智能运输系统讲义(自动公路系统AVS)

智能运输系统讲义(自动公路系统AVS)第一页，共35页。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。第二页，共35页。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，AutomatedHighwaySystems），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”）

第三页，共35页。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。

第四页，共35页。第五页，共35页。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。第六页，共35页。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，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。

第七页，共35页。

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，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。

第八页，共35页。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。第九页，共35页。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

第十页，共35页。·

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原型的研究目标。第十一页，共35页。（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。第十二页，共35页。

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。第十三页，共35页。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。

第十四页，共35页。自动公路系统基本结构示意图第十五页，共35页。4.6.3

自动公路系统的实施过程

目前，自动公路系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。第十六页，共35页。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系统司机系统系统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信息提供阶段特征第十七页，共35页。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。

第十八页，共35页。第十九页，共35页。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。第二十页，共35页。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操作性模拟试验，系统由11辆车组成。其有关技术和内容如下。（1）实验系统简介

系统组成如下表。第二十一页，共35页。功能传感器Actuator+HMILCD+声音自动刹车HUD导航速度传感器、回转仪、全球定位系统用事故检测和预警功能LCX通信

激光雷达用用车道偏离预警功能磁性传感器CCD摄像机用防撞功能激光雷达用用第二十二页，共35页。（2）上信越高速公路AHS系统组成

实验系统主要由道路基础设施系统和智能车辆系统组成，其基本结构示意图为下图。

AHS安全驾驶系统简图

第二十三页，共35页。

道路基础设施

LCX（泄漏电缆）沿道路铺设，收集路况数据和车辆行驶状态数据，并通过车路通信系统提供给驾驶员，如当前车辆行驶的道路坡度、曲线半径、车辆位置、车速和加速度等。另外，CCD和红外线摄像机安装在路边，探测各种交通信息，磁性标记每隔两米镶嵌在道路中心线上。·

车辆车辆的前防撞杠上安装了磁性传感器，检测路面上安装的磁性标记，用于调控车辆相对于道路的横向与纵向位置。在干线上，还有如下设备：图像处理ECU（电子控制单元），自动刹车控制ECU，导航ECU和监视ECU。为了得到前面道路的信息，车辆前面还安装了激光雷达和CCD摄像机。另外还研制开发了适用于安全驾驶系统的导航系统。图像显示在LCD显示屏上，在需要时,还会提供各种警告信息.除了LCD显示屏,还包括PostmountingtypeHUD（HeadUpDisplay）来显示行驶方向和与目的地的距离。另外还包括一个光学纤维回转仪，用来测角速度，以提高车辆定位的准确性。其中几个主要部分的作用或配置如下。

第二十四页，共35页。

自动刹车系统

当车辆需要刹车时，系统管理ECU将刹车指令和具体的减速值通过RS232C系列通信设备传递给刹车ECU。自动刹车ECU具有自我显示功能，使它能够将在刹车过程中检测到的困难传递给管理ECU。从安全角度考虑，系统允许即使在自动刹车过程中，也可以进行人工操作。·

图像处理设备

图像处理设备用来辨别道路标线和检测前面的车辆。CCD摄像机拍摄到的图传输到图像处理器中，经处理过的数据传输给图像处理ECU。这样，就会将车辆的横向偏离程度和与前面车辆的距离计算出来。计算结果会传输给上一级系统并显示在驾驶员的显示屏上。当横向偏离程度过大时，警告信息会通过LCD显示给驾驶员，提醒注意并采取行动。第二十五页，共35页。

磁性传感器

在这项模拟性试验中，用16个磁性传感器（磁钉）每隔50毫米横向排列镶嵌在路面上，高出地面150毫米。磁性传感器的探测范围是从路中心到两侧的350毫米宽的范围，探测到的数据误差在正负20~30毫米之间。

第二十六页，共35页。HUD（HeadUpdisplay）

HUD于1995年研制开发，主要用于车辆导航系统，来确定车辆行驶方向和车辆与目的地之间的距离。HUD使图像显示于驾驶员面前，减轻了驾驶员的疲劳。·

光纤陀螺仪（FOG）

此项试验应用光纤陀螺仪代替振动型陀螺仪，能得到适用于自动导航系统的更精确的角速度。光纤陀螺仪主要应用的是Saynac效应原理，比震动陀螺仪更稳定。第二十七页，共35页。（3）AHS试验系统的功能

AHS试验系统的功能是事故检测与预警，车道偏离预警和防撞。此外系统还增加了标准的汽车导航功能。·

事故检测和预警功能

当LCX检测到前方的事故后，通过HMI（声音和LCD显示屏）提供警告信息给司机。如果司机没有采取正确的反应，系统会自动启动刹车装置，进行刹车。如果司机采取了正确的行动，系统就不会启动自动刹车装置，如在以下两种情况下：

①车辆从事故发生道路驶向另一条道路；

②车辆减速到一个安全速度。·

车道偏离预警功能

在此项试验中，测试了当司机注意力分散或操作失误时，引起车辆偏离车道时的系统预警作用。系统主要通过HMI（声音警告和LCD显示屏）将警告信息提供给司机，从而防止了车辆与道路护栏和相邻车道上的车辆相碰撞的危险。车辆偏离车道的程度主要由磁性传感器探测到的数据来计算的，当偏离值大于设定值时，警告信息会通过HMI传递给司机。

另外，此项试验还研制开发了一种利用CCD摄像机获得道路标线信息来确定车辆偏离车道的程度。这种方法没有利用磁钉和其他设备，而仅用道路设施来确定车辆偏离的程度。

第二十八页，共35页。

防撞功能

防撞功能主要通过激光雷达测定行驶车辆和前面物体或

车辆之间的距离来实现的。当测得的距离很小时，即意味着碰撞即将发生时，系统会自动启动刹车装置，并通过HMI（声音和LCD显示屏）将警告信息告诉司机。·

其他功能

车辆限速控制由LCX执行。当一辆车的速度超过设定速度时，这一控制功能会向司机提供一个警告，或强制启动自动刹车装置减缓车速。这一功能可以改正司机无意识增加车速的问题，防止因车速过快而偏离车道引发的事故。

最佳速度控制主要通过自动运行模块，比较司机设定的速度和LCX传输来的速度，使车辆以最佳速度持续运行，以保证安全驾驶。将来这一操作功能可望实现最优自动控制。另外一些功能（防尾撞、提供道路风险信息等）正在研制中，在AHS系统中的应用还需进一步的开发。第二十九页，共35页。第三十页，共35页。（4）试验结果

此项操作模拟性试验主要是测试两个系统：安全驾驶系统——测试其自动刹车控制防止与前车碰撞、防止逸出车道与邻接车道车辆碰撞、感知前方障碍物并预告危险的功能；自动驾驶系统——实现11台车相距25米，列队以时速40公里~80公里速度自动驾驶走行。下图表明，当管理E