智能车路系统中车队协同驾驶研究综述
智能车路系统中车队协同驾驶研究综述
车队协同驾驶，是指在兼顾道路交通安全与效率的前提下，充分利用道路条件，将若干单车组
成跨车道柔性车队，使其不仅具有单车道车队速度快、间距小等特点，还能根据不同道路条
件，通过车队之间的协调与合作，一方面简化交通控制与管理的复杂程度，有效减缓交通拥
堵；另一方面可以减少由人为因素所致的交通事故，保证交通安全，并在此基础上节约能源，
减少环境污染。
车队协同驾驶本质上是一个连续动态系统和离散事件系统相结合的混成动态系统，比如车队协
作策略的执行和协作模态的变迁。这些连续和离散的动力学行为不仅共同存在，而且相互作
用。因此，车队协同驾驶过程既取决于对离散的瞬时事件的响应，又取决于对微分方程和差分
方程表示的随时问变化的动力学行为的响应。这样，车队协同驾驶过程就可演化成多模态变迁
下的车队协作策略执行过程。
目前，虽然车路通信技术研究较为成熟，已应用于交通诱导和不停车收费等先进交通管理系
统，但是支持车队协同驾驶的车车通信技术还处在试验阶段，而且实际道路交通环境难于为实
车协同驾驶研究提供试验场地和场景。此外，考虑到车队协同驾驶系统是一个复杂的、分层的
混成动态系统，其相关理论与技术仍处在不断发展和完善中，利用各种相关交通仿真技术构建
试验平台是非常必要的。
因此，结合混成控制理论与半实物仿真技术，可以为车队协同驾驶混成控制研究提供有效的理
论与试验基础。
1、国内外现状分析
目前国际上具有代表性的车路协同计划有：美国车辆和道路设施系统协调计划 IntelliDrive、日
“本Smartway”计划、欧盟车路协同计划 CVIS（Coorperative Vehicle Infrastructure
Systems）、SAFESPOT（Smart Vehicle son Smart Roads）、COOPERS（CO-Operative Systems
for Intelligent Road Safety）。这些计划将综合应用信息、通信、传感网络、新一代互联网、可
信计算和计算仿真等领域的最新技术，实现车辆与道路设施的智能化和信息共享，在实时、可
靠的全时空交通信息的基础上，结合车辆主动安全控制和道路协同控制技术，保证交通安全，
提高通行效率，实现人-车-路的有效协同。由此可见，实现车路协同技术的功效和作用，关键
在于开展智能车路系统中车队协同驾驶研究，其相关研究领域主要涉及车队协同驾驶系统结
构、车车通信技术、车队协作策略以及相关交通仿真与试验技术等方面。
1.1 车队协同驾驶系统结构
目前国际上车队协同驾驶系统研究主要借鉴智能车路系统体系结构（Intelligent Vehicle
Highway Systems Architecture）和混成动态系统理论（Hybrid Dynamic System）两方面。在智
能车路系统体系结构方面，美国加州大学Berkeley 分校PATH 课题组于 1991 年提出的智能车
路系统结构采用分层的结构,具体包括网络层、链接层、协调层、控制层和物理层 5个部分（图
1）。物理层包括车载控制器以及车辆的物理结构（发动机、油门、制动系统、转向控制系
统、车载传感器等），依靠车辆动力学特性，实现车辆的横向及纵向控制。控制层执行相应的
操纵策略，指导车辆的横向及纵向控制。协调层根据车辆的位置、数目、即时活动等信息，选
定相应的操纵策略，并与不同的协调层和链接层进行通信，即时更新上述信息，并改变相应的
操纵策略。链接层将路网划分为不同路段，根据不同路段上的车流密度、车辆起始位置、行驶
长度等决定是否需要相关的车辆操纵策略，如巡航、跟随、组合与拆分、车道保持与变换等。
通过无线网络，将决策的结果发送到协调层。网络层对整个路网进行管理与规划，增加路网容
量，减少车辆平均出行时间，从而缓解交通拥堵。
图1
智能车路系统体系结构日本的 Tsugawa 等人于 2000 年提出了车辆协同驾驶系统结构。该系统
结构在分析了车辆协同驾驶功能需求和任务分解的基础上，设计了包括交通控制层、车辆管理
层和车辆控制层的 3层体系结构（图2）。其交通控制层位于路侧，其中，搭建的路侧设备，
如可变情报板、标示牌、通信设备等，均用于支持车辆的协同驾驶；制定的基本准则，如规
则、规定、行为方式等，均用于指导车辆的协同驾驶。车辆管理层和控制层位于车载端，用于
协同驾驶策略的决策与执行。此后，加拿大的Hallé 等人吸取和借鉴了 Tsugawa 的成果，提出
车队协同驾驶系统结构（图3），主要对管理层和控制层进行具体的模块化设计，并针对车队
协同驾驶过程中数据采集与处理、车队协同控制、车队通信、策略决策等做了详细的说明.上述
系统结构都具有较高的实用价值，为车队协同驾驶混成控制系统提供了很好的参考。
图2
图3
在混成动态系统理论方面，由于上述系统是一个分层、分级的复杂系统，不仅包括连续的车辆
动力学行为，而且还要考虑离散的瞬时事件响应，美国加州大学Berkeley 分校PATH 课题组的
Horowitz 等人在构建智能车路系统体系结构时，提出该体系结构具有混成逻辑性.系统中离散逻
辑部分主要处理车车、车路之间的通信。连续逻辑部分利用通信的手段接收所需的安全速度与
车距，执行车辆行驶策略。1999 年，Lygeros 等人利用车车信息交互手段改进车载混成控制系
统性能,采用博弈论和最优控制得到安全的约束条件，抑制离散扰动（碰撞）和连续扰动（加速
度变化）。2000 年，Varaiya 等人将智能车路系统的协调层定义为不同车辆利用通信和协作确
定相关策略，控制层用于执行协调层传送过来的决策结果。协调层采用有限状态机进行建模，
而控制层采用状态反馈定律建立线性模型，从而构成混成动态系统.2000 年，Rajamani 等人通
过分析车辆纵向和横向控制系统，将整个车载控制系统设计为混成动态系统.每一个车辆都有一
个监督模型，用于车辆的决策与控制。对于系统的离散状态，可以通过选用合适的差分方程进
行求解。
早期的混成动态系统理论主要集中在混成系统结构以及连续时间系统的混成控制器设计，由于
缺乏专门的计算机分析及仿真软件，并没有引起重视。
随着多体系统动力学方法及相关软件的发展，混成动态系统建模与仿真也逐渐得到发展。2001
年，Jeon 等人设计了车辆协同驾驶系统混成控制器，用于车辆组合与拆分策略.在车辆组合与
拆分过程中确定安全的组合/拆分距离，通过离散事件监督控制器对其进行控制。2004
年，Alain 针对从匝道入口驶入主干道车辆引发的碰撞问题，设计了车辆混成控制器.该控制器
由混成自动机和导入其中的连续控制定律构成，混成自动机决定车辆何时驶入驶出公路，何时
组合及拆分车队等；连续控制定律决定车辆行驶加速度的大小，避免与相邻车辆产生碰
撞。2005 年，Girard 等人考虑车辆控制系统的非线性特性，在设计车载混成控制器时，提出了
嵌入式混成控制软件结构.该软件采用基于模型的设计方法，利用混成自动机描述车辆模型及模
式切换，如巡航控制（Cruise Control ,CC），自适应巡航控制（Adaptive Cruise
Control,ACC），协同式自适应巡航控制（Coordinated Adaptive Cruise Control,CACC）三者的
切换过程，采用TEJA 语言对模型进行仿真与测试。
1.2 车车通信技术
智能车路系统中的通信网络包括广域有线通信网络、无线通信网络、短程无线通信网络和车车
通信网络。正如成熟的车路通信技术在先进交通管理系统中展示出的重要性一样，车车通信技
术也已成为车队协同驾驶研究中的关键技术，使车队协同驾驶系统由过去的完全自主驾驶策略
（无通信）经历了单、双向信息结构，发展到目前结合传感和车载自组网的全方位信息网络
（如图4）。
图4
车车通信技术一般采用红外、激光、毫米波，Zigbee、WiFi 及DSRC 等方式。作为车载自组网
的核心部分，DSRC 具有大容量、高速率、低延时、范围合理等特点，因此，车车通信主要采
用DSRC 网络。然而，DSRC 适用于短程无线通信，并需考虑车辆安全和协作等相关规定，一
旦信息接收方超出了有效的 DSRC 传送范围，DSRC 网络需要中转的广播信息，这就需要开发
有效、可靠的通信协议，并考虑信道使用和阻塞以及机制安全性等问题。
2002 年，Tsugawa 在分析车车通信功能需求的基础上，提出了载波侦听多址访问（CSMA）协
议.虽然载波侦听机制在介质访问控制（MAC）上存在冲突，但是可以满足车载自组网以及数
据传送实时性等要求。并且又对载波侦听多址访问不同种类的优缺点进行了比较。2005
摘要：
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智能车路系统中车队协同驾驶研究综述车队协同驾驶，是指在兼顾道路交通安全与效率的前提下，充分利用道路条件，将若干单车组成跨车道柔性车队，使其不仅具有单车道车队速度快、间距小等特点，还能根据不同道路条件，通过车队之间的协调与合作，一方面简化交通控制与管理的复杂程度，有效减缓交通拥堵；另一方面可以减少由人为因素所致的交通事故，保证交通安全，并在此基础上节约能源，减少环境污染。车队协同驾驶本质上是一个连续动态系统和离散事件系统相结合的混成动态系统，比如车队协作策略的执行和协作模态的变迁。这些连续和离散的动力学行为不仅共同存在，而且相互作用。因此，车队协同驾驶过程既取决于对离散的瞬时事件的响应，又取决于...
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作者：闻远设计
分类：非标机械电气自动化
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格式：DOCX
时间：2023-03-02
