車路協(xié)同技術(shù)在信號交叉口中的應(yīng)用綜述

徐陳群,張 琪,李 強(qiáng),陳艷艷,張恒毅,陳 寧

[1.中路未來（北京）交通技術(shù)研究院有限公司,北京 100029; 2.北京工業(yè)大學(xué)北京市交通工程重點實驗室,北京 100124;3.哈爾濱工業(yè)大學(xué)交通科學(xué)與工程學(xué)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(dǎo)致城市道路交通狀況日益復(fù)雜，降低了車輛在交叉口的通行效率，導(dǎo)致交叉口交通擁堵和交通污染問題嚴(yán)重。車路協(xié)同技術(shù)包括車載單元技術(shù)、路側(cè)單元技術(shù)、云控平臺技術(shù)、車車通信技術(shù)和車輛與基礎(chǔ)設(shè)施通信技術(shù)等。通過車載設(shè)備和路側(cè)設(shè)備，基于無線通信技術(shù)，車路協(xié)同系統(tǒng)可以實現(xiàn)車輛與車輛之間、車輛與基礎(chǔ)設(shè)施之間信息的實時交互，進(jìn)而利用車載控制系統(tǒng)和云控平臺實現(xiàn)車輛和車輛之間、車輛和基礎(chǔ)設(shè)施之間的智能協(xié)同，達(dá)到優(yōu)化利用系統(tǒng)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(shù)的不斷成熟，車路協(xié)同技術(shù)正在由理想變?yōu)楝F(xiàn)實。研究人員越來越聚焦于利用車路協(xié)同技術(shù)解決信號交叉口交通擁堵和交通污染問題，車路協(xié)同技術(shù)在信號交叉口中的應(yīng)用成為交通研究與應(yīng)用的熱點問題[3-6]。該文通過系統(tǒng)回顧車路協(xié)同技術(shù)在信號交叉口中的應(yīng)用，客觀評價這些方法的優(yōu)缺點，以支持未來的研究。

1 車路協(xié)同技術(shù)在交叉口信號控制中的應(yīng)用

車路協(xié)同技術(shù)的快速發(fā)展為交叉口信號控制的優(yōu)化設(shè)計提供了新的可能。通過路端、云端設(shè)備與車端設(shè)備的交互，車路協(xié)同采用無線通信、傳感探測、視頻檢測等手段，實現(xiàn)了對交叉口區(qū)域人、車、路信息的實時、精確和全面感知[7]?；诖耍瓶仄脚_能夠?qū)徊婵诮煌ㄐ盘栠M(jìn)行更加精細(xì)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(xié)同技術(shù)對交叉口信號控制進(jìn)行了研究，將車輛速度和位置作為狀態(tài)變量，構(gòu)建了信號控制問題的狀態(tài)空間。使用速度和位置作為狀態(tài)變量的優(yōu)點是可以避免實時預(yù)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(jìn)的車車、車輛與基礎(chǔ)設(shè)施通信技術(shù)來收集信號交叉口所有交通流向的實時交通信息。當(dāng)信號相位重置時，車道密度最大的流向?qū)?yīng)的車輛將首先通過交叉口。ATL算法利用動脈因子（AFi）來設(shè)置每個紅綠燈的相位序列。仿真結(jié)果表明，與傳統(tǒng)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(qū)（TLB）的虛擬交通燈（VTL）方案，稱為TLB-VTL方案?；谲囓囃ㄐ偶夹g(shù)和車輛與基礎(chǔ)設(shè)施通信技術(shù)，該方案根據(jù)各車道的交通流量將交叉口劃分為三個區(qū)域，并根據(jù)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(xié)同避碰預(yù)測控制（CCAP）算法。該算法通過預(yù)測沖突，生成整個路網(wǎng)的有效車輛調(diào)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(jié)果表明，與傳統(tǒng)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(chǎn)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(fā)了一個動態(tài)交通信號控制系統(tǒng)。此系統(tǒng)在交叉口附近架設(shè)基站（BS），由基站通過蜂窩、Wi-Fi、WiMax或DSRC與車載傳感器和路側(cè)傳感器通信，實時檢測交叉口附近的交通流量后，由云服務(wù)器根據(jù)每個流向的當(dāng)前交通流量為其分配優(yōu)先級，然后利用動態(tài)優(yōu)化算法計算綠燈相位時間（GLPT），對交叉口的交通信號進(jìn)行動態(tài)調(diào)節(jié)。仿真結(jié)果表明，同定時交通信號控制系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)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(xié)同技術(shù)在交叉口車輛協(xié)同駕駛中的應(yīng)用

隨著自動駕駛技術(shù)的發(fā)展，智能車輛已經(jīng)提高了它們在受控環(huán)境下高度甚至完全自動化行駛的能力。隨著車路協(xié)同技術(shù)的發(fā)展，通過車輛與基礎(chǔ)設(shè)施通信技術(shù)、傳感探測技術(shù)和視頻檢測技術(shù)，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(wǎng)交通信息。這使得云控平臺根據(jù)交叉口區(qū)域的交通信息對智能車輛進(jìn)行協(xié)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(huán)境下，針對多種車輛行駛模式，進(jìn)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(xiàn)有隊列和接近交叉口的重要隊列進(jìn)行識別。其次，利用MILP方法，根據(jù)當(dāng)前的交通控制器狀態(tài)、在線排隊數(shù)據(jù)和公交等特殊車輛的優(yōu)先請求情況，確定最優(yōu)信號控制方案。仿真結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的基于時間優(yōu)化的感應(yīng)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(yōu)控制方法，以交叉口局部費用之和為優(yōu)化目標(biāo)，對車路協(xié)同環(huán)境下自動駕駛車輛通過交叉口時的協(xié)同控制問題進(jìn)行了研究。

Jiménez F等人[15]設(shè)計了一個用于信號交叉口的駕駛員輔助系統(tǒng)。該系統(tǒng)會在檢測到交叉口存在沖突風(fēng)險時警告駕駛員，并在必要時控制車輛。基于先進(jìn)的感知技術(shù)、自動駕駛技術(shù)、車車通信技術(shù)以及車輛與基礎(chǔ)設(shè)施通信技術(shù)，該系統(tǒng)構(gòu)建了一個基于計算機(jī)視覺技術(shù)和激光掃描技術(shù)的傳感器融合體系結(jié)構(gòu)，可以實時檢測障礙物并加以分類，識別潛在風(fēng)險。如果駕駛員沒有以正確的方式對待系統(tǒng)生成的警告，車輛會進(jìn)行自主操作（速度控制或轉(zhuǎn)向）以保證安全。

Li J等人[16]提出了一種新的交叉口車輛協(xié)調(diào)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(chǔ)設(shè)施的通信接收車輛到達(dá)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(jìn)行優(yōu)化，并分別發(fā)送到每輛車上。最后，車輛根據(jù)控制中心給定的順序控制其速度?；诜抡媸侄危ㄟ^與其他交叉口車輛協(xié)調(diào)控制方法進(jìn)行比較，證明了該方法的有效性。

針對車路協(xié)同技術(shù)在交叉口的應(yīng)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(qū)域車輛行駛軌跡建模方法，對交叉口區(qū)域的車輛進(jìn)行連續(xù)準(zhǔn)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(xié)同環(huán)境，David G等人[18]將車輛進(jìn)出交叉口的駕駛過程分為駛?cè)虢徊婵?、交叉口?nèi)駕駛和駛出交叉口三個階段，并生成參數(shù)方程以優(yōu)化自動駕駛車輛在交叉口區(qū)域內(nèi)的駕駛行為。

基于車路協(xié)同技術(shù)，Pw A等人[19]開發(fā)了一個同時優(yōu)化網(wǎng)聯(lián)車輛速度和交叉口信號配時方案的控制模型。通過對網(wǎng)聯(lián)車輛的速度進(jìn)行誘導(dǎo)，該模型可以將網(wǎng)聯(lián)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(yōu)化了交叉口的定時信號配時方案。研究結(jié)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(xié)同駕駛方案?；谲囓囃ㄐ藕蛙囕v與基礎(chǔ)設(shè)施通信所獲得的信息，控制中心生成交叉口最優(yōu)信號配時方案。在生成每輛車詳細(xì)軌跡的同時，控制中心可以為具有網(wǎng)聯(lián)功能的車輛提供車輛軌跡誘導(dǎo)。研究結(jié)果表明，該方案可以有效降低車輛燃油消耗量。

在車路協(xié)同環(huán)境下，Yao Y等人[21]提出了一種車輛流向分組策略?；谲嚶穮f(xié)同技術(shù)，在車輛到達(dá)停止線前，根據(jù)流向?qū)囕v進(jìn)行分組，開發(fā)了基于滾動時間范圍的排序策略，以實現(xiàn)不確定車輛到達(dá)情況下的實時協(xié)調(diào)。研究結(jié)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(xié)同技術(shù)在交叉口車輛生態(tài)駕駛中的應(yīng)用

基于車路協(xié)同技術(shù)，云控平臺能夠根據(jù)實時、精確、全面的交通信息對交叉口交通信號進(jìn)行更加精細(xì)化和智能化的配時，并對交叉口區(qū)域的智能車輛進(jìn)行協(xié)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(shù)，進(jìn)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(tài)協(xié)同自適應(yīng)巡航控制（eco-CACC）系統(tǒng)和一種基于eco-CACC系統(tǒng)的信號交叉口燃油最優(yōu)車輛軌跡算法。仿真結(jié)果表明，與優(yōu)化前相比，所提出的Eco-CACC系統(tǒng)可以節(jié)省40%左右的汽車燃油消耗量。

在車路協(xié)同環(huán)境下，Nunzio G D等人[23]提出了一種交叉口車輛生態(tài)駕駛算法。該算法利用有向加權(quán)圖逼近車輛的最優(yōu)路徑，能夠?qū)ψ罟?jié)能的車輛軌跡進(jìn)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(tài)規(guī)劃算法提供的最優(yōu)解進(jìn)行比較，以驗證其有效性。結(jié)果表明，該算法計算量小，魯棒性強(qiáng)，易于應(yīng)用。

在車路協(xié)同環(huán)境下，Jin Q等人[24]提出了一種最優(yōu)車輛控制算法。在計算最大程度地降低車輛能耗的最優(yōu)速度曲線時，該算法不僅考慮了車輛的自身特性（如發(fā)動機(jī)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(tài)和周圍車輛的行駛信息等。與傳統(tǒng)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(qū)域內(nèi)通過兩個相鄰交叉口的網(wǎng)聯(lián)自動駕駛車輛的協(xié)調(diào)控制問題，Zhang Y J等人[25]提出了一個分散最優(yōu)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(yōu)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(jié)果表明車路協(xié)同環(huán)境下對車速的有效誘導(dǎo)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(xié)同技術(shù)對交叉口車輛尾氣排放量的影響，研究發(fā)現(xiàn)隨著網(wǎng)聯(lián)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(tài)駕駛的信號交叉口車輛最優(yōu)路徑算法。基于車輛與基礎(chǔ)設(shè)施通信技術(shù)，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(jù)此向車輛推薦最優(yōu)路徑和通過交叉口時的最佳速度。尋優(yōu)算法以車輛能耗最低為優(yōu)化目標(biāo)。測試結(jié)果表明，與傳統(tǒng)車輛最優(yōu)路徑算法相比，該算法可有效降低交叉口區(qū)域的車輛能耗。

Wang Z等人[28]研究了車路協(xié)同環(huán)境下，網(wǎng)聯(lián)自動駕駛車輛滲透率對交叉口車輛能耗的影響，研究結(jié)果表明，隨著網(wǎng)聯(lián)自動駕駛車輛滲透率提高，交叉口車輛能耗隨之減少。

4 結(jié)語

該文綜述了車路協(xié)同技術(shù)應(yīng)用于信號交叉口的相關(guān)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(xié)同技術(shù)的發(fā)展使得汽車不再是傳統(tǒng)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(xié)同技術(shù)，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(shù)和路側(cè)單元技術(shù)，車輛和路側(cè)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(chǔ)設(shè)施通信技術(shù)，可以實現(xiàn)車輛之間、車輛與基礎(chǔ)設(shè)施之間的信息交互，通過對信息進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，基于優(yōu)化目標(biāo)（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(jìn)行編隊行駛，并對交叉口信號配時進(jìn)行動態(tài)調(diào)整。車路協(xié)同技術(shù)正展現(xiàn)出其在信號交叉口應(yīng)用中的廣闊前景。未來，一是要借助5G通信技術(shù)，進(jìn)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(shù)，打造“聰明的車”和“智慧的路”；三是從交通管理角度出發(fā)，優(yōu)化交叉口渠化設(shè)計。