雷鋒網(wǎng)新智駕按：4月24日，雷鋒網(wǎng)新智駕聯(lián)合MMC在2017年上海車展舉辦“構(gòu)建智能駕駛的關(guān)鍵”主題沙龍，本文來(lái)自清華大學(xué)自動(dòng)化系統(tǒng)工程研究所教授姚丹亞的分享。本文講述了V2X技術(shù)在自動(dòng)駕駛中的一個(gè)重要應(yīng)用場(chǎng)景，即自動(dòng)駕駛汽車在路口會(huì)車時(shí)的通行決策問(wèn)題。

*清華大學(xué)自動(dòng)化系統(tǒng)工程研究所教授姚丹亞在上海車展新智駕&MMC沙龍現(xiàn)場(chǎng)

有一篇來(lái)自清華大學(xué)的論文名叫《基于完全信息動(dòng)態(tài)博弈的無(wú)燈控交叉口的車輛協(xié)同駕駛模型》（作者：楊卓，姚丹亞），它試著解決了一個(gè)可能很多人都想過(guò)但還沒(méi)有解決的問(wèn)題，那就是使自動(dòng)駕駛汽車在路口會(huì)車時(shí)相互協(xié)調(diào)，最終彼此配合完成通行決策。

你可以將它看作V2X助力自動(dòng)駕駛決策的應(yīng)用之一。對(duì)于V2X對(duì)自動(dòng)駕駛的作用，人們談得更多的是V2X在環(huán)境感知中的作用，即除汽車自身的傳感器感知外，借助V2X完成更大范圍的環(huán)境感知。

但V2X還有一個(gè)重要作用，就是協(xié)同決策。目前我們能做到在自主感知的基礎(chǔ)上決策，但V2X環(huán)境使“群決策”成為可能，在可能在未來(lái)會(huì)是自動(dòng)駕駛中的一個(gè)重要應(yīng)用。

如何基于V2X實(shí)現(xiàn)群決策？

以一個(gè)具體的場(chǎng)景為例，即無(wú)信號(hào)交叉路口的車車協(xié)同。兩輛車抵達(dá)路口，在沒(méi)有控制中心的情況下，聽誰(shuí)的？它們之間是一個(gè)博弈的關(guān)系，要通過(guò)博弈，保證雙方安全又順利地通過(guò)交叉路口。

首先，做一個(gè)簡(jiǎn)單的場(chǎng)景描述。

1、存在參與車輛，左邊駛來(lái)一輛車，下方駛來(lái)一輛車，已知彼此的速度、加速度和位置，以及達(dá)到路口會(huì)車點(diǎn)的距離。

2、路口為無(wú)信號(hào)交叉路口，即在沒(méi)有信號(hào)燈控制。

3、存在V2X環(huán)境，車車間可以進(jìn)行交互。

以上是前提假設(shè)。接下來(lái)將問(wèn)題拆分。

第一，判斷車輛間是否存在沖突。我們選擇一個(gè)指標(biāo)來(lái)描述這個(gè)沖突，這個(gè)指標(biāo)就叫作“沖突時(shí)間差”，即兩輛車到達(dá)沖突點(diǎn)的時(shí)間差值。該差值越小，就越有可能相撞，如為零則相撞，如差值很大，則代表在完全不同的時(shí)刻通過(guò)交叉點(diǎn)，定不會(huì)相撞。

第二，如果存在沖突，如何提前避免。在這個(gè)部分要考慮的因素很多，為了保證安全，當(dāng)兩輛車存在沖突時(shí)，需要用一個(gè)算法保證它們最后不相撞。因此，二者通過(guò)路口可以看成一個(gè)博弈問(wèn)題。博弈包括三個(gè)要素。

要素一：對(duì)象，要存在博弈雙方，此處的對(duì)象是車輛。

要素二：策略，忽略具體的油門、剎車等不同操作，用一個(gè)“加速度”來(lái)作為各種操作的表現(xiàn)形式，加速度構(gòu)成了策略。

要素三：收益，需要定義博弈的收益。我們?cè)谀Ｐ屠锒x了三種收益，即安全、快速、舒適。安全是首要需求，即不能撞車；快速指的是使車輛盡快通過(guò)路口；舒適指符合人的駕駛習(xí)慣，不能過(guò)度加速和減速，保證駕駛舒適。

以上就是一些決策的基本場(chǎng)景假設(shè)。

基于此，兩輛車的路口博弈在數(shù)學(xué)上可以看作一個(gè)有約束的多目標(biāo)規(guī)劃問(wèn)題。即，將不同加速度組合的情況下，使獲得的收益“Ω”達(dá)到最大。其中涉及一些數(shù)學(xué)問(wèn)題，如多重納什均衡、求最優(yōu)解等，我們?cè)谶@個(gè)模型中是用遺傳算法求取最優(yōu)解。

下面就具體地來(lái)計(jì)算這個(gè)問(wèn)題。

對(duì)于兩輛車，首先要判斷其是否進(jìn)入沖突區(qū)。博弈系統(tǒng)的實(shí)例模型如下所示，紅點(diǎn)表示沖突點(diǎn)（碰撞的點(diǎn)），通過(guò)車輛到達(dá)沖突點(diǎn)的時(shí)間差判斷是否進(jìn)入沖突區(qū)域。

*出自該模型作者曾發(fā)表的論文

若兩輛車并未進(jìn)入沖突區(qū)，則不需要博弈，正常行駛即可。一旦進(jìn)入沖突區(qū)，博弈即開始，通過(guò)博弈使得收益最大。前面講到三個(gè)收益指標(biāo)（安全、快速、舒適），此時(shí)就要具體定義這三個(gè)指標(biāo)。

1、安全性指標(biāo)。安全性指標(biāo)指已到達(dá)沖突點(diǎn)的時(shí)間差，在這個(gè)模型中，該差值一定要大于某個(gè)給定的閾值，才能確保安全。這個(gè)公式比較簡(jiǎn)單，基本是中學(xué)時(shí)候關(guān)于距離、速度、時(shí)間的簡(jiǎn)單公式。

2、快速性指標(biāo)。指的是兩個(gè)周期內(nèi)速度的變化，是當(dāng)前時(shí)刻加速度值的直接反應(yīng)。

3、舒適性指標(biāo)。舒適性指標(biāo)其實(shí)可以直接用加速度的絕對(duì)值來(lái)表示，絕對(duì)值越大，舒適型越差，在這個(gè)模型中我們基本選擇0.25g加速度指標(biāo)來(lái)進(jìn)行博弈。當(dāng)然，前提還是要安全，如果要發(fā)生碰撞了，那么舒適性指標(biāo)是可以犧牲的。此外，舒適性指標(biāo)也定義了一些不良加速度行為，如加速度增幅達(dá)到200%，或是該加速時(shí)變成反向加速度等。

對(duì)于以上三個(gè)收益值，需要做一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的工作。三種數(shù)據(jù)的量綱不同，有的是時(shí)間，有的是加速度，如何求和呢？這其中就涉及到標(biāo)準(zhǔn)化問(wèn)題。這里不具體解釋，基本的計(jì)算方法是將當(dāng)前值減去期望值除以標(biāo)準(zhǔn)差。最后，需要用到遺傳算法，盡可能得到全局最優(yōu)解。

仿真實(shí)驗(yàn)

對(duì)于這套理論，我們還沒(méi)有用在實(shí)車控制中，只是進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)。這是個(gè)具體的仿真例子。兩輛車初始速度分別為60km/h和50km/h，距離沖突點(diǎn)的距離分別為250米和150米，設(shè)定約束條件：最大速度不能超過(guò)70km/h，最小速度是零（即停車），加速度值控制在±0.3g之間。用于求解的遺傳算法在此不贅述，它主要用于獲得最優(yōu)解的。下圖，是兩車路口會(huì)車的仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)合曲線圖。

*出自該模型作者曾發(fā)表的論文

從上圖可以看出，這次仿真實(shí)驗(yàn)得到了蠻有意思的結(jié)果。在這個(gè)場(chǎng)景下，兩輛車出現(xiàn)了兩次博弈的過(guò)程。第一次，計(jì)算得出到?jīng)_突點(diǎn)的時(shí)間差小于給定閾值，進(jìn)行了一輪博弈后，沖突危險(xiǎn)解除，判斷安全后又開始自由駕駛；自由駕駛一段時(shí)間以后又進(jìn)入了一次博弈過(guò)程，最后直到車輛安全通過(guò)路口。

上面的圖給出了許多博弈曲線。第一排曲線是收益曲線，紅色、藍(lán)色代表兩輛車分別的收益，綠色表示兩輛車的總收益。第二排是加速度曲線，拿加速度曲線來(lái)說(shuō)，博弈的效果不是特別好，因?yàn)樘鴦?dòng)很大，博弈算法還有些需要完善的地方。第三排是速度曲線。

最后一排的碰撞時(shí)間差（TDTC）。我們?yōu)門DTC設(shè)置一個(gè)閾值，當(dāng)TDTC小于閾值的時(shí)候，就會(huì)告知存在碰撞風(fēng)險(xiǎn)，開始博弈。而這個(gè)過(guò)程是變化的，一旦TDTC超出閾值，就證明沒(méi)有風(fēng)險(xiǎn)，雙方就可以自由駕駛。最后車輛安全駛離交通路口，這是一個(gè)完整的博弈過(guò)程。

在一些具體參數(shù)上，主要考慮三點(diǎn)。

第一，收益。如圖，對(duì)于第一輛車而言，它得到的是負(fù)收益，第二輛車是正收益，我們的博弈規(guī)則，是將二者相加，盡量使得整體收益最大。

第二，高速度占比和不良加速度。

第三，收益函數(shù)的系數(shù)。這是一個(gè)很重要的參數(shù)，這個(gè)系數(shù)會(huì)直接影響最后博弈的效果。具體的確定的方法，我認(rèn)為是值得研究的。比如，α大是更強(qiáng)調(diào)安全，β大是強(qiáng)調(diào)快速性，γ大是強(qiáng)調(diào)舒適性，看你如何選擇評(píng)估方式。

總結(jié)

該模型的研究，考慮到了駕駛安全、舒適等指標(biāo)之間的博弈和決策，避免碰撞是最重要的部分，同時(shí)也要盡可能避免那些降低舒適性的操作。未來(lái)，通過(guò)豐富策略集，可以在模型的基礎(chǔ)上，有更多方向、更多方式的相關(guān)研究。

同時(shí)，群決策算法是一個(gè)亮點(diǎn)。剛才只是兩輛車的模型，我們的博士生還在研究路口多車博弈的通用模型。

當(dāng)然，我們現(xiàn)在的實(shí)驗(yàn)還在仿真基礎(chǔ)上，不過(guò)也在做一些實(shí)用的產(chǎn)品。我們課題組和一個(gè)叫作星云互聯(lián)的公司合作，開發(fā)了一些V2X的產(chǎn)品，如智能車載終端、路側(cè)通信機(jī)、路側(cè)主機(jī)等，其中內(nèi)置了多種通信模塊，支持多種通信方式接入，完成車車、車路之間的數(shù)據(jù)交互。目前我們的產(chǎn)品，主要應(yīng)用在各種自動(dòng)駕駛和智能駕駛測(cè)試場(chǎng)，同時(shí)，還推出了了一些實(shí)際應(yīng)用。例如我們?cè)谛@公交系統(tǒng)中裝入了路側(cè)系統(tǒng)、校園公交車上安裝了車載裝置，用以測(cè)試和積累數(shù)據(jù)。此外，我們還在蕪湖交警支隊(duì)的支持下，在中心城區(qū)路口建設(shè)了V2X基礎(chǔ)設(shè)施。之后，我們還和很多的企業(yè)和測(cè)試場(chǎng)開展更多的合作，在實(shí)際的項(xiàng)目中進(jìn)行測(cè)試。

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