編者按   如何實(shí)現(xiàn)對(duì)智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)（VUT/SUT）與兩輪車(chē)之間的雙向交互過(guò)程的仿真，尤其是在城市道路中交叉口場(chǎng)景強(qiáng)交互情景（軌跡交叉）下的仿真，是我們此次想探討的話題。從這種交通沖突的暴露率和危害率等角度看，仿真測(cè)試的必要性毋庸置疑。從相關(guān)研究現(xiàn)狀的角度看，能夠?qū)崿F(xiàn)強(qiáng)交互模擬的兩輪車(chē)行為模型的發(fā)展遠(yuǎn)滯后于同類的車(chē)輛行為模型（駕駛員模型）和行人運(yùn)動(dòng)模型。本文基于對(duì)中國(guó)城市路口自然駕駛數(shù)據(jù)的分析，和對(duì)仿真環(huán)境的適配要求分析，對(duì)傳統(tǒng)社會(huì)力模型進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，并基于數(shù)值模擬和仿真模擬分析了新模型（ISFM）的效果，初步探索了其在測(cè)試應(yīng)用上的潛力。  

內(nèi)容概覽  

1. 引言

2. 目標(biāo)：兩輪車(chē)與汽車(chē)的交互行為

3. 示例：現(xiàn)有方法仿真測(cè)試表現(xiàn)

4. 示例：改進(jìn)社會(huì)力模型仿真測(cè)試表現(xiàn)

5. 展望

編者：劉鎮(zhèn)源 陳君毅

1、引言

2023年11月我國(guó)正式發(fā)布了《關(guān)于開(kāi)展智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)準(zhǔn)入和上路通行試點(diǎn)工作的通知》。然而，隨著試點(diǎn)工作的開(kāi)展，目前智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)（Intelligent Connected Vehicles，ICV）與現(xiàn)實(shí)世界中的動(dòng)態(tài)交通參與者的交互表現(xiàn)，尤其是行為多變的兩輪車(chē)，尚不令人滿意。

兩輪車(chē)在交通系統(tǒng)中的現(xiàn)狀：

暴露率高：兩輪車(chē)是交通系統(tǒng)的重要組成。僅中國(guó)，自行車(chē)和電動(dòng)兩輪車(chē)的保有量已超過(guò)4億輛，且未來(lái)仍有不小的上升空間
易受到傷害：2021年全球交通事故中兩輪車(chē)駕駛員死亡占比約達(dá)35%行為不確定性高：部分兩輪車(chē)駕駛員在通勤和送外賣(mài)等情況時(shí)，會(huì)做出闖紅燈行駛（速度不確定），從擁堵車(chē)流中穿梭（軌跡不確定）等行為

綜上，高級(jí)別ICV在面臨由兩輪車(chē)構(gòu)成的復(fù)雜真實(shí)交通環(huán)境時(shí)，如何保證安全，且平衡效率和舒適等各方面性能，成為了目前亟待解決的問(wèn)題。因此，有必要在這類場(chǎng)景下開(kāi)展對(duì)ICV的測(cè)評(píng)。然而，現(xiàn)有測(cè)試法規(guī)中如E-NCAP，C-ICAP等，測(cè)試過(guò)程為汽車(chē)與預(yù)定義軌跡兩輪車(chē)的單向交互，顯然不能夠反映真實(shí)世界中兩輪車(chē)實(shí)時(shí)變化的情況。所以，有必要在測(cè)試任務(wù)中復(fù)現(xiàn)真實(shí)世界的兩輪車(chē)運(yùn)動(dòng)行為，即構(gòu)建兩輪車(chē)運(yùn)動(dòng)行為模型，實(shí)現(xiàn)被測(cè)汽車(chē)與兩輪車(chē)的雙向交互，以支撐更為全面和合理的測(cè)試結(jié)果。

2、兩輪車(chē)與汽車(chē)的交互行為

在真實(shí)世界中，兩輪車(chē)與汽車(chē)交互時(shí)時(shí)刻刻都在發(fā)生，這是兩輪車(chē)行為模型構(gòu)建的重要參考，也即模型復(fù)現(xiàn)的目標(biāo)。研究人員可以通過(guò)分析真實(shí)交互過(guò)程，探尋運(yùn)動(dòng)行為形成的原因，進(jìn)而構(gòu)建更加真實(shí)的兩輪車(chē)運(yùn)動(dòng)行為模型。

下面兩個(gè)動(dòng)圖展示了真實(shí)交通環(huán)境中，兩輪車(chē)與汽車(chē)發(fā)生強(qiáng)交互時(shí)的兩種不同決策行為：超車(chē)和避讓。

超車(chē)：在遇到汽車(chē)時(shí)，兩輪車(chē)速度增加或不變，有時(shí)其運(yùn)動(dòng)方向朝汽車(chē)頭部方向偏移（以保證足夠的超車(chē)空間），優(yōu)先于汽車(chē)通過(guò)沖突點(diǎn)

避讓：在遇到汽車(chē)時(shí)，兩輪車(chē)速度減小或不變，有時(shí)其運(yùn)動(dòng)方向朝汽車(chē)尾部方向偏移（以保證一定的通行效率），落后于汽車(chē)通過(guò)沖突點(diǎn)

圖2 超車(chē)：兩輪車(chē)從車(chē)頭前方超車(chē)

圖3 避讓：兩輪車(chē)從汽車(chē)尾部避讓

以上是兩輪車(chē)與汽車(chē)在真實(shí)世界發(fā)生強(qiáng)交互時(shí)的兩種不同決策行為，在仿真環(huán)境中對(duì)兩輪車(chē)運(yùn)動(dòng)行為建模時(shí)，需要注意模型能否對(duì)真實(shí)行為進(jìn)行良好的復(fù)現(xiàn)。

3、現(xiàn)有方法仿真測(cè)試表現(xiàn)

目前測(cè)試場(chǎng)景中兩輪車(chē)的運(yùn)動(dòng)行為主要通過(guò)以下兩種方法實(shí)現(xiàn)，軌跡預(yù)定義和規(guī)則模型驅(qū)動(dòng)。本小節(jié)選擇Apollo汽車(chē)[1]作為被測(cè)對(duì)象，基于VTD仿真平臺(tái)，對(duì)這兩種方法的測(cè)試過(guò)程進(jìn)行了復(fù)現(xiàn)，并探討了現(xiàn)有方法存在的問(wèn)題。場(chǎng)景如下所示，兩輪車(chē)直行駛過(guò)路口，汽車(chē)相對(duì)兩輪車(chē)橫向駛過(guò)路口。兩輪車(chē)初速度為10km/h，汽車(chē)初速度為15km/h，每種方法兩輪車(chē)與汽車(chē)的初始位置一致。

圖4 強(qiáng)交互場(chǎng)景示意圖

3.1 方法一：軌跡預(yù)定義

軌跡預(yù)定義的兩輪車(chē)與Apollo的交互過(guò)程如下所示。這是典型的單向交互過(guò)程中，即Apollo的行為會(huì)根據(jù)兩輪車(chē)的行為做出響應(yīng)，但兩輪車(chē)的行為不會(huì)隨場(chǎng)景中汽車(chē)行為的改變而改變。重播 方法一：軌跡預(yù)定義的仿真測(cè)試表現(xiàn)從視頻中可以看到，無(wú)論汽車(chē)距離兩輪車(chē)多近多遠(yuǎn)，或是汽車(chē)是否有過(guò)減速動(dòng)作，兩輪車(chē)都只能以預(yù)定義的方式運(yùn)動(dòng)。這種單向交互的測(cè)試方法雖然簡(jiǎn)單直觀且完全可重復(fù)，但其既不能體現(xiàn)出兩輪車(chē)在交互時(shí)的特點(diǎn)（無(wú)真實(shí)性），又受限于具體場(chǎng)景（缺乏泛化性）。

3.2 方法二：簡(jiǎn)單規(guī)則模型

與方法一不同，簡(jiǎn)單規(guī)則模型能夠與Apollo實(shí)現(xiàn)雙向交互，即兩者自身的行為會(huì)隨著對(duì)方的改變而改變，具體雙向交互過(guò)程如下所示。重播 方法二：簡(jiǎn)單規(guī)則模型的仿真測(cè)試表現(xiàn)

從視頻中可以看到，規(guī)則模型待汽車(chē)完全通過(guò)后才開(kāi)始行駛，過(guò)于保守。這類模型只能在滿足規(guī)則設(shè)定的情況下做出相對(duì)合理的行為（如直路場(chǎng)景），而在更為復(fù)雜的交叉口場(chǎng)景，規(guī)則驅(qū)動(dòng)的模型則凸顯出在雙向交互中真實(shí)度較低的問(wèn)題。因此，這種仿真方法難以模擬復(fù)雜的雙向交互過(guò)程，真實(shí)性較差。

綜上，現(xiàn)有兩種方法僅能在特定情況下進(jìn)行應(yīng)用，對(duì)于高級(jí)別ICV的測(cè)試需求無(wú)法滿足。

4、改進(jìn)社會(huì)力模型仿真測(cè)試表現(xiàn)

4.1 方法三：改進(jìn)社會(huì)力模型（ISFM）測(cè)試表現(xiàn)

社會(huì)力模型（Social Force Model，SFM）最初被用于行人運(yùn)動(dòng)建模，其基于物理學(xué)中的粒子模型思想，是對(duì)社會(huì)系統(tǒng)中個(gè)體之間的相互作用和行為演化過(guò)程建模的一種方法。

在此基礎(chǔ)上，我們結(jié)合對(duì)真實(shí)交互過(guò)程的觀察和對(duì)仿真環(huán)境適配要求的分析，對(duì)傳統(tǒng)社會(huì)力模型進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，提出了改進(jìn)社會(huì)力模型（Improved Social Force Model，ISFM），其在仿真中的雙向交互過(guò)程如下面的視頻所示（起始條件與第3節(jié)的設(shè)定保持一致）。

方法三：改進(jìn)社會(huì)力模型的仿真測(cè)試過(guò)程

從視頻中可以看到，ISFM在遇到汽車(chē)前正常行駛，遇到汽車(chē)時(shí)進(jìn)行一定的減速，同時(shí)朝車(chē)尾方向偏移，能夠良好復(fù)現(xiàn)真實(shí)世界中兩輪車(chē)的避讓行為，實(shí)現(xiàn)了測(cè)試過(guò)程中較為真實(shí)的雙向交互。

具體地，三種方法的速度對(duì)比曲線如下所示，能夠看到ISFM具有合理的速度波動(dòng)產(chǎn)生。

圖5 軌跡預(yù)定義、規(guī)則模型與ISFM的速度曲線對(duì)比

4.2 傳統(tǒng)社會(huì)力模型介紹、分析與驗(yàn)證

社會(huì)力模型采用牛頓力學(xué)的思想，將可能對(duì)個(gè)體有影響的對(duì)象抽象為一種「社會(huì)力」，如目標(biāo)地點(diǎn)帶來(lái)的「領(lǐng)航力」，汽車(chē)帶來(lái)的「汽車(chē)力」等。

傳統(tǒng)社會(huì)力模型的社會(huì)力類型及作用：

領(lǐng)航力：驅(qū)動(dòng)個(gè)體前往目標(biāo)地點(diǎn)

邊界力：將個(gè)體的運(yùn)動(dòng)約束在一定范圍內(nèi)汽車(chē)力、其他兩輪車(chē)力：相互排斥、避免碰撞

傳統(tǒng)社會(huì)力模型中，兩輪車(chē)直行通過(guò)路口時(shí)，其可能受到的社會(huì)力如下圖所示。

圖6 傳統(tǒng)社會(huì)力模型概念圖

在傳統(tǒng)社會(huì)力模型中，兩輪車(chē)受到的汽車(chē)力為兩點(diǎn)間斥力的形式，這會(huì)使得兩輪車(chē)速度下降的同時(shí)方向朝車(chē)頭方向偏離，造成與真實(shí)行為相矛盾的情況發(fā)生，下面的動(dòng)圖展示了傳統(tǒng)社會(huì)力模型的交互過(guò)程。

4.3 改進(jìn)社會(huì)力模型介紹、分析與驗(yàn)證

經(jīng)過(guò)上述分析，傳統(tǒng)社會(huì)力模型在強(qiáng)交互場(chǎng)景中表現(xiàn)與真實(shí)結(jié)果差異較大的原因是汽車(chē)力的設(shè)計(jì)不合理，因此，在ISFM中對(duì)「汽車(chē)力」進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，如下圖所示。

圖8 改進(jìn)社會(huì)力模型（ISFM）概念圖

在ISFM中，汽車(chē)力由避讓力和超車(chē)力兩部分組成，介紹如下：

避讓力：兩輪車(chē)縱向減速，橫向朝車(chē)尾偏移

超車(chē)力：在滿足超車(chē)條件時(shí)（兩輪車(chē)速度大于汽車(chē)速度），兩輪車(chē)縱向加速，橫向朝車(chē)頭偏移

其中，為了更合理的復(fù)現(xiàn)真實(shí)交互行為，與橫向相關(guān)的力設(shè)置了一個(gè)生效范圍，當(dāng)且僅當(dāng)汽車(chē)出現(xiàn)在范圍內(nèi)時(shí)，該橫向相關(guān)的力生效。

  

圖9 避讓力示意圖

圖10 超車(chē)力示意圖

關(guān)于ISFM更詳細(xì)的介紹，感興趣的讀者可以檢索文章題目[2]進(jìn)行查閱。

同4.2小節(jié)展示的真實(shí)交互案例，ISFM的交互過(guò)程如下所示，可以看到ISFM能夠在一定程度上復(fù)現(xiàn)兩輪車(chē)的真實(shí)行為。

改進(jìn)社會(huì)力模型（ISFM）交互與真實(shí)交互結(jié)果對(duì)比(模擬結(jié)果與真實(shí)結(jié)果一致性高)

4.4 改進(jìn)社會(huì)力模型測(cè)試過(guò)程分析

本小節(jié)將對(duì)ISFM的仿真交互過(guò)程進(jìn)行進(jìn)一步的分析。需要說(shuō)明的是，為了使得ISFM的輸出能夠與仿真軟件中接收的控制信號(hào)合理匹配，ISFM中與橫向相關(guān)的力都以前輪轉(zhuǎn)角的形式解算，與縱向相關(guān)的力仍以縱向加速度的形式解算。

場(chǎng)景1/避讓場(chǎng)景：兩輪車(chē)由ISFM控制，初速度為10km/h，汽車(chē)以18km/h勻速左轉(zhuǎn)。重播 避讓場(chǎng)景：改進(jìn)兩輪車(chē)社會(huì)力模型（ISFM）避讓汽車(chē)

上述交互過(guò)程中，各時(shí)刻下汽車(chē)力和導(dǎo)航力的具體信息如下圖所示。從圖中可以明顯看到，隨著汽車(chē)與兩輪車(chē)之間的距離不斷靠近，兩輪車(chē)縱向減速度逐漸增大，同時(shí)隨著汽車(chē)力（轉(zhuǎn)角）開(kāi)始作用，兩輪車(chē)也朝著汽車(chē)尾部方向偏移，有效地解釋了模型運(yùn)動(dòng)過(guò)程。

圖12 避讓行為：各時(shí)刻下兩輪車(chē)所受到的社會(huì)力

場(chǎng)景2/超車(chē)場(chǎng)景：兩輪車(chē)由ISFM控制，初速度為15km/h，汽車(chē)以10km/h勻速行駛。重播 超車(chē)場(chǎng)景：改進(jìn)兩輪車(chē)社會(huì)力模型（ISFM）超過(guò)汽車(chē)下圖也同樣展示了該場(chǎng)景下兩輪車(chē)各時(shí)刻所受到的社會(huì)力信息，表明較高速度下的兩輪車(chē)所受到的汽車(chē)力并沒(méi)有一味地使其減速、避讓，兩輪車(chē)也能夠?qū)崿F(xiàn)加速、超車(chē)的動(dòng)作。

圖13 超車(chē)行為：各時(shí)刻下兩輪車(chē)所受到的社會(huì)力

5、總結(jié)與展望

城市道路中的兩輪車(chē)行為復(fù)雜，軌跡多變，很多人類駕駛員對(duì)其的軌跡預(yù)測(cè)也時(shí)常面臨挑戰(zhàn)，未來(lái)高級(jí)別ICV的落地也必然要面臨與兩輪車(chē)交互的難題，而測(cè)試是解決和驗(yàn)證交互過(guò)程的必由之路。

本文針對(duì)強(qiáng)交互場(chǎng)景，首先探討了現(xiàn)有測(cè)試方法的局限性，并在同樣的場(chǎng)景設(shè)置下，對(duì)比分析改進(jìn)社會(huì)力模型（ISFM）的仿真測(cè)試表現(xiàn)，體現(xiàn)了ISFM和Apollo在測(cè)試中的雙向交互潛力。最后，展示了避讓和超車(chē)的兩個(gè)交互實(shí)例并更具體地呈現(xiàn)了ISFM在交互過(guò)程中的社會(huì)力變化情況。

在未來(lái)，有更多的兩輪車(chē)交互行為及場(chǎng)景期待被復(fù)現(xiàn)，如兩輪車(chē)轉(zhuǎn)彎，兩輪車(chē)集群通過(guò)路口，兩輪車(chē)從擁堵的車(chē)流中穿梭等等。此外，研究人員可以使用潛力更大的方法（如機(jī)器學(xué)習(xí)、大語(yǔ)言模型）對(duì)復(fù)雜的兩輪車(chē)運(yùn)動(dòng)行為進(jìn)行建模，進(jìn)而有效地支撐高級(jí)別ICV性能的測(cè)試和驗(yàn)證。

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6、致謝

感謝HEXAGON & MSC Software提供的自動(dòng)駕駛仿真軟件VTD的支持

感謝sinD團(tuán)隊(duì)[3]提供的十字路口軌跡數(shù)據(jù)集（http://github.com/SOTIF-AVLab/SinD）

感謝計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院、土木工程學(xué)院和汽車(chē)學(xué)院的三位本科生同學(xué)（王麒懿、秦蛟和王俊杰同學(xué)）在模型優(yōu)化、數(shù)據(jù)處理和仿真接入等方面的研究貢獻(xiàn)

參考文獻(xiàn)：

[1] BAIDU: Apollo. [EB/OL]. [2024-11-19]. https://apollo.baidu.com/(2024). 

[2] Liu Z, Zhong N, Chen J, et al. A modeling method for two-dimensional two-wheeler driving behavior during severe conflict interaction at intersections[J]. Accident Analysis & Prevention, 2024, 205: 107668.

[3] Xu Y, Shao W, Li J, et al. SIND: A Drone Dataset at Signalized Intersection in China[C]//2022 IEEE 25th International Conference on Intelligent Transportation Systems (ITSC). IEEE, 2022: 2471-2478.

責(zé)編丨高炳釗