車路協同技術在信號交叉口中的應用綜述

徐陳群,張 琪,李 強,陳艷艷,張恒毅,陳 寧

[1.中路未來（北京）交通技術研究院有限公司,北京 100029; 2.北京工業大學北京市交通工程重點實驗室,北京 100124;3.哈爾濱工業大學交通科學與工程學院,哈爾濱 150090]

0 引言

近年來，城市居民汽車保有量大幅增加，導致城市道路交通狀況日益復雜，降低了車輛在交叉口的通行效率，導致交叉口交通擁堵和交通污染問題嚴重。車路協同技術包括車載單元技術、路側單元技術、云控平臺技術、車車通信技術和車輛與基礎設施通信技術等。通過車載設備和路側設備，基于無線通信技術，車路協同系統可以實現車輛與車輛之間、車輛與基礎設施之間信息的實時交互，進而利用車載控制系統和云控平臺實現車輛和車輛之間、車輛和基礎設施之間的智能協同，達到優化利用系統資源、緩解道路交通擁堵、減少車輛尾氣排放量的目的[1-2]。隨著技術的不斷成熟，車路協同技術正在由理想變為現實。研究人員越來越聚焦于利用車路協同技術解決信號交叉口交通擁堵和交通污染問題，車路協同技術在信號交叉口中的應用成為交通研究與應用的熱點問題[3-6]。該文通過系統回顧車路協同技術在信號交叉口中的應用，客觀評價這些方法的優缺點，以支持未來的研究。

1 車路協同技術在交叉口信號控制中的應用

車路協同技術的快速發展為交叉口信號控制的優化設計提供了新的可能。通過路端、云端設備與車端設備的交互，車路協同采用無線通信、傳感探測、視頻檢測等手段，實現了對交叉口區域人、車、路信息的實時、精確和全面感知[7]。基于此，云控平臺能夠對交叉口交通信號進行更加精細化和智能化的配時，大大提高交叉口車輛的通行效率[8]。

Cai C等人[9]利用車路協同技術對交叉口信號控制進行了研究，將車輛速度和位置作為狀態變量，構建了信號控制問題的狀態空間。使用速度和位置作為狀態變量的優點是可以避免實時預測車輛排隊長度的困難。

Younes M等人[10]采用ITLC算法提出了一種主干道交通燈（ATL）控制算法。ITLC算法利用先進的車車、車輛與基礎設施通信技術來收集信號交叉口所有交通流向的實時交通信息。當信號相位重置時，車道密度最大的流向對應的車輛將首先通過交叉口。ATL算法利用動脈因子（AFi）來設置每個紅綠燈的相位序列。仿真結果表明，與傳統的交通信號控制方案相比，ATL控制算法大幅提高了交叉口的車輛運行效率，使交叉口的平均車輛延誤降低了10%。

為了讓交叉口更加智能化，Wang G等人[11]提出了一種基于三級緩沖區（TLB）的虛擬交通燈（VTL）方案，稱為TLB-VTL方案?；谲囓囃ㄐ偶夹g和車輛與基礎設施通信技術，該方案根據各車道的交通流量將交叉口劃分為三個區域，并根據交叉口周圍TLB的流量實時計算出信號相位時序。為了確保公平，每個流向的車輛通過交叉口的概率差被限制在較低的水平。此外，Wang G等人還提出了一種協同避碰預測控制（CCAP）算法。該算法通過預測沖突，生成整個路網的有效車輛調度方案，幫助車輛在不停車的情況下通過下一個交叉口。仿真結果表明，與傳統信號控制算法相比，TLB-VTL算法大大降低了交叉口的平均車輛延誤，有效緩解了交叉口的交通擁堵問題。CCAP算法可以使車輛在不產生停車和交通沖突的情況下通過下一個交叉口。

Hon F等人[12]開發了一個動態交通信號控制系統。此系統在交叉口附近架設基站（BS），由基站通過蜂窩、Wi-Fi、WiMax或DSRC與車載傳感器和路側傳感器通信，實時檢測交叉口附近的交通流量后，由云服務器根據每個流向的當前交通流量為其分配優先級，然后利用動態優化算法計算綠燈相位時間（GLPT），對交叉口的交通信號進行動態調節。仿真結果表明，同定時交通信號控制系統相比，該系統使交叉口的車輛排隊長度和等待時間分別減少了68%和67%。

2 車路協同技術在交叉口車輛協同駕駛中的應用

隨著自動駕駛技術的發展，智能車輛已經提高了它們在受控環境下高度甚至完全自動化行駛的能力。隨著車路協同技術的發展，通過車輛與基礎設施通信技術、傳感探測技術和視頻檢測技術，云控平臺可以獲得周圍車輛的速度、加速度、車輛間距等車輛信息以及路網交通信息。這使得云控平臺根據交叉口區域的交通信息對智能車輛進行協同控制成為可能[14]。

He Q等人[13]提出了一種基于隊列的方法，稱為PAMSCOD，用于在通信環境下，針對多種車輛行駛模式，進行干線交通信號控制。首先，他們提出了一種基于車頭時距的隊列識別算法，對現有隊列和接近交叉口的重要隊列進行識別。其次，利用MILP方法，根據當前的交通控制器狀態、在線排隊數據和公交等特殊車輛的優先請求情況，確定最優信號控制方案。仿真結果表明，與傳統的基于時間優化的感應信號控制相比，PAMSCOD在非飽和和過飽和交通條件下都能顯著減少交叉口的平均車輛延誤。

Hult R等人[14]采用有限時間約束最優控制方法，以交叉口局部費用之和為優化目標，對車路協同環境下自動駕駛車輛通過交叉口時的協同控制問題進行了研究。

Jiménez F等人[15]設計了一個用于信號交叉口的駕駛員輔助系統。該系統會在檢測到交叉口存在沖突風險時警告駕駛員，并在必要時控制車輛?；谙冗M的感知技術、自動駕駛技術、車車通信技術以及車輛與基礎設施通信技術，該系統構建了一個基于計算機視覺技術和激光掃描技術的傳感器融合體系結構，可以實時檢測障礙物并加以分類，識別潛在風險。如果駕駛員沒有以正確的方式對待系統生成的警告，車輛會進行自主操作（速度控制或轉向）以保證安全。

Li J等人[16]提出了一種新的交叉口車輛協調控制方法，以減少交叉口的平均車輛延誤。首先，控制中心通過車輛與基礎設施的通信接收車輛到達交叉口的時間范圍。然后，基于遺傳算法對車輛通過交叉口的序列進行優化，并分別發送到每輛車上。最后，車輛根據控制中心給定的順序控制其速度?；诜抡媸侄?，通過與其他交叉口車輛協調控制方法進行比較，證明了該方法的有效性。

針對車路協同技術在交叉口的應用中需要高精度的車輛定位的問題，Zhang T等人[17]提出了一種交叉口區域車輛行駛軌跡建模方法，對交叉口區域的車輛進行連續準確定位，以有利于自動駕駛車輛做出更好的駕駛決策，提高交叉口交通運行效率。

針對車路協同環境，David G等人[18]將車輛進出交叉口的駕駛過程分為駛入交叉口、交叉口內駕駛和駛出交叉口三個階段，并生成參數方程以優化自動駕駛車輛在交叉口區域內的駕駛行為。

基于車路協同技術，Pw A等人[19]開發了一個同時優化網聯車輛速度和交叉口信號配時方案的控制模型。通過對網聯車輛的速度進行誘導，該模型可以將網聯車輛編隊行駛，以有效降低交叉口車輛停車等待時間。該模型同時優化了交叉口的定時信號配時方案。研究結果表明，與MAXBAND模型相比，該模型可以有效減少交叉口的平均車輛延誤，提高交通運行效率。

Zhen Y等人[20]提出了一個車輛協同駕駛方案?；谲囓囃ㄐ藕蛙囕v與基礎設施通信所獲得的信息，控制中心生成交叉口最優信號配時方案。在生成每輛車詳細軌跡的同時，控制中心可以為具有網聯功能的車輛提供車輛軌跡誘導。研究結果表明，該方案可以有效降低車輛燃油消耗量。

在車路協同環境下，Yao Y等人[21]提出了一種車輛流向分組策略?；谲嚶穮f同技術，在車輛到達停止線前，根據流向對車輛進行分組，開發了基于滾動時間范圍的排序策略，以實現不確定車輛到達情況下的實時協調。研究結果表明，所提出的策略能夠有效改善交叉口交通運行效率，具有良好的魯棒性。

3 車路協同技術在交叉口車輛生態駕駛中的應用

基于車路協同技術，云控平臺能夠根據實時、精確、全面的交通信息對交叉口交通信號進行更加精細化和智能化的配時，并對交叉口區域的智能車輛進行協同控制，大大提高了交叉口的運行效率，減少了交叉口的車輛延誤和停車次數，進而降低了車輛尾氣排放量。

為了提高車輛燃油效率，Yang H等人[22]提出了一種生態協同自適應巡航控制（eco-CACC）系統和一種基于eco-CACC系統的信號交叉口燃油最優車輛軌跡算法。仿真結果表明，與優化前相比，所提出的Eco-CACC系統可以節省40%左右的汽車燃油消耗量。

在車路協同環境下，Nunzio G D等人[23]提出了一種交叉口車輛生態駕駛算法。該算法利用有向加權圖逼近車輛的最優路徑，能夠對最節能的車輛軌跡進行先驗辨識，然后向駕駛員建議最佳車速，從而使車輛通過一系列交叉口時，信號燈始終保持綠燈，從而有效降低車輛能耗。將所提出的算法與動態規劃算法提供的最優解進行比較，以驗證其有效性。結果表明，該算法計算量小，魯棒性強，易于應用。

在車路協同環境下，Jin Q等人[24]提出了一種最優車輛控制算法。在計算最大程度地降低車輛能耗的最優速度曲線時，該算法不僅考慮了車輛的自身特性（如發動機效率和變速器），還考慮了外部信息，包括道路等級、即將到來的交通信號燈的狀態和周圍車輛的行駛信息等。與傳統車輛控制算法相比，該算法可通過向即將通過信號交叉口的車輛提供建議車速來降低車輛通過交叉口時的能耗。

為解決城市區域內通過兩個相鄰交叉口的網聯自動駕駛車輛的協調控制問題，Zhang Y J等人[25]提出了一個分散最優控制框架。在最小化燃油消耗量和避免碰撞的前提下，該框架可以使每輛車都能以最優速度通過交叉口。通過對波士頓市中心兩個交叉口的仿真實驗，驗證了該框架的有效性，研究結果表明車路協同環境下對車速的有效誘導可以顯著降低燃油消耗量和車輛行程時間。

Liao, R等人[26]研究了車路協同技術對交叉口車輛尾氣排放量的影響，研究發現隨著網聯車輛比例增高，車輛制動和怠速的頻率越低，車輛尾氣排放量顯著下降。

Hu L等人[27]提出了一種基于車輛生態駕駛的信號交叉口車輛最優路徑算法。基于車輛與基礎設施通信技術，獲得各路段車輛的平均速度和各交叉口的信號燈配時方案，據此向車輛推薦最優路徑和通過交叉口時的最佳速度。尋優算法以車輛能耗最低為優化目標。測試結果表明，與傳統車輛最優路徑算法相比，該算法可有效降低交叉口區域的車輛能耗。

Wang Z等人[28]研究了車路協同環境下，網聯自動駕駛車輛滲透率對交叉口車輛能耗的影響，研究結果表明，隨著網聯自動駕駛車輛滲透率提高，交叉口車輛能耗隨之減少。

4 結語

該文綜述了車路協同技術應用于信號交叉口的相關研究。研究的重點是如何提高交叉口交通運行效率，降低車輛能耗。車路協同技術的發展使得汽車不再是傳統意義上的交通工具，賦予了其信息采集與交互平臺的角色，借助于車路協同技術，交叉口的交通治理手段也越來越智能化。通過車載單元技術和路側單元技術，車輛和路側單元均可以采集到大量交通信息，通過車車通信和車輛與基礎設施通信技術，可以實現車輛之間、車輛與基礎設施之間的信息交互，通過對信息進行數據分析，基于優化目標（如最小化平均車輛延誤、車輛能耗最低等），為車輛提供實時的速度和行駛軌跡建議，對智能車輛進行編隊行駛，并對交叉口信號配時進行動態調整。車路協同技術正展現出其在信號交叉口應用中的廣闊前景。未來，一是要借助5G通信技術，進一步提高通信精度，保證信息的實時交互；二是借助人工智能技術，打造“聰明的車”和“智慧的路”；三是從交通管理角度出發，優化交叉口渠化設計。