[论文解读] A Review on Cooperative Adaptive Cruise Control (CACC) Systems: Architectures, Controls, and Applications

Ziran Wang, Guoyuan Wu+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 8, 2018

Traffic control and management参考文献 60被引用 5

一句话总结

本文全面综述了协同自适应巡航控制（CACC）系统，分析了系统架构、控制方法及实际应用。通过整合全球研究成果，凸显了CACC在提升交通安全性、通行效率与可持续性方面的作用，通过车辆编队与V2X通信实现，同时指出了在车联网与自动驾驶技术领域中的关键挑战与未来研究方向。

ABSTRACT

Connected and automated vehicles (CAVs) have the potential to address the safety, mobility and sustainability issues of our current transportation systems. Cooperative adaptive cruise control (CACC), for example, is one promising technology to allow CAVs to be driven in a cooperative manner and introduces system-wide benefits. In this paper, we review the progress achieved by researchers worldwide regarding different aspects of CACC systems. Literature of CACC system architectures are reviewed, which explain how this system works from a higher level. Different control methodologies and their related issues are reviewed to introduce CACC systems from a lower level. Applications of CACC technology are demonstrated with detailed literature, which draw an overall landscape of CACC, point out current opportunities and challenges, and anticipate its development in the near future.

研究动机与目标

• 综合全球关于协同自适应巡航控制（CACC）系统的研究，以理解其当前的发展状态。
• 从高层系统视角分析CACC系统架构，重点关注通信与协同框架。
• 评估CACC中使用的多样化控制方法，包括稳定性、串列稳定性及对时延的鲁棒性。
• 考察现实世界中的应用与案例研究，展示CACC在混合交通与自动化环境中的性能表现。
• 识别CACC部署中的开放性挑战与未来研究机遇，包括可扩展性、安全性以及与更广泛智能交通系统的集成。

提出的方法

• 对2000年至2018年间的CACC研究进行系统性文献综述，重点关注同行评审期刊与会议论文。
• 基于通信与控制结构，将CACC架构分类为集中式、分布式与混合式三种模型。
• 对控制策略进行分类与比较，包括线性二次型调节器（LQR）、模型预测控制（MPC）以及基于一致性控制的方法。
• 分析串列稳定性及编队性能指标，如车头间距、时延鲁棒性与收敛行为。
• 引入V2X（车对一切）通信模型，评估数据交换的可靠性与时延影响。
• 评估现实世界试验平台与仿真系统，以检验CACC系统的实际可行性与可扩展性。

实验结果

研究问题

• RQ1 CACC系统中的主导架构设计是什么？它们在可扩展性与可靠性方面有何差异？
• RQ2 各种控制算法如何在存在通信时延与外部扰动的情况下确保串列稳定性与鲁棒性？
• RQ3 在仿真与实际部署中，评估CACC系统所采用的关键性能指标有哪些？
• RQ4 在存在非协作车辆的混合交通环境中部署CACC面临的主要挑战是什么？
• RQ5 V2X通信技术如何影响CACC编队的性能与安全性？

主要发现

• CACC系统通过实现紧密且稳定的车辆编队，使车距最小化，显著提升了交通流效率并降低了燃油消耗。
• 串列稳定性是CACC的关键要求，LQR与MPC等控制方法在有界时延下能有效维持该特性。
• V2X通信支持实时协同，但时延与数据包丢失仍是影响编队稳定性的主要挑战。
• 与集中式模型相比，分布式CACC架构在大规模部署中展现出更好的可扩展性与故障容错能力。
• 实地测试与仿真结果表明，CACC编队可将燃油消耗降低高达15%，并提升高速公路的通行能力。
• 尽管已取得进展，但在包含非联网车辆的混合交通环境中，确保安全性、互操作性与鲁棒性仍面临挑战。