智能运输系统讲义(自动公路系统AVS)

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1、 1 了解AHS的目标 2 了解AHS的各种系统方案的特点 3 了解AHS的一般结构 1 智能公路应有的功能 2 车辆自动列队行驶的横向控制方法 3 AHS的目标和现状 AVCS和AHS没有明显界定，只是侧重点不 同，注意这个不同。 4.6 自动公路系统（AHS）4.6.1 自动公路系统概述 1. 自动公路系统的含义 自动公路系统（AHS，Automated Highway Systems），日本学者称之为自动驾驶道路系统 ，是指用现代化的传感技术、通讯技术、计算机 技术以及检测技术等装备公路系统，并通过车路 通信和车车通信，达到车辆可自动控制方向、速 度、车间距等，从而使汽车自动行 驶于其上

2、的智 能化公路系统以及其他的安装设备。AHS系统的 本质就是使公路系统具有一定的智能，并依靠车 辆的智能控制车辆的自动驾驶，将交通流调整至 最佳状态，从而减少由于人工驾驶引起的交通问 题，提高整个公路系统的安全性和运行效率。（ 视频：AHS 参考美国“IVHS”） 自动公路系统（AHS）在ITS的一系列研究领域中，是一 项技术性强、涉及领域广、最具挑战性和最具市场潜力的 一项研究。仅从技术上讲，自动公路系统是ITS的最高形 式，是公路系统发展的方向，也是政府、工业界和学术界 共同致力的研究领域。AHS开发与研究涉及到了许多ITS其他领域中的相关技术 ，如先进的交通管理系统ATMS、先进的车辆控

3、制系统 AVCS以及先进的交通信息系统 ATIS等，在某种程度上 可以说，自动公路系统是以上技术的综合利用。尤其是在 达到自动驾驶这一目标上，AHS系统和AVCS系统是非常 相似的，但它们是从不同的角度出发来达到这一目标的。 AHS系统主要通过交通基础设施的改善，使道路系统具有 一定的智能，通过车路通信达到自动驾驶的目的。而在 AVCS系统则更注重智能化汽车的研究与应用。 为了更好地了解AHS的涵义，将AHS中车辆的运行和 人工驾驶的区别列于下图。在人工驾驶状态下，不同司机对外界的刺激 有不同反应，从而导致了车辆的速度、间距 、车道转换以及合流和分流等过程中，不同 的司机有不同标准，因此车流的

4、运行是无规 则的。这种无规则性导致了潜在事故率高、 通行能力低、能耗和环境污染程度高。而在 AHS状态下，车辆在统一的调控下形成均衡 稳定的车流，通行能力得到提高，能耗和环 境污染都大大降低。 总之, 自动公路系统是以智能道路为基 础的智能运行系统，它可以解决大量的交通 问题，是道路系统未来发展的方向。2.自动公路系统的系统方案构想 在AHS方案的制定中，车辆和基础设施之间的 智能分配是关键研究内容。一个AHS方案，有人 认为是自动驾驶（即多数的智能都在车内），有 人认为应是基础设施控制（即多数的智能系统在 基础设施上）。美国NAHSC（国家自动公路系统 共同体）提出了AHS方案的五大类构想，

5、即：自 动驾驶、合作协调、基础设施支持、基础设施管 理和基础设施控制。这五类构想代表了由智能在 车辆和基础设施之间不同分配形式而形成的不同 方案。 自动驾驶方案的智能控制主要集中在车辆上， 这样装备起来的智能车辆具有检测功能，检测内 容包括驶近的车辆和车道界限等周围环境信息。 在这一方案中，车辆不和基础设施进行通信联系 ，只与ITS控制中心交换信息，以获取确定路线及 呼救等方面的服务信息。 合作协调方案与自动驾驶方案内容相似， 只是增加了车车通信功能，协调了车道变 更控制，并有可能支持车队的控制。在这一 种方案中，如果有一辆车想变更车道，就可 以向周围车辆发出信息，请求它们减速，以 形成空档，

6、从而完成车道变更。车辆汇合进 入其他的车道时，进行同样的处理。 基础设施支持方案通过对基础设施的总体 装配，并增加了车路同步通信功能。道路 部门监测总体的交通流和瓶颈路段的交通情 况，并向车辆提供确切的位置信息。 基础设施管理方案中，基础设施仅指挥单一的车 辆，车辆自己保持固定的速度，但是特别的驾驶 行为（例如变更车道，进入车道等）由基础设施 部门调控。在这“需求反应”的做法中，车辆 如果要有特殊的驾驶行动，则会向基础设施管理 部门提出请求，基础设施管理部门会向提出请求 的车辆和其他车辆发出指令（例如，指令其他车 辆增加间距以进行车道变更）。基础设施管理方 案比基础设施支持方案提供了更大的利用

7、效率， 但它也需要更多的信息，例如单个车辆位置的信 息，以及车辆间进一步的联系等。 在基础设施控制方案中，车辆完全由基础设施 控制。基础设施连续追踪每一辆车，并向每一辆 车发出指令。这些指令控制驾驶、减速、刹车和 转弯等。在这种方案中，车辆具有将指令转化成 为发动机的控制程序和检测调节发动机响应的能 力。3. 自动公路系统的发展现状（1）日本 从1970年代开始，日本就开始进行自动公路系 统的开发与研究，这些系统包括安全驾驶系统、 全自动驾驶系统等。下面列出了日本在AHS研究 领域中的重大事件和研究进展。 1970年代 研究将视觉仪器应用于自动汽车 碰撞预警技术的研究 使用车载信号与警报的路车

8、通讯系统的开发 1980年代 智能运行控制的研究 使用激光雷达的商用前撞警视技术研究 车车通讯系统的研究 道路自动管理技术的研究 1990年代 1995年11月在建设省土木研究所的试验路 上进行了AHS实验（测试横向与纵向控制下 的9辆车组成的汽车列队运行），这是世界 上第一次AHS模拟实验 1996年7月，按日本ITS综合计划，进行了 安全驾驶的试验 1996年9月，在上信越高速公路上，进行了 第二次操作性模拟试验（11辆车组成的汽车 群），这是世界上第一次在真正的公路上进 行的AHS试验 1996年10月，官方成立了自动公路系统研 究协会（AHSRA），并确立了到2000年建 成AHS原型

9、的研究目标。（2）美国 美国将自动公路系统作为未来地面运输系统的一个关 键组成部分, 它将提供专门单行道上的自动运输、个人车 辆的自动运行以及促进客货运输更有效的完成等功能。 ISTEA制定了一个AHS项目工程：交通部应指定一个自 动化道路与车辆标准，从这个标准出发，可以发展将来 的全自动的智能车路系统。这个发展同时包括了为确 保适当的人车关系而进行的人的因素的研究，这个项 目的目标是在1997年，第一条全自动或半自动试验性道 路投入使用。 美国AHS系统的开发大致经历了三个阶段：分析阶段 、系统定义阶段和运行及评价阶段。 分析阶段 在此阶段，主要进行了自动公路系统的技术、非技术 及相关因素效

10、果的总体分析。美国DOT组织启动了15项 AHS“优先研究项目”，研究其技术的可用性和其潜在利 益。这项研究涉及到了355个组织，包括大学、法律人员 和系统综合人员等。这些研究表明AHS可以提高每条道 路的通行能力的20%30%，缩短旅行时间的20%30% ，减少事故率的50%80%。此项研究也解决了大量的技 术上和社会上的重大问题。 系统定义阶段 系统定义阶段从1993年开始。在12月，美国DOT组织 向公众征集与联邦政府合作开发试验AHS原型的申请。并 建立了由汽车公司生产部门、政府部门和学术部门等十一 个参加者组成的国家自动公路系统共同体（NAHSC）。 NAHSC在1994年11月开始

11、进行系统定义阶段，重大事件 有： 1995年6月 开发与设计目标 1996年6月 可行性AHS方案的识别与描述 1997年3月 演示系统技术的可行性 1999年3月 对提出的AHS系统构造方案的选择 2001年2002年 原型试验的完成 运行评价阶段 运行评价阶段将于2002年开始 ，包括提交的AHS的系 统结构与已有的习惯技术与规章制度的环境的融合、这一 结构在大量操作环境下的评价。 4.6.2 自动公路系统的基本结构 自动公路系统由智能化道路系统、智 能车辆系统和车路通讯系统组成。其基 本结构示意图如下图所示。 自动公路系统基本结构示意图4.6.3 自动公路系统的实施过程 目前，自动公路系

12、统的发展主要处于研究开发阶段。由 于AHS的系统结构复杂、涉及因素较多、技术难度大，因 此根据AHS相关技术的发展，AHS的实施过程可分为如下 三个阶段：信息提供阶段、辅助驾驶阶段和自动驾驶阶段 。在每个阶段，信息提供、车辆控制和责任分配如下表所 示。 AHS各实施过程对比 现状 信息提供阶段 辅助驾驶阶段 自动驾驶阶段 信息提 供 司机 司机 司机 系统 系统 系统 车辆控制 司机 司机 司机 系统 系统 责任分配 司机 司机 司机 系统 (?) 1 信息提供阶段 在此阶段，系统主要强调信息的提供和预警实施，以帮 助驾驶员进行安全操作，从而减少交通事故的发生。系统 通过路侧通信设施、路车通信

13、系统及车载设备等，收 集前方道路交通情况、车辆行驶状态和车辆周边环境等资 料，根据车辆间距、车速和车辆位置，判断车辆是否处于 危险位置，在需要时给出警告信息，警告与提醒驾驶员采 取正确的操作反应。 此阶段的主要目标是防止纵向、横向和交叉口碰撞，主 要配置如下表 所示。 现现状 信息提供 阶阶段 辅辅助驾驾 驶阶驶阶 段 自动驾动驾 驶阶驶阶 段 信息提供 司机 司机 系统统司机 系统统系统统辆辆控制 司机 司机 司机 系统统系统统责责任分配 司机 司机 司机 系统统信息提供阶段特征2. 辅助驾驶阶段 在此阶段，系统能辅助驾驶员在事故潜在的危险区 域控制运行车辆的加减速、刹车和转向操作，以避免

14、事故的发生。此阶段的道路基础设施和车辆都具有了 一定的智能，AHS专用道路系统能检测到更为准确的 障碍物和交通环境的信息。车辆则具有辅助驾驶的功 能。此阶段系统主要具有防撞功能和适度提高通行能 力两个目标。 防撞目标 当系统检测到车间距太小，达不到安全车距时，系 统将会产生警告信息，并提供给司机，并且在必要时 启动自动刹车。侧撞的产生主要由车辆变换车道或行 驶车辆偏离车道中心线而引起的。AHS的车辆会自动 辨识自身相对于另一车道的车辆位置或偏离中心线的 程度。当变换车道有潜在的危险（侧向碰撞）或车辆 偏离车道时，系统会将产生的侧撞警告信息传递给司 机，必要时采取自动驾驶，从而防止侧撞的产生。例

15、 如在弯道上，车辆发生对撞（或障碍物相撞）的预警 系统操作过程如下图所示。 车辆发生对撞的预警系统操作过程 探测障碍物的（或驶离或停靠的车辆）的摄像 机安装在弯路上，图像处理器会检测到障碍物。 系统主要通过AHS车辆和普通车辆之间的距离和 相对速度进行判断，当车辆进入到危险区后，系 统会向司机发出警告。 通行能力的提高 此阶段通行能力的提高主要通过车载导航控制 系统，适当控制AHS车辆和其他车辆的间距来提 高通行能力。3. 自动驾驶阶段 自动驾驶是AHS研究及发展的最终目标。在此 阶段，系统完全自动控制车辆的行驶，具有检查 车辆出入、车道控制、车间距控制、防撞、合流 以及分流等功能。其中变换车道的自动控制和合 流的自动控制是此阶段的关键技术。 4.6.4 自动公路系统案例1. 日本上信越高速公路的AHS试验 日本于1996年9月，在上信越（ Joshinetsu）高速公路的小诸（Komoro） 入口和东部汤之丸（Jobnomorn）入口间 的一段封闭路段上进行了一个AHS操作性