群體智能協(xié)同如何控制基于車路協(xié)同的交通系統(tǒng)

基于車路協(xié)同的復(fù)雜新型交通系統(tǒng)與傳統(tǒng)交通系統(tǒng)不可同日而語，新型的交通系統(tǒng)的來臨，使我們面臨眾多挑戰(zhàn)，我們必須采用群體智能協(xié)同控制的方式來解決開放的復(fù)雜的交通系統(tǒng)面臨的交通管控問題。

今年9月份，阿里巴巴、百度等一些大的互聯(lián)網(wǎng)公司先后發(fā)布了車路協(xié)同的戰(zhàn)略發(fā)展目標和計劃，大公司這樣的一個動作就突然把原來各研究機構(gòu)逐步發(fā)展的車路協(xié)同技術(shù)推向高潮。有人預(yù)測2018車路協(xié)同在市場上這樣的一個啟動，很可能會在2019年成為發(fā)展風(fēng)口，車路協(xié)同的大規(guī)模應(yīng)用和推廣已經(jīng)成為現(xiàn)代道路交通發(fā)展的必然選擇，但是目前還是會面臨一系列基礎(chǔ)研究的問題。

2011年科技部在863計劃設(shè)立主題項目“智能車路協(xié)同關(guān)鍵技術(shù)研究”。這也是“車路協(xié)同”名詞的來源。

“863”計劃：1986年3月，面對世界高技術(shù)蓬勃發(fā)展、國際競爭日趨激烈的嚴峻挑戰(zhàn)，***同志在王大珩、王淦昌、楊嘉墀和陳芳允四位科學(xué)家提出的“關(guān)于跟蹤研究外國戰(zhàn)略性高技術(shù)發(fā)展的建議”和朱光亞極力倡導(dǎo)下，做出“此事宜速作決斷，不可拖延”的重要批示。在充分論證的基礎(chǔ)上，黨中央、國務(wù)院果斷決策，于1986年11月啟動實施了高技術(shù)研究發(fā)展計劃，簡稱863計劃。

發(fā)展車路協(xié)同技術(shù)及其應(yīng)用已納入交通部智能交通系統(tǒng)發(fā)展戰(zhàn)略。

目前國家的在建項目有：新一代國家交通控制網(wǎng)和智慧公路試點工程/北京冬奧會、雄安新區(qū)項目等。

清華大學(xué)教授/自動化系工程研究所所長、國家“863”計劃先進交通技術(shù)領(lǐng)域?qū)＜覐堃懵暑I(lǐng)的團隊自2011年就開始了車路協(xié)同技術(shù)的研究，本文是對他在國家智能產(chǎn)業(yè)峰會報告的整理。

車路協(xié)同與智能協(xié)同

車路協(xié)同系統(tǒng)i-VICS (Intelligent Vehicle Infrastructure Cooperative Systems)是采用先進的無線通信和新一代互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，全方位實施車車、車路和人車動態(tài)實時信息交互，在全時空動態(tài)交通信息采集與融合的基礎(chǔ)上，開展車輛協(xié)同安全和道路協(xié)同控制，充分實現(xiàn)人車路的有效協(xié)同，保證交通安全，提高通行效率，從而形成的安全、高效和環(huán)保的道路交通系統(tǒng)。

核心技術(shù)與功能有：①任何車輛任何時間任何地點互聯(lián)；②全時空動態(tài)交通信息采集與融合；③人車路的有效協(xié)同－－協(xié)同安全（分為主動安全和被動安全）、協(xié)同控制（分為主動控制和被動控制）。

車路協(xié)同系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

從上圖可以看出，系統(tǒng)通過各種無線通訊的方式，把車和車之間、車和路之間、近端和遠端車之間、甚至人都可以構(gòu)成新的交通結(jié)構(gòu)。

這里幾個關(guān)鍵點：車載設(shè)備、人手持設(shè)備、路測設(shè)備構(gòu)成一個新的結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)的功能有：

設(shè)備性能：多模兼容

環(huán)境感知：協(xié)同感知

信息交互：可信交互

控制機制：動態(tài)分層

計算實現(xiàn)：邊緣云端

系統(tǒng)功能：升級延展

這些結(jié)構(gòu)組合在一起將產(chǎn)生非常大的變化，比如信息或獲取產(chǎn)生的革命性的變化，于是我們在思考問題的時候就不能再用傳統(tǒng)的方式來做，因此不同的領(lǐng)域做交通的同仁們就開始思考這個問題。于是大家回憶國內(nèi)近十年的發(fā)展過程，有些高頻詞是比較常見的，比如車聯(lián)網(wǎng)(Internet of Vehicle)、網(wǎng)聯(lián)車(Connected Vehicle)、蜂窩網(wǎng)聯(lián)(C-V2X)以及車路協(xié)同(i-VICS)方式。

當(dāng)然，最后交通部選擇了“車路協(xié)同”這個名稱，這其實也跟我們的國家的體制有關(guān)系，因為不同領(lǐng)域的叫法是從它的角度出發(fā)的。

雖然這幾個方面出發(fā)點是不一樣的，比如車聯(lián)網(wǎng)最早的發(fā)展是從物聯(lián)網(wǎng)出來的的，把車連起來就可以做，但是車聯(lián)網(wǎng)用到汽車里最早的是從娛樂開始的，希望汽車在行駛過程中通過網(wǎng)絡(luò)傳遞娛樂的信息。這個市場沒有打開，發(fā)展過程中，大家發(fā)現(xiàn)車聯(lián)網(wǎng)更大的應(yīng)用是在交通里面，于是車聯(lián)網(wǎng)就變成和交通結(jié)合。

從這個例子中可以看出，出發(fā)點雖然可能不一樣，但是目前主要研究的領(lǐng)域都趨同了。

交通部副部長劉小明在去年電動汽車百人會上說：交通運輸部高度重視自動駕駛和車路協(xié)同等前瞻性技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，以智慧交通建設(shè)為載體，按照車路協(xié)同發(fā)展的技術(shù)路徑，積極推進自動駕駛的發(fā)展。

因此，我們國家高度重視自動駕駛和車路協(xié)同發(fā)展，這個技術(shù)路線確定了按照車路協(xié)同的技術(shù)路徑積極地推動自動駕駛的發(fā)展。即我們現(xiàn)在的所說的自動駕駛以單車為智能體解決通過單車對環(huán)境的感知解決控制的問題要發(fā)生一些變化，走到另外一個技術(shù)路線，就是依賴于我們現(xiàn)在說車路協(xié)同的平臺，對自動駕駛汽車的原理性、控制的手段問題、系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)問題都會產(chǎn)生一些變化。

比如說舉一個簡單的例子自動駕駛有一個挑戰(zhàn)是，過路口的時候要識別紅綠燈，但是會受到很多因素的影響如光照和遮擋等。眾所周知，視頻的識別可靠性最后的5%是很難提高的，但是如果這5%提高不上去對于自動駕駛車輛通過路口就很困難。

但是車路協(xié)同平臺就可以解決這樣的問題，信號控制系統(tǒng)作為車路協(xié)同平臺中間作為一種典型的傳感器，可以把它信號發(fā)送出來，如果信號機能夠把紅燈和綠燈的狀態(tài)以及時間直接發(fā)給自動駕駛汽車，就可以代替通過視頻判別信號燈的過程，就可以解決所謂最后5%準確率的問題。

即不同的技術(shù)路線可以大大提高對交通可靠性要求，同時可以降低對一種技術(shù)的依賴性。

這樣還可以極大的解決成本的問題，比如我的團隊，從買車再改裝到上路40萬就可以解決了。一年的經(jīng)驗，70多萬就可以解決兩輛自動駕駛汽車。但是有一個重要的前提就是基礎(chǔ)設(shè)施要支持我們的自動駕駛汽車。

車路協(xié)同條件下的道路交通環(huán)境促使我們改變對傳統(tǒng)交通系統(tǒng)的認知

在這樣情況下，新的挑戰(zhàn)也隨之而來，如上圖所示路網(wǎng)及所有道路上車輛連起來以后，使得傳統(tǒng)的交通里面只能依靠簡單斷面來推演整個交通系統(tǒng)的時代過去了。

現(xiàn)在通過車路協(xié)同系統(tǒng)可以知道任何時間、任何斷面交通情況，任何車輛信息都可以獲取。

于是再這樣的情況下產(chǎn)生海量的信息，包括信息安全的問題。

在這個基礎(chǔ)上還會發(fā)現(xiàn)一個很重要的問題，就是全面信息撲面而來以后，我們發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也會發(fā)生變化。即有了這樣一個結(jié)構(gòu)以后，我們發(fā)現(xiàn)交通系統(tǒng)里面就沒有邊界了。我們知道我們控制的系統(tǒng)目標應(yīng)該是固定的。但是這樣的交通系統(tǒng)是無邊的，只要有人的地方就都有道路都有車輛，因此我們需要劃一個界限研究一個交通，如果要用傳統(tǒng)控制的方法去研究就會面臨新的挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)的交通理論就面臨一個新的變化，原先我們是用流體力學(xué)的方式研究傳統(tǒng)交通流量，但是現(xiàn)在需要換一種思路。

由于我們的車輛是離散的、是隨機的，所有的信息都可以獲取，于是我們需要從統(tǒng)計學(xué)的角度隨機統(tǒng)計的效果去建立一套新的交通流理論，這是我們面臨的重要挑戰(zhàn)問題之一。

到底有那些具體的挑戰(zhàn)？

第一個挑戰(zhàn)是交通系統(tǒng)屬性發(fā)生了變化。原來的傳統(tǒng)的交通系統(tǒng)我們是用流體學(xué)來檢測交通流量，這個時候沒有辦法關(guān)心的每部汽車，當(dāng)然并不是我們不想關(guān)心，而是之前沒有手段關(guān)心?，F(xiàn)在車路協(xié)同以后，所有車輛里面的原本在傳統(tǒng)交通系統(tǒng)中不顯現(xiàn)特性現(xiàn)在凸現(xiàn)出來了，如自組織、網(wǎng)絡(luò)化、非線性、強耦合、泛隨機及異粒度，這時我們在用傳統(tǒng)交通流的方法研究已經(jīng)不適應(yīng)了。

第二個挑戰(zhàn)是交通的組織成分發(fā)生的變化。隨著車路協(xié)同的發(fā)展，我們就會有網(wǎng)聯(lián)汽車的進步，在這個情況，一部分是完全靠人自己決定的，一部分可以通過網(wǎng)絡(luò)獲得信息的，增加的成分問題，現(xiàn)在自動駕駛引進來了，更可怕的是將來自動駕駛車和人駕駛車放在一塊，而且是長期共存的情況下，交通成分發(fā)生變化以后，這個時候?qū)ξ覀冋麄€挑戰(zhàn)發(fā)生了大的影響，我們的模型已經(jīng)不能像以前那樣單純了，更加復(fù)雜了，我們的組織成分發(fā)生了變化。

第三個挑戰(zhàn)是交通系統(tǒng)沒有邊界了。以前我們可以切一個界面研究哪幾輛車，現(xiàn)在行不通了，在研究過程中我們發(fā)現(xiàn)按照交通的結(jié)構(gòu)，交通系統(tǒng)里面沒有了主次之分，所有的車都是平等的，沒有統(tǒng)一目標，所有民用車輛全是分散目標。三是系統(tǒng)沒有邊界，找不到邊在那兒，只要有人存在的地方就有交通系統(tǒng)，是當(dāng)做開放的復(fù)雜系統(tǒng)去研究。

第四個挑戰(zhàn)是用什么樣的結(jié)構(gòu)去研究新的交通系統(tǒng)?？傮w層面上這里列出來泛在分布式，但是在情景驅(qū)動下的動態(tài)集中式，我們現(xiàn)在研究集中控制被動成分是固定的，大家知道求優(yōu)化目標的時候，SI中的I是固定的，從1到N中的N是固定的，但是在交通里面不是這樣，比如在路口通行過程中間，在情景化過程當(dāng)中要研究在一定范圍內(nèi)有一百個汽車的時候，這個時候一百個汽車到下一個時刻五六輛就出去了，然后又進來了三四輛汽車，在求優(yōu)化目標的時候就發(fā)生一個新的挑戰(zhàn)，沒有辦法用傳統(tǒng)的求優(yōu)化問題的方式來解決它，這樣的情況下這就是我們的挑戰(zhàn)。

那怎么才能解決這樣的挑戰(zhàn)呢？在這個情況下必須采用群體智能協(xié)同控制的方式來解決開放的復(fù)雜的交通系統(tǒng)面臨的交通管控問題，隨著這樣的發(fā)展，而且交通的協(xié)同管控的需求擺在面前我們必須研究相關(guān)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵技術(shù)問題。

群體智能與協(xié)同控制

下面從四個方面的分析群體智能和協(xié)同控制該怎樣實現(xiàn)。

一、基于車路協(xié)同的群體智能協(xié)同控制系統(tǒng)——分析

智能協(xié)同控制機制與主要內(nèi)容

首先我們來分析一下系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)有哪些是與傳統(tǒng)的不一致。首先，控制對象發(fā)生了變化，如果是泛在的分布式，那么在很大的范圍內(nèi)是不變的，但是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)太大了，如果大范圍去研究它的話就會出現(xiàn)一個很大的問題，就是在求優(yōu)化、求解的過程中是超高維的計算問題，而要解決超高維計算的問題是非常困難的。

其次，如果不考慮泛在分布問題，而考慮在情景驅(qū)動下集中式的時候，比如一百個對象，這一秒鐘是這一百個，下一秒鐘變成不是一百個，怎么在連續(xù)過程求最優(yōu)過程，這是在算法上面的挑戰(zhàn)。

還有問題就是在實現(xiàn)途徑的問題，即便算法非常好，真正用到解決交通實際問題的時候，是要考慮實現(xiàn)途徑的問題的。首先就是路權(quán)分配問題、路徑優(yōu)化問題以及系統(tǒng)局部的協(xié)同問題。

以及決策信息的協(xié)同學(xué)的問題，主要用協(xié)同學(xué)的方法做多功能優(yōu)化，目標發(fā)生變化的問題，以及在決策過程中近程怎么解決，遠程怎么解決，范圍怎么確定等等。

我們還要考慮到實現(xiàn)手段，交通系統(tǒng)是一個逐漸發(fā)展的過程，包括車路協(xié)同，包括智能網(wǎng)聯(lián)汽車，在變化過程當(dāng)中所有的理論和方法的應(yīng)用怎么落地，如果不能落地，技術(shù)就死在那里，所以我們要解決現(xiàn)在具體問題速度引導(dǎo)到半自動的控制問題以及到全自動控制問題，在整個發(fā)展過程中技術(shù)方案都必須發(fā)揮作用才能發(fā)展全面。

二、基于車路協(xié)同的群體智能控制系統(tǒng)實現(xiàn)——感知

基于交通大數(shù)據(jù)的人車狀態(tài)感知/運動態(tài)勢演化/路網(wǎng)運能評價

感知方面也會發(fā)生非常大的變化，傳統(tǒng)的感知都是通過一個或者少量傳感器對斷面進行分析?；蛘邔W(wǎng)絡(luò)狀態(tài)分析的時候，我們不只是為了一個目標去做，現(xiàn)在在新的車路協(xié)同環(huán)境下，新的信息發(fā)生變化以后，我們可以做協(xié)同分析。所以感知從原來的單一的少量的信息融合要跨越到協(xié)同感知問題。即同樣一個目標的感知，要用多輛汽車或者路側(cè)設(shè)備共同決策感知是什么樣的。這樣也會大大增強我們對環(huán)境感知能力的提高。

原來單車的自動駕駛是靠車上的傳感器來判斷路上所有的物體，這個時候變了，被感知車前面有輛汽車，后面有輛汽車，旁邊還有一個路側(cè)設(shè)備，用三個檢測它的設(shè)備獲取更全面的信息。

再這樣的情況下，在群體協(xié)同行為在感知中間發(fā)生很多的變化。這里還有個運動態(tài)勢問題，傳統(tǒng)的交通如果是個元函數(shù)，運動狀態(tài)要做一個運動的變化，運動態(tài)勢是什么？一階的要求它的導(dǎo)數(shù)，再要看決策的預(yù)測問題，就是二階導(dǎo)數(shù)，按數(shù)學(xué)的簡單解釋就是這樣的。在現(xiàn)實交通里面通過信息的感知實現(xiàn)這樣的結(jié)果是不容易，這也是另外一個創(chuàng)新點，我們希望能借著車路協(xié)同現(xiàn)在獲得的交通信息層面上能不能對傳統(tǒng)的感知升級形成一個協(xié)同的感知問題。

三、基于車路協(xié)同的群體智能控制系統(tǒng)實現(xiàn)——控制

混合交通群體協(xié)同決策與優(yōu)化控制理論方法

控制就是要解決實際問題，我們要從微觀的車輛、中觀的車隊、宏觀整個區(qū)域的新的交通流的研究，同時結(jié)合路權(quán)分配問題、路徑優(yōu)化問題、協(xié)同優(yōu)化問題等解決一系列控制問題，在快速道路和城市道路上混合人工與自動駕駛混駕的情況下，形成新的群體協(xié)同決策與控制理論及方法體系。

四、基于車路協(xié)同的群體智能控制系統(tǒng)實現(xiàn)——計算

解決這個問題的關(guān)鍵計算結(jié)構(gòu)就是要把邊緣計算和局部計算加云端計算結(jié)合起來，在這樣的復(fù)雜新型交通系統(tǒng)里面才能很好的解決協(xié)同和控制問題。邊緣計算主要是車載；局部的是情景中的集中部分，比如說路側(cè)的信號燈為核心的路測協(xié)調(diào)系統(tǒng)；云端的就是中心。三者結(jié)合形成有機的計算平臺。分配好計算任務(wù)才能解決問題。

以上就是從四個方面的分析智能協(xié)同和協(xié)同控制怎么實現(xiàn)。

解決方案與應(yīng)用實現(xiàn)

最后有個形象的解釋，到底怎么能實現(xiàn)這個問題，現(xiàn)在不是說不能實現(xiàn)，已經(jīng)有一定的基礎(chǔ)，在國內(nèi)的有多個企業(yè)已經(jīng)有技術(shù)產(chǎn)品和技術(shù)的系統(tǒng)方案，包括像我星云互聯(lián)、華為等也在做這樣的解決方案，能夠滿足車輛之間的所有的信息交互，保證實施性和可靠性，現(xiàn)實中基本平臺有了，缺的是決策的機制，缺的是控制協(xié)同的方法和理論。

現(xiàn)階段，國家所有測試系統(tǒng)里面單車速度引導(dǎo)（交叉路口 + 高速路可變速度引導(dǎo)）、特殊車輛壁讓（警車、救護車、消防車）、安全預(yù)警（盲區(qū)、危險車輛、駕駛行為）依托這三種特性，展開的各種測試場景。

再往此后，由于群控制的一些辦法，我們會發(fā)現(xiàn)有新的一些變化，比如說信號燈控制、車流引導(dǎo)/控制 + 配時調(diào)整、快速路控制、穩(wěn)態(tài)流引導(dǎo)/控制（快速路可變速度控制）、城市公交優(yōu)化控制、公交與信號控制協(xié)同（新型城市公交優(yōu)先控制）、不同滲透率下混合交通管控、自然駕駛與網(wǎng)聯(lián)駕駛混駕、自然駕駛網(wǎng)聯(lián)駕駛與智能駕駛混駕、人工駕駛與自動駕駛混駕等。