單一車道自動公路系統發生意外事故下自動車輛行為模擬

國

立

交

通

大

學

交通運輸研究所

碩 士 論 文

單一車道自動公路系統

發生意外事故下自動車輛行為模擬

Incident-Responsive Automatic Vehicle Behaviors

Simulation in Single-Automated-Lane Highway Systems

研 究 生：董晉曄

指導老師：許鉅秉 教授

單一車道自動公路系統發生意外事故下自動車輛行為模擬 學生：董晉曄 指導教授：許鉅秉 國立交通大學交通運輸研究所碩士班 摘 要 世界各國為了解決交通擁擠及其伴隨而至之交通事故、能源消耗、環境污染 與運輸安全等問題，皆致力於發展智慧型運輸系統。而在智慧型運輸系統的七個 子系統中又以自動公路系統為最高科技的一個子系統，也是發展智慧型運輸系統 之終極目標。以高速且小車間距前進的自動控制車隊，若遇到路段下游有事故的 產生，必定對系統運作產生衝擊。雖然現在的科技還在測試的階段，不過快速的 反應事故所帶來的車道阻塞也是先進自動公路系統的關鍵性議題，但目前仍鮮少 有自動公路系統發生事故時的相關研究。 本研究是探討在單一自動控制車道之自動公路系統對事故發生時作因應事 故之反應，目的在於建立一個自動車輛控制邏輯，使得自動控制車輛能夠安全且 順暢的通過事故點，而這些嵌入的交通控制邏輯都是基於基本的安全需求。首先 建立事故上游之三個動態區域來規範自動控制車輛在事故上游的車隊拆解、事故 引起之跟車及變換車道、以及強制煞車，以車輛相對速率觀點及車間距切入，藉 由防止車輛縱向及橫向碰撞來做判斷變換車道之邏輯，並以同樣的觀點建立混合 車流跟車之準則。再以程式語言BCB 撰寫控制邏輯，做情境敏感度分析，找出 車隊規模、車隊初速、鄰近車道車流量、車隊間距對整體車流之影響。 關鍵字：自動公路系統、事故、智慧型運輸系統

Incident-Responsive Automatic Vehicle Behaviors Simulation in Single-Automated-Lane Highway Systems

Student：Chin-Yeh Tung Advisors：Dr. Jiuh-Biing Sheu

Institute of Traffic & Transportation National Chiao Tung University

ABSTRACT

Many countries around the world devote to develop Intelligent Transportation Systems (ITS) to solve congestion problems, which coupled with some issues of incidents, consumption of energy resource, environmental pollution, and transportation safety. Automated Highway System (AHS) is not only the most hi-technical subsystem in the 7 subsystems of ITS, but also the ultimate goal of development of ITS. An automated-control platoon approaching with high speed and small vehicular spacing will face to critical impacts when incident occurs on downstream highway. Prompt response to lane-blocking incidents is a critical issue in development of advanced AHS although all the limited existing AHS technologies are on trial. But there are few researches to discuss these issues.

This paper focuses on the response to incidents for single-automated-lane highway system to design a control logic which permits automated vehicles (AC) change to adjacent lane. The embedded traffic control logic is based on the safety requirement. First we present three dynamic spatial zones, which are platoon decomposing, incident-induced car-following and lane-changing, and mandatory braking. This paper is focus on embedding control logic with the views of relative velocity and vehicular spacing to make decision of automaic-control vehicles via avoiding longitudinal and lateral collisions. Then, we compose BCB programming language to do sensitivity analyses of many scenarios, and find the relationships between platoon size, platoon speed, variable traffic condition, platoon headway speed and traffic flow.

誌

謝

我原本不會寫程式，我原本不會做研究，整篇論文從無到有，對我來說根本 是不可能的任務。由衷感謝許鉅秉教授的悉心指導，對於論文內容的嚴謹要求， 以及對於研究觀念的啟發，均令我受惠良多。論文口試期間，承蒙張美香教授與 胡守任博士耐心指正並惠賜卓見，使本論文更臻完善，特此致謝。 感謝交通大學交研所老師們的教導，賜予我學術知識的啟蒙。感謝小 v 和 阿 Ben 兩位程式達人，在程式的寫作上給予我的指導，沒有你們我可能早就回 家種田了。 感謝女友小美，一路上的陪伴與體貼，也很抱歉常為了論文而忽略了妳， 我會更加珍惜我們相處的時光，趁還沒當兵前再來一趟甜蜜蜜的旅行。 感謝同 Lab 的師兄姊們，書婷、阿秋、大頭、紅豆，雖然這學期因為家裡 的事常常缺席每個禮拜一次的 Meeting，不過每次 Meeting 的血和淚可是深深烙 印在心中。尤其是師兄阿秋會長，讓我的研究所生活變得多彩多姿，還有大頭， 一直幫我、教我弄東弄西，沒有你我還真的不知道怎麼辦。 感謝學號 9436501~9436530 的同班同學們，從大學就是罵吉的金將、萬事 通 Mud、搞怪搞笑二人組ㄟ中和小明、5566 地上最強的好厝邊薰論、論文最後 戰役的戰友大玥、毒舌派但人很好的博彥、很愛嚇我的SM 女王小慧、專業級按 摩的Kilik、出去玩鐵咖柯以媽和同鄉金門妹菁怡，還有宇函、阿凱、江蕙老師、 靈芝、忍者龜…等，兩年來的風風雨雨，感謝有你們在身旁！ 感謝不同研究所但一起為論文打拼的好兄弟們，竹交的蕭阿炮、台大的李 冠毛、盧一哥，大家相互打氣才是論文前進的原動力；也感謝所有曾經鼓勵我的 好朋友們！ 謹獻給所有幫助過我的家人、老師及同學們！此階段的任務已完成，真的要 離開了，前往人生另一段旅程，研究所兩年來的歷練讓我有信心面對未來的挑 戰，要不斷前進、不斷成長，也願你們身體健康、事事順心！ 董晉曄 謹誌于交通大學交研所 民國96 年 7 月

目 錄

中文摘要... I 英文摘要... II 誌謝………..III 目 錄...IV 圖 目 錄... VII 表 目 錄...IX 第一章 緒論...1 1.1 研究背景與動機...1 1.2 研究目的...3 1.3 研究範圍與限制...3 1.4 研究方法...4 1.5 研究流程...5 第二章 文獻回顧...6 2.1 自動公路系統...6 2.1.1 發展概況...6 2.1.2 AHS 的主要功能與分類...8 2.1.3 先進安全車輛...9 2.2 變換車道...13 2.2.1 一般變換車道...13 2.2.2 AHS 變換車道...14 2.3 跟車行為...19 2.3.1 人為跟車理論...19 2.3.2 自動車輛偵測系統...20 2.3.3 混合車流決策樹...22

2.3.4 自動車輛跟車行為模式...23 2.3.5 乘車舒適度指標...24 2.4 文獻評析...25 第三章 自動車輛行為模式構建...26 3.1 系統定義...27 3.1.1 事故影響區...27 3.1.2 基本假設...28 3.2 門檻值之界定...29 3.2.1 強制煞車區之計算...30 3.2.2 跟車緩衝區之計算...32 3.2.3 車隊拆解區之計算...33 3.3 變換車道模式構建...34 3.3.1 變換車道因素...35 3.3.2 變換車道模式...35 3.4 混合車流跟車模式...41 3.5 變換回自動車道模式...43 3.6 車隊重組模式...43 3.7 最舒適加速度...44 3.8 小結...46 第四章 程式模擬系統之發展...47 4.1 程式撰寫...47 4.2 實驗設計...57 4.3 檔案輸出...61 第五章 模式應用與情境分析...64 5.1 情境分析...64 5.1.1 情境建立...64

5.1.2 評估準則建立...74 5.1.3 情境分析結果...74 5.1.4 道路容量近飽和之分析...85 5.2 敏感度分析...87 5.3 車流時空圖...89 第六章 結論與建議...103 6.1 結論...103 6.2 建議...104 參考文獻...105

圖 目 錄

圖1-1 研究流程圖 ...5 圖2-1 先進安全車輛裝置示意圖 ...10 圖2-2 美國 ASV 全方位防撞系統示意圖 ...12 圖2-3 跟車反應系統 ...21 圖2-4 判斷決策樹 ...22 圖2-5 相對距離示意圖 ...23 圖3-1 模擬流程概念圖 ...26 圖3-2 事故上下游之影響區示意圖 ...28 圖3-3 自動控制車隊前進之三個動態門檻 ...30 圖3-4 AC 車輛強制煞車之動態安全距離...31 圖3-5 AC 車輛強制煞車之動態安全距離...34 圖3-6 變換車道之時間—距離概念圖 ...36 圖3-7 相對距離示意圖 ...42 圖3-8 速度對時間 ...45 圖3-9 拋物線加速度與減速度 ...45 圖4-1 主程式 main( )流程圖...48 圖4-2 A_move()函式流程圖...53 圖4-3 trans_check()函式流程圖 ...55 圖4-4 trans_ctrl()函式流程圖 ...56 圖4-5 模擬高速公路路段幾何特性示意圖 ...57 圖4-6 平坦路段速率與流量關係及服務水準劃分之等級 ...59 圖4-7 Greenshield's model 下之流量與密度對應圖...61 圖5-1 基準情境 8-23 之三維車流時空圖...89 圖5-2 基準情境 8-23 之二維車流時空圖...90

圖5-3 情境 2-23 之三維車流時空圖...91 圖5-4 情境 2-23 之二維車流時空圖...91 圖5-5 情境 10-23 之三維車流時空圖...92 圖5-6 情境 10-23 之二維車流時空圖...93 圖5-7 情境 8-22 之三維車流時空圖...94 圖5-8 情境 8-22 之二維車流時空圖...94 圖5-9 情境 8-24 之三維車流時空圖...95 圖5-10 情境 8-24 之二維車流時空圖...96 圖5-11 情境 8-20 之三維車流時空圖 ...97 圖5-12 情境 8-20 之二維車流時空圖...97 圖5-13 情境 8-26 之三維車流時空圖...98 圖5-14 情境 8-26 之二維車流時空圖...99 圖5-15 基準情境 8-23 人為操縱車輛之二維車流時空圖...100 圖5-16 情境 8-20 人為操縱車輛之二維車流時空圖...101 圖5-17 情境 8-26 人為操縱車輛之二維車流時空圖...102

表 目 錄

表2-1 跟車間距相關研究 ...20 表2-2 衝度異常門檻值表 ...24 表4-1 程式變數說明 ...49 表4-2 程式函式說明 ...50 表4-3 車輛尺寸資料表(單位：m) ...58 表4-4 車輛行駛速率與一般加減速度之資料表(單位：m/s2)...58 表4-5 乾路面、輪胎狀態好下最大加速度及最大減速度資料表(單位：m/s2) ...58 表4-6 單位時間內的檔案輸出狀態之一 ...62 表4-7 單位時間內的檔案輸出狀態之二 ...63 表5-1 自動控制車隊規模 2 之模擬情境 ...65 表5-2 自動控制車隊規模 3 之模擬情境 ...66 表5-3 自動控制車隊規模 4 之模擬情境 ...67 表5-4 自動控制車隊規模 5 之模擬情境 ...68 表5-5 自動控制車隊規模 6 之模擬情境 ...69 表5-6 自動控制車隊規模 7 之模擬情境 ...70 表5-7 自動控制車隊規模 8 之模擬情境 ...71 表5-8 自動控制車隊規模 9 之模擬情境 ...72 表5-9 自動控制車隊規模 10 之模擬情境 ...73 表5-10 自動控制車隊規模 2 模擬情境之 Output ...75 表5-11 自動控制車隊規模 3 模擬情境之 Output ...76 表5-12 自動控制車隊規模 4 模擬情境之 Output ...77 表5-13 自動控制車隊規模 5 模擬情境之 Output ...78 表5-14 自動控制車隊規模 6 模擬情境之 Output ...79

表5-15 自動控制車隊規模 7 模擬情境之 Output ...80 表5-16 自動控制車隊規模 8 模擬情境之 Output ...81 表5-17 自動控制車隊規模 9 模擬情境之 Output ...82 表5-18 自動控制車隊規模 10 模擬情境之 Output ...83 表5-19 變換車道成功率 ...86 表5-20 敏感度分析之目標參數 ...87 表5-21 敏感度分析結果 ...88

第一章 緒論

1.1 研究背景與動機

為了解決交通擁擠及其伴隨發生的交通事故、能源消耗、環境污染與運輸安 全等課題，也為了增進旅客與貨物之流暢與經濟生產力，智慧型運輸系統 （Intelligent Transportation System, ITS）的發展是必然的趨勢。在美國 ITS 系統 中，包含了先進交通管理系統（ATMS）、先進旅行者資訊系統（ATIS）、先進公 共運輸系統（APTS）、先進車輛控制安全系統（AVCSS）、商用車輛營運系統 （CVO）、緊急事故支援系統（EMS）、電子收付費系統(EPS&ETC)、資訊管理 系統(IMS)及弱勢使用者保護服務（VIPS）等九大子系統。

本研究的研究對象為自動公路系統（Automated Highway System, AHS），自 動公路系統是以車輛完全自我控制，或利用道路週邊設施的的輔助，來協助車輛 自動駕駛。然而，突發性的事故發生將對自動公路系統帶來系統性的衝擊，此衝 擊來自於自動控制車輛是以高速、小車間距的車隊形式前進，事故一旦發生，自 動車隊將因應事故發生以煞車停等或是變換車道來躲避事故發生之車道阻塞，故 自動公路系統對於事故引起車道阻塞之自動化的反應，便是自動公路系統的關鍵 性課題。 此議題的重要性有三： 1. 事故引起的車道內交通的現象，包括下令變換車道及停等車輛溢流等， 依舊是含糊不清的。和車流理論、事故管理、交通控制等交通領域相關。 2. 自動控制（Automated-Control, AC）車輛與非自動控制車輛的特性不同， 主要取決於人為因素。事故發生後所造成的混合車流將比一般自動車道上 的車流行為複雜許多。 3.事故特性的變化（如：事故持續的時間及發生地點）通常伴隨著事故衝擊 （延滯、停等長度），這些時間上及空間上的不確定性，將使得所使用的

交通控制及管理策略無效。 隨著自動公路系統發展及實際測試，在自動公路系統發展成熟、車輛完全自 動駕駛之前，將會有人為駕駛及自動駕駛的兩種駕駛型態並存的過渡期，因為科 技的成熟度與人對科技的信賴程度有相當一段差距，所以過渡時期將持續一段時 間。故未來進入測試階段的自動公路系統，將先撥用高速公路最內側的單一車道 作為自動控制車道，自動控制車道僅允許自動控制車輛行駛，一般人為駕駛車輛 不得駛入。若行駛於高速公路上的所有車輛若皆為自動駕駛，所有車輛行駛行為 皆由電腦判斷及控制，車流狀況當然簡單許多；但在發展自動公路系統的過渡時 期，面對自動控制車道上發生突發事故或障礙物，快速地反應事故所帶來的衝 擊，其中自動控制車輛欲順利通過事故地點，自動車輛變換車道必須考慮鄰近車 道人為駕駛之人為因素，變換車道後之自動手動駕駛的混合車流必然相當複雜。 而在現行的跟車過程，駕駛人無形耗費了許多的時間和精力在注意與前車的 相對速度以保持適當、安全的距離，故自動駕駛系統，是未來智慧型運輸系統 （Intelligent Transportation System, ITS）發展的方向，自動控制車輛的發展有幾 個過程：

1. 自動定速車輛（Automatic Cruise Control Vehicle），能夠在高速公路上定速 高速行駛，目前發展至可以在市區自動定速低速行駛。 2. 研發自動車輛在車輛稀少之公路行駛，可依狀況調整加速、減速、或停止。 3. 自動車輛能夠相互串連，以車隊為單位並應用在高速公路上，開創一條自動 控制車道，將自動車輛和非自動車輛相互隔離，各自行駛各自的車道。 4. 讓自動控制車輛和一般車輛能夠混合行駛，而不去限制車道是否為自動車輛 或是非自動車輛行駛之用。 關於自動控制車輛之文獻，已經有為數不少並且深入的探討，從單一車輛行 駛乃至於車隊串聯，直到自動變換車道；不過，想要達到完全混合自動和手動車 輛行駛仍有相當多的問題需要克服；但對於上述第三點高速公路單一自動控制車 道，倘若自動控制車道發生事故，期望自動車輛在變換至一般車道後，也能夠短

暫的自動行駛並在通過事故點之後變換回自動控制車道。此種事故發生時，所造 成的混合自動控制車輛以及人為操縱車輛的混合車流，在自動高速公路系統開發 之後，必然會對系統產生衝擊，因此選定此主題做研究。

1.2 研究目的

由研究背景與動機可得知，最內側自動控制車道下游發生事故，行駛在此道 之自動車輛在轉換至一般車道之後，必須和一般人為操縱車輛混合行駛，如果將 車道上的車輛區分為自動車和手動車這兩種，這時候的跟車行為，除了一般傳統 的人為跟車模式（後車駕駛者是人，前車則可能是自動車輛或是人為操作車輛）， 增加了自動車輛的跟車模式（自動車輛前方可能是自動車輛或是人為操縱車輛）。 故本研究最主要的研究目的為以下三項： 1. 建立應變事故反應模式控制邏輯，進行模擬與驗證，讓自動控制車道上之 AC 車輛能有效且安全地行駛通過事故點再回到自動控制車道上。 2. 利用程式語言，撰寫模擬器模擬分析事故發生後之自動車輛行為，並利用情 境分析，來評估系統績效。變動直接影響模式的主要參數(包括：車隊規模、 車隊初速、鄰近車道車流量、預設車間距等)，檢驗評估準則(平均旅行時間、 平均延滯時間)的變化，計算出在不同的環境下，怎樣的變數搭配可以得到 系統較佳解。 3. 利用敏感度分析檢驗其他變數對整體系統績效之影響。

1.3 研究範圍與限制

本研究之範圍主要界定在，當高速公路上的內側車道為單一自動控制車輛專 用車道，而其餘車道則為一般手動人為駕駛車道，當內側自動車輛車道下游發生 意外事故，從自動控制車輛開始變換車道，通過事故點，再回到最內側的自動控 制車道，在這段過程中討論：

1. 找出自動控制車輛在混合車流中，對於不同情境，處理混合車流中可能發生 的狀況。以一輛自動車輛為基礎，考慮其變換車道行為，以及鄰近車道車輛 如果變換車道對自動車輛判斷的影響。 2. 變換車道所需的參數（行駛速率、加速度、可接受之安全間距、轉向角等）。 3. 判斷前方車輛種類，為自動或為非自動，在不同的安全距離、速度下，求出 自動車輛對應前方車輛所需要的最適跟車行為。 4. 每一個車道皆可能存在自動車輛與手動車輛混合行駛。 5. 模擬自動車輛在事故發生後之行為模式。 6. 變動參數，以敏感度分析求出最適化行為模式。 鑒於自動公路系統仍處於研究發展階段，各種車輛控制單元的發展也都尚未 成熟，現有的一些自動公路系統尚在測試階段，所以各種相關技術仍在發展，抑 或不明朗，便為本研究之研究限制。而這些限制仍待科技持續研發來支持自動公 路系統的長遠發展。故本研究在基於假設所有實體車輛單元、控制技術、通信技 術等技術都發展成熟的條件下，所提出之微觀車輛控制邏輯。

1.4 研究方法

綜合上述各點，本研究之研究方法如下： 1.了解與確認問題及所需使用之研究工具，並進行問題確認及研究範圍、研究對 象、研究限制等界定，以進一步確定研究方向。 2.進行國內外自動公路系統之相關文獻回顧和相關發展課題，包括自動公路系統 的發展概述、自動公路系統變換車道行為、自動公路系統的車流理論。 3.依據 J.B. Sheu（2005）所提出針對單一自動車道的自動公路系統提出應變事故 微觀（microscopic）控制邏輯，以此為理論基礎，構建反應事故之微觀角度切 入探討即時反應事故之自動車輛行為模式。 4.自動車輛推進可區分為跟車行為與變換行為。本研究中，本車跟車行為所對應 的加減速反應，將以前方車隊行駛速率為依據；而變換車道行為則將考量本車

與本車道前車、相鄰車道前車、相鄰車道後車之動態關係，判定可否變換車道。 5.將所構建之車輛行為模式，界定出其決策變數，針對所構建之模式以及欲模擬 的情境，撰寫模擬程式。 6.進行模式與程式設計及分析。程式則以程式語言 C++撰寫控制邏輯，進行模式 模擬，並且進行情境之敏感度分析，探討全面性的混合車流。

1.5 研究流程

本研究之研究流程如圖1-1 所示： 圖 1-1 研究流程圖

第二章 文獻回顧

本章將針對本研究相關之自動公路系統及現今科技發展概況、自動公路系統 變換車道、自動公路系統車流理論，以及過去國內外學者所做自動公路系統之相 關文獻，做統整與回顧，期望可以對於本研究有所啟發。

2.1 自動公路系統

2.1.1 發展概況 「自動公路系統」是指以車輛完全自我控制，或利用道路週邊設施的輔助， 使車輛得以自動行駛。其目的在藉由先進的通訊以及自動控制等技術之應用，協 助駕駛人駕駛車輛，以降低駕駛人開車時精神及體力上的負擔，並提升交通安全 與運輸效率。依據交通部運輸研究所87 年日本考察報告：自動公路系統在美國 稱為AHS（Automated Highway System），在日本則以其實際發展的階段與內容， 而修正為先進式導航公路系統ACHS（Advanced Cruise-assist Highway System）。 AHS 的基本概念，簡單來說就是運用公路上與車輛上的電子通訊系統，導引車 輛安全行駛乃至發展到無人駕駛的理想境界。 關於自動公路系統的發展過程，在此作一個簡單的介紹。1989 年，日本建 設部成立一研究計畫，研究及發展日本的道路設施系統，提供駕駛人自動化的操 控系統。該計畫在車輛完全自主概念上有三個主要的特點： 1.在車身前方和旁邊的雷射測距感應器能偵測到駕駛人前方和旁邊的物體，並能 測出該物體和車輛的間距。 2.由安裝在車內後視鏡上的CCD 攝影機偵測路旁的記號，若車子偏離了道路， 車輛便會自動向駕駛人發出警告。 3.安裝在車身兩旁後視鏡上的CCD 攝影機偵測由後而至的車流，並在必要時發 出聲音警告。

1996 年成立 AHS 研究組織（AHSRA），確立研究之概念與架構，同年在尚 未開放使用的上信越道進行自動車輛運轉試驗，試驗的內容包括有：（1）與前方 車輛衝突之防止，（2）與側向車輛間衝突之防止，（3）道路前方發生事故時的警 告機制，以及（4）自動運轉機能之試驗。

美 國 自 動 公 路 系 統 協 會 NAHSC（National Automated Highway System Consortium）於 1997 年進行自動公路系統試驗展示（Demo'97），證明自動化公 路（AHS）的技術可行性。主要的試驗在聖地牙哥到洛杉磯之間的州際公路上進 行，試驗車輛上都裝有磁鐵感測器和高敏感度的雷達裝置。磁鐵感測器用來檢測 車輛在公路上的位置，高敏感度的雷達裝置用來檢測車速和安全距離並避開障礙 物，車輛在公路上的行駛就不需要由駕駛者控制，駕駛者可悠閒地坐在車上休息 或做其他的事情。 1998 年歐洲公開展示其自動公路系統研究成果（Demo'98）。試驗地點為建 設中的高速公路（N11），內容包括有都市駕駛控制（Urban Drive Control）、智慧 型速度調整（Intelligent Speed Adaptation）、駕駛者行為檢查與車輛運轉支援等項 目。同年在韓國舉行之ITS 世界會議中，亦有自動化公路系統之試驗展示，之後 在1999、2000 年，美國及日本兩國也都有相關試驗展示。

然而自動公路系統的發展最重要的還是其運作的功能：適應性巡行系統 （Adaptive Cruise Control）的發展是考慮了安全及使用者的接受度，而未來發展 先進的巡行控制則必須在現有的基礎建設中加入障礙物危險警告（Obstacle Warning）、車間距危險警告（Headway Warning），以及自動車輛辨識（Automatic Vehicle Identification）等功能。路邊設施—車輛之聯繫、車輛—車輛之聯繫也是 對未來AHS 發展相當重要。自動煞車系統藉由在前方的車輛或路邊設施傳遞減 速要求，車輛必須非常確定即將發生的危險，而後方跟隨車輛對即將發生危險的 認知及其本身的車速也是重要的考慮因素（Cem Ünsal,1997）。這些技術都隨時 要求對於車輛位置的極大準確度，如果系統是以路邊設施為基礎的系統，則路邊 設施必須對於非自動車輛的位置有相當的了解，而資訊的更新率則必須在每秒超

過100 次並且安全的需求必須小於 10 公分（James,1994）。

AHS 發展的最後一步就是完全的自動控制，在駕駛者方面將不需要對車輛 做任何控制，所有的路線決定都交由使用自動車輛位置定位系統（Automatic Vehicle Location, AVL）與先進旅行者資訊系統（ATIS），駕駛者可以增加路徑選 擇判斷準則，一旦路徑選擇確定後，系統將引導車輛前進，並且最新的繞徑選擇 及資訊也將藉由先進交通管理系統（ATMS）來處理。 2.1.2 AHS 的主要功能與分類 一、AHS 的主要功能 我們了解自動公路系統主要能夠提供駕駛人更舒服及安全的駕駛環境，而 AHS 對於汽車駕駛人所提供的服務，可概略分為以下四種： 1.提供行車與道路狀況資訊：藉由車上與路旁的偵測設備，蒐集並提供駕駛人即 時路況與車輛週遭環境的資訊，例如前方有故障車輛或起霧之資訊，增加駕駛 人對行車環境的了解，以提高行車安全。 2.危險警告：經由系統迅速整合即時的車輛位置、行車速率與前方障礙物的距 離、或車輛偏離車道等資訊，對駕駛人發出危險警告，以輔助駕駛人做必要的 反應決策。 3.行車運轉輔助：為防止車輛碰撞或撞擊障礙物，甚至偏離車道，系統在上述危 險警告後即增加車輛自動控制的功能，對車輛進行車速控制及方向控制，才能 在緊急狀況發生時，避免可能的事故發生。 4.行車自動運轉：構建完全自動操控輔助功能，對於車輛的方向盤、加速器、煞 車系統，乃至與前車保持一定距離等，均交由系統自動操控。 二、以自動化程度作為AHS 的分類：

M.Broucke & P. Varaiya（1996）提出 AHS 的理論包含了兩種特性：一是控 制法則，用來管理私人運具的移動；另一特性為交通流量管理法則，用來導引整 個車流的方法。這兩種特性與法則可用來促進高速公路相關的績效，並且可用來

減少塞車、意外的可能性。AHS 的概念可分為車輛完全自主（車輛完全智慧化）、 道路設施控制（大部分由道路上相關設施來控制），以及介於兩者之間的系統。 根據美國國家自動公路系統聯盟（NAHSC）的定義，AHS 的發展架構一車輛與 道路基礎設施自動控制權的程度，可分為五個研究範疇： （1）車輛完全自主模式（autonomous）：車輛完全自我控制； （2）道路設施與車輛合作模式（cooperative）：除了車輛自我控制外，增加 車輛間通訊的功能； （3）道路設施支援模式（infrastructure-supported）：提供道路基礎設施與車 輛間通訊的功能； （4）道路設施支援模式（infrastructure-managed）：道路基礎設施管理每一 輛車的運作，車輛仍可維持部分自我控制； （5）道路設施控制模式（infrastructure-controlled）：道路基礎設施完全控制 車輛的運作。 2.1.3 先進安全車輛 自動公路系統最大的疑慮，就是現今科技發展乃至AHS 相關技術之發展是 否可以支持自動公路系統之發展。然而交通不外乎分為人、車、路三部分，自動 公路系統著重的是車輛的部分，於是我們回顧現今對於車輛安全及通訊的發展便 可以回應本研究對於自動公路系統相關之假設，在可預見的未來，這些技術發展 漸漸成熟，本研究便不至於淪於空談，而是未來交通發展可能會面臨的實際問題。 先進安全車輛（Advanced Safety Vehicle, ASV）的發展主要是由日本率先進 行，最主要的目的是如何積極開發以高科技電子產品輔助駕駛者降低車輛事故發 生率及人員死傷率，以提升車輛行駛時的安全性能。

先進安全車輛主要的裝置如圖2-1 所示，以下針對主要裝置之功能與應用技 術做簡要介紹：

1、前方防撞警告系統： 此系統可計算車輛與前方車輛距離與其本身車速關係，當車速與車距小於所 設定之關係式時，系統變化利用警示標識或是警告音量的動作，警告駕駛者其駕 駛行為可能會導致車輛事故，以確保車輛成員生命之安全。應用技術：利用毫微 米波雷達或是雷射雷達進行車輛距離的偵測，並經由邏輯判斷式的撰寫，以期達 到警告的作用。 其中，毫微米波雷達為頻率範圍落在 26.5~300GHz 的一種雷達，由於頻譜 介於微波與光之間，故兼具有兩者之優點。毫微米波雷達的優點是角度分辨率 高、頻寬帶大，缺點是大氣吸收較大，需要大作用距離時所需的功率較一般為高。 一般以微波雷達或者都卜勒雷達皆可偵測得到前後車之速率，毫微米波雷達由於 角度分辨度高，未來使用於偵測鄰近車道前後車之速率應為可行之道。 圖2-1 先進安全車輛裝置示意圖 資料來源：財團法人車輛研究測試中心

2、事故自動通報系統 當車輛發生事故同時，可以藉由此系統發出訊息至緊急救援中心或是救護中 心告知發生事故，請相關人員進行救護工作。應用技術：利用事故感知器進行車 輛事故發生之判定，進而利用GPS 進行位置確認與訊號之傳遞。 3、智慧型車輛定位系統 車輛為一可移動之工具，但是如何將移動中車輛的位置與相關資訊做一最好 之利用，則為交通管理的最基本的資料庫，因此可以利用這套系統，精準的定義 車輛的位置，與道路上車輛的資訊。應用技術：利用 GPS（Global Positioning System）與豐富完整的 GIS（Geographical Information System）資料庫將車輛的 位置精準的定義，並從車輛之行車電腦進行車輛資料的擷取，進而可以實施進一 步之交通管理工作，如經由交控指揮中心進行動態指派車輛之行徑路線等等工 作。 4、道路環境警告資訊系統 道路上的突發事故，常為造成交通事故的主要因素之一。因為在快速的行駛 過程中，駕駛者對於事故即將發生所做反應動作的時間會比車輛撞擊發生的時間 要慢許多，因此若可以將道路上的突發事故提早告知道路使用者，便可以儘早採 取應變措施，避免事故的發生。應用技術：利用路邊之資訊設施，提供可資利用 之判斷前方道路相關資訊，以利駕駛者可以進行車輛行為的穩定控制，避免因前 方之緊急事故造成另一次的交通事故。 5、偏離車道警示系統 車輛若能維持在該行駛的道路上行駛，應可降低許多交通事故發生的機會。 此系統即可在車輛發生車道偏離，且駕駛者卻不採取任何的應變措施時，適時的 發出警告，以降低事故發生的機率。 另外美國在 1997 年由國家高速公路交通安全局所主導的智慧型車輛開發 （Intelligent Vehicle Initiatives, IVI）計畫，推動先進安全車輛的研發工作。IVI

計畫內容為發展360 度全方位碰撞警示系統，如圖 2-2 所示，其中包含三項主要 的技術與設備：

（1）基本碰撞預防警示技術：適應性巡航控制（Adaptive Cruise Control），以防 止車輛後方追撞，偵測車輛前方障礙物與行人。 （2）先進碰撞預防警示技術：車道變換／匯入的碰撞預防、交叉路口碰撞預防、 車輛診斷、障礙物及行人偵測…等。 （3）基本旅行者資訊設備：導航／路線指引、即時交通與旅行者資訊、自動的 撞擊通知…等。 圖2-2 美國 ASV 全方位防撞系統示意圖 （資料來源：財團法人車輛研究測試中心） 由現今之科技發展，我們可以得知現在車輛的一些功能與科技上都朝著完全 自動駕駛的方向邁進，不管是雷達偵測速度與距離，以及側向的偵測，技術上都 漸漸地可以做得到，而技術的成熟度也會隨著慢慢增加，有了這些技術的支持， 更多改善交通安全的研究發展也會持續往AHS 來邁進，AHS 也可以說是 ITS 發 展的最終極目標。

2.2 變換車道

關於變換車道的文獻回顧方面，以下分為人為變換車道行為以及自動車輛變 換車道兩部分來做介紹。 2.2.1 一般變換車道 過去學界針對變換車道所提出的車流模擬模式相當多，國內曾有研究針對國 內外變換車道，做整體性的文獻回顧及歸納。 張鈞華(2001)指出變換車道行為，主要可分為選擇性變換車道與強制性變換 車道兩種。選擇性變換車道係指當車輛行駛速率小於期望速率，或駕駛者為了減 少行車延滯所採行的變換車道行為。而強制性變換車道則是車輛因欲轉向而自其 車道變換至指定轉向專用車道之行為。該研究回顧國內外之變換車道之處理方法 作了以下的分類： 1.可接受車間距決定法則 若行駛車輛發現鄰近車道的平均車速維持於定值，且其車間距大於該車駕駛 可接受之跟車車間距，則可依需要而變換車道若該車輛進而發現行使車道雨鄰近 車道間之車速存在有落差，該車可於變換車道後，將車速調整至鄰近車道的平均 車速，調整所需時間亦應納入其車間距決定法則中加以考量。 2.二元型態模式 將道路車道分割成一格格的單位，每單位中若有車輛存在，定義其值為 1， 反之則為0；藉由每段時間車輛之推進情形，可研究車輛變換模式。此方法中單 元大小將影響描述交通型態的精確度，故單元越小越能表達車輛推進情形。 3.虛擬車法 考量車輛是否在可變換車道內，比較兩車道車速與車輛數，以決定是否需要 變換車道。其次考量使否有足夠之間距供變換車道之用。當 A 車想要變換車道， 即在一秒後將車輛推進至鄰近車道，而原車道則保留一個與原車相同特性之虛擬

車 A’。因此在車道變換過程中，兩相鄰車道之跟隨車接受 A 及 A’ 的影響。直到 變換車道行為完成後再將虛擬車刪除。 4.實體車變換車道法 變換車道的決策準則與虛擬車法相同，其次判斷變換車道是否會成功。先找 出欲變換之車輛 A 的同車道與鄰近車道之前車 B、B’，計算 A 與 B、B’於 X 軸推 進最遠的車輛偏向角θ θ、_{1 2}，而θ θ、_{1 2}之值均需小於 A 車最大偏向角。若 A 車在 位於選擇變換車道區內，則該車為了使其推進距離最遠，故選擇θ θ、_{1 2}中較大者 為該車之變換車道偏向角；若 A 車位於強制變換車道區內，則該車為能盡快進 入期望車道，故選擇該車最大偏向角為其變換車道偏向角。 2.2.2 AHS 變換車道

Cem Hatipoglu, Ümit Özgüne, Keith A. Redmill（2003）研究的主要重點是自 動控制變換車道的背景控制理論。對於系統性控制器的發展提供分析方法，將使 得在自動公路系統中行駛的自動車輛完成更合適的變換車道。 該研究的目的是在變換車道過渡時期，藉著自動偵測系統獲得間續可利用的 有效預期的資料。藉由虛擬偏移參考的產生與並利用健全的變換控制器產生操縱 命令，自動車輛追蹤參考，完成變換車道。以此種方式，敞開迴路變換車道被轉 換成虛擬參考軌道追蹤問題。這個方法考量在過去時間裡操作的縱向速度的最適 性。雖然分析是假設道路為直線，然而對任一道路分段演算的歸納是相當正確 的。該篇研究將焦點放在側向控制的議題上，特別是自動變換車道策略。作者提 出自動車同時需要表現在兩方面的作業上，一為調整車輛速率保持前後安全距 離，一為駕駛如操控車輛側向運動。 實驗在加州聖地牙哥北方 I-15 高承載專用車道（HOV）做試驗。第一組試 驗數據對應在20m/s 左側車道變換。跟車系統使用雷達感應器之外，也使用視覺 感應器作為備用。第二組試驗在25m/s 右側車道變換，對應車輛從一端到另一端 完成兩個車道變換工作，這些計畫指出在跟車、變換車道、平順變換完成期間是

有效的。

Wonshik Chee, Masayoshi Tomizuka（1994）提出變換車道方法是屬於自動公 路中側向控制的一部分，假設無法直接測量出由本車道變換至另一車道時，則車 輛僅能利用車上的虛擬期望軌跡（Virtual Desired Trajectory, VDT）的感應器做出 變換車道的決策，LQ、FSLQ 與滑行模式（Sliding mode）控制演算法目前已被 設計出，透過模擬上述的模式可知，結果是令人滿意的。 最佳的變換車道軌跡，可由駕駛人的駕駛舒適度、變換車道時間及移動的軌 跡中來考慮，而過去學者提出有關變換車道的理論綜合整理如下： （1）Godthelp（1983）提出藉由調查駕駛的形式，發現駕駛員在變換車道時的 角度是呈現正弦函數。 （2）Modjtahezadeh（1989）提出一個新的有關駕駛人變換車道的控制模式。 （3）Kanayama、Hartman（1989）提出曲率軌跡模式。 （4）Nelson（1989）提出五階多項式軌跡模式。 而在此研究中是利用一個梯形加速度為輪廓，進而提出梯形加速度軌跡模 式，作者將此稱為虛擬期望軌跡（VDT），之後將此模式利用在 LQ、FSLQ 與 Sliding mode 上進行模擬，得到的結果為，在每小時 70 公里時速下，駕駛舒適 度（ride comfort）限制在 3 秒鐘，在以 VDT 為基準下，所測得的變換車道時間 為5.92 秒，且上述三種模式所得的結果極為相似。

Lingxi Li & Fei-Yue Wang（2002）是以交通密度分佈、以安全控制為考量之 方法及以人類變換車道的思考模式基準來作為變換車道的依據，並僅考慮與前鄰 近車道的距離為基本假設，最後並應用此法套用在模擬軟體來驗證北京的車公莊 路上，該模式得到的應證是可以獲得較高的交通流量與減少總旅行時間。 此研究首先對自動公路系統中變換車道的模式做些許假設，例如：所有車輛 的大小與長度皆相同、車道前方無任何車時可以加速到本車所期望速率、駕駛對 於現行之行車速率滿意時則不會進行變換車道之動作、變換車道之車輛是以左邊 車道進行超車、慢速車儘可能的在右邊車道行駛…等。

該篇提出自動變換車道模式的步驟如下：首先，由感應環型天線或其他測量 設備得到每ㄧ車道的交通密度，比較每一車道的密度值及計算所有車道在時間區 間t 的平均密度，然後選擇密度最大的車道，接下來計算所有車輛變換至密度最 大的車道的機率值 P=Td x（ρc-ρa），Td代表駕駛者之駕駛行為（0≦Td≦1） ρc代表目前車道之密度 ρ_a代表鄰近車道之密度 比較所有車輛的機率值，有最大機率值的車輛最先變換車道，之後，次大機 率值的車輛接著變換車道，直到該車輛之機率值接近平均密度或該車道僅剩下非 常小心謹慎的駕駛者。最後直到所有的車道在時間區間t 中估算的密度皆相同。 Datta N. Godbole, Raja Sengupta, Veit Hagenmeyer（1998）以分散式混合控制 設計自動公路系統變換車道模式，以達到能符合安全及效率之要求。在安全性之 設計，使用賽局理論-零和賽局之數學模式決策方式，使自動公路系統之車隊在 前車及鄰側車輛間，決定安全變換車道之時機與狀況。在效率上之設計，分為一 般情形及緊急狀況，一般情形為設計舒適的安全變換車道條件，緊急狀況則以最 短距離為設計重點。該方法以混合控制器處理連續行為之模式轉換。

Junji Kaneko, Akihide Shimamura（1998）將變換車道的設計為配置策略，分 為縱向運行模式與橫向運行模式，以保障與同車道的前車保持安全距離且能有足 夠的空間轉進欲轉入的鄰車道，最後並以該策略模式在雙車道中進行模擬且得到 不錯效果。

Alexander Kanaris（2001）考慮不同的自動公路系統操作觀念，分析安全的 變換與併入車道問題，說明每一個操作概念的車輛減速曲線並且計算對應的變換 車道最小安全間距（Minimum safety spacing for lane changing, MSSLC）。依 AHS 的系統形式討論以下的變換（併入）車道問題：

1.手動駕駛車輛變換車道：變換車道車輛能以偵測器偵測其他車輛，並由車外系 統設施提供行車與道路狀況資訊。變換至目標車道後，該車道前車緊急煞車，

對後車的影響，並探討變換車道最小安全間距(MSSLC)。 2.自動控制車輛變換車道：自動控制車輛除了能偵測其他車輛外，並能接收來自 其他車輛及道路設施的資訊及訊號，或能由車外設施控制車輛。討論自動車輛 變換車道之目標車道前車緊急煞車，對後車的影響，並探討變換車道最小安全 間距。 3.自動串聯車隊：藉由自動控制系統控制自動車輛串聯行駛，並分車隊有無自動 控制連鎖煞車，討論當鄰近車道自動車輛併入車隊時，車隊前車緊急煞車對後 車之影響及分析變換車道最小安全間距。

J.B. Sheu（2005）提出「Microscopic Control Logic for Incident-Responsive Automatic Vehicle Control in Single-Automated-Lane Highway Systems」，針對自動 公路系統在發現自動控制車道下游發生事故時，從事故上游的車隊串聯、拆解、 變換車道、自動控制車輛與人為操縱車輛之混合跟車模式，乃至於事故下游的車 隊再重組前進，提出全面性的控制邏輯。其中，變換車道所考慮的因素可分為「變 換車道前的決策（Pre-action decision-making）」及「變換車道中的運作（In-action lane-changing operation）」兩個階段。 在「變換車道前的決策」階段，主要針對自動控制車輛與目標鄰近車道的車 流狀況來決定是否進入變換車道的階段，潛在的動態車間距的變化是主要影響變 換車道的決策因素，主要需滿足三種條件： 1.變換後的車間距＞變換前的車間距 自動控制車輛與鄰近車道之後車的距離 ⎭ ⎬ ⎫ ⎩ ⎨ ⎧ _{× Θ} ⎥⎦ ⎤ ⎢⎣ ⎡ _{× + × ×} − − ⎥⎦ ⎤ ⎢⎣ ⎡ _{− × − × ×} = − = + + + mc mc mc i mc t i t i mc t j mc t j t j T t i T t j T t i j T A T u X T d T v X 　　　 X X x n n n mc mc n mc n cos 2 1 2 1 2 2 , σ σ σ σ σ

自動控制車輛與鄰近車道之前車的距離 ⎭ ⎬ ⎫ ⎩ ⎨ ⎧ ⎥⎦ ⎤ ⎢⎣ ⎡ _{× + × ×} − − ⎭ ⎬ ⎫ ⎩ ⎨ ⎧ Θ × ⎥⎦ ⎤ ⎢⎣ ⎡ _{× + × ×} − = − = − − − − − + + + 2 2 , 1 1 1 1 1 2 1 cos 2 1 mc t j mc t j t j mc mc mc i mc t i t i T t j T t i T t j i T D T v X T A T u X 　　　 X X x n n n mc n mc mc n σ σ σ σ σ 2.變換後 AC 車輛與鄰近車道前車的距離必須大於 AC 車輛移動的距離 τ µ ϕ _σ σ σ σ ⎥⎦> + + × ⎤ ⎢⎣ ⎡ _{− × − × ×} − ⎭ ⎬ ⎫ ⎩ ⎨ ⎧ _{× Θ} ⎥⎦ ⎤ ⎢⎣ ⎡ _{× + × ×} − + − − − mc n n n T t i mc t j mc t j t j mc mc t i mc t i t i u T A T X v T D T L X (1 ) 2 1 cos 2 1 2 2 1 1 1 3.變換後 AC 車輛與鄰近車道後車的距離必須大於後車所觀察的距離

(

)

cos (1 ) 0 2 1 2 1 2 _{− + >} ⎭ ⎬ ⎫ ⎩ ⎨ ⎧ _{× Θ} ⎥⎦ ⎤ ⎢⎣ ⎡ _{× + × ×} − − ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ _{× +} × × − + × −v T d T T X u T A T L Xt_jn t_jn mc τ t_jn mc mc τ _it_{σ i}t_σ mc _imc_{σ mc} mc ϕ 在「變換車道中的運作」階段，主要決定的是下令變換車道後，和 AC 車輛 相關的控制變數。和先前決策階段不同的，無論下令變換車道的決策是否被同 意，這個階段的控制變數可以幫助 AC 車輛在鄰近車道不同的交通狀況下，能夠 安全且圓滑地匯入鄰近車道車流。所以作者提出兩個控制變數：（1）隨時間變化 的變換車道之轉向角；（2）速度調整率。 1.轉向角 ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ − − + = − − L X X X W t i t i w s t i 1 1 tan ~ σ σ σ θ 2.速度調整率 , , cos cos max cos , , cos cos min 1 1 1 ⎪ ⎪ ⎩ ⎪ ⎪ ⎨ ⎧ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ × × − × ≥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ × × − = − − − otherwise D T v v if A T v t i t i mc t i t i t j t i t i t j t i t i mc t i t i t j t i n n n σ σ σ σ σ σ σ σ σ σ σ θ θ µ θ µ θ θ µ α 由於本研究係以該篇研究作為理論基礎做更深入的探討自動車輛行為，故以 上模式的詳細內容及模式發展，將於第三章做更詳盡的說明。

2.3 跟車行為

本節接著介紹一些國內外有關跟車理論的文獻，依序為歷年來跟車理論、自 動車輛相關文獻及乘客舒適度指標做回顧。 2.3.1 人為跟車理論 跟車(car-following)是指後車在非自由的車流狀態下，必須經常調整其行車 速度以便與前車保持一安全距離，其間的加減速度行為。跟車理論的主要內容是 藉跟車行為發生時，後車與前車間的速度、距離等的互動關係，藉以找出駕駛者 在跟車時具有的共同反應，並將這些變數以方程式來加以描述。接下來將以時間 順序列出重要跟車模式，並且將可參考之模式詳細列出。 Pipes(1953)首先以安全距離的觀念來表示後車的車速與間離間的關係，假設 每一位駕駛者與前行車輛維持的空間與己車的速度成比例且加上一段距離。 Pipes 理論的缺點為在低速與高速情況下會出現低估的現象，這與實際不符。 Forbes 在跟車模式行為中加入反應時間(Reaction Time)，使後車用以判斷是 否該減速煞車，其認為前車之後緣與後車之前緣間的時間間隙(Time Gap)至少應 大於或等於反應時間，所以，最小的時間間距(Time Headway)的數學關係式等於 反應時間加上前車車長距離之行駛時間。

在1950 年末期至 1960 年初期之間，美國通用汽車研究群(GM group)之中的 Chandler, Herman and Montroll (1958)三人，在通用汽車位於底特律的實驗室，使 用現場照相調查並統計的方式，加入(m, l)矩陣建立刺激-反應方程式。隨後又有 經過許多人的修改，如Herman，Potts (1959)、Helly (1959)、Gazis et al.(1961)、 May and Keller (1967)，他們在變數幾乎仍都維持原本不變之下，不斷的校估模 式的參數，以求最佳化。這個模式又有人稱之為GHR 模式。

和GM 模式發展的時間上同為五零年代末期，CA 模式之創始人為日本人， Kometani and Sasaki(1959)，輸出的值則是和 Pipes 及 Forbes 理論相同為跟車的安

全距離，不同的是，CA 模式多考慮了前車的速度變化，速度變數也為非線性為 二次方之變數。 國內針對跟車間距相關之文獻如表2-1。 表2-1 跟車間距相關研究 作者 跟車間距模式 張家祝 MFG=0.75438×Vt+6.4 MFG：最小跟車間距(公尺) Vt ：後車速度(公尺/秒) 藍武王、王日 昌、江勁毅 DISTbest=1.36×speedn+1+20/3 DISTbest：最佳距離(公尺) speedn+1：後車速度(公尺/秒) [註]以模糊控制求得之最佳跟車距離 2.3.2 自動車輛偵測系統

Hirofumi Ohtsuka & Ljubo Vlacic（2002）對現行的自動駕駛系統提出加以改 善的研究，如圖2-3 所示，目的在於讓在市區行駛的汽車，也能在很短距離內判 斷是否應該加速或是減速，抑或是煞車，因而發展的自動駕駛系統，而這套系統 在內文中是適用在市區多車輛的情形之下；和本研究想了解的發生意外事故時車 輛混合跟車，有相當大的關係，原因在於，在未通過事故前，車流速度也是相對 緩慢，可以比照市區情況做參考。在圖 2-3 中，「加速度／速度／距離控制器」 的判斷公式如下： 1.加（減）速度判斷公式：

( )

t

[

T

( )

t T

( )

t M hF

( )

t F

( )

t

]

v dt d g a rr b a − − − − = β 1 其中，Fa(t)為受到的風阻 Fg(t)為道路坡度的重力 M 為車重

2.煞車系統判斷公式：

( )

( )

( )

t RAP

( )

t T L t u K t aP t P dt d b b b b µ = − + − = ⎜_⎝⎛ ⎟_⎠⎞ 自動駕駛器 引擎/傳送 系統 煞車系統 縱向動態控制模式 資料收集感應器 加速度/速度/距離 控制器 煞車指令 汽門控制 相對速度 速度 距離 跟車加速度

)))))))

圖2-3 跟車反應系統 此文獻的優點在於： （1）明確表示車輛上控制車輛加速、減速的裝置、設備。 （2）適用於經常性加速／減速皆可使用。 缺點在於： （1）並無明確表示偵測前方資料的範圍上限。 （2）雖有判斷法則，但沒將前方車輛種類（自動、人為）列入考慮。 （3）只適用於縱向判斷，對於變換車道並無考慮。

2.3.3 混合車流決策樹

Su-Nan Huang，Steven C.Chan，Wei Ren(1998)藉由和前方車輛的相對速 度和相對距離，利用決策樹（圖2-4）找出十種判斷情境，十種判斷情境適用於 三種判斷公式。公式如下： Law1：前方車輛距離尚遠，本車維持理想速率即可

( )

k =λ2∆v

(

k−τ,α

)

a opt Law2：前方有車且車間距太短，需維持安全距離。

( ) ( ) ( )

∆ − + ∆ ⎜_⎝⎛ − ⎟_⎠⎞ − = τ τ α τ λ , 1 k s K k v k s k a opt Law3：前方有車且車速較本車快，可提高速度。

( ) ( ) ( )

τ τ λ _{∆ −} − = v k k s k a 1 利用決策樹來表示，在何種情況下，要使用哪種模式。模式主要根據GM 線 性模式修改而成，加入反應時間的考量。 理想速率是否大於前車速率? 前方是否有車? 車間距是否小於臨界值? 車間距是否太短? 相對速度是否小於臨界值? LAW1 LAW1 LAW2 LAW2 LAW3 LAW1 YES YES YES YES YES NO NO NO NO NO 圖2-4 判斷決策樹

2.3.4 自動車輛跟車行為模式 根據J.B. Sheu(2005)的自動車跟車加速度模式，簡述如下： 2 2 1 1 α α ασ = × + × k k k i W W 其中 α1為前車的瞬間加速度，α2是前方車隊的瞬間加速度，W1、W2是動態比重， 分配各應該給多少值，分別如下：

( )

( )

(

k

)

i j k j k j k j n n n n X X X X k e e e W σ → − − + − − − + = 1 1 1

(

)

( )

(

k

)

i j k j k j k i j k j n n n n n X X X X X k e e e W σ σ → → − − − − + − − + − + = 1 1 1 1 2 其中 k i X_σ代表在第k個偵測時間點，i 車輛車頭到事故發生點的距離；同理，_σ k jn X −1代表 jn−1車輛車頭到事故發生點的距離。以此類推 k jn X 。 k i jn X →_σ代表在第k個 偵測時間點， j 車輛車頭到_n i 車輛車頭的距離。_σ （圖2-5） k i jn X →σ k jn X −1 mc t i X σ 1 − n j AC 圖2-5 相對距離示意圖 k W1 、 k W2 表示自動控制車輛i 跟隨σ j 、n jn−1兩車的加速度變化，會依照 j 、n 1 − n j 距離事故的遠近改變i 車輛跟車加速度的動態比重，採用羅吉特模式，又_σ 1 2 1 + = k k W W ，亦即當 j 距離_n i 比較近，_σ k W₁ 比較大， k W₂ 相對比較小。又因為前 車離本車i 距離_σ Xkjn→iσ必小於前前車和本車距離，因此 k W2 必小於 k W1 ，代表前車 對本車的加速度調整影響較大。

2.3.5 乘車舒適度指標 乘客舒適度指標根據張季倫(2002)，行車舒適乃指因不當駕駛行為導致行車 舒適度降低，主要評估指標分兩大類，分別為前後俯仰指標及車速穩定指標： 前後俯仰指標：(1) 指標定義：因急加速或急煞車導致乘客因慣性作用而產生之 俯仰程度。(2) 指標內容：da(t)/dt (衝度)。(3) 指標功能：前後俯仰指標是造成 乘車不舒適的主因，因此偵測車輛行駛時加速度之程度大小，為指標的主要功 能，為了衡量駕駛加減速行為之程度，以加速度對時間的微分量做為判定依據， 除了可以偵測駕駛是否有踩油門或煞車之行為外，將該變化量與正常範圍之門檻 值比較，則可判定駕駛是否有急加速或急減速之行為產生。(4) 指標原理：通常 造成乘客前後俯仰的原因是駕駛發生急加減速行為時，當此種駕駛行為發生時， 車輛會因慣性作用而產生突向前傾或後頓之現象，在車內的人也會隨車體前後搖 擺。因此以加速度對時間的微分量做為指標，觀察單位時間內加速度之變化量， 可有效偵測駕駛是否有急踩油門或煞車之行為導致車體突向前傾或後頓，造成乘 客前後俯仰而感到不適或受傷。(5) 調查結果：如表 2-2。 表2-2 衝度異常門檻值表 衝度感受 小 中 大 衝度範圍(m/s3) +-(1.16~1.62) +-(1.62~2.06) >+-2.06 車速穩定指標：(1) 指標定義：車輛行駛速差過大。(2) 指標內容：某時間區間 內，加速率標準差與平均速率之比值(速率坡度)。(3) 指標原理：速率坡度指標 (velocity gradient)是由於加速度離異指標(acceleration noise) 演變而來的，加速率 離異指標的定義是某特定時間內，加速度的標準差大小，標準差越大，表示駕駛 人的速率越不穩定。

2.4 文獻評析

關於自動公路系統、AHS 變換車道、AHS 跟車行為的相關研究，已經有許 多成果展現，透過這些文獻之回顧，對於各方面之知識皆能吸收到清楚的概念。 而 文 獻 回 顧 中 以 J.B. Sheu(2005) 所 提 出「Microscopic Control Logic for Incident-Responsive Automatic Vehicle Control in Single-Automated-Lane Highway Systems」及張季倫(2002)所提出乘客舒適度之概念對本研究影響較為深遠。將以 J.B. Sheu(2005)所構建之模式為基礎，引入乘客舒適度之觀念建構出新模式。並 期望在自動控制和人為操縱兩種車輛同時存在時，藉由這些文獻的回顧、模式的 構建以及程式的撰寫，發展出一套模擬器，來模擬事故發生後，較全面性的自動 控制車輛與人為操縱車輛構成之混合車流情境，並做進一步的分析與探討。

第三章 自動車輛行為模式構建

本章將會詳細介紹先前由 J.B.Sheu(2005)所提之理論。首先對整個系統範圍 界定並提出基本假設；其次說明由事故產生地點所界定出來之事故影響區，定義 出三個距離事故點的縱向動態門檻值—強制煞車區、跟車緩衝區、車隊拆解區， 然後敘述自動控制車輛在這三個臨界值所定義出來的區域內的駕駛行為，並建立 起在區域內的車流行為及變換車道的判斷機制，再探討變換車道後的自動車輛在 混合車流中的跟車行為及其模式構建。模擬流程概念圖如圖3-1。 圖3-1 模擬流程概念圖 事故發生 (if else 條件發生) 通過事故點 回到自動車道 (if else 條件結束) 強制煞車區 跟車緩衝區 車隊拆解區 順利變換車道 進入鄰近車道 煞停、停等 順利變換車道 混合車流跟車行為 是 是 否 否

3.1 系統定義

3.1.1 事故影響區 為了界定事故引起之車道阻塞，我們選定高速公路主線的一段路段，路段 上設定一個事故地點，來觀察自動控制車輛在車道內及車道間的交通情形。 當事故產生後的影響，分為「車道內交通行為」與「車道間交通行為」兩部 分，對於特定的自動控制車隊(Automated-control platoon)進入事故影響區後，將 面 臨 三 種 情 境 ：(1) 車 隊 的 前 進 與 拆 解 (Platoon-approaching) ； (2) 變 換 車 道 (Lane-changing)；(3)車隊重組(Platoon-reforming) ；如圖 3-1 所示，第一個情境 是車隊會調整前進的速率來回應可能會有的事故衝擊，並且在其間分解成獨立的 自動控制車輛。第二個情境則是啟動自動變換車道機制以通過事故地點，若鄰近 車道車流狀況不允許變換車道，則可煞車停在事故上游的自動控制車道內。第三 個情境則是通過事故地點後，在事故下游重新變換回自動控制車道，並且重組車 隊，並繼續在高速公路上的前進。 圖3-1 中，內側車道為自動控制車道，在自動控制車道內行駛的為自動控制 車輛(黃色)，鄰近車道中行駛的為人為駕駛車輛(白色)。AC 車道內灰色圖塊為事 故地點，箭頭方向為車輛前進方向。

圖3-2 事故上下游之影響區示意圖 資料來源：Sheu(2005) 3.1.2 基本假設 為了使本研究得以合理、清晰明瞭、簡單化，因此必須對於系統設定一些基 本假設，並且將研究的系統作更清楚之說明。基本假設如下： 1.假設自動公路系統所需要的通訊、控制的技術水準皆足以能因應系統所需求， 並達技術成熟的階段。 2.自動控制車道安排置於高速公路之最內側車道；以小客車自動車輛為主要研究 對象。 3.自動控制車道僅有自動控制車輛行駛，一般車輛不得進入及行駛於自動控制車 道。若事故並非出現於自動控制車道上，則對於自動公路系統而言判斷並無事 故產生。 4.假設發生之事故僅在自動控制車道上，而不會遍及鄰近車道，或橫跨自動控制 車道及其鄰近車道。 5.系統對於自動車道發生事故所需之偵測時間不予考慮。

6.與自動控制車輛相關之參數，均不考慮人為因素(如：擔心害怕)。 7.不考慮天氣因素，因此雷達偵測干擾不予考慮、路面乾濕度採用良好之狀況； 輪胎之胎面狀況也採用良好之狀況。

3.2 門檻值之界定

自動控制車輛在事故未發生前，每輛車輛皆以高車速、小車間距的方式串 聯，組成車隊形式來前進。為了控制自動控制車隊接近事故地點，定義出三個動 態區域，當AC 車輛行駛在這三個區域中，便分別決定了其車流行為：(1)車隊拆 解區(Platoon decomposing zone)； (2)事故造成之 AC 車輛跟車行為(incident- induced AC car-following zone)； (3)強制煞車(mandatory braking zone)。而這三個 動態區域由三個門檻值所界定出來，分別為X_bσ、Xσ_f 、X_dσ，表示由事故地點起 算到路段上游之實際縱向距離(如圖 3-2 所示)，其中σ 代表給定的目標 AC 車隊 σ；下標 b 表示強制煞車(mandatory braking)；下標 f 表示跟車行為(car following)； 下標d 表示為車隊拆解(platoon decomposing)。 門檻值Xb σ_{是對於所有AC 車輛如果無法在跟車區中尋求變換車道成功時，} 能夠從目標車隊σ 中拆解出來，並安全地停止在事故地點上游之最小的安全距離 要求，其中最小安全距離是車輛以最大減速度來減速所需之行駛距離。若AC 車 輛尚未進入此區域，則保持定速行駛，等待變換車道機會；若進入此區域則必須 強制煞車。 門檻值Xf σ_{是讓拆解後的AC 車輛在阻塞車道中調整車與車間的距離調整所} 需的距離，因此由X_bσ與Xf σ_{所構成的區域，稱為緩衝區(Buffer zone)，也是事故} 造成之跟車區。當AC 車輛進入緩衝區後，可能會執行兩種情境：(1)調整車速及 安全距離，尋求成功變換車道；(2)若無法變換車道，便在事故阻塞車道中進行 跟車行為。

門檻值X_dσ是當高速的目標車隊σ 以高速接近事故地點，然而進入此門檻距 離之後車隊開始拆解成單一的AC 車輛，並且採取減速來獲得車與車之間距可以 擴大，在車隊拆解之後，AC 控制策略由集中化(centralization)轉變成非集中化 (decentralization)，藉由個別 AC 車輛採取不同的交通策略來接近事故地點。 圖3-3 自動控制車隊前進之三個動態門檻 資料來源：Sheu(2005) 3.2.1 強制煞車區之計算 Xb σ_{是對於所有AC 車輛如果無法在跟車區中尋求變換車道成功時，能夠從} 目標車隊σ 中拆解，並安全的停止在事故地點上游之最小的安全距離要求。在計 算X_bσ時首先考慮車隊σ 在時間

t

_b 時進入強制煞車區之車輛皆以速率 tb σ µ 前進， 車輛數_ntb σ 。然而我們也要考慮目標車隊

σ

前面的車隊σ−1所累積的停等車輛數 1 b t n_σ−(如圖 3-3 所示)，故我們可以計算出所需要的最小安全距離X_bσ為 2 2 2 1 2 1 1 ( ) ( ) ( ) [ ] [ ] [ ] 2 2 2 t b b b b b b b b t t t n t b s t t s t s i i i v v v X X X n X d d d σ σ σ σ σ σ σ σ σ − = − =

∑

− + + − + × (1)

將(1)式整理之後得到如下： 1 2 2 1 1 2 ( ) ( ) [ ] [ ] [ ] 2 2 tb tb b b b b b t t n n t b s t t s i i i i v v X X n X d d σ σ σ σ σ σ σ σ σ σ − − = = =

∑

− +

∑

+ × (2) 式中， X_s：預設的任何兩輛AC車輛車頭到車頭之最小車間距(m) tb i d_σ 和 tb ₁ i d_σ− ：分別表示目標AC車輛與其前面車輛之減速度(m/s2) tb σ µ ：目標車隊中AC車輛的前進速率(m/s) _ntb σ與 b1 t n_σ− ：車隊

σ

的車輛數及車隊σ−1所停等之車輛數 圖3-4 AC車輛強制煞車之動態安全距離 資料來源：Sheu(2005) (1)式的第一個部分是將車隊

σ

裡第二輛車到第_ntb σ 車在煞車後與前車的車 間距總和；第二個部分是車隊

σ

裡第一輛車煞車所行走之距離；第三個部分是 前方車隊所停等的車隊長度，有_ntb₁ σ− 個靜態預設車間距。 值得一提的是(2)式也可以用在車輛間的間距調整，也就是說相等車間距及 不等車間距的情形。在不等車間距的情形下，AC車輛應該會以不同的減速度接 近強制煞車區，以維持兩兩AC車輛在完全煞停之後的靜態安全車間距，因此(2)

式可以直接描述X_bσ；在相等車間距的情形下，所有AC 車輛會以同樣的減速度 b t i d σ 接近，因此，(2)式可以改寫成比較簡單的形式： 2 1 ( ) 2 b b b b t t t b s t s X n X n X d σ σ σ σ σ µ − = − + (3) 3.2.2 跟車緩衝區之計算 f Xσ是讓拆解後的AC 車輛在阻塞車道中調整車間距調整所需的行駛距離之 緩衝區，並且調整車速及安全距離，尋求成功變換車道得在阻塞車道中進行跟車 行為。拆解後的AC車輛在時間

t

_f 時，以初始的目標車隊速率 tb σ µ 、定值的初始 車間距 tf x_σ 進入緩衝區，進入緩衝區之後會有兩種情境發生：一、在跟車的過程 中，任何兩兩AC車輛之車間距將因安全考慮而逐漸拉大，會由後面的車開始減 速，逐漸擴大到所有AC車輛可以保持一致的速率及擴大車間距；二、為了成功 的通過事故地點，在鄰近車道的交通狀況允許之下，有些在阻塞車道上行駛的 AC車輛會執行變換車道策略。在這個同時變換車道的車輛為了讓目標AC車輛 與鄰近車道車輛的車速一致，有可能執行加速或者減速。基於上述的情形，初始 的車間距 tf x_σ 可能會調整為

(

)

0 0 2 2 cos , if 2 , otherw ise 2 f f f m c t i m c m c t i j i t i _t t j i m c i A T v x v D σ σ σ σ σ σ θ µ µ ⎧ ⎡ × ⎤ × ≥ ⎪ ⎢ ⎥ ⎪ ⎢⎣ ⎥⎦ ⎪ = ⎨ − ⎪ ⎪ × ⎪⎩ (4) 式中， tf j

v

：表示在時間

t

_f 時鄰近車道j觀察到之平均車速(m/s) mc i A_σ ：目標AC車輛預設之最大加速度(m/s2) mc i D_σ ：目標AC車輛預設之最大減速度(m/s2)

T

_mc ：變換車道平均所需時間(sec) mc iσ

θ

：預設之轉向角度(rad) 值得注意的是之前的車間距控制邏輯，AC 車輛調整速率讓速率與鄰近車道 j 的平均車速相等，並且在跟車的過程尋求變換車道的可能性，這樣兩階段的控 制機制可以達到路段之車流的新均衡狀態。因此，我們可以算出門檻值Xσ_f 為 tf tf f b X σ = X σ + n_σ × x_σ (5) 同樣值得一提的是，如果在緩衝區有 AC 車輛完成變換車道，自動控制車道 上 AC 的車間距將變得更大，可以形成更安全的情形，所以Xf σ_{是符合最小的安} 全要求。除此之外，我們也建議在阻塞車道上的AC 車輛能夠維持同樣的速率 tb σ µ 和鄰近車道 j 之車輛平均速率相等，直到到達強制煞車區為止。 3.2.3 車隊拆解區之計算 Xd σ_{是當目標車隊以高速從事故遠端接近事故地點，一旦AC 車輛進入由} d Xσ 及Xσ_f 所形成之區域，便拆解成單一AC 車輛。在這裡考慮目標車隊有

_n

tb σ 輛車， 並且以速率 tb σ µ 、靜態車間距_xt0 σ 來移動。若AC 車輛還沒進入車隊拆解區，則拆 解的動作將不會進行，也就是整個目標車隊

σ

的所有AC 車輛在進入車隊拆解區 後進行拆解，並於其中穩定的移動時間

T

_d 秒，因此可得知

(

td 1

) (

t0

)

t0 d f d Xσ −Xσ = +L _⎣⎡ n_σ − × L+x_{σ ⎦}⎤+µ_σ ×T (6)

{

(

td 1

) (

t0

)

t0

}

d f d Xσ Xσ L ⎡ n_σ L x_σ µ_σ T ⎤ ⇒ = + +_⎣ − × + + × _⎦ (7) 式中，L：系統中車輛之平均車長(m) T_d：在拆解區所行駛之時間(sec)