基于可变相位时长的网联车队交叉口通行信号控制方法

吴明圆， 张 健，， 张 平， 张金树， 张海燕

（1.西藏大学工学院，西藏 拉萨 850000； 2.东南大学交通学院，江苏 南京 210096）

引 言

在复杂的城市交通体系中，交叉路口是城市道路网络交通中各向交通流汇聚交错的重要地点，交通参与者众多且构成复杂，而传统的信号控制方法往往导致交织方向产生交通流的排队，甚至绵亘到相邻交织路口。尽管修建道路、完善基础设施建设、加强机动车与非机动车管理等手段能在一定程度上提升路网容量，但对当前现状起到的作用并不大；另一方面，城市交通系统是一个复杂的巨系统，引发交通问题的因素种类繁杂且相互影响，较难确定某一因素单独影响的结果。而以现代信息通信技术为基础的车联网技术为交叉口信号控制策略的优化提供了一种研究思路，对人、车、道路交通设施等方面进行多层面的综合把握，实现对城市交叉口处的交通流管理。

因此，相关学者对基于车联网技术的交叉口控制策略进行了深入研究。张存保等［1］在对信号控制范围内车辆的运行状态分析与短时预测的基础上，考虑在特定时段内到达的车辆，以当前相位绿灯延长时间为变量，用延误与停车次数对方案进行综合评价，寻求使该评价参数最小的全局最优方案。同样以延误和停车次数为优化目标，张健等［2］考虑绿灯最小时长约束，使用NEMA 双环相位结构中相位组时长为变量建模计算最优相位组时长，提出一种双环自适应信号控制方法。蒋贤才等［3］基于车辆与基础设施间双向通信、信息交互等功能，在形成饱和车队基础上，考虑速度诱导与信号控制方案的双向优化，提出一种新型干线交通信号协调策略。宋现敏等［4］提出基于可变相位的公交优先信号控制方法，实时调整交叉口信号的相序与相位动态组合。He 等［5］为优化车辆的行驶轨迹，提出了一种考虑车队和信号灯多阶段的最优控制策略。Gao 等［6］确定了信号配时、排队长度和行驶速度之间的关系，结果显示所构建的三者之间关系模型的多维优化控制可以显著提高当前道路的服务水平。王庞伟等［7］提出了一种基于上下层神经网络的连续交叉口交通信号控制模型，基于最优控制策略，根据路口车均延误情况，由上层神经网络进行二次调整，用于多交叉口相位配时中。Li等［8］通过对固定周期时长下的信号相位对网联车通行的影响研究，为多信号协调控制提供了优化算法。He 等［9］通过到达车队信息，建立非线性混合整数优化模型，以确定最优相位时刻，并在此基础上，提出车路协同环境下基于车辆队列的干道信号控制模型。Dresner等［10］为实现对单车的精准调度，建立一种基于路口资源预留技术的多智能体交叉口控制系统，遵循“先到先处理”，对车辆运行状态进行决策，系统自组织能力较高。综上，目前多数关于车辆的研究着重集中于对单车的调度及车队中车辆间的轨迹优化，在交通信号的控制优化上很少考虑其通行过程中整个车队通行过程的完整性与相位时长的协同优化。

1 最优策略下网联车队构建与交叉口信号控制模型

由于车辆队列与单个车辆在道路上的行驶，既有相同之处也存在差异，因此需要对车路协同环境下的车辆队列在交叉口处稳定通行的策略选择进行研究，从而得到最优策略，使车辆队列在城市道路上获得更高的通行效率。

1.1 前提条件与假设

本文研究案例来源为某市某一信号交叉口，因此基于案例地区的交通流特性和车辆类型限行政策，提出以下前提与假设：

（1）道路上行驶的小汽车（均为网联人工驾驶车辆），车队形成后各所控车辆通行过程中无变道行为，仅考虑车队的纵向波动；

（2）车辆信息及信号配时在车辆间、车与路侧设备之间均能实现即时传达，通信状况处于理想条件下；

（3）车辆在开始车辆编队前已经完成行驶路径的决策，驾驶员接受车速诱导对车辆间距与车队间距的调节策略。

1.2 车辆队列

车辆队列是以一定车头时距或间距通行的车辆组合［11］，示例如图1 所示，队列间的通信依靠车联网技术即V2X，在网联车与路边设备单元都拥有一个无线通信端的基础之上，一定范围内能够在相互之间实现车车、车路的双向通信。在城市道路交通系统中，为了改善交通震荡现象，提高道路交叉口的运行效率，使车辆形成间距固定且紧密的队列通过交叉路口，车队形式不仅可以将车间距离缩短且可以实现多车快速通过交叉口控制路段，对车辆节能减排有一定的促进作用。

1.2.1 车距控制策略

以高原城市道路上的交通流行驶轨迹特性出发，车辆加减速较为频繁，因此在道路交叉口的车辆跟随控制中，为了保证车队的车车之间以适宜小间距安全行驶，并保持相应的稳定性，必须将车队中车车之间安全的车间距离作为首要考虑，因此合适的车间距离控制策略是模型建立的基础。目前，常用队列间距控制策略主要是固定车头时距控制策略（CTG）［12］、固定安全系数控制策略（SSP）［13］以及固定车距控制策略（CS）［14］。基于实际道路设计及管控等因素，故本文车队构造过程中采用固定车距控制策略，借助通信技术在车队中车辆之间传递所控车辆的车速、加速度等数据，使得车辆引导后整体匀速行驶，且车间距离保持一个小而适宜的固定数值。

一般情况下，某交通流在交叉口间的路段行驶过程中，假设xi为第i辆车在二维坐标参考系中所处位置，则t时刻相邻车辆之间的间距di，i-1可定义为：

式中li-1为第i辆车前车的长度。

在固定车距控制策略［15］中，第i辆车的测量车距误差定义为：

式中Ld为一常数，其值为车辆间的期望固定车间距离，一般取值为6.5 m（此值包含前车长度）。

对于车辆的跟随性，随着车辆增加，间距误差εi值逐渐趋向0 时，表明车辆队列是稳定的。设J为稳定性指标，Wε为间距误差权重，其计算公式为：

1.2.2 车队规模与车队长度变化

在实际的车队形成过程中，为避免某一方向上为满足一定规模车队不间断通过交叉口而对绿灯分配时间过长，限制了其他方向车辆的通行，故车队的队长及队列规模会在一定范围内产生小幅度动态变化，其通行场景示意如图2 所示。

图2 车队通行场景示意Fig.2 Schematic diagram of fleet traffic scene

为了保证车队的不间断通行及绿灯调整时长在合理范围内，且不过度影响其他方向交通流控制权的分配，不妨假设车队为2~5 车的小规模，当后方车辆i开始进入车队时，其加速度调整具有实时性，定义车辆i调整车速过程中的加速度为ai，则队列输入控制算法为：

式中ui(x，t)表示第i辆车的输入，表示在车队构造过程中第i车辆的期望加速度；cv，ca和cx为控制系数，vi(t)表示车辆i在t时刻下的瞬时速度，vi-1(t)表示i车前方驶入车辆i-1 的瞬时车速。

在第i-1 辆车完成跟随后，同一时刻第i辆车的期望加速度调整值为：

不难看出，在车队构造过程中车队长度Lp处于一个动态变化的过程，且车队长度的变化可表示为：

1.3 交叉口信号相位状态与车队通行策略

具体思路：通过获取的交叉口信号所处相位状态信息，如剩余红灯时间、剩余绿灯时间、最大/最小绿灯时间，根据车道上的交通流状况，在进入引导断面后，完成车辆速度引导，引导后车速为v1；其次根据当前路面上车辆行驶速度及车头时距等信息，计算跟随车辆期望加速度，实现固定车距值跟随行驶。在车队较为完整通过交叉口时，为保证其完整性，可合理调整绿灯时长，图3 为通行策略的引导流程。

图3 车队交叉口通行策略引导步骤Fig.3 Steps in guiding the strategy for passing convoy intersections

在对车队车速引导的过程，已知道路上自由行驶时车速vf为车辆行驶速度最大值，原则上引导速度vmax值不超过vf，因此对车队引导的速度范围划定为（0，vf]。在车队正常行驶后，根据信号灯状态是否具有允许车队通行的可能性，大致可分为两种情景：

1）绿灯剩余时间调节范围充裕：车队形成时，前方交叉口为绿灯初期或红灯末期状态，停止线前排队正在消散或排队车辆较少，计算排队消散时间tq。

判断车队保持当前速度v是否可以在排队消散后完整通过交叉口。若可能性较小，可以对车速进行二次调整：

式中Lp，sl为车队头车距前方停车线的距离。

当车队完整通过可能性较高，可根据需要合理延长绿灯时长（此时无需对车速进行再次引导），延长时间td需满足以下条件：

“我他妈的就是收过路费了，咋了？老子穷，来求你们的赞助来了。你不交钱，我就不让你进。爱咋咋！”老男人开口就是驴嗓子。

式中tg为绿灯剩余时间，Tmax，g为规定下的最大绿灯时间，其余符号含义同上。

2）绿灯剩余时间调节范围有限：车队形成时，交叉口相位状态为绿灯末期或红灯初期，且前方排队车辆很长，无法通过调节绿灯时长，使得车队不停车通过交叉口信号控制区域。

这时需要调整车队速度在下一个绿灯时间内通过，使得头车在交叉口红灯相位结束后到达交叉口停车线处。为避免车辆急停，车队速度引导需满足以下公式（为方便计算，将黄灯时间计入红灯相位时间内）：

1.4 车-路多维空间栅格化处理思想

在信号控制区域，对车辆轨迹线分析可知，冲突点处车辆轨迹交叉角度大，容易引起碰撞事故或排队溢出，严重影响交叉口的交通运行。因此避免车辆同时到达冲突点，合理安排车辆通过的时序有助于交叉口的高效安全运行，相关研究也证实了十字路口的网格化处理在容纳行人方面和整体车辆容量方面都更优越。以四相位信号控制方案为例对其放行顺序进行图示说明，各相位放行方向一致，如图4 所示。

图4 交叉口相位及区域栅格化示意图Fig.4 Schematic diagram of intersection phase and area rasterization

假设所有的通行都从网格之外开始，通过网格行驶，然后退出网格，可根据各个进口道车道线的延伸线将该区域划分为多个栅格。将冲突点按其位置分配入对应的冲突格中，当前相位放行车队尾车驶离该方向车辆轨迹与下一相位车辆轨迹冲突点交织的冲突格后，可放行下一方向的交通流车队，对右转车队采用随到随放的放行方法。

2 SUMO 仿真平台搭建及方案设定

2.1 仿真平台的选择

利用SUMO 对单信号交叉口控制区域内网联车队行驶进行仿真模拟，实现道路交汇处的信号控制分析，进而验证引导方法的有效性。交通系统是一个复杂的动态系统，所搭建的仿真平台要具备以下基础能力：

（1）结合二维、三维模型，实现精细化模拟仿真道路网［15］；

（2）可以描述研究交叉口当前渠化状况、当前交通信号阶段，实时反映当前的交通环境，具有对交通流各种数据如行驶速度、车辆加速度、距路口停车线间的距离等处理能力；

（3）实现车辆队列的实际行驶状态、调整自身车速与组织方法的实验仿真。

（4）各进口道的交通组成及交通流量的管控策略趋于成熟，便于对比交叉口各信号控制方案的优劣。

2.2 仿真平台的搭建

2.2.1 交叉口搭建

本节用SUMO 交通仿真软件搭建符合上述要求的信号交叉口，对该交叉口选取车辆队列，得到实际的车辆行驶信息和相关数据，为车联网技术环境下的仿真运行做好实验准备；同时对信号控制交叉口各进口道的相关数据进行研究。对于上文所述方法根据交通量需要，进行可变配时信号灯设置，通过SUMO 软件对选取的信号交叉口模型完成平台搭建，提取车辆数据后，具体的信号灯配时采用NETCONVERT 和NETGEN 依据实际路网确定的配时方案。搭建路网模型与控制方案如图5 所示。

图5 仿真路网与控制基础方案设定Fig.5 Simulation road network and basic setting of control scheme

2.2.2 仿真对比信号配时方案设定

（1）固定配时信号控制

定时控制是早期的一种信号灯运行方案，也是案例所选拉萨市某双向六车道交叉口应用的信号配时方案，随着拉萨城市化进程的快速推进，道路上车辆的增加，这种控制方式带来的弊端也明显显现出来，且无法高效地实现交通运行的有效控制。表1 为拉萨市某双向六车道信号交叉口配时方案（方案1）：

（2）分时段定时信号控制

由于固定配时信号控制的局限性，在此基础上，出现了一种根据每天平、高峰时段相应路段上的交通量变化规律采取相适应的配时方案，即分时段固定配时方案（方案2），与所述根据实际需要分配绿灯时长的信号控制方法对比方案，其平均配时信息如表2所示。

表2 分时段实时信号交叉口平均配时信息Tab.2 Average timing information of time-divided signalized intersections

3 算例分析

3.1 数据获取与示例数据来源

案例分析的真实数据来源为拉萨市城关区几个信号交叉口的相关数据，通过对该区域与仿真平台相似的信号控制交叉口进行实地调查，北京西路-鲁定北路交叉口交通问题突出，由于绿灯时长的不合理相位配置，赋予各方向车辆时空通行权时，相位时长可变程度有限，在交叉口区域经常出现交通流排队长度过长，因此选定该交叉路口为仿真实验对象，进行实例仿真。实例交叉口平面图如图6 所示。

图6 北京西路-鲁定北路交叉路口（来源百度地图）Fig.6 Intersection of Beijing West Road and Luding North Road （Source： Baidu Map）

针对选取的实例目标交叉口，开展实地调查有关几何尺寸、车流量、转向比等信息并汇总各进口道流量数据，作为输入交通流与转向比例，依据调查所得的交通流需求合理分布在仿真路网上。其中某天通过在某一平峰时段、高峰时段分别对拉萨北京西路-鲁定北路信号交叉口进行的车流数据采集与调研，统计分析结果如表3 所示。

表3 交叉口流量数据Tab.3 Intersection flow data

图7，8 分别为平、高峰不同时段分析图。通过实地调研观察得到，北京西路-鲁定北路信号交叉口的车流量极少达到饱和，较多时间交通流是处于非饱和状态，因此，在此交叉口各个信号周期内的红灯信号控制时间，交叉口各个方向上的排队车辆能够得到完全消散。

图7 平峰时段流量图Fig.7 Flow chart in flat peak period

图8 高峰时段流量图Fig.8 Flow chart during peak hours

3.2 仿真结果分析

在实际行驶中，车队延误的产生大多受交叉口的信号灯延误和排队延误这两种因素影响。因此选取车辆行程时间延误和排队长度这两个评价指标从不同的维度反映该交叉口的拥挤度和整体运行效率，车辆行程时间包括车辆行驶时间和停车延误［16］。暂不考虑车辆间的正反向传输延误，为验证所提方法是否有效可行，在仿真环境中同时进行与所选交叉口信号控制（方案1）、分时段信号控制方法（方案2）的网联车队通行状态对比分析，结合所建立的仿真平台，实现了车联网环境下对三种场景下信号控制交叉口方案的实例分析，仿真时长均为1 h，最终的仿真运行结果对比如表4 所示。

表4 仿真结果对比Tab.4 Comparison of simulation results

可以看出与方案1、方案2 相比，文中提出的信号控制方法可以明显减少车队平均延误时间和排队长度，其平均延误较其他两种方案分别减少了约43.10%和10.86%。其次仿真结果进一步表明，对车队通过信号的两条线路在同一平面上相交所形成的区域的平均延误时间和停车次数有明显的降低，而且可以提高车队通过信号交叉口的运行平稳性，减少车辆的急加速和急减速操作。综上，文中提出的方法有效可行。

4 结 语

以信号交叉口控制范围的车队为具体研究对象，利用车联网环境下车辆与路侧设备、交叉口中心控制系统实时互联、信息交互的特征，在控制区域内，采取固定间距策略，控制车辆以小间距队列形式通行，并根据信号控制灯相位状态，保证车队不停车通过交叉口的前提下，适当延长绿灯时长，同时借助速度引导使车队完整通过交叉口，结果表明大幅降低车队通过交叉口的平均延误时间。综上所述，本文所提出的控制方法对交叉口车辆的高效率通行的控制效果明显。此外考虑车队交叉口通行的完整性，目前是以车辆队列为研究对象，车辆队列中车辆数与车队长度均有所限制，对可拆分车队及高饱和交通流状态下的控制方法也有待进一步研究。