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深度:如何打破自动驾驶的“人机博弈”?西安交大 HOCD 协同驾驶框架全解析

2026-02-02 11:44:21

这是一篇针对面向人的协同驾驶（Human-Oriented Cooperative Driving, HOCD）技术的深度技术分析文章。本文在原有基础上进行了大幅度的内容扩充，深入拆解了其背后的数学模型、算法逻辑及行业价值。

深度：如何打破自动驾驶的“人机博弈”？西安交大 HOCD 协同驾驶框架全解析

在自动驾驶技术从 L2 向 L4/L5 进化的征途中，一个被长期忽视的暗礁正变得日益凸显：人机冲突（Human-Machine Conflict, HMC）。当算法认为应该制动，而人类驾驶员倾向于加速，或者系统规划的轨迹完全背离了人的驾驶直觉时，这种僵硬的协作模式不仅降低了驾驶体验，更可能引发严重的安全隐患。

近日，来自西安交通大学与南洋理工大学的研究团队发表了名为 HOCD（Human-Oriented Cooperative Driving） 的研究成果。该方案通过意图感知轨迹规划与强化学习控制权分配的双层架构，将协同驾驶的冲突率大幅降低，为“单车智能”向“协作智能”的跨越提供了关键技术路径。

一、协同驾驶的三个维度：为什么传统方案行不通？

研究指出，人机协作驾驶是一个涵盖战略层（Strategic）、战术层（Tactical）和操作层（Operational）的层级系统。

战略层负责长期目标（如目的地选择）；
战术层处理实时操作（如避障、变道决策）；
操作层负责具体的执行逻辑（如转向角控制）。

传统方案的局限性： 过去的研究大多只聚焦于操作层的控制权分配（即司机和算法谁出的力多），却忽略了战术层的轨迹规划。如果系统规划出的路径本身就与司机的意图相悖，那么无论在操作层如何分配权限，冲突都不可避免。HOCD 的核心突破就在于：它让系统在动脑筋规划路径时，就先学会了“读懂”司机的意图。

二、战术层深度解析：意图感知的轨迹规划

HOCD 在战术层引入了意图感知（Intention-Aware）机制，确保系统规划的轨迹与人类期望高度对齐。

1. Frenet 坐标系下的解耦建模

为了提高计算效率，HOCD 采用了 Frenet 框架，将车辆在复杂弯道上的运动分解为纵向（沿参考线）和横向（垂直参考线）两个维度。这种处理方式将复杂的二维平面规划简化为两个一维优化问题，极大降低了计算开销。

横向轨迹规划： 使用五次多项式（Quintic Polynomial）建模，通过初始状态（位置、速度、加速度）和目标状态的 6 个约束条件，确保变道或避障过程的平滑性。
纵向轨迹规划： 考虑到匀速行驶需求，采用四次多项式（Quartic Polynomial）进行速度规划。

2. 三重约束过滤机制

生成候选轨迹集后，系统通过严苛的物理约束进行筛选：

曲率检查（Curvature Check）： 确保轨迹曲率不超过车辆的最大转向物理极限。
加速度检查（Acceleration Check）： 避免产生导致乘客不适或车辆失控的过载。
碰撞检查（Collision Check）： 利用圆形边界盒模型，实时计算车辆与障碍物间的几何距离，剔除所有潜在碰撞路径。

3. 核心成本函数：意图一致性

在最优路径筛选阶段，HOCD 引入了创新的成本函数：

其中 （一致性成本） 是 HOCD 的灵魂。它计算规划轨迹与司机期望车道及期望速度的偏差，偏差越小权重越高。这保证了系统不再是冷冰冰地执行避障，而是“顺着司机的意思”去避障。

三、操作层深度解析：基于 PPO 算法的动态控制权分配

在确定了最优轨迹后，系统需要在操作层实时决定：此刻到底该听谁的？

1. 强化学习：从固定逻辑到动态博弈

传统的固定权限分配（FACD）或基于规则的方案（DCCD）往往过于死板，无法应对司机分心或紧急避险等动态场景。HOCD 选择了 PPO（近端策略优化）算法，因为在对比实验中，PPO 的收敛速度和平均回报率显著优于 SAC 和 DDPG 算法。

2. 状态空间与多目标奖励设计

RL 代理实时观测的状态向量包括：算法期望转向角、司机实际转向角、量化的司机状态（如专注、分心）以及车辆的横向偏移等状态。

其奖励函数（Reward Function）实现了多维平衡：

跟踪奖励（Tracking）： 确保车辆不偏离目标轨迹。
人机冲突奖励（Conflict）： 关键项，引导系统在司机状态异常时（如分心，变大）自动提高算法控制权，反之则归还主导权。
舒适度奖励： 惩罚权限的剧烈抖动，防止“抢夺方向盘”的顿挫感。

3. 线性加权融合逻辑

最终执行的转向指令通过线性加权实现平滑切换：。其中，实现了从纯人工驱动到全自动驾驶的连续、无感过渡。

四、实验数据：协同驾驶对“单车智能”的提升

HOCD 在 CARLA 仿真环境及真人环路（Human-in-the-loop）测试中展现了压倒性的优势：

冲突率暴降： 在各种司机状态下，HOCD 的平均人机冲突值为 2.403，而传统固定权限方案（FACD）高达 7.782，性能提升超 3 倍。
安全性提升： 相比纯手动驾驶（MD），HOCD 在安全性指标上的相对改进率达 1.303，显著增强了单车在复杂路况下的边界保护能力。
计算高效性： 尽管引入了复杂的神经网络，但其单步推理时间仅为 1.1799ms，远低于自动驾驶控制周期要求的 10ms，完全满足实车部署需求。

五、应用价值与未来趋势：迈向“人马合一”

HOCD 的意义不仅在于一套算法，而在于它提供了一种以人为本（Human-Oriented）的智能化路线图：

多场景适配价值：

分心抑制： 当司机因疲劳导致车辆偏离时，权限自动提升至 0.8，平滑修正轨迹。
盲区补偿： 司机试图在盲区有车时变道，系统通过提高权限强制维持车道，并规划新避险路径。
系统失效兜底： 当传感器或规划模块突然失效时，系统能迅速将权限降至 0，实现控制权的平滑移交，避免系统崩溃导致的事故。

未来演进方向：

深度个性化： 利用深度学习为不同驾驶风格（激进、稳健、文化差异）定制专属的协作模型。
多模态感知： 结合脑机接口（BCI）或生理信号（如心率、眼动）直接获取人类更深层的心理预期。
真实环境部署： 方案将从仿真器走向真实城市道路，验证其在复杂极端天气和非结构化道路下的鲁棒性。

总结：协同驾驶并非单车智能的替代品，而是其最高级形态。HOCD 技术框架通过在战术层“读懂心意”和操作层“柔性控权”，解决了人机共驾中最大的摩擦力。

技术隐喻：传统的辅助驾驶像是一个死板的教官，无论你如何操作，它只管拉扯你的方向盘；而 HOCD 协同驾驶则像是一位默契的探戈舞伴，它能感知你的每一个发力趋势，在你自信时提供轻微支撑，在你失误时优雅地带你重回舞池中心。这种“人马合一”的境界，才是自动驾驶技术真正获得公众信任、走向大规模落地的终极密钥。