當(dāng)無人駕駛車所占比例為10%時，該公路的實際通行能力值為750pcu/h，比例為50%時，實際通行能力增加到1500pcu/h，90%時達到1950pcu/h。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)無人駕駛車所占比例從10%增加到50%的過程中，該公路的實際通行能力呈上升趨勢并且在30%時，實際通行能力存在一個變化明顯的臨界點，但是所占比例從50%增加到90%的過程中，實際通行能力增加到85%后逐漸趨于平衡即85%為其平衡點。

對于90號洲際公路，與5號類似，當(dāng)無人駕駛車所占比例為10%時，該公路的實際通行能力值為650pcu/h，比例為50%時，實際通行能力增加到1050pcu/h，90%時達到1250pcu/h。對圖象作進一步研究可以發(fā)現(xiàn)，無人駕駛車所占比例從10%增加到50%的過程中，該公路的實際通行能力呈上升趨勢并且在30%時，實際通行能力存在一個變化明顯的臨界點，然而從50%增加到90%的過程中，實際通行能力增加到74%后逐漸趨于平衡即74%為其平衡點。

由圖4（a） 可以看出，當(dāng)無人駕駛車所占比例為10%時，該公路的實際通行能力值為1600pcu/h，比例為50%時，實際通行能力增加到2500pcu/h，90%時達到2900pcu/h。同樣的可以看出無人駕駛車所占比例從10%增加到50%的過程中，該公路的實際通行能力呈上升趨勢并且在14%時，實際通行能力存在一個變化明顯的臨界點，但是所占比例從50%增加到90%的過程中，實際通行能力增加到78%后逐漸趨于平衡即78%為其平衡點。

根據(jù)圖4（b） 可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)無人駕駛車所占比例為10%時，該公路的實際通行能力值為1550pcu/h，比例為50%時，實際通行能力增加到1850pcu/h，90%時達到1900pcu/h。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)無人駕駛車所占比例從10%增加到50%的過程中，該公路的實際通行能力呈上升趨勢并且在32%時，實際通行能力存在一個變化明顯的臨界點，但是所占比例從50%增加到90%的過程，實際通行能力增加到78%后逐漸趨于平衡即70%為其平衡點。

4.結(jié)論

研究不同比例無人駕駛汽車在道路中投放的目的是提供一個能緩解道路通行壓力的策略，減少道路交通安全事故的發(fā)生。本文運用基于元胞自動機的實際通行能力模型，仿真美國西雅圖4條高速公路的道路狀況，計算在不同比例無人駕駛汽車投放的情況下，道路通行能力的變化并分析得出四條公路的最佳投放比例分別為：85%、74%、78%、70%。

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