智能驾驶车辆行车安全的两难困境和不可能三角场景

智能驾驶车辆行车安全的两难困境和不可能三角场景

环境交通流行为是影响智能车辆行车安全的重要因素。不良的环境交通流行为给本车带来风险。特定参数组合（驾驶员反应时间、最大加减速等）、特定状态组合（位置、速度等）下，智能车辆面临特殊安全决策困境：一旦触发事件发生（如前车急停），系统状态不可避免导向交通碰撞、而与本车具体决策无关。本车决策只能决定和环境交通流中的哪辆车碰撞、以何种状态碰撞。本文以纵向驾驶为例，论述了满足上述特征的两难困境（Dilemma）和不可能三角（Trilemma）场景、并推广至不可能N角（polylemma），随后计算了highD和zen数据集中polyLemma持续时间比例的概率分布。为避免陷入决策困境，提出了人类驾驶员容错（HET, human error tolerant）驾驶策略，该驾驶策略通过调整安全间距、调整自身行为参数（减速度），对其他车辆的错误行为进行缓冲。

关键词：驾驶行为；安全间距；责任敏感模型；汽车安全；交通安全；

➡本文主要内容（约7300字，建议收藏阅读）

01.车辆的安全间距

为保证安全，本车必须与其他车辆保持一定的间距（下文称“安全间距”）。虽然安全间距模型不是本文讨论主题，但仍然需要一个具体的安全间距模型作为讨论起点。安全间距有多种理论模型和表达形式（如Pipe ,1953; Forbes , 1963及1968;  Gipps ,1981）。不失一般性，本文以RSS模型（责任敏感模型或称responsibility sensitive safety，Shalev-Shwartz、Shammah等，2017）为基础讨论Dilemma/ Trilemma场景。

RSS的基本设定如下，假定车辆1为前车、车辆2为后车，车辆的位置表示为X1和X2，初始速度分别为v1,0和V2,0。车辆2的反应时间为τ2。现考虑车辆2为了保证安全需要与前车保持最小间距。为推导，做如下假设：初始时刻，车辆1急减速、减速度为ā2；在反应时间内，车辆2采用加速度，之后采用减速度ā2直至停车。在上述假设下，最小安全间距计算公式（详细推导过程见Sidorenko et al., 2022）如下所示。

如果ā1≥ā2：

如果ā1＜ā2：

的物理含义简单明了：只要车辆2 保持最小间距，两车之间不会发生碰撞。由于假设条件中，车辆2在反应时间内采用加速度，因此距离是保守安全距离公式。后续诸多文献对其进行了改进，此处不再赘述。

显然，现实世界中违反RSS规则是常见的现象。图1为实际数据集中、不同速度下违反RSS规则的比例。图1-b为速度—密度（交通流密度，也即单车道平均每公里内的车辆数）关系图，红色分界线为临界RSS，其右侧为违反RSS数据点、左侧为遵守RSS的数据点。

图 1 违反RSS规则的频数分布（Qi，2024）

02.

两难困境Dilemma

2.1 场景描述

基本场景

基本RSS安全间距公式仅考虑了前后两辆车。现在考虑由三辆车组成的队列（如图2 a中间车道），车辆分别表示为 1（人工驾驶车辆）、2（自动驾驶车辆）和 3（人工驾驶车辆）。初始速度分别为v1,0、v2,0、v3,0，车辆2和3的反应时间分别为τ2、τ3。遵循RSS模型推导过程、假设t=0时刻，车辆1使用ā1急减速（图2 b中的stage1）。系统的时间线如图2 b：车辆2在时刻τ2（车辆2对应时间线的stage1）之后进行减速、其减速度为ā2、车辆3在时刻τ2+τ3（车辆3的时间线对应的stage1和stage2）之后减速，减速度为ā3。

图 2 困境描述的减速事件时间线

如果车辆2和车辆3都遵循RSS原则（也即保持足够的安全距离，分别表示为、），上述过程是安全的。如果车辆2保持了安全间距、而车辆 3 违反了 RSS 规则（保持了小于的安全间距），则当车辆1突然制动时，车辆3和2之间仍可能发生碰撞。为避免碰撞，车辆2可以采用较小的减速度、而不是原来的ā2。然而，较小的减速度需要车辆2保持一个更大的安全间距（该距离）。当实际保持的距离d1→2小于时、车辆2就面临着安全决策的两难困境：一旦触发事件发生（此处的触发事件为车辆1以减速度ā1急停），车辆2或者与车辆1碰撞、或者与车辆3碰撞。

从车辆2角度而言，系统状态按照距离d1→2分成三类，如式Eq 3：当，车辆2违反了安全规则；当，车辆2面临两难困境；当，车辆2既没有违反安全规则、也没有两难决策。

可以推断，当d3→2越小，也就越大。以d2→1和d3→2为横纵坐标，系统相图如图3所示。整个系统状态分为5个区域：

- Zone 1，车辆2违反RSS规则、车辆3没有违反违规；

- Zone 2，车辆2和3都没有违反规则；

- Zone 3，车辆3和2都违反了安全规则；

- Zone 4，车辆2没有违反规则、车辆3违反了规则，并且由于车辆3违反规则、导致车辆2面临两难困境；

- Zone 5，车辆2没有两难决策、车辆3违反了规则。

图3中，zone4和zone5的界面（critical line）即为临界距离。

图3 Dilemma specification