摘要：面向網(wǎng)聯(lián)汽車滲透率達到100%的環(huán)境，為了生成更多合理的綠燈切斷決定，提出一種新的單點全感應式信號配時技術。定義綠燈切斷決策區(qū)和擴展車長的概念，綜合考慮導向車道的長度、數(shù)量以及綠燈切斷決策區(qū)內(nèi)網(wǎng)聯(lián)汽車的數(shù)量、位置、車身長度、速度等因素，建立擴展車長轉化率計算方法，在此基礎上，評估機動車相位的交通需求，設計單點全感應邏輯。選取城市干路相交的典型四路交叉口，利用Vissim和Python創(chuàng)建仿真試驗環(huán)境，通過最優(yōu)設計生成試驗方案，為新技術交叉口和傳統(tǒng)技術交叉口共提供162,000個試驗場景。試驗結果顯示，相比于傳統(tǒng)技術，采用擴展車長轉化率推薦閥值的新技術能夠降低交叉口車均延誤，交叉口的交通負荷等級越高，降幅越明顯。

　　關鍵詞：交通信息工程及控制;全感應式信號配時;網(wǎng)聯(lián)汽車;獨立信號控制交叉口;交通仿真

　　引言

　　獨立信號控制交叉口(簡稱單點)是指不與相鄰交叉口進行交通信號燈聯(lián)動控制的交叉口。導向車道是指信號控制交叉口的機動車停止線上游標示規(guī)定行駛方向且禁止車輛越線行駛的車行道。根據(jù)015年發(fā)布的國家標準《城市道路交通標志和標線設置規(guī)范》，導向車道長度宜為70。單點全感應式信號配時技術要求采集交叉口各條導向車道內(nèi)的交通流數(shù)據(jù)，自機動車相位的最小綠燈時長結束時刻開始，評估機動車相位的交通需求，決定是否切斷機動車相位的綠燈[12]。

　　與單點自適應式信號配時技術相比，單點全感應式信號配時技術不需要預測機動車相位的交通需求，不依賴優(yōu)化模型生成機動車相位的綠燈時長，具有工作原理簡單、計算開銷小、響應速度快、部署投資少、維護費用低等優(yōu)點。即便在數(shù)據(jù)資源和算力資源十分豐富的環(huán)境中，出于提高交通信號控制系統(tǒng)整體性價比的考慮，很多獨立信號控制交叉口仍然適合應用單點全感應式信號配時技術。

　　回顧以往，單點全感應式信號配時技術的研究工作主要聚焦在以下方面：Smaglik等人[34]、Tian等人指出，利用每條導向車道內(nèi)獨立采集的車輛時距(前車尾部離開檢測區(qū)域至后車頭部到達檢測區(qū)域的時間)評估機動車相位的交通需求，可以改善交叉口的整體性能。Cesme等人為具有多條導向車道的機動車相位設計了一種根據(jù)連續(xù)多個車輛時距生成綠燈切斷決定的單點全感應邏輯。Yun等人指出，動態(tài)調(diào)整機動車相位的最大綠燈時長能夠適應交通需求模式的變化，改善交叉口的整體性能。

　　Zhang等人提出了一種隨機模型，根據(jù)排隊長度和車輛到達規(guī)律動態(tài)優(yōu)化機動車相位的最小綠燈時長和最大綠燈時長。徐洪峰等人采用正交試驗設計生成仿真試驗方案，給出了常用信號配時參數(shù)的取值建議。然而，這些研究工作難以彌補單點全感應式信號配時技術的固有缺陷。常規(guī)機動車檢測器只能在特定位置采集特定類型的交通流數(shù)據(jù)，利用這些數(shù)據(jù)評估的交通需求具體指機動車相位是否有車輛能夠以較小的車輛時距連續(xù)通過停止線。

　　由于沒有綜合考慮導向車道的長度、數(shù)量以及導向車道內(nèi)機動車的數(shù)量、位置、車身長度、速度等因素，單點全感應式信號配時技術無法精準評估機動車相位的交通需求，很可能生成不合理的綠燈切斷決定，拉低交叉口的整體性能。本文將網(wǎng)聯(lián)汽車界定為可以通過無線通信技術與外界進行數(shù)據(jù)交換和共享的機動車。網(wǎng)聯(lián)汽車并非必須具備高級別的自動駕駛功能，是傳統(tǒng)汽車向智能網(wǎng)聯(lián)汽車發(fā)展的必然產(chǎn)物。有理由相信，網(wǎng)聯(lián)汽車的滲透率將遠早于智能網(wǎng)聯(lián)汽車達到100%。

　　2010年以來，出現(xiàn)了一些在網(wǎng)聯(lián)汽車環(huán)境下研究單點自適應信號配時技術的工作[118]。它們的主要特點包括：(1)通常為環(huán)境中的網(wǎng)聯(lián)汽車設定多種滲透率;(2)當網(wǎng)聯(lián)汽車滲透率不高時，或者通過布設常規(guī)檢測器采集傳統(tǒng)汽車的交通流數(shù)據(jù)，或者利用網(wǎng)聯(lián)汽車的運行狀態(tài)估計傳統(tǒng)汽車的運行狀態(tài);(3)監(jiān)測并預測交叉口的車輛到達規(guī)律和(或)車輛消散規(guī)律;(4)建立以最小化車輛總延誤、車輛平均延誤、車輛總停車次數(shù)、車輛總排隊長度等為目標的優(yōu)化模型，在線生成交叉口的相位顯示順序、機動車相位的綠燈時長等;(5)在虛擬環(huán)境中進行各種試驗工作;(6)十分關注網(wǎng)聯(lián)汽車滲透率對交叉口整體性能的影響。這些研究工作為人們在網(wǎng)聯(lián)汽車環(huán)境下創(chuàng)新單點全感應式信號配時技術打開了思路并起到了示范作用。

　　本文認為，在網(wǎng)聯(lián)汽車走向普及應用的時代背景下，單點全感應式信號配時技術也將迎來一次重要的創(chuàng)新機遇，具體而言，就是借助經(jīng)過簡單加工的網(wǎng)聯(lián)汽車數(shù)據(jù)，從如何評估機動車相位的交通需求、如何解釋切斷機動車相位綠燈的必要性、如何設計單點全感應邏輯等方面尋求突破，通過減少不合理的綠燈切斷決定，改善交叉口的整體性能。

　　為了抓住這一機遇，單點全感應式信號配時技術的新一輪發(fā)展過程應當分為兩個階段：(1)在網(wǎng)聯(lián)汽車滲透率達到100%的虛擬環(huán)境中，探索網(wǎng)聯(lián)汽車數(shù)據(jù)賦能的單點全感應式信號配時技術，發(fā)現(xiàn)新技術相比于傳統(tǒng)技術的性能優(yōu)勢，論證新技術發(fā)展方向的正確性;(2)在網(wǎng)聯(lián)汽車滲透率不足100%的虛擬環(huán)境或現(xiàn)實環(huán)境中，探索網(wǎng)聯(lián)汽車數(shù)據(jù)和常規(guī)檢測數(shù)據(jù)賦能的單點全感應式信號配時技術，走通新技術的發(fā)展道路。

　　本文的研究工作處于第一階段，嘗試利用網(wǎng)聯(lián)汽車的數(shù)量、位置、車身長度和速度，提出一種新的單點全感應式信號配時技術。一個機動車相位可以對一條或多條導向車道內(nèi)的車輛進行信號控制。進入導向車道的車輛應當沿著規(guī)定方向行駛，按照信號燈的指示通過停止線。就單點全感應式信號配時技術而言，自機動車相位的最小綠燈時長結束時刻開始，導向車道內(nèi)的所有車輛原則上都可以參與綠燈切斷決策過程。

　　然而，機動車相位的綠燈結束前，距離停止線較近的車輛或者可以在黃燈期間通過停止線，或者可以在紅燈啟亮前靜止于停止線之后，它們不應成為綠燈切斷決策的考慮對象。根據(jù)上述看法，將導向車道上施劃的停止線稱為實際停止線。在現(xiàn)實空間映射的虛擬空間中，在距離實際停止線較近的上游設置虛擬停止線。以直行機動車相位為例，將導向車道起點至虛擬停止線的空間稱為綠燈切斷決策區(qū)。

　　一旦車身的任意部分進入綠燈切斷決策區(qū)，認為車輛位于綠燈切斷決策區(qū)內(nèi)。自機動車相位的最小綠燈時長結束時刻開始，只有綠燈切斷決策區(qū)內(nèi)的車輛才能參與綠燈切斷決策過程。根據(jù)016年發(fā)布的國家標準《道路交通信號燈設置與安裝規(guī)范》，機動車相位的黃燈時長≥3s。為了確保黃燈啟亮時刻虛擬停止線與實際停止線之間處于中高速運行狀態(tài)的車輛能夠在黃燈結束前通過實際停止線，建議虛擬停止線到實際停止線的距離≤km/h勻速行駛的車輛在內(nèi)通過的距離。

　　擴展車長機動車擴展長度(簡稱擴展車長)是指機動車為了避免與同一車行道內(nèi)的前方物體發(fā)生碰撞而必須使用的標準道路長度，包括車身長度和緊急碰撞規(guī)避距離。車身長度是指車頭最前端至車尾最后端的長度。緊急碰撞規(guī)避距離等于車輛由當前速度緊急制動至靜止過程中通過的距離加上車輛在靜止狀態(tài)下與前方靜止物體保持的安全距離。擴展車長直接反映了車輛對道路空間的最低使用要求。

　　擴展車長轉化率機動車相位的綠燈啟亮后，綠燈切斷決策區(qū)內(nèi)的車輛被賦予通過實際停止線的權利，它們將尋求達到一定的速度，實現(xiàn)空間上的移動。從綠燈時間利用和轉化的視角看，若綠燈切斷決策區(qū)內(nèi)的車輛平均速度高于某一閥值，認為這些車輛已經(jīng)整體上脫離排隊狀態(tài)，能夠將獲得的綠燈時間轉化成自身的擴展車長，反之，認為這些車輛沒有整體上脫離排隊狀態(tài)，不能將獲得的綠燈時間轉化成自身的擴展車長。

　　本文認為，機動車相位最小綠燈時長結束后的某一時刻，綠燈切斷決策區(qū)內(nèi)的車輛越多、車身長度總和越大、車輛平均速度越高，這些車輛從綠燈時間轉化出的擴展車長總和越大，說明機動車相位的交通需求越大，反之亦然。機動車擴展長度轉化率(簡稱擴展車長轉化率)是指當前時刻綠燈切斷決策區(qū)內(nèi)的擴展車長總和與綠燈切斷決策區(qū)長度總和的比值。

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　　本文提出的單點全感應式信號配時技術適用于網(wǎng)聯(lián)汽車滲透率達到00%的環(huán)境，它綜合考慮導向車道的長度、數(shù)量以及綠燈切斷決策區(qū)內(nèi)網(wǎng)聯(lián)汽車的數(shù)量、位置、車身長度、速度等因素，采用全新的方式評估機動車相位的交通需求，解釋切斷機動車相位綠燈的必要性，設計單點全感應邏輯，能夠生成更多合理的綠燈切斷決定，有助于進一步改善交叉口的整體性能。

　　仿真試驗結果顯示，相比于傳統(tǒng)技術，采用擴展車長轉化率推薦閥值的新技術在超過的低交通負荷試驗、超過94%的中交通負荷試驗和超過99%的高交通負荷試驗中表現(xiàn)出了進一步降低車均延誤的優(yōu)勢;交通負荷等級越高，新技術在降低車均延誤方面的優(yōu)勢越明顯，高交通負荷試驗中，降低幅度在4s以上的試驗占比超過53%。

　　必須承認，建成網(wǎng)聯(lián)汽車滲透率達到100%的環(huán)境尚需一段時間，雖然本文的研究成果無法在短期內(nèi)投入實際應用，但是對于利用網(wǎng)聯(lián)汽車數(shù)據(jù)變革交通信號配時技術仍然具有參考和借鑒意義。下一階段，我們將針對更多類型的交叉口開展以下專題研究：設置虛擬停止線的必要性及其最佳位置;不同道路空間布局和相位顯示順序下的擴展車長轉化率推薦閥值;擴展車長轉化率閥值的動態(tài)調(diào)整依據(jù)。

　　參考文獻 ：

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　　[3]Smaglik,E.,Bullock,D.,andUrbanik,T.Evaluationoflanebylanevehicledetectionforactuatedcontrollersservingmultilaneapproaches[J].TransportationResearchRecord:JournaloftheTransportationResearchBoard,2005,1925:12133.

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　　作者：徐洪峰，陳虹瑾，張棟，陸千惠，安娜，耿現(xiàn)彩