自動駕駛和智能交通將有效解決堵車與車輛碰撞問題

目前造成堵車的原因無非有兩個：①交通信號燈；②受司機自身的情緒、疲勞等生物因素影響的交通流波動造成的堵車。造成車輛碰撞的最大原因是人的生物因素。而基于車路協(xié)同與自動駕駛的自組織協(xié)同駕駛將有效解決堵車與車輛碰撞問題。

堵車和碰撞是怎樣造成的？

造成堵車的原因

造成堵車的原因有很多，除去路面施工或一些突發(fā)及特殊狀況，大致有以下幾個原因：

1. 紅綠燈是造成交通擁擠的主要原因。等待紅燈排隊的每一輛車有都有各自加速的過程，因為加速不同時，所以車與車之間就存在間隔。因此降低了所有車通過紅綠燈的效率。

在等紅燈的時候司機常常因為玩手機，而不能及時發(fā)現(xiàn)紅燈轉為綠燈，當后面的車龍喇叭狂響才能回過神來。這種“手機依賴癥”可以加長堵車時間 。

2. 交通事故容易造成交通堵塞。在車流量較大的公路或高速路上，很多司機都著急趕路，經(jīng)常突然變道或者超車，在這個過程中由于車速過快，司機反映不及時，很容易造成車輛碰撞，從而停在公路或高速上造成擁堵，小編五一回來一共兩百來公里的高速上，竟然發(fā)生了5起交通事故，經(jīng)過小編的觀察，很多司機著急往回趕路經(jīng)常變道或超車，還有的司機經(jīng)常走緊急車道，小編心里無數(shù)個“草泥馬”奔騰而過，往回趕誰都急，就nm最急。后果就是導致車輛碰撞，造成擁堵，反而延長了回家時間，小編心想，如果大家都遵守規(guī)則，統(tǒng)一車速，不變道、不超車肯定會走的更快。嚴格意義上來講，其實交通事故的發(fā)生可以歸咎于交通流的波動，而交通流的波動本質上是由于人類自身的情緒、疲勞等生物因素造成。

3.交通流波動很容易造成堵車。我們在高速上行駛的時候經(jīng)常發(fā)現(xiàn)在沒有任何施工、交通事故等情況下也會經(jīng)常堵車，這又是怎么一回事呢？

車輛形成的車流叫交通流，在一個連續(xù)交通流系統(tǒng)中，本來是一個小的擾動，就像道路上有個小坎兒，或司機開了一下小差然后輕觸剎車，就很容易造成擁堵。如果在高速公路上有足夠多的車輛，任何輕微的交通流量中斷，都會導致循環(huán)、放大式的連鎖反應：一輛車輕輕地稍微剎了一下車，跟在后面的一輛車就會剎車得更重一點以免撞上前面那輛車，最后剎車量被逐級增大，直到產(chǎn)生交通流的波動、車流變慢甚至停止。

一輛車輕輕剎車，后面的車就會加重一點踩剎車

即使車輛駛出了這種交通流波動影響區(qū)，這類波動本身并沒有消失：而是逐漸向后推移，即向車輛行駛的反方向移動?！斑@種交通流波動一般長達100到1000米，通常始于車流密度的突然增加和速度的同時下降?！庇醒芯咳藛T表示，“波動過去之后，車流又會慢慢變快?！?/p>

研究人員使用計算機算法模擬駕駛行為，提出了波動現(xiàn)象的概念，即所謂“堵車波”（jamiton），因為他們類似于物理波中所謂的“孤波”（soliton）。光學中單一光波束稱為孤波。它的波長較短，理論上傳輸穩(wěn)定，不失真，被實驗于光纖通信領域。

另一組研究人員進行了現(xiàn)場的實驗也得出了同樣的結論。在其中的一個實驗中，他們讓22個司機以相同的速度（27公里每小時），并保持相同車輛間距，在一個小形環(huán)路上行駛。不可避免地，交通流波動形成了。（點擊視頻可觀看實驗過程）

從某種意義上說，將這種交通流波動造成的堵車歸咎于個人司機似乎是合理的。模型表明，這些堵塞很可能是這么形成的：人們想盡可能快地行駛，最后為避免與前方車輛相撞就不得不制動，從而引發(fā)了一系列連鎖反應。

有研究者表示，如果人們估計到前面的車流密度變大，早點把腳從油門上移開，在車前多留些空間——而不是等到最后必須去剎車——這就可以防止這種交通堵塞的發(fā)生。而在麻省理工學院研究同一課題的一位計算機科學家——BertholdHorn說，考慮這個問題的另一個思路是，盡量保持在你前面和你后面的車的中間位置行駛。這能使你避免突然剎車。

研究者還提到，我們通常傾向于認為這必須是由單獨的某個司機引起，但模型顯示，即使所有的司機按相同的規(guī)則行駛，沒有人做錯什么，還是會出現(xiàn)這些波動。這些堵車，從本質上說，只要有足夠的人在高速公路上開車，就會發(fā)生。所以，消除它們唯一的辦法可能是將方向盤交給“非人類司機”。

造成車輛碰撞的原因

數(shù)據(jù)顯示，道路交通事故中，由于駕駛員原因造成的交通事故所占比例很大。1988~1992年全國道路交通死亡事故情況分析表顯示，由于駕駛員的過錯造成死亡人數(shù)約占全部死亡人數(shù)的60%以上，加上無證駕駛的約達到70%。從造成事故的違章行為作用來看，由大到小排列是：超速行駛、違章操作、違章超車、逆道行駛、違章裝載、酒后駕車。這些違章行為反映了駕駛員法制觀念淡薄，沒有嚴格遵守交通法規(guī)。駕駛員駕駛不當而發(fā)生的碰撞的原因有：

1．觀察不周，即在視野良好的情況下，對本應該發(fā)現(xiàn)的危險情況置之不理或者反映遲鈍。

2．措施不當，雖然及時發(fā)現(xiàn)了危險，并采取了避讓措施，但因判斷失誤、猶豫、緊張等等采取了錯誤的避讓措施，或者沒有采取避讓措施。

3．疲勞駕駛，疲勞駕駛也是導致事故發(fā)生的一個重要因素，特別是對于在凌晨、午飯過后在高速公路上行駛的車輛，因疲勞駕駛導致發(fā)生交通事故的情況屢見不鮮。

4．酒駕或毒駕。

堵車和碰撞是車輛爭奪交通路權的產(chǎn)物

要找到堵車和碰撞發(fā)生的本質，更高層面要追溯到交通的本質以及現(xiàn)代地面交通控制。其實地面交通控制系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展了100多年了，很多研究者將1914 年出現(xiàn)在美國俄亥俄州克利夫蘭市的電氣交通信號燈作為地面交通控制系統(tǒng)的真正發(fā)軔。

然而在日益增長的交通出行需求壓力下，堵車、碰撞等情況經(jīng)常發(fā)生，現(xiàn)有的交通控制方法已經(jīng)逐漸達到性能天花板。今后的地面交通控制應該如何發(fā)展是擺在所有研究者面前的重要問題。

交通本質是人或物在時空上的轉移。地面交通控制的核心一直是如何使用各種方法在時空上對道路通行權進行合理高效的分配和提示，解決人們通過交通沖突區(qū)域時可能發(fā)生的車輛沖突問題，這里的車輛沖突問題一般指的就是堵車與車輛碰撞。

所謂道路通行權(簡稱路權)，可理解為對特定時空范圍道路資源的優(yōu)先占有權和使用權。

地面駕駛需要保證在特定的時間和空間內，最多只有一輛車存在。換句話說， 如果我們按照時間和空間兩個維度，以最小時間和最小空間為分割單位，將道路資源劃分為時空網(wǎng)格，那么，每個格子最多只能被一輛車占用。如果違反了這一法則，碰撞就會發(fā)生。而堵車也是因為汽車想要爭奪路權而造成的擁堵現(xiàn)象。

經(jīng)過100多年的發(fā)展，公路交通系統(tǒng)大致經(jīng)歷了無控制時期、交通標志標線控制時期、交通信號燈控制時期、智能交通控制時期，未來將會逐步進入自組織協(xié)同駕駛時期。

無控制時期：最人們最初在遇到路權紛爭時，往往遵從“先到先行，互相禮讓”的基本原則。雙方駕駛員根據(jù)各自目視的結果，決定由誰優(yōu)先通過沖突區(qū)域，并按照默契各自駕駛。實際上，這也是從步行、騎馬和駕駛馬車時代起就遵循的基本路權決定方式。

交通標志標線控制時期：道路交通標志通常是一些圖形符號和文字信息；道路交通標線是由路面標線、箭頭、文字、立面標志、突出路邊、道路輪廓線等組成。標志標線在道路中明確標識了道路使用權中的通行權、先行權、占用權等。特別是車道線的引入，大大簡化了車道路權的分配方式，減少了車輛行駛沖突發(fā)生碰撞的風險。然而，交通標志標線對交通沖突點(交叉路口和出入口匝道)區(qū)域中不同方向車輛的路權很難起到有序和安全的控制引導。因此，交通信號控制成為地面交通控制的研究重點。

交通信號燈控制時期：這個時期引入了交通信號燈，它的引入一方面改善了交叉口通行秩序，另一方面降低了駕駛員信息負荷，從而減輕駕駛負擔。人們只需按照統(tǒng)一的紅綠燈規(guī)則，和前車保持距離行進，無需花費時間和精力和其他方向的司機進行溝通，大大降低了道路交叉口的事故率。

智能交通控制時期：隨著智能交通系統(tǒng)概念的深入和普及，城市交通控制轉向信息化和智能化的方向。交通信號控制開始采用計算機聯(lián)網(wǎng)控制。

全球每年的堵車情況時常發(fā)生，交通事故率依然高居不下。交通效率和安全問題始終困擾著交通管理者和出行者。其重要原因之一在于標志標線和交通信號控制仍然存在相當?shù)木窒扌浴?/p>

自組織協(xié)同駕駛可有效解決堵車與碰撞

自組織協(xié)同駕駛指的是自動駕駛與車路協(xié)同的結合，自組織協(xié)同駕駛的核心在于決定車輛通過路口的時間順序以及可以實現(xiàn)車輛同速行駛，這樣一來，堵車和碰撞問題可以迎刃而解。

車路協(xié)同是指車-車之間、車-路之間的信息交互和協(xié)同控制，使得每一輛車都可以實時感知到周邊車輛的運動信息、交叉路口信號燈狀態(tài)以及道路環(huán)境信息；同時，車輛自身信息也能夠通過通信手段傳遞給周邊車輛和路側設備。這將使車輛更加合理和準確地決定路權。

首先，全時空感知的信息獲取使得我們減少乃至避免了誤判某一特定時空區(qū)域發(fā)生碰撞的可能。路權分配的粒度大大細化，路權分配將覆蓋整個道路時空，解決任意時間和空間的路權分配問題。

其次，交通控制系統(tǒng)可以借助車路協(xié)同實時獲取車輛的位置，運行速度等信息，進一步優(yōu)化計算信號燈的配時。

再者，我們可以在沒有信號燈的地方，將路權歸屬信息迅速傳達給交通參與者。車路協(xié)同技術的發(fā)展使得人、車、路等交通要素之間形成一張巨大的網(wǎng)絡，信息感知、信息交互和信息共享無處不在。路權的提示將變得更加直觀易解，人類駕駛員的負擔將大幅度降低。

基于每輛車實時動態(tài)信息的自組織協(xié)同駕駛，可實現(xiàn)路權分配的“協(xié)同利用”。對于路口交通控制而言，我們的決策變量變?yōu)槊總€通過路口車輛的運動時空軌跡?；谶@些時空軌跡，我們可以方便地定義控制目標函數(shù)為全體車輛的通過時間最少， 或者平均通行時間更短等。而車輛之間的避撞要求也可以直接從時空軌跡的相對位置上設置。 仿真表明，協(xié)同駕駛在交通壓力不至于導致路口過飽和的情況下，能夠顯著提高路口的通行能力。

上文指出：

目前造成堵車的原因無非有兩個：①交通信號燈造成的堵車；②受司機自身的情緒、疲勞等生物因素影響的交通流波動造成的堵車。

造成車輛碰撞的最大原因是人的生物因素。

自動駕駛可以緩解交通流波動造成的堵車

有研究人員通過電腦模擬，展示了自動駕駛汽車是如何避免交通流波動造成的堵車現(xiàn)象：即使車流中有很少的自動駕駛汽車，也能通過調節(jié)自身的行駛速度，來避免整個車流陷入擁堵。

只要有 2% 的自動駕駛汽車，就能減少 50% 的走走停停的情況。

自動駕駛汽車加速和減速都是經(jīng)過一系列計算來決定，能夠比人類更強的感知路況的變化，所預留的車間距更大。自動駕駛汽車在車流比較密的時候，會保留一定的車距，減少突然剎車的次數(shù)，從而減少對后方車輛的影響。

研究人員稱，一個更具創(chuàng)造性的想法是可變限速（Variable Speed Limits），這一技術已經(jīng)在美國一些地方采用（但主要是用來根據(jù)天氣條件改變限速值）。使用LED標志，可下調發(fā)生“交通流波動造成的堵車”區(qū)域的限速值，使車輛逐步慢下來，而不是突然減速。在某些情況下，這種方法可能會打破交通流波動。

綜上所述，簡單來講，智能交通下的車路協(xié)同可以很好的解決交通信號燈的問題；而自動駕駛可以解決人的生物因素造成的交通流波動問題和車輛碰撞問題。因此基于車路協(xié)同與自動駕駛的自組織協(xié)同駕駛將有效解決堵車與車輛碰撞問題。