智能駕駛車輛行車安全的兩難困境和不可能三角場(chǎng)景

環(huán)境交通流行為是影響智能車輛行車安全的重要因素。不良的環(huán)境交通流行為給本車帶來風(fēng)險(xiǎn)。特定參數(shù)組合（駕駛員反應(yīng)時(shí)間、最大加減速等）、特定狀態(tài)組合（位置、速度等）下，智能車輛面臨特殊安全決策困境：一旦觸發(fā)事件發(fā)生（如前車急停），系統(tǒng)狀態(tài)不可避免導(dǎo)向交通碰撞、而與本車具體決策無關(guān)。本車決策只能決定和環(huán)境交通流中的哪輛車碰撞、以何種狀態(tài)碰撞。本文以縱向駕駛為例，論述了滿足上述特征的兩難困境（Dilemma）和不可能三角（Trilemma）場(chǎng)景、并推廣至不可能N角（polylemma），隨后計(jì)算了highD和zen數(shù)據(jù)集中polyLemma持續(xù)時(shí)間比例的概率分布。為避免陷入決策困境，提出了人類駕駛員容錯(cuò)（HET, human error tolerant）駕駛策略，該駕駛策略通過調(diào)整安全間距、調(diào)整自身行為參數(shù)（減速度），對(duì)其他車輛的錯(cuò)誤行為進(jìn)行緩沖。

關(guān)鍵詞：駕駛行為；安全間距；責(zé)任敏感模型；汽車安全；交通安全；

?本文主要內(nèi)容（約7300字，建議收藏閱讀）

01.車輛的安全間距

為保證安全，本車必須與其他車輛保持一定的間距（下文稱“安全間距”）。雖然安全間距模型不是本文討論主題，但仍然需要一個(gè)具體的安全間距模型作為討論起點(diǎn)。安全間距有多種理論模型和表達(dá)形式（如Pipe ,1953; Forbes , 1963及1968;  Gipps ,1981）。不失一般性，本文以RSS模型（責(zé)任敏感模型或稱responsibility sensitive safety，Shalev-Shwartz、Shammah等，2017）為基礎(chǔ)討論Dilemma/ Trilemma場(chǎng)景。

RSS的基本設(shè)定如下，假定車輛1為前車、車輛2為后車，車輛的位置表示為X1和X2，初始速度分別為v1,0和V2,0。車輛2的反應(yīng)時(shí)間為τ2?，F(xiàn)考慮車輛2為了保證安全需要與前車保持最小間距。為推導(dǎo)，做如下假設(shè)：初始時(shí)刻，車輛1急減速、減速度為ā2；在反應(yīng)時(shí)間內(nèi)，車輛2采用加速度，之后采用減速度ā2直至停車。在上述假設(shè)下，最小安全間距計(jì)算公式（詳細(xì)推導(dǎo)過程見Sidorenko et al., 2022）如下所示。

如果ā1≥ā2：

如果ā1＜ā2：

的物理含義簡(jiǎn)單明了：只要車輛2 保持最小間距，兩車之間不會(huì)發(fā)生碰撞。由于假設(shè)條件中，車輛2在反應(yīng)時(shí)間內(nèi)采用加速度，因此距離是保守安全距離公式。后續(xù)諸多文獻(xiàn)對(duì)其進(jìn)行了改進(jìn)，此處不再贅述。

顯然，現(xiàn)實(shí)世界中違反RSS規(guī)則是常見的現(xiàn)象。圖1為實(shí)際數(shù)據(jù)集中、不同速度下違反RSS規(guī)則的比例。圖1-b為速度—密度（交通流密度，也即單車道平均每公里內(nèi)的車輛數(shù)）關(guān)系圖，紅色分界線為臨界RSS，其右側(cè)為違反RSS數(shù)據(jù)點(diǎn)、左側(cè)為遵守RSS的數(shù)據(jù)點(diǎn)。

圖 1 違反RSS規(guī)則的頻數(shù)分布（Qi，2024）

02.

兩難困境Dilemma

2.1 場(chǎng)景描述

基本場(chǎng)景

基本RSS安全間距公式僅考慮了前后兩輛車?，F(xiàn)在考慮由三輛車組成的隊(duì)列（如圖2 a中間車道），車輛分別表示為 1（人工駕駛車輛）、2（自動(dòng)駕駛車輛）和 3（人工駕駛車輛）。初始速度分別為v1,0、v2,0、v3,0，車輛2和3的反應(yīng)時(shí)間分別為τ2、τ3。遵循RSS模型推導(dǎo)過程、假設(shè)t=0時(shí)刻，車輛1使用ā1急減速（圖2 b中的stage1）。系統(tǒng)的時(shí)間線如圖2 b：車輛2在時(shí)刻τ2（車輛2對(duì)應(yīng)時(shí)間線的stage1）之后進(jìn)行減速、其減速度為ā2、車輛3在時(shí)刻τ2+τ3（車輛3的時(shí)間線對(duì)應(yīng)的stage1和stage2）之后減速，減速度為ā3。

圖 2 困境描述的減速事件時(shí)間線

如果車輛2和車輛3都遵循RSS原則（也即保持足夠的安全距離，分別表示為、），上述過程是安全的。如果車輛2保持了安全間距、而車輛 3 違反了 RSS 規(guī)則（保持了小于的安全間距），則當(dāng)車輛1突然制動(dòng)時(shí)，車輛3和2之間仍可能發(fā)生碰撞。為避免碰撞，車輛2可以采用較小的減速度、而不是原來的ā2。然而，較小的減速度需要車輛2保持一個(gè)更大的安全間距（該距離）。當(dāng)實(shí)際保持的距離d1→2小于時(shí)、車輛2就面臨著安全決策的兩難困境：一旦觸發(fā)事件發(fā)生（此處的觸發(fā)事件為車輛1以減速度ā1急停），車輛2或者與車輛1碰撞、或者與車輛3碰撞。

從車輛2角度而言，系統(tǒng)狀態(tài)按照距離d1→2分成三類，如式Eq 3：當(dāng)，車輛2違反了安全規(guī)則；當(dāng)，車輛2面臨兩難困境；當(dāng)，車輛2既沒有違反安全規(guī)則、也沒有兩難決策。

可以推斷，當(dāng)d3→2越小，也就越大。以d2→1和d3→2為橫縱坐標(biāo)，系統(tǒng)相圖如圖3所示。整個(gè)系統(tǒng)狀態(tài)分為5個(gè)區(qū)域：

- Zone 1，車輛2違反RSS規(guī)則、車輛3沒有違反違規(guī)；

- Zone 2，車輛2和3都沒有違反規(guī)則；

- Zone 3，車輛3和2都違反了安全規(guī)則；

- Zone 4，車輛2沒有違反規(guī)則、車輛3違反了規(guī)則，并且由于車輛3違反規(guī)則、導(dǎo)致車輛2面臨兩難困境；

- Zone 5，車輛2沒有兩難決策、車輛3違反了規(guī)則。

圖3中，zone4和zone5的界面（critical line）即為臨界距離。

圖3 Dilemma specification