随着大数据、5G通信和人工智能等新技术的迅猛发展,智能交通系统正逐步从传统阶段向“智能网联”阶段过渡,以自动驾驶为核心的新一代智能交通系统成为当前研究热点。因高速公路行驶环境相对封闭和稳定,以及具有较好的软硬件设备基础,能够为自动驾驶技术的应用提供优先落地途径。作为新兴自动驾驶技术,网联自动驾驶车辆近年来得到了学术界的广泛关注,并在理论和实践应用中取得一定进展,如目前各大汽车企业采用自动化车辆控制系统为主的解决方案。上述方案本质是在一定程度上车辆即可实现自动驾驶,不需要或少部分需要道路基础设施协助（如交通控制中心）。但目前针对智能网联初级阶段环境下自动驾驶关键技术的研究较少,由于通信技术未能大规模进行部署,不能获取全部自动驾驶车辆状态信息,会增加交通决策复杂性,严重制约这一技术的应用。但在此智能网联阶段下,高速公路系统通过改造和升级能够具有大范围感知和通信以及决策优化的能力。在此发展趋势下,车路协同自动驾驶技术提供了一种解决自动驾驶车辆混合交通流问题的全新思路和实施途径。本文立足于智能网联初级阶段,以智能网联环境下自动驾驶车辆混合交通流为研究对象,包括网联自动驾驶车辆（Connected and Automated Vehicle,CAV）、非网联自动驾驶车辆（Automated Vehicle,AV）和网联自动驾驶车队（CAV Platoon,CAVP）。介绍智能网联环境下基于自动驾驶的交通系统组成和应用流程,协同车辆和道路的运营优势,基于反馈控制和最优控制算法,提出基于车路协同决策的自动驾驶车辆跟驰和换道控制方法。结合CAVP中车辆降级/升级特征,设计涵盖AV和CAVP驾驶模式切换的一体化CAVP分布式控制系统。分析通讯拓扑结构和控制模式特征,提出基于车路协同决策的CAVP分布式和集中式控制方法,为网联自动驾驶车队的实践应用提供多种解决方案。本文主要内容及成果包含如下几方面:第一,对智能网联环境下基于自动驾驶的交通系统组成及其应用架构进行研究,考虑智能网联环境下道路的升级作用,协同车辆和道路的运营优势,应用基于车路协同自动驾驶技术的解决方案。首先阐述智能网联环境下基于自动驾驶的交通系统中道路、车辆和通讯三大关键子系统,以及感知、决策和控制三大自动驾驶功能。参考国际汽车工程师协会对车辆自动化驾驶的等级定义,本文提出基于道路的智能分级定义,包括无信息化/无智能化/无自动化（I0）至基于道路基础设施的完全自动驾驶（I5）六个等级。分析车辆和道路技术水平和发展趋势,明确本文研究的智能网联初级阶段环境,阐述系统具体的应用流程。第二,提出基于车路协同决策的自动驾驶车辆跟驰控制方法。本文以交通流量作为优化目标,以车队稳定性为约束条件,从控制模式和信息模式方面进行应用,其中控制模式分为严格和宽松,信息模式分为车路通信和车路通信+可变信息板。并考虑多种自动驾驶车辆混合交通流场景开展理论分析和仿真验证。研究表明相比于严格控制模式,适当地松弛车队头尾稳定性条件,能够对多个CAV实现协同控制,从而提高交通流量和确保整体的头尾稳定性。通过增加信息模式可促进AV执行控制指令,从而通过增加控制车辆数目提供更加有效地任务分配方案,有利于改善交通效率。第三,提出基于车路协同决策的自动驾驶车辆换道控制方法。适用于通信技术应用受限的场景,通过道路感知周围车辆的运动状态和预测车辆的控制参数,从安全、效率和舒适角度构建协同换道控制方法,并与非协同控制方法进行对比分析。分析周围车辆运动状态存在感知误差情况下车辆轨迹的可达性集合,计算不同情况下车辆的总运行成本并进行自动驾驶决策的调整。结果表明,结合道路和车辆的运营优势,所提出的换道控制方法能够为车辆提供最优的自动驾驶决策,并有效提高换道成功率。第四,针对车辆汇入或通信中断导致车辆降级/升级等交通场景,提出涵盖AV和CAVP驾驶模式切换的一体化CAVP分布式控制系统,并应用稳定性理论对本文提出的CAVP控制系统进行分析和仿真验证。结果表明与Plog’s控制系统相比,提出的控制系统采用较好的稳定性表现。通过交通仿真实验,验证本文提出的CAVP系统能够有效改善交通效率、安全和扰动。考虑决策主体的差异,提出基于车路协同决策的CAVP分布式控制方法,分析两种控制方法对于道路交通运行的控制效果。为CAVP分布式控制系统的优化设计提供科学支撑。第五,基于集中式通讯拓扑结构,提出基于车路协同决策的CAVP集中式控制方法。通过道路感知和预测周围车辆的运动状态和控制参数,拓展CAVP控制系统的状态空间和控制向量,构建适用于自动驾驶混合流的CAVP集中式控制方法。针对车道变窄或关闭场景对提出的控制方法展开仿真实验。结果表明,相比于基于车辆决策的控制方法,基于车路协同决策的控制方法能够有效降低安全风险和减少总旅行时间,其中协作控制相比于非协作控制模式具有更好的控制表现。针对不同换道车辆组合案例分析可知,包括CAV的换道组合具有更好的交通运行效果。