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紅綠燈不夠用？自動(dòng)駕駛或需要增加“白色信號(hào)燈”

眾所周知，交通信號(hào)燈一般由紅燈、綠燈、黃燈組成。紅燈表示禁止通行，綠燈表示準(zhǔn)許通行，黃燈表示警示。但現(xiàn)在，北卡羅來(lái)納州立大學(xué)的交通工程師提出為自動(dòng)駕駛汽車(chē)增加交通信號(hào)「白燈」，以便其能有助于控制交通流量，并讓人類(lèi)司機(jī)了解當(dāng)下路況。計(jì)算模擬結(jié)果顯示，新方法能顯著縮短車(chē)輛通過(guò)十字路口的行程時(shí)間，并降低燃料消耗。

目前，相關(guān)論文已經(jīng)發(fā)表在IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems上。

引入交通信號(hào)白燈改善交通狀況

該論文的通訊作者、北卡羅來(lái)納州副教授 Ali Hajbabaie表示，「我們將這個(gè)概念稱(chēng)為『白色階段』，利用了自動(dòng)駕駛汽車(chē)本身的計(jì)算能力，目的是改善交通路口的交通狀況。我們?yōu)榘咨A段這一概念引入了新的交通信號(hào)燈，指引人類(lèi)司機(jī)的行為。紅燈仍然表示停止，綠燈仍然表示前進(jìn)，白燈則指示人類(lèi)司機(jī)只需跟隨他們前面的汽車(chē)行駛即可。」

「白色階段」這一概念的提出基于自動(dòng)駕駛汽車(chē)本身的特點(diǎn)：既然這些車(chē)輛可以實(shí)現(xiàn)車(chē)與車(chē)之間的無(wú)線通信，也可以與控制交通信號(hào)的計(jì)算機(jī)建立通信聯(lián)系。

根據(jù)設(shè)想，當(dāng)某個(gè)路口行駛的自動(dòng)駕駛汽車(chē)數(shù)量足夠多時(shí)，交通信號(hào)白燈將被激活。白燈意味著自動(dòng)駕駛汽車(chē)正在協(xié)調(diào)它們的行駛路線，以有效促進(jìn)十字路口的交通。其余由人類(lèi)司機(jī)駕駛的非自動(dòng)駕駛車(chē)輛只需跟隨前行車(chē)輛，如果前方的車(chē)輛停下來(lái)，人類(lèi)司機(jī)便也停車(chē)，如果前方車(chē)輛行駛通過(guò)十字路口，那么人類(lèi)司機(jī)也跟著通過(guò)十字路口。

此時(shí)，每輛自動(dòng)駕駛汽車(chē)將接收其他自動(dòng)駕駛汽車(chē)的計(jì)劃行駛軌跡，以及所有人類(lèi)駕駛汽車(chē)的預(yù)估行駛軌跡，通過(guò)計(jì)劃分析，優(yōu)化自己的行駛路線。

為了確保方案的可行性，自動(dòng)駕駛汽車(chē)之間將就行駛軌跡達(dá)成協(xié)議，而普通汽車(chē)的行駛軌跡將有定制的汽車(chē)跟蹤模型進(jìn)行估算。

根據(jù)所有車(chē)輛的行駛路線，車(chē)輛將投票決定交通信號(hào)燈的顏色。車(chē)輛的混合整數(shù)非線性程序被線性化，并被嵌入到后退水平線控制中，以捕捉信號(hào)和軌跡優(yōu)化的動(dòng)態(tài)性質(zhì)。

當(dāng)絕大多數(shù)靠近十字路口的車(chē)輛都由人類(lèi)司機(jī)駕駛時(shí)，交通信號(hào)燈將恢復(fù)為傳統(tǒng)的紅綠黃模式。

為了確保交通安全，研究人員對(duì)于白色階段這一概念提出了一系列約束條件。

首先，只有當(dāng)十字路口處停著的第一輛車(chē)是自動(dòng)駕駛汽車(chē)時(shí)，白色階段才會(huì)被激活。當(dāng)停著的第一輛車(chē)變?yōu)槠胀ㄆ?chē)，白色階段將被終止。另外，程序?qū)⒋_保十字路口不會(huì)出現(xiàn)「綠燈-白燈」或者「綠燈-綠燈」這樣的組合搭配，因?yàn)檫@可能會(huì)導(dǎo)致潛在的安全事故。但「白燈-白燈」這樣的搭配是安全的。同時(shí)，研究人員對(duì)于每一種信號(hào)燈所持續(xù)的最長(zhǎng)時(shí)間都進(jìn)行了限制，確保交通的安全、高效。

Hajbabaie 說(shuō)，「將部分交通流量控制權(quán)交給自動(dòng)駕駛汽車(chē)是一個(gè)相對(duì)新穎的想法，我們稱(chēng)之為 移動(dòng)控制范例，它可以用于協(xié)調(diào)任何涉及到自動(dòng)駕駛汽車(chē)的交通場(chǎng)景。我們認(rèn)為在十字路口采用交通信號(hào)白燈非常重要，因?yàn)樗梢愿嬖V人類(lèi)司機(jī)當(dāng)時(shí)的路況，這樣他們就知道在接近十字路口時(shí)應(yīng)該做什么。」

同時(shí)，他強(qiáng)調(diào)，新的交通信號(hào)燈并不非得是白色，采用一個(gè)司機(jī)可以清楚識(shí)別的信號(hào)才是最重要的。

自動(dòng)駕駛汽車(chē)越多，交通越通暢

研究人員在 2020 年首次提出了「白色階段」交通路口概念。最初的概念依賴(lài)于集中式計(jì)算方法，控制交通燈的計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)接收附近所有自動(dòng)駕駛汽車(chē)的輸入，進(jìn)行必要的計(jì)算，然后告訴自動(dòng)駕駛汽車(chē)應(yīng)該如何通過(guò)十字路口。

Hajbabaie 說(shuō)，「我們已經(jīng)改進(jìn)了這個(gè)概念。我們的新方法采用的是分布式計(jì)算，這樣可以有效利用所有自動(dòng)駕駛汽車(chē)的計(jì)算資源來(lái)控制交通流量。這種方法更為高效，而且風(fēng)險(xiǎn)更低。例如，如果車(chē)輛與交通信號(hào)燈的通信中斷或延遲，分布式計(jì)算方法依然可以順利解決交通問(wèn)題?！?/p>

此前，白相階段這一概念無(wú)法落地就是因?yàn)榻煌ò谉艚?jīng)常無(wú)法被激活。在最新的研究中，研究者觀察到白色階段的激活率隨著自動(dòng)駕駛汽車(chē)市場(chǎng)占有率的增加而增加。

當(dāng)自動(dòng)駕駛汽車(chē)的市場(chǎng)占有率達(dá)到50%時(shí)，白色階段將頻繁在十字路口被激活。當(dāng)自動(dòng)駕駛汽車(chē)的市場(chǎng)份額達(dá)到并超過(guò)70%時(shí)，交通白燈將成為主要的信號(hào)指示燈。值得注意的是，即使自動(dòng)駕駛汽車(chē)的市場(chǎng)占有率達(dá)到90%，傳統(tǒng)的紅綠信號(hào)燈也依然會(huì)出現(xiàn)。

為了測(cè)試分布式計(jì)算白色階段概念的性能，研究人員使用了微觀交通模擬器。這些模擬器為復(fù)雜的計(jì)算模型，可以復(fù)制現(xiàn)實(shí)生活中的交通狀況，甚至可以精確到個(gè)別車(chē)輛的行為。

通過(guò)這些模擬器，研究人員能夠比較交通白燈對(duì)改善十字路口交通狀況的作用，并且了解自動(dòng)駕駛汽車(chē)數(shù)量對(duì)于該模式的影響。

模擬的結(jié)果表明，第一，無(wú)論是否采用白色階段這一概念，自動(dòng)駕駛汽車(chē)都能改善道路交通狀況。其次，白色階段能進(jìn)一步改善交通流量，同時(shí)因?yàn)檐?chē)輛無(wú)需走走停停，車(chē)輛的燃料消耗也相應(yīng)減少。第三，十字路口的自動(dòng)駕駛車(chē)輛所占百分比越高，車(chē)輛通過(guò)路口的速度就越快，油耗也更小。

模擬發(fā)現(xiàn)，在引入白色階段概念的情況下，如果自動(dòng)駕駛車(chē)輛只占總車(chē)輛的 10-30%，該概念對(duì)交通流量的改善相對(duì)較小。自動(dòng)駕駛車(chē)輛的數(shù)量越多，白色階段的優(yōu)點(diǎn)將更明顯。

Hajbabaie 說(shuō)，「即使通過(guò)白色階段交叉路口的自動(dòng)駕駛車(chē)輛只有10%，交通擁堵問(wèn)題依然能得到改善。10%的自動(dòng)駕駛車(chē)輛將減少3%的交通擁堵，當(dāng)30% 的車(chē)輛是自動(dòng)駕駛時(shí)，交通擁堵會(huì)減少10.7%。」

不僅能用于十字路口

研究人員承認(rèn)，目前的硬件設(shè)施還不足以全面實(shí)施分布式計(jì)算方法，但只需要對(duì)十字路口和現(xiàn)有的自動(dòng)駕駛汽車(chē)進(jìn)行少量修改，白色階段這一概念便可落地實(shí)現(xiàn)。

研究人員還提出，白色階段也將適用于特定地點(diǎn)和特殊場(chǎng)合。

例如，港口的商用車(chē)流量很大，因此交通狀況對(duì)于港口至關(guān)重要。而商用車(chē)采用自動(dòng)駕駛汽車(chē)的概率也較高，因此可以嘗試在港口進(jìn)行白色階段試點(diǎn)項(xiàng)目，提升港口的交通運(yùn)輸效率。