【深度】东北大学郭戈教授等：车队控制中的一种通用可变时距策略

2019 年 9 月 5 日 中国自动化学会

CAA

智慧起航，共创未来

【导读】 车辆列队行驶控制（简称车队控制）是指：同一车道的车辆以较小安全间距及相同速度列队行驶，从而减小行车过程中的空气阻力，并在一定程度降低油耗、提高道路容量与交通流量、缓解交通拥堵、保护环境。

于晓海, 郭戈. 车队控制中的一种通用可变时距策略. 自动化学报, 2019, 45(7): 1335-1343.

近年来，随着物流业的快速发展以及私家车保有量的逐年上升，道路交通系统正面临着日益严峻的压力，例如：交通事故频发、道路拥堵严重、环境污染加剧等。目前，世界公认的解决上述交通难题的典型做法是，加快智能交通系统(Intelligent transportation system，ITS)的研发与部署。作为ITS技术的重要组成，车队控制(也称道路火车)技术得到交通管理部门、企业界与学术界的广泛关注。

美国PATH项目中的多型同质车队控制模式、行驶时距与车间距测试

欧盟SARTRE项目中的异质车队公路测试

从车队控制角度而言，车队系统由车辆动力学、信息交换流、车间距策略以及分散控制器等部分构成。其中，车辆动力学主要研究动力系统、传动系统、制动系统、转向系统及行车中的气动阻力、轮胎摩擦力、滚动阻力、侧向力、重力等，当前多数研究集中在二阶或三阶动力学模型。若车队中每辆车具有相似动力学，则称为同质车队，反之称为异质车队。信息交换流，用于定义车辆间或车辆与路侧设施间如何交换信息，具体研究内容包括车辆间拓扑结构、通信协议与通信内容、通信品质等。车间距策略，指满足期望邻车间距的控制规则，目前研究主要包括固定间距策略、固定时距策略及可变时距策略。分散控制器，指通过本车与其他车辆信息或/和路侧信息、云端信息，共同实现控制目标的车载控制器。常用的分散控制器包括线性控制器、滑模控制器、自适应控制器等，特别是近年来随着人工智能技术的进步，车队控制正朝着基于无人驾驶的智能控制方向加速融合发展。

车队控制中的车辆相互耦合，任何扰动引起的操作误差，有可能沿车队传播放大，导致车队跟踪性能下降甚至不稳定，因而带来较大的安全隐患。如何设计一种合理的车间距策略是车队行驶控制的关键因素之一，直接关系着车队整体稳定以及全局交通流的稳定性和交通效率。当前，车队控制中多数文献采用固定间距与固定时距策略，但由于受到车辆间通信及车间距条件的限制，上述策略的应用范围有限；而可变时距策略的现有成果中对该策略的一般性分析设计方法研究较少，且往往只考虑车队自身稳定性，忽略交通流稳定性，这样就可能导致交通拥堵与车队失控等问题。因此，不同车间距策略各有优劣，适用于不同条件：

1）固定间距策略：最为常用，可实现较小的车间距，充分发挥车队控制优点，但对信息反馈和通信可靠性与实时性要求较高；

2）固定时距策略：无需车辆间通信，只需后车与前车保持一个固定的行驶时间距离、易于分析设计，但在高速行驶时车间距较大，且存在交通流不稳定的可能；

3）可变时距策略：能及时调控/优化车间距，进一步提高道路利用率，但缺乏通用性、相对抽象。

根据上述分析，本文基于现有路侧设施并考虑车辆间通信受限或故障条件，旨在给出一种通用可变时距策略及其一般性分析与设计方法。该策略既可兼备已有车间距策略的优点，又可通过参数选择适用于不同工况，并保证车队与交通流的稳定性。

如何在车队控制中设计一种通用可变时距策略？

本文首先根据邻车间相对位置、相对速度提出一种车队控制的通用可变时距策略，然后通过对可变行驶时距参数的选择，建立形式统一的车间距误差模型，并分析车队与交通流稳定性条件，综合设计控制器，同时将分析方法进行推广。最后，从应用角度给出一种物理含义清晰、计算准确快速的可变行驶时距形式。本文的主要贡献在于：

1)给出一种车队可变时距策略的通用形式及一般分析设计方法，得到不同工况下的车队综合性能；

2)针对交通拥堵现状，除单车与队列稳定外，还特别考虑了交通流稳定性，并将分析方法推广至固定间距与固定时距策略中；

3)提出一种物理意义较明确的可变行驶时距计算方法，并得到其相应变化界限，便于车队准确快速响应。

综上所述，目前关于车队控制中的通用可变时距策略研究相对较少，尚未形成一般性的分析与设计方法。鉴于此，本文结合现有交通设施及交通拥堵现状，考虑车辆间通信受限或故障条件下，提出了一种车队控制的通用可变时距策略。研究结果表明，该策略在车间距安全、队列保持、交通流稳定、速度与加速度跟踪以及抖动时长等方面，具有较好的控制效果。