基于车路协同的无交通信号交叉路口协调技术研究

摘 要：针对无交通信号交叉路口交通无序，通行效率低，事故频发等问题，提出应用车路协同系统，充分考虑网联车辆和传统车辆的区别，建立无信号交叉路口协调模型，对无交通信号交叉路口车辆通行进行协调。协调系统对无交通信号交叉路口混合车流车辆信息进行计算和协调，按照“先到先行”的原则进行优先级计算，有利于提升交叉口的通行效率；允许行驶路径无交叉碰撞风险的同相位车辆和在同车道行驶且前后跟车距离较小的车辆一起通过交叉路口；根据车辆到达停止线所需时间t1大小可分成多个不同的等级，优先级最高的车辆或车辆共同体获得路权，可以正常行驶通过交叉路口，同时其他优先级车辆无路权；当路权需转移时，提前2S转移路权给下一相位车辆，使驾驶员有足够的反应时间，减少了交叉路口的空闲时间。

关键词：无交通信号交叉路口 车路协同 协调系统 车路优先级 路权

1 绪论

近几年，随着城市化进程的加快，城市规模不断扩大，道路交通大为改善，我国的机动车保有量迅速增加。据公安部统计，截至2022年6月，全国机动车保有量已经达到4.06亿，与2021年相比，增加了1082万辆，增长2.74%。由于早期城市规划路网结构不合理，伴随着汽车保有量及城市交通流量的迅速增加，交通拥堵等问题也日益突出。交通拥堵带来的经济损失，通行效率降低，经济损失，环境污染和能源、土地的大量消耗以及交通事故等，已经成为制约城市发展的一大难题。

交叉路口作为道路交通网的重要枢纽，对车辆的疏导能力直接影响着道路整体的通行效率，在无信号交叉口行驶的交通流，除受基本的道路交通安全法约束，不再被其他规则限制。因此在无信号交叉口后，交通流有序的行驶通常将变成无序行驶[1]，尤其当交通流处在区域化路网时，行驶过程会碰到有信号控制和无信号控制的交叉口，此时无序状态会体现得更加明显，导致无信号交叉口变成事故频发的拥堵点。

面对迅速增长的汽车保有量和交通流量，不能仅仅依赖建设更多道路来提高车辆通行效率。通过使用智能交通技术可以有效提升现有道路的使用率和潜力、改善和多元化提取道路信息的方式，对数据进行合理有效的分析，通过以上操作后对车辆的行驶路径进行优化引导，达到对整体运输系统起到合理规划的作用[2]。针对无信号交叉路口的无序通行问题，很多专家基于智能交通技术对无信号控制的交叉口的通行问题进行了研究，经过持续不断地努力，在交叉路口通行策略、感知资源分配等诸多方面取得了诸多成果。

王笑京等[3]提出通过交叉口管理器、包括交通控制器、资源分配器来协调自动驾驶车辆和联网车辆的 针对无信号交叉路口的碰撞感知资源分配（CARA）策略；高强等[4]把车载自组网中的V2V和V2I通讯作为基础，提出单点自适应的交叉路口调度模型，车辆在接近交叉路口时会主动与信号灯建立通信连接，并提交车速，车长，转向等调度所需信息。俄文娟[5]通过车路协同技术，根据车流的直行、右转、左转状况来确定无信号交叉路口的通行规则，以此实现消解交叉口车辆之间的冲突。

目前现有的研究更多的是基于较理想的场景且很少考虑到如何对不具备智能网联技术的传统车辆进行协调辅助。而现实中绝大部分车辆都未安装车载单元，也不具备自动驾驶功能，并且自动驾驶技术离实现落地还需要一定的时间。对无信号交叉路口交通的协调通行还需要进一步的研究。

2 无信号交叉路口交通运行特征

2.1 无信号交叉路口分类

一般情况下把交叉口分成：立体交叉口、平面交叉口。

2.1.1 平面交叉口

平面交叉口是交叉的两条道路处于相同平面内，根据几何图形能把平面交叉路口分成十字形交叉口、T字形交叉口、Y字形交叉口、X型交叉口等几种类别，如下图。

2.1.2 立体交叉口

交叉的道路不处于相同平面内的交叉路被称为立体交叉路口，可将其分为立交桥、引道、坡道三个组成部分[6]。

2.2 无信号交叉路口的几何特点

作为道路衔接点，无信号交叉路口由于其地理位置以及自带的几何条件会影响到整体交通的通行效率与安全。其具有以下几何特点[7-8]。

（1）通常无信号交叉口由两条道路相交而组成。通常认为主路是两条道路中交通负载更大的那条，路宽为7-12米，支路为另一条交通负载较小的道路，路宽为7-10米。

（2）一般情况下，无信号交叉路口不会有明显的交通标线和标志，只有良好的视距才能保证其安全效果。

（3）无信号控制的交叉路口容易受到来自行人、非机动车等的干扰。

2.3 无信号交叉路口的车辆运动特性

车辆运动特性随无信号交叉路口的几何形状和其他交通条件的变化，其中车速是非常重要的运行特征[9]。

（1）无信号控制的交叉路口的主路车辆有优先通行权。

（2）大部分无信号控制的交叉路口的交通流中，中小型车辆所占的比例较大。

（3）大部分无信号控制的交叉路口都不会有很大的交通量。

（4）当没有信号控制的交叉路口是由两条双车道道路相交构成的，来自每个方向的车辆速度都相对较小，主路上的车速一般在20-40km/h之间，支路上的车速度在20-30km/h之间；当其是由四条两车道道路相交构成的，主路上行驶的车辆速度一般在40-50km/h，之间支路上的车速一般在20-35km/h之间。

2.4 无信号交叉口车流冲突分析

交叉路口的车流若没有信号灯控制，不同相位（交叉相位）的车辆可能会同时出现在交叉口内从而导致碰撞发生。可以将碰撞分为两大类：交叉碰撞和同车道碰撞。若两方向的车同时存在于交叉口内，发生交叉碰撞的概率会大大增加。同车道碰撞是指两车在相同车道行驶的时候发生碰撞的工况。交叉路口内可能的碰撞形式如下图。

3 无信号交叉路口协调模型构架

研究场景主要针对孤独无信号的交叉路口，单车道，对路口的两直行相位的混合交通流量进行协调；协调的车流包含了无法获取交叉路口驾驶员有效驾驶意图、无车载单元、不具备自动驾驶技术的传统车辆和配备车载单元OBU的网联车辆，因此只协调直行相位的交通流量。在路侧设备放置多接入边缘计算单元（Multi-access Edge Compute Unit，MEC，简称边缘计算单元）[9]，传统车辆通过车内乘客的智能手机基于移动通讯技术可与MEC通讯，而网联车辆的信息经路侧单元RSU转发至MEC，RSU和MEC均放置在路侧，两者通过有线光纤通讯。

3.1 无信号交叉路口协调系统

协调系统包括路侧单元RSU、多接入边缘计算单元MEC、车载单元OBU、智能手机及其安装的相关APP以及车载的人机交互界面（Human Machine Interface，HMI）。交叉路口范围内车辆的信息都上传至MEC，MEC根据混合车流车辆信息进行计算和协调；RSU、OBU、手机APP主要负责信息的采集、传递和解析；人机交互界面负责将辅助驾驶信息呈现给驾驶员，以帮助驾驶员更好的操作。由于网联车辆和传统车辆所使用的通讯方式不同，所以数据流走向也有所差异。OBU和RSU基于DSRC通讯；RSU和MEC均放置在路侧杆上，两者相隔非常近并通过有线光纤进行通讯，因此这两者通讯所带来的时延非常短可忽略不计。传统车辆的数据是智能手机通过移动通讯技术直接与边缘计算单元进行交换，手机APP上传车辆信息，边缘计算单元下发路权和辅助驾驶信息。

（1）路侧单元RSU主要负责转发OBU上传的车辆信息MEC，并转发MEC下发的信息至OBU。

（2）车载单元OBU的主要功能是协助边缘计算单元对交叉路口范围内的车辆进行协调，包括收集所需车辆信息、打包、发送、接收、解析等，使网联车辆实现车-路互联。车载单元主要包含四个模块：通讯模块、信息处理模块、采集数据模块及人机交互接口。

（3）多接入边缘计算单元MEC主要根据车辆信息对交叉路口范围内的混合车流进行协调和辅助，以确保交叉路口内不同时存在轨迹交叉相位的车辆，保障车辆可以安全高效率的驶过无信号交叉路口。

（4）智能手机软件APP 主要负责收集、打包车辆信息、与MEC通讯、并对收到信息进行解析。手机内有GPS定位系统，由此可以获取车辆位置信息

3.2 协调基本流程

无信号交叉路口协调的基本流程如下图4所示。首先判断交叉口200m范围内是否有车辆，若有则激活该功能；激活以后根据车辆状态信息计算车辆优先级；并且判断是否可以形成车辆共同体；然后为满足要求的车辆下发路权及驾驶建议；当优先车辆通过后转移路权给下一优先级车辆。以此减少车辆在交叉路口的启停次数，达到减少排放和燃油消耗的效果。

3.3 确定优先级

边缘计算单元在获取OBU、手机上传的车辆信息后，首先判断是否有车辆在交叉口200m范围内，若存在则对车辆的通行进行协调。由于车辆距交叉口距离和行驶速度都可能不一样，因此车辆到交叉口停止线所需时间也不同，默认为先到达本车道停止线的车辆应具有更高的优先级，按照“先到先行”的原则进行优先级计算，也有利于提升交叉口的通行效率，减少等待时间。

3.4 车辆共同体

车辆共同体是指满足一定要求就可以共享路权或优先级的几辆车，把这几辆车统称为车辆共同体。允许行驶路径无交叉碰撞风险的同相位车辆和在同车道行驶且前后跟车距离较小的车辆一起通过交叉路口，这种协调方式减少了其他没有路权的车辆在交叉路口前不必要的等待时间，同时也减轻了边缘计算单元的计算压力和通讯压力，提高了无信号交叉路口通行效率。

3.5 路权及辅助驾驶信息

车辆优先级根据车辆到达停止线所需时间t1大小可分成多个不同的等级，但路权仅分为有路权和无路权状态。优先级最高的车辆或车辆共同体获得路权，可以正常行驶通过交叉路口，同时其他优先级车辆无路权。为保证优先级序列的准确性，多接入边缘计算单元根据车辆信息以1s的频率更新车辆优先级序列，当优先级最高的车辆到该车道停止线的距离不大于60m时，边缘计算单元下发路权给该车辆。而其他优先级车辆与停止线距离不大于60m时，边缘计算单元向其下发驾驶建议信息，以辅助无路权车辆的驾驶员操作。

3.6 路权转移

当获得路权的车辆行驶通过交叉路口后，边缘计算单元需将路权转移给下一优先级车辆。若路权转移过早，可能导致前后优先级车辆在交叉口内发生交叉碰撞；若路权转移过迟，将导致交叉路口处于空闲状态，通行效率降低。下一优先级车辆驾驶员从接收到路权信息到作用于油门踏板需一定的反应时间，研究表明，驾驶员接收到路权信息后的反应时间为1.66s[10]。因此将根据路口内车辆状态信息实时预测共同体尾车驶离交叉口的时间t2，并在t2时刻提前2s将路权转移给下一优先级车辆。

若下一优先级车辆与有路权车辆在同车道或同相位，则直接赋予下一优先级车辆路权。若下一优先级车辆与最高优先级车辆不在相同车道或相同相位，则多接入边缘计算单元以1s的计算频率实时预测有路权共同体尾车驶离交叉路口的时间t2，当t2<=2s时，边缘计算单元将路权下发给下一优先级车辆。边缘计算单元通过实时预测有路权尾车驶离交叉路口的时间t2来判断是否需要转移路权，这可以防止路权转移过程中两交叉相位车辆发生碰撞，保障车辆安全；并且提前2s转移路权给下一相位车辆可使驾驶员有足够的反应时间起步、加速，以减少交叉路口的空闲时间，有效提高交叉路口通行效率。

4 结论

针对无交通信号交叉路口交通无序，通行效率低，事故频发等问题，提出应用车路协同系统，充分考虑网联车辆和传统车辆的区别，建立无信号交叉路口协调模型，对无交通信号交叉路口车辆通行进行协调。

（1）协调系统对无交通信号交叉路口混合车流车辆信息进行计算和协调。

（2）按照“先到先行”的原则进行优先级计算，也有利于提升交叉口的通行效率，减少等待时间。

（3）协调系统允许行驶路径无交叉碰撞风险的同相位车辆和在同车道行驶且前后跟车距离较小的车辆一起通过交叉路口，提高了通行效率。

（4）车辆优先级根据车辆到达停止线所需时间t1大小可分成多个不同的等级，优先级最高的车辆或车辆共同体获得路权，可以正常行驶通过交叉路口，同时其他优先级车辆无路权。

参考文献：

[1]李珣.车路协同下多车道微观交通诱导与控制研究[D].西安：西北工业大学，2015.

[2]刘志强，宫镇，蔡东.道路交通事故多发点鉴别[J].交通运输工程学报，2003，3（2）.

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[4]高强，付超，王健，等.车辆主动式交叉路口调度模型[J].吉林大学学报（工学版），2013，170（06）：1638-1643.

[5]俄文娟.无信号交叉口车车冲突检测与消解算法研究[D].吉林：吉林大学，2012.

[6]崔晓丹.基于车路协同的区域化无信号交叉口控制方法研究[D].北京：北京交通大学，2017.

[7]付沛沛.基于车路协同的无信号交叉路口协调与驾驶辅助[D].长沙：湖南大学，2020.

[8]王岳，陈雨人.低等级公路交叉口与城市道路非信号灯交叉口车辆运行速度特征比较分析[J].华东交通大学学报，2016，33（3）：79-86.

[9]陈昕，温向明，王鲁晗，等.5G中多接入边缘计算的联合部署架构设计[J].北京邮电大学学报，2018，41（05）：90-95+101.

[10]耿岚鑫，刘凇男，刘大学.驾驶员反应时间研究[J].交通节能与环保，2015（02）：25-29.