Car-following behavior has been extensively studied using physics-based models, such as the Intelligent Driver Model. These models successfully interpret traffic phenomena observed in the real-world but may not fully capture the complex cognitive process of driving. Deep learning models, on the other hand, have demonstrated their power in capturing observed traffic phenomena but require a large amount of driving data to train. This paper aims to develop a family of neural network based car-following models that are informed by physics-based models, which leverage the advantage of both physics-based (being data-efficient and interpretable) and deep learning based (being generalizable) models. We design physics-informed deep learning car-following (PIDL-CF) architectures encoded with two popular physics-based models - IDM and OVM, on which acceleration is predicted for four traffic regimes: acceleration, deceleration, cruising, and emergency braking. Two types of PIDL-CFM problems are studied, one to predict acceleration only and the other to jointly predict acceleration and discover model parameters. We also demonstrate the superior performance of PIDL with the Next Generation SIMulation (NGSIM) dataset over baselines, especially when the training data is sparse. The results demonstrate the superior performance of neural networks informed by physics over those without. The developed PIDL-CF framework holds the potential for system identification of driving models and for the development of driving-based controls for automated vehicles.


翻译:利用物理学模型,如智能驱动模型,对跟踪汽车行为进行了广泛的研究。这些模型成功地解释了在现实世界中观察到的交通现象,但可能没有完全捕捉到驾驶的复杂认知过程。另一方面,深层学习模型展示了它们捕捉观察到的交通现象的力量,但需要大量的驱动数据来培训。本文旨在开发一套以物理模型为基础的神经网络驱动汽车行为模型,这些模型利用物理模型的优势,这些模型利用基于物理的(数据效率和可解释的)和基于(可通用的)深层次学习模型的优势。我们还设计了物理知情的深层学习汽车跟踪(PID-CF)结构,这些结构由两种流行的物理模型(IDM和OVM)编码成,预计这四种交通系统将加速:加速、减速、推进和紧急制动。对基于物理模型的两种问题进行了研究,其中一种只是预测加速度,另一种是联合预测加速度和发现模型参数。我们还展示了PIDL的优异性性能性能,在不使用高级智能智能驱动器的系统下展示了这些高级性能定位数据定位模型。

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