无人驾驶时间到来，地面交通发展的未来50年预判

       本文来自 《 自动化学报 》，作者是清华大学自动化系的李力副教授和中科院自动化所的王飞跃教授。

　　在现代社会，地面交通出行与我们每个人密切相关。在当前城市道路日益复杂和拥挤的情况下，如何保证交通出行的安全和便捷是国内外社会大众和科研工作者共同关注的热点问题。

      我们可以在没有信号灯的地方，将路权归属信息迅速传达给交通参与者。车路协同技术的发展使得人、车、路等交通要素之间形成一张巨大的网络，信息感知、信息交互和信息共享无处不在。路权的提示将变得更加直观易解，人类驾驶员的负担将减到最低。图 3 展示的车路协同系统能将信号灯状态无线传输给附近车辆，以便驾驶员调整车辆速度，以最舒适的方式通过交叉路口。

　   无人驾驶时期

　　最近十几年持续不断方兴未艾的无人车（Automated Vehicles）和自动驾驶（Autonomous Driving）技术的出现，为第5节中提到的最后一个问题的解决带来了可能。

　　在未来的50年中，传统的交通控制将逐渐被更为精细的基于每辆车实时动态信息的自组织协同驾驶（Cooperative Driving）所替代，实现路权分配的‘协同利用’。对于路口交通控制而言，我们的决策变量变为每个通过路口车辆的运动时空轨迹。基于这些时空轨迹，我们可以方便地定义控制目标函数为全体车辆的通过时间最少，或者平均通行时间更短等。而车辆之间的避撞要求也可以直接从时空轨迹的相对位置上设置。虽然看起来此时的控制问题可能过于复杂，但研究表明，协同驾驶问题的核心在于决定车辆通过路口的时间顺序，确定这一顺序后，整个问题可以迎刃而解。仿真表明，协同驾驶在交通压力不至于导致路口过饱和的情况下，能够显著提高路口的通行能力。

　　从控制的本质上来看，传统的交通控制属于被动的反馈控制。控制系统被动的感知车流到达的变化，仅仅通过施加信号灯控制以期从当前的系统状态发展到理想的状态。而协同驾驶是前馈控制和反馈控制相结合，通过预先规划车辆轨迹来更好导向系统理想状态。

　　虽然囿于计算能力，目前的协同驾驶尚只考虑独立路口的交通控制，路口和路口之间的协同驾驶尚未引起研究者的广泛兴趣。但研究者正在探讨未来实现提前规划和控制路面上行驶的每一辆车从出发地到目的地的整个轨迹。在完全掌握车辆信息和道路环境信息的前提下，控制中心可以计算出每辆车具体到每一秒钟的最优行驶路线，并让每辆车准确的执行。因为人不再参与驾驶活动，也就不存在拒不执行调度或者产生延迟等行为，交通有可能变得更加流畅和安全。此时，局部时空的路权分配将从‘集中式’指派再次回归到‘分布式’协作，实现螺旋式演进发展。

　　这里，我们可以将地面交通控制与公认于 1936 年创立的空中交通控制进行一个有趣的对比。80 多年来，国内外主要的干线航空和设想的未来地面交通一样，每架飞机基本按照预先设置好的固定轨迹飞行，大部分飞行时间由机载系统驾驶。但空中管理依赖以人为主划定少量航线，在近场时主要依靠人类管理员来进行管制。这一方式导致管理效率不高，时有危险发生。美国因此决定启动 Next Gen 计划开发主要由机器自动管理的空中交通控制系统。而地面交通控制系统很早就进入了主要由机器自动管理的时代。不过无人车有待落地普及，尚未达到完全预先设定每辆车的运动，实现全程自动驾驶的过程。

　　此外，由于在很多大城市中，道路供给资源始终小于道路行驶需求。因此，研究者们研究了拥堵收费、投票获取路权，或者可交易电子路票等多种方式来决定车辆是否能够获得驶入特定区域或路段的路权。在车辆网和无人驾驶技术成熟之后，这些方法的实施也将变得非常方便。

　　不仅如此，完全定制化的路权也将使得特权出行和共享出行变得更为简捷。我们可以动态地为特殊车辆（救火车、救护车等）或者载有多名乘客的车辆（High-occupancy vehicle，HOV）设置更高的路权，以方便其出行。这比设置静态的载有多名乘客车辆的专用车道（HOV Lane）要节省更多的道路资源。

　　综合来看，今后50年中实施上述想法首先需要无人驾驶技术进一步的完善，通过测试，上路普及。这一点与本文主题较远，暂不在本文做过多论述。其他的主要困难包括：

　　1）在较长的一段时间中，有人驾驶车辆和无人驾驶车辆混行在道路上，如何保证驾驶员或者无人车误解各自的意图而发生碰撞是值得深入研究的课题。同时，混行交通也为道路交通管理带来了新的挑战，需要构建与之相适应的交通控制策略。

　　2）计算的复杂性随着所需要考虑的车辆数目急速增长，如何找到合适的算法找到较优的可行解是今后研究的热点。目前来看，自组织式的交通系统分布式控制方法具有较强的抗系统崩溃性失效的能力，可能是较优的选择。

　　3）今后的交通系统将越来越依赖通信的实时性和可靠性来保障路权计算的合理最优以及路权分配的及时准确。同时交通参与者的隐私性也需要得到更仔细的考量。这方面也将是今后关注的热点

　   总结

　　回溯以往，我们不难发现，地面交通控制围绕着如何公平高效地决定路权归属和如何有效地将路权归属信息传达给交通参与者这两方面展开研究和实践，探索和实施了多种路权分配方式。

　　过去的100多年中，交通信号控制是定义道路通行权分配的重要工具。但随着车路协同理念的出现和车联网、无人驾驶等相关技术的日益成熟，正在重新定义交通控制。由传统固定配时信号控制到感应式信号控制，再到车路协同环境下的交通感知与控制，我们完成了从宏观到微观、从路权粗放式管理到道路资源全时空精细化分配的进阶。未来交通系统中的很多新型技术，包括共享出行、可交易路权等，都将和这一变革联系和交互，共同改变人们未来的出行方式。

　　未来交通系统将逐渐实现路面上没有交通信号灯设施，但每个交通参与者都在合作中有序运行的形态。简言之，就是‘一路无灯、处处畅通’。这看似科幻的场景，必将在未来的50年中颠覆已有的交通控制方式，成为人工智能、自动化、控制理论、智能交通、智能汽车等多个领域的交叉研究热点。