因應事故發生自動控制車隊變換車道邏輯之構建—以單一自動車道為例

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(1)國立交通大學交通運輸研究所碩士論文. 因應事故發生自動控制車隊變換車道邏輯之構建 —以單一自動車道為例 Design of Incident-Responsive Lane-Changing Logic for AutomatedControl Platoons — in a Single-Automated-Lane Highway System. 研究生：許智詠指導教授：許鉅秉. 教授. 中華民國九十四年六月.

(2) 因應事故發生自動控制車隊變換車道邏輯之構建 —以單一自動車道為例 Design of Incident-Responsive Lane-Changing Logic for AutomatedControl Platoons — in a Single-Automated-Lane Highway System 研究生：許智詠. Student：Chih-Yung Hsu. 指導教授：許鉅秉. Advisor：Jiuh-Biing Sheu. 國立交通大學交通運輸研究所碩士論文. A Thesis Submitted to Institute of Traffic and Transportation College of Management National Chiao Tung University In Partial Fulfillment of the Requirements For the Degree of Master In Traffic and Transportation June 2005 Taipei, Taiwan, Republic of China. 中華民國九十四年六月. i.

(3) 因應事故發生自動控制車隊變換車道邏輯之構建 —以單一自動車道為例研究生：許智詠. 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的最終的目標。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，將對系統產生重大的衝擊。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，目的在於建立一個變換車道邏輯，使得自動控制車輛能尋找變換車道機會順利變換到鄰近車道，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，然而本研究著重在變換車道部分，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，並且以程式語言撰寫控制邏輯，做情境敏感度分析，找出成功地變換車道與鄰近車道之車流狀況、擁擠程度、車速等之關係。我們以變換車道所需時間來評估變換車道邏輯的績效。最後結果顯示在 AC 車輛為 5 輛、在鄰近車道車流量為 600vplph、以時速 70kph 的情境，將所花的平均變換車道時間繪製出關係圖，發現該情境呈現為圖形的一個鞍點。. 關鍵字：自動公路系統、事故、變換車道、智慧型運輸系統. ii.

(4) Design of Incident-Responsive Lane-Changing Logic for AutomatedControl Platoons — in a Single-Automated-Lane Highway System Student：Chih-Yung Hsu. Adviser：Dr. Jiuh-Biing Sheu. Institute of Traffic and 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 lane-changing 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. However this paper is focus on incident-induced lane-changing, and embeds control logic with the views of relative velocity and vehicular spacing to make lanechanging decision via avoiding longitudinal and lateral collisions. Then, we compose C programming language to do sensitivity analyses of many scenarios, and find the relationships between successful lane-changing and traffic flow, variable traffic condition, and vehicle speed. Finally, we calcute the average lane-changing time of AC vehicles to evaluate the lane-changing control logic.And the result shows that 5-vehicle platoon which approaches in 70kph, and the flow of the adjacent lane is 600vplph, is a saddle of all traffic conditions. Keyword：Automated Highway System, Lane-changing, Incident, ITS iii.

(5) 誌謝從硬梆梆的論文突然畫面切到極富人性與感性的一頁「誌謝」，百感交集實在不知道如何動手打字。不過論文可以完成，最重要是家人的支持，尤其是媽媽，當初跟她說我想去台北唸書，她也不太擔心兒子要去外地讀書，我從懂事之後想做什麼事，媽媽從來沒有反對過，對我很信任，家裡三個兒女都讀到國立大學跟研究所了，在此很謝謝媽媽的栽培，還有不擅言語的爸爸辛苦地工作，以及在台北一起讀書及生活的賤妹陪我鬥嘴，還有可愛的弟弟也會冷不防教導我怎麼口試怎麼回答問題跟 defence，突然不知道是誰在唸研究所。╮(﹀_﹀")╭ 由於自己不是交通背景，剛進北交時什麼都不懂，而我是個對自己缺少什麼就會缺少那方面的自信，總是小心的學習，在此謝謝指導老師許鉅秉老師，有教無類的帶領我們許家班同學進入交通界的領域，老師不只傳授課堂的知識，人生道理更讓我獲得許多，還有藍武王老師、馮正民老師、黃承傳老師、汪進財老師、徐淵靜老師、黃台生老師，以及曾修過課的張家祝老師、黃寬丞老師等教授們的風範，都讓我收穫良多。也感謝胡大瀛老師及張美香老師在口試時的指導及勉勵。論文的辛酸總是隨著結果的出現而變得不那麼明顯。由於從以前就不喜歡碰程式，不過出來跑總是要還的，結果論文還是得碰程式，也在這個階段碰到最大瓶頸，在此最感謝孟釗一直不厭其煩地幫我且讓我詢問，還有台大的黃世勛同學不斷跟我討論抓 bug。不過由於自己蠻懶的，又要求完美，所以矛盾的情況下造成論文進度的落後，不過有同學互相鼓勵與扶持，「智詠，還好吧？」、「加油啊！撐過去就好了」，讓我有一股動力要一起畢業！班上同學們是我在台北生活的精神糧食，新生座談第一個跟我講話的偉成、總是把同學說得跟神一般的謙虛許家班大師兄小章、一起作計畫跟論文難兄難弟的孟釗；還有籃球隊跟拯救胖子游泳隊 (孟釗、不姓蘇但要人家叫他蘇剛的三八兄弟明安、陽光男孩大聲公建仁、愛講冷笑話的阿揪、最樂觀有自信的猪－書豪) 每個禮拜游泳後的談心、八卦、吐槽、模仿老師跟同學也都令人捧腹大笑；還有帶領很多次班聚的時尚踢、像大姊姊關心人的嘉宜、髒話不離口但卻很好笑的冠名、日本通小龜，及其他沒提到的學號 9236501～9236529 的所有同學，大家玩樂也都呼朋引伴，最歡笑的班上同學也是我最大的收穫。還有從我確定上台北之後就不斷幫助我的高中同學兼研究所學長永祥，帶我台北走透透、給我生活上的幫助(暫住、打工、出遊)；還有懂很多的宗弘也經由跟你聊天獲得很多心得，還喝了你不少的茶。最後也謝謝孟慧在論文衝刺階段的互相鼓勵，包容我的脾氣，聽我埋怨及訴說作論文的辛苦，不斷的幫我建立信心去面對挑戰，以及陪我走到論文的最後，感謝你的支持與陪伴，你的陪伴讓心裡承受論文壓力減輕許多。謹獻給所有幫助過我的家人、老師及同學們！！千言萬語一個謝字，我會繼續努力奮鬥，朝向自己的目標前進 keep going。陳之藩的「謝天」說道：「要感謝的人太多了，還是謝天吧！」；我想，「論文要改的東西太多了，還是改天吧！」。智詠于交通大學交通運輸研究所民國九十四年六月 iv.

(6) 目錄中文摘要 ......................................................................................................................... I 英文摘要 ....................................................................................................................... II 誌謝 .............................................................................................................................. IV 目錄 ................................................................................................................................V 表目錄 .........................................................................................................................VII 圖目錄 ....................................................................................................................... VIII 符號說明 ...................................................................................................................... IX 第一章緒論 .................................................................................................................1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5. 研究背景與動機 ..............................................................................................1 研究目的 ..........................................................................................................2 研究範圍與限制 ..............................................................................................2 研究內容 ..........................................................................................................3 研究流程 ..........................................................................................................3. 第二章文獻回顧 .........................................................................................................5 2.1 自動公路系統 ..................................................................................................5 2.1.1 發展概況 ......................................................................................................5 2.1.2 AHS 的主要功能與分類 .............................................................................6 2.1.3 先進安全車輛 ..............................................................................................7 變換車道 ........................................................................................................11 2.2 AHS 變換車道相關文獻...............................................................................12 2.3 文獻評析 ........................................................................................................21 2.4 第三章自動公路系統變換車道模式之構建 ...........................................................22 3.1 系統基本假設 ................................................................................................22 系統定義 ........................................................................................................22 3.2 3.2.1 事故影響區 ................................................................................................22 3.2.2 車隊前進 ....................................................................................................23 事故上游車隊前進與事故影響區之構建....................................................25 3.3 3.3.1 強制煞車區之計算 ....................................................................................25 3.3.2 跟車緩衝區之計算 ....................................................................................26 3.3.3 車隊拆解區之計算 ....................................................................................27 3.3.4 變換車道流程 ............................................................................................27 v.

(7) 3.4 變換車道模式構建 ........................................................................................29 3.4.1 變換車道因素 ............................................................................................29 3.4.2 變換車道模式 ............................................................................................30 3.4.3 與自動車道前車之關係 ............................................................................34 3.4.4 加速度調整 ................................................................................................35 鄰近車道的混合車流 ....................................................................................35 3.5 3.5.1 人為反應時間 ............................................................................................35 3.5.2 人為心理因素 ............................................................................................36 強制煞車後的變換車道 ................................................................................37 3.6 第四章程式模擬系統之發展 ...................................................................................38 4.1 4.2 4.3. 程式撰寫 ........................................................................................................38 實驗設計 ........................................................................................................43 檔案輸出 ........................................................................................................47. 第五章模式應用與情境分析 ...................................................................................49 5.1 情境建立與評估準則建立............................................................................49 5.1.1 情境建立 ....................................................................................................49 5.1.2 評估準則建立 ............................................................................................50 車隊前進與鄰近車道 ....................................................................................50 5.2 情境分析 ........................................................................................................52 5.3 5.3.1 車隊規模與自動控制車輛 ........................................................................52 5.3.2 自動控制車輛變換車道所需時間............................................................54 5.3.3 自動控制車輛變換車道成功率................................................................55 參數調整 ........................................................................................................57 5.4 第六章結論與建議 ...................................................................................................58 6.1 6.2. 結論 ................................................................................................................58 建議 ................................................................................................................59. 參考文獻 .......................................................................................................................60 附錄 A TURBO C 程式碼 ........................................................................................62 附錄 B 模擬結果 .......................................................................................................78. vi.

(8) 表目錄表 2-1 表 4-1 表 4-2 表 4-3 表 4-4 表 4-5 表 4-6 表 5-1 表 5-2 表 5-3 表 5-4 表 5-5 表 B-1 表 B-2 表 B-3 表 B-4 表 B-5 表 B-6 表 B-7 表 B-8 表 B-9. 變換車道之情境分析.....................................................................................16 車輛尺寸資料表.............................................................................................44 車輛行駛速率與一般加減速度之資料表.....................................................44 乾路面、輪胎狀態好下最大加速度及最大減速度資料表.........................44 單位時間內的檔案輸出狀態之一.................................................................47 單位時間內的檔案輸出狀態之二.................................................................48 單位時間內的檔案輸出狀態之三.................................................................48 自動車隊模擬之二十七種情境.....................................................................49 情境十四之三個門檻值及相關資料表.........................................................52 車隊規模與進入事故區到變換車道所需時間表.........................................53 車速與進入事故區到變換車道所需平均時間表.........................................54 鄰近車道流量對於變換車道成功比例關係表.............................................56 情境 1~3 模擬結果 ........................................................................................78 情境 4~6 模擬結果 ........................................................................................79 情境 7~9 模擬結果 ........................................................................................80 情境 10~12 模擬結果 ....................................................................................81 情境 13~15 模擬結果 ....................................................................................82 情境 16~18 模擬結果 ....................................................................................83 情境 19~21 模擬結果 ....................................................................................84 情境 22~24 模擬結果 ....................................................................................85 情境 25~27 模擬結果 ....................................................................................86. vii.

(9) 圖目錄圖 1-1 圖 2-1 圖 2-2 圖 2-3 圖 2-4 圖 3-1 圖 3-2 圖 3-3 圖 3-4 圖 3-5 圖 3-6 圖 4-1 圖 4-2 圖 4-3 圖 4-4 圖 4-5 圖 5-1 圖 5-2 圖 5-3 圖 5-4 圖 5-5. 研究流程圖.......................................................................................................4 先進安全車輛裝置示意圖...............................................................................8 ACC(Adaptive Curies Control System)示意圖................................................9 美國 ASV 全方位防撞系統示意圖...............................................................10 變換車道流程圖.............................................................................................18 事故上下游之影響區示意圖.........................................................................23 自動控制車隊前進之三個動態門檻.............................................................24 AC 車輛強制煞車之動態安全距離 ..............................................................25 變換車道流程圖.............................................................................................28 變換車道示意圖.............................................................................................29 變換車道之時間—距離概念圖.....................................................................30 主程式 main( )流程圖 ....................................................................................39 P_laneTransition( )函式流程圖......................................................................42 模擬高速公路路段幾何特性示意圖.............................................................43 平坦路段速率與流量關係及服務水準劃分之等級.....................................45 Greenshield's model 下之流量與密度對應圖 ...............................................46 情境十四之初始一分鐘座標時間圖.............................................................51 情境十四之初始一百秒座標時間圖.............................................................51 車隊規模與進入事故區到變換車道所需時間關係圖.................................53 車隊規模與進入事故區到變換車道所需時間之關係立體圖.....................54 鄰近車道車流量變化對變換車道時間影響圖.............................................55. viii.

(10) 符號說明. AC：自動控制車輛 MC：手動駕駛車輛 iσ 、 iσ −1：目標 AC 車輛與其前車 jn−1、 jn ：鄰近車道與目標 AC 車輛最接近之前後車. Xitσ ：目標 AC 車輛 iσ 車距離事故之位置(m) Xtjn−1 、 Xtjn ：目標 AC 車輛鄰近車道前後車位置(m) X bσ ：距離事故上游之強制煞車區位置(m) X σf ：距離事故上游之跟車緩衝區位置(m) X dσ ：距離事故上游之車隊拆解區位置(m) X s ：預設的任何兩輛 AC 車輛車頭到車頭之最小車間距(m). xitσ0 , jn−1 = X itσ0 − X tj0n−1 ：目標 AC 車輛與鄰近車道前車車間距(m) x tj0n ,iσ = X tj0n − X itσ0 ：目標 AC 車輛與鄰近車道後車車間距(m). xitσ0 ,iσ −1 = Xitσ0 − Xitσ0 −1 ：目標 AC 車輛與其自動車道前車之距離(m) aimc 、 dimc ：目標 AC 車輛之一般加速度及減速度( aimc >0, ditσ <0) (m/s2) σ σ σ b. mc. 2. 、 Dimc ：目標 AC 車輛之最大加速度及減速度( Aiσ >0, Ditσb <0) (m/s ) Aimc σ σ µσt ：目標 AC 車輛之前進速率(m/s) b. vtjn−1 、 vtjn ：目標 AC 車輛之鄰近前後車之車速(m/s). v tj −1, i = v tj −1 − µ itσ :自動控制車輛縱向速率與鄰近車道前車之相對速率(m/s) v it , j = µ itσ − v tj :自動控制車輛縱向速率與鄰近車道後車之相對速率(m/s) t. v j f ：表示在時間 t f 時鄰近車道 j 觀察到之平均車速(m/s) nσtb 、 nσtb−1 ：車隊 σ 的車輛數及車隊 σ −1所停等之車輛數 ix.

(11) Tmc ：變換車道平均所需時間(sec) Td ：在緩衝區所行駛之時間(sec). τ ：緩衝時間(sec) Tc ：系統計算時間(sec) L ：平均車長(m) W ：平均車寬(m). Y ：車道寬(m). ϕ ：預設之縱向安全係數 ε ：預設之側向安全係數 θiσmc ：變換車道之轉向角(radian, rad). θ%iσt ：變換車道之最小轉向角(radian, rad). x.

(12) 第一章緒論 1.1. 研究背景與動機近年來世界各國為解決交通擁擠及其伴隨而至的交通事故、能源消耗、環境. 污染與運輸安全等課題，為了增進旅客與貨物之流暢與經濟生產力，皆戮力發展智慧型運輸系統(Intelligent Transportation System, ITS)。以美國 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)、先進車輛控制及安全系統(AVCSS)、商用車輛營運系統(CVO)、先進公共運輸系統(APTS)、先進鄉區運輸系統(ARTS)及自動公路系統(AHS)共七個子系統。在這些 ITS 子系統中又以先進車輛控制及安全系統（Advanced Vehicle Control and Safety Systems，AVCSS）與自動公路系統（Automated Highway System, AHS）最令人矚目。此二個 ITS 子系統不但期望增加現有公路之容量與使用效率，提高車輛行駛的安全性，並期能提供用路人之舒適感與便利性。本研究的研究對象為自動公路系統，自動公路系統是以車輛完全自我控制，或利用路旁設施的輔助，使車輛得以自動駕駛。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，事故的產生將使車輛高速駛向事故地點，因應事故產生便以煞車停等以及變換車道來躲避事故產生之車道阻塞，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的課題。這個議題的重要性有三[8]：(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，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；(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階段，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。所以未來進入測試階段的自動公路系統，通常撥用高速公路的最內側的一個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，車流狀況是比較簡單；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. 1.

(13) 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，自動手動駕駛的混合車流反而變得較複雜。在這樣的事故衝擊下自動公路系統的車流狀況，至今仍缺少相關研究探討之。. 1.2. 研究目的基於上述之研究背景與動機，本研究之目的在於探討於單一自動車道之自動. 公路系統中，當事故發生時，事故上游之自動控制車隊即時應變事故反應進行拆解之步驟與過程，期能在自動公路系統的控制之下，即使面對不可預期之意外事故的發生，然可依照合理且有效的程序，以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），建立應變事故反應模式進行模擬與驗證，期望自動控制車道上之車輛順利變換到鄰近車道，才可以進行接下來的事故影響下之跟車行為，以通過事故地點。基於上述，本研究將研究目的設定為單一自動車道自動公路系統因應事故自動控制車隊變換車道的初探性研究。. 1.3. 研究範圍與限制為達自動公路系統控制機制之績效，研究上多以車隊(platoon)的方式進行控. 制[15]。若車隊以均質的車隊狀態下前進，當車隊前方發生事故時，車隊在進入事故影響區前，未抵達發生事故之鄰近路段的自動控制車隊，可能會產生兩種反應：(1) 最接近事故地點之自動控制車隊將採取煞車之動作，並停等於事故地點上游；(2) 當前方有自動控制車隊對事故產生反應時，後方之自動控制車隊將會拆解、減速，並依情況而變換車道。本研究主要針對當自動控制車道發生意外事故時，行駛於該車道上游至事故地點之自動控制車隊，對於事故所產生之即時反應狀態，並探討不同參數所組成之自動控制車隊將如何進行變換車道之動作，做最適化之決定，期能使事故對交通之衝擊降至最低。鑑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，足以因應事故的變換車道行為，所提出之微觀車輛控制邏輯。. 2.

(14) 1.4. 研究內容綜合上述各點，本研究之研究內容如下：. 1. 了解與確認問題及所需使用的研究方法與工具，並進行問題確認及研究範圍、研究對象、研究限制等界定，以進一步確定研究之方向。 2. 進行國內外自動公路系統變換車道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 (2004)[8]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控制邏輯，以此為理論基礎，構建反應事故之微觀(microscopic)角度切入探討即時反應事故之變換車道模式。 4. 將所構建之變換車道模式，界定出變換車道之決策變數，針對所構建之模式以及想要模擬的情境，撰寫模擬程式。 5. 進行模式與程式設計及分析。程式則以程式語言 Turbo 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，探討鄰近車道車流狀況、自動控制車隊規模大小、自動控制車隊初速對變換車道的影響程度及關係。 6. 總結整篇論文，整理研究心得，並提出此研究之具體結論及建議，給予後續研究人員之建議改進及延伸。. 1.5. 研究流程本研究之研究流程如圖 1-1 所示：. 3.

(15) 研究內容與範圍界定. 文獻回顧. AHS 車流理論. AHS 變換車道. 事故. 研究課題確認. 構建應變事故之變換車道模式. Turbo C 與模擬軟體之學習否合理是系統發展與程式撰寫. 敏感度分析. 結論與建議. 圖 1-1 研究流程圖 4.

(16) 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、變換車道、自動公路系統變換車道、事故，以及過去國內外學者所做自動公路系統變換車道相關之文獻，作整理及回顧，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，或利用路旁設施的設施，使車輛得以自動駕駛。其目的在藉由先進的通訊及自動控制等技術之應用，協助駕駛人行駛車輛，以降低駕駛人開車時精神及體力上的負擔，提昇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：第一、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。第二、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。第三、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)[2]，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 5.

(17) 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)、車頭距危險警告(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)[5]。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瞭解，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坐任何控制，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，一旦路徑選擇確定之後，車輛將引導車輛前進，並且最新的繞境選擇及資訊也將藉由先進交通管理系統(ATMS)來獲得。. 2.1.2. AHS 的主要功能與分類. 一、ASH 的主要功能：我們瞭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：藉由車上與路上的偵測設備，蒐集並提供駕駛人即時路況與車輛周遭環境的資訊，例如前方有故障車輛或有霧的資訊，增加駕駛人對行車環境的瞭解，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 6.

(18) 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，俾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)[11]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，這是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，並且可用來減少不希望發生事件(塞車等)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 的發展架構依車輛與道路基礎設施自動控制權的多寡，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)：除了車輛自我控制之外，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)道路設施管理模式(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、路三個部分，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問題。 7.

(19) 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，以提昇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作簡要介紹。 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，系統便會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，以確保車輛乘員生命之安全（如圖 2-2）。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於 26.5～300GHz 的一種雷達，由於頻譜介於微波與光之間，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。. 資料來源：財團法人車輛研究測試中心圖 2-1 先進安全車輛裝置示意圖. 8.

(20) 資料來源：財團法人車輛研究測試中心圖 2-2 ACC(Adaptive Curies Control System)示意圖. 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工作。 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作一最好之利用，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。因為於快速的行駛過程中，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：利用路邊之資訊設備，提供可資利用判斷之前方道路相關資訊，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之交通事故。. 9.

(21) 5、偏離車道警示系統車輛若能維持在該行駛的道路中行駛，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的情況，而駕駛者並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 2-3 中所示，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。. 資料來源：財團法人車輛研究測試中心圖 2-3 美國 ASV 全方位防撞系統示意圖. 10.

(22) 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作得到，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)[20]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。. 11.

(23) 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、 1 θ 2 ，而 θ、 1 θ 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、 1 θ 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。. 2.3. AHS 變換車道相關文獻 Cem Hatipoglu, Ümit Özgüne, Keith A.Redmill(2003)[4] 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期間，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率的最適性。雖然分析是假設道路是直線，然而對任一道路分段演算的歸納是相當明確的。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)作試驗。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動作，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)[14]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之決策，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： 12.

(24) (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 and Fei-Yue Wang (2002)[10]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作些許假設(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、慢速車盡可能的在右邊車道行駛)。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它測量設備得到每一車道的交通密度，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 ×（ ρc － ρ a ），Td 代表駕駛者之駕駛行為(0≦Td≦1) ρ c 代表目前車道的密度 ρ a 代表鄰近車道的密度. 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仔細的駕駛者或小心謹慎的駕駛者。最後直到所有的車道在時間區間 t 中估算的密度皆相同。. 13.

(25) Datta N. Godbole, Raja Sengupta, Veit Hagenmeyer (1998)[6]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(或突發)狀況，一般情形為設計舒適地安全變換車道條件，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[9]，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。. 一、縱向運行模式. && x = a − C ( x, x&, x−1 , x&−1 ) x&. (1). x(t)：本車的縱向位置. x−1(t) ：代表本車道之前車的縱向位置 a ：代表本車正常的加速度 x& ：本車之一階微分，即為速率. &x& ：本車之二階微分，即為加速度. C ( x, x& , x−1 , x&−1 ) x& 代表本車因為號誌控制或是與交通流量及交通整體間之互動. 而實際反應的動作，而 C ( x, x&, x−1 , x&−1 ) x& 中，主要變數是由下列各模式所組成。 1.停止模式（Stopping mode）：在遇到紅燈或礙障物時 Cstop ( x−1 , x) =. a. 1 2 ) ε x−1 − x. (2). (. ε ：代表正向常數(如： ε =0.03). 2.車輛跟車模式（Vehicle following mode） C follow ( x−1 , x&−1 , x, x& ) =. a Tx& + l 2 ( ) x&−1 x−1 − x. (3). 14.

(26) T ：代表本車車間距 l ：代表本車在停止時車頭距. 3.速度控制模式（Speed-control mode） Creg ( x−1 , x, x& ) =. a Tx& + l Nm ) (1 − Vd x−1 − x. (4). Vd ：代表本車速率 N m ：代表一常數，其範圍為 0.7≦ N m ≦1.0，其主要在於駕駛者的特性. 二、橫向運行模式橫向運行模式期望的軌跡設計是考慮到駕駛者的舒適及變換車道時間，在此研究中使用了五階多項式為該研究之車道變換的策略。 1.評估本車道前方的空間使用本車與前車距離的資料後，可得到安全的空間距離如下面不等式所示： x−1 − x >. v 2f 2α. + ( T x& + l ). (5). v f = x&−1 − x& ：代表本車與前車的相對速率 α ：代表本車正常減速度 v 2f 2α. + (Tx& + l ) ：代表本車減速至前方障礙物的安全距離. 2.偵測目標車道的安全空隙，其公式如下述兩式：. v fs = x& − s − x& 其為與目標車道的前車之安全距離. v bs = x& − x& s 其為與目標車道的後車之安全距離 X − s ：代表目標車道與前車的縱向空隙 X s ：代表目標車道與後車的縱向空隙. 15.

(27) 表 2-1 變換車道之情境分析條件. 衡量公式. Case1 v fs ≥ 0 x v bs ≥ 0. Case2. v. fs. ≥ 0. v bs < 0. Case3. v. fs. < 0. v bs ≥ 0. Case4 v fs < 0 v bs < 0. − s − x > C x − x s > C. x − xs > −vbs tc −. safety. 2a. (2vbs + v fs ) + (Tx& + l ). x − s − x > − v fs t c + x−. s. − x > −v. fs. lv lv. safety. v fs. 變數解釋 (6) l v 縱向 (7) 運行長度. tc +. v 2fs 2α v. 2 fs. 2α. + ( T x& + l ) + ( T x& + l ). x − x s > − v b s t c + ( T x& + l ). (8) (9). (10) (11). 運用的程序綜合整理如下步驟所述： Step1.評估本車與前車之安全距離，假如公式(5)的條件可以滿足的話，則將縱向運作模式設定為公式(1)與(3)且進入 Step2，若不符合公式(5)的話，則將縱向運作模式設定為公式(1)與(2)且再重作此步驟一次。 Step2.選擇偵測本車與目標車道的前車與後車間車速的安全間隙之方案，其方案如下所示：假如 v fs ≥ 0 and v bs ≥ 0 ，則執行 Step3A 假如 v fs ≥ 0 and v bs < 0 ，則執行 Step3B 假如 v fs < 0 and v bs ≥ 0 ，則執行 Step3C 假如 v fs < 0 and v bs < 0 ，則執行 Step3D Step3A.假如公式(6)與(7)可以被滿足時，則將變換車道模式設定為側向運行模式並將縱向運行模式設定為公式(1)與(3)，反之，若公式(6)與(7)無法被滿足時，則回到 Step1。 Step3B.假如公式(6)與(8)可以被滿足時，則將變換車道模式設定為側向運行模式並將車速正常加速至前車速度，接著將縱向運行模式設定為與前車相同的公式(1)與(3)。反之，若公式(6)與(8)無法被滿足時，則回到 Step1。 Step3C.假如公式(7)與(9)可以被滿足時，則將變換車道模式設定為側向運行模式並將車速正常減速至前車速度，接著將縱向運行模式設定為與前車相同 16.

(28) 的公式(1)與(3)。反之，若公式(7)與(9)無法被滿足時，則回到 Step1。 Step3D.假如公式(10)與(11)可以被滿足時，則將變換車道模式設定為側向運行模式並將車速正常減速至前車速度，接著將縱向運行模式設定為與前車相同的公式(1)與(3)，反之，若公式(10)與(11)無法被滿足時，則回到 Step1。針對該篇研究所述，整理其變換車道流程圖，如下圖 2-1 所示：. 17.

(29) 是否符合公式(5). Step1. N. N ‧縱向運作模式設定為. Y. 公式(1)與(2) 縱向運作模式設定為公. ‧回到 Step1. 式(1)與(3). 偵測本車與欲進入車道的前車與後車間車速的安全間隙. Step2. Step 3A 是否符合公式(6)(7). If v fs ≥ 0 If v fs ≥ 0 If v fs < 0 If v fs < 0. and and and and. vbs ≥ 0 ，Step3A v bs < 0 ，Step3B v bs ≥ 0 ，Step3C v b s < 0 ，Step3D. Step 3B. Step 3C. 是否符合公式(6)(8). 是否符合公式(7)(9). Step 3D 是否符合公式(10)(11). ‧側向運作模式. ‧側向運作模式. ‧側向運作模式. ‧側向運作模式. ‧縱向運作模式設. ‧車速正常加速至. ‧車速正常減速至前. ‧車速正常減速至. 定為公式(1)與 (3). 前車速度 ‧縱向運作模式設. 車速度 ‧縱向運作模式設定為公式(1)與(3). 定為公式(1)與. 前車速度 ‧縱向運作模式設定為公式(1)與 (3). (3). 圖 2-4 變換車道流程圖. J.B. Sheu(2004)提出「單一自動控制車道的自動公路系統的反應事故式之微觀車輛控制邏輯」[8]，針對自動公路系統在發現自動控制車道上有事故時，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駕駛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 operations)」兩個階段。 18.

(30) 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，最主要有三種情形： 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 xtj+n ,Tiσmc = X tjn+Tmc − X itσ+Tmc. ⎫ 1 1 ⎡ ⎤ ⎧ ⎡ ⎤ = ⎢ X tjn − v tjn × Tmc − × d tjn × Tmc2 ⎥ − ⎨ X itσ − ⎢uitσ × Tmc + × Aimc × Tmc2 ⎥ × cos Θ mc ⎬ σ 2 2 ⎣ ⎦ ⎩ ⎣ ⎦ ⎭. (12). 自動控制車輛與鄰近車道之前車的距離 xitσ+,Tjmcn−1 = X itσ+Tmc − X tjn+−T1mc ⎧ ⎫ ⎧ 1 1 ⎡ ⎤ ⎡ ⎤⎫ = ⎨ X itσ − ⎢uitσ × Tmc − × Atjn × Tmc2 ⎥ × cos Θ mc ⎬ − ⎨ X tjn−1 − ⎢ v tjn−1 × Tmc + × D tjn−1 × Tmc2 ⎥ ⎬ 2 2 ⎣ ⎦ ⎣ ⎦⎭ ⎩ ⎭ ⎩. (13). 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 ⎧ t ⎡ t ⎫ ⎡ t 1 t 1 t +T 2 ⎤ 2 ⎤ t t ⎨ X iσ − ⎢uiσ × Tmc + × Aiσ × Tmc ⎥ × cos Θmc ⎬ − ⎢ X jn−1 − v jn−1 × Tmc − × D jn−1 × Tmc ⎥ > (1 + ϕ ) L + µiσ mc ×τ 2 2 ⎣ ⎦ ⎦ ⎩ ⎭ ⎣. (14). 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 ⎫ 1 1 mc 2 ⎤ ⎡ t t ⎤ ⎧ t ⎡ t t ⎢⎣ X jn − vjn ×(Tmc +τ ) − d jn ×Tmc ×( 2 ×Tmc +τ )⎥⎦ − ⎨Xiσ − ⎢⎣uiσ ×Tmc + 2 × Aiσ ×Tmc ⎥⎦ × cos Θmc ⎬ − (1+ϕ)L > 0 ⎩ ⎭. (15). 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，能夠安全且圓滑地的匯入鄰近車道車流。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 ⎪⎧. ⎫⎪ W + X sw ⎬ t − − X X L iσ − 1 ⎪⎩ ⎪⎭. θ%iσt = ta n − 1 ⎨. (16). t iσ. 2.速度調整率. α itσ. ⎧ ⎡ v tjn −1 − µ itσ × cos θ iσt ⎤ t , A , if v tjn −1 ≥ µ itσ × cos θ iσt ⎪ min ⎢ ⎥ i t σ ⎪⎪ ⎥⎦ ⎣⎢ Tmc × cos θ iσ =⎨ t t t ⎡ v jn −1 − µ iσ × cos θ iσ ⎤ ⎪ t max , D , otherwise ⎢ iσ ⎥ ⎪ t ⎥⎦ ⎪⎩ ⎣⎢ Tmc × cos θ iσ 19. (17).

(31) 由於本研究係以該篇研究作為理論基礎作更深入的探討自動車輛變換車道行為，故以上模式的詳細內容及模式發展，本研究將於第三章有較詳盡的說明。另外，本研究所用之符號定義大致與該篇文獻所用之符號雷同，故符號定義可以參照本文附錄之符號說明。 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 的系統型式討論以下的變換(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，對後車之影響，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，對後車之影響，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。雖然自動車輛的研究在國內也相當少，但國內也有研究是對自動控制車輛跟車模式，在此也作回顧。王敏聰(1999)[16]發展出一套近似人類駕駛的減速度二階段模式，其試驗於前方有固定障礙物的情形，之後再據此運用於實際的公路駕駛情況並建構出整個模擬駕駛狀態的模式，企圖來描述可能遭遇到的各種可能情況，經驗證後所有駕駛人在前方有障礙物時，會先經減速至可辨識距離階段，然後再依此來進行下一階段之決策(即模擬整個駕駛可能的狀態)，並先藉由相對距離來決定其相對速度值，再進行相對距離的修正，以決定是否進入減速，跟車或追趕前車的狀態。在模式構建方面，以 AVCSS 的縱向控制對象，主要分三大部分：(1)模糊切換控制單元，在考量人類駕駛感知特性和思考決策下，透過模糊控制器來做車輛加減速；另外兩部分(2)節氣閥控制單元及(3)煞車控制單元則是利用現代控制理論中之適應性控制的方式來設計，以便調整與前車的車間距、本身速度及加減速等。最後以電腦模擬出一對一前後跟車的結果，但整個模式的假設有適用性的問題，即：一、在不同車速應有不同的初步煞車距離與速度；二、兩階段的減速模式可能無法應付緊急突發狀況；三、時期階段的轉移速率應非為一固 20.

(32) 定值，此三項因素皆尚有探討之處，故針對其相關模式可能仍需進行部分之修正以符合實際運作情形。. 2.4. 文獻評析對於傳統變換車道模式以各種不同的角度切入之相關研究，已有相當多的研. 究成果，對於自動控制車輛的研究國外也已經有許多成果展現，同樣的表達出變換車道議題不外乎是可接受之車間距(Acceptable Gap)的問題。本研究期望在兩者自動控制與手動控制兩種車輛同時存在時，尋求自動控制車輛與手動控制車輛在特性上的不同，引入不同參數，也藉由文獻的回顧，回顧得知使用可接受之車間距來進行模式設定，並且從文獻裡啟發再加入相對速度的觀念，進行模擬時所有可能發生之情形，並將這些情形加入模式以及模擬程式中，模擬自動控制車輛變換車道。. 21.

(33) 第三章自動公路系統變換車道模式之構建本章主要會介紹先前由 J.B.Sheu(2004)[8]所提之理論，將於第 3.2 節討論之。首先對整個系統範圍界定；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行駛行為，並建立起在區域內的車流行為及變換車道的判斷機制。. 3.1. 系統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信、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；研究以小客車為主要研究對象。 3.鄰近車道乃指與自動控制車道緊鄰之車道，而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. 系統定義. 3.2.1 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。. 22.

(34) 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。. 資料來源：Sheu(2004) 圖 3-1 事故上下游之影響區示意圖. 3.2.2 車隊前進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 23.

(35) 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(incidentinduced 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 、 X σf 、 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 X bσ 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 X σf 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 X σf 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。. 資料來源：Sheu(2004) 圖 3-2 自動控制車隊前進之三個動態門檻. 24.

(36) 3.3. 事故上游車隊前進與事故影響區之構建. 3.3.1 強制煞車區之計算 X bσ 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 µσt 前進，車輛 b. 數 nσt 。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 nσt −1 (如 b. b. 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 X. σ b. =. n σt b. ∑. [X. iσ = 2. s. −. ( v σt b ) 2 ( v σt b ) 2 + ]+ [X 2 d itσb 2 d itσb − 1. s. −. ( v σt b ) 2 ] + [ n σt b − 1 × X s ] 2 d 1t b. (18). 將 (18) 式整理之後得到如下：. X. σ b. =. n σt b. ∑. tb. [X. iσ = 1. s. nσ ( v σt b ) 2 ( v σt b ) 2 − + ] [ ] + [ n σt b − 1 × X ∑ tb d 2 d itσb 2 iσ = 2 iσ − 1. s. (19). ]. 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) 2. ditσb 和 ditσb −1 ：分別表示目標 AC 車輛與其前面車輛之減速度(m/s ). µσt ：目標車隊中 AC 車輛的前進速率(m/s) b. nσtb 與 nσtb−1 ：車隊 σ 的車輛數及車隊 σ − 1 所停等之車輛數. 圖 3-3 AC 車輛強制煞車之動態安全距離資料來源：Sheu(2004) 25.

(37) (18)式的第一個部分是將車隊 σ 裡第二輛車到第 nσb 車在煞車後與前車的車間 t. 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 t 車隊所停等的車隊長度，有 nσb−1 個靜態預設車間距。值得一提的是(19)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(19 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 ditσ. b. 接近，因此，(19)式可以改寫成比較簡單的形式： X. σ b. = n σt b X. s. −. ( µ σt b ) 2 + n σt b − 1 X 2 d σt b. (20). s. 3.3.2 跟車緩衝區之計算 X σf 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 µσt 、定值的初始 b. tf. 車間距 xσ 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 tf. 的車間距 xσ 可能會調整為. t. x iσf. ⎧ ⎡ Aim c × T m2c ⎤ mc ⎪⎢ σ ⎥ × co s θ iσ 2 ⎪⎪ ⎣⎢ ⎦⎥ =⎨ 2 t t ⎪ v j f − µ iσ0 ⎪ mc ⎪⎩ 2 × D iσ. (. ). , if v j f ≥ µ itσ0 t. (21) , o th erw ise. 式中， t. v j f ：表示在時間 t f 時鄰近車道 j 觀察到之平均車速(m/s) 2. ：目標 AC 車輛預設之最大加速度(m/s ) Aimc σ 2. Dimc ：目標 AC 車輛預設之最大減速度(m/s ) σ. Tmc ：變換車道平均所需時間(sec). θiσmc ：預設之轉向角度(rad) 26.

(38) 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 X σf 為 X. σ f. = X. σ b. + nσf × xσf t. t. (22). 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 X σf 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 µσt 和 b. 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。. 3.3.3 車隊拆解區之計算 X dσ 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 X dσ t. 及 X σf 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 nσb 輛車，並且以速率 µσt 、靜態車間距 xσt 來移動。若 AC 車輛還沒進入車隊拆解區，則拆 0. b. 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. (. ) (. ). X dσ − X σf = L + ⎡ nσtd − 1 × L + xσt0 ⎤ + µσt0 × Td ⎣ ⎦. {. (. ) (. ). ⇒ X dσ = X σf + L + ⎡ nσt d − 1 × L + xσt0 + µ σt0 × Td ⎤ ⎣ ⎦. 式中，. (23). }. (24). L ：系統中車輛之平均車長(m). Td ：在拆解區所行駛之時間(sec). 3.3.4 變換車道流程 AC 車輛行駛於自動車道，從事故發生、車隊拆解、變換車道、到強制煞車的決策流程如圖 3-4 所示。. 27.

(39) 開始. AC 車輛行駛於 AC 車道否事故產生. AC 車隊前進. 否. 事故影響之跟車區 ( X σf ≤ X iσ ≤ X dσ ). 是事故影響區 ( X iσ < X dσ ). 是. 否. 強制煞車 ( X iσ ≤ X bσ ). 是 z z. AC 車隊已拆解. 變換車道前的決策變換車道中的操作. 否. 車隊拆解. 允許變換車道是. 下令變換車道. 通過事故地點. 圖 3-4 變換車道流程圖. 28. 否. 事故引起之跟車行為.