摘 要：針對無交通信號交叉路口交通無序，通行效率低，事故頻發(fā)等問題，提出應用車路協(xié)同系統(tǒng)，充分考慮網(wǎng)聯(lián)車輛和傳統(tǒng)車輛的區(qū)別，建立無信號交叉路口協(xié)調(diào)模型，對無交通信號交叉路口車輛通行進行協(xié)調(diào)。協(xié)調(diào)系統(tǒng)對無交通信號交叉路口混合車流車輛信息進行計算和協(xié)調(diào)，按照“先到先行”的原則進行優(yōu)先級計算，有利于提升交叉口的通行效率；允許行駛路徑無交叉碰撞風險的同相位車輛和在同車道行駛且前后跟車距離較小的車輛一起通過交叉路口；根據(jù)車輛到達停止線所需時間t1大小可分成多個不同的等級，優(yōu)先級最高的車輛或車輛共同體獲得路權，可以正常行駛通過交叉路口，同時其他優(yōu)先級車輛無路權；當路權需轉(zhuǎn)移時，提前2S轉(zhuǎn)移路權給下一相位車輛，使駕駛員有足夠的反應時間，減少了交叉路口的空閑時間。

關鍵詞：無交通信號交叉路口 車路協(xié)同 協(xié)調(diào)系統(tǒng) 車路優(yōu)先級 路權

1 緒論

近幾年，隨著城市化進程的加快，城市規(guī)模不斷擴大，道路交通大為改善，我國的機動車保有量迅速增加。據(jù)公安部統(tǒng)計，截至2022年6月，全國機動車保有量已經(jīng)達到4.06億，與2021年相比，增加了1082萬輛，增長2.74%。由于早期城市規(guī)劃路網(wǎng)結(jié)構(gòu)不合理，伴隨著汽車保有量及城市交通流量的迅速增加，交通擁堵等問題也日益突出。交通擁堵帶來的經(jīng)濟損失，通行效率降低，經(jīng)濟損失，環(huán)境污染和能源、土地的大量消耗以及交通事故等，已經(jīng)成為制約城市發(fā)展的一大難題。

交叉路口作為道路交通網(wǎng)的重要樞紐，對車輛的疏導能力直接影響著道路整體的通行效率，在無信號交叉口行駛的交通流，除受基本的道路交通安全法約束，不再被其他規(guī)則限制。因此在無信號交叉口后，交通流有序的行駛通常將變成無序行駛[1]，尤其當交通流處在區(qū)域化路網(wǎng)時，行駛過程會碰到有信號控制和無信號控制的交叉口，此時無序狀態(tài)會體現(xiàn)得更加明顯，導致無信號交叉口變成事故頻發(fā)的擁堵點。

面對迅速增長的汽車保有量和交通流量，不能僅僅依賴建設更多道路來提高車輛通行效率。通過使用智能交通技術可以有效提升現(xiàn)有道路的使用率和潛力、改善和多元化提取道路信息的方式，對數(shù)據(jù)進行合理有效的分析，通過以上操作后對車輛的行駛路徑進行優(yōu)化引導，達到對整體運輸系統(tǒng)起到合理規(guī)劃的作用[2]。針對無信號交叉路口的無序通行問題，很多專家基于智能交通技術對無信號控制的交叉口的通行問題進行了研究，經(jīng)過持續(xù)不斷地努力，在交叉路口通行策略、感知資源分配等諸多方面取得了諸多成果。

王笑京等[3]提出通過交叉口管理器、包括交通控制器、資源分配器來協(xié)調(diào)自動駕駛車輛和聯(lián)網(wǎng)車輛的 針對無信號交叉路口的碰撞感知資源分配（CARA）策略；高強等[4]把車載自組網(wǎng)中的V2V和V2I通訊作為基礎，提出單點自適應的交叉路口調(diào)度模型，車輛在接近交叉路口時會主動與信號燈建立通信連接，并提交車速，車長，轉(zhuǎn)向等調(diào)度所需信息。俄文娟[5]通過車路協(xié)同技術，根據(jù)車流的直行、右轉(zhuǎn)、左轉(zhuǎn)狀況來確定無信號交叉路口的通行規(guī)則，以此實現(xiàn)消解交叉口車輛之間的沖突。

目前現(xiàn)有的研究更多的是基于較理想的場景且很少考慮到如何對不具備智能網(wǎng)聯(lián)技術的傳統(tǒng)車輛進行協(xié)調(diào)輔助。而現(xiàn)實中絕大部分車輛都未安裝車載單元，也不具備自動駕駛功能，并且自動駕駛技術離實現(xiàn)落地還需要一定的時間。對無信號交叉路口交通的協(xié)調(diào)通行還需要進一步的研究。

2 無信號交叉路口交通運行特征

2.1 無信號交叉路口分類

一般情況下把交叉口分成：立體交叉口、平面交叉口。

2.1.1 平面交叉口

平面交叉口是交叉的兩條道路處于相同平面內(nèi)，根據(jù)幾何圖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型交叉口等幾種類別，如下圖。

2.1.2 立體交叉口

交叉的道路不處于相同平面內(nèi)的交叉路被稱為立體交叉路口，可將其分為立交橋、引道、坡道三個組成部分[6]。

2.2 無信號交叉路口的幾何特點

作為道路銜接點，無信號交叉路口由于其地理位置以及自帶的幾何條件會影響到整體交通的通行效率與安全。其具有以下幾何特點[7-8]。

（1）通常無信號交叉口由兩條道路相交而組成。通常認為主路是兩條道路中交通負載更大的那條，路寬為7-12米，支路為另一條交通負載較小的道路，路寬為7-10米。

（2）一般情況下，無信號交叉路口不會有明顯的交通標線和標志，只有良好的視距才能保證其安全效果。

（3）無信號控制的交叉路口容易受到來自行人、非機動車等的干擾。

2.3 無信號交叉路口的車輛運動特性

車輛運動特性隨無信號交叉路口的幾何形狀和其他交通條件的變化，其中車速是非常重要的運行特征[9]。

（1）無信號控制的交叉路口的主路車輛有優(yōu)先通行權。

（2）大部分無信號控制的交叉路口的交通流中，中小型車輛所占的比例較大。

（3）大部分無信號控制的交叉路口都不會有很大的交通量。

（4）當沒有信號控制的交叉路口是由兩條雙車道道路相交構(gòu)成的，來自每個方向的車輛速度都相對較小，主路上的車速一般在20-40km/h之間，支路上的車速度在20-30km/h之間；當其是由四條兩車道道路相交構(gòu)成的，主路上行駛的車輛速度一般在40-50km/h，之間支路上的車速一般在20-35km/h之間。

2.4 無信號交叉口車流沖突分析

交叉路口的車流若沒有信號燈控制，不同相位（交叉相位）的車輛可能會同時出現(xiàn)在交叉口內(nèi)從而導致碰撞發(fā)生?？梢詫⑴鲎卜譃閮纱箢悾航徊媾鲎埠屯嚨琅鲎病Ｈ魞煞较虻能囃瑫r存在于交叉口內(nèi)，發(fā)生交叉碰撞的概率會大大增加。同車道碰撞是指兩車在相同車道行駛的時候發(fā)生碰撞的工況。交叉路口內(nèi)可能的碰撞形式如下圖。

3 無信號交叉路口協(xié)調(diào)模型構(gòu)架

研究場景主要針對孤獨無信號的交叉路口，單車道，對路口的兩直行相位的混合交通流量進行協(xié)調(diào)；協(xié)調(diào)的車流包含了無法獲取交叉路口駕駛員有效駕駛意圖、無車載單元、不具備自動駕駛技術的傳統(tǒng)車輛和配備車載單元OBU的網(wǎng)聯(lián)車輛，因此只協(xié)調(diào)直行相位的交通流量。在路側(cè)設備放置多接入邊緣計算單元（Multi-access Edge Compute Unit，MEC，簡稱邊緣計算單元）[9]，傳統(tǒng)車輛通過車內(nèi)乘客的智能手機基于移動通訊技術可與MEC通訊，而網(wǎng)聯(lián)車輛的信息經(jīng)路側(cè)單元RSU轉(zhuǎn)發(fā)至MEC，RSU和MEC均放置在路側(cè)，兩者通過有線光纖通訊。

3.1 無信號交叉路口協(xié)調(diào)系統(tǒng)

協(xié)調(diào)系統(tǒng)包括路側(cè)單元RSU、多接入邊緣計算單元MEC、車載單元OBU、智能手機及其安裝的相關APP以及車載的人機交互界面（Human Machine Interface，HMI）。交叉路口范圍內(nèi)車輛的信息都上傳至MEC，MEC根據(jù)混合車流車輛信息進行計算和協(xié)調(diào)；RSU、OBU、手機APP主要負責信息的采集、傳遞和解析；人機交互界面負責將輔助駕駛信息呈現(xiàn)給駕駛員，以幫助駕駛員更好的操作。由于網(wǎng)聯(lián)車輛和傳統(tǒng)車輛所使用的通訊方式不同，所以數(shù)據(jù)流走向也有所差異。OBU和RSU基于DSRC通訊；RSU和MEC均放置在路側(cè)桿上，兩者相隔非常近并通過有線光纖進行通訊，因此這兩者通訊所帶來的時延非常短可忽略不計。傳統(tǒng)車輛的數(shù)據(jù)是智能手機通過移動通訊技術直接與邊緣計算單元進行交換，手機APP上傳車輛信息，邊緣計算單元下發(fā)路權和輔助駕駛信息。

（1）路側(cè)單元RSU主要負責轉(zhuǎn)發(fā)OBU上傳的車輛信息MEC，并轉(zhuǎn)發(fā)MEC下發(fā)的信息至OBU。

（2）車載單元OBU的主要功能是協(xié)助邊緣計算單元對交叉路口范圍內(nèi)的車輛進行協(xié)調(diào)，包括收集所需車輛信息、打包、發(fā)送、接收、解析等，使網(wǎng)聯(lián)車輛實現(xiàn)車-路互聯(lián)。車載單元主要包含四個模塊：通訊模塊、信息處理模塊、采集數(shù)據(jù)模塊及人機交互接口。

（3）多接入邊緣計算單元MEC主要根據(jù)車輛信息對交叉路口范圍內(nèi)的混合車流進行協(xié)調(diào)和輔助，以確保交叉路口內(nèi)不同時存在軌跡交叉相位的車輛，保障車輛可以安全高效率的駛過無信號交叉路口。

（4）智能手機軟件APP 主要負責收集、打包車輛信息、與MEC通訊、并對收到信息進行解析。手機內(nèi)有GPS定位系統(tǒng)，由此可以獲取車輛位置信息

3.2 協(xié)調(diào)基本流程

無信號交叉路口協(xié)調(diào)的基本流程如下圖4所示。首先判斷交叉口200m范圍內(nèi)是否有車輛，若有則激活該功能；激活以后根據(jù)車輛狀態(tài)信息計算車輛優(yōu)先級；并且判斷是否可以形成車輛共同體；然后為滿足要求的車輛下發(fā)路權及駕駛建議；當優(yōu)先車輛通過后轉(zhuǎn)移路權給下一優(yōu)先級車輛。以此減少車輛在交叉路口的啟停次數(shù)，達到減少排放和燃油消耗的效果。

3.3 確定優(yōu)先級

邊緣計算單元在獲取OBU、手機上傳的車輛信息后，首先判斷是否有車輛在交叉口200m范圍內(nèi)，若存在則對車輛的通行進行協(xié)調(diào)。由于車輛距交叉口距離和行駛速度都可能不一樣，因此車輛到交叉口停止線所需時間也不同，默認為先到達本車道停止線的車輛應具有更高的優(yōu)先級，按照“先到先行”的原則進行優(yōu)先級計算，也有利于提升交叉口的通行效率，減少等待時間。

3.4 車輛共同體

車輛共同體是指滿足一定要求就可以共享路權或優(yōu)先級的幾輛車，把這幾輛車統(tǒng)稱為車輛共同體。允許行駛路徑無交叉碰撞風險的同相位車輛和在同車道行駛且前后跟車距離較小的車輛一起通過交叉路口，這種協(xié)調(diào)方式減少了其他沒有路權的車輛在交叉路口前不必要的等待時間，同時也減輕了邊緣計算單元的計算壓力和通訊壓力，提高了無信號交叉路口通行效率。

3.5 路權及輔助駕駛信息

車輛優(yōu)先級根據(jù)車輛到達停止線所需時間t1大小可分成多個不同的等級，但路權僅分為有路權和無路權狀態(tài)。優(yōu)先級最高的車輛或車輛共同體獲得路權，可以正常行駛通過交叉路口，同時其他優(yōu)先級車輛無路權。為保證優(yōu)先級序列的準確性，多接入邊緣計算單元根據(jù)車輛信息以1s的頻率更新車輛優(yōu)先級序列，當優(yōu)先級最高的車輛到該車道停止線的距離不大于60m時，邊緣計算單元下發(fā)路權給該車輛。而其他優(yōu)先級車輛與停止線距離不大于60m時，邊緣計算單元向其下發(fā)駕駛建議信息，以輔助無路權車輛的駕駛員操作。

3.6 路權轉(zhuǎn)移

當獲得路權的車輛行駛通過交叉路口后，邊緣計算單元需將路權轉(zhuǎn)移給下一優(yōu)先級車輛。若路權轉(zhuǎn)移過早，可能導致前后優(yōu)先級車輛在交叉口內(nèi)發(fā)生交叉碰撞；若路權轉(zhuǎn)移過遲，將導致交叉路口處于空閑狀態(tài)，通行效率降低。下一優(yōu)先級車輛駕駛員從接收到路權信息到作用于油門踏板需一定的反應時間，研究表明，駕駛員接收到路權信息后的反應時間為1.66s[10]。因此將根據(jù)路口內(nèi)車輛狀態(tài)信息實時預測共同體尾車駛離交叉口的時間t2，并在t2時刻提前2s將路權轉(zhuǎn)移給下一優(yōu)先級車輛。

若下一優(yōu)先級車輛與有路權車輛在同車道或同相位，則直接賦予下一優(yōu)先級車輛路權。若下一優(yōu)先級車輛與最高優(yōu)先級車輛不在相同車道或相同相位，則多接入邊緣計算單元以1s的計算頻率實時預測有路權共同體尾車駛離交叉路口的時間t2，當t2<=2s時，邊緣計算單元將路權下發(fā)給下一優(yōu)先級車輛。邊緣計算單元通過實時預測有路權尾車駛離交叉路口的時間t2來判斷是否需要轉(zhuǎn)移路權，這可以防止路權轉(zhuǎn)移過程中兩交叉相位車輛發(fā)生碰撞，保障車輛安全；并且提前2s轉(zhuǎn)移路權給下一相位車輛可使駕駛員有足夠的反應時間起步、加速，以減少交叉路口的空閑時間，有效提高交叉路口通行效率。

4 結(jié)論

針對無交通信號交叉路口交通無序，通行效率低，事故頻發(fā)等問題，提出應用車路協(xié)同系統(tǒng)，充分考慮網(wǎng)聯(lián)車輛和傳統(tǒng)車輛的區(qū)別，建立無信號交叉路口協(xié)調(diào)模型，對無交通信號交叉路口車輛通行進行協(xié)調(diào)。

（1）協(xié)調(diào)系統(tǒng)對無交通信號交叉路口混合車流車輛信息進行計算和協(xié)調(diào)。

（2）按照“先到先行”的原則進行優(yōu)先級計算，也有利于提升交叉口的通行效率，減少等待時間。

（3）協(xié)調(diào)系統(tǒng)允許行駛路徑無交叉碰撞風險的同相位車輛和在同車道行駛且前后跟車距離較小的車輛一起通過交叉路口，提高了通行效率。

（4）車輛優(yōu)先級根據(jù)車輛到達停止線所需時間t1大小可分成多個不同的等級，優(yōu)先級最高的車輛或車輛共同體獲得路權，可以正常行駛通過交叉路口，同時其他優(yōu)先級車輛無路權。

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